Análisis dinámico de sistemas eléctricos con generación eólica

• Autores: Pablo Ledesma Larrea
• Directores de la Tesis: Julio Usaola García (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2001
• Idioma: español
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  • Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
• Resumen

  • La energía eólica instalada en Europa ha crecido aproximadamente un 40% anual durante la última década. Este crecimiento, unido a la previsible instalación de numerosos parques en un futuro próximo, obliga a las compañías eléctricas a evaluar la influencia de la generación eólica sobre diversos aspectos del sistema eléctrico. Uno de estos aspectos es la estabilidad transitoria de la red. Para asegurar la continuidad del suministro, es necesario conocer la respuesta transitoria del sistema, con su correspondiente carga de generación eólica, frente a perturbaciones no programadas.

    Esta tesis doctoral propone diversos modelos de aerogenerador que permiten representar a las instalaciones eólicas en un programa de estabilidad transitoria. De esta forma es posible simular las distintas perturbaciones a las que puede verse sometido el sistema, con el fin de establecer las protecciones y los sistemas de control adecuados.

    Los modelos desarrollados representan a los dos tipos de aerogeneradores más frecuentes en España: turbinas de velocidad fija con generador de inducción y turbinas de velocidad variable con generador asíncrono doblemente alimentado. Los fenómenos estudiados abarcan el generador eléctrico, el acoplamiento mecánico entre las palas y el generador, el par aplicado sobre las palas y los sistemas de control.

    Esta tesis también presenta algunos resultados especialmente significativos obtenidos mediante simulaciones con los modelos propuestos. Los casos escogidos estudian aspectos de la generación eólica poco tratados en la literatura. El análisis de los resultados proporciona conclusiones generales sobre el comportamiento dinámico de los sistemas con generación eólica, más allá de los datos numéricos.

    El primer modelo propuesto de aerogenerador corresponde a una turbina de velocidad fija con generador de inducción. Este tipo de aerogenerador ha sido analizado desde el punto de vista eléctrico por numerosos autores, pero no existe consenso sobre el modelo apropiado para estudios de estabilidad transitoria. Durante el proceso de determinación del modelo, han sido retenidos aquellos fenómenos cuya dinámica repercute sobre la estabilidad transitoria del sistema eléctrico, y han sido rechazados aquellos que no provocan un efecto significativo. El modelo final ha sido integrado en los programas de simulación numérica PSS/E y PST.

    El modelo de turbina de velocidad fija ha sido empleado para estudiar diversos aspectos del régimen transitorio de sistemas eléctricos. En primer lugar, ha sido evaluada la influencia de algunos parámetros sobre el tiempo crítico de despeje de falta de un parque eólico. También ha sido estudiado el efecto sobre una red de distribución de dos protecciones de mínima tensión, una instantánea y la otra con retardo. Por último, ha sido analizada la repercusión sobre el Sistema Eléctrico Español de las mismas protecciones, atendiendo especialmente a la localización de los parques eólicos desconectados después de un cortocircuito trifásico.

    El segundo sistema representado es una turbina de velocidad variable con generador asíncrono doblemente alimentado. Dos nuevos modelos han sido desarrollados para simular al generador doblemente alimentado en un programa de estabilidad transitoria. La premisa fundamental del primer modelo es que el control de corriente en los convertidores electrónicos puede considerarse infinitamente rápido. El segundo modelo considera, además, que el control del factor de potencia también puede considerarse instantáneo. Los modelos matemáticos propuestos son novedosos, y no se ha encontrado en la literatura ninguna aproximación parecida a este problema. El modelo completo de aerogenerador ha sido incluido en el programa informático PST e incluye, además delgenerador eléctrico, el acoplamiento mecánico, el par mecánico entrante, la tensión en la etapa de continua y los sistemas de control correspondientes.

    Los modelos de turbina de velocidad variable han sido empleados para analizar el régimen transitorio de un sistema con este tipo de aerogeneradores, y con las protecciones de mínima tensión vigentes en España. También han sido utilizados para estudiar el efecto sobre el sistema eléctrico de varias técnicas que están comenzando a ser aplicadas en este tipo de instalaciones:protección de mínima tensión con reenganche automático, control de tensión en el parque eólico y participación en el control de frecuencia primario del sistema.

    Esta tesis doctoral ha sido realizada en el marco del proyecto de investigación número 2FD97-1792 de la Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología (CICYT) titulado ¿Impacto Dinámico y Estrategias de Regulación de la Potencia Generada por los Parques Eólicos de la Red Eléctrica Peninsular¿, con la participación de Red Eléctrica de España (REE), la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), y financiado con la ayuda del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).

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