Participación de la demanda en la regulación primaria de frecuencia en sistemas de energía eléctrica
Authors:   , Casasola Aignesberger Leo 
Published: April 2024

The introduction of renewable energy generation is bringing about a paradigm shift in electric power systems. Conventional generation, essentially made up of synchronous generators driven by thermal or hydraulic machines, is being replaced by renewable energy sources, with the aim of reducing greenhouse gas emissions. It has been made possible by technological advances that have drastically reduced the price of non-conventional generators. These new generators of renewable origin share, in general, two characteristics: they are not dispatchable and they are connected to the electrical grid through electronic power converters. This causes a decoupling between the electrical energy fed into the grid and the generator's driving force, thus eliminating the natural response characteristic of synchronous generators, which have dominated electrical power systems almost since their inception. Therefore, in order to guarantee the safe operation of the electrical system, it is essential to reinvent the control structures that allow maintaining an electrical system operating under nominal conditions (essentially voltage and frequency) despite the substitution of synchronous generation by generation connected through electronic converters.

From the whole spectrum of impacts that renewable generation has on electric power systems, this doctoral thesis aims to address power-frequency control in the power systems of the future. Specifically, it aims to study the possibility of providing demand-side frequency regulation services. Unlike conventional control, which act on a limited and known number of generators, the demand is characterized by being unknown (at least, a priori) and distributed throughout the power system. This poses serious challenges mainly linked to the large number of agents involved.

In the first phase of this doctoral thesis, the work has been exclusively carried out with simulations. During this phase, the impact of demand participation on the frequency behavior of an island system under wind disturbances in different scenarios has been studied. In addition, the different options for the evaluation of frequency behavior have been studied, and a method for detecting frequency oscillations has been proposed. The main conclusions of this first phase have been that demand side participation in frequency regulation has a great potential, but that there are certain scenarios in which frequency oscillations are observed that are not acceptable in a power system.

In the second phase of this doctoral thesis, the work has been extended to an experimental environment, located at KIT in Karlsruhe, Germany, where the experiments have been carried out. In these tests, real elements have been combined with virtual elements (implemented through real-time control of electronic converters) to verify the operation of the proposed strategies simulated in advance, including the verification of the occurrence of the observed frequency oscillations, together with the effects of demand participation in frequency regulation. It has been observed, on the one hand, that demand participation in frequency regulation can mitigate frequency deviations both in following sudden changes in demand and under constant disturbances. Moreover, the occurrence of frequency oscillations under excessive demand side response is confirmed.

Therefore, this thesis has studied the problem of power-frequency regulation in low inertia grids, has proposed a possible contribution to mitigate it and has detected some problematic effects that may appear and that constitute ongoing research. This has been done with a combination of simulation tools and experimental results.

RESUMEN

La introducción de generación de origen renovable está suponiendo un cambio de paradigma en los sistemas eléctricos de potencia. La generación convencional está siendo desplazada por fuentes de energía renovable, con el objetivo de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Estos nuevos generadores de origen renovable comparten, en general, dos características: no ser gestionables y estar conectados a la red eléctrica a través de convertidores electrónicos de potencia. Esto provoca un desacoplamiento entre la energía eléctrica cedida a la red y la fuerza motriz del generador, desapareciendo la respuesta natural de característica de los generadores síncronos que han dominado los sistemas eléctricos de potencia prácticamente desde sus inicios. Por lo tanto, para poder garantizar la operación segura del sistema eléctrico, es imprescindible reinventar las estructuras de control que permiten mantener un sistema eléctrico funcionando en condiciones nominales (esencialmente de tensión y frecuencia) a pesar de la sustitución de generación síncrona por generación conectada a través de convertidores electrónicos.

Si bien los impactos de esta transformación de los sistemas eléctricos son variados, esta tesis doctoral aborda el control de potencia-frecuencia en los sistemas eléctricos del futuro. En concreto, se pretende estudiar la posibilidad de prestar servicios de regulación de frecuencia por parte de la demanda. A diferencia de los sistemas convencionales de control, que actúan sobre un número limitado y conocido de generadores, la demanda se caracteriza por ser desconocida (al menos, a priori) y estar distribuida por todo el sistema eléctrico. Esto presenta importantes retos ligados, principalmente, al gran número de agentes participantes.

En la primera fase de esta tesis doctoral, se ha trabajado exclusivamente con simulaciones. Durante la misma, se ha estudiado el impacto que tiene la participación de la demanda en el comportamiento de la frecuencia de un sistema insular, ante perturbaciones provocadas por la generación eólica, en distintos escenarios. Además, se han estudiado las distintas opciones de evaluación del comportamiento de la frecuencia, y se ha propuesto un método de detección de oscilaciones de frecuencia. Las principales conclusiones de esta primera fase han sido que la participación de la demanda en la regulación de frecuencia presenta un gran potencial, pero que hay determinados escenarios en los que se observan oscilaciones de frecuencia que no son aceptables en un sistema eléctrico.

En la segunda fase de esta tesis doctoral, se ha ampliado el trabajo a un entorno experimental, ubicado en el KIT en Karlsruhe (Alemania), donde se han llevado a cabo los ensayos. En estos ensayos se han combinado elementos reales con elementos virtuales (implementados a través del control en tiempo real de convertidores electrónicos) para verificar el funcionamiento de las estrategias propuestas y simuladas con antelación, incluyendo la verificación de la aparición de las oscilaciones de frecuencia observadas, junto con los efectos de la participación de la demanda en la regulación de frecuencia. Se ha observado, por un lado, que la participación de la demanda en la regulación de frecuencia puede mitigar las desviaciones de frecuencia tanto ante cambios bruscos en la demanda como ante perturbaciones constantes. Además, se confirma la aparición de oscilaciones de frecuencia en el sistema cuando la respuesta de la demanda es excesiva.

Por lo tanto, en esta tesis se ha estudiado el problema de regulación de potencia-frecuencia ante el desplazamiento de la generación síncrona en sistemas eléctricos de potencia, se ha propuesto una posible contribución para mitigarlo y se han detectado algunos efectos problemáticos que pueden aparecer y que quedan planteados para un estudio futuro. Esto se ha realizado con una combinación de herramientas de simulación y resultados experimentales.