Regulación primaria de frecuencia en sistemas eléctricos aplicando dispositivos electrónicos de potencia y almacenadores de energía

Abstract

En este trabajo se trata el problema de la seguridad de operación de sistemas de suministro de energía eléctrica (SSEE) a través de la regulación primaria de frecuencia (RPF). Los requerimientos de seguridad a los cuales están sometidos los sistemas eléctricos imponen la necesidad de adoptar medidas de control que permitan incrementar los márgenes de seguridad de operación de los mismos. Debido a que la generación eléctrica es un proceso electromecánico, no se dispone de una controlabilidad suficientemente rápida de la potencia de reserva para enfrentar la diversidad de perturbaciones probables en el sistema. Esto trae como consecuencia una disminución de los márgenes de seguridad de operación dinámica. En la actualidad, este problema se ve agravado principalmente debido al uso de modernoscontroles rápidos de tensión, el incremento del nivel de carga del sistema eléctrico, y la desregulación de los sistemas eléctricos, la cual viene creciendo paulatinamente en los últimos años e impone nuevas exigencias a los sistemas de potencia. Frente a estas exigencias frecuentemente antagónicas, resulta necesario implementar acciones de control que permitan el máximo aprovechamiento de las instalaciones existentes, manteniendo niveles adecuados de seguridad de operación del sistema. Esto lleva a la necesidad de mejorar el desempeño de la regulación primaria de frecuencia. Diferentes métodos de RPF han sido aplicados en varias partes del mundo, obteniendo resultados limitados y problemas significativos, surgiendo la necesidad de encontrar soluciones más efectivas. Hoy en día se dispone de nuevos equipamientos para el control de SSEE. Los nuevos dispositivos de almacenamiento de energía representan una alternativa factible para reducir la reserva de generación de las unidades y mejorar la RPF. Utilizando adecuados dispositivos de este tipo es posible almacenar en momentos en que existe, el excedente de energía del sistema eléctrico para posteriormente reemplazar la reserva de generación durante la actuación de la RPF. Esto puede realizarse con ayuda de los sistemas de transmisión de CA flexibles o controladores FACTS, los cuales proveen elevada velocidad de respuesta y flexibilidad de control. En virtud de lo anterior, en este trabajo se propone una metodología de RPF mejorada con la aplicación de controladores FACTS de tipo compensador sincrónico estático (STATCOM) y dispositivos de almacenamiento con superconductores (SMES). Se presentan dos propuestas diferentes de modelado de los dispositivos STATCOM/SMES. En primer lugar se realiza un modelado detallado de todos los componentes del STATCOM/SMES y en segundo lugar se lleva a cabo un modelado simplificado o promedio del dispositivo propuesto. Para el caso de ambos modelos propuestos, se desarrollan dos esquemas de control multi-nivel para realizar la RPF del sistema eléctrico. El primer esquema de control de tres niveles se diseña a partir de conceptos de la teoría convencional, mientras que el segundo esquema de control se diseña a partir de conceptos de potencia activa y reactiva instantánea en el marco de referencia giratorio dq0. Finalmente, en el trabajo se propone una solución al problema de balance de tensión en los capacitores de la barra de CC del controlador STATCOM/SMES. Los modelos y algoritmos de control desarrollados se validan por medio de simulaciones digitales en sistemas eléctricos de prueba, demostrando además la efectividad de la metodología de RPF propuesta.

In this work, the power system (PS) security problem is dealt with the primary frequency control (PFC). The high security requirements imposed on actual power systems demand implementation of control measures to increase the operation security margins. Because electrical generation is an electromechanical process, the primary reserve controllability is not as fast as required to face the wide range of likely disturbances in the power system. This controllability slowness causes the reduction of transient stability margins and therefore the decrease of the dynamic security. Nowadays, this situation has been made worse by the increasing number of fast solid-state-based voltage regulators, the increasing use of loads especially insensitive to frequency changes and the emergence of new deregulated markets with high competitiveness. All the realities stated above make it necessary to implement control measures aimed at improving the use of existing facilities by maintaining acceptable security levels of the PS thereby enhancing the performance of the primary frequency control. In this sense, several alternative methods for PFC have been applied around the world. Nevertheless, all these alternatives led to limited improvements and had significant problems. As a consequence of the results obtained, it has become necessary to find more effective solutions. Nowadays, new devices exist that can be used for improving the PS control. Energy storage advanced solutions are a feasible alternative to decrease the generation reserve and to improve the PFC. By using proper energy storage systems (ESS), excess energy may be stored to substitute the generation reserve during the action of the primary frequency control. These actions can be performed with power converter-based flexible alternating current transmission systems (FACTS), which provide high speed and control flexibility. Based on these considerations, a PFC approach is proposed in this work that has been improved through application of STATCOM-type FACTS controllers and superconducting magnetic energy storage (SMES) devices. Two different modeling proposals of STATCOM/SMES integrated controllers are presented. Firstly, a detailed modeling is carried out of all components comprising the STATCOM/SMES and secondly, a simplified modeling is performed of the proposed controller, also known as average modeling. For both modeling approaches, two multi-level control schemes are developed in order to carry out the PFC of the electric system. The first three-level control approach is designed by using concepts of the conventional power theory whereas the second control approach is designed on the basis of the active and reactive instantaneous power in the rotating dq0 reference frame. Finally, a solution is proposed for the problem of voltage balancing on the STATCOM/SMES DC bus capacitors. All the models and control algorithms developed are validated through digital simulation on test power systems in case of several disturbances. The effectiveness of the proposed PFC approach is also demonstrated in the work.