Control distribuido de STATCOMs para la regulación de tensión en redes eléctricas

Resumen

La integración masiva de la generación de origen renovable intermitente en los sistemas eléctricos se ha convertido en uno de los mayores retos en los sistemas de energía eléctrica modernos. Concretamente, la necesidad de mantener un perfil de tensiones adecuado para lograr un correcto funcionamiento del sistema se hace más complejo cuanto mayor es la penetración de estas fuentes de generación. El gran desarrollo experimentado en convertidores eléctricos así como los grandes avances en las infraestructuras de comunicación han favorecido el desarrollo de nuevos equipos y herramientas de control que permiten gestionar estas redes de manera segura incluso en sistemas dominados por parques de generación eólicos y/o solares. Para un control de los perfiles de tensión en redes, la variable más efectiva a considerar es la potencia reactiva. Por ello, es habitual el uso de compensadores de tensión tales como el compensador estático síncrono (STATCOM) perteneciente a la familia de los dispositivos FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems). En esta tesis se abordan dos líneas de investigación para el control de los STATCOMs. La primera de ellas se centra en el control de los componentes electrónicos del propio convertidor, haciendo especial hincapié en cómo se activa el VSC (Voltage Source Converter) para conseguir el nivel de tensión deseado a la salida del dispositivo. La segunda línea de investigación, se centra en el desarrollo de estrategias para la coordinación de varias unidades de STATCOM de manera que la consigna de control se ajuste para alcanzar el objetivo global de la red en relación a la regulación de tensión. Para el control interno del STATCOM, se explora un control simplificado a través del diseño de una técnica de conmutación mediante una máquina de estados finitos que modela los cambios de activación de los transistores del VSC. Los resultados experimentales muestran que la simplicidad en el diseño y operación del microcontrolador comparado con otras técnicas clásicas tales como PWM o SVM es competitivo y cumple los niveles de distorsión armónica dentro del rango de valores establecidos en la norma IEEE Std 519. En relación a las estrategias de coordinación de STATCOMs, se ha optado por el diseño y evaluación de dos técnicas distribuidas debido a las ventajas que ofrecen en términos de escalabilidad, seguridad y robustez. Una de ellas está basada en control predictivo distribuido (DMPC) mientras que la otra se apoya en la teoría de juegos no cooperativos, resolviéndose ambas mediante algoritmos iterativos. En los diseños de estos algoritmos distribuidos, se utiliza la descomposición del problema global para resolver el problema de control local. La novedad de esta aportación es que los diseños responden a controles locales con la capacidad social de determinar su respuesta en función del efecto que los controles vecinos tienen sobre los nodos que pertenecen a su área de influencia. Esta área es determinada a partir de un criterio de sensibilidad basado en la matriz jacobiana del problema de flujo de cargas. En ambas estrategias, el problema local consiste en una función que minimiza la desviación de tensión de los nodos críticos. El modelo se determina a partir de la sensibilidad de estos nodos con respecto al nodo del controlador. De esta forma se logra un esquema ``plug-and-play" donde solo se requiere el estado de la red y no la dinámica de los STATCOMs. Así, la aplicación es independiente del tipo de unidad de generación o compensación, lo que aporta sencillez en la implementación. Finalmente, las estrategias de operación desarrolladas se han evaluado a través de la simulación en dos redes de transporte (IEEE-9 e IEEE-14) con dos y tres centrales de energía renovable intermitente con sus respectivos STATCOMs. Se ha comprobado que la desviación de los valores de tensión de los nodos fueron reducidas considerablemente, obteniéndose una prestaciones muy cercanas a la solución centralizada con un número limitado de iteraciones. El algoritmo basado en teoría de juegos es más rápido que otras soluciones similares propuestas en la literatura relacionada, incluyendo el DMPC propuesto en esta Tesis doctoral. Los resultados también sugieren que pueden aplicarse a cualquier dispositivo compensador de tensión o máquina con control de tensión local, si está provisto de una entrada accesible para la consigna.