Diseño de control para un emulador de inercia y suministro constante de energía basado en convertidores de potencia

Abstract

This work proposes a renewable energy generation system that operates with a behavior similar to that of a conventional synchronous generator in terms of constant power supply and inertial response properties to power unbalances. The proposed approach allows integrating generators based on renewable energies to the electric grid, including the favorable attributes of the synchronous generator, and it also has the characteristic of handling the variability of the generation system by using battery storage. Unlike conventional generation systems, this proposal contributes to reduce environmental pollution because the energy is obtained entirely from renewable energies and at the same time contributes to the stability of the electrical system. The main contributions of this work are: 1) the renewable energy variability managing by means of a battery energy storage strategy, whose charge and discharge are determined by a forecasted-based power adjustment algorithm, which is carried out using the Kalman filter, 2) the dynamical modeling of an inverter that includes physical inertia and its corresponding response to power and grid voltage variations, and 3) the synthesis of a nonlinear optimal control for the inertia-based inverter system where the reactive power injection is regulated. Simulation results are presented using a grid-connected photovoltaic generator, which demonstrates the effectiveness of the proposed methodologies.

En este trabajo se propone un sistema de generación de energía renovable que opera con un comportamiento semejante al de un generador síncrono convencional en términos de suministro constante de potencia y propiedades de respuesta inercial frente a desbalances de potencia. El enfoque propuesto permite integrar a la red eléctrica generadores basados en energías renovables incluyendo los atributos favorables del generador síncrono, además posee la característica de manejar la variabilidad de la potencia fotovoltaica, haciendo uso de almacenamiento en baterías. Esta propuesta contribuye a reducir la contaminación ambiental debido a que la energía se obtiene completamente a partir de energías renovables y a la vez aporta a la estabilidad del sistema eléctrico. Las principales contribuciones de esta tesis son: 1) la gestión de la variabilidad de las energías renovables mediante una estrategia de gestión del almacenamiento de energía basado en baterías, cuya carga y descarga están determinadas por un algoritmo de ajuste de potencia que considera un pronóstico que se realiza mediante el filtro de Kalman, 2) el modelado dinámico de un inversor que incluye propiedades físicas de inercia y su correspondiente respuesta a las variaciones de potencia y el voltaje de la red, y 3) la síntesis de un controlador óptimo no lineal para el sistema inversor, donde se regula la inyección de potencia reactiva a la red eléctrica. Se presentan resultados de simulación utilizando un generador fotovoltaico, los cuales demuestran la eficacia de las metodologías propuestas.