Diseño de un convertidor DC/AC tipo Grid-Forming con capacidad de suministrar inercia virtual a la red eléctrica

Abstract

Las energías renovables han cobrado mucha notoriedad en los último años, debido a que son una alternativa limpia con respecto a las energías convencionales basadas en combustibles fósiles, tal es así que actualmente las energías renovables son capaces de generar suficiente energía para poder inyectar potencia a las redes de energía convencional a través de convertidores basadas en electrónica de potencia. Sin embargo, el agregar un convertidor a la red eléctrica puede crear inestabilidad en frecuencia en la red, ello debido a que los convertidores de electrónica de potencia carecen de inercia mecánica y no pueden hacer frente a los cambios de frecuencia. Para poder sobrellevar el inconveniente de la inercia, actualmente se vienen desarrollando diversos estudios que permitan emular una inercia virtual. Los convertidores que se interconecten a la red eléctrica también deben ser capaces estimar la frecuencia y fase de la red, además de tolerar variaciones de impedancia en la red, variaciones de carga en la red, así como sostenerse ante un corte total de la red eléctrica. En el presente trabajo de tesis se revisa la literatura referente a convertidores basados en electrónica de potencia, para tomar conocimiento sobre tipos de convertidores, estrategias de control, métodos para estimar la fase y frecuencia de red, así como el marco de referencia en los que se trabaja. Posterior al trabajo de revisión de literatura, en la presente tesis se analiza y se diseña una estrategia de control para convertidores Grid-forming, que son convertidores que operan como fuentes de voltaje y que suministran potencia hacia la red eléctrica. La estrategia de control diseñado para el control de potencia activa permite estimar la frecuencia y fase de la red eléctrica, y a su vez emular inercia virtual. Para esta estrategia se ha fijado una constante de inercia y un factor de amortiguamiento deseado en la respuesta, es decir, básicamente se modifica el algoritmo de control y ningún cambio de hardware en el convertidor. A través de simulaciones en Simulink se ha demostrado que el convertidor diseñado es capaz de controlar la potencia, mantener un voltaje y frecuencia estables ante variaciones de carga e impedancia en la red. Se ha simulado variaciones de frecuencia en la red, tipo escalón y rampa, y el convertidor diseñado ha sido capaz de controlar la potencia y seguir los cambios de frecuencia. También se ha simulado un corte de la red eléctrica y el desempeño del convertidor fue satisfactorio, es decir, entregó de manera estable un voltaje, una corriente y una frecuencia. Por último, las respuestas del convertidor diseñado ante variaciones de frecuencia en la red, se han comparado con el de un convertidor Grid-following, el convertidor diseñado entrega picos bajos de potencia y corriente, tiene tiempo de establecimiento lento y una THD de corriente muy baja comparados con el convertidor de referencia. El modelado, los cálculos y simulaciones se han realizado en el marco de referencia 𝑑𝑞0 y en el sistema Por Unidad [𝑝𝑢].