Development of a Plant Controller for Grid-Connected Hybrid Renewable Power Plants with Enhanced Market Participation Strategies
2023
Las energías renovables han tomado un rol fundamental en el proceso de descarbonización del sistema eléctrico para mitigar los efectos del cambio climático. Sin embargo, su integración masiva presenta diversos retos tecnológicos, debido a su generación intermitente y carencia de inercia rodante, los cuales requieren instalar capacidad adicional para garantizar la cobertura de toda la demanda eléctrica. Como resultado de lo anterior, en un futuro próximo, las plantas de generación renovable se verán obligadas a lidiar con la reducción forzada de su potencia de salida en momentos de sobreproducción. Asimismo, deberán proveer de servicios adicionales a la red para garantizar la estabilidad del sistema.
Las plantas de generación híbridas (HyPP) que combinan diferentes tecnologías de generación y almacenamiento permiten hacer frente a los retos previamente mencionados, y comienzan a ser una realidad en países con una elevada penetración renovable. Dimensionando y controlándolas correctamente, las HyPP permiten proveer de una generación eléctrica más estable, ofrecer servicios de balance y mitigar la reducción forzada de generación mediante el almacenamiento de los excedentes. Sin embargo, la combinación de diferentes tecnologías en una HyPP presenta diversos retos operacionales.
Esta tesis doctoral tiene como objetivo investigar los niveles superiores de control necesarios para operar plantas de generación híbridas conectadas a red con el fin de maximizar su rentabilidad. Más concretamente, la tesis se enfoca en el desarrollo de los niveles de control de energy management system (EMS) y power management system (PMS) para operar de forma óptima plantas híbridas compuestas por generación eólica, solar fotovoltaica (PV) y un sistema de almacenamiento por baterías (BESS).
La primera línea de investigación se enfoca en el desarrollo de un EMS para operar de forma óptima en diversos mercados eléctricos, y a la vez asegurar un uso rentable del BESS. Las contribuciones incluyen la combinación de métodos de optimización clásicos y metaheurísticos, el análisis de los efectos de los errores de predicción en los mercados intradiarios y la provisión del servicio automatic Frequency Restoration Reserve (aFRR) a la red. Además, se estudian en profundidad los efectos de los cambios normativos que se aplicarán próximamente en este último mercado, así como la reciente crisis del mercado eléctrico acontecida en Europa.
La segunda línea de investigación abarca el desarrollo y validación de un PMS para plantas híbridas que realice el despacho en tiempo real de las consignas para cada subplanta. El trabajo realizado incluye la propuesta de diversas estrategias para traducir las consignas energéticas del EMS en consignas de potencia activa y reactiva, así como una serie de algoritmos de control necesarios para cumplir con el Código de Red de España. Se incluyen estrategias avanzadas de despacho para hacer frente a eventos de red, y el controlador se valida en base a los ensayos oficiales definidos por el Operador del Sistema Español. Para ello, tras el diseño y ajuste del PMS offline, se implementa el desarrollo en un controlador industrial para realizar simulaciones hardware in the loop (HIL) en tiempo real, y así considerar todos los efectos y retrasos a nivel de comunicación entre la planta y el PMS.
La última línea de investigación se enfoca en el desarrollo de un método para dimensionar los sistemas de almacenamiento dentro de las HyPP. El método se basa en la ejecución iterativa del EMS desarrollado en la tesis para simular la operación de la planta. Tras ello, se realizan simulaciones comparando distintas condiciones de mercado y restricciones de planta para seleccionar el BESS más apropiado para la planta estudiada.