Comunicación presentada al II Congreso Smart Grids:
Autores
- Daniel Morales Wagner, Director técnico, Ingelectus Innovative Electrical Solutions
- Adolfo Gastalver Rubio, Ingeniero de software, Ingelectus Innovative Electrical Solutions
- Esther Romero Ramos, Profesor Titular, Escuela Superior de Ingenieros, Universidad de Sevilla
- José María Maza Ortega, Profesor Titular, Escuela Superior de Ingenieros, Universidad de Sevilla
- Ángel Luis Trigo García, Profesor Contratado Dr., Escuela Superior de Ingenieros, Universidad de Sevilla
- Juan Manuel Mauricio, Profesor Contratado Dr., Escuela Superior de Ingenieros, Universidad de Sevilla
- Francisco Galván González, Director Técnico Europa, EDPR
- José Ángel Díaz Álvarez, Director de Technical Support, EDPR
- José Manuel Rodrigo Jiménez, Head of Performance Engineering, EDPR
- Rubén Gutiérrez Otero, Technical Support – Performance Engineering, EDPR
Resumen
Este control mejora la operación de parques eólicos/pv que implementando un control óptimo de los recursos de reactiva/tensiones disponibles, con el doble objetivo de maximizar la potencia entregada en el punto de conexión (minimizando las pérdidas de potencia internas en el parque) y cumplir con la normativa vigente o futura en relación a los requerimientos de conexión de red (fp, Q o V). Plantea un control global de todos los elementos disponibles: consignas de reactiva para cada unidad de generación, tomas de transformadores, posición de las baterías de condensadores, etc.
Sistema de control óptimo centralizado de potencia reactiva y tensiones en parques eólicos/P
Introducción
En la actualidad es habitual que los parques eólicos y fotovoltaicos tengan un alto grado de automatización en el control con el objetivo de maximizar la potencia activa inyectada a la red. Este control se caracteriza por ser un control primario, es decir, cada unidad de control del parque controla un elemento concreto de forma independiente al resto de las unidades de control, no existiendo en muchos casos un coordinador central que determine en un nivel superior las consignas de referencia que hubieran de seguir cada uno de los controladores locales. A modo de ejemplo el cambiador de tomas automáticos del transformador de cabecera del parque en el punto de conexión actúa en función del desvío de la tensión del nudo que controla, habitualmente el de media tensión, con respecto a una tensión de referencia. Esta tensión de referencia suele ser fijada por el operador técnico del parque basándose habitualmente en la experiencia y buscando que permanezca en unos límites de seguridad, sin buscar otras posibilidades de mejora en la explotación del parque que pudieran obtenerse del cálculo óptimo de dicha tensión de referencia.
Al objetivo principal de maximizar la producción se añade el de cumplir con el factor de potencia [1] u otro tipo de restricción, como podría ser en control de tensiones [2], que imponga el TSO (Transmission System Operator) en el punto de conexión a red y que establece cada reglamento. Esta forma de actuar resulta rentable por parte de los gestores de los parques puesto que suele estar penalizado su incumplimiento y bonificado la consecución de ciertos hitos. La forma de implementar este segundo objetivo suele ser en la mayoría de los casos bastante simplista, y limitándose a determinar la potencia reactiva a inyectar/consumir en el punto de conexión, y repartiéndola proporcionalmente a su capacidad entre cada una de las unidades de generación disponibles [3].
Hoy en día existen herramientas matemáticas capaces de abordar problemas de control complejo como la gestión eléctrica diaria de un parque eólico [3], de forma equivalente por ejemplo a como se hace para redes de transporte [4]. Estas aplicaciones se pueden adaptar a las necesidades del gestor de la instalación y ejecutarse en tiempo real, maximizando su beneficio de explotación y realizando una optimización energética global del sistema que cumpla con todas la restricciones técnicas. En este último sentido, se ha estudiado la utilización óptima de los recursos del sistema para obtener la máxima inyección de potencia activa a la red, la minimización de pérdidas, y garantizar la máxima bonificación por cumplimiento de las restricciones del TSO en el punto de conexión.
Este sistema de control es una aplicación informática que tiene como objetivo decidir para un parque eólico concreto y en tiempo real sobre las consignas óptimas de las variables de control disponibles, en aras a conseguir el máximo beneficio económico vía maximización de la inyección de potencia activa en el punto de conexión del parque a la red y de la remuneración por cumplimiento de factor de potencia u otra restricción de funcionamiento que imponga el TSO (Transmission System Operator) [5].
El sistema desarrollado constituye además un punto de partida inmejorable en aquellos parques donde se instale para abordar la participación de los mismos en el futuro mercado de servicios complementarios asociado al control de tensiones [6], puesto que este control se ejecuta de forma integral y óptima con la solución propuesta y desarrollada, consiguiendo cumplimentar el servicio con máximo beneficio al mismo tiempo que maximiza su producción.
Esta herramienta se ha desarrollado por Ingelectus SL con la colaboración del departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Sevilla y con el departamento Technical Support-Performance Engineering de EDPR. En este sentido para validar dicho sistema de control se ha procedido a simular la operación de tres parques eólicos que opera EDPR para después pasar a una fase de implementación en campo. La fase de simulación ha finalizado con éxito y en estos momentos la validación del sistema de control se encuentra en fase de implantación en un parque de EDPR en Asturias que finalizará a finales de año.
Actualmente el valor medio de las pérdidas de potencia activa en los parques eólicos está entre un 2% y un 3% de la potencia generada. Durante la fase de validación de simulaciones se obtuvieron ahorros entre un 5 % y un 10 % de las pérdidas totales del parque suavizando el funcionamiento de las máquinas y cumpliendo siempre con las restricciones del TSO, en este caso en factor de potencia. Estos datos se esperan confirmar durante un periodo de 2 meses de funcionamiento de este sistema de control en un parque eólico real de 50 MW.
Este producto está dirigido a los siguientes sectores o áreas de negocio:
- Operación y mantenimiento de plantas, para garantizar el mejor funcionamiento de la instalación y maximizando la potencia generada. Este producto podría ayudar a mejorar el conocimiento sobre el funcionamiento de las instalaciones y a gestionar de forma eficiente todos los elementos de control optimizando los ingresos de las plantas de generación.
- Los propietarios de la planta, garantizando el cumplimiento de los requisitos de conexión de sus plantas y aumentando la potencia activa generada.
- Desarrolladores SCADA, proporcionando un nuevo software que se puede integrar en sus SCADAs. Este producto le ayudará a desarrollar un controlador de planta inteligente (PPC), que optimiza el comportamiento maximizando la potencia activa.
Descripción del producto
El sistema de control de potencia reactiva centralizado está desarrollado para funcionar en parques eólicos y parques fotovoltaicos. Este sistema de control utiliza todos los recursos disponibles en la planta, máquinas eólicas, fotovoltaicas, tomas de transformadores, baterías de condensadores, etc. con dos propósitos:
- Cumplir con cualesquiera reglamentos relativos a los requisitos de conexión a red. Es posible implementar las restricciones sobre el punto de conexión del factor de potencia, la potencia reactiva o de referencia de tensión.
- Maximizar la potencia activa, reduciendo al mínimo las pérdidas eléctricas internas en el parque eólico.
El sistema de control se encarga de la optimización de los puntos de ajuste de los elementos de control, sobre todo, los puntos de ajuste de potencia reactiva en las máquinas y las tomas de los transformadores o bancos de condensadores, garantizando el error de estado estacionario nulo. También se comunica con el SCADA existente y por una interfaz adecuada y fácil permite monitorear distintas variables del parque y al mismo tiempo da una estimación de los ahorros producidos por el uso inteligente de PPC.
Resultados obtenidos
Se han realizado simulaciones HIL (Hardware In the Loop) probando su comportamiento en tiempo real en tres parques distintos de 12 MW, 40 MW y 50 MW de potencia nominal. La simulación HIL constituye una plataforma efectiva porque incluye toda la complejidad de la planta que controla. Esto lo realiza mediante modelos matemáticos de todos los sistemas dinámicos relacionados con la planta bajo control, formando lo que se denomina como «simulación de la planta». Utilizando uno de los softwares más fiables sistemas eléctricos de potencia, PSS/E, y diferentes protocolos de comunicación, este sistema de control propuesto logra controlar las plantas minimizando las pérdidas internas.
Para todas estas simulaciones se han utilizado medidas reales de potencia generada por los aerogeneradores, tensiones en el punto de conexión, posiciones de las tomas de los trasformadores y de las tomas de las baterías de condensadores instaladas durante varios meses de funcionamiento. En la figura se puede observar como el sistema de control es capaz de conseguir el factor de potencia deseado con un error muy pequeño. En esta simulación el objetivo es obtener un factor de potencia unidad en términos de energía en una hora de funcionamiento.
Mientras el control cumple con los requerimientos de conexión como el factor de potencia también es capaz de minimizar las pérdidas que se producen dentro del parque eólico. Comparando el funcionamiento con el control propuesto con el control que se estaba implementado para estos escenarios se obtienen los siguientes resultados para la planta de 40 MW.
En este caso se probaron tres propuestas de control dependiendo de los límites de tensión permitidos en los nudos de conexión de los aerogeneradores. El primer caso sólo se permitía una desviación de un ± 5 %, en el segundo un ± 7 % y en el tercero un ± 10 %.
Entre otros beneficios de este control se puede observar como reorganiza las prioridades de las máquinas y evita el estrés equilibrando de manera adecuada el despacho de potencia reactiva.
Conclusiones
Se han realizado simulaciones HIL orientadas a evaluar la operación de parques eólicos con este nuevo sistema de control. Las simulaciones de las distintas estrategias de control han puesto de manifiesto que siempre se puede obtener un estado de funcionamiento que garantiza las mínimas pérdidas, cumpliendo los requisitos en el punto de conexión y garantizando la no desconexión de los aerogeneradores minimizando su estrés.
Para valorar el impacto de las distintas estrategias propuestas se ha realizado un estudio comparativo entre la forma actual de operación, simulada mediante un flujo de cargas, y los estados de operación resultado de la herramienta de optimización. En términos económicos las estrategias propuestas reducen entre un 5 % y un 10 % las pérdidas internas del parque dependiendo de la estrategia usada. En la actualidad el sistema de control se está preparando para ser implementado en un parque eólico de Asturias de una potencia nominal de 50 MW donde estará funcionando durante dos meses para validar tanto el correcto funcionamiento como los ahorros obtenidos en las simulaciones.
Referencias
- Ministerio de Industria, Turismo y Comercio: R.D. 1565/2010 Boletín Oficial del Estado: 23 de noviembre de 2010, Núm. 283, 97428 a 97446.
- PREPA, TSO de Puerto Rico: Minimum Technical Requirements for Interconnecting Wind and Solar Generation de 2012.
- Poul Sørensen, Anca D. Hansen, Kenneth Thomsen, Thomas Buhl, Poul Erik Morthorst, Lars Henrik Nielsen, Florin Iov, Frede Blaabjerg, Henrik Aalborg Nielsen, Henrik Madsen and Martin H. Donovan. Operation and control of large wind turbines and wind farms – Final report. Risø-R-1532(EN) September 2005.
- Gómez, A., 2002. Análisis y operación de sistemas de energía eléctrica. McGraw-Hill, 2002.
- Daniel Morales Wagner, Trabajo de tesis de master en Sistemas de Energía Eléctrica: Estudio y desarrollo del control óptimo de la operación de parques eólicos. Universidad de Sevilla, Diciembre 2013
- Procedimientos de Operación de REE: Propuesta de Procedimiento de Operación P.O.-7.5. Servicio complementario de control de tensión en el sistema eléctrico español aplicable al régimen especial.