Diseño coordinado de un esquema de deslastre de carga y un sistema de almacenamiento de energía eléctrica

Abstract

El diseño coordinado del esquema de deslastre de carga y de un sistema de almacenamiento de energía eléctrica con el objetivo de mejorar la estabilidad de la frecuencia en pequeños sistemas de potencia aislados, se lleva a cabo al considerar que existe la necesidad de implementar la respuesta de este tipo de sistemas ante perturbaciones, como por ejemplo una pérdida en la generación. Este es el caso de los seis sistemas eléctricos de las Islas Canarias y en particular de la isla de La Palma, que se toma como ejemplo de estudio para este proyecto. Para evitar casos en los que el sistema se vuelve inestable o alcanza valores inadmisibles de frecuencia de red, habitualmente se introduce la actuación de un esquema de deslastre de carga que desconecta parte de la carga demandada tras producirse una pérdida en la generación. Este esquema normalmente, se rige por parámetros obtenidos experimentalmente que dictan su modo de operación. Por otro lado, se están realizando numerosos estudios sobre los beneficios que presenta la conexión a los sistemas de potencia, de dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica como los ultra condensadores. Este tipo de dispositivo de almacenamiento, presenta una alta densidad de potencia que permite su carga y descarga en un tiempo muy reducido. Esta característica es muy ventajosa ya que, a los pocos segundos tras producirse la perturbación, es cuando más riesgo de inestabilidad existe. Por lo tanto, se considera que la introducción de un ultra condensador puede ser una buena opción a la hora de implementar la estabilidad de sistemas como el de La Palma, por lo que resulta interesante contemplar su conexión y optimización. En La Palma está instalado desde 2013 un ultra condensador de 20MWh y 4MW. Lo que se plantea en este proyecto es diseñar un esquema optimizado de deslastre de carga, en contraste con uno basado en la experiencia que se entiende como mejorable, junto con el diseño de los parámetros de control del ultra condensador de la isla de La Palma. El diseño coordinado del esquema de deslastre de carga y del ultra condensador, se realiza empleando la herramienta de software matemático Matlab y su entorno de programación visual Simulink. Con estos programas se realiza la modelación y simulación del sistema de potencia aislado de la isla, y a través de una herramienta de optimización del software, llamada Algoritmo Genético, se resuelve el problema de optimización del diseño paramétrico. El diseño comprende primero la modelación del sistema eléctrico insular, del deslastre de carga y del ultra condensador. En segundo lugar, se fijan los escenarios que se emplean para el diseño óptimo y los valores de las constantes de los generadores, inercias, estatismos, retardos temporales de relés, tamaño del ultra condensador, etc. A continuación, se plantea el problema de optimización de los parámetros (variables decisionales) del esquema de deslastre y del ultra condensador. Por último, se resuelve dicho problema y se analizan los resultados observando el comportamiento del sistema tras perturbaciones en todos los escenarios, que permitirá comprobar la verdadera optimización de los parámetros. A partir de los modelos y escenarios anteriores, se lleva a cabo el planteamiento del problema de optimización que busca minimizar la carga deslastrada a la vez que se tienen en cuenta distintas restricciones. Los resultados obtenidos de la resolución del problema de optimización consiguen preservar la estabilidad de la frecuencia para cualquier perturbación que ocurra en el sistema, deslastrando una cantidad de carga óptima para los cuatro escenarios típicos. En muchos casos tan solo con el esquema de UFLS optimizado, es posible reducir los casos en los que el sistema de potencia alcanza la inestabilidad, sin deslastrar una cantidad desorbitada de carga gracias a que los parámetros del esquema de deslastre son una buena solución al problema. A continuación se muestra una tabla comparativa entre el deslastre con un esquema UFLS optimizado y el que existe actualmente en La Palma.

The coordinated design of both under frequency load shedding scheme and an energy storage system it is studied in this paper in order to enhance frequency stability of small isolated power systems. Those kinds of systems need to improve their natural response against a perturbation, like a loss in generation. This is the situation of the Canary Island of La Palma. In order to avoid the cases where system turns unstable or where it reaches unpermitted frequency values, it is usual to introduce an under frequency load shedding scheme (UFLS). It works by disconnecting some load after suffering an outage on the power system generation. The parameters that define its operation way are usually experimentally chosen. On the other hand, there have been plenty of studies related to the analysis of the benefits that presents the connection of energy storage devises in power systems, such as ultra-capacitors (UC). This kind of electrical storage device has a high power density, which means it can be charged and unchanged in a very short period of time. This is the UC’s best advantage because at the very first seconds after occurring the outage is when there is more risk to lose frequency stability. Then, it is supposed that the connection of an UC could be a nice option to enhance system’s stability like La Palma’s one. This paper tries to design the best UFLS scheme together with the best UC control parameters of the La Palma Island. The coordinated UFLS scheme and UC is made using the mathematic software tool: Matlab and its visual programming environment: Simulink. Both of them are used in order to modulate and simulate the La Palma small power system, as well as Matlab optimization tool: Genetic Algorithm is used to solve parametric optimization problem. The design includes in first place the modulation of the isolated power system, UFLS scheme and UC. Afterwards, scenarios and contingencies for the optimization are chosen and constant values are set (inertias, statisms, time delays, UC dimensions, etc.). Next, it is set out the parameters problem optimization (decisional variables of the optimization problem). In the end, this problem is solved and its results are analyzed while observing system’s responses. Based on the previous models and scenarios the optimization problem is defined. It looks for the minimum amount of load shedding while respecting some restrictions. The solution gives parameters that preserve the system’s integrity for any possible contingency, at the same time the load shedding is moderated. That is partially, thanks to the nice UFLS scheme parameters obtained. In lot of situations, it is possible to avoid frequency instability even without UC and without a big amount of load shedding. The following table compares load shedding in La Palma, between optimized UFLS scheme and actual UFLS scheme.