Aerogeneradores con sistemas de almacenamiento de energía - wind power generation with energy storage systems

Résumé

Actualmente, la producción de energía de origen eólico ocupa una fracción relevante en el mix energético de numerosos países. Además, la contribución de esta fuente renovable se espera que siga creciendo notablemente en el futuro. Por este motivo, es necesario prestar atención a los potenciales problemas que pueden aparecer en los sistemas eléctricos como consecuencia de una gran participación de la energía eólica. Debido a su origen natural, el aprovechamiento de la energía eólica implica una producción eléctrica generalmente fluctuante e intermitente. Estas características pueden introducir problemas de estabilidad en la tensión, frecuencia y flujos de potencia en los sistemas eléctricos con una gran penetración de energía eólica. Además, resulta difícil realizar una predicción completamente precisa de este recurso, lo que complica el despacho de esta producción en los mercados diarios, como sí es posible realizar con las centrales de generación tradicionales basadas en combustibles fósiles. A pesar de estos inconvenientes, los avances en la electrónica de potencia y en la tecnología de los sistemas de almacenamiento de energía pueden proporcionar soluciones satisfactorias. Una revisión de la bibliografía especializada permite encontrar una extensa variedad de sistemas de almacenamiento de energía a gran escala. Todos ellos se rigen por principios de funcionamiento diferentes, por lo que resulta lógico que cada uno presente unas características particulares. En consecuencia, no es adecuado proclamar a ninguno de ellos como el mejor sobre el resto, sino que será más acertado establecer que cada uno presenta un mejor funcionamiento para ciertas aplicaciones específicas. En este sentido, existen numerosas funciones que pueden desempeñar los sistemas de almacenamiento en conjunto con fuentes de energía intermitentes como la energía eólica, como por ejemplo la mejora de la calidad de la potencia generada, o la gestión de la producción energética por largos períodos de tiempo. Por lo tanto, es posible afirmar que determinados sistemas de almacenamiento de energía a gran escala permiten mejorar la integración de la producción eólica en los sistemas eléctricos. Una opción complementaria para alcanzar esta mejora es el uso de los conocidos como FACTS (del inglés Flexible Alternate Current Transmission Systems), que permiten regular el flujo de potencia reactiva y llevar a cabo un mejor control de la tensión en los aerogeneradores o parques eólicos. En esta tesis se aborda el estudio de distintas configuraciones de sistemas híbridos que persiguen mejorar la conexión a la red eléctrica de una gran cantidad de energía eólica mediante el uso de sistemas de almacenamiento de energía o FACTS. Diversos esquemas y estrategias de control son objeto de estudio y comparación mediante modelado y simulación en un entorno virtual. Entre los estudios realizados, se ha llevado a cabo una comparación entre dos estrategias de control para un sistema híbrido de batería electroquímica conectada al bus de corriente continua (DC por sus siglas del inglés Direct Current) del generador eléctrico en un aerogenerador, tomando el sistema sin baterías como caso base de referencia. Por otro lado, se han evaluado las ventajas e inconvenientes del emplazamiento del sistema de almacenamiento, modelando su conexión interna y externa al generador eléctrico del aerogenerador. Otra de las alternativas consideradas es el diseño de un sistema híbrido compuesto por dos sistemas de almacenamiento de energía distintos, operando de manera conjunta con un aerogenerador mediante un sistema de control supervisor basado en lógica difusa. También se ha abordado el modelado de electrolizadores como sistemas de almacenamiento en sistemas híbridos con generación eólica, realizando un análisis comparativo de cuatro modelos distintos de electrolizadores. Otra de las configuraciones evaluadas se trata de una línea de distribución de media tensión en DC (se emplea el acrónimo MVDC del inglés Medium Voltage Direct Current) que se encarga de evacuar la generación de potencia de un parque eólico. A este sistema MVDC se ha acoplado un sistema de almacenamiento de energía empleando los convertidores de potencia necesarios, que permite gestionar la potencia activa entregada a la red. Por último, se ha estudiado el comportamiento de un parque de aerogeneradores de velocidad fija conectados a red a través de tres dispositivos FACTS distintos. Todos estos modelos se han simulado ante condiciones normales de funcionamiento del sistema híbrido conectado a red, empleando series de viento variable como entrada a los aerogeneradores. En la mayoría de los casos se han evaluado asimismo situaciones de perturbaciones en la red eléctrica, como huecos de tensión de distintas características. Entre las conclusiones más relevantes se puede indicar que el control de la tensión del bus DC del generador eléctrico a través de la batería ofrece un mejor comportamiento del sistema híbrido, principalmente ante situaciones de falta en la red eléctrica a la que se conecta. Por otro lado, la conexión externa al generador eléctrico del sistema de almacenamiento permite una mayor capacidad de gestión de la potencia activa y reactiva intercambiada con la red, en comparación con la conexión interna, donde esta capacidad es más limitada. No obstante, en la conexión externa se incurre en costes adicionales en convertidores de potencia. Las simulaciones del sistema de control basado en lógica difusa también demuestran una mejor gestión de la energía entre los distintos elementos del sistema híbrido, permitiendo mantener el estado de carga de los sistemas de almacenamiento entre los límites de operación recomendados. En la comparativa de los modelos de electrolizadores se determina que la elección se basará fundamentalmente en el grado de detalle requerido en el estudio, ya que el comportamiento de los cuatro modelos dentro de un sistema híbrido con energía eólica arroja resultados similares. Por otra parte, el uso de almacenamiento de energía en la línea de distribución MVDC posibilita un mayor control de la inyección de potencia activa y reactiva a la red a partir de la producción del parque eólico, independientemente de las condiciones de viento existentes. Finalmente, el estudio comparativo de los FACTS permite observar un control adecuado de la tensión en el punto de conexión a red del parque eólico con menor intercambio de potencia reactiva empleando el dispositivo en serie conocido por sus siglas SSSC (acrónimo del inglés Static Synchronous Series Compensator), mientras que los dispositivos con conexión en paralelo SVC y STATCOM (del inglés Static Var Compensator y Static Synchronous Compensator respectivamente) facilitan un mayor aporte de potencia reactiva a los aerogeneradores de velocidad fija. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Wind power generation fills a relevant fraction of the energy mix in many countries nowadays. Furthermore, the contribution of this renewable source is expected to continue growing notably in the future. Thus, it is necessary to pay due attention to the potential problems that may arise in electric power systems because of a large participation of wind power. Due to its natural origin, exploitation of wind power generally implies a fluctuating and intermittent electricity production. These characteristics can introduce stability problems in voltage, frequency and power flow in electric grids with a high penetration of wind power. Furthermore, it is difficult to achieve a completely accurate prediction of this resource, which hampers dispatching this production in the daily energy markets, as it can be done with traditional fossil fuel-based power plants. Despite these drawbacks, progresses in power electronics and in energy storage technology allow achieving satisfactory solutions. A thorough review of the literature reveals a wide variety of large-scale energy storage systems (ESSs). They are based on different operating principles, thus being reasonable that they all show particular characteristics. Subsequently, it is not adequate to claim a single energy storage device as the best one among all the others, but it is more sensible to state that each of them presents a better performance for certain applications. In this regard, storage devices can accomplish many functions together with intermittent power sources, such as wind power generation. For instance, storage systems can improve the quality of the electricity produced by wind turbines, or they can manage large amounts of energy for long intervals, among others possibilities. Therefore, it is adequate to affirm that certain large-scale energy storage devices allow improving the grid connection of wind power generation. An additional alternative to achieve such improvement are specific devices known as FACTS, which allow regulating reactive power flows, as well as performing a better voltage control when coupled to wind turbines or wind farms. This thesis deals with the study of various configurations for hybrid systems to improve the grid connection of large amounts of wind power generation by using ESSs or FACTS. Several schemes and control strategies are studied and compared through modelling and simulation in a virtual platform. Among the studies performed, a comparative analysis between two control strategies for hybrid systems has been carried out. In both cases, an electrochemical battery is connected to the DC bus of the electric generator of a wind power generator, and the configuration without batteries is used as the base case. On the other hand, the advantages and disadvantages regarding the location of the storage device have been evaluated by modelling an internal and an external connection to the electric generator in the wind power generator. An alternative configuration addressed is the design of a hybrid system composed of two different ESSs, operating in coordination with a wind energy conversion system (WECS) through a fuzzy logic-based supervisory control system (SCS). The modelling of electrolyzers (EZs) as energy storage devices working with wind power generation has also been addressed. In this regard, a comparative study of four different EZ models is carried out. Another configuration evaluated is a MVDC distribution line that evacuates the power generation of a wind farm. An ESS is coupled to this MVDC distribution system using the required power converters, thus allowing managing the active power delivered to the grid. Eventually, the performance of a wind farm equipped with fixed-speed wind turbines connected to grid through three different FACTS has been studied. These models have been simulated under normal operation of the grid-connected hybrid systems, using variable wind speed time series as input parameters for the wind power generators. In most of the cases, operation under grid disturbances has been considered as well, such as voltage sags with different characteristics. Among the most relevant conclusions, it can be stated that controlling the DC bus voltage in the electric generator through the battery achieves a better performance of the hybrid system, mainly during disturbances in the electric grid where it is connected. Moreover, connecting the storage system externally to the electric generator allows a higher controllability of the active and reactive power exchange with the grid. Contrarily, in the internal connection this capacity is more limited. Nonetheless, the external connection implies increased costs due to the necessity of additional power converters. Simulations of the fuzzy logic-based control system also show a better energy management among all the components of the hybrid system. At the same time, the state-of-charge (SOC) of the storage devices is controlled within their recommended operational boundaries. The comparison of the EZ models concludes that selection of the suitable model will be based mainly on the degree of detail required in the target study, since the response of all the four models in a hybrid system with wind power registered similar results. Additionally, using energy storage in the MVDC distribution line allows a higher control capacity of the active and reactive power injection from the wind farm generation, regardless of the existing wind conditions. Finally, the comparative study of FACTS highlights an adequate control of the voltage at the point of common coupling (PCC) to grid of the wind farm with reduced reactive power exchange when the series-connected device named SSSC is used, whereas parallel-connected devices such as SVC and STATCOM provide an increased reactive power supply to the fixed-speed wind power generators.