Estrategias de Compensación Dinámica de Potencia Activa en Red Eléctrica con Alta Penetración de Generación Estática

Miguel TorresLaboratorio de Sistemas y Energía Renovable (LaSER)

Departamento de Ingeniería EléctricaUniversidad de Concepción

miguel.torres@udec.cl

Contenido• Motivación

• Control de frecuencia en redes con generación no convencional

• Sistema eléctrico en estudio• Modos de operación y problemas asociados

• Simulación en tiempo real• Conceptos generales• Plataforma experimental• Simulación TR sistema en modo SIL

• Técnicas de control dinámico de frecuencia• Simulación TR sistema en modo C-HIL

• Conclusiones

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Motivación

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Motivación• En un sistema convencional, la frecuencia eléctrica contiene

información valiosa del estado del balance entre la generación y la demanda de energía → estabilidad• Integración de medios estáticos (no rotatorios) de generación reduce

la inercia efectiva del sistema convencional comprometiendo la estabilidad• Naturaleza variable de la radicación solar, la rápida respuesta de los

convertidores electrónicos y la carencia de almacenamiento de energía genera nuevas perturbaciones de potencia

Sistema eléctrico en estudio

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SG1 SG2

~= ~=

• Conectado a la red• SGs operan en modo droop

(comparten carga)• Frecuencia sujeta a dinámica de SGs

• Modo isla• Inversor PV controla voltaje red• Frecuencia fija

• Cambio automático mediante relé de aislamiento

Simulación en tiempo real• Software In-the-Loop (SIL)

• Simulación completamente digital.• No hay sincronización con el exterior.• Permite acelerar tiempos de prueba.

• Hardware In-the-Loop (HIL)• Control HIL (C-HIL)

• Controlador real se conecta a planta simulada en tiempo real.• Flexibilidad y Repetitividad en pruebas.• Prueba de eventos extremos.

• Power HIL (P-HIL)• Simulador conectado a amplificador de potencia.• Prueba de equipos/prototipos de potencia.

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Sistema OPAL RTOP5607• Virtex 7 FPGA Processor and IO expansion• Analog Output Card (16 Channels, 16 bits, 1 us, ±16V)• Analog Input Card (16 Channels, 16 bits, 2.5 us, ±16V)• Digital Input Card (32 Channels Isolated, 5V to 30V)• Digital Output Card (32 channels, Isolated, 5V to 30V)

OP5030• Real-Time Linux computer• X8, Single CPU Six Cores @ 3.46 GHz• Ejecuta software RT-LAB para simulación de sistemas y

procesos en tiempo-real en entorno MATLAB Simulink.• Ejecuta Software eFPGAsim para simulación de sistemas

con tiempos de muestreo del orden de nano-s.

OP5030• Real-Time Linux computer• X8, Single CPU Six Cores @ 3.46 GHz• Ejecuta software ePHASORsim, HYPERSIM, eMEGAsim.• OPC interface

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Simulación en tiempo real modo SILSG1 SG2

~= ~=

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V red

I SG1+2

V DC PV

I DC PV

Señal de falla para reléConexión a red Conexión a red

Modo isla

Transición modos de operación

SG1 SG2

~= ~=

Resultados simulación modo SIL

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• Sistema opera bien en ambos modos y transición

• Sistema débil con poca capacidad de generación susceptible a condiciones de baja inercia

• BESS puede usarse para compensación dinámica de potencia

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Técnicas de compensación dinámica• Reserva en giro estática• Suavización de salida de potencia variable• Máquina sincrónica virtual

* Imagen obtenida de “Potentialities of the Virtual Synchronous Machine (VISMA) to improve the quality of the electrical grid”

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Máquina sincrónica virtual

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SG1 SG2

~= ~=

Control de BESS (C-HIL)

fPref

P

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Setup experimental

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V red

Frec. red

Pref MSV

I AC BESS

MSV habilitado MSV deshabilitado

BESS inyecta potenciaBESS absorbe potencia

SG1 SG2

~= ~=

MSV

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Desempeño MSVParám. Sin MSV Con MSV Mejora

∆f 1.23 0.69 - 44 %

∆t 0.23 0.18 - 25 %

df/dt 5.3 3.9 - 26 %

ts 2.9 0.7 - 75 %

Respuesta inercial

Amortiguamiento de oscilaciones

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Conclusiones• Utilizando un sistema eléctrico ad hoc con generación no rotatoria, se

mostró que existen problemas asociados al control de frecuencia tanto en la operación del sistema en modo isla y en conexión a la red.

• El control de potencia activa del BESS puede usarse para apoyar el control dinámico de frecuencia.

• Se simuló e sistema en modo C-HIL, con el algoritmo MSV implementado en tarjeta de control externa, mostrando un satisfactorio desempeño en la reducción de las variaciones de frecuencia del sistema.