Medellín - Minas - Maestría en Ingeniería - Ingeniería Eléctrica · 2023
Control de oscilaciones electromecánicas en sistemas de energía eléctrica mediante plantas de generación eólica
Con la creciente incorporación de recursos renovables en la matriz energética, uno de los principales retos es determinar la afectación que tiene este tipo de generación, basados principalmente en conversores, en la estabilidad dinámica de los sistemas eléctricos de potencia, siendo necesario determinar los sistemas de control adicionales que se deben incorporar en esta tecnología para mantener las principales variables eléctricas dentro del rango de operación establecido. En esta investigación se presenta el diseño de un Control Linear Cuadrático Gaussiano, LQG, implementado en el lazo de control de potencia reactiva de los generadores eólicos, para amortiguar modos oscilatorios inter-área en sistemas eléctricos de potencia. Para ello, primero se obtiene el modelo lineal del sistema eléctrico de potencia, inicialmente a través de la linealización con análisis de pequeña señal y luego con el método de identificación Loewner basado en mediciones. Después de sintonizar el control, se incorpora y se analiza su comportamiento e influencia en el amortiguamiento de los modos oscilatorios, utilizando como herramienta la gráfica del lugar geométrico de las raíces. Por último, se prueba el desempeño del controlador a través de simulación transitoria sobre el modelo no lineal de dos sistemas de prueba, que presentan diferentes modos oscilatorios, donde se demuestra que el control a través de aerogeneradores permite amortiguar los modos inter-área del sistema. (Texto tomado de la fuente)
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Contenido
- Introducciónp. 12
- Formulación del problemap. 15
- Objetivosp. 16
- 1.2.1 Objetivo generalp. 16
- 1.2.2 Objetivo específicop. 17
- Metodologíap. 17
- Marco conceptualp. 18
- Estabilidad en sistemas eléctricos de potenciap. 18
- 2.1.1 Modos de oscilaciónp. 21
- 2.1.2 Análisis a través del par mecánicop. 22
- 2.1.3 Análisis de estabilidad en pequeña señalp. 25
- Control de amortiguamiento de oscilaciónp. 30
- 2.2.1 Control basado en estructura de PSSp. 32
- Modelado de aerogeneradoresp. 35
- 2.3.1 Modelo dinámico del aerogeneradorp. 39
- Estrategias de identificación y controlp. 46
- Observabilidad y controlabilidadp. 46
- Algoritmos de identificación de sistemas dinámicosp. 47
- 3.2.1 Método de identificación de Loewnerp. 48
- Control lineal cuadrático Gaussianop. 52
- 3.3.1 Regulador cuadrático linealp. 53
- 3.3.2 Estimador cuadrático linealp. 55
- 3.3.3 Algoritmo LQG completop. 57
- Propuesta control de oscilacionesp. 60
- Control de oscilaciones utilizando LQGp. 62
- Configuración del modelo del aerogeneradorp. 63
- Modulación del modelo no lineal para su identificaciónp. 65
- Implementación del control en el modelo linealp. 67
- Implementación del control en el modelo no linealp. 68
- Implementación del control de oscilacionesp. 70
- Sistema de dos áreasp. 71
- 5.1.1 Control de oscilaciones con SVCp. 72
- 5.1.2 Control de oscilaciones con generador eólicop. 79
- Sistema Nueva York – Nueva Inglaterra de 16 generadores y 68 barrasp. 86
- 5.2.1 Identificación Loewner sistema New York – New Englandp. 87
- 5.2.2 Implementación del control de oscilaciones en sistema de NENYp. 88
- Sistema Nueva York – Nueva Inglaterra con WTG en COIp. 94
- 5.3.1 Implementación del control de oscilaciones en sistema de NENYp. 96
- Conclusiones y trabajos futurosp. 100
- Conclusionesp. 100
- Trabajos futurosp. 101
- Bibliografíap. 102
- System Dynamic Performance Committee, 2020)p. 19
- Figura 2-3: Dinámica modos oscilatorios electromecánicos (Kundur, 1994)p. 24
- Sanchez‐Gasca, 2020)p. 37
- Gasca, 2020)p. 28
- Figura 2-6: Estructura estabilizador de sistema de potencia (Chow et al., 2004)p. 31
- Figura 2-7: Ángulo de apertura de modo oscilatorio (Chow & Sanchez‐Gasca, 2019)p. 33
- Figura 2-8: Lazo retroalimentado de PSS (Chow & Sanchez‐Gasca, 2019)p. 34
- Figura 2-9: Composición de un generador eólico (World Energy Trade, 2019)p. 36
- Sanchez‐Gasca, 2020)p. 37
- Figura 2-11: Clasificación de los aerogeneradores según WECC (Ellis et al., 2015)p. 39
- Figura 2-12: Modelo dinámico del aerogenerador (Chow & Sanchez‐Gasca, 2020)p. 40
- Figura 2-13: Modelo generador/convertidor (Wilches-Bernal et al., 2019)p. 41
- Figura 2-15. Modelo mecánico de dos masas (Chow & Sanchez‐Gasca, 2020)p. 43
- Figura 2-16. Control de torque (Chow & Sanchez‐Gasca, 2020)p. 43
- Figura 2-17. Control de paso (Chow & Sanchez‐Gasca, 2020)p. 44
- Figura 2-18. Modelo aerodinámico simplificado (Chow & Sanchez‐Gasca, 2020)p. 45
- Figura 3-1. Diagrama controlador LQG (Brunton & Kutz, 2019)p. 53
- Figura 3-2. Diagrama LQR (Brunton & Kutz, 2019)p. 54
- Figura 3-3. Estimador (Filtro de Kalman) (Brunton & Kutz, 2019)p. 57
- Figura 4-1 Esquema control WADC con aerogeneradores (Elaboración propia)p. 60
- Figura 4-2. Control LQG en el WADC (Elaboración propia)p. 62
- (Elaboración propia)p. 66
- Figura 4-5. Control LQG aplicado a sistema lineal (Elaboración propia)p. 67
- Figura 4-6. Control LQG en sistema no lineal (Elaboración propia)p. 68
- Figura 5-1. Sistema de potencia de dos áreasp. 72
- Figura 5-2. Sistema de dos áreas con SVCp. 73
- Figura 5-3. Control basado en estructura PSS con SVCp. 74
- Gω1-2GwhGshGll y d) lazo cerrado del Gcontrol con el sistema Gω1-2p. 75
- Figura 5-5. Sistema de dos áreas con SVC con o sin controlp. 76
- Figura 5-6. Respuesta del sistema no lineal con control tipo PSSp. 77
- Figura 5-7. Sistema de dos áreas con WTGp. 79
- Figura 5-8. Control basado en estructura PSS con WTGp. 80
- Figura 5-9. Respuesta en frecuencia de la identificación de Loewnerp. 81
- Figura 5-10. Sistema de dos áreas con WTG con o sin controlp. 83
- Figura 5-11. Comportamiento del sistema de dos áreas con WTG sin controlp. 84
- Figura 5-13 Comportamiento del sistema de dos áreas con WTG con control LQGp. 85
- Figura 5-14. Sistema de prueba New England - New York modificadop. 86
- Figura 5-15. Respuesta en frecuencia de la identificación de Loewner sistema NENYp. 88
- Figura 5-16. Sistema NENY con WTG con o sin controlp. 90
- Figura 5-17. Comportamiento dinámico del sistema NENY con WTGp. 91
- Figura 5-18. Sistema de prueba New England - New Yorkp. 95
- Figura 5-20. Sistema NENY con WTG con o sin controlp. 97
- Figura 5-21. Comportamiento dinámico del sistema NENY con WTGp. 99