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T GE Investigación del Grupo de Electrónica de Potencia de la Universidad de Sevilla Dr. Jose I. Leon [email protected] Panorama Energético Actual Departamento de Ingeniería Electrónica Universidad de Sevilla Sevilla (España)

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TTGG EE

Investigación del Grupo de Electrónica

de Potencia de la Universidad de

Sevilla

Dr. Jose I. [email protected]

Panorama Energético Actual

Departamento de Ingeniería ElectrónicaUniversidad de Sevilla

Sevilla (España)

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TTGG EEPrehistoria

1976

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TTGG EEPrehistoria

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TTGG EEPrehistoria

1976

• Grandes centrales eléctricas

• Uso extensivo del carbón

• Única fuente renovable es la hidráulica

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TTGG EEHace 25 años…

1992

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TTGG EEHace 25 años…

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TTGG EEHace 25 años…

1992

• Grandes centrales eléctricas

• Uso del carbón limitado

• Única fuente renovable es la hidráulica

salvo algún sistema eólico instalado en

Tarifa (P<100kW)

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TTGG EEHoy dia

2017

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TTGG EEHoy dia

Page 10: Esta es la plantilla de las presentacionesInvestigación del Grupo de Electrónica de Potencia de la Universidad de Sevilla Dr. Jose I. Leon jileon@us.es Panorama Energético Actual

TTGG EECurrent Energy Sector Status

How is the current energy sector situation?

High demand and fossil fuel dependence

Global warming, greenhouse gases effect

Strong economical and political efforts

Search for alternative energy sources

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TTGG EEEuropean Energy Policy. H2020

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TTGG EEChallenges in the Energy Scenario

Renewable Energy

Power Grid Applications

Transportation

Industrial Applications Energ

y S

tora

ge S

yst

em

s

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TTGG EERenewable Energy Sources

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TTGG EENew installed capacity per year (EU)

Source: www.ewea.org

MW

20

% R

ES

72

% R

ES

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TTGG EEForecast of energy production

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TTGG EE

DFIG

GridGearbox

DC

AC

DC

AC

Reduced-capacity Converter

Doubly-fed converterDoubly-fed converter

• Small-scale power converter (Less power losses, price, size, weight)

• Limited speed range (-30% to +20%, typical)

• Limited control of active Pref and reactive power Qref

• Need for slip-rings

• Need for gear

• Reduced Ride-through capability

Renewable Energy Systems: Wind Energy

Vestas V90 – 3MW

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TTGG EE

DC

AC

DC

AC

SCIGWRSGPMSG

GearboxGrid

Full-capacity Converter

DC

AC

DC

AC

GridFull-capacity Converter

Multipole WRSG/PMSG

Full-converter (with or without gearbox)Full-converter (with or without gearbox)

Renewable Energy Systems: Wind Energy

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TTGG EE

WINDPOWER projectMADE (GAMESA Group)

DSP Control board developed for a 800 kW variable

speed wind turbine MADE AE-56

Renewable Energy Systems: Wind Energy

TTGG EE

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TTGG EEMultilevel Converters for Wind Power

New control techniques

New modulation methods

Project Program Leader

NATIVE

Back-to-back NPC for wind power systems

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TTGG EE

WECS DIRECT-DRIVE, multipole machine

AC

DC

DC

AC

6 K

V D

C

Generator 5KV 25 rpm Multilevel Converter

AC:DC DC:ACTransformer

4 KV/110 KV

Distribution

line

Interconnection

line

Low speed permanent magnet

machine scaled for 4MW system

30 kW PMM+IM 120rpm

Multilevel Converters for Wind Power

Project Program Leader

HI-MULTILEVEL

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TTGG EERenewable Energy Systems: Solar Energy

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TTGG EE

Central inverters

• 10 kW- 1MW, three-phase,

several strings in parallel

• High efficiency, low cost, low

reliability, not optimal MPPT

• Used for PV power plants

Renewable Energy Systems: Solar Energy

Centralized

Configuration

Three phase

DC

AC

PV Array

String/Multistring inverters

• 1.5 - 5 kW, typical residential

application

• Each string has its own inverter

enabling better MPPT

String

Configuration

Multi String

Configuration

Single phaseSingle or

Three phase

PV String

DC

AC

DC

ACDC

AC

DC

DC

DC

DC

Module inverters

• 50-250W, each panel has its own

inverter enabling optimal MPPT

• Lower efficiency, difficult

maintenance

• Higher cost kWp

Module

Configuration

(each PV panel

integrates its own AC/

DC converter)

AC

DC

AC

DC

Single phase

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TTGG EE

Solarkit Project: an efficient house

Source: www.andaluciateam.org/solarkit2010/

Photovoltaic Energy R&D

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TTGG EEChallenges in the Energy Scenario

Renewable Energy

Power Grid Applications

Transportation

Industrial Applications Energ

y S

tora

ge S

yst

em

s

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TTGG EEEuropean Grid

EU energy scenario 2010

Poor interconnection between

countries. It is a barrier for the

integration of RES in the EU

Source: www.ewea.org

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TTGG EEEuropean Grid (Supergrid)

EU energy scenario 2050

Facilitation of a large,

sustainable, clean, secure,

competitive source of energy

Aggregation and smoothing of

output (“the wind is always

blowing somewhere”)

Creation of single electricity

market in Europe

Delivers scale renewable EU

Targets

Use of FACTS and HVDC systems

Source: www.ewea.org

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TTGG EE

Project Program Leader

DENISE

S2G

SMARTCITY

Smart Grid Research

H HO2

FACTS

FACTSFACTS

HVDC

HVDC

PEC: Power Electronic Converter

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TTGG EE

Project Program Leader

Microgrids Advanced Dynamic Control Architectureand Distributed Energy Optimization

Qatar Foundation Texas A&M Qatar

Smart Grid Research

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TTGG EEHVDC, a successful solution

HVDC Link is asynchronous

Bidirectional PQ control

Less expensive for large distances

Power independent of the distance

More transmitted power

Less environmental impact

Tolerant to AC failure or oscillations

Meshed HVDC networks-Supergrid

Offshore substation Onshore substation

AC – DC Converter DC – AC Converter

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TTGG EE

DC

AC

DC

AC

DC

AC

Sa

Sa

_

Ph

ase

SP

ha

se

S

Ph

ase

TP

ha

se

T

R S T

Vdc

Sc

Sc

_

Ph

ase

BP

ha

se

B

Ph

ase

AP

ha

se

A

CBA

Vdc

Positive DC cable

Negative DC cable

Power cellPower cell

DC

AC

DC

AC

DC

AC

HVDC based on a multimegawatt Multi Modular Converter (series connection of IGBT power

modules) outstanding its modularity, low distortion and low space requirements.

Example: Trans Bay Cable project from San Francisco to Pittsburgh (USA) with 53 miles long

HVDC, a successful solution

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TTGG EE

Integration of renewable energy

sources into the distribution grid

Distributed Control Intelligent management of big data

Three-phase MMC prototype with 54 power cells

Project Program Leader

ARES

High Power Systems R&D

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TTGG EE

Project Program Leader

MVFACTS

ML Cascaded Topology

FACTS Research

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TTGG EEChallenges in the Energy Scenario

Renewable Energy

Power Grid Applications

Transportation

Industrial Applications Energ

y S

tora

ge S

yst

em

s

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TTGG EE

Mechanical power

- Engine Fuel Pump

- Engine Oil Pump

- Engine start

200kW (peak)

100kW (local)

Hydraulic power

- Flight Controls

- Landing gear

- Braking

- Reverse

- Doors

240kW-206bars

Electrical power

- Avionics

- Commercial

- Pumps

- De-icing

- Lights

- …...

115VAC-230kVA

Pneumatic power

- Air conditioning

- Pressurisation

- Ice Protection

- Engine start

From some bars

up to 20bars-1200kW

Example: Power used on A330

Power rationalisation

should be feasible

4 Power source types

3 Power networks on

aircraft

Electrical system power around 1MW!!

Transportation: Airplanes

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TTGG EE

TRACTIONMOTORDC

ACENERGY

STORAGE

SYSTEM

INVERTER

Energy

Storage

CHARGING

System

PLUG

Transportation: Electric Vehicles

Pure electric vehicle

(required for PHEV)

TRACTIONMOTOR

INVERTER

AC

DC

RECTIFIER

GENERATOR

ENERGY

STORAGE

SYSTEM

INTERNAL

COMBUSTION

ENGINE (ICE)

Energy

Storage

CHARGING

System

PLUG

DC

AC

Series hybrid electric vehicle

Parallel hybrid electric vehicle

TRACTIONMOTOR

TRANSMISSION

TORQUECOUPLER

DC

AC

INVERTER

ENERGY

STORAGE

SYSTEM

INTERNAL

COMBUSTION

ENGINE (ICE)

Energy

Storage

CHARGING

System

PLUG

(required for PHEV)

Series-parallel hybrid electric vehicle

TRACTIONMOTOR

DC

AC

INVERTER

TORQUECOUPLER

POWER SPLIT DEVICE

GENERATOR

INTERNAL

COMBUSTION

ENGINE (ICE)

Energy

Storage

CHARGING

System

PLUG

(required for PHEV)

ENERGY

STORAGE

SYSTEM

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TTGG EE

TTGG EE

Proyecto Singular Estratégico

Transportation: Subways

Project Program Leader

SA2VE

EDCLSC

EDCL SC

PP

P

PP

P

P

Source: www.sa2ve.es

UC model used: BCAP3000, 3000F/2.7V

Number of units: 185

Total Stored Energy: 421Wh.

Voltage: 250Vdc-500Vdc

Maximum Continuous Current: 200A

Depending on the UC voltage level, the peak power

is100kW.

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TTGG EE

500kW, 6000rpm, VDC=3kV

EDCLSC

EDCL SC

PP

P

PP

P

P

TTGG EE

Energy storage using supercapacitors and flywheels (on board & Substations)

Regenerative breaking for high-voltage AC railway applications

Proyecto Singular Estratégico

Transportation: Railways

Project Program Leader

SA2VE

Source: www.sa2ve.es

Page 40: Esta es la plantilla de las presentacionesInvestigación del Grupo de Electrónica de Potencia de la Universidad de Sevilla Dr. Jose I. Leon jileon@us.es Panorama Energético Actual

TTGG EE

• Hybrid energy

storage using

supercapacitors

and batteries

• Regenerative

breaking for

electric vehicles

charging system

• Additional

support with PV

panels

Proyecto INNPACTO

Project Program Leader

FERROLINERA 3.0

Energy Storage R&D

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TTGG EE

State of charge project (SOC)

TTGG EE

Source: www.movand.com

Energy Storage R&D

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TTGG EEChallenges in the Energy Scenario

Renewable Energy

Power Grid Applications

Transportation

Industrial Applications

Energ

y S

tora

ge S

yst

em

s

Conclusion?

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TTGG EE

XXI Century: Energy Revolution

Conclusions

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TTGG EEEn 25 años…

2042

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TTGG EEEn 25 años…

2042

• Energía nuclear?

• Vehículo eléctrico

• Uso intensivo de ESS

• Energía GRATIS

• Internet of Energy

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TTGG EEFrom Seville to the World

• Mejor grupo de investigación en cuanto a highly cited papers en la US

• Uno de los mejores grupos en cuanto a transferencia de tecnología

• Reconocido internacionalmente (Awards, IEEE Fellows)

• Colaboraciones con los mejores centros I+D a nivel mundial

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TTGG EEIEEE CPE-POWERENG, April 4th

- 6th

2017

Cadiz (South-west coast of Spain)

CPE-POWERENG 2017

www.cpe-powereng2017.org

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TTGG EE

Investigación del Grupo de Electrónica

de Potencia de la Universidad de

Sevilla

Dr. Jose I. [email protected]

Panorama Energético Actual

Thank you for your attention

Departamento de Ingeniería ElectrónicaUniversidad de Sevilla

Sevilla (España)