Tesis:
Flexible operation of storageless grid-connected photovoltaic systems for frequency support
- Autor: RIQUELME DOMÍNGUEZ, José Miguel
- Título: Flexible operation of storageless grid-connected photovoltaic systems for frequency support
- Fecha: 2022
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: FACULTAD DE INFORMATICA
- Departamentos: AEROTECNIA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/70602/
- Director/a 1º: MARTÍNEZ GONZALEZ, Sergio
- Resumen: El desplazamiento paulatino de la generación convencional del mix energético para dar paso a las fuentes de energía de origen renovable supone un cambio de paradigma en la operación de los sistemas eléctricos del futuro: por una parte, las tecnologías renovables son, en general, de carácter volátil y difíciles de predecir; y por otra parte, suelen estar conectadas a la red eléctrica a través de convertidores electrónicos de potencia. Este desacoplamiento debido a la presencia de convertidores provoca que los generadores renovables carezcan de la respuesta natural que posee la generación convencional ante los desequilibrios entre demanda y generación que suceden durante la operación normal de los sistemas eléctricos. Los generadores renovables deberán, por lo tanto, además de producir la cantidad de energía necesaria, proporcionar una serie de servicios complementarios para el correcto funcionamiento de los sistemas eléctricos, entre los que se encuentra el control de potencia-frecuencia. Esta tesis doctoral pretende aportar soluciones para que los generadores fotovoltaicos puedan proporcionar el servicio de regulación de frecuencia a los sistemas eléctricos del futuro. A diferencia de otros generadores, como los eólicos, los sistemas fotovoltaicos no disponen de masas rotativas que puedan liberar parte de su energía cinética cuando sea requerida. Por este motivo, existen alternativas basadas en la instalación de sistemas de almacenamiento energético, o bien estrategias de operación en las que el sistema fotovoltaico se opera por debajo de la máxima potencia disponible en cada instante, de forma que el sistema mantiene reservas de potencia activa con las que atenuar los desvíos en el balance generación-demanda. Aunque esta última opción implica vertidos de energía de origen renovable, se trata de una solución que requiere una menor inversión inicial. En la primera fase de la tesis se ha desarrollado un método que permite comparar y analizar de forma sistemática algoritmos tradicionales de seguimiento del punto de máxima potencia a través de sus ecuaciones de estado. La comparación se realiza utilizando los test dinámicos de irradiancia más conocidos, de manera que los resultados abarcan un amplio espectro de condiciones ambientales. Durante el avance de esta primera fase se ha profundizado en el funcionamiento tradicional de los sistemas fotovoltaicos, lo que ha permitido identificar los esquemas de control disponibles para que los generadores fotovoltaicos participen en el control de la frecuencia. A continuación, se presenta una estrategia de operación con la que los sistemas fotovoltaicos pueden operar indistintamente en la parte izquierda o derecha de la curva de potencia-tensión, manteniendo reservas de potencia activa. La operación en cada lado de la curva tiene una serie de ventajas e inconvenientes relativos a la estabilidad, rango de funcionamiento y solución de la estimación del punto de máxima potencia mientras se opera por debajo del mismo. Esto último es fundamental para conocer la cantidad de reserva de potencia activa disponible en tiempo real, y se ha resuelto mediante el ajuste por mínimos cuadrados de una ventana de medidas al modelo matemático de la curva potencia-tensión. Posteriormente, los trabajos relativos a la tesis doctoral se han centrado en el problema de control de rampas de potencia en generación fotovoltaica. En primer lugar, se ha planteado un método para el cálculo de las rampas que desacopla el efecto del algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia de la variabilidad de la irradiancia. Seguidamente, se propone un nuevo método para el control de rampas fotovoltaicas basado en el control directo de potencia, lo que supone que el sistema fotovoltaico reaccione inherentemente a los cambios en las condiciones ambientales. Además, por el hecho de operar en un punto de operación no óptimo, el sistema dispone de reservas de potencia activa para limitar no sólo las subidas del nivel de irradiancia, si no también las rampas de bajada debidas al paso de nubes. En la última fase de la tesis doctoral, se ha realizado el montaje experimental de un banco de pruebas basado en la metodología Hardware in-the-loop, para verificar el funcionamiento de estrategias de operación de sistemas fotovoltaicos mediante simulaciones de tiempo real. ----------ABSTRACT---------- The gradual displacement of conventional generation from the energy mix to give way to renewable energy sources represents a paradigm shift in the operation of future power systems: on the one hand, renewable technologies are, in general, volatile and difficult to predict; and on the other hand, they are usually connected to the grid through electronic power converters. This decoupling due to the presence of converters means that renewable generators lack the natural response that conventional generation has to the imbalances between demand and generation that occur during the normal operation of power systems. Renewable generators must, therefore, in addition to producing the necessary amount of energy, provide a series of complementary services for the correct operation of power systems, including frequency control. This PhD thesis aims to provide solutions so that photovoltaic generators can provide the frequency regulation service to the future power systems. Unlike other generators, such as wind generators, photovoltaic systems do not have rotating masses that can release part of their kinetic energy when required. For this reason, there are alternatives based on the installation of energy storage systems, or operating strategies in which the photovoltaic system is operated below the maximum power available at any given moment, so that the system maintains active power reserves with which to mitigate deviations in the generation-demand balance. Although this last option involves the dumping of energy from renewable sources, it is a solution that requires less initial investment. In the first phase of the thesis, a method has been developed to systematically compare and analyse traditional maximum power point tracking algorithms through their state-space equations. The comparison is carried out using the best known dynamic irradiance tests, so that the results cover a wide range of environmental conditions. During the progress of this first phase, the traditional operation of photovoltaic systems has been studied in depth, making it possible to identify the control schemes available for photovoltaic generators to participate in frequency control. In the following, an operating strategy is presented whereby photovoltaic systems can operate either on the left or right side of the power-voltage curve while maintaining active power reserves. Operating on either side of the curve has a number of advantages and disadvantages relating to stability, operating range and solving the maximum power point estimation while operating below it. The latter is essential to know the amount of active power reserve available in real time, and has been solved by least-squares curve-fitting of a measurement window to the mathematical model of the power-voltage curve. Subsequently, the work related to the PhD thesis has focused on the problem of power ramp-rate control in photovoltaic generation. Firstly, a method has been proposed for the calculation of power ramps that decouples the effect of the maximum power point tracking algorithm from the irradiance variability. Next, a new method for photovoltaic power ramp-rate control based on direct power control is proposed, which implies that the photovoltaic system inherently reacts to changes in environmental conditions. Furthermore, by operating at a sub-optimal operating point, the system has active power reserves to limit not only irradiance rises, but also ramp-downs due to the passage of clouds. In the last phase of the PhD thesis, the experimental set-up of a test bench based on the Hardware in-the-loop methodology has been carried out to verify the operation of photovoltaic system operation strategies by means of real-time simulations.