Diseño optimizado de una máquina de reluctancia conmutada aplicada a un sistema de almacenamiento de energía para integración de energías renovables

Hoy en día, uno de los objetivos de la sociedad es actualizar los procesos industriales elevando el rendimiento global de los sistemas productivos, gestionando la energía de manera eficiente. Dentro de este aspecto, el concepto de almacenamiento de energía juega un papel fundamental. Asimismo, asociando el almacenamiento de energía al sistema eléctrico, estos dispositivos permiten mejorar su eficiencia, fiabilidad y flexibilidad ante la integración masiva de energías renovables, ya que permiten absorber la energía producida, liberándola en los momentos de mayor demanda o cuando disminuye el recurso renovable. Basado en esto, se están estableciendo nuevas aplicaciones y lanzando nuevos productos comerciales donde los Sistemas de Almacenamiento de Energía (SAEs) están tomando vital importancia. Dentro de los mismos, existen muchas tecnologías de diferente naturaleza y grado de desarrollo. Entre ellos se encuentran los denominados SAEs rápidos, que presentan un ciclo de carga/descarga corto (en el orden de minutos); y dentro de estos se integran los Sistemas de Almacenamiento Cinético de Energía (SACEs) y los Supercondensadores (SCs). Ambos dispositivos disponen de un nivel de madurez tecnológica (TRL) alto, cercano a TRL8. Aunque la tecnología de los SACEs es algo más madura, ya que dispone de más años de desarrollo, los SCs ofrecen, hoy en día, una trayectoria muy prometedora, existiendo productos comerciales de ambos sistemas operando en diferentes aplicaciones industriales. El SACE o volante de inercia es un dispositivo basado en varios subsistemas o componentes principales. Entre ellos, se encuentra la máquina eléctrica. Dentro de las posibles candidatas, se halla la máquina de reluctancia conmutada. En base a esto, se define uno de los objetivos de la tesis doctoral, el diseño optimizado una máquina eléctrica de reluctancia conmutada de alta velocidad para su aplicación a volantes de inercia utilizados como sistemas de almacenamiento de energía. Este estudio detalla el proceso de diseño de la máquina de reluctancia conmutada (MRC), repasando las ventajas e inconvenientes y su idoneidad en un volante de inercia. Asimismo, se recoge su principio de funcionamiento, sus características electromagnéticas, sus regímenes de operación y las cuestiones referentes a su conversión energética para, finalmente, obtener las ecuaciones fundamentales que describen su modelo matemático, definiéndose un modelo dinámico de MRC. Continuando con el objetivo de optimizar las prestaciones de la MRC, se detallan los parámetros necesarios de dicho modelo, definiendo el proceso de optimización bajo la aplicación de un algoritmo evolutivo diferencial multiobjetivo con el cual se optimiza tanto los parámetros de diseño como de control de la MRC. Los resultados de dicho estudio permiten definir el diseño de la MRC y el convertidor electrónico de potencia asociado. Una de las limitaciones de la MRC es el rizado de par, que conlleva un aumento de la carga mecánica sobre el sistema de guiado de la máquina, suponiendo un inconveniente para las situaciones de alta velocidad. En este sentido, esta tesis plantea una modificación del diseño del rotor de la máquina para reducir el rizado de par. Se definen las ecuaciones analíticas y los principales parámetros de diseño. A continuación, se detalla un proceso de optimización de la geometría de la MRC con bajo rizado de par, de nuevo utilizando un algoritmo de optimización evolutivo diferencial multiobjetivo. Los resultados obtenidos se comparan con los presentados por la configuración tradicional de dicha máquina. Continuando con la aplicación de la MRC a un SACE, como uno de los objetivos principales de la tesis doctoral, se establece una metodología de cálculo de los mapas de eficiencia aplicado a un SACE y un sistema de almacenamiento basado en supercondensadores. En el documento se detallan los distintos tipos de pérdidas de los sistemas, así como los modelos y procedimiento de cálculo. Una vez se han definido los mapas para ambos sistemas de almacenamiento de energía, SACE y SCs, se definen las estrategias de control de sistemas de almacenamiento, con el objetivo de la integración de este tipo de dispositivos en plantas de generación renovable. De hecho, otro de los objetivos de la tesis doctoral es la aplicación de sistemas de almacenamiento de energía en plantas de energía renovable. En concordancia con ello, esta tesis doctoral se centra en la definición de una metodología de dimensionado de un sistema de almacenamiento para una planta de generación undimotriz en operación en España, con el objetivo de reducir las oscilaciones de potencia inyectada a red por dicha planta. Esta metodología recoge los resultados de los estudios anteriores, ya que emplea un SACE con máquina de reluctancia optimizada junto con el mapa de eficiencia del sistema detallado anteriormente. El resultado de dicha metodología es el número de módulos de almacenador necesarios para suavizar las oscilaciones de potencia inyectada a red, y con ello los posibles problemas de fluctuaciones de tensión y frecuencia de la red. Todo ello se realiza para dos técnicas de filtrado diferentes, basadas en un filtro de media móvil (MAF), definiendo los parámetros principales. Finalmente, es importante resaltar que las metodologías de diseño definidas durante la tesis se han empleado en varios proyectos de investigación, especialmente el procedimiento relacionado con el diseño y optimización de una máquina de reluctancia conmutada; siendo destinada a diferentes aplicaciones como son volantes de inercia o los generadores de potencia. Asimismo, la metodología de dimensionado de sistemas de almacenamiento, usada para plantas de generación undimotriz, puede emplearse en otras plantas de generación renovable. ----------ABSTRACT---------- Nowadays, one of the main challenges of the society is to update the manufacturing processes by increasing the overall performance of the industrial systems, managing the energy efficiently. On this way, the energy storage plays a fundamental role. Furthermore, the Energy Storage Systems (ESSs) allow improving the efficiency, reliability and flexibility of the electrical grids, especially in those with high renewable energies penetration, since they absorb part of the energy produced, delivering it at times of lowest demand or when the renewable resource decreases. Based on that, new applications have been established and new commercial products are appearing where Energy Storage Systems (ESSs) are becoming vital. Within them, there are many Electrical Energy Storage (EES) technologies with different nature and development level. The fast ESS are part of them, characterized by a short charge/discharge cycle. Two of technologies inside this group are the Flywheel Energy Storage Systems (FESSs) and the Supercapacitors (SCs). Both technologies have a high Technological Readiness Level (TRL), near TRL8. Although FESS has high mature level, due to its years of development, nowadays SCs offer a very promising future. Moreover, both systems have commercial products operating in different industrial applications. A flywheel is a complex device based on several components or subsystems, the electric machine among them. There are several technologies which satisfy the requirements of the FESS, including the switched reluctance machine. Based on this, one of the objectives of the PhD thesis is, the optimized design of a high-speed switched reluctance machine applied to a Flywheel Energy Storage System. The study details the design process of a Switched Reluctance Machine (SRM), reviewing the advantages and disadvantages and its suitability for a FESS. This procedure includes the description of its operating principle, electromagnetic characteristics, operating regimes and the energy conversion on the machine. Then, the mathematical model with its main electromagnetic equations are obtained, as well as a SRM dynamic model. Following with the aim of optimizing the SRM performance, the optimization process uses a multi-objective differential evolutionary optimization algorithm, considering both the design and the control of the MRC, defining the required parameters to carry it out. The study results are the required values for the design of the SRM and its power electronic converter. One of the main SRM drawbacks is its torque ripple, which leads to a mechanical overload on the guiding system, especially on high-speed applications. Related to that, this PhD thesis proposes a new geometrical design of the rotor of the SRM to reduce the torque ripple. The process starts describing the describing the analytical equations and the main design parameters. Then, the optimization process for this new configuration, using the multi-objective differential evolutionary optimization algorithm, is implemented. Finally, the results for both configurations, a conventional SRM and the proposed design with low torque ripple, are compared. Respect to the FESS application, the PhD thesis describes a methodology to obtain the efficiency maps in two ESS technologies, a FESS and a system based on SCs. The procedure defines each of the system losses, as well as the required models and equations to calculate them. Moreover, several control strategies for an energy storage plant are set with the aim of integrating those systems in renewable power plants. Based on that, other objective of the PhD thesis is the application of an energy storage system in renewable power plants. According with it, this thesis focuses on the definition of a methodology for dimensioning an energy storage plant based on FESS for a wave energy plant in operation situated Spain. This energy storage system has the aim of smoothing the power oscillations, setting an almost constant power injected into the grid. This methodology uses the previous results, especially the FESS efficiency map which collects an optimized SRM design for the flywheel. The result of this methodology is the number of flywheel modules required to smooth the power oscillations, mitigating the possible voltage and frequency fluctuation problems. The dimensioning process is applied for two different filtering techniques, based on a Moving Average Filter (MAF), collecting their main parameters. Finally, it is important to highlight that the methodologies described in the PhD thesis have been used in different R&D projects, especially the process related to the design and optimization of a switched reluctance machine. This process has been applied for different applications such as flywheels or linear generators. Moreover, the dimensioning methodology for energy storage plants, applied in a wave energy plant, can be used in other renewable power plants