Operación flexible de redes de distribución mediante convertidores electrónicos

Resumen

Actualmente no se puede negar la problemática asociada a las redes de distribución, tanto de baja como de media tensión, debido al nuevo paradigma de generación y consumo que se espera en un futuro muy cercano. La integración masiva de fuentes de energía renovable, que se están integrando globalmente, es imparable en la actualidad debido a la necesidad de reducir la dependencia de los combustibles fósiles. Esta nueva tecnología de generación se está implantando en los sistemas de distribución, tanto de media como de baja tensión, en contraste con las conexiones convencionales de centrales eléctricas de gran escala en redes de transporte de alta tensión. La proliferación de esta tecnología se debe a los objetivos de generación renovable que imponen los diferentes protocolos y normativas que tienen como finalidad el incremento de consumo en energía renovable para disminuir el impacto de los combustibles fósiles, y de este modo, conseguir una descarbonización que ayude a mitigar el cambio climático que está sufriendo el planeta. De forma adicional, y asociado al mismo objetivo, no hay que olvidar el auge del vehículo eléctrico que tendrá un impacto muy importante en todo el sistema de distribución. Se estima que el crecimiento del vehículo eléctrico en años venideros sea exponencial, llegando a ser un activo muy importante en la red de distribución, en la cual, dependiendo de cómo se integre, puede llegar a ser crítico. Los problemas que van a crear estos elementos en la red de distribución son de diversa índole: 1) inversión de flujos de potencia en las líneas, 2) violaciones de tensión, 3) sobrecarga en líneas y transformadores, 4) funcionamiento inapropiado de protecciones y 5) gestión ineficiente de la red. Estos problemas pueden crear indisponibilidad temporal de puntos de carga de vehículos eléctricos o de inyección de generación de las fuentes renovables por la aparición de congestiones. Sin duda esto generaría en el usuario final un rechazo hacia las nuevas tecnologías de generación renovable o adquisición de vehículos eléctricos, pudiendo darse un retroceso indeseado en el crecimiento sostenible de la red eléctrica. La solución a esta diversidad de problemas no es única, pudiendo aplicarse varias soluciones. Posiblemente la solución más inmediata es el refuerzo de los diferentes elementos críticos en la red de distribución que presenten problemas. Sin embargo, esta solución puede no ser viable desde un punto de vista práctico, dada la extensión de las redes de distribución y las dificultades de dichos refuerzos en zonas urbanas basadas en configuraciones subterráneas. Por otro lado, se puede plantear limitar la instalación de estos nuevos agentes, generación renovable y/o vehículo eléctrico, a zonas o localizaciones concretas donde su impacto no sea tan acusado. Sin embargo, la no universalidad de la solución sería contraproducente para el buen funcionamiento del sector y podría no atraer a nuevos inversores y usuarios de las nuevas tecnologías. Por último, y en la premisa en que se basa esta tesis doctoral, otra solución estriba en gestionar de forma eficiente los recursos de control disponibles en la red de distribución. El objetivo que se persigue en esta tesis doctoral es conseguir una gestión eficiente de los dispositivos de electrónica de potencia que están integrados en todos los nuevos agentes de la red de distribución. Para ello se proponen estrategias de control que crean nuevas funcionalidades y/o se realizan modificaciones en su topología. Los elementos de control que se van a contemplar son los cambiadores de tomas en carga que están equipados en los transformadores, los enlaces flexibles disponibles en las redes de distribución para mallar los alimentadores radiales, las fuentes de generación renovable y las estaciones de carga del vehículo eléctrico. Estos dispositivos son controlados mediante una estructura de control jerárquica de dos niveles. Cada dispositivo está equipado con un controlador primario local, cuyo objetivo es asegurar el seguimiento de las consignas enviadas por el controlador secundario. Este control secundario, a su vez, calcula dichas consignas en base a un criterio de operación óptimo. En primer lugar se estudian las aplicaciones en la red de distribución de media tensión. En estas redes de distribución es posible disponer de una red de comunicaciones que proporciona una gran cantidad de información y medidas en tiempo real. Teniendo presente esta red de comunicaciones y teniendo el control de los cambiadores de tomas de los transformadores, la inyección de potencia reactiva de las fuentes renovables y los flujos de potencia a través de los enlaces flexibles, se propone la creación de un sistema de control centralizado, con OPF, el cual proporciona las diferentes consignas a cada dispositivo para optimizar el funcionamiento de la red, según diferentes algoritmos de control. Para hacer patente el impacto que se produce en dichas redes de distribución, las propuestas desarrolladas en esta tesis se aplican a una red de referencia sugerida por la CIGRE Task Force C06.04.02 para integración masiva de energías renovables. En esta red se realizan una serie de simulaciones que ponen de manifiesto los beneficios que tiene el control de los dispositivos mencionados, gracias a una gestión eficiente de un algoritmo centralizado que unifica la coordinación de dichos dispositivos. En segundo lugar, en la red de distribución de baja tensión se analiza la integración de una nueva topología de estación de carga rápida de vehículo eléctrico. Dicha topología se basa en un enlace multiterminal que permite controlar los flujos de potencia por las líneas mejorando así su integración en la red de distribución. La creación de este enlace flexible consiste en una modificación mínima en los cargadores rápidos estándar mediante la conexión de todos los buses de continua de los diferentes cargadores rápidos que integran la estación de carga. Con esta mínima modificación se crea una conexión entre los diferentes alimentadores de la red de baja tensión proporcionando una mayor flexibilidad. Hay que destacar que este tipo de redes, al contrario que las de media tensión, no disponen de una red de comunicaciones, y por lo tanto, no existe la cantidad de información suficiente para desarrollar un controlador centralizado óptimo que tenga en cuenta todas las medidas de la red de distribución. El control centralizado propuesto únicamente utiliza las medidas de potencia y tensión, de los transformadores MT/BT, proporcionadas desde el centro de transformación, y con estas medidas y diferentes algoritmos de control, es capaz de gestionar de forma eficiente los flujos de potencia activa y reactiva de la estación de carga de vehículo eléctrico. Para este estudio se va a utilizar la red de baja tensión propuesta por CIGRE Task Force C06.04.02, para así poder valorar los efectos de los algoritmos de control diseñados. Estos efectos se hacen patentes en las simulaciones realizadas sobre la red de baja tensión, en la cual se aplican los diferentes algoritmos de control que son gestionados por el control centralizado para permitir la carga del número máximo de vehículos posibles sin congestiones en la red. Por ultimo, una vez obtenidos todos los datos de simulación en los diferentes estudios realizados, esta tesis ha tenido la ambición de ir un paso más allá. En este aspecto, se ha realizado una implementación experimental, de las diferentes simulaciones realizadas para ver la viabilidad técnica en una red de distribución real. Para ello se ha construido una red a escala de laboratorio a partir de la red propuesta por la CIGRE Task Force C06.04.02 para redes de media tensión con una alta penetración de energía renovable. En esta red a escala se obtienen los mismos resultados de pérdidas y caídas de tensión, en por unidad, que la red de distribución real, y por lo tanto, es un magnífico banco de ensayos para poder evaluar el funcionamiento de las propuestas. Los ensayos experimentales se han realizado tanto para las aplicaciones de media como de baja tensión, realizando en esta última, algunas modificaciones en la red de distribución a escala para poder obtener los parámetros por unidad adecuados de una red de distribución de baja tensión.