Regulación de frecuencia y voltaje en redes eléctricas usando control óptimo y reubicación de polos

Abstract

This thesis presents the design of a control system for voltage and frequency regulation in electric power systems. The research is characterized by two main features. First, the controllers are based on the system model, which translates into high performance of the controlled system compared with traditionally used control schemes. Second, it is recognized that the power system is subjected to high variability in load and in power injection from intermittent renewable sources, which undermines system stability and performance, thereby requiring control strategies capable of keeping the variables regulated in the presence of such variability something that is not commonly achieved with traditional controllers based solely on system output, such as lead–lag compensators or proportional–integral controllers. The control techniques designed in this thesis, based on the mathematical model of the system, are pole placement and optimal control, the latter using participation factors obtained from a modal analysis for its tuning, which allows the controller to systematically prioritize the variables that significantly affect the system dynamics. Additionally, the incorporation of an output-based robust control strategy, namely a sliding-mode controller known as Super-Twisting, is proposed, which is effective for the control of uncertain and disturbed systems. The controllers and the electric power system are implemented at the simulation level, and the resulting performance is analyzed both qualitatively and quantitatively and compared with that of traditional controllers, clearly highlighting the advantages of the proposed methodology.

Esta tesis presenta el diseño de un sistema de control para la regulación del voltaje y la frecuencia en sistemas eléctricos de potencia. Las principales características de la investigación son dos: primero, los controladores se basan en el modelo del sistema, lo que se traduce en un alto desempeño del sistema controlado frente a los esquemas de control tradicionalmente utilizados; en segundo término, la consideración de que el sistema eléctrico es expuesto a una alta variabilidad de la carga e inyección de energía a partir de fuentes renovables intermitentes, lo que vulnera la estabilidad y desempeño del sistema, requiriéndose de estrategias de control que sean capaces de mantener reguladas las variables en presencia de tal variabilidad, y que comúnmente no se logra con controladores tradicionales basados únicamente en la salida del sistema, tal como compensadores atraso-adelanto, o controladores tipo proporcional integral. Las técnicas de control que se diseñan en esta tesis, basadas en el modelo matemático del sistema, son reubicación de polos y control óptimo, donde este último utiliza los factores de participación, provenientes de un análisis modal, para su sintonización, lo que permite priorizar sistemáticamente en el controlador las variables que afectan significativamente la dinámica del sistema. Adicionalmente, se plantea la incorporación de un control robusto por la salida basado en modos deslizantes, llamado Super-Twisting, que es efectivo para el control de sistemas inciertos y perturbados. La implementación de los controladores y del sistema eléctrico de potencia se realiza a nivel simulación, cuyos resultados, en términos de desempeño, se analizaron de forma cualitativa y cuantitativa, y se compararon respecto a los controladores tradicionales, mostrándose claramente las ventajas de la metodología propuesta.