Resumen de Contribución de los aerogeneradores de velocidad variable al control primario de frecuencia en sistemas de energía eléctrica
En esta tesis doctoral se aborda la temática de la provisión del servicio complementario de control de frecuencia en un sistema de energía eléctrica por parte de un aerogenerador de velocidad variable. Para ello se presenta, en primera instancia, un análisis teórico exhaustivo de la operación un sistema eléctrico dentro del horizonte temporal abarcado por las acciones de control primario de frecuencia. Se estudia la respuesta inercial y el proceso de regulación de frecuencia de los generadores síncronos convencionales ante la aparición de perturbaciones de potencia y, además, se discute cómo la integración masiva de aerogeneradores puede afectar la efectividad de estas dos características. Toda la base teórica expuesta conduce a la justificación de que para el rango temporal considerado es posible representar la dinámica del sistema mediante el enfoque simplificado del esquema de control primario de frecuencia. Luego, con el objeto de disponer de las herramientas analíticas necesarias para el estudio de un sistema eléctrico de potencia con una integración importante de generación eólica, uno de los aportes preliminares de este trabajo es el desarrollo de un modelo matemático simplificado de aerogenerador de velocidad variable concebido expresamente para la realización de los estudios sobre los cuales se enfoca esta investigación. Este proceso de modelación describe de forma secuencial la representación matemática de cada uno de sus componentes y justifica, en cada caso, las simplificaciones realizadas. A continuación, se evalúa la exactitud numérica del modelo desarrollado mediante la comparación de los resultados obtenidos con aquellos que resultan de la utilización de un modelo comercial mucho más completo dentro de un entorno de simulación por ordenador.
En la parte medular del informe se presenta el marco conceptual que conduce al planteamiento de las dos contribuciones científicas aportadas por esta tesis doctoral, las cuales, están pensadas para hacer factible la participación de los aerogeneradores en las tareas de control de frecuencia en un sistema eléctrico de potencia en colaboración con la generación síncrona operativa. Dichas soluciones están concebidas para su implementación en los sistemas de control de los aerogeneradores de velocidad variable y están basadas en el aprovechamiento de las capacidades y recursos físicos inherentes a la construcción y operación de la máquina, sin que sea necesaria la incorporación de equipamiento adicional para la consecución de sus objetivos.
En primera instancia, se expone el concepto de inercia virtual y su aplicabilidad en aerogeneradores de velocidad variable. Además, en esta parte del trabajo se presenta una técnica novedosa ideada para regular la potencia activa despachada por el aerogenerador mediante el desplazamiento de la curva de seguimiento del punto de máxima potencia, la cual permite implementar una determinada acción correctiva teórica con un alto grado de efectividad respecto al enfoque tradicional presentado de forma recurrente en la literatura. A continuación, se explora más a fondo el concepto de inercia virtual y, mediante la aplicación de la técnica antes descrita, se propone una estrategia de control diseñada para dotar al aerogenerador de una respuesta inercial efectiva y para habilitar su participación en las tareas de control primario de frecuencia. El planteamiento teórico de esta primera propuesta deriva en la obtención de una función de control cuyo objetivo es producir cambios en la potencia activa de salida del aerogenerador según sea el estado temporal de dos variables del sistema eléctrico: el desvío de la frecuencia y la tasa de variación de la frecuencia con respecto al tiempo. Por tanto, se espera que la implementación de esta característica en el sistema de control de un aerogenerador contribuya al mejoramiento de la respuesta inercial del sistema y al sostenimiento de la frecuencia en caso de contingencia.
Ahora bien, con el propósito de ampliar las prestaciones de esta estrategia de control y de no limitar su actuación únicamente ante situaciones de contingencia en la red, se plantea una segunda propuesta que explota la habilidad del aerogenerador para regular la potencia eólica capturada por la turbina mediante la orientación controlada de sus palas. La combinación de esta acción de control con aquella brindada por el método basado en el concepto de inercia virtual permite el planteamiento teórico de esta nueva estrategia de control con la que se busca reducir las excursiones de la frecuencia de la red ocasionadas por la integración de la potencia eólica fluctuante bajo condiciones normales de operación. Esta segunda propuesta incorpora, además, una característica pensada para incrementar la cantidad de energía cinética almacenada en las masas rotativas del aerogenerador y, al mismo tiempo, para reducir el vertido eólico asociado a la manipulación continuada del ángulo de paso de pala.
En la parte final de la tesis, se evalúa la efectividad de las acciones de control ofrecidas por las dos propuestas sobre un banco de pruebas implementado en un entorno de simulación por ordenador, en el cual, se toman en consideración distintas características constitutivas y operativas de los sistemas eléctricos representados. Los resultados obtenidos en las simulaciones en el dominio del tiempo revelan que, para los diferentes escenarios operativos contemplados, la implementación de las soluciones tecnológicas aportadas por esta tesis doctoral contribuye al mejoramiento de las características inerciales de un sistema eléctrico caracterizado por una presencia significativa de aerogeneradores de velocidad variable, tanto en condiciones normales de operación como en situaciones de contingencia.
