ANÁLISIS Y PROPUESTA DE ESTRATEGIAS DE CONTROL DE LA
POTENCIA ACTIVA EN GENERADORES EÓLICOS PARA LA
MEJORA DEL CONTROL DE LA FRECUENCIA EN SISTEMAS
ELÉCTRICOS CON ELEVADA PENETRACIÓN EÓLICA
Belenguer, E., Sanchis, R. Peñarrocha, I., Vidal, R. y Aparicio, N.D. Enginyeria de Sistemes Industrials i Disseny. Universitat Jaume I. Castelló, {efbeleng,rsanchis,ipenarro,rvidal,aparicio}@esid.uji.es
Resumen
En este artículo se introduce la problemática del control de frecuencia en sistemas eléctricos con elevada penetración eólica y se propone una estrategia de control de los aerogeneradores que permite que éstos puedan contribuir de forma significativa a la mejora del control de frecuencia de la red.
Palabras Clave: Generación eólica, control de frecuencia, control de potencia activa.
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INTRODUCCIÓN
La instalación de generadores eólicos en el mundo y particularmente en España ha sufrido un incremento espectacular en los últimos años. Puede citarse, por ejemplo, que la potencia eólica instalada en España en la actualidad alcanza los 20.000 MW, cifra que comparada con la potencia instalada en régimen ordinario supone aproximadamente un 30 %. Por otro lado, la producción de energía eólica supuso en el año 2010 un 17 % del total de energía eléctrica generada en nuestro país quedando únicamente por detrás de los ciclos combinados y de la energía nuclear. Es además importante destacar que en la agenda actual del gobierno se está planteando para el año 2020 una potencia instalada de 35.000 MW para la eólica terrestre y de 5.000 MW para la eólica marina.
El continuo incremento de la penetración de energía eólica en el sistema eléctrico español (en algunos momentos del año 2009 se llegó a superar el 50 % de la energía total producida) hace necesario que los generadores eólicos incorporen las funciones de control propias de los grandes generadores síncronos y, al menos, parte de los servicios complementarios que se les exige a éstos. En caso contrario se hace necesario desconectar parques eólicos cuando el porcentaje de penetración es excesivo con el objeto
de evitar situaciones de debilidad del conjunto del sistema eléctrico. A título de ejemplo se muestra en la Figura 1 la curva de generación eólica del día 24 de febrero de 2010 y el porcentaje respecto al total de potencia generada. Se observa cómo en dos momentos distintos se produjo una orden de desconexión por parte del operador del sistema de parte del parque eólico español justo en el momento de superarse el 40 % de penetración de la generación eólica.
Es evidente que en las condiciones actuales de funcionamiento de los generadores eólicos, una elevada penetración eólica implica un debilitamiento de la capacidad del sistema para reaccionar ante cambios bruscos de la demanda u otras contingencias considerando, además, que uno de los controles fundamentales del sistema eléctrico, probablemente el de mayor importancia, es el de mantener la frecuencia constante. Debe recordarse que los grandes generadores síncronos son los directos responsables del control de la frecuencia a través de los mecanismos de regulación primaria, regulación secundaria y reserva giratoria. Adicionalmente, la elevada inercia de estos generadores síncronos ayuda a mejorar el amortiguamiento de las variaciones de la frecuencia. En [28] se propone un controlador robusto para generadores convencionales con el objetivo de mejorar la regulación de frecuencia en sistemas eléctricos con elevada penetración eólica. Si se continúa incrementado la potencia eólica instalada en nuestro país será totalmente necesario incorporar la función de regulación primaria en los generadores eólicos, función que, por otra parte, están obligados a tener todos los generadores del régimen ordinario, y que, además, ya están imponiendo los operadores de otros países europeos con una elevada penetración eólica. Por otra parte, será también interesante estudiar la posibilidad de modificar el funcionamiento de los generadores eólicos en determinados momentos críticos para, por ejemplo, aumentar su inercia mediante un incremento de su velocidad a pesar de que ello suponga trabajar en un punto de funcionamiento no óptimo.
Figura 1: Producción de energía eólica el día 24 de febrero de 2010
2
ANÁLISIS DE ESTRATEGIAS DE
CONTROL
La mayor parte de la potencia eólica en nuestro país se ha instalado en forma de aerogeneradores con generador asíncrono doblemente alimentado (GADA). El rotor de este tipo de máquina se alimenta a través de convertidores electrónicos, que varían las corrientes inyectadas para permitir el funcionamiento a velocidad variable pese a estar conectada a una red de frecuencia constante. Es precisamente este funcionamiento independiente (par electromagnético desacoplado) de la frecuencia el que hace que estos generadores no ofrezcan ningún tipo de respuesta ante variaciones de frecuencia [1,2] y que por tanto, sea el resto de generación convencional la que tenga que variar su potencia generada para restablecer el equilibrio generación-demanda.
Durante el funcionamiento normal, la energía activa generada por un aerogenerador de velocidad variable tiene dos controles diferenciados, para carga parcial y para plena carga. El funcionamiento a carga parcial comienza a la mínima velocidad de viento a la que puede funcionar el aerogenerador (velocidad de
arranque) de modo que, a medida que va aumentando la velocidad del viento, se va adaptando la velocidad de rotación para conseguir girar a la velocidad específica óptima, que es la que maximiza el coeficiente de potencia, consiguiéndose así la máxima extracción de energía posible. Este control de velocidad se logra mediante la regulación del par electromagnético. Una vez se llega a plena carga es necesario limitar la potencia capturada por el rotor eólico de modo que la potencia activa no supere el valor nominal del generador. Esta limitación de la potencia se logra mediante la variación de paso de pala (pitch).
En la bibliografía se pueden encontrar propuestas de modificación de estos sistemas básicos de regulación y limitación de la potencia activa para que los aerogeneradores ofrezcan una respuesta a las variaciones de frecuencia.
Por un lado, en el sistema de regulación del par electromagnético se puede añadir un control adicional para variar la referencia ante cambios de frecuencia. La variación puede ser:
i. proporcional al error de frecuencia, es decir, igual a la regulación primaria y en el que normalmente
se selecciona una ganancia de valor similar al estatismo de los generadores convencionales [3]. ii. proporcional a la derivada temporal de la
frecuencia, es decir, tratando de emular la respuesta inercial de los generadores convencionales y en el que normalmente se emplea una ganancia de valor igual a dos veces la constante de inercia del aerogenerador [4,5,6,7,8]. iii. suma de los dos anteriores [9,10].
Con cualquiera de estos dos controles se logra generar una potencia adicional aunque sólo sea durante un tiempo limitado ya que la energía necesaria proviene de la energía cinética almacenada en el rotor eólico, el cual se podrá decelerar como máximo hasta que se llegue a su velocidad mínima. Hasta el momento, sólo Hydro-Québec exige a los parques eólicos (de más de 10 MW) conectados a su red que aporten una potencia adicional ante una reducción del valor de la frecuencia. Sólo deben responder a variaciones de frecuencia grandes (más de 0,5 Hz) y de corta duración (menos de 10 s). El apoyo deberá ser igual que el que ofrecería un generador convencional con una constante de inercia H igual a 3,5 s. En la propia normativa se establece que la obligación se cumple si, ante una variación de frecuencia de las características indicadas anteriormente, el sistema de control varía la potencia activa rápida y dinámicamente un 5% durante 10 segundos. Se ha comprobado que esta exigencia se puede cumplir sin problemas por GADA [11]. También se ha propuesto en la bibliografía que, trabajando a carga parcial, la velocidad de rotación tome un valor de referencia superior al óptimo con el objetivo de aumentar la cantidad de energía cinética almacenada [12,13]. Esto se logra a costa de generar menos potencia de la posible, de manera que se pasaría a trabajar con una potencia de reserva. Se ha propuesto incluso que a vientos muy bajos el aerogenerador gire a la máxima velocidad posible aunque ello implique no generar, de modo que funcione como volante de inercia [14].
Por otro lado, el sistema de limitación de potencia mediante variación del paso de pala se puede emplear para variar la potencia capturada por el rotor de modo que se pueda reducir la potencia activa generada hasta un valor de consigna fijado por el operador del sistema eléctrico cuando las circunstancias así lo requieran, tal y como ya ocurre en Dinamarca [15], España [16] o Alemania [17]. También se puede emplear para que de un modo automático se reduzca la potencia activa generada en el caso de que la frecuencia de la red sea mayor que un determinado valor, tal y como ya ocurre en Dinamarca [15], Alemania [17], Gran Bretaña [18] o Irlanda [19]. El
caso contrario, aumentar la potencia cuando la frecuencia es menor que un determinado valor, también es técnicamente posible ya que durante el funcionamiento normal se puede aumentar el paso de pala para limitar la potencia generada y así dejar una cierta reserva, que sería empleada durante las bajadas de frecuencia disminuyendo el paso de pala. Actualmente esto no es obligatorio en ningún país ya que implica un “vertido” de energía durante el funcionamiento normal. Pese a esto, en la bibliografía se pueden encontrar propuestas de control en ambos sentidos utilizando un regulador primario con estatismo para el control del ángulo de paso de pala [1,14,10].
Sin embargo, todas estas estrategias se han desarrollado basándose en modelos estáticos que relacionan la potencia eléctrica generada en régimen permanente con la velocidad de rotación, la velocidad del viento y el paso de pala. De esta forma, las estrategias que se han planteado se han evaluado a posteriori de forma heurística mediante simulaciones. Al no haber tenido en cuenta el comportamiento dinámico cuando hay un cambio de velocidad de rotación o de potencia generada para resolver el problema, no se ha considerado hasta el momento la posibilidad de predecir a priori la capacidad de regulación de frecuencia.
Teniendo en cuenta estos antecedentes, para mejorar el control de frecuencia se puede:
- Conocer el punto de funcionamiento de cada molino individual atendiendo a sus particularidades de viento y variabilidad relacionada con los componentes mecánicos. - Desarrollar algoritmos de control de potencia
basados en modelos dinámicos no lineales, y no únicamente en modelos basados en el funcionamiento en régimen permanente. Dotar a estos algoritmos de la capacidad de predicción de aporte de energía para la corrección de frecuencia (cuando sea necesario) en cada instante de tiempo.
- Desarrollar algoritmos de control de frecuencia teniendo en cuenta las posibilidades de control de potencia instantánea utilizando modelos dinámicos. Dotar a estos algoritmos de más grados de libertad de los que se proponen para los controladores de frecuencia basados en modelos estáticos encontrados en la bibliografía.
- Desarrollar algoritmos de reparto de energía dentro de un parque eólico basados en la casuística de cada generador en cada intervalo de tiempo.
Algunas de estas ideas se han desarrollado de forma preliminar en algunos trabajos realizados en el campo de la ingeniería de control, como se puede revisar en un número especial publicado por la revista International Journal of Robust and Nonlinear Control (Volume 19, Issue 1, 2009). En ese número se muestra la aplicabilidad de las herramientas matemáticas utilizadas en Ingeniería de Control a la identificación y control de los aerogeneradores de velocidad variable. Sin embargo, ninguno de los resultados presentados es aplicable al control de frecuencia ni al control de parques eólicos, aunque, eso sí, las herramientas empleadas mejoran los controladores convencionales PID que se pueden encontrar en la bibliografía dedicada a la Ingeniería Eléctrica y dan una pista del gran avance que se puede realizar en el control de frecuencia si se aplican técnicas de control más avanzadas. Los resultados que se presentan en el citado número de la revista son:
- [20] La identificación de la dinámica variante en el tiempo, donde se ha tenido en cuenta la no linealidad del sistema, el fuerte efecto del viento cuya velocidad es variable y que la identificación se hace con un controlador lineal estático ya diseñado previamente. Sin embargo no se dice nada acerca de cómo diseñar el controlador y su relación con la estructura elegida para la identificación ni el control se supone capaz de aportar mejoras a la estabilidad de la frecuencia de red.
- [21] El control en modo deslizante del convertidor de frecuencia que alimenta el rotor de un aerogenerador con generador de inducción doblemente alimentado. Se demuestra cierta mejora en el control del convertidor al utilizar un controlador más sofisticado que el controlador PID que se suele utilizar normalmente. Sin embargo, el controlador está diseñado para alcanzar el punto óptimo de funcionamiento dada una curva de eficiencia aerodinámica (estática), lo cual implica que no se puede utilizar la estrategia para el control instantáneo de potencia y, por lo tanto, de frecuencia de red. Además, en la realidad, estas curvas son difíciles de conocer a priori para un aerogenerador.
- [22] Un sistema de control de paso de pala para limitar la velocidad de giro del aerogenerador con grandes velocidades del viento utilizando técnicas de control por conmutación y control robusto cuantitativo, incluyendo un análisis de estabilidad y robustez. Sin embargo, el controlador utilizado sólo es aplicable para mantener la velocidad en un valor determinado cuando hay una velocidad del viento elevada, y no varía con los cambios de
frecuencia de red ni es aplicable con velocidades de viento bajas (más usuales).
- [23] Un control adaptativo con modelo de referencia para controlar el paso de pala a altas velocidades. Al igual que el anterior, también muestra un estudio de estabilidad, y no es aplicable a velocidades bajas ni para el control de la frecuencia de red.
- [24] Un control de paso de pala con prealimentación de la perturbación observada (el viento) con el objetivo de minimizar la carga mecánica sobre los elementos sometidos a fatiga. Se utiliza un filtro de Kalman con estado extendido y un regulador cuadrático. El controlador no es aplicable al control de la potencia eléctrica.
- [25] Un controlador linear de parámetros variantes aplicable a carga parcial y a plena carga basado en la linealización a lo largo de una trayectoria definida por puntos de equilibrio cuyo diseño está basado en técnicas de desigualdades lineales matriciales (LMI). Aunque tiene en cuenta los diferentes modos de operación, el modelo no tiene en cuenta la transición entre diferentes puntos de equilibrio, ni las variaciones de frecuencia de red, y por lo tanto no es aplicable al control de la frecuencia puesto que no puede predecir los incrementos de potencia instantáneos necesarios para implementar un control de frecuencia de red.
En cuanto a la posible utilización de la energía eólica producida por un parque eólico para el control de la frecuencia de red y el reparto de potencias en cada aerogenerador dentro de un parque, se pueden encontrar varios estudios que, aún poniendo de manifiesto la mejora que se puede producir repartiendo las potencias de forma óptima dentro de un parque, no llegan a resultados satisfactorios. Uno de los motivos principales es que ese reparto no se hace a partir de la posibilidad de contribución a la regulación de frecuencia de cada aerogenerador debido a su comportamiento instantáneo, sino debido a otros criterios independientes de los algoritmos de control de frecuencia a implementar.
- En [26] se analiza un sistema de reparto de potencias dentro de un parque para que éste consiga generar una potencia total de consigna. El reparto de potencias entre máquinas se hace simplemente mediante un criterio de valor medio, asignándole un valor de potencia de referencia a cada máquina proporcional a la potencia disponible en cada instante de tiempo. Sin embargo, no tiene en cuenta ninguna estrategia de distribución de potencias que maximice la
capacidad de respuesta ante cambios de frecuencia de red, ya que no utiliza ningún modelo de predicción de la capacidad de aporte extra de potencia.
- En [27] se plantea el reparto de potencias dentro de un parque como un problema de optimización en el que la función de coste a minimizar es función de las pérdidas que se generan en las líneas que van desde los aerogeneradores hasta el transformador de conexión a red. Sin embargo, supone el funcionamiento de todas las máquinas en régimen permanente y funcionando con el máximo coeficiente aerodinámico, con lo que en la optimización no se introduce ningún factor que relacione las potencias a generar en cada máquina con la capacidad de contribuir a la regulación de frecuencia como consecuencia de un transitorio.
3
MODELO
DEL
SISTEMA
Y
PROPUESTA DE ESTRUCTURA
DEL SISTEMA DE CONTROL
En la Figura 2 se muestra el modelo del sistema eléctrico desarrollado específicamente para el control de frecuencia en el que se incluyen los diferentes elementos involucrados y los sistemas de control que se proponen (las variables con asterisco hacen referencia a la consigna de la variable correspondiente).
Como se aprecia en la Figura 2, el modelo contempla diferentes tecnologías de generación (hidráulica y térmica) incluyendo su sistema de regulación primaria, con el objeto de contemplar el distinto comportamiento que tienen las turbinas hidráulicas de las turbinas de vapor ante cambios en la potencia de salida. El modelo permite analizar las variaciones de la frecuencia ante cambios en la potencia demandada o potencia generada y estudiar el efecto sobre la frecuencia de las diferentes técnicas de control implementadas en los generadores eólicos. Asimismo, permite variar el peso de cada tecnología de generación, incluida la eólica, para modelar diferentes estados del sistema eléctrico con diferentes valores de penetración de la energía eólica.
En el modelo mostrado en la figura, PGC hace
referencia a la potencia total generada mediante los sistemas convencionales, PL hace referencia a la
potencia total de la carga conectada al sistema eléctrico, y Peol hace referencia a la potencia eléctrica
generada mediante energía eólica. P hace referencia
al desequilibrio existente entre la potencia eléctrica total generada y la potencia consumida por las cargas conectadas, mientras que el bloque nombrado como sistema eléctrico hace referencia al comportamiento
del sistema con el que varía la frecuencia () como consecuencia del desequilibrio de potencias.
En cuanto al sistema de generación eólica, éste se ha detallado incluyendo el sistema de control que se propone, que incorpora un control de frecuencia. Se pueden diferenciar en este sistema de control los siguientes bloques: C1, que hace referencia al control de frecuencia para la energía eólica que se propone; C2, que hace referencia a la estrategia de reparto de potencias dentro de un parque eólico, siendo Pi la
potencia que debe generar cada molino en particular; y C3, que hace referencia al sistema de control de potencia, que debe diseñarse de forma que sea capaz de satisfacer las necesidades de potencia demandadas por el sistema de control de frecuencia de red. De lo comentado en la sección anterior, y teniendo en cuenta la estructura de control propuesta, se deduce que el problema del control de frecuencia en sistemas eléctricos con elevada penetración eólica se puede afrontar planteando un problema de optimización en el que se incluyan las predicciones de incremento de potencia utilizando modelos dinámicos, y en que se contemple no solo la potencia generada, sino también la capacidad del sistema eólico para contribuir al control de frecuencia. Para resolver dicho problema de optimización se pueden utilizar diversas herramientas relacionadas con las desigualdades lineales matriciales, con el control no lineal polinómico y con la resolución de problemas de suma de cuadrados relacionados con la optimización basada en modelos no lineales polinómicos. En el artículo "Control de potencia en generadores eólicos con generador asíncrono doblemente alimentado basado en control polinómico", presentado a estas mismas Jornadas se describe con detalle el problema de optimización asociado a la estructura de control propuesta, que permite diseñar el sistema de control.
4
CONCLUSIONES
En este trabajo se ha descrito la problemática del control de frecuencia en sistemas eléctricos en los que la generación eólica representa un porcentaje importante de la potencia total.
Para solucionar el problema se propone una estructura de control para los aerogeneradores que permite que éstos contribuyan al control de frecuencia de manera similar a como lo hacen los generadores convencionales, aunque de forma limitada en el tiempo.
Dicha estructura de control, junto con la utilización de modelos dinámicos del proceso, lineales o no lineales, de tipo polinómico, permiten formular el problema de diseño del sistema de control como un problema de optimización con restricciones en el que se tienen en cuenta tanto la potencia generada como la capacidad del sistema para contribuir al control de frecuencia de la red.
Sistema eléctrico + + Control de frecuencia Reparto de
a cadaAG Control dinámico
-
+ Sistema eléctrico C1 C2 C3∑
* n P 1 * P * i P * i * , em i T * eol P eol P i P GC P L P eol P P r i, Predicción Identificación * i P j + + + + * Term P + * Hidr P Term P + Hidr P + I1 –Figura 2: Sistema de control de frecuencia propuesto
Agradecimientos
Este trabajo ha sido financiado por la Fundació Caixa Castelló-Bancaixa y la Universitat Jaume I a través del proyecto “Desarrollo y evaluación de estrategias de control de la potencia activa en generadores eólicos para la mejora del control de la frecuencia en sistemas eléctricos con elevada penetración eólica” (referencia P1-1B2010-54).
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