Contribución de los aerogeneradores de velocidad variable al control primario de frecuencia en sistemas de energía eléctrica

Ochoa Correa, Danny (2019). Contribución de los aerogeneradores de velocidad variable al control primario de frecuencia en sistemas de energía eléctrica. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.56530.

Description

Title: Contribución de los aerogeneradores de velocidad variable al control primario de frecuencia en sistemas de energía eléctrica
Author/s:
  • Ochoa Correa, Danny
Contributor/s:
  • Martínez González, Sergio
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Freetext Keywords: aerogenerador de velocidad variable; control primario de frecuencia; inercia virtual; integración de la generación eólica; respuesta inercial; servicios complementarios = ancillary services; inertial response; primary frequency control; variable-speed wind turbine; virtual inertia; wind power integration
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Eléctrica [hasta 2014]
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

El inminente agotamiento de las reservas de combustible de origen fósil, la creciente preocupación por la preservación del medio ambiente y el constante incremento de las necesidades energéticas de la humanidad son algunos de los factores que han motivado el uso de fuentes de energía renovable para la producción de energía eléctrica en las últimas décadas. De las diversas alternativas disponibles para el aprovechamiento de los recursos energéticos renovables no convencionales, la generación eólica se ha ido abriendo paso con mucha fuerza en el mercado de la generación eléctrica, a tal punto que, en la actualidad, ésta presenta un alto grado de participación en la conformación del mix energético de muchos sistemas eléctricos a nivel mundial y un elevado nivel de madurez tecnológica. De los distintos tipos de generadores eólicos disponibles comercialmente, aquellos que integran la familia de los aerogeneradores de velocidad variable son los que han venido acaparando la mayor atención, implementación y, por tanto, la mayor cuota del mercado mundial eólico, debido a su alta eficiencia, amplios rangos de operación y mejor adaptación a los cada vez más estrictos códigos de red en materia de su integración a los sistemas de energía eléctrica. La filosofía de control de potencia implementada en este tipo de aerogeneradores faculta a la máquina a operar bajo diferentes regímenes de velocidad angular con el propósito de garantizar una conversión eficiente de la energía eólica incidente en la turbina en energía mecánica transferida al tren de transmisión. Por tanto, el nivel de potencia eléctrica despachada por el aerogenerador obedecerá a las consignas impuestas por sus sistemas de control internos, definidas en función del estado del recurso eólico primario disponible. Como consecuencia, su régimen rotativo estará desacoplado de la frecuencia de la red eléctrica, impidiendo el aprovechamiento directo de los recursos inerciales existentes por parte del sistema eléctrico, en detrimento de su estabilidad. Así, cuando el sistema experimenta una integración masiva de generadores eólicos en sustitución de la generación síncrona operativa, su capacidad de respuesta ante la aparición de perturbaciones causadas por cambios abruptos en el perfil de generación o de demanda eléctrica podría resultar insuficiente para garantizar el suministro eléctrico bajo niveles aceptables calidad. De esta premisa, surge la necesidad de dotar al aerogenerador de una respuesta inercial efectiva en beneficio de la red, ya que, en realidad, las características constructivas de esta máquina le confieren abundantes recursos inerciales en sus masas rotativas. En esta tesis doctoral se aborda la temática de la provisión del servicio complementario de control de frecuencia en un sistema de energía eléctrica por parte de un aerogenerador de velocidad variable. Para ello se presenta, en primera instancia, un análisis teórico exhaustivo de la operación un sistema eléctrico dentro del horizonte temporal abarcado por las acciones de control primario de frecuencia. Se estudia la respuesta inercial y el proceso de regulación de frecuencia de los generadores síncronos convencionales ante la aparición de perturbaciones de potencia y, además, se discute cómo la integración masiva de aerogeneradores puede afectar la efectividad de estas dos características. Toda la base teórica expuesta conduce a la justificación de que para el rango temporal considerado es posible representar la dinámica del sistema mediante el enfoque simplificado del esquema de control primario de frecuencia. Luego, con el objeto de disponer de las herramientas analíticas necesarias para el estudio de un sistema eléctrico de potencia con una integración importante de generación eólica, uno de los aportes preliminares de este trabajo es el desarrollo de un modelo matemático simplificado de aerogenerador de velocidad variable concebido expresamente para la realización de los estudios sobre los cuales se enfoca esta investigación. Este proceso de modelación describe de forma secuencial la representación matemática de cada uno de sus componentes y justifica, en cada caso, las simplificaciones realizadas. A continuación, se evalúa la exactitud numérica del modelo desarrollado mediante la comparación de los resultados obtenidos con aquellos que resultan de la utilización de un modelo comercial mucho más completo dentro de un entorno de simulación por ordenador. En la parte medular del informe se presenta el marco conceptual que conduce al planteamiento de las dos contribuciones científicas aportadas por esta tesis doctoral, las cuales, están pensadas para hacer factible la participación de los aerogeneradores en las tareas de control de frecuencia en un sistema eléctrico de potencia en colaboración con la generación síncrona operativa. Dichas soluciones están concebidas para su implementación en los sistemas de control de los aerogeneradores de velocidad variable y están basadas en el aprovechamiento de las capacidades y recursos físicos inherentes a la construcción y operación de la máquina, sin que sea necesaria la incorporación de equipamiento adicional para la consecución de sus objetivos. En primera instancia, se expone el concepto de inercia virtual y su aplicabilidad en aerogeneradores de velocidad variable. Además, en esta parte del trabajo se presenta una técnica novedosa ideada para regular la potencia activa despachada por el aerogenerador mediante el desplazamiento de la curva de seguimiento del punto de máxima potencia, la cual permite implementar una determinada acción correctiva teórica con un alto grado de efectividad respecto al enfoque tradicional presentado de forma recurrente en la literatura. A continuación, se explora más a fondo el concepto de inercia virtual y, mediante la aplicación de la técnica antes descrita, se propone una estrategia de control diseñada para dotar al aerogenerador de una respuesta inercial efectiva y para habilitar su participación en las tareas de control primario de frecuencia. El planteamiento teórico de esta primera propuesta deriva en la obtención de una función de control cuyo objetivo es producir cambios en la potencia activa de salida del aerogenerador según sea el estado temporal de dos variables del sistema eléctrico: el desvío de la frecuencia y la tasa de variación de la frecuencia con respecto al tiempo. Por tanto, se espera que la implementación de esta característica en el sistema de control de un aerogenerador contribuya al mejoramiento de la respuesta inercial del sistema y al sostenimiento de la frecuencia en caso de contingencia. Ahora bien, con el propósito de ampliar las prestaciones de esta estrategia de control y de no limitar su actuación únicamente ante situaciones de contingencia en la red, se plantea una segunda propuesta que explota la habilidad del aerogenerador para regular la potencia eólica capturada por la turbina mediante la orientación controlada de sus palas. La combinación de esta acción de control con aquella brindada por el método basado en el concepto de inercia virtual permite el planteamiento teórico de esta nueva estrategia de control con la que se busca reducir las excursiones de la frecuencia de la red ocasionadas por la integración de la potencia eólica fluctuante bajo condiciones normales de operación. Esta segunda propuesta incorpora, además, una característica pensada para incrementar la cantidad de energía cinética almacenada en las masas rotativas del aerogenerador y, al mismo tiempo, para reducir el vertido eólico asociado a la manipulación continuada del ángulo de paso de pala. En la parte final de la tesis, se evalúa la efectividad de las acciones de control ofrecidas por las dos propuestas sobre un banco de pruebas implementado en un entorno de simulación por ordenador, en el cual, se toman en consideración distintas características constitutivas y operativas de los sistemas eléctricos representados. Los resultados obtenidos en las simulaciones en el dominio del tiempo revelan que, para los diferentes escenarios operativos contemplados, la implementación de las soluciones tecnológicas aportadas por esta tesis doctoral contribuye al mejoramiento de las características inerciales de un sistema eléctrico caracterizado por una presencia significativa de aerogeneradores de velocidad variable, tanto en condiciones normales de operación como en situaciones de contingencia. ----------ABSTRACT---------- The imminent depletion of fossil fuel reserves, the growing concern for environmental issues and the sustained increase in the energy needs of humanity are some of the factors that have strongly motivated the use of renewable energy sources for production of electricity in recent decades. Of the various alternatives for the use of non-conventional renewable energy resources available today, wind energy has been acquiring a high prominence within the power generation market, to such an extent that, at present, it has a very important role in the electricity mix of many power systems worldwide. Of the different types of commercial wind turbines available, those that make up the family of variable-speed wind turbines have received the greatest attention, implementation and, therefore, the largest share of the global wind market, due to their high efficiency, wide range of operation and better adaptation to the ever stricter grid codes that regulate their integration into the power system. The control philosophy implemented in this type of wind turbines empowers the machine to work under a wide range of rotor speeds in order to guarantee an efficient conversion of the wind energy incident to the turbine into mechanical energy transferred to the drivetrain. Therefore, the output active power level offered by the wind turbine will only obey to the set-point imposed by its internal control system according to the existing wind speed conditions. Consequently, there is a decoupling between the rotating regime of the machine and the grid frequency, disabling the direct use of existing wind turbine inertial resources by the power system. Thus, when the power system experiences a massive integration of wind turbines in substitution of conventional synchronous generators, its ability to deal with the presence of disturbances caused by abrupt changes in the generation or electrical demand profiles could be insufficient to ensure a power supply under acceptable quality levels. From this background and, by considering that the constructive characteristics of this machine grant it abundant inertial resources in its rotating masses, the need to provide the wind turbine with an effective inertial response for the benefit of the grid stability emerges. This PhD thesis deals with the provision of the ancillary service of frequency control by a variable-speed wind turbine in a power system. First, a comprehensive theoretical analysis of the power system operation within the time frame where the primary frequency control actions take place is presented in this report. Both, the inertial response and the frequency support provided by conventional synchronous generators during the occurrence of disturbances are studied, and, furthermore, it is discussed how the high penetration of wind turbines can affect the effectiveness of these two actions. At this point, all the theoretical basis presented leads to justify that, for the time frame of interest, it is possible to achieve a simplified representation of the dynamics of the power system by the load frequency control scheme approach. Then, in order to have all the necessary analytical tools for the study of a power system with a significant participation of wind energy, a preliminary contribution of this work is the development of a simplified electromechanical model of a variable-speed wind turbine devised to be used in the studies that this research focuses on. The proposed modeling process describes sequentially the representation of each wind turbine component and justifies, in each case, the simplifications introduced. Next, the numerical accuracy of the developed model is evaluated by comparing the results obtained with those provided by a more complete model available in the digital library of a commercial simulation tool. The central part of this report is devoted to present the theoretical framework on which the two scientific contributions proposed in this PhD thesis are based. These solutions are designed to be implemented in the wind turbine control systems by taking advantage of the own physical resources and capabilities of the machine, hence, the addition of auxiliary equipment is not necessary to achieve the desired control objectives. In the first instance, the concept of virtual inertia and its applicability in variable-speed wind turbines is explained. Then, a novel technique devised to produce changes in the active power set-point of the wind turbine by means of the shifting of the maximum power point tracking curve is presented. At this part of the work, it is demonstrated that this procedure allows to implement a specific theoretical corrective action with a high degree of accuracy regarding to the traditional approach commonly presented in literature. Next, the concept of virtual inertia is further explored and, through the application of the technique previously introduced, a control strategy conceived to provide the wind turbine with an effective inertial response and for enabling its participation in the primary frequency control tasks is proposed as a first solution. From this theoretical approach, a control function is obtained, which regulates the active power supplied by the wind turbine according to the status of two variables of the power system: the frequency deviation and the rate of change of frequency. Therefore, it is expected that the implementation of this strategy contribute to the improvement of the inertial response of the power system and to the frequency recovery process in case of contingency. Now, in order to extend the benefits offered by the control strategy described before and not to limit its action to facing contingency events in the power system, a second solution, that exploits the wind turbine ability for regulating the captured wind power by acting on the blade pitch angle, is proposed at this point. The combined action of this characteristic with that provided by the virtual inertia-based method constitutes the basis of this new control strategy, which it is intended to reduce the grid-frequency excursions caused by the injection of a fluctuating wind power under normal operating conditions. This proposal also incorporates a feature designed to increase the amount of kinetic energy stored in the rotating masses of the wind turbine for a more effective fast-frequency response and, at the same time, to reduce the wind energy waste associated to the continuous pitch de-loading process experienced by the turbine. In the final part of the thesis, a study of the effectiveness of both proposals after being implemented in the system controllers of a wind turbine is performed. This study is carried out in a test-bench implemented in a simulation environment, in which several constitutive and operative characteristics of power systems have been taken into account. The results obtained in the time-domain simulations reveal that, for the different operative scenarios considered in the study, the implementation of both contributions of this PhD thesis leads to the improvement of the inertial characteristics of a high wind penetrated power system, either under normal operating conditions or in case of contingency.

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Item ID: 56530
DC Identifier: http://oa.upm.es/56530/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:56530
DOI: 10.20868/UPM.thesis.56530
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 25 Sep 2019 06:28
Last Modified: 25 Mar 2020 23:30
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