Aportaciones al diseño del control jerárquico de microrredes eléctricas

Abstract

La generación distribuida es una alternativa eficiente, fiable y respetuosa con el medio ambiente. Esta serie de ventajas se consiguen gracias a factores como la presencia de generadores de menor tamaño, menor distancia entre los puntos de generación y consumo, mayor uso de energías renovables, etc. Sin embargo, es difícil integrar la generación distribuida de forma directa a la red eléctrica debido a la intermitencia, aleatoriedad e incertidumbre relacionadas a su dependencia de factores climáticos que presentan algunos recursos distribuidos. En este sentido, las microrredes eléctricas sirven de interfaz entre la generación distribuida y la red eléctrica principal ya que integran diversos generadores distribuidos (DG, Distributed Generator ), sistemas de almacenamiento (SS, Storage System), cargas y sistemas de adquisición y control. Las microrredes se pueden definir como pequeños sistemas de distribución de energía que pueden trabajar tanto conectados a la red como en isla. Gracias a esta virtud, los usuarios conectados a microrredes pueden obtener un suministro energético de mayor calidad y una generación más limpia y eficiente si se consideran aspectos ecológicos y económicos. No obstante, el uso de microrredes aún es limitado en muchos lugares, principalmente, debido a la falta de estándares específicos para este tipo de sistemas. En la presente tesis, se presentará un resumen de los principales aspectos de la generación distribuida. Así, se enumerarán las topologías de convertidores de potencia más utilizadas para diferentes tipos de fuentes renovables, aspectos básicos del control de los DGs y las principales estrategias de modulación y conmutación de convertidores de potencia. Acto seguido, se proporcionarán los aspectos más relevantes de las microrredes eléctricas. Se analizarán sus topologías, posibles estándares, protecciones y sistemas de control. Estos últimos son de vital importancia ya que deben garantizar gran cantidad de tareas que pueden ser abordadas de diferentes formas. Así, se describirá con mayor detalle el control más extendido para microrredes, el control jerárquico, en sus versiones centralizada y descentralizada. A su vez, dentro de los lazos de control de microrredes, cabe destacar el control droop, ubicado en el nivel primario del control jerárquico. Este control garantiza el funcionamiento básico de la microrred, asegurando un buen reparto de la carga así como una regulación de tensión y frecuencia adecuadas. En este sentido, esta tesis presenta un análisis de los principios de esta técnica así como de sus ventajas e inconvenientes fundamentales. A su vez, se enumeran diferentes variantes de esta técnica de control que solventan algunas de sus desventajas. En este sentido, también se proponen nuevas líneas de investigación para seguir enriqueciendo el control droop. Una vez presentado el estado del arte de las microrredes y de sus sistemas de control, se propondrán nuevas soluciones que aporten mejoras a los mismos. En este sentido, se presentará un diseño de control droop con impedancia ficticia que asegura la estabilidad de la microrred en todo su rango de carga. Este diseño está basado en un modelo lineal desarrollado que tiene en cuenta ambos esquemas eléctrico y de control de la microrred. Este modelo lineal sirve como base para el diseño de esta impedancia y puede ser adaptado a microrredes con diferentes características. Además, este diseño asegura una buena calidad de la tensión de la microrred y será validado experimentalmente. Finalmente, esta tesis también propondrá mejoras en el control secundario de microrredes. Este nivel de control comprende dos tareas principales: la restauración de tensión y frecuencia y la sincronización de la microrred con la red. En este sentido, se presentará un novedoso control de restauración que tiene en cuenta de manera local las diferentes dinámicas de los DGs. A su vez, se presentará un diseño de este control que garantiza la recuperación de los valores nominales de tensión y frecuencia manteniendo un buen comportamiento de la microrred en todo momento. Además, este control estará basado en comunicaciones de bajo ancho de banda, derivando en un control más económico y fiable. Por otro lado, esta tesis también tendrá en cuenta la sincronización de la microrred a la red principal, proponiendo un nuevo algoritmo de sincronización. Este algoritmo también estará basado en las mismas comunicaciones de bajo ancho de banda empleadas en el control de restauración. Además, el algoritmo propuesto garantiza una sincronización rápida y sin oscilaciones, consiguiendo una buena conexión de la microrred a la red.