Control secundario de frecuencia con participación de fuentes no convencionales de energía renovable en un sistema eléctrico de potencia

Abstract

Industry decarbonization, economic incentives, and undergoing regulatory changes in the electricity sector promote the incorporation of Non-Conventional Sources of Renewable Energy (FNCER) to Electric Power Systems (SEP). The massive integration of these new element represents a challenge in terms of system operation and control. A literature review revealed the need for a controller capable of dealing with different types of uncertainty in order to guarantee a satisfactory or optimal performance in an environment of variable conditions, typical of the new SEP.

The present work aims to propose an advanced secondary frequency control incorporating conventional generators and FNCER in an SEP. Through a literature review, the state of the art was studied and it was found that model predictive control (MPC) has a better performance compared to conventional frequency controls in systems with FNCER as it incorporates generation forecasts and is able to predict the dynamic behavior of the system along a finite time horizon. This controller could be integrated as an additional module of conventional Proportional Integral (PI) control currently used in the Colombian SEP without implying any modification for the latter.

The mathematical model of the conventional secondary frequency control currently used in the Colombian electrical power system has been obtained from the manufacturer's documentation and validated through dynamic simulations carried out in PowerFactory DigSilent. The results were compared with historical records of frequency events from Phasor Measurement Units (PMUs) corresponding to the simulated events and operation scenarios. Control blocks, logics, and filters that are not part of the manufacturer's public documentation were identified, this represents an additional contribution of this work.

Through dynamic simulations, the performance in frequency regulation of the conventional control and the proposed control was evaluated under different operating conditions in a modified IEEE 39-bar test system. Using quantitative indicators, it is evidenced that the proposed control has a better performance in frequency regulation using less energy than the conventional PI control in an environment of varying conditions, typical of an SEP that incorporates FNCER.

The proposed control could allow the integration of the MPC control as an additional module running on a server that sends a signal to the PI control currently implemented in the Colombian SEP. By not modifying the secondary frequency control used in the actual operation of the system, it would ease its implementation and allow efficient management of generation resources that provide secondary frequency regulation service. Additionally, frequency regulation by requiring less energy would generate a reduction in operating costs for the Colombian SEP.

La descarbonización de la industria, los incentivos económicos y los cambios regulatorios que se están presentando en el sector eléctrico facilitan la incorporación de Fuentes No Convencionales de Energía Renovable (FNCER) en los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP). La integración masiva de estos nuevos elementos representa un desafío en términos de operación y control del sistema. En la revisión de la literatura se evidencia la necesidad de diseñar un controlador capaz de afrontar diferentes tipos de incertidumbre con el fin de garantizar un desempeño satisfactorio u óptimo en un ambiente de condiciones variables, propios de los nuevos SEP.

El objetivo del presente trabajo es proponer un control secundario de frecuencia avanzado que incorpore generadores convencionales y FNCER en un SEP. Por medio de una revisión de la literatura se estudió el estado del arte y se encontró que un control secundario de frecuencia predictivo basado en modelos (conocido por su término en inglés como MPC) presenta mejores resultados comparados con los controles de frecuencia convencionales en sistemas con FNCER debido a que incorpora pronósticos de generación y predice el comportamiento dinámico del sistema en un horizonte de tiempo finito. Este controlador permite ser integrado como un módulo adicional al control convencional Proporcional Integral (PI) actualmente utilizado en el SEP colombiano sin que ello implique modificación alguna para este último.

El modelo del control secundario de frecuencia convencional utilizado actualmente en el SEP colombiano, es obtenido a partir de la documentación de su fabricante y validado a través de simulaciones dinámicas del SEP colombiano realizadas en PowerFactory DigSilent. Los resultados fueron contrastados con registros históricos de eventos de frecuencia provenientes de Unidades de Medición Sincrofasorial (conocido por su término en inglés como PMU) correspondientes a los escenarios de operación y eventos simulados. Se identificaron bloques de control, lógicas y filtros que no hacen parte de la documentación pública del fabricante lo cual representa un aporte adicional del presente trabajo.

Por medio de simulaciones dinámicas se evaluó la eficacia en la regulación de frecuencia del control convencional y el control propuesto ante diferentes condiciones operativas en un sistema de prueba IEEE de 39 barras modificado. Por medio de indicadores cuantitativos se evidencia que efectivamente el control propuesto presenta un mejor desempeño en la regulación de frecuencia utilizando menos energía que el control convencional PI en un ambiente de condiciones variantes, propios de un SEP que incorpora FNCER.

La propuesta planteada permite la integración del control MPC como un módulo adicional ejecutándose en un servidor que envía una señal al control PI implementado actualmente en el sistema eléctrico de potencia colombiano. Al no modificar el CSF utilizado en la operación real del sistema facilitaría su implementación y permitiría un manejo eficiente de los recursos de generación que prestan el servicio de regulación secundaria de frecuencia. Adicionalmente, la regulación de frecuencia al requerir menos energía generaría una reducción en los costos de operación del SEP colombiano.