| Tesis Doctorales de la Universidad de Alcalá |
| VOLTAGE STABILITY AND CONTROL OF ELECTRICAL DISTRIBUTION SYSTEMS WITH HIGH PENETRATION OF POWER ELECTRONIC CONVERTERS | | Autor/a | Moutevelis, Dionysios | | Departamento | Electrónica | | Director/a | Roldán Pérez, Javier | | Codirector/a | Prodanovic , Milan | | Fecha de defensa | 03-04-2024 | | Calificación | Sobresaliente cum laude | | Programa | Electrónica: Sistemas Electrónicos Avanzados. Sistemas Inteligentes (RD 99/2011) | | Mención internacional | Sí | | Resumen | Los sistemas de energía están experimentando actualmente un rápido cambio de paradigma en su funcionamiento. La producción centralizada de energía está siendo reemplazada por numerosas unidades de generación distribuida (GD) que están dispersas por toda la red. Estas unidades distribuidas suelen estar conectadas a la red a través de convertidores electrónicos de potencia y se basan en tecnologías de energía renovable, como aerogeneradores y paneles fotovoltaicos. Por esta razón, reducen la dependencia del sistema de las unidades convencionales de generación de energía que se basan en combustibles fósiles. Sin embargo, al mismo tiempo, este cambio introduce desafíos técnicos para la operación segura y confiable de las redes eléctricas, ya que las fuentes de GD no proporcionan inherentemente los servicios de regulación de la red que ofrecen las unidades convencionales de generación centralizada. En particular, la creciente penetración de fuentes de energía renovable y sus interfaces basadas en convertidores está generando problemas de desviación de tensión y estabilidad de tensión en las redes de distribución. Estos problemas van desde sobretensiones durante las horas de máxima generación renovable, flujos de potencia inversa y caídas repentinas de tensión debido a la naturaleza intermitente de la producción de energía renovable. Todo lo anterior pone en peligro la operación confiable de las redes de distribución, que originalmente no fueron diseñadas para acomodar estos efectos. El objetivo de esta tesis es proponer nuevas técnicas para la evaluación precisa del impacto de la GD en la estabilidad del tensión de las redes de distribución e investigar cómo se pueden aprovechar las capacidades de control de las interfaces basadas en convertidores de las unidades de GD para mejorar los márgenes de estabilidad y el rendimiento general del sistema.
El análisis de estabilidad en sistemas de distribución con una alta penetración de convertidores de energía se realiza ampliamente para distinguir las regiones de operación segura. Sin embargo, las técnicas comúnmente empleadas de pequeña señal no son adecuadas para casos en los que los parámetros del sistema se desvían significativamente de sus valores nominales. Además, los efectos en la estabilidad de los dispositivos reguladores de tensión tradicionales, como los transformadores equipados con reguladores de tensión tap cambiante, y de los límites de capacidad de los convertidores, se consideran escasamente. Esta tesis propone el análisis de bifurcación como una herramienta efectiva para la evaluación de la estabilidad de las redes de distribución activa con grandes desviaciones de los valores nominales del sistema. El enfoque considera la dinámica completa de los convertidores participantes y la red, e incorpora limitaciones no suaves mediante aproximaciones suaves. El análisis predice con precisión los márgenes de estabilidad del sistema y ofrece información sobre el diseño de parámetros de control de los convertidores.
Abordar las desviaciones de tensión en las redes de distribución a través del control de convertidores es un tema ampliamente investigado. El soporte de potencia reactiva durante subtensiónes en redes inductivas y la limitación de potencia activa durante sobretensiónes en redes resistivas son técnicas estándar para devolver las magnitudes de tensión del bus dentro de los límites. Sin embargo, falta en la literatura un enfoque integral que sea adecuado tanto para subtensiónes como para sobretensiónes y para redes con una amplia gama de relaciones resistencia-reactancia. Esta tesis propone una solución de control que mitiga de manera efectiva las desviaciones de tensión afectando tanto la potencia activa como la reactiva de salida del convertidor de manera acoplada. El controlador se basa en el concepto de admitancia virtual y se implementa en diferentes capas de control, tanto locales como centralizadas. Se abordan en detalle aspectos de implementación, análisis de rendimiento dinámico y diseño de control de parámetros.
Típicamente, en las aplicaciones de análisis y control de sistemas de energía, la tensión y la frecuencia se tratan de manera independiente. Sin embargo, en los sistemas de energía modernos, la integración de dispositivos basados en convertidores ha aumentado la interacción entre estas dos magnitudes. Por esta razón, ha crecido la necesidad de herramientas analíticas que cuantifiquen el impacto de los convertidores de energía en tanto la tensión como la frecuencia de dichas redes. En esta tesis, se propone una taxonomía de esquemas de control de convertidores de energía basada en el concepto de frecuencia compleja. Este enfoque captura las variaciones transitorias tanto de la tensión como de la frecuencia en una sola cantidad compleja. El marco propuesto permite desvincular el efecto en la tensión y la frecuencia de diferentes controladores participantes en estructuras de control complejas y la identificación de parámetros críticos, facilitando el diseño del control.
En esta tesis se presentan diferentes contribuciones relacionadas con la estabilidad y el control de tensión en sistemas de distribución activa. Para cada una de ellas, se presenta una revisión exhaustiva del estado del arte. El estudio investiga minuciosamente el impacto de la generación distribuida conectada a convertidores de energía en la red en la estabilidad de tensión de los sistemas de distribución modernos, al mismo tiempo que propone soluciones de control novedosas. Además, la investigación avanza más allá de los desarrollos teóricos al validar experimentalmente los análisis de estabilidad propuestos y al implementar y validar experimentalmente los esquemas de control en el Laboratorio de Integración de Energía Inteligente (SEIL) en el Instituto IMDEA Energía. Finalmente, la tesis concluye resumiendo sus hallazgos y ofreciendo pautas para futuras direcciones de investigación. |
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