Power grid dynamics and stability with a high penetration of renewable energies
- Autores: María Martínez Barbeito
- Directores de la Tesis: Pere Colet Rafecas (dir. tes.), Damià Gomila Villalonga (dir. tes.), Cristóbal López Sánchez (tut. tes.)
- Lectura: En la Universitat de les Illes Balears ( España ) en 2024
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 137
- Tribunal Calificador de la Tesis: Oriol Gomis Bellmunt (presid.), María Paz Comech Moreno (secret.), Mehrnaz Anvari (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad de las Illes Balears
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
- español
La necesidad de disminuir las emisiones de CO2 para paliar los daños causados por el cambio climático está acelerando la transición hacia energías renovables en todos los sectores. En concreto, las fuentes de energía renovable variables (VRES en inglés), como el viento y el sol, serán clave para lograr la descarbonización. Esto cambiará de forma fundamental las prácticas energéticas tradicionales y presenta dificultades significativas que deben ser abordadas.
En el sector energético, integrar una fracción grande de VRES conlleva principalmente dos retos. Por un lado, el funcionamiento estable de la red está basado en el balance entre generación y demanda, que se debe alcanzar en tiempo real. Tradicionalmente, esto se consigue utilizando fuentes de energía controlables como los combustibles fósiles. Sin embargo, las VRES son altamente impredecibles e intermitentes. Por otro lado, a diferencia de las VRES que se integran en la red a través de dispositivos electrónicos, las centrales convencionales aportan inercia y control de frecuencia. Por lo tanto, la substitución progresiva de la generación convencional por VRES requiere nuevas estrategias de gestión de la red.
Esta tesis explora el camino hacia una red eléctrica completamente renovable, centrándose especialmente en la dinámica de la frecuencia y en los problemas de estabilidad que pueden aparecer en escenarios altamente renovables. Usando diferentes regiones como casos de estudio, investigamos problemáticas comunes como el impacto de la reducción de la inercia, el aumento de las necesidades de control y la sobrecarga de las líneas de transmisión.
Nuestro enfoque se basa en representar las redes eléctricas de alto voltaje como una red de plantas convencionales o subestaciones que interactúan y están conectadas por líneas de transmisión. Además, describimos la dinámica de los nodos con modelos basados en la ecuación de swing. Dado que usamos representaciones realistas de la red y validamos los modelos usando datos reales siempre que podemos, nuestros resultados no son meras especulaciones teóricas.
Inicialmente analizamos diferentes islas, incluyendo Gran Canaria y las Islas Baleares en España, así como Gokçeada en Turquía. Las islas son territorios clave en la transición energética gracias a que tienen un tamaño relativamente pequeño y un gran potencial renovable. En concreto, en el contexto de escenarios dominados por renovables, estimamos las necesidades de control y posibles mejoras en la infraestructura de la red para potenciar su resiliencia. Además, discutimos el papel de la tecnología de corriente continua de alta tensión (HVDC en inglés) y las baterías para proporcionar control de frecuencia. Posteriormente extendemos nuestro estudio a la red Continental Europea, mostrando así las dificultades de operar un sistema grande e interconectado. En este caso, examinamos la propagación de perturbaciones y oscilaciones inter área, además de la estabilidad de la red en general.
En resumen, esta tesis contribuye a los esfuerzos de investigación actuales relacionados con la instalación de energías renovables a gran escala en todo el mundo. La tesis proporciona diferentes metodologías para analizar la dinámica de la red eléctrica y la estabilidad en escenarios con alta penetración de renovables.
- català
La necessitat de disminuir les emissions de CO2 per a pal·liar els danys causats pel canvi climàtic està accelerant la transició cap a energies renovables en tots els sectors. En concret, les fonts d'energia renovable variables (VRES en anglès), com el vent i el sol, seran clau per a aconseguir la descarbonització. Això canviarà de manera fonamental les pràctiques energètiques tradicionals i presenta dificultats significatives que han de ser abordades.
En el sector energètic, integrar una fracció gran de VRES comporta principalment dos reptes. D'una banda, el funcionament estable de la xarxa està basat en el balanç entre generació i demanda, que s'ha d'aconseguir en temps real. Tradicionalment, això s'aconsegueix utilitzant fonts d'energia controlables com els combustibles fòssils. No obstant això, les VRES són altament impredictibles i intermitents. D'altra banda, a diferència de les VRES que s'integren en la xarxa a través de dispositius electrònics, les centrals convencionals aporten inèrcia i control de freqüència. Per tant, la substitució progressiva de la generació convencional per VRES requereix noves estratègies de gestió de la xarxa.
Aquesta tesi explora el camí cap a una xarxa elèctrica completament renovable, centrant-se especialment en la dinàmica de la freqüència i en els problemes d'estabilitat que poden aparèixer en escenaris altament renovables. Usant diferents regions com a casos d'estudi, investiguem problemàtiques comunes com l'impacte de la reducció de la inèrcia, l'augment de les necessitats de control i la sobrecàrrega de les línies de transmissió.
El nostre enfocament es basa a representar les xarxes elèctriques d'alt voltatge com una xarxa de plantes convencionals o subestacions que interactuen i estan connectades a través de línies de transmissió. A més, descrivim la dinàmica dels nodes amb diferents models basats en l'equació de swing. Atès que usem representacions realistes de la xarxa i validem els models usant dades reals sempre que podem, els nostres resultats no són meres especulacions teòriques.
Inicialment analitzem diferents illes, incloent-hi Gran Canària i les Illes Balears a Espanya, així com Gokçeada a Turquia. Les illes són territoris clau en la transició energètica gràcies a que tenen una grandària relativament petita i un gran potencial renovable. En concret, en el context d'escenaris dominats per renovables, estimem les necessitats de control i possibles millores en la infraestructura de la xarxa per a potenciar la resiliència d'aquesta. A més, discutim el paper de la tecnologia de corrent continu d'alta tensió (HVDC en anglès) i les bateries per a proporcionar control de freqüència. Posteriorment estenem el nostre estudi a la xarxa Continental Europea, mostrant així les dificultats d'operar un sistema gran i interconnectat. En aquest cas, examinem la propagació de pertorbacions i oscil·lacions inter àrea, a més de l'estabilitat de la xarxa en general.
En resum, aquesta tesi contribueix als esforços de recerca actuals relacionats amb la instal·lació d'energies renovables a gran escala a tot el món. La tesi proporciona diferents metodologies per a analitzar la dinàmica de la xarxa elèctrica i l'estabilitat en escenaris caracteritzats per una alta penetració de renovables.
- English
The urgent need to decrease CO2 emissions to mitigate the severe damaging effects of climate change is accelerating the transition towards renewable energy sources across all sectors. In particular, variable renewable energy sources (VRES), such as wind and solar, will be key to achieve decarbonization. This will fundamentally change traditional energy practices and it presents significant difficulties that must be addressed.
In the energy sector, the integration of large shares of VRES poses two main challenges. On one hand, stable grid operation is based on the continuous balance between generation and demand, which must be met in real-time. Traditionally, this is achieved using controllable energy sources, such as fossil fuels. However, VRES are highly unpredictable and intermittent. On the other hand, unlike VRES, which are integrated into the grid through power electronics, conventional power plants provide inertia and control frequency dynamics. Hence, the progressive replacement of conventional generation by VRES requires novel grid operation strategies.
This thesis explores the path towards achieving a fully renewable power grid, with a particular focus on the frequency dynamics and stability issues that may arise in highly renewable scenarios. Using different regions as case studies, we investigate common challenges such as the impact of reduced inertia, higher control requirements, and transmission line overloads.
Our approach is to represent high-voltage power grids as networks of interacting conventional power plants or substations connected via power transmission lines. We describe bus dynamics with different models based on the swing equation. By using realistic grid representations and validating the models with actual data whenever possible, our results are not merely theoretical speculation and offer useful insights.
Initially, we analyze different islands, including Gran Canaria and the Balearic Islands in Spain, as well as Gokçeada in Turkey. Islands are pivotal in the energy transition due to their relatively small size and typically abundant renewable sources. In the context of renewable-dominated scenarios, we estimate control requirements and potential infrastructure upgrades to enhance grid resilience. Additionally, we discuss the role of high-voltage direct current (HVDC) technology and batteries in providing frequency control. Subsequently, we extend our study to the Continental European grid, illustrating the challenges of operating a larger interconnected system. In this case, we examine the propagation of disturbances and inter-area oscillations, as well as grid stability in general.
Overall, this thesis contributes to the ongoing research efforts concerning the large deployment of renewable energies worldwide. It provides different methodologies for analyzing power grid dynamics and stability within scenarios characterized by a large penetration of renewables.
Resumen (Gallego) A necesidade de diminuír as emisións de CO2 para paliar os danos causados polo cambio climático está a acelerar a transición cara enerxías renovables en todos os sectores. En concreto, as fontes de enerxía renovable variables (VRES en inglés), como o vento e o sol, serán clave para lograr a descarbonización. Isto cambiará de forma fundamental as prácticas enerxéticas tradicionais e presenta dificultades significativas que deben ser abordadas.
No sector enerxético, integrar unha fracción grande de VRES conleva principalmente dous retos. Por unha banda, o funcionamento estable da rede está baseado no balance entre xeración e demanda, que se debe alcanzar en tempo real. Tradicionalmente, isto conséguese utilizando fontes de enerxía controlables como os combustibles fósiles. Non obstante, as VRES son altamente impredicibles e intermitentes. Doutra banda, a diferenza das VRES que se integran na rede a través de dispositivos electrónicos, as centrais convencionais achegan inercia e control de frecuencia. Polo tanto, a substitución progresiva da xeración convencional por VRES require novas estratexias de xestión da rede.
Esta tese explora o camiño cara a unha rede eléctrica completamente renovable, centrándose especialmente na dinámica da frecuencia e nos problemas de estabilidade que poden aparecer en escenarios altamente renovables. Usando diferentes rexións como casos de estudo, investigamos problemáticas comúns como o impacto da redución da inercia, o aumento das necesidades de control e a sobrecarga das liñas de transmisión.
O noso enfoque baséase en representar as redes eléctricas de alta voltaxe como unha rede de plantas convencionais ou subestacións que interactúan e están conectadas a través de liñas de transmisión. Ademais, describimos a dinámica dos nodos con diferentes modelos baseados na ecuación de swing. Dado que usamos representacións realistas da rede e validamos os modelos usando datos reais sempre que podemos, os nosos resultados non son meras especulacións teóricas.
Inicialmente analizamos diferentes illas, incluíndo Gran Canaria e as Illas Baleares en España, así como Gokçeada en Turquía. As illas son territorios crave na transición enerxética grazas a que teñen un tamaño relativamente pequeno e un gran potencial renovable. En concreto, no contexto de escenarios dominados por renovables, estimamos as necesidades de control e posibles melloras na infraestrutura da rede para potenciar a resiliencia da mesma. Ademais, discutimos o papel da tecnoloxía de corrente continua de alta tensión (HVDC en inglés) e as baterías para proporcionar control de frecuencia. Posteriormente estendemos o noso estudo á rede Continental Europea, amosando así as dificultades de operar un sistema grande e interconectado. Neste caso, examinamos a propagación de perturbacións e oscilacións inter área, ademais da estabilidade da rede en xeral.
En resumo, esta tese contribúe aos esforzos de investigación actuais relacionados coa instalación de enerxías renovables a gran escala en todo o mundo. A tese proporciona diferentes metodoloxías para analizar a dinámica da rede eléctrica e a estabilidade en escenarios caracterizados por unha alta penetración de renovables.
- español
