University College Dublin. Dublin (Ireland)
February 24th, 2017
Original summary:
La capacidad de los Sistemas de Almacenamiento de Energía (SAEs) basados en convertidores de potencia de mejorar el comportamiento transitorio de los sistemas eléctricos de potencia y aumentar la competitividad de las fuentes de energía renovable ha llevado, en los últimos años, a una gran inversión en investigación, prototipado e instalación de una gran variedad de SAEs. Entre las tecnologías que actualmente parecen las más prometedoras, cabe destacar los sistemas de almacenamiento basados en baterías, aire comprimido, volantes de inercia, supercondensadores y bobinas superconductoras. Desde el punto de vista de la simulación, el modelado de SAEs es una tarea notablemente compleja debido a la cantidad de diferentes tecnologías que existen actualmente, y las que se espera que sean desarrolladas en el futuro. En este sentido, la tesis propone un modelo generalizado de SAEs que simplifica, sin renunciar a la precisión, la simulación de distintas tecnologías de almacenamiento de energía. Este modelo generalizado se define a través de un conjunto fijo y reducido de parámetros y ecuaciones lineales, y puede ser implementado de inmediato en simuladores de sistemas eléctricos de potencia para análisis de estabilidad de tensión y angular. La estructura lineal de las ecuaciones del modelo generalizado facilita el diseño y la implementación de estrategias de control potencialmente más robustas que el comúnmente utilizado control PID, y que están siendo estudiadas y desarrolladas en la literatura, como el control en modo deslizante o el control H-infinito, entre otros. En este sentido, distintas estrategias de control para SAEs son estudiadas y comparadas desde los puntos de vista de robustez, diseño e implementación práctica. Uno de los objetivos principales de SAEs es la regulación de alguna frecuencia del sistema, la cual puede ser la frecuencia en el bus donde el SAE está conectado, o la frecuencia del centro de inercia del sistema. Esto implica que es necesaria una técnica fiable para estimar dicha frecuencia en simuladores de sistemas eléctricos de potencia. Con este objetivo, la tesis define y compara tres estrategias para estimar la frecuencia en distintos puntos de la red, las cuales se basan en el centro de inercia, el comúnmente utilizado filtro derivativo, y una técnica innovadora llamada fórmula del divisor de frecuencia. La última se basa en la fórmula del divisor de tensión, y calcula las frecuencias en cada bus de la red basándose en la velocidad angular del rotor de las máquinas síncronas. La precisión y la eficiencia computacional de las tres técnicas de estimación son debidamente estudiadas y comparadas por medio de extensos casos de estudio utilizando los modelos de dos sistemas eléctricos reales. Finalmente, es de esperar que, como resultado colateral, los SAEs contribuyan a mejorar la estabilidad transitoria de la red gracias a su rápida velocidad de reacción y a su capacidad para proporcionar simultáneamente regulación de potencia activa y reactiva. En este sentido, la tesis presenta, de forma detallada, un análisis estocástico y estadístico de la contribución de los SAEs a la estabilidad transitoria de redes de transporte. El estudio compara los tiempos críticos de despeje de fallas de un sistema eléctrico de potencia con varias tecnologías de SAE y topologías de la red.
English summary:
The capability of power converter-based Energy Storage Systems (ESSs) to improve the transient behavior of power systems and to increase the competitiveness of non-dispatchable power production technologies such as renewable energies has led, in recent years, to a huge investment in research, prototyping and installation of a large variety of energy storage devices. From the simulation point of view, modeling ESSs is a complex and time-consuming task due to the several different technologies that are currently available and that are expected to be developed in the future. With this aim, the thesis proposes a generalized model of ESSs to simplify, without giving up accuracy, the simulation of different storage technologies. This generalized model is defined through a reduced and fixed set of parameters and linear equations, and can be readily implemented in power system simulators for voltage and angle stability analysis. The linear structure of these equations facilitates the design and implementation of potentially more robust control strategies than the commonly used PID control, and that are being studied and developed in the literature, such as Sliding Mode and H-infinity controllers, among others. With this aim, different control strategies for ESSs are compared in terms of robustness, design and practical implementation. Finally, fast response of ESSs, and their capability to provide both active and reactive power supports are expected, as byproduct, to improve the transient stability of the grid. With that aim, the thesis presents a detailed stochastic and statistical analysis of the impact of ESSs on the transient stability of transmission grids. The study compares the critical clearing times of a power system with a variety of ESS technologies and network topologies. One of the main purposes of ESSs is the regulation of a given system frequency. This can be the frequency of the bus where the ESS is connected, the frequency of the center of inertia of the system, etc. This implies that a reliable technique to estimate that frequency is needed in power system simulators. With this aim, three approaches to estimate the frequency at certain points of the network are defined and compared, namely the center of inertia, the commonly used washout filter, and a novel frequency estimation approach called frequency-divider formula. The latter is based on the voltage-divider formula, and computes the frequencies at every bus of the network based on the synchronous machine rotor speeds. The performance, accuracy and computational efficiency of the three estimation techniques are duly studied and compared based on comprehensive case studies using two real-world systems.
Citation:
A. Ortega (2017), Dynamic modeling, control and stability analysis of VSC-based energy storage systems. University College Dublin. Dublin (Ireland).
