Control en micro-redes con energías renovables basado en restricciones sobre las unidades de generación - Muñoz, Pablo Ezequiel (2024)
La generación distribuida (GD) a partir de fuentes de energía renovable (FER) y las microrredes han tomado un papel preponderante en las últimas décadas como elementos claves para alcanzar, por un lado, un sistema energético sustentable y contribuir a la transición energética, y por otro lado, para modernizar el sistema potencia y construir una red eléctrica inteligente. Desafortunadamente, la incorporación masiva de unidades de generación distribuida (UGDs) basadas en FER en el sistema de distribución modifican las características del sistema imponiendo nuevos desafíos que deben ser abordados, a saber: la red de distribución se vuelve una red activa donde los flujos de potencia dejan de ser unidireccionales y previsibles debido la posibilidad de conexión y desconexión de UGDs; las características dinámicas del sistema se modifican drásticamente debido a la falta de inercia de las UGDs basadas en FER. Debido a estos cambios surgen problemáticas, ausentes en el sistema convencional, que demandan cambios importantes en las prácticas actuales y exigen una participación activa de las UGDs. En este contexto es que surge el concepto de microrred como un conjunto de UGDs, sistemas de almacenamiento y cargas distribuidas que pueden operar en forma aíslada de la red principal, y se muestran como una única unidad controlable desde el punto de vista de la red principal. Estas características hacen muy atractivas a las microrredes aunque su aplicación impone desafíos importantes para su operación y control, sobre todo durante los procesos de aíslamiento y conexión con la red principal. En esta tesis se abordan, desde el punto de vista del control automático, tres de las problemáticas que surgen de la incorporación masiva de UGDs basadas en FER al sistema de distribución y en la operación de microrredes, a saber: (1) cambios en los niveles y las rutas de la corriente de falla que pueden provocar la pérdida de sensibilidad y/o coordinación del sistema de protección existente, (2) disminución de la inercia total del sistema y la degradación del control primario de frecuencia, y (3) problemas asociados con el aíslamiento no intencional de microrredes. El estudio de estas problemáticas permitió encuadrar las propuestas de esta tesis en un marco teórico común: el control con restricciones. En este contexto, se emplearon estrategias de uno y dos pasos que permitieron proponer soluciones rigurosas desde el punto de vista del control automático. En primer lugar, se propone y evalúa la limitación de contribución de corriente de falla por parte de las UGDs para minimizar su impacto negativo en el sistema de protección existente. Empleando el control predictivo basado en modelo, se incorporan restricciones en el lazo de control de corriente de la UGD. La estrategia no sólo permite restringir rápidamente la corriente de falla de la UGD, sino que también da la suficiente flexibilidad para incorporar variables adicionales que determinan el nivel de restricción, lo que aumenta la eficacia de la estrategia. De esta manera, la limitación de corriente de falla se incorpora dentro en la estrategia de control de la UGD, dando lugar a lo que llamamos limitador de corriente de falla basado en el control evitando la necesidad de dispositivos adicionales. Luego, combinando las ideas del acondicionamiento de referencia con la teoría de sistemas de estructura variable y los regímenes deslizantes asociados, se propone un lazo de acondicionamiento de referencia por modos deslizantes (SMRC) para que las UGDs contribuyan en el control primario de frecuencia. El empleo de esta estrategia permite un enfoque novedoso a la problemática que introduce la falta de inercia de las UGDs basadas en FER. En efecto, la acción del lazo SMRC propuesto hace que las UGDs aporten potencia activa extra al sistema de tal manera que restringen la desviación de frecuencia y su tasa de cambio. Los límites impuestos se basan en lo establecido en los códigos de red. De esta manera, las UGDs participan en el control primario de frecuencia aportando sólo la energía necesaria para contribuir a cumplir lo establecido en los códigos de red. Así, la estrategia garantiza el adecuado funcionamiento del sistema y muestra un uso eficiente de la energía. Por último, para contribuir a lograr una transición suave en el aíslamiento involuntario de microrredes se propone un esquema bumpless-transfer basado en el acondicionamiento de referencia por modos deslizantes (SMRC-BT). El cambio en el modo de operación de la microrred típicamente implica la conmutación de controladores en las UGDs. Si la conmutación de controladores produce un salto en la acción de control se generan perturbaciones adicionales que deterioran el transitorio de las variables controladas. El esquema SMRC-BT propuesto garantiza continuidad en la acción de control mediante el establecimiento de un régimen deslizante sobre una superficie que obliga a que coincida la salida del controlador que se encuentra off-line con la acción de control que se está aplicando al sistema. De esta manera, sin importar cuándo se conmute de controlador se garantiza que no haya saltos en la acción de control, contribuyendo así a lograr una transición suave. Además, el esquema SMRC-BT propuesto no requiere mediciones adicionales ni comunicación entre los componentes del sistema y muestra propiedades de robustez aún frente a la gran perturbación que implica el proceso de aíslamiento y frente a cambios en el reparto de potencia entre las UGDs.