SISTEMA Y MÉTODO DE REDUCCIÓN DE PÉRDIDAS EN SISTEMAS DE TRANSFORMADORES EN PARALELO EN CENTROS DE DISTRIBUCIÓN.
Sistema y método de reducción de pérdidas en sistemas de transformadores en paralelo en centros de distribución.
El método comprende:
- medir la potencia de carga total SL de los transformadores en paralelo (10, 10') del centro de distribución;
- comparar dicho valor de carga SL con un valor de potencia de optimización (5) obtenido en función de la potencia de transformación total SN de los transformadores en paralelo (10, 10');
- seleccionar una configuración de conexión de transformadores (10, 10') determinada en función de dicha comparación;
- cambiar a la configuración de conexión seleccionada, en caso de que ésta no coincida con la configuración de conexión en activo.
Aplicable para centros donde el uso de energía eléctrica es muy variable (polígonos industriales, centros comerciales, centros docentes, centros turísticos estacionales, etc.).
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201101267.
Solicitante: UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACION A DISTANCIA (UNED).
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: COLMENAR SANTOS,Antonio, BORGE DÍEZ,David, CASTRO GIL,Manuel Alonso, CARPIO IBÁNEZ,José.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- G06F1/26 FISICA. › G06 CALCULO; CONTEO. › G06F PROCESAMIENTO ELECTRICO DE DATOS DIGITALES (sistemas de computadores basados en modelos de cálculo específicos G06N). › G06F 1/00 Detalles no cubiertos en los grupos G06F 3/00 - G06F 13/00 y G06F 21/00 (arquitecturas de computadores con programas almacenados de propósito general G06F 15/76). › Alimentación en energía eléctrica, p. ej. regulación a este efecto (para las memorias G11C).
- H02M5/12 ELECTRICIDAD. › H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA. › H02M APARATOS PARA LA TRANSFORMACION DE CORRIENTE ALTERNA EN CORRIENTE ALTERNA, DE CORRIENTE ALTERNA EN CORRIENTE CONTINUA O DE CORRIENTE CONTINUA EN CORRIENTE CONTINUA Y UTILIZADOS CON LAS REDES DE DISTRIBUCION DE ENERGIA O SISTEMAS DE ALIMENTACION SIMILARES; TRANSFORMACION DE UNA POTENCIA DE ENTRADA EN CORRIENTE CONTINUA O ALTERNA EN UNA POTENCIA DE SALIDA DE CHOQUE; SU CONTROL O REGULACION (transformadores H01F; convertidores dinamoeléctricos H02K 47/00; control de los transformadores, reactancias o bobinas de choque, control o regulación de motores, generadores eléctricos o convertidores dinamoeléctricos H02P). › H02M 5/00 Transformación de una potencia de entrada en corriente alterna en una potencia de salida en corriente alterna, p. ej. para cambiar la tensión, para cambiar la frecuencia, para cambiar el número de fases. › para la transformación de la amplitud de la tensión o de la corriente solamente.
Fragmento de la descripción:
Sistema y método de reducción de pérdidas en sistemas de transformadores en
paralelo en centros de distribución
Campo de la invención
5 La presente invención se engloba dentro del campo de los centros de
transformación, y más en concreto, en los sistemas y métodos de reducción de
pérdidas en la transformación de tensión realizada en dichos centros de
transformación.
1 O Antecedentes de la invención
Los sistemas de transformación instalados en edificios e industrias conectados
en redes de distribución deben garantizar la continuidad de suministro en el punto de
consumo del modo más eficiente posible. Las diferentes normativas internacionales
exigen esta garantía de suministro mediante la instalación de dos o más
15 transformadores de potencia en paralelo que permitan realizar operaciones de
mantenimiento en uno de ellos sin cortar el suministro, así como garantizar la
continuidad de funcionamiento en caso de avería. A pesar de que la eficiencia
energética de los transformadores de distribución ha aumentado y se han reducido las
pérdidas totales, suma de las pérdidas en carga y en vacío, éstas representan todavía
20 un valor importante en los sistemas eléctricos, entre un 16% y un 40% de las pérdidas
energéticas asociadas a los sistemas de distribución eléctrica. Se hace por tanto
necesario reducir las pérdidas en los sistemas de transformación y por lo tanto la
emisión de gases de efecto invernadero asociados.
Los sistemas de transformación suponen un importante porcentaje en las
25 pérdidas del conjunto de la distribución eléctrica tanto en Europa como Estados
Unidos [1 ]. Pese a que los fabricantes de transformadores [2] han reducido de forma
sistemática las pérdidas introduciendo nuevos materiales y técnicas de fabricación (3-
6], existe un importante número de equipos ya instalados que se encuentran dentro de
su vida útil y presentan valores de eficiencia energética mucho menores a las que
30 presentan los sistemas fabricados hoy en día. Las técnicas de fabricación modernas
de transformadores permiten obtener sistemas con pérdidas prácticamente nulas lo
que implica la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas
[4, 5]. Los sistemas de transformación con bajas pérdidas permiten reducir la potencia
instantánea demandada por la instalación y por lo tanto reducen la potencia de
35 generación asociada. En el caso del suministro basado en combustibles fósiles esto
implica una reducción de toneladas de C~equivalentes y en el caso de sistemas en redes de generación distribuida con generación renovable implica una reducción de la potencia instalada y facilita una mejor previsión de la demanda y control del sistema.
La inversión necesaria en Jos sistemas de distribución de potencia y el coste de generación eléctrica siguen en aumento, por lo que las tecnologías que permitan reducir el consumo energético están muy demandadas hoy en día. Las empresas suministradoras de energía eléctrica y el consumidor final en instalaciones privadas se ven directamente beneficiados por la implementación de sistemas de reducción de pérdidas en transformadores de distribución. Los sistemas de transformación se encuentran en funcionamiento obligatorio siempre que exista demanda por lo que los ahorros energéticos asociados a nuevas tecnologías o sistemas de transformación alcanzan valores elevados. Además Jos transformadores instalados funcionando en vacío tienen unas pérdidas asociadas por lo que existe consumo energético sin demanda en el secundario. En una fase de diseilo de una nueva instalación la decisión entre la utilización de un sistema de alta eficiencia y uno de mayores pérdidas está directamente relacionada con el ahorro económico esperable durante la fase de utilización del equipo. El análisis TOC (Total Owning Cost, análisis de coste total de la propiedad) se utiliza como herramienta de decisión ya que contempla la suma del coste del propio transformador y los costes derivados de las pérdidas en el equipo durante su vida útil [7) . Existen ejemplos de la aplicación de este método para la evaluación de instalaciones [8, 9] en función del tipo de uso [10-12] y particularizando para sistemas industriales y comerciales [13, 14]. El cálculo TOC evalúa las pérdidas del transformador en carga y en vacío para determinar qué transformador es el más adecuado en función del coste de las pérdidas durante la vida útil del equipo. Es una herramienta idónea para la toma de decisiones en fase de diseilo [14, 15], fabricación y compra de equipos.
En el caso de instalaciones ya existentes que poseen transformadores en operación es necesario plantear técnicas que permitan reducir las pérdidas energéticas asociadas a los equipos sin tener que sustituir éstos. La sustitución de un equipo que no se encuentre dailado es justificable siempre que al realizar un análisis TOC se compruebe la rentabilidad de desechar el sistema existente y la instalación de un nuevo transformador. Esta sustitución no es económicamente rentable en casi ningún caso por lo que es necesario plantear alternativas de ahorro. En el caso de nuevas instalaciones la elección de transformadores de mayor clase de eficiencia puede ser rentable cuando la reducción de pérdidas energéticas justifique elsobrecoste frente a un transformador convencional. Los transformadores existentes
han de ser integrados además en los nuevos sistemas de generación distribuida por lo
que la propuesta de métodos de reducción de pérdidas facilitará esta tarea. En los
centros de transformación de instalaciones industriales y comerciales, habitualmente
5 se mantienen los transformadores conectados sea cual sea la demanda de potencia
instantánea. Son muchas las instalaciones que presentan estacionalidad horaria, diaria
y mensual de uso, por lo que la potencia de transformación instalada no siempre se
ajusta a la óptima. Además, por motivos de previsión de ampliación de la instalación,
es habitual sobredimensionar los sistemas de transformación un mínimo de un 20%.
1O Los transformadores son máquinas eléctricas estáticas con un elevado
rendimiento que alcanza valores superiores al 95%. Está basado en el uso de dos o
más arrollamientos alrededor de un núcleo ferromagnético, y en un cambio de un nivel
de tensión a otro sin que exista un cambio en la frecuencia. Los transformadores son
utilizados masivamente en los sistemas de distribución eléctrica y desempeñan
15 funciones básicas ya que actúan como elementos de aislamiento y transformadores de
nivel de tensión. La utilización de materiales ferromagnéticos y cobre hace que su
coste sea elevado y son además máquinas pesadas y voluminosas. El medio para
reducir el tamaño de las máquinas es que la densidad de potencia en el transformador
es inversamente proporcional a la frecuencia por lo que sistemas que trabajen con
20 elevadas frecuencias permiten utilizar de forma más eficiente el núcleo magnético y
reducir por lo tanto el tamaño del equipo [16]. En la actualidad se están desarrollando
múltiples investigaciones en sistemas de transformación basados en electrónica de
potencia. Estos sistemas, llamados sistemas OEPT (Distribution Electronic Power
Transformef) , permiten afrontar de forma más eficaz los problemas de calidad de la
25 energía en los sistemas de distribución y reducir las pérdidas [17-24]. Los sistemas
OEPT se encuentran en fase de desarrollo pero no se han introducido en los sistemas
de distribución eléctrica.
La presente invención se centra en los sistemas existentes en la actualidad y
que se encuentran instalados en los sistemas de distribución y que se seguirán
30 instalando en los próximos años. Según estudios llevados a cabo en Estados Unidos
las pérdidas de los sistemas de transformación suponen el 40% de las pérdidas en
empresas de servicio público no generadoras y el 16% en las empresas de servicio
privado [1]. En la Unión Europea el Instituto Europeo del Cobre calcula que la
sustitución de los transformadores de potencia instalados en Europa por otros un 40%
35
más eficientes permitiría reducir el consumo energético en más de 22 TWh lo queconllevaría una disminución de emisiones de gases de efecto invemadero de más de 9
millones de toneladas de e~ equivalentes [25]. Debido al elevado coste de los
equipos esta solución no puede llevarse a cabo de forma sistematizada por lo que se
plantea un método de reducción de pérdidas en sistemas de transformación
5 independientemente de su eficiencia...
Reivindicaciones:
1. Método de reducción de pérdidas en sistemas de transformadores en paralelo en centros de distribución, caracterizado por que comprende realizar repetidamente los siguientes pasos:
-medir la potencia de carga total SL de los transformadores en paralelo (10, 10') del centro de distribución;
-comparar dicho valor de carga SL con al menos un valor de potencia de optimización (5) obtenido en función de la potencia de transformación total SN de los transformadores en paralelo (10, 10') ;
-seleccionar una configuración de conexión de transformadores (10, 10') determinada en función de dicha comparación; -cambiar a la configuración de conexión seleccionada, en caso de que ésta no coincida con la configuración de conexión en activo.
2. Método según la reivindicación 1, en el que el centro de transformación dispone de dos transformadores (10, 10') conectados en paralelo, caracterizado por que el valor de carga SL se compara con un único valor de potencia de optimización (5) .
3. Método según la reivindicación 2, caracterizado por que el valor de potencia de optimización (5) depende linealmente de la potencia de transformación total SN de los transformadores en paralelo (10, 10') .
4. Método según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado por que la configuración de conexión de transformadores (10, 10') se determina de la siguiente forma:
-si el valor de carga SL es inferior al valor de potencia de optimización (5) , la configuración de conexión consiste en activar un único transformador, que es el que para ese valor de carga SL presenta menores pérdidas;
-si el valor de carga SL es superior al valor de potencia de optimización (5) , la configuración de conexión consiste en activar ambos transformadores en paralelo (10, 10') .
5. Sistema de reducción de pérdidas en sistemas de transformadores en paralelo en centros de distribución, caracterizado por que comprende:
-medios de medida (12) de la potencia de carga total SL de los transformadores en paralelo (10, 10') del centro de distribución;
-medios de control ( 11) configurados para:
• comparar dicho valor de carga SL con al menos un valor de potencia de optimización (5) obtenido en función de la potencia de transformación total SN de los transformadores en paralelo (10, 10') ;
• seleccionar una configuración de conexión de transformadores (10, 10') determinada en función de dicha comparación;
• cambiar a la configuración de conexión seleccionada, mediante la activación de unos medios de conexión (13, 13') , en caso de que no coincida con la configuración de conexión en activo.
6. Sistema según la reivindicación 5, caracterizado por que comprende dichos medios de conexión (13, 13') .
7. Sistema según la reivindicación 5 ó 6, caracterizado por que los medios de control (11) comprenden una memoria (16) donde se almacena el al menos un valor de potencia de optimización (5) .
8. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado por que comprende una unidad remota de supervisión (14) con funciones de gestión remota de la configuración de los medios de control (11) .
9. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, en el que el centro de transformación dispone de dos transformadores (10, 10') conectados en paralelo, caracterizado por que los medios de control (11) están configurados para comparar el valor de carga SL con un único valor de potencia de optimización (5) .
10. Sistema según la reivindicación 9, caracterizado por que el valor de potencia de optimización (5) depende linealmente de la potencia de transformación total SN de los transformadores en paralelo (10, 10') .
11. Sistema según la reivindicación 9 ó 10, caracterizado por que los medios de control ( 11) están configurados para determinar la configuración de conexión de
transformadores (10, 10') de la siguiente forma:
-si el valor de carga SL es inferior al valor de potencia de optimización (5) , la configuración de conexión consiste en activar un único transformador, que es el que para ese valor de carga SL presenta menores pérdidas;
-si el valor de carga SL es superior al valor de potencia de optimización (5) , la configuración de conexión consiste en activar ambos transformadores en paralelo (10, 10') .
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