Small signal stability analysis of proportional resonant controlled VSCs connected to AC grids with variable X/R characteristic

Capítuos 2,3 y 4 confidenciales por patente.-- Tesis completa 237.p. Tesis censurada 120 p.Para garantizar un futuro energético sostenible, es fundamental la incorporación de energías renovables en la red eléctrica. Sin embargo, con su creciente integración, las redes eléctricas AC se están volviendo cada vez más débiles, más complejas y caóticas. Por ello, se hace imprescindible el estudio de los retos técnicos que dicha integración plantea. Fenómenos como la desconexión de líneas AC, el bloqueo de convertidores, o variaciones de carga debidas a las intermitencias de la generación renovable, están comenzando a producir cambios en los valores de impedancia y en las características inductivo-resistivas de incluso las redes fuertes. Conforme una red AC se debilita su impedancia equivalente aumenta, y esto provoca cambios indeseados en las magnitudes de potencia activa y reactiva, que derivan en variaciones repentinas de tensión en diferentes puntos de la red AC. Esto también conlleva el deterioro de los convertidores y empeoramiento de la calidad de onda. Una solución parcial a este problema es limitar la potencia allí donde se genera, en perjuicio de aumentar las pérdidas locales. Otra solución es introducir controles de convertidores más robustos, para que sean capaces de sortear estos escenarios cada vez más frecuentes. En este contexto, los convertidores de fuente de tensión (VSC), y en especial los convertidores modulares multinivel, presentan una serie de prestaciones que los hacen idóneos para esta clase de escenarios, dado su mejor comportamiento dinámico frente a los convertidores de fuente de corriente, al operar a una frecuencia de conmutación mayor, y presentando capacidades LVRT y control desacoplado de potencia activa y reactiva. Entre los controles internos de corriente de los VSCs, los controladores proporcional resonantes han aparecido como alternativa a los proporcional integrales, debido a su capacidad de manejar operación tanto equilibrada como desequilibrada y a que eliminan lanecesidad de utilizar un phase-locked loop y las transformadas de Park. Muy pocos estudios se han realizado con VSCs con control proporcional resonante sujetos a cambios en la fortaleza de la red AC, y menos aun considerando la variación de su característica inductivo-resistiva. Por lo tanto, en esta tesis doctoral se propone una metodología de parametrización del control proporcional resonante de un VSC conectado a una red AC con fortaleza y característica inductivo-resistiva variables, que asegure su estabilidad en pequeña señal. Con el objetivo de caracterizar dicha estabilidad, se construye un modelo de pequeña señal del sistema compuesto por el VSC conectado a red AC. Posteriormente se valida con simulaciones EMT y se procede con el análisis de escenarios. Los resultados del análisis demuestran que tan solo una desviación del 20% en el ratio X/R de la red AC con respecto a su valor habitual puede hacer perder al sistema su estabilidad en pequeña señal cuando la red AC es débil. La metodología propone nuevas parametrizaciones del control proporcional resonante del VSC que devuelven la estabilidad al sistema en estos escenarios. La validación y verificación de la metodología se realiza a través de un caso de estudio en DIgSILENT PF: una planta de generación eólica marina que evacúa energía a la red AC por medio de un enlace de alta tensión en continua

Cálculo, diseño y simulación de una instalación fotovoltaica de 100 kW conectada a red.

En este TFG se propone modelar y diseñar el control de una planta fotovoltaica residencial de 100kW de potencia pico con conexión a red eléctrica CA, mediante la herramienta Matlab-Simulink. La instalación dispone de un convertidor CC-CC (corriente continua – corriente continua) elevador capaz de maximizar la potencia extraída fotovoltaica mediante un algoritmo de seguimiento de la máxima potencia (MPPT, maximum power point tracking) y cuenta con un inversor cuyo control permite adecuar la tensión CC a su consigna y evacuar la energía fotovoltaica a la red eléctrica CA con inyección nula de reactiva. Además, dicho inversor dispone de un filtro LCL en su salida, que permite la inyección de corriente a la red con contenido reducido en armónicos. El trabajo comienza con un análisis del proyecto Actur Barrio Solar, del que se extrae la idea de este TFG. Para encuadrar la instalación dentro del contexto normativo, se hace un breve repaso del Real Decreto 244/2019 de autoconsumo, aclarando las diferentes modalidades de autoconsumo de energía eléctrica que existen en España. En base a esto, se describe la modalidad en la que se encuadra la planta fotovoltaica de este TFG, siendo “autoconsumo conectado a la red con excedentes y compensación económica”. Posteriormente se hace una breve introducción de la normativa IEEE 1547, que nos proporciona los requisitos a cumplir para la inyección de energía a la red, de cara a la eliminación de los rizados de corriente y a tener un bajo contenido en armónicos. Después se analizan otros proyectos de autoconsumo fotovoltaico colaborativo ya implantados en algunas ciudades europeas. A continuación, se describen los objetivos del control de la instalación, tanto de su convertidor CC-CC elevador como de su inversor, el modelado de la instalación y se especifican los componentes que la conforman. Tras ello, se define un escenario base para demostrar que el control realizado cumple con las especificaciones propuestas ante un escalón de irradiancia, que son: seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT), control de la tensión CC, inyección nula de potencia reactiva y contenido reducido en armónicos y en rizados de la corriente inyectada a la red CA. Una vez se comprueba que el control diseñado funciona correctamente ante dicho escalón de irradiancia, se analiza su funcionamiento ante diferentes escenarios adversos a los que se podría enfrentar la red. Concretamente se evalúa la respuesta del control ante variaciones en la potencia de cortocircuito de la red CA, presencia de huecos de tensión trifásicos y sobretensiones. También se evalúa el comportamiento frente a otros escenarios de variación de irradiancia. A través de las simulaciones se descubren los límites del control propuesto en otros escenarios, y se proponen mejoras y nuevas funcionalidades del control, así como líneas futuras de trabajo.<br /

Small signal stability analysis of proportional resonant controlled VSCs connected to AC grids with variable X/R characteristic

Capítuos 2,3 y 4 confidenciales por patente.-- Tesis completa 237.p. Tesis censurada 120 p.Para garantizar un futuro energético sostenible, es fundamental la incorporación de energías renovables en la red eléctrica. Sin embargo, con su creciente integración, las redes eléctricas AC se están volviendo cada vez más débiles, más complejas y caóticas. Por ello, se hace imprescindible el estudio de los retos técnicos que dicha integración plantea. Fenómenos como la desconexión de líneas AC, el bloqueo de convertidores, o variaciones de carga debidas a las intermitencias de la generación renovable, están comenzando a producir cambios en los valores de impedancia y en las características inductivo-resistivas de incluso las redes fuertes. Conforme una red AC se debilita su impedancia equivalente aumenta, y esto provoca cambios indeseados en las magnitudes de potencia activa y reactiva, que derivan en variaciones repentinas de tensión en diferentes puntos de la red AC. Esto también conlleva el deterioro de los convertidores y empeoramiento de la calidad de onda. Una solución parcial a este problema es limitar la potencia allí donde se genera, en perjuicio de aumentar las pérdidas locales. Otra solución es introducir controles de convertidores más robustos, para que sean capaces de sortear estos escenarios cada vez más frecuentes. En este contexto, los convertidores de fuente de tensión (VSC), y en especial los convertidores modulares multinivel, presentan una serie de prestaciones que los hacen idóneos para esta clase de escenarios, dado su mejor comportamiento dinámico frente a los convertidores de fuente de corriente, al operar a una frecuencia de conmutación mayor, y presentando capacidades LVRT y control desacoplado de potencia activa y reactiva. Entre los controles internos de corriente de los VSCs, los controladores proporcional resonantes han aparecido como alternativa a los proporcional integrales, debido a su capacidad de manejar operación tanto equilibrada como desequilibrada y a que eliminan lanecesidad de utilizar un phase-locked loop y las transformadas de Park. Muy pocos estudios se han realizado con VSCs con control proporcional resonante sujetos a cambios en la fortaleza de la red AC, y menos aun considerando la variación de su característica inductivo-resistiva. Por lo tanto, en esta tesis doctoral se propone una metodología de parametrización del control proporcional resonante de un VSC conectado a una red AC con fortaleza y característica inductivo-resistiva variables, que asegure su estabilidad en pequeña señal. Con el objetivo de caracterizar dicha estabilidad, se construye un modelo de pequeña señal del sistema compuesto por el VSC conectado a red AC. Posteriormente se valida con simulaciones EMT y se procede con el análisis de escenarios. Los resultados del análisis demuestran que tan solo una desviación del 20% en el ratio X/R de la red AC con respecto a su valor habitual puede hacer perder al sistema su estabilidad en pequeña señal cuando la red AC es débil. La metodología propone nuevas parametrizaciones del control proporcional resonante del VSC que devuelven la estabilidad al sistema en estos escenarios. La validación y verificación de la metodología se realiza a través de un caso de estudio en DIgSILENT PF: una planta de generación eólica marina que evacúa energía a la red AC por medio de un enlace de alta tensión en continua