Comunicación presentada al IV Congreso Smart Grids:
Autores
- Javier Roldán Pérez, Investigador postdoctoral, Instituto IMDEA Energía
- Alberto Escalera Blasco, Investigador predoctoral, Instituto IMDEA Energía
- Alberto Rodríguez Cabero, Investigador predoctoral, Instituto IMDEA Energía
- Milan Prodanovic, Jefe de Unidad, Instituto IMDEA Energía
Resumen
El auge de la generación distribuida ha modificado drásticamente el paradigma de operación de las redes eléctricas. Este gran avance ha generado nuevas oportunidades para la planificación, la operación y el control de la red, aunque también ha generado nuevos desafíos debido a que la complejidad del sistema ha aumentado. En este artículo se discuten cuatro aspectos relacionados con los retos actuales en estas nuevas redes de distribución. En primer lugar, se explican las nuevas oportunidades en la planificación de redes con alta penetración de renovables. En segundo lugar, se describen las técnicas de gestión activa para mejorar el uso de la energía. En tercer lugar, se describen los métodos de análisis dinámico como herramienta para evaluar la estabilidad de redes eléctricas. Finalmente, se explica la emulación de máquinas síncronas con convertidores electrónicos para mejorar los márgenes de regulación de frecuencia y tensión.
Introducción
Los recientes avances en los ámbitos de las comunicaciones, la electrónica de potencia y las tecnologías de generación renovable están cambiando el paradigma de operación de las redes eléctricas. Este nuevo modelo ofrece una oportunidad potencial de ofertar servicios adicionales de red, mejorar la fiabilidad o reducir los costes de operación. Como contrapartida, la complejidad de la red ha aumentado, lo que ha dado lugar a nuevos desafíos, tanto desde el punto de vista de la planificación, como en la operación y el control.
En esta comunicación se describen algunos de estos desafíos a los que se enfrenta la red eléctrica actual. Además, se proponen soluciones viables para resolver estos problemas, que son validadas mediante herramientas informáticas y en el laboratorio de microrredes de Instituto IMDEA Energía. En particular, se tratarán cuatro temas de actualidad, que abarcan desde la planificación de redes de distribución, pasando por la operación y el control de generadores distribuidos. En particular:
- Se estudia la capacidad de los generadores distribuidos para restaurar el suministro eléctrico en caso de interrupciones del servicio (Brown&Freeman, 2001). Se trata con especial énfasis el uso de generadores renovables y sistemas de baterías. Se utiliza una metodología para evaluar el impacto potencial de restaurar el suministro con estos métodos alternativos. Esta herramienta se utiliza para analizar un caso real de una red de distribución demedia tensión.
- La gestión activa de redes de distribución es una alternativa eficiente y segura para la operación con una alta penetración de renovables. En esta comunicación se utiliza una arquitectura basada en la operación coordinada de elementos controlables de la red, tales como bancos de condensadores, transformadores con tomas regulables, generadores distribuidos, sistemas de almacenamiento de energía, etc. La operación coordinada de todos estos elementos permite garantizar la seguridad de la red a la vez que se maximiza la integración de energía renovable o se minimiza el coste de la energía suministrada. Debido a la complejidad del problema, es necesario recurrir a herramientas de optimización.
- Las fuentes de generación renovable, así como otros generadores de última generación, están basados en convertidores de electrónica de potencia. Estos convertidores permiten una operación flexible, pero su dinámica es rápida, por lo que pueden surgir problemas de interacción cuando muchos de ellos están conectados a una misma red. Para asegurar el funcionamiento de redes eléctricas con alta penetración de convertidores electrónicos es necesario realizar análisis de estabilidad que confirmen su viabilidad. En esa comunicación, se muestra un procedimiento matemático para analizar redes con alta penetración de convertidores. Los resultados teóricos se contrastan con resultados experimentales.
- Muchos generadores renovables están conectados a redes de distribución con una impedancia de cortocircuito baja (redes débiles). Es hecho complica el control de la red, que ya que los sistemas de distribución no están pensados para albergar un sistema de generación. Para simplificar la integración de estos generadores, se suele plantear que los convertidores emulen el comportamiento de máquinas rotativas. En este trabajo, se plantearán las problemáticas surgidas de utilizar estos métodos de control. Se mostrarán los resultados experimentales de un generador renovable que emula el comportamiento de una máquina síncrona.
Aspectos de fiabilidad en la planificación de redes
Las fuentes de generación distribuida se pueden utilizar para mejorar la continuidad del suministro. Para ello, se pueden emplear herramientas capaces de estimar los índices de continuidad del mismo, tales como el TIEPI y el NIEPI. Para su análisis, se requiere desarrollar nuevas herramientas que evalúen el impacto de estas nuevas tecnologías.
En esta comunicación se utiliza una herramienta capaz de estimar el impacto de la generación distribuida y el almacenamiento de energía sobre la continuidad del suministro. En concreto, se evalúa la capacidad de estos elementos para restaurar el suministro interrumpido por faltas en la red. La generación distribuida renovable y la demanda son evaluadas teniendo en cuenta su variabilidad temporal (Zou et al., 2014). La estrategia de restauración que se aplica trata de evitar interrupciones repetitivas de los consumidores frente a fluctuaciones en la generación y la demanda. El almacenamiento de energía se utiliza para apoyar a la generación renovable cuando esta no es capaz de satisfacer la demanda.
En la literatura, se suelen utilizar métodos probabilísticos basados en simulaciones para estimar la contribución de la generación renovable y el almacenamiento. Sin embargo, estos métodos presentan tiempos de computación elevados, demorando las tareas de planificación de la red. Para este trabajo, se ha utilizado un método analítico que permite reducir significativamente los tiempos de computación.
La metodología propuesta se ha aplicado a una red eléctrica de distribución de 15 kV mostrada en la Figura 1. Originalmente, la red no tenía generación distribuida, que se añadió posteriormente. El impacto sobre la fiabilidad de los generadores distribuidos se ha evaluado para los escenarios mostrados en la Figura 2. Se puede observar que la generación distribuida mejora sustancialmente la fiabilidad de la red. El TIEPI de la red original era de 7.36, y decrece hasta 2.02 cuando se llega a un nivel de integración de generación distribuida del 100 % de la demanda pico anual. Para el caso de generación distribuida eólica, la variabilidad del recurso da lugar a una menor capacidad de restauración del servicio que en el caso de generación convencional, presentando valores de TIEPI de 2.75 para una penetración del 100 %. La integración de sistemas de baterías contribuye a mejorar la capacidad de restauración de la energía eólica. La máxima contribución se da para una penetración de generación renovable del 75%, reduciendo el TIEPI en 0.8 con respecto al mismo caso sin baterías. Los resultados también muestran la importancia de un correcto dimensionamiento de los sistemas de almacenamiento.
Gestión activa de redes de distribución
La gestión activa de redes de distribución es una alternativa eficiente y segura para la operación bajo una alta penetración de renovables. Esta solución propone una nueva arquitectura basada en la operación coordinada de elementos controlables en la red tales como bancos de condensadores, transformadores con cambios de tomas, generadores distribuidos con control de potencia activa y reactiva, etc. La operación coordinada de todos estos elementos permite garantizar la seguridad de la red a la vez que se maximiza la integración de energía renovable o se minimiza el coste de la energía suministrada.
A continuación, se muestran un ejemplo simplificado de la formulación propuesta para operar una red de distribución a lo largo de un día. La red bajo estudio tiene generación distribuida controlable, transformadores con tomas y almacenamiento de energía. La función objetivo, indicada en (1), pretende determinar la potencia de los generadores distribuidos ( ), de las subestaciones de distribución ( ) y de los sistemas de almacenamiento ( ) que minimizan el coste total en un día:
Sujeto a:
- Modelo de la red (flujos y tensiones).
- Límites de potencia y tensión de la red.
- Límites de potencia activa y reactiva de los generadores distribuidos.
- Límites de los transformadores con tomas.
- Modelo de almacenamiento de energía.
La variable representa los intervalos a lo largo de un día, el número de generadores distribuidos en la red, es el coste de generación en función de su potencia, es el número de subestaciones en la red de distribución y el precio de la electricidad en el instante .
En la Figura 3 se muestra un ejemplo de planificación de la generación y la carga/descarga del almacenamiento de energía a lo largo de un día. Esta operación se realiza con el fin de optimizar la función objetivo, mientras se garantiza el correcto funcionamiento de la red.
Análisis de pequeña señal
Existen principalmente dos estrategias para analizar la estabilidad de pequeña señal de redes eléctricas (Amin&Molinas, 2017): los métodos basados en la impedancia y los métodos basados en el análisis de autovalores. La estabilidad basada en el método de impedancias es útil para diseñar los sistemas de control de convertidores electrónicos, pero no permite evaluar la estabilidad global de un sistema eléctrico (Chen et al., 2017). Por otra parte, los métodos basados en autovalores permiten evaluar la estabilidad global un sistema eléctrico linealizado. Este proceso puede resultar tedioso ya que se debe verificar la estabilidad en todos los posibles puntos de operación. Además, este método no da información en el dominio de la frecuencia, por lo que no se puede utilizar la predecir modos de oscilación.
En este trabajo, se ha realizado un análisis de pequeña señal para evaluar la robustez de dos convertidores conectados a una red débil (Lg). El esquema eléctrico se muestra en la Figura 4. La Figura 5 muestra la trayectoria de los autovalores cuando Lg varía entre 250 mH y 6500 mH. Cuando la impedancia crece, algunos autovalores de media y baja frecuencia se mueven hacia la región inestable, poniendo en peligro la estabilidad del sistema. Este análisis sirve para verificar la robustez de un sistema frente a cambios en Lg, así como los márgenes de estabilidad. De esta manera, este tipo de análisis se puede utilizar tanto en la etapa de planificación de la red, como para evaluar escenarios problemáticos de redes actuales.
Emulación de máquinas síncronas
Tradicionalmente, los convertidores electrónicos utilizados para generación renovable (eólica y solar) se controlan utilizando reguladores de corriente y tensión con el fin de controlar, indirectamente, el flujo de potencia activa y reactiva que se inyecta a la red eléctrica. Esto es posible gracias a que la tensión del punto de conexión es estable y no depende en gran medida del funcionamiento del convertidor. Sin embargo, en el caso de la generación distribuida, esta premisa no se cumple en un gran número de ocasiones ya que la red no está concebida para albergar un sistema de generación. El auge de la generación distribuida está dando lugar a este tipo de escenarios donde conviven diferentes tecnologías de generación, como generadores eléctricos convencionales y convertidores electrónicos. La emulación de máquinas síncronas con convertidores electrónicos propone desde hace algún tiempo para simplificar la integración de convertidores electrónicos en redes eléctricas (Zhong&Weiss, 2011).
En la Figura 6 se pude ver el diagrama de bloques de un convertidor que emula una máquina síncrona conectado a una red débil. El parámetro Jv es la inercia virtual de la máquina, DP es la característica frecuencia/potencia de la máquina, CQ(s)=KQ es el control de reactiva y DQ es la característica tensión/reactiva. El diseño de estos parámetros se debe realizar de manera coordinada para mejorar los márgenes regulación de la red eléctrica (Zhong&Weiss, 2011).
La Figura 6 muestra los resultados de una máquina síncrona de 15 kW conectada a una red eléctrica débil. Los resultados han sido obtenidos en el laboratorio de redes eléctricas del Instituto IMDEA Energía (Huerta et al., 2016). En la Figura 6 (a), se puede observar la respuesta del convertidor ante un cambio de la referencia de potencia inyectada. La corriente aumenta lentamente, con una respuesta marcada por la inercia virtual. En la Figura 6 (b) y (c), se puede observar el efecto de un cambio de la frecuencia en la red. Cuando la frecuencia aumenta, la máquina síncrona virtual reduce la potencia activa inyectada. Este comportamiento se debe a la característica frecuencia/potencia de la máquina virtual.
Conclusiones
En este trabajo se han mostrado los desafíos de planificación y control de redes eléctricas con alta penetración de renovables. En primer lugar, se han descrito la planificación de redes para optimizar los índices de calidad del suministro. En segundo lugar, se ha tratado la gestión activa de redes. Se muestra que este tipo de operación mejora el uso de los recursos renovables. En tercer lugar, se han mostrado las herramientas para realizar el análisis dinámico de redes eléctricas. Con estas técnicas, se puede extraer información para garantizar el funcionamiento de la red. Finalmente, se ha mostrado como un convertidor puede emular una máquina síncrona virtual. Los resultados mostrados forman parte de proyectos de investigación actuales y que se encuentran en fases avanzadas de desarrollo.
Agradecimientos
El laboratorio de microrredes del Instituto IMDEA Energía ha sido financiado por el proyecto regional de la Comunidad de Madri, PRICAM.
Referencias
M. Amin y M. Molinas, “Small-signal stability assessment of power electronics based power systems: A discussion of impedance- and eigenvalue-based methods,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. PP, no. 99, pp. 1–1, 2017.
R. E. Brown y L. A. A. Freeman, “Analyzing the reliability impact of distributed generation,” Power Engineering Society Summer Meeting, vol. 2, July 2001, pp. 1013–1018.
X. Chen, Y. Zhang, S. Wang, J. Chen, y C. Gong, “Impedance-Phased Dynamic Control Method for Grid-Connected Inverters in a Weak Grid,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 1, pp. 274–283, 2017.
F. Huerta, J. K. Gruber, M. Prodanovic, and P. Matatagui, “Power hardware-in-the-loop test beds: evaluation tools for grid integration of distributed energy resources,” IEEE Industry Applications Magazine, vol. 22, no. 2, pp. 18–26, March 2016.
Q. C. Zhong and G. Weiss, “Synchronverters: Inverters that mimic synchronous generators,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, no. 4, pp. 1259–1267, April 2011.
K. Zou, A. P. Agalgaonkar, K. M. Muttaqi, y S. Perera, “An analytical approach for reliability evaluation of distribution systems containing dispatchable and nondispatchable renewable dg units,” IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 5, no. 6, pp. 2657–2665, Nov 2014.