Diferencias entre controles grid-following y controles grid-forming

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Fig.1.4. Ejemplo de diagrama de control de un control predictivo implementado en el GADA.

Fuente: [19].

Con esta técnica se logra una frecuencia de conmutación mucho más uniforme y reducida, disminuyendo las pérdidas en los semiconductores, así como evitando la posibilidad de excitar alguna resonancia interna de la máquina. En la literatura existen diferentes interpretaciones sobre estas funciones de optimización, aunque todas persiguen el mismo objetivo. De esta forma, los controles predictivos mantienen las mismas ventajas que los controles directos, aunque añaden una mayor complejidad a su implementación. Algunos ejemplos de implementación de este tipo de control en el marco del GADA se encuentran en [29]–[31].

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estos generadores presentan problemas cuando se encuentran operando en redes débiles, con una baja penetración de generadores con capacidad grid-forming, ya sea generación síncrona o generación basada en electrónica de potencia, debido a la inestabilidad que presentan los fasores de tensión en los nudos de la red, tanto en módulo como en fase [34]. Típicamente, estas estrategias emplean un control vectorial con lazos internos de corriente, donde la magnitud de las componentes dq de la corriente determina el módulo y la fase de la tensión interna respecto al fasor de tensión escogido como referencia. De esta forma, la representación eléctrica de estos generadores suele ser como una fuente de corriente y necesitan una tensión estable en sus terminales para poder funcionar, ver Fig.1.5.

Si bien los servicios de soporte de red que proporcionan estos generadores son limitados debido a su dependencia con la red, existen técnicas que les permiten realizar cierto apoyo como regulación potencia/frecuencia (grid-supporting) o amortiguamiento de oscilaciones de potencia, que buscan imitar la respuesta de un GS ante ciertas perturbaciones en la red [35], [36]. Además, algunos trabajos han estudiado la capacidad natural de los generadores grid-following para entregar apoyo a la red en ciertas condiciones [37], [38].

Por otra parte, en una estrategia de control grid-forming, el propio control proporciona tanto la referencia de módulo como la de fase que determinan el fasor de tensión interna del generador. De esta forma, estos generadores no requieren de un sistema eléctrico para operar, siendo la tensión en sus terminales generada de forma autónoma [39]. Esto posibilita que puedan realizar servicios de arranque en negro o arranque autónomo (black start) y operar eficientemente en sistemas débiles o aislados, entre otras funcionalidades [33], [40], [41]. Debido a su capacidad para imponer módulo y ángulo de tensión en sus terminales, estos generadores suelen representarse como fuentes de tensión debido a su comportamiento, ver Fig.1.5.

Normalmente, estos controles se diferencian de controles grid-following en dos características fundamentales: la primera es que no emplean un control vectorial de corriente en un sistema de referencia giratorio fijado por un PLL; y la segunda es que emplean un lazo de control adicional, normalmente conocido como lazo de sincronización, que determina el marco de referencia, normalmente emulando la ecuación de oscilación de un generador síncrono. La salida de este lazo es el ángulo de referencia

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para el control. Existen diversas tipologías de lazo de sincronización, aunque la mayoría emplean la potencia activa (o par) como variable de control, dada la dependencia de esta variable con el ángulo que forman las tensiones de los nudos entre los que se transmite potencia activa. En [42] se recoge una muestra de las variantes existentes de lazo de sincronización. De entre estas opciones, las más extendidas en la literatura son las que se comentan en los apartados posteriores.

Fig.1.5. Esquema eléctrico y de control de acuerdo con el comportamiento del generador en la red con a) un control grid-following y b) un control grid-forming.

Fuente: [33]

En la literatura, también se reconocen diferentes subtipos dentro de estas dos grandes familias, como los generadores grid-leading, que son generadores grid-forming que proveen una referencia fija de tensión y frecuencia; y los grid-supporting, generadores grid-following capaces de controlar tensión y de responder de forma artificial a las perturbaciones de frecuencia del sistema. En ocasiones, estas variantes también son reconocidas como familias independientes [39]. En [43]–[45] se recogen distintos análisis comparativos sobre las diferencias principales entre controles grid-following y grid- forming, desde los puntos de vista de la estabilidad del sistema con distintas condiciones, el comportamiento de ambos en la red y la adecuación de cada uno según las necesidades del sistema.

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En lo que respecta a la energía eólica, en los últimos años se han publicado muchos trabajos relacionados con la implementación de controles grid-forming y de sus aplicaciones en el contexto de la tecnología full-converter [46]–[50]. En relación con el GADA, también se han publicado propuestas de esta estrategia de control durante los últimos años [51]–[53]. No obstante, algunos de estos trabajos no son considerados puramente como grid-forming, dado que no se orientan a la f.e.m. de la máquina, que en el capítulo tres se demostrará estar relacionada con el flujo del rótor. Además, algunos de ellos se orientan a la tensión de la red, lo cual impide que puedan operar en sistemas aislados.

Con el objetivo de mejorar la eficacia de estos controles y para realizar un mayor soporte a la red, se han desarrollado ciertas técnicas que aprovechan las capacidades de los controles grid-forming. Una de ellas es la técnica conocida como impedancia virtual, orientada a hacer posible el soporte de huecos de tensión para un generador grid-forming.

Esta perturbación es problemática para un generador grid-forming por las sobrecorrientes que estos tienden a inyectar en la red como consecuencia de su naturaleza de fuente de tensión [54]. Esta técnica consiste en sintetizar una impedancia de la máquina de forma artificial con el objetivo de limitar las corrientes de la máquina, principalmente durante la operación ante hueco de tensión. Suele aplicarse a través de términos de realimentación en controles grid-following [55]–[57]. A su vez, para operar en modo grid-forming, esta técnica requiere de la orientación a una variable dependiente de esta impedancia virtual, que normalmente es un flujo virtual [58]–[60].