Control and stability of ac/dc microgrids

Zusammenfassung

La sociedad actual se enfrenta a varios retos importantes en materia energética, entre los que destacan la gran dependencia de los combustibles fósiles, el constante aumento del consumo energético y los problemas medioambientales que estos factores conllevan. La integración de sistemas de generación distribuida—principalmente de origen renovable—combinadas con sistemas de almacenamiento de energía, se presenta como la solución más interesante para hacer frente a estos retos. Sin embargo, la mayor parte de estos sistemas se conectan a la red a través de convertidores electrónicos que controlan el intercambio de potencia de manera activa. Este hecho hace que la transición desde un modelo eléctrico principalmente dominado por máquinas síncronas, hacia un modelo donde la electrónica de potencia comienza a cobrar protagonismo—hasta el punto de llegar a ser dominante en algunos casos—acarree diversos problemas que prácticamente no se han manifestado desde los orígenes de las redes eléctricas. La falta de respuesta inercial y reserva primaria, las inestabilidades debidas a la interacción de los sistemas electrónicos de potencia o la prematura situación de las redes de corriente continua, cada día utilizadas en mayor medida, destacan como algunos de los retos más importantes a los que se quiere dar respuesta a través de esta tesis. En este contexto, el objetivo principal de la tesis es el desarrollo de estrategias de control de microrredes ac/dc que mejoren el comportamiento dinámico del sistema. Para la consecución de este objetivo se han planteado cuatro líneas principales que constan de la identificación y análisis de diferentes topologías y técnicas de control de microrredes, el estudio de los modos de operación del control primario de los sistemas que las componen, y finalmente el desarrollo y evaluación de diversas técnicas de control de nivel bajo tanto para microrredes ac como dc. Las estrategias de control de nivel bajo desarrolladas en la tesis se basan en el concepto de operación de los generadores síncronos clásicos, lo que les permite operar de manera distribuida y autónoma, aportando a su vez respuesta inercial ante perturbaciones en la red. Entre las contribuciones de la tesis destacan, por un lado, el análisis y comparativa de técnicas de control de emulación de máquinas síncronas para redes ac, donde evaluamos su comportamiento ante diferentes tipos de perturbaciones y examinamos su estabilidad aplicando criterios generalizados de Nyquist. En el ámbito de las redes dc, por otra parte, proponemos nuevas técnicas de control que son análogas a las analizadas para las redes ac, y que denominamos como condensadores virtuales puesto que emulan el comportamiento dinámico de estos elementos pasivos conectados a la red. En este caso, estudiamos en detalle su comportamiento dinámico y en régimen permanente, demostrando que se pueden adaptar simplemente variando parámetros de control, y analizamos su estabilidad llevando a cabo análisis paramétricos de sus valores propios dominantes.