Modeling, simulation and validation of generic wind turbine models based on international guidelines

Resumen

En la actualidad, la energía eólica es una de las fuentes de energía renovable más fiables y rentables. Durante las últimas décadas, su crecimiento ha sido imparable. A finales de 2018, la potencia eólica total instalada en todo el mundo era de 591,5 GW, según el GWEC. De ellos, 51,3 GW fueron instalados sólo en 2018, siendo 2015 un año récord, en el que se instalaron 63,6 GW de potencia eólica. En retrospectiva, en 2001, sólo existían 23,9 GW de capacidad total en todo el mundo. Este rápido desarrollo, junto con todos los beneficios sociales y ambientales asociados al uso de energías renovables, implica la aparición de nuevos desafíos para los sistemas eléctricos actuales. La correcta integración de la energía eólica en los sistemas eléctricos constituye una tarea muy importante para los operadores de estos sistemas, como son los operadores de transporte y distribución. El diseño de los parques eólicos, que consiste en pequeños generadores que suman una potencia instalada considerable, es muy diferente a las unidades de generación convencionales, que suelen estar equipadas con un único gran generador eléctrico. Junto con esta disposición particular, el importante uso de sistemas de electrónica de potencia también define el comportamiento de los parques eólicos. Estas características involucran determinados comportamientos cuando ocurren eventos en la red, como los huecos de tensión. Para hacer frente a estos eventos y garantizar la seguridad y continuidad del suministro de energía, los operadores de los sistemas eléctricos realizan simulaciones dinámicas de sus sistemas. La presente Tesis Doctoral se centra en el estudio de la estabilidad transitoria de los sistemas eléctricos, para lo cual se necesitan modelos dinámicos de aerogeneradores y parques eólicos. Tradicionalmente, estos modelos han sido desarrollados por los fabricantes de aerogeneradores. Esto implica una serie de inconvenientes. Por un lado, están diseñados para cubrir las necesidades específicas del fabricante, que no tienen por qué ser las mismas que las de los operadores del sistema eléctrico. Además, cada fabricante define un modelo específico para cada uno de sus modelos fabricados (es decir, existen un gran número de modelos). Por otro lado, los modelos de fabricantes suelen ser considerablemente complejos, y están definidos por un gran número de parámetros. Además, se desarrollan en el software de simulación que mejor se adapta a sus necesidades. Por último, pero no por ello menos importante, todos estos modelos, parámetros y software suelen ser confidenciales, siendo los fabricantes extremadamente celosos con su uso externo. Para resolver estos problemas y cubrir las necesidades de los operadores del sistema eléctrico, entidades internacionales, como la IEC y el WECC, han desarrollado modelos genéricos, también conocidos como simplificados o estándar, de aerogeneradores y parques eólicos. Estos modelos han sido desarrollados para realizar análisis de grandes perturbaciones de tensión a corto plazo (huecos de tensión) en sistemas eléctricos. A diferencia de los modelos de los fabricantes, los modelos genéricos están diseñados para ser públicos, relativamente sencillos (es decir, deben utilizar pocos recursos computacionales y estar definidos por un número limitado de parámetros) y ser fácilmente implementados en cualquier software de simulación. El primer documento internacional que trataba acerca de este tema fue el ``WECC Wind Power Plant Dynamic Modeling Guide'' (2010), donde se definieron por primera vez estos modelos genéricos. Posteriormente, en 2014 se publicó el documento ``Second Generation of Generic Wind Turbine Models'', mejorando la respuesta de los modelos de la versión anterior. Por último, en 2015, la IEC publicó la IEC 61400-27-1 ``Electrical simulation models - Wind turbines''. Aunque el objetivo principal de las dos entidades es el mismo, la definición de modelos genéricos de aerogeneradores que cubrieran los requisitos anteriores, su enfoque es diferente. Por un lado, el WECC se centró en la simplicidad de los modelos. Esto significa que deben definirse por el menor número posible de bloques y parámetros, con las consecuentes implicaciones en la precisión (especialmente en los períodos transitorios) y en el tiempo de simulación. Por otra parte, la IEC pretende dar una respuesta lo más precisa posible, a pesar de las limitaciones de los modelos genéricos. Con todo lo anterior, la presente Tesis Doctoral pretende cubrir tres objetivos principales. En primer lugar, se aborda el modelado de modelos genéricos de aerogeneradores basados en las dos directrices internacionales (IEC y WECC), con especial interés en las tecnologías DFIG y FC. Esta elección no es arbitraria. Actualmente, la tecnología DFIG, conocida como Tipo 3, es la más extendida en los sistemas eléctricos en todo el mundo. Además, la tecnología FC, conocida como Tipo 4, es cada vez más utilizada debido a sus ventajas, así como a la reducción del precio de la electrónica de potencia, especialmente en parques eólicos marinos. En segundo lugar, se comparan ambas perspectivas (IEC y WECC). Esto implica el análisis de las diferencias de modelado, así como el estudio de sus consecuencias, no sólo en la precisión, sino también en la simplicidad y el tiempo de simulación. Por último, se realiza la validación de los modelos con datos de campo recogidos en aerogeneradores reales, siguiendo las consideraciones de la IEC 61400-27-1, para evaluar la precisión de los modelos genéricos.