Análisis y regulación de fluctuaciones de potencia en parques eólicos

Abstract

[SPA] El gran aumento del uso de la energía eólica para la producción de energía eléctrica hace esencial una investigación profunda de esta tecnología y de cómo interactúa con la red a la que se conecta. Las características intrínsecas de este tipo de energía establecen que sea altamente fluctuante y poco gestionable. Esto dificulta el mantenimiento del sistema en rangos óptimos para su funcionamiento. Además los problemas se acentúan en sistemas aislados o con conexiones limitadas. Por ello, para entender y optimizar la producción de las instalaciones eólicas conectadas a red así como del resto de plantas de generación eléctrica es necesario tener un amplio conocimiento de la naturaleza de estas fluctuaciones. Así mismo, se debe tener en cuenta los efectos que estas fluctuaciones pueden ocasionar en el sistema según los diversos rangos de tiempo en los que ocurren. Con el fin de minimizar estos efectos es necesario disponer de herramientas de regulación que reduzcan las fluctuaciones con el mínimo coste energético. De esta forma, se podrían mantener unas condiciones de operación adecuadas en el sistema eléctrico,con una proporción eólica significativamente superior a la actual. En la presente tesis, se han estudiado los parámetros y rangos que determinan las fluctuaciones de potencia activa de sistemas eólicos conectados a red. Con el objetivo de establecer una guía para un estudio de la variabilidad del viento a nivel de parque y de red. Además, se han descrito diferentes modelos de viento para parque, así como para agregaciones de parques válidos para un estudio analítico de las oscilaciones de potencia. Del mismo modo se han analizado los efectos derivados de las fluctuaciones de potencia,haciendo hincapié en el rango que abarca desde minutos hasta varias horas equivalente a la regulación secundaria y terciaria. Por último, se ha estudiado la implantación de diferentes métodos de regulación para reducir los efectos perjudiciales de la variabilidad en la producción de energía eólica dentro del rango de tiempo mencionado. Dichos métodos se basan en herramientas disponibles para el control de la potencia activa de salida de un aerogenerador que pueden ser utilizadas. Para ello, se han realizado los consecuentes análisis y validaciones basadas en datos reales de las medidas de potencia y de viento registradas en numerosos parques eólicos distribuidos por la geografía española.

[ENG] The power system is essential because of the large increase in the use of wind energy for electricity production. The intrinsic characteristics of wind power lead to high power fluctuations and some uncertainty in the production. These issues increase the difficulty to keep the system in optimal ranges for operation. Besides, the problems created by these fluctuations are accented in isolated or power systems with limited interconnections. Therefore,to understand and optimize the production of grid-connected wind farms as well as from other power plants is necessary to have extensive knowledge of the nature of these fluctuations. The effect of these phenomena on the power system have to be analyzed according to the different time scales in which they occur. In order to minimize these effects is necessary to have regulatory tools which can reduce fluctuations with minimum energy cost. Thus, it could maintain proper operating conditions in power system, achieving higher proportions of wind power. In this thesis, a study the parameters and ranges that determine active power fluctuations of grid connected wind systems is presented. The goal is to establish a guide for the analysis of the variability in different aggregations of wind farms. In addition, several developed wind models have been studied for an analytical study of the oscillations of the wind power production. Furthermore, the effects of power fluctuations have been analyzed, emphasizing the ranges of time from minutes to several hours equivalent to secondary and tertiary regulation. Finally, the implementation of different control methods to reduce or eliminate the harmful effects of variability in wind energy production has been studied in the time ranges discussed above. Furthermore,the available tools to control the active power output of a wind turbine that can be used to achieve control methods exposed have been analyzed. Fluctuations parameters, their effects and improvements due to the implementation of control methods are studied using real active power, wind speed and wind direction measurements recorded at different wind farms over Spain and over several aggregations. These data also have been used to establish the influence of the terrain, to perform a comprehensive analysis of the fluctuations and the corresponding validation of the methods used.