Control activo de flujos de potencia en redes de distribución

Abstract

1.INTRODUCCIÓN El negocio de la distribución de energía eléctrica se enfrenta actualmente a una situación crítica debido a la combinación de diferentes factores: crecimiento continuo de las cargas, objeciones sociales y medioambientales para la construcción de nuevas infraestructuras eléctricas, dificultades económicas para invertir en nuevas redes eléctricas debido a la incertidumbre regulatoria y la exigencia de una alta calidad en la energía por parte de la industria, comercios y consumidores domésticos. Este escenario se complica aún más debido a la transformación de la redes de distribución tradicionales a las conocidas como redes inteligentes o smart grids, las cuales se caracterizan principalmente por una masiva presencia de generación distribuida (GD). De hecho, ésto es ya una realidad en algunos países, incluso antes de que las redes de distribución sean inteligentes, gracias a los incentivos económicos otorgados por los gobiernos para integrar la generación de origen renovable como fotovoltaica, biomasa o energía eólica. 2. MOTIVACIÓN La irrupción de la GD en las redes de distribución hace que sea necesario replantearse la operación radial de las mismas, tanto desde el punto de vista de la operación como de la planificación. Estas nuevas fuentes de energía pueden proporcionar importantes beneficios al sistema, como pueden ser la minimización de pérdidas en la red o la mejora del perfil de tensiones a lo largo de las líneas. Sin embargo, será necesario crear nuevas herramientas en estos sistemas que permitan alcanzar realmente todas las ventajas de estos nuevos agentes. Esta tesis presenta y compara diferentes alternativas para crear enlaces flexibles en continua (DC-link) o alterna (AC-link) entre alimentadores radiales adyacentes en las redes de distribución. Estos dispositivos se pueden englobar dentro de los sistemas DFACTS (Distribution Flexible AC Transmission Systems). De esta forma, se podría realizar un control activo de los flujos de potencia activa y reactiva entre los alimentadores que permita la operación óptima de la futura red de distribución. Para llevar a cabo este estudio, la tesis se ha divido en dos partes: análisis y modelado de las diferentes topologías DFACTS utilizadas para mallar los sistemas de distribución (capítulos 3 y 4) y casos de estudio y desarrollos experimentales de las topologías anteriores (capítulos 5 y 6). Previamente, en el capítulo 2, se ha realizado una revisión de las diferentes topologías DFACTS y sus aplicaciones, contemplando desde los filtros de conexión a la red eléctrica hasta las estrategias de control aplicadas a cada topología. 3. ESTRUCTURA Y DESARROLLO TEÓRICO En el capítulo 3 se ha analizado la topología AC-link ShSPFC (del inglés Shunt Serie Power Flow Controller) basada en un convertidor VeSC (Vector Switching Converter) que es una de las propuestas originales de esta tesis doctoral. Para ello se ha definido el principio de funcionamiento de dicha topología, su modelo en régimen dinámico en coordenadas abc y dq y su modelo en régimen permanente. A partir del modelo en régimen dinámico en coordenadas dq se han desarrollado dos estrategias de control: controlador clásico PI (proporcional+integral) y estrategia FL (del inglés feedback linearization). Ambas estrategias se han validado mediante simulación. Por último, el modelo en régimen permanente ha servido para desarrollar un modelo fasorial que permita la integración de esta topología en algoritmos OPF (Optimal Power Flow). En el capítulo 4 se ha realizado un análisis comparativo de las diferentes topologías DFACTS consideradas en esta tesis para mallar los sistemas de distribución: BTB (Back to Back), UPFC (Unified Power Flow Controller) y AC-link ShSPFC (Shunt-Series Power Flow Controller). En primer lugar se han definido las zonas factibles de operación de los flujos de potencia activa y reactiva de los VSCs (Voltage Source Converters) conectados en paralelo con la red. Estas zonas de operación aplicadas a las topologías basadas en DC-link (BTB y UPFC) han permitido obtener la región de operación factible de cada topología en función de unas condiciones de red determinadas. Adicionalmente, se ha presentado un nuevo modo de operación de la topología UPFC basado en su capacidad de controlar el flujo de potencia reactiva. El caso más extremo de este modo de operación ha permitido comparar esta topología con el enlace AC-link ShSPFC definido en el capítulo anterior. En el capítulo 5, las topologías consideradas se han utilizado para mallar un sistema de distribución propuesto por la CIGRE Task Force C06.04.02. Este sistema está compuesto a su vez de dos subsistemas de media tensión, cuya característica principal es su alta penetración de GD. Para el adecuado funcionamiento de estas topologías en las redes de distribución, se ha propuesto un esquema de operación de las mismas que será analizado en régimen permanente y dinámico. Este esquema está formado por tres niveles de control ordenados jerárquicamente de la siguiente forma: - EMS (Energy Management System). El EMS se basa en un algoritmo de optimización cuya función objetivo es minimizar las pérdidas del sistema propuesto cuando se utilizan los dispositivos DFACTS para mallarlo. Este algoritmo utiliza los datos de cargas y generadores proporcionados por los medidores inteligentes, y proporciona las referencias de potencia activa y tensión en cada uno de los terminales de estos enlaces flexibles en intervalos del orden de los minutos. Además, se ha llevado a cabo un análisis económico que considera el ahorro energético en las pérdidas del sistema respecto a la red original cuando se utilizan dispositivos DFACTS. Teniendo en cuenta lo anterior, se ha obtenido la tasa de retorno de la inversión de las diferentes topologías propuestas en esta tesis. - OCL (Outter Control Loop). El OCL se encarga de adaptar las referencias de potencia y tensión del EMS a las referencias necesitadas por el siguiente nivel de control. Este lazo de control se ha validado mediante dos simulaciones transitorias: respuesta ante falta trifásica en un nudo y hueco de tensión producido por el arranque de una gran máquina de inducción. - ICL (Inner Control Loop). El ICL se ha validado mediante una serie de simulaciones basadas en las respuestas dinámicas de los dispositivos DFACTS ante un cambio en forma de escalón de las referencias de potencia. Finalmente, en el capítulo 6, se han desarrollado cuatro montajes de laboratorio correspondientes a las topologías DFACTS estudiadas. El objetivo de estos montajes es validar los resultados obtenidos en simulación del ICL. En concreto, se han desarrollado tres prototipos de la topología BTB y uno de la topología AC-link ShSPFC. Los prototipos desarrollados para la topología BTB son de 20, 100 y 500 kVA, respectivamente. Entre un prototipo y otro, el montaje realizado ha sufrido una evolución en potencia, nivel de tensión, estrategias de control, filtros de conexión, mitigación de EMI (del inglés Electromagnetic Interferance), comunicaciones y rendimiento. El desarrollo de varios prototipos tiene como objetivo alcanzar, de forma gradual, un montaje de laboratorio final que pueda ser integrado en una red real de distribución. Respecto a la topología AC-link ShSPFC, se ha desarrollado un prototipo de 20 kVA con un VeSC de 4.5 kVA conectado en serie. La validación de esta topología se ha realizado en diferentes etapas. En la primera etapa, el VeSC se ha utilizado para alimentar una carga resistiva. La validación de su funcionamiento se ha realizado mediante la comparación de los resultados experimentales y de simulación. De la misma forma, se ha realizado un segundo ensayo, basado en alimentar una carga resistiva desde la red baja tensión a la que se añade una tensión serie proporcionada por el VeSC. Por último, se ha implementado la topología AC-link ShSPFC, a la cual se le ha aplicado la estrategia de control FL desarrollada en el capítulo 3. 5. 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