New contributions to frequency control based on virtual synchronous generators: application to power systems with high renewable energy sources integration

Abstract

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Tradicionalmente, servicios como la regulación y mantenimiento de la frecuencia de los sistemas eléctricos, cobertura de la demanda eléctrica o la existencia de las reservas rodantes (spinning reserves) han sido suministrados y asegurados por las fuentes de generación de energía eléctrica tradicionales. Sin embargo, los sistemas eléctricos han sufrido una serie de cambios en los últimos años que están afectando de manera directa al propio funcionamiento de los mismos. Por un lado, el aumento constante del consumo de energía y de la intensidad del propio uso energético, unido al aumento de las restricciones legislativas medioambientales, y por otro el concepto de la energía eléctrica como un producto comercial junto con la liberalización de los mercados energéticos, hacen que se tambaleen algunas de las premisas hasta ahora asumidas. En este sentido, y en un entorno de promoción de recursos renovables, hace que los servicios hasta ahora proporcionados sólo por la generación clásica deben también ser compartidos por todos los puntos de generación. No obstante, la alta penetración de este tipo de fuentes renovables en el sector eléctrico acarrea una seria de cuestiones derivadas de sus características y peculiaridades que es necesario abordar antes de proceder de manera masiva a su integración y, por tanto, a la independencia de la generación convencional. Adicionalmente, y debido a la naturaleza variable de la generación renovable (principalmente el viento y el sol) recobra mayor importancia el asegurar por parte de los organismos reguladores una reserva energética que permita actuar de manera eficiente y fiel en casos de desequilibrio de potencias. En este nuevo escenario, en el que el director de tesis ha trabajado a lo largo de la última década, se hace necesario contar con el desarrollo y adaptación de nuevas herramientas y soluciones que faciliten la integración de fuentes renovables sin que ello suponga una merma en las capacidades del sistema eléctrico en términos de estabilidad y de respuesta ante contingencias. Así pues, el objetivo principal de esta tesis consiste en el estudio, implementación y evaluación de sistemas eléctricos con alta penetración de recurso eólico y fotovoltaico con el fin de evaluar posibles soluciones para emular inercias virtuales y respuestas similares a las que se obtendrían con generación clásica, integrando así de manera efectiva el recurso renovable al control de la frecuencia del sistema eléctrico. En este escenario, resultaría crucial poder aliviar en parte las necesidades de almacenamiento de energía a los puntos de generación mediante la implementación de estrategias alternativas de control de respuesta ante excursiones de frecuencia en las unidades renovables, aportando éstas el apoyo necesario para mantener la frecuencia de red dentro de los límites establecidos. Por tanto, la solución aquí estudiada favorecería la integración masiva de recursos renovables, dentro de un escenario de estabilidad del sistema eléctrico apoyado por estas instalaciones, y donde la eliminación paulatina de elementos rotativos directamente conectados a la red debe sustituirse y/o emularse de manera que el sistema eléctrico ofrezca la misma fiabilidad que se percibe ante la presencia de generación convencional. Sólo así se conseguirá fomentar de manera argumentada las posibilidades tangibles de integración a gran escala de recursos renovables, adelantándonos a las necesidades que surgirán de manera inevitable como consecuencia de la disminución inicial de inercia del sistema (entendida de una manera clásica como elementos rotativos directamente conectados a red) y como consecuencia de la entrada de fuentes que poseen una variabilidad en sus niveles de generación. Destacar igualmente la importancia cada vez mayor del control de la frecuencia del sistema eléctrico, debido a la sensibilidad y dependencia que poseen de este parámetro la mayoría de las cargas y equipos con algún tipo de etapa de electrónica de potencia.

[ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. Over the last decades, most countries have been suffering an electrical energy transition, changing from a model based on non-renewable sources (mainly based on fossil fuels), to a new framework characterised by the integration of renewable energy resources (RES). These important changes have been mainly supported by the development of power electronics, environmental protection policies, and the need to reduce energy dependence on third countries. Moreover, the electrical sector stands out because of the diversity and heterogeneity of sources that can generate electricity. As a result, the current electrical scenario includes a high interest in the integration of variable renewable energy sources (vRES) shifting towards a new generation mix. In fact, these vRES (mainly photovoltaic and wind power installations) already play a relevant role, as some European countries have experienced generation levels over 50% during some time-periods of last years. As aforementioned, the two most mature renewable resources integrated into power systems are solar photovoltaic (PV) and wind power (especially variable speed wind turbines, VSWTs). Together with the integration of these two sources, and in contrast to traditional grids based on conventional power plants (i.e., hydro-power, thermal, and nuclear power plants), several important issues have emerged, needing to be analysed, assessed, and resolved.