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Estabilidad y amortiguamiento de oscilaciones en sistemas eléctricos con alta penetración eólica

  • Autores: Carlos Fabián Gallardo Quingatuña
  • Directores de la Tesis: Pablo Ledesma Larrea (dir. tes.)
  • Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2009
  • Idioma: español
  • Tribunal Calificador de la Tesis: Julio Usaola García (presid.), Edgardo D. Castronuovo (secret.), Gumersindo Queijo García (voc.), Federico Milano (voc.), Julio Amador Guerra (voc.)
  • Enlaces
  • Resumen
    • Este documento constituye la tesis doctoral del doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática de la Universidad Carlos III de Madrid. El trabajo presentado se centra en el análisis de las oscilaciones electromecánicas en sistemas con elevada penetración de energía eólica, y la propuesta de métodos de control en aerogeneradores de velocidad variable que atenúen dichas oscilaciones. Además de los capítulos previos de introducción, revisión bibliográfica y descripción de modelos, este trabajo contiene tres partes principales. En la primera parte, desarrollada en el capítulo 4, se propone un procedimiento de análisis de pequeña señal y amortiguación de oscilaciones a un sistema eléctrico con parques eólicos utilizando redes neuronales artificiales. El estudio abordado consiste en la búsqueda de un punto de operación estable a partir de un sistema inestable o con modos de oscilación poco amortiguados. El sistema analizado es la red de New England, al que se ha añadido un porcentaje significativo de generación eólica. El proceso consiste en aplicar pequeños cambios sucesivos a ciertos parámetros del sistema, y tiene como objetivo modificar el punto de operación para desplazar hacia la izquierda en el plano complejo los autovalores con parte real positiva o casi nula. Los parámetros sobre los que se actúa en este trabajo son el redespacho de generación y la tensión en los nudos. La segunda y tercera parte del trabajo, desarrolladas en los capítulos 5 y 6 proponen un sistema de control de potencia activa aplicable a los aerogeneradores de velocidad variable, al que se ha denominado en este documento estabilizador eólico de sistemas eléctricos. El interés de este control viene motivado porque, aunque en la actualidad los estabilizadores de potencia son la solución más efectiva y económica para proveer de amortiguamiento adicional al sistema, la alta penetración de energía eólica en el sistema puede provocar que estos dispositivos no sean capaces de aportar el amortiguamiento requerido. Por ejemplo, por encontrarse fuera de servicio los generadores en los cuales se ha instalado este dispositivo, o por reducción de su potencia debido al ingreso de generación eólica. El control propuesto en este trabajo no intenta reproducir el comportamiento de una planta de generación convencional, sino contribuir al amortiguamiento de las oscilaciones electromecánicas, y principalmente las oscilaciones entre áreas. En la segunda parte, el sistema de control ha sido ensayado en la red de 39 nudos de New England a la que se ha añadido una cantidad significativa de generación eólica utilizando el modelo completo del aerogenerador, y en la tercera parte, el sistema de control ha sido ensayado en el Sistema Eléctrico Peninsular utilizando el modelo simplificado con el fin de retener únicamente sus características fundamentales y facilitar el análisis de los resultados. Para obtener una evaluación del funcionamiento del control se utiliza descomposición modal aplicada al flujo de potencia activa entre nudos del sistema utilizando el método de aproximación de mínimos cuadrados provisto por el software PSS/E. _____________________________________________________ This work constitutes the doctoral dissertation to receive the Doctor of Philosophy (PhD) degree in Electrical, Electronic and Automatic Engineering of Carlos III University of Madrid. This work is focused in the analysis of electromechanical mode of oscillations in power systems with high penetration of the system in wind, and a proposal of control methods applicable to variable-speed wind turbines for damping power system oscillations. Besides presenting an updated bibliographic revision, introduction and a model description chapter, this work contains three main parts. The first part is developed in chapter 4. This part proposes a method for small-signal stability analysis and damping oscillations in a power system including a wind park using artificial neural networks. This study consists of a search for a stable operating point starting from either an unstable system or a system that contains poorly damped inter-area oscillations. The test system considered in the study is a 39-bus New England system, at which a significant amount of wind energy has been integrated for small-signal analysis. The process consists in applying small successive changes for certain system parameters, and has as objective to modify the operation point to move toward the lefthalf plane the eigenvalues with positive or almost zero real part. In this work, the following parameters have been modified on the 9-bus system: generation dispatch, and bus voltages. The second and three parts are developed in chapter 5 and 6. These parts propose an active power control method applicable to variable-speed wind turbine, which has been denominated in this work as wind power system stabilizer. The motivation of the proposed control design comes from power system stabilizer. Although these devices are still the most cost-effective solution capable of providing supplementary damping to the system, these stabilizers may no longer be able of providing the necessary required damping due to the high penetration of the system in wind. For instance, if either the generators which have these devices installed are out of service or if there is a power reduction to accommodate wind energy. In this thesis; the proposed control does not try to reproduce the behavior of conventional generation plants, but contributing to the damping of electromechanical oscillations, and mainly inter-area oscillations. In the second part of this work, this control has been evaluated in the 39-Bus New England test system, at which a significant amount of wind energy has been integrated for small signal analysis using a variable-speed wind turbine full-model. In the third part of this work the control has been evaluated in the Spanish Peninsular Power System using a simplified-model of the variable-speed wind converter with the purpose of keeping the most fundamental characteristics facilitating the analysis of the results. To evaluate the performance of the proposed control, modal decomposition is applied to the active power flow between buses of the system using the least square approximation method provided by the PSS/E software tool.


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