Control activo de flujos de potencia en redes de distribución

Texto completo descargado desde Teseo1.INTRODUCCIÓN El negocio de la distribución de energía eléctrica se enfrenta actualmente a una situación crítica debido a la combinación de diferentes factores: crecimiento continuo de las cargas, objeciones sociales y medioambientales para la construcción de nuevas infraestructuras eléctricas, dificultades económicas para invertir en nuevas redes eléctricas debido a la incertidumbre regulatoria y la exigencia de una alta calidad en la energía por parte de la industria, comercios y consumidores domésticos. Este escenario se complica aún más debido a la transformación de la redes de distribución tradicionales a las conocidas como redes inteligentes o smart grids, las cuales se caracterizan principalmente por una masiva presencia de generación distribuida (GD). De hecho, ésto es ya una realidad en algunos países, incluso antes de que las redes de distribución sean inteligentes, gracias a los incentivos económicos otorgados por los gobiernos para integrar la generación de origen renovable como fotovoltaica, biomasa o energía eólica. 2. MOTIVACIÓN La irrupción de la GD en las redes de distribución hace que sea necesario replantearse la operación radial de las mismas, tanto desde el punto de vista de la operación como de la planificación. Estas nuevas fuentes de energía pueden proporcionar importantes beneficios al sistema, como pueden ser la minimización de pérdidas en la red o la mejora del perfil de tensiones a lo largo de las líneas. Sin embargo, será necesario crear nuevas herramientas en estos sistemas que permitan alcanzar realmente todas las ventajas de estos nuevos agentes. Esta tesis presenta y compara diferentes alternativas para crear enlaces flexibles en continua (DC-link) o alterna (AC-link) entre alimentadores radiales adyacentes en las redes de distribución. Estos dispositivos se pueden englobar dentro de los sistemas DFACTS (Distribution Flexible AC Transmission Systems). De esta forma, se podría realizar un control activo de los flujos de potencia activa y reactiva entre los alimentadores que permita la operación óptima de la futura red de distribución. Para llevar a cabo este estudio, la tesis se ha divido en dos partes: análisis y modelado de las diferentes topologías DFACTS utilizadas para mallar los sistemas de distribución (capítulos 3 y 4) y casos de estudio y desarrollos experimentales de las topologías anteriores (capítulos 5 y 6). Previamente, en el capítulo 2, se ha realizado una revisión de las diferentes topologías DFACTS y sus aplicaciones, contemplando desde los filtros de conexión a la red eléctrica hasta las estrategias de control aplicadas a cada topología. 3. ESTRUCTURA Y DESARROLLO TEÓRICO En el capítulo 3 se ha analizado la topología AC-link ShSPFC (del inglés Shunt Serie Power Flow Controller) basada en un convertidor VeSC (Vector Switching Converter) que es una de las propuestas originales de esta tesis doctoral. Para ello se ha definido el principio de funcionamiento de dicha topología, su modelo en régimen dinámico en coordenadas abc y dq y su modelo en régimen permanente. A partir del modelo en régimen dinámico en coordenadas dq se han desarrollado dos estrategias de control: controlador clásico PI (proporcional+integral) y estrategia FL (del inglés feedback linearization). Ambas estrategias se han validado mediante simulación. Por último, el modelo en régimen permanente ha servido para desarrollar un modelo fasorial que permita la integración de esta topología en algoritmos OPF (Optimal Power Flow). En el capítulo 4 se ha realizado un análisis comparativo de las diferentes topologías DFACTS consideradas en esta tesis para mallar los sistemas de distribución: BTB (Back to Back), UPFC (Unified Power Flow Controller) y AC-link ShSPFC (Shunt-Series Power Flow Controller). En primer lugar se han definido las zonas factibles de operación de los flujos de potencia activa y reactiva de los VSCs (Voltage Source Converters) conectados en paralelo con la red. Estas zonas de operación aplicadas a las topologías basadas en DC-link (BTB y UPFC) han permitido obtener la región de operación factible de cada topología en función de unas condiciones de red determinadas. Adicionalmente, se ha presentado un nuevo modo de operación de la topología UPFC basado en su capacidad de controlar el flujo de potencia reactiva. El caso más extremo de este modo de operación ha permitido comparar esta topología con el enlace AC-link ShSPFC definido en el capítulo anterior. En el capítulo 5, las topologías consideradas se han utilizado para mallar un sistema de distribución propuesto por la CIGRE Task Force C06.04.02. Este sistema está compuesto a su vez de dos subsistemas de media tensión, cuya característica principal es su alta penetración de GD. Para el adecuado funcionamiento de estas topologías en las redes de distribución, se ha propuesto un esquema de operación de las mismas que será analizado en régimen permanente y dinámico. Este esquema está formado por tres niveles de control ordenados jerárquicamente de la siguiente forma: - EMS (Energy Management System). El EMS se basa en un algoritmo de optimización cuya función objetivo es minimizar las pérdidas del sistema propuesto cuando se utilizan los dispositivos DFACTS para mallarlo. Este algoritmo utiliza los datos de cargas y generadores proporcionados por los medidores inteligentes, y proporciona las referencias de potencia activa y tensión en cada uno de los terminales de estos enlaces flexibles en intervalos del orden de los minutos. Además, se ha llevado a cabo un análisis económico que considera el ahorro energético en las pérdidas del sistema respecto a la red original cuando se utilizan dispositivos DFACTS. Teniendo en cuenta lo anterior, se ha obtenido la tasa de retorno de la inversión de las diferentes topologías propuestas en esta tesis. - OCL (Outter Control Loop). El OCL se encarga de adaptar las referencias de potencia y tensión del EMS a las referencias necesitadas por el siguiente nivel de control. Este lazo de control se ha validado mediante dos simulaciones transitorias: respuesta ante falta trifásica en un nudo y hueco de tensión producido por el arranque de una gran máquina de inducción. - ICL (Inner Control Loop). El ICL se ha validado mediante una serie de simulaciones basadas en las respuestas dinámicas de los dispositivos DFACTS ante un cambio en forma de escalón de las referencias de potencia. Finalmente, en el capítulo 6, se han desarrollado cuatro montajes de laboratorio correspondientes a las topologías DFACTS estudiadas. El objetivo de estos montajes es validar los resultados obtenidos en simulación del ICL. En concreto, se han desarrollado tres prototipos de la topología BTB y uno de la topología AC-link ShSPFC. Los prototipos desarrollados para la topología BTB son de 20, 100 y 500 kVA, respectivamente. Entre un prototipo y otro, el montaje realizado ha sufrido una evolución en potencia, nivel de tensión, estrategias de control, filtros de conexión, mitigación de EMI (del inglés Electromagnetic Interferance), comunicaciones y rendimiento. El desarrollo de varios prototipos tiene como objetivo alcanzar, de forma gradual, un montaje de laboratorio final que pueda ser integrado en una red real de distribución. Respecto a la topología AC-link ShSPFC, se ha desarrollado un prototipo de 20 kVA con un VeSC de 4.5 kVA conectado en serie. La validación de esta topología se ha realizado en diferentes etapas. En la primera etapa, el VeSC se ha utilizado para alimentar una carga resistiva. La validación de su funcionamiento se ha realizado mediante la comparación de los resultados experimentales y de simulación. De la misma forma, se ha realizado un segundo ensayo, basado en alimentar una carga resistiva desde la red baja tensión a la que se añade una tensión serie proporcionada por el VeSC. Por último, se ha implementado la topología AC-link ShSPFC, a la cual se le ha aplicado la estrategia de control FL desarrollada en el capítulo 3

Ancillary Services in Hybrid AC/DC Low Voltage Distribution Networks

In the last decade, distribution systems are experiencing a drastic transformation with the advent of new technologies. In fact, distribution networks are no longer passive systems, considering the current integration rates of new agents such as distributed generation, electrical vehicles and energy storage, which are greatly influencing the way these systems are operated. In addition, the intrinsic DC nature of these components, interfaced to the AC system through power electronics converters, is unlocking the possibility for new distribution topologies based on AC/DC networks. This paper analyzes the evolution of AC distribution systems, the advantages of AC/DC hybrid arrangements and the active role that the new distributed agents may play in the upcoming decarbonized paradigm by providing different ancillary services.Ministerio de Economía y Competitividad ENE2017-84813-RUnión Europea (Programa Horizonte 2020) 76409

Experimental realisation of an AC-link shunt-series power flow controller

This is an open access article published by the IET under the Creative Commons Attribution License(http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/)Power electronic-based interties in the distribution system are considered an important element for the integration of distributed energy resources. They can provide a series of network services such as active and reactive power control, voltage regulation and harmonic and imbalance compensation that facilitate the integration of these new resources. Despite dc links are usually proposed for this purpose, it is also possible to interconnect radial distribution feeders by means of ac links with direct ac/ac power conversion. This study presents the experimental validation of a current control loop based on feedback linearisation for an ac-link shunt-series power flow controller based on a vector switching matrix converter. The experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed control in both steady-state and transient conditions

Short-term energy recovery control for virtual inertia provision by renewable energy sources

The proliferation of Converter-Interfaced Renewable Energy Sources (CIRES), which are inertia-less, and the gradual decommissioning of synchronous generation have posed several challenges to the electric power system. This has motivated a complete a shift in the CIRES design and its corresponding control philosophy. Integrating Energy Storage Systems (ESS) within CIRES enables the implementation of different operating modes allowing them to provide ancillary services (AS) in a similar way to the synchronous generation. In order to tackle with those short-term response AS, such as virtual inertia, fast ESS (FESS) solutions with high power-to-energy ratio, particularly flywheels and supercapacitors, are preferred. In spite of several control algorithms have been proposed to provide such fast AS, very little research effort has been paid on the proper FESS energy recovery after the AS provision. This task is particularly challenging, since supercapacitors must be operated at a certain state of charge to guarantee that the required AS can be provided within its operational limits. This paper aims to fill this gap by proposing a new energy recovery control scheme for supercapacitors after the provision of short-term AS, such as virtual inertia. The proposed control is validated via simulations which clearly highlights its adequate performance.Horizonte 2020 (Unión Europea) 764090Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO). España ENE2017-84813-R

Reduced Reference Frame Transform: Deconstructing Three-Phase Four-Wire Systems

This paper proposes a new reference frame, namely Reduced Reference Frame (RRF), specially suited for unbalanced three–phase four–wire systems which improves the performance of the classical Fortescue, Clarke and Park transformations. The RRF transfomation allows to represent any unbalanced three–phase sinusoidal magnitude with just two components even if the zero–sequence component is present. For doing so, the RRF transformation takes into account that the abc space–vector trajectory of the transformed three–phase sinusoidal magnitude is always within a plane. The geometric properties of this trajectory are considered for outlining a general classification of the transformation depending on the input voltages and an adequate reference frame within the plane. Then, a step–by–step procedure for computing the transformation matrix is detailed. Once the voltages and currents are transformed into the RRF, it is proposed a power theory which allows to compute the instantaneous active and reactive powers. The paper includes two simulations and an experimental validation through a real–time application to highlight the benefits of the proposal. The paper closes with the main conclusions and some future research lines where this transformation can be applied.Spanish Ministry of Economy and Competitiveness ENE2017-84813-R EASY-RES 76409

Experimental Assessment of a Centralised Controller for High-RES Active Distribution Networks

This paper assesses the behaviour of active distribution networks with high penetration of renewable energy sources when the control is performed in a centralised manner. The control assets are the on-load tap changers of transformers at the primary substation, the reactive power injections of the renewable energy sources, and the active and reactive power exchanged between adjacent feeders when they are interconnected through a DC link. A scaled-down distribution network is used as the testbed to emulate the behaviour of an active distribution system with massive penetration of renewable energy resources. The laboratory testbed involves hardware devices, real-time control, and communication infrastructure. Several key performance indices are adopted to assess the effects of the different control actions on the system’s operation. The experimental results demonstrate that the combination of control actions enables the optimal integration of a massive penetration of renewable energy.Ministerio de Economía y Competitividad ENE2015-69597-RMinisterio de Economía y Competitividad PCIN-2015-043Ministerio de Economía y Competitividad ENE2017-84813-

Steady-state model for the three-leg shunt-series ac-link power flow controller

Shunt-series ac links constitute a class of so-called vector switching converters, capable of controlling power flows by synthesising an adjustable series voltage. A novel steady-state model for the recently introduced three-leg shunt-series ac link, suitable for power flow studies, is developed in this study. The new model is then applied in two optimal power flow problems arising in distribution systems, namely, power loss reduction and integration of distributed generation, where the performance of the three-leg topology is compared with that of the conventional four-leg scheme. The CIGRE Task Force C06.04.02 benchmark network is used as case study.Junta de Andalucía TEP-07411Ministerio de Economía y Competitividad ENE2011-2413

Reduced Reference Frame Transformation Assessment in Unbalanced Three-phase Four-Wire Systems

Three-phase four-wire systems require a reference frame similar to that used in 3-phase 3-wire system configurations that allow them to be easily analysed, modelled and controlled. A new reference frame called Reduced Reference Frame (RRF) was presented by the authors in a previous work to satisfy these objectives. This is based on the locus of the voltage space vector which is used to perform a transformation applied to 3-phase 4-wire systems. This paper uses the proposed RRF to demonstrate the benefits of this transformation under different conditions of load or voltage imbalance. To this end, the different types of imbalances considered are studied by comparing the results in the classical αβγ axes, the so-called mno -transform specifically developed for 3-phase 4-wire systems and the RRF coordinates. In addition, a theoretical identification of some types of imbalances is done comparing the simulation results and the fundamentals of the RRF

Evaluation of Decentralized Voltage Harmonic Mitigation through DRES converter active filtering capability

The increased penetration of Converter-Interfaced Distributed Renewable Energy Sources (CI-DRES) has posed power quality challenges into the distribution system. In the future CI-DRES may have the responsibility to cope simultaneously with several issues. One function that has already been presented in the literature, but has not yet been included in Standards, is the operation of the DRES converters as active harmonic filters. This paper firstly develops an active filtering control for the CI-DRES, taking into account its thermal limit. This parameter is important, since DRES are already prescribed by Standards to participate in the voltage regulation process by providing reactive power. If the CI-DRES operates also as active filter, it may exceed its thermal capacity. Secondly, the decentralized operation of CI-DRES is evaluated in the CIGRE Benchmark LV distribution system by considering several scenarios of DRES/Non-linear loads penetration and mixture. Time-domain (TD) simulations are carried out in PowerSim Software to demonstrate the contribution of each CI-DRES in the active filtering process. The derived conclusions will serve as a basis for the development of a new coordinated algorithm, so as the CI-DRES can mitigate properly voltage harmonic distortion (HD) in the most efficient techno-economic way. In this way, the active filtering can be treated as a new ancillary service to be introduced in respective markets.Horizonte 2020 76409

Dispositivo cambiador estático de tomas en carga para transformadores con devanados de regulación discontinuos

Dispositivo cambiador estático de tomas en carga para transformadores con devanados de regulación discontinuos.Se describe en este documento un dispositivo cambiador de tomas en carga basado en interruptores estáticos para aplicaciones que requieran regu