Nuevas propuestas de resolución de modelos electromecánicos de aerogeneradores: aplicación a problemas de agregación

Abstract

[SPA] Para una correcta operación y gestión de los sistemas eléctricos, los operadores necesitan disponer de modelos adecuados de las plantas de generación, tanto las basadas en recursos convencionales como las que explotan recursos renovables. En el caso del viento, su naturaleza aleatoria implica una cierta incertidumbre a la hora de predecir la energía disponible dentro de un horizonte temporal. Además, el tipo de modelo empleado para aerogenerador y parque eólico influye notablemente en la precisión de las estimaciones respecto a la energía eléctrica generada. Una posible solución para aumentar la exactitud de los modelos de parques eólicos es utilizar modelos individuales para simular el comportamiento de los aerogeneradores. Esta mejora conlleva habitualmente un elevado coste computacional, debido a dos factores principales: por un lado la complejidad del modelo, representado por un sistema no lineal de ecuaciones integro-diferenciales; y por otro, el empleo de técnicas de resolución basadas en métodos de integración numérica (técnicas que son empleadas por la mayoría de los programas informáticos de simulación). Para disminuir el coste computacional se suele recurrir a técnicas de agregación, basadas en la mayoría de casos en modelar un parque eólico mediante un número reducido de aerogeneradores equivalentes. Sin embargo, estas técnicas implican un desconocimiento de las variables particulares de cada aerogenerador, asumiendo un comportamiento medio para cada conjunto de éstos. A partir de las soluciones hasta ahora exploradas, la presente tesis doctoral aporta un nuevo método de resolución de modelos de aerogenerador mediante técnicas analíticas y linealización ad-hoc. El método propuesto ofrece resultados muy similares a los programas informáticos comerciales de simulación, con la ventaja de un coste computacional significativamente menor sin la necesidad de aplicar técnicas simplificativas de agregación. Todo el desarrollo se ha realizado en los entornos de MATLAB y Mathematica (programas informáticos empleados en el mundo académico y empresarial). A este respecto, se ha empleado un script que permite el trabajo colaborativo entre ambos programas. Dicho script ha sido íntegramente desarrollado en esta tesis doctoral al carecer de soporte oficial el intercambio de expresiones simbólicas entre ambos programas. El método de resolución propuesto se ha particularizado a dos tipos de casos: (i) perfiles reales de viento incidentes en cada aerogenerador con un tiempo de simulación del orden de minutos; (ii) huecos de tensión con un tiempo de simulación del orden de segundos. Para este último caso se propone una variación del método de resolución, basado en emplear de forma coordinada técnicas analíticas y de integración numérica.

[ENG] For a proper operation and management of power systems, the transport system operators need to have adequate models of power plants, based on conventional and renewable resources. In the case of wind, its random nature implies a certain uncertainty in predicting the available energy within a timeframe. Furthermore, the type of model used for wind turbine and wind farm significantly affects the accuracy of the estimation for the energy generated. A possible solution to increase the accuracy of models of wind farms is to use individual models to simulate the behavior of wind turbines. This improvement usually entails a high computational cost, due to two main factors: firstly the complexity of the model, represented by a nonlinear system of integro-differential equations, and secondly, the use of solving techniques based on numerical integration methods (techniques widely used by most of the simulation software). To reduce the computational cost is often used aggregation techniques based in most cases equivalent models of wind turbines. However, these techniques involve a misunderstanding of the variables of each wind turbine, assuming an average behavior for each set of these. From the solutions explored so far, this thesis provides a new method of solving wind turbine models by analytical techniques and ad-hoc linearization. The proposed method provides similar results that the commercial software simulation, with the advantage of a significantly lower computational cost without the need of employing aggregation techniques. All development is carried out in MATLAB and Mathematica environments (software used in both academic and corporate sectors). In this regard, it has been used a script that enables collaborative work between the two software. This script has been fully developed in this thesis due to the lack of official support for symbolic expressions exchange between both software. The proposed solution method has been particularized for two types of cases: (i) real wind profile in each wind turbine with a simulation time of the order of minutes; (ii) voltage dips with a simulation time of the order of seconds. In the last case it is proposed a variation of the solving method, based on using analytical techniques and numerical integration in a coordinated way.