Control methods and stability analysis of electricity networks strongly dominated by electronic power converters

Résumé

La sociedad contemporánea se enfrenta a importantes retos energéticos debido a la acumulación de gases de efecto invernadero en la atmósfera. Este escenario ha sido impulsado principalmente por el uso de combustibles fósiles para la generación de energía, el crecimiento de la población y el desarrollo tecnológico exponencial. Como respuesta, la comunidad científica ha centrado sus esfuerzos en reducir la dependencia de los combustibles fósiles. En esta dirección, se han integrado en el sistema energético nuevas fuentes de energía no convencionales, como la eólica, la solar fotovoltaica y la geotérmica. La integración de estas energías renovables que se conectan a la red a través de convertidores electrónicos está sustituyendo progresivamente a la generación basada en máquinas síncronas, lo que supone una transformación del sistema eléctrico. La creciente integración de estas energías renovables está provocando nuevos retos en el funcionamiento del sistema al manipular las distintas dinámicas del mismo. En consecuencia, esta transformación del sistema de potencia está conduciendo a una reducción de la inercia mecánica total suministrada por los elementos giratorios de las máquinas síncronas. Asimismo, la rápida dinámica de los convertidores hace que los estudios clásicos de estabilidad de pequeña y gran señal basados en modelos fasoriales no representen el verdadero comportamiento de las redes dominadas por los convertidores. La razón es que la dinámica de los convertidores interactúa con los elementos pasivos de la red, es decir, las líneas de transmisión y las cargas¿ poniendo en peligro la estabilidad del sistema. Inspirado en estos retos, el objetivo principal de esta tesis es analizar la estabilidad y el control de las redes eléctricas dominadas estrictamente por los convertidores, asegurando su correcto funcionamiento en términos de respuesta transitoria y estado estacionario, y evitando interacciones adversas entre el convertidor y la red. Para lograr este objetivo, inicialmente se discute una metodología para analizar la estabilidad de pequeña y gran señal mediante precisos modelos de las redes dominadas por los convertidores utilizando modelos electromagnéticos (EMT). Posteriormente, se propone la estrategia de control grid-following denominada `Second-Order Filter Based Inertia Emulation (SOFIE)¿ para proporcionar apoyo a la frecuencia empleando el control primario, la emulación de inercia y la amortiguación de las oscilaciones. El control SOFIE se compara con el control clásico de emulación de inercia en convertidores grid-following, demostrando que el control desarrollado resuelve varios problemas de estabilidad causados por las interacciones adversas entre los controles del inversor y las resonancias LC de la red. Además, se propone una nueva técnica de control para redes híbridas ac/dc que mejora la respuesta inercial, el control primario y la amortiguación de las oscilaciones en ambos lados del convertidor. Cabe destacar que cada una de las estrategias de control desarrolladas en esta tesis ha sido cuidadosamente diseñada para mejorar los límites de estabilidad del sistema de potencia, así como para aumentar el número de servicios del convertidor en la red. Entre otras aportaciones de esta tesis, también se destaca la comparación basada en la estabilidad de pequeña señal de los distintos enfoques de control grid-forming en diferentes condiciones de red. Esta clase de convertidores demuestra la necesidad de mejorar la amortiguación de las oscilaciones de potencia para aumentar los límites de estabilidad en redes rígidas.