Analysis and control of multi–area HVDC interconnected power systems by using virtual inertia

Resumen

El concepto de inercia virtual se está convirtiendo en una parte imprescindible de los sistemas de energía modernos y en la actualidad hay diferentes líneas de investigación orientadas a estudiar diferentes métodos de emulación de inercia virtual en diferentes partes del sistema. Esta tesis doctoral se centra en el modelado, análisis y aplicación del concepto de inercia virtual en el control de frecuencia y en el control automático de generación (AGC), los cuales son elementos clave en el control de alto nivel de los sistemas eléctricos interconectados AC / DC. Dada la evolución tanto en las topologías, como en las prestaciones de control de los convertidores electrónicos de potencia, los enlaces HVDC y el control a alto nivel de los dispositivos implicados para emular inercia constituirán el foco principal de esta tesis doctoral. El AGC es un mecanismo muy útil en un sistema de potencia multi-zona durante, sobre todo cuando hay variaciones en la carga o en la generación, ya que puede facilitar diversas tareas como: la restauración de frecuencia, control de potencia de líneas de enlace entre las áreas y el despacho económico de los sistemas de generación. En este contexto en AGC, dada su condición de control a alto nivel, generará las consignas para todos los elementos locales, tales como generadores o estaciones de conversión de energía, que están bajo el control de sus controladores locales. En esta tesis se proponen dos métodos diferentes para emular inercia virtual, los cuales se introducirán, se modelarán y se aplicarán al control de sistemas de potencia AC / DC interconectados. El primer método, que es uno de los métodos más comunes para la emulación de inercia en otras aplicaciones, es la técnica del control derivativo. En esta tesis, esta técnica se utiliza para llevar a cabo la emulación de inercia a alto nivel. Éste método de emulación de inercia se ha desarrollado para un sistema AGC de dos área que está interconectado mediante líneas de transmisión de CA / CC en paralelo. Sobre la base de la técnica propuesta, el efecto dinámico de la inercia emulada sobre el control de frecuencia y potencia activa será formulado y evaluado. Los efectos del retardo mediciones de frecuencia y los efectos del bucle de sincronización (PLL) también se consideran en el análisis y posterior ensayo. Las simulaciones llevadas a cabo demostrarán cómo la emulación de inercia virtual puede mejorar efectivamente el rendimiento del sistema de potencia. Dado que el primer método se basa en la derivación de la frecuencia de red, la medición de la frecuencia es muy importante y la aplicación de los métodos de medida de la misma, como las PLL, conlleva algunas limitaciones en la aplicación y respuesta del mismo. Por lo tanto, como una solución definitiva, se introduce el segundo método para la emulación de inercia virtual en esta tesis. El segundo método se basa en el concepto de energía síncrona virtual (VSP). El concepto de VSP, el cual permite simular los efectos dinámicos de las emulaciones de inercia por enlaces HVDC, se presentará y aplicará en sistemas de control de alto nivel, aplicándolo finalmente en el modelo AGC multi-zona. Tal y como se demostrará, mediante el uso de esta combinación propuesta en el modelo de AGC, el comportamiento dinámico de los sistemas muestra una mejora significativa. El control de bucle de potencia activa en el enlace HVDC basado en el VSP tiene una característica de segundo orden que genera una respuesta instantánea y permite controlar la amortiguación y la inercia en el sistema. La eficacia de concepto propuesto en las mejoras dinámicas se probará en plataformas de simulación que representarán un sistema multi-zona. Por último, se demostrará que la inercia virtual añade un grado de libertad adicional a la dinámica del sistema, lo cual ayuda a controlar el sobre pico así como el amortiguamiento en los transitorios en los enlaces HVDC.