Aportaciones al modelado de la generación fotovoltaica para la planificación de la red de distribución
Authors:   , Ramón Marín Miquel 
Published: July 2023

In this thesis it have been explained the problems that the electric distribution companies in Spain have to plan and operate
their power networks, having no detailed measurements of instant active power of a large number of non-programmable
generators connected to them. The main objective is to reduce errors and difficulties that this lack of information generates.
It has been analyzed the specific case of photovoltaic generators (PV), representing at the end of 2011, a 94.6 % of the
special regime generators connected to the power networks in Spain, and have an average power of 72 kW per plant at the
end of 2011. This means that are mainly connected to the distribution network, so we study the specific issues regarding the
planning of the distribution network.
It is defined that prediction models of solar irradiance are divided into parametric and decomposition. The ASHRAE
parametric model prediction of solar irradiance is described, checking that its instant error levels are not negligible when
compared with real data, since it does not include components that provide greater instant solar irradiance variability, such
as atmospheric phenomena.
It has been described a model based on the usability for the prediction of instantaneous power of PV generation, which is
based on an hourly rate of sunlight (Kt) to transfer the extraterrestrial solar irradiation to a horizontal surface on Earth ¿s
surface. It has been seen that the definition of the statistical function that defines Kt, makes the difference between the
different models based on usability.
It has been developed a proposed solution, which allows the development of models using predictors measured at the
Earth¿s s urface, which incorporate the variability of atmos pheric phenomena. It has been evaluated the available data for the
distribution companies, as well as specified the conditions necessary to develop specific models to be applied in distribution
network planning.
The proposed solution consists in a systematic methodology for developing models, based on historical data, which
provides a response to a wide range of applications for distribution network analysis. It has been shown that the geographic
scope of validity of the developed models exceeds the average needs for distribution network planning. It have been
developed three case studies, where application of the methodology has been developed, based on real data of a
distribution network in the province of Lleida, Spain.
Also, it has been found that the models needed for photovoltaic plants with solar follower are different from those needed for
photovoltaic plants without follower, because they need to be developed from different predictors.
Contributions have been developed based on examples of application of the developed models to network analysis, based
on another set of real data from the distribution network in Lleida, corresponding to a medium voltage line (25 kV). Based on
this example it have been described the possible options when applying the methodology, as well as several different
situations, drawing conclusions.
Furthermore, it have been evaluated the possible seasonality of the models, and therefore, the contribution that would get
from the development of specific models for each quarter, against the development of a single model for the prediction of the
whole year.
Barcelon
Mediante la presente tesis se ha planteado la problemática existente en las empresas de distribución en España, que han de planificar y operar sus redes eléctricas sin disponer de medidas de potencia activa instantánea de un alto número de generadores fotovoltaicos conectados a las mismas, con el objetivo principal de reducir los posibles errores y dificultades que dicha falta de información genera. Se ha estudiado el caso concreto de los generadores fotovoltaicos, que representan al cierre del año 2011 el 94,6% de los generadores en régimen especial conectados en las redes eléctricas en España, y que al contar con una potencia media por instalación de 72 kW al cierre del año 2011, están mayoritariamente conectados a la red de distribución, por lo que se estudian las problemáticas especificas en cuanto a la planificación de dicha red.
Con el fin de predecir la producción fotovoltaica de una forma indirecta, ya que no se dispone de la totalidad de los datos necesarios directamente, se precisan modelos basados en los predictores disponibles, como la irradiancia solar. Se ha definido que los modelos de predicción de la irradiancia solar se dividen en paramétricos y de descomposición. Se ha descrito el modelo paramétrico ASHRAE de predicción de la irradiancia solar, comprobando que obtiene unos niveles de error que no son
despreciables al compararlos con datos reales, dado que no incorpora los componentes que aportan mayor variabilidad a dicha irradiancia solar instantánea, como son los fenómenos atmosféricos. Se ha descrito un modelo de descomposición basado en la utilizabilidad, para la predicción de la potencia instantánea de generación de una planta fotovoltaica, que se basa en un índice horario de claridad solar (Kt) para trasladar la irradiación solar extraterrestre a una superficie horizontal en la superficie terrestre. Se ha podido ver que es la definición de la función estadística que define a Kt, lo que marca la diferencia entre los diferentes modelos basados en la utilizabilidad. Por tanto, los modelos existentes o bien no consideran los fenómenos que tienen lugar en la superficie terrestre, o bien los consideran de forma estadística para largos períodos.
Se ha desarrollado una propuesta de solución que permite el desarrollo de modelos utilizando predictores medidos en la superficie terrestre, los cuales incorporan la variabilidad de los fenómenos atmosféricos. Se incorpora en la elaboración de dicha solución la evaluación de los datos disponibles en el entorno de las compañías distribuidoras, así como la especificación de los
condicionantes necesarios en el modelado especifico a desarrollar para su utilización en la planificación de la red de distribución.
La propuesta de solución consiste en una metodología sistemática de desarrollo de modelos, a partir del tratamiento estadístico de datos reales históricos, que permite dar una respuesta a una amplia gama de aplicaciones de análisis de la red de distribución. Se ha demostrado que el ámbito geográfico de validez de los modelos supera ampliamente las necesidades medias específicas para su utilización en la planificación de la red de distribución. Se han desarrollado ejemplos reales de aplicación de la metodología desarrollada, basados en datos reales de la red de distribución en la provincia de Lleida, en España. Con ellos se ha podido comprobar que los modelos necesarios para plantas fotovoltaicas con seguidor son diferentes de los necesarios
para plantas fotovoltaicas sin seguidor, pues necesitan desarrollarse
a partir de predictores diferentes. Se han desarrollado aportaciones en base a ejemplos de aplicación de los modelos desarrollados al análisis de red, basados en otra serie de datos reales de la red de distribución en Lleida, correspondientes a una línea de distribución en media tensión (25 kV). En base a dicho ejemplo se han descrito las posibles opciones a la hora de la aplicación de la metodología, así como se han analizado diversas casuísticas que se pueden presentar, extrayendo conclusiones.
Así mismo, se ha evaluado la posible estacionalidad de los modelos, y por tanto, la aportación que conllevaría el desarrollo de modelos específicos para cada trimestre del año, frente al desarrollo de un único modelo para la predicción de todo el año.
También se han presentado ejemplos de aplicación de los modelos a la resolución de un caso mediante un flujo de cargas.