Resumen de Operación flexible de redes de distribución mediante convertidores electrónicos

Francisco de Paula García López

• español

  Actualmente no se puede negar la problemática asociada a las redes de distribución, tanto de baja como de media tensión, debido al nuevo paradigma de generación y consumo que se espera en un futuro muy cercano. La integración masiva de fuentes de energía renovable, que se están integrando globalmente, es imparable en la actualidad debido a la necesidad de reducir la dependencia de los combustibles fósiles. Esta nueva tecnología de generación se está implantando en los sistemas de distribución, tanto de media como de baja tensión, en contraste con las conexiones convencionales de centrales eléctricas de gran escala en redes de transporte de alta tensión. La proliferación de esta tecnología se debe a los objetivos de generación renovable que imponen los diferentes protocolos y normativas que tienen como finalidad el incremento de consumo en energía renovable para disminuir el impacto de los combustibles fósiles, y de este modo, conseguir una descarbonización que ayude a mitigar el cambio climático que está sufriendo el planeta. De forma adicional, y asociado al mismo objetivo, no hay que olvidar el auge del vehículo eléctrico que tendrá un impacto muy importante en todo el sistema de distribución. Se estima que el crecimiento del vehículo eléctrico en años venideros sea exponencial, llegando a ser un activo muy importante en la red de distribución, en la cual, dependiendo de cómo se integre, puede llegar a ser crítico. Los problemas que van a crear estos elementos en la red de distribución son de diversa índole: 1) inversión de flujos de potencia en las líneas, 2) violaciones de tensión, 3) sobrecarga en líneas y transformadores, 4) funcionamiento inapropiado de protecciones y 5) gestión ineficiente de la red. Estos problemas pueden crear indisponibilidad temporal de puntos de carga de vehículos eléctricos o de inyección de generación de las fuentes renovables por la aparición de congestiones. Sin duda esto generaría en el usuario final un rechazo hacia las nuevas tecnologías de generación renovable o adquisición de vehículos eléctricos, pudiendo darse un retroceso indeseado en el crecimiento sostenible de la red eléctrica. La solución a esta diversidad de problemas no es única, pudiendo aplicarse varias soluciones. Posiblemente la solución más inmediata es el refuerzo de los diferentes elementos críticos en la red de distribución que presenten problemas. Sin embargo, esta solución puede no ser viable desde un punto de vista práctico, dada la extensión de las redes de distribución y las dificultades de dichos refuerzos en zonas urbanas basadas en configuraciones subterráneas. Por otro lado, se puede plantear limitar la instalación de estos nuevos agentes, generación renovable y/o vehículo eléctrico, a zonas o localizaciones concretas donde su impacto no sea tan acusado. Sin embargo, la no universalidad de la solución sería contraproducente para el buen funcionamiento del sector y podría no atraer a nuevos inversores y usuarios de las nuevas tecnologías. Por último, y en la premisa en que se basa esta tesis doctoral, otra solución estriba en gestionar de forma eficiente los recursos de control disponibles en la red de distribución. El objetivo que se persigue en esta tesis doctoral es conseguir una gestión eficiente de los dispositivos de electrónica de potencia que están integrados en todos los nuevos agentes de la red de distribución. Para ello se proponen estrategias de control que crean nuevas funcionalidades y/o se realizan modificaciones en su topología. Los elementos de control que se van a contemplar son los cambiadores de tomas en carga que están equipados en los transformadores, los enlaces flexibles disponibles en las redes de distribución para mallar los alimentadores radiales, las fuentes de generación renovable y las estaciones de carga del vehículo eléctrico. Estos dispositivos son controlados mediante una estructura de control jerárquica de dos niveles. Cada dispositivo está equipado con un controlador primario local, cuyo objetivo es asegurar el seguimiento de las consignas enviadas por el controlador secundario. Este control secundario, a su vez, calcula dichas consignas en base a un criterio de operación óptimo. En primer lugar se estudian las aplicaciones en la red de distribución de media tensión. En estas redes de distribución es posible disponer de una red de comunicaciones que proporciona una gran cantidad de información y medidas en tiempo real. Teniendo presente esta red de comunicaciones y teniendo el control de los cambiadores de tomas de los transformadores, la inyección de potencia reactiva de las fuentes renovables y los flujos de potencia a través de los enlaces flexibles, se propone la creación de un sistema de control centralizado, con OPF, el cual proporciona las diferentes consignas a cada dispositivo para optimizar el funcionamiento de la red, según diferentes algoritmos de control. Para hacer patente el impacto que se produce en dichas redes de distribución, las propuestas desarrolladas en esta tesis se aplican a una red de referencia sugerida por la CIGRE Task Force C06.04.02 para integración masiva de energías renovables. En esta red se realizan una serie de simulaciones que ponen de manifiesto los beneficios que tiene el control de los dispositivos mencionados, gracias a una gestión eficiente de un algoritmo centralizado que unifica la coordinación de dichos dispositivos. En segundo lugar, en la red de distribución de baja tensión se analiza la integración de una nueva topología de estación de carga rápida de vehículo eléctrico. Dicha topología se basa en un enlace multiterminal que permite controlar los flujos de potencia por las líneas mejorando así su integración en la red de distribución. La creación de este enlace flexible consiste en una modificación mínima en los cargadores rápidos estándar mediante la conexión de todos los buses de continua de los diferentes cargadores rápidos que integran la estación de carga. Con esta mínima modificación se crea una conexión entre los diferentes alimentadores de la red de baja tensión proporcionando una mayor flexibilidad. Hay que destacar que este tipo de redes, al contrario que las de media tensión, no disponen de una red de comunicaciones, y por lo tanto, no existe la cantidad de información suficiente para desarrollar un controlador centralizado óptimo que tenga en cuenta todas las medidas de la red de distribución. El control centralizado propuesto únicamente utiliza las medidas de potencia y tensión, de los transformadores MT/BT, proporcionadas desde el centro de transformación, y con estas medidas y diferentes algoritmos de control, es capaz de gestionar de forma eficiente los flujos de potencia activa y reactiva de la estación de carga de vehículo eléctrico. Para este estudio se va a utilizar la red de baja tensión propuesta por CIGRE Task Force C06.04.02, para así poder valorar los efectos de los algoritmos de control diseñados. Estos efectos se hacen patentes en las simulaciones realizadas sobre la red de baja tensión, en la cual se aplican los diferentes algoritmos de control que son gestionados por el control centralizado para permitir la carga del número máximo de vehículos posibles sin congestiones en la red. Por ultimo, una vez obtenidos todos los datos de simulación en los diferentes estudios realizados, esta tesis ha tenido la ambición de ir un paso más allá. En este aspecto, se ha realizado una implementación experimental, de las diferentes simulaciones realizadas para ver la viabilidad técnica en una red de distribución real. Para ello se ha construido una red a escala de laboratorio a partir de la red propuesta por la CIGRE Task Force C06.04.02 para redes de media tensión con una alta penetración de energía renovable. En esta red a escala se obtienen los mismos resultados de pérdidas y caídas de tensión, en por unidad, que la red de distribución real, y por lo tanto, es un magnífico banco de ensayos para poder evaluar el funcionamiento de las propuestas. Los ensayos experimentales se han realizado tanto para las aplicaciones de media como de baja tensión, realizando en esta última, algunas modificaciones en la red de distribución a escala para poder obtener los parámetros por unidad adecuados de una red de distribución de baja tensión.

• English

  The current problems in lowvoltage and medium voltage distribution networks caused by new generators and consumers are undeniable. This is due to the massive integration of renewable energy sources is unstoppable due to the need to reduce fossil fuel consumption. This reduction in fossil fuel consumption is oriented by international protocols and regulations that impose a great integration of renewable energy. These new generation technologies are being implemented in medium and low voltage distribution networks. On the other hand, and due to the objective mentioned above, the electric vehicle has very high growth expectations. This growth will cause problems in the network due to the need to create fast electric vehicle charging stations. The problems that are going to cause these new elements are the following: 1) invert of power flows in the branch, 2) voltages outside the technical limits, 3) overload in feeders and transformers, 4) improper operation of protective devices and 5) inefficient network management. These problems may generate temporary unavailability of electric vehicle charging points or generation of renewable sources. These circumstances would generate a rejection of users towards new technologies or the purchase of electric vehicles, which would cause a delay in the expected advance. The solution is not unique, being able to look for different alternatives. The fastest solution is the investment in new elements of the network. These elements are the branches and/or transformers, but this solution is sometimes not adequate. A new investment needs planning and permits that are not immediate. On the other hand, in some occasions it is not possible to make an extension of the networks due to the extension of the network or simply because they are underground networks. Another alternative is the optimal location of these new elements to minimize the impact on the network. This solution can create displeasure in users, for example if electric vehicle charging stations are installed outside the urban centers. In addition, not obtaining a single solution can create disagreement in potential investors. Finally, another solution is to efficiently manage the power electronic devices that incorporate all the mentioned devices. The objective of this doctoral thesis is to achieve an efficient management of the power electronics devices integrated in the new agents of the distribution network. To achieve this objective, this thesis proposes control strategies that create new functionalities and/or modifications are made to its topology. The control elements contemplated are the tap-in-load changers that are equipped in the transformers, the flexible links available in the distribution networks to mesh the radial feeders, the renewable energy sources and the charging stations of the electric vehicle. These devices are controlled by a two-level hierarchical control structure. Each device is equipped with a local primary controller, whose objective is to ensure the tracking of references sent by the secondary controller. This secondary control calculates these setpoints based on an optimal operating criteria. First, the applications in the medium voltage distribution network are studied. In these distribution networks it is possible to have a communications network that provides a large amount of information and measurements in real time. With this communications network and having control of transformer tap-changers, the injection of reactive power from renewable sources and power flows through flexible links, the creation of a centralized control system is proposed, with OPF, which provides the different setpoints to each device to optimize the operation of the network, according to different control algorithms. The network used to verify the proposals of this doctoral thesis is the one proposed by the CIGRE Task Force C06.04.02 for massive integration of renewable energies. In this network, a series of simulations are carried out to verify the benefits of the control of the mentioned devices. This is due to an efficient management of a centralized algorithm that unifies the coordination of the devices. Secondly, in the low voltage distribution network, the integration of a new topology of a fast charging station for electric vehicles is analyzed. This topology is based on a flexible multiterminal link that allows to control the power flows through the feeders, thus improving their integration into the distribution network. This flexible link is based on a minimal modification to the standard fast chargers by connecting all the continuous buses of the different fast chargers at the charging station. With this minimal modification a connection is created between the different feeders of the low voltage network providing greater flexibility. It is interesting that these types of distribution networks do not have a communications network, unlike in medium voltage networks. Because of this, there is not enough information to develop an optimal centralized controller that takes into account all the measures of the distribution network. The proposed centralized control uses only the power and voltage measurements of the MT / BT transformers, and with these measurements and different control algorithms, it is able to efficiently manage the active and reactive power flows of the electric vehicle charging station. For this study, the low voltage network proposed by CIGRE Task Force C06.04.02 will be used, in order to assess the effects of the designed control algorithms. These control algorithms are simulated in the aforementioned distribution network to increase the integration of electric vehicle charging. Finally, an experimental implementation of the different simulations performed has been carried out. To achieve this objective, a laboratory scale network has been built from the network proposed by the CIGRE Task Force C06.04.02 for medium voltage networks with a high penetration of renewable energy. In this scale network, the same results of voltage losses and drops are obtained, in per unit, as the real distribution network, and therefore, is a great testbench to evaluate the operation of the proposals. Experimental tests have been carried out for medium and low voltage applications. This tests have been maked in to the scale distribution network. In the case of low voltage, the networ was been modified in order to obtain the parameters per unit of a low voltage distribution network.