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000145291 1001_ $$aMartínez Carrasco, Eduardo
000145291 24500 $$aDistance protection function under high penetration of renewable energies based on power electronics. Development of an enhanced faulted phase selector
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000145291 520__ $$aLos objetivos asociados con la transición energética llevan consigo un importante incremento del nivel de penetración de la generación renovable basada en electrónica de potencia en la red eléctrica. Existen numerosas diferencias entre el comportamiento de este tipo de generación y la generación síncrona convencional, lo que puede afectar al control y operación del sistema. Entre estas diferencias, destacan las relacionadas con la aportación de corriente durante faltas producidas en el sistema eléctrico de potencia, lo que puede afectar al correcto funcionamiento de los sistemas de protección.<br />En esta tesis se aborda el funcionamiento de los sistemas de protección en redes de transporte ante la creciente penetración de energías renovables. El análisis se realiza mediante el ensayo de equipos de protección comerciales en las condiciones de aportación de corriente proveniente mayoritariamente de fuentes renovables mediante simulaciones HiL (Hardware in the Loop), con el objetivo de comprobar la problemática que puede encontrarse en un futuro cercano. A partir de los resultados se realizó el diseño de soluciones prácticas e implementables en los equipos de protección actualmente presentes en el mercado.<br />La realización de este trabajo vino motivada por la necesidad que los TSOs (Transmission System Operators) europeos de estudiar el efecto que las energías renovables pueden tener en la operación y seguridad de la red. Para satisfacer estas necesidades, entre otras iniciativas, surgió el proyecto H2020 MIGRATE (https://www.h2020-migrate.eu/ ), donde se desarrolló el estudio que se presenta en esta tesis doctoral, centrada en el estudio del impacto de las energías renovables en los sistemas de protección de la red eléctrica.<br />Para alcanzar este objetivo, se distribuyó el trabajo en diferentes fases que en esta tesis corresponden a cada uno de los capítulos de este documento.<br />En un primer capítulo se incluye el modelado de generadores renovables para su simulación en RTDS (Real Time Digital Simulator) y, posteriormente realizar los ensayos HiL. Se desarrolló un modelo EMT (transitorios electromagnéticos) de un generador solar fotovoltaico y un generador eólico de tipo 4 teniendo en cuenta su comportamiento según el código de red para la simulación de cortocircuitos y el análisis de protecciones. Estos modelos contemplan el desacoplo entre el control de las intensidades de secuencia positiva y de secuencia negativa ante faltas desequilibradas. Además, incluyen el control para limitación de la intensidad de secuencia negativa y pueden proporcionar intensidad de secuencia negativa de forma proporcional a la tensión de secuencia negativa durante la falta.<br />En la segunda fase, se realizaron pruebas de laboratorio mediante estudios HIL con el simulador RTDS. En los estudios HIL, se produce la interacción entre los resultados de la simulación y los equipos reales. En este estudio, los equipos reales empleados son dos protecciones comerciales de dos fabricantes diferentes. En la simulación, se emplean los modelos desarrollados en la primera etapa descrita anteriormente.<br />Para la realización de estas simulaciones, se desarrolló un protocolo de pruebas que permite realizar un análisis exhaustivo del comportamiento de estos equipos y que considera las funciones de protección de distancia (21), diferencial de línea (87L) y sobreintensidad direccional de neutro (67N) como las tres funciones principales y más importantes empleadas actualmente en líneas de transporte de energía eléctrica. De esta etapa se obtienen los resultados mostrados en el capítulo 2. Estos resultados permitieron detectar necesidades de mejora en la detección de faltas por parte de la función de distancia cuando la aportación de corriente proviene de sistemas de generación basados en electrónica de potencia. Sin embargo, las funciones de protección 87L y 67N no presentaron un mal comportamiento, por lo que quedaron fuera del estudio posterior de propuestas de mejora.<br />En el tercer capítulo se describe la propuesta desarrollada en esta tesis para la mejora del funcionamiento de la protección de distancia en redes con elevada penetración de energías renovables. Se desarrolló un algoritmo de selector de fases en falta que mejora sensiblemente el comportamiento global de la función de distancia ante este tipo de aportaciones. Este desarrollo se realizó mediante un algoritmo multicriterio que combina, adapta y mejora el funcionamiento de conceptos de protección tradicionales adaptándolos a la aportación de la generación renovable, siempre con el objetivo de que sea implementable en un equipo de mercado.<br />En la cuarta fase de este trabajo se implementó la solución del selector de fase en falta propuesto en un equipo de protección real para la prueba de concepto en laboratorio. La solución del selector de fases en falta desarrollada se integra dentro de la función de distancia del equipo (medida de impedancia, recepción de medidas de tensión e intensidad, generación de disparos, ajustes, etc.). Este paso, el de implementar la solución desarrollada en un equipo real pudo realizarse gracias a la colaboración con Schneider Electric. Sobre este equipo, en el que se implementa la solución propuesta, se realizan de nuevo ensayos siguiendo el protocolo desarrollado para la segunda fase, verificando la mejora en los resultados obtenidos en cerca del 100% de los casos. Además de realizar pruebas en la red con una alta penetración de energía renovable, también se probó la solución en base al estándar de protección IEC 60255:121 para la función de distancia, con objetivo de comprobar la solución propuesta sigue siendo válida para redes tradicionales basadas en generación síncrona, obteniendo buenos resultados en cuanto a la detección y tiempos de actuación medios cercanos a los de las protecciones comerciales actuales.<br />Con todo ello, el principal resultado de esta tesis ha sido el de un selector de fases que mejora el funcionamiento de la protección de distancia ante elevada penetración de renovables, contribuyendo de esta manera a mantener los niveles de seguridad en la red. Este desarrollo se realizó con el objetivo de que fuera implementable en un equipo comercial, lo cual fue logrado de forma satisfactoria y demostrado en laboratorio. Además de ser una solución válida para redes con elevada penetración de energías renovables, también se ha demostrado que funciona correctamente en redes tradicionales con generación síncrona.<br />Las principales conclusiones a las que se ha llegado gracias al cumplimiento de las etapas de desarrollo comentadas anteriormente son:<br />- La aportación de intensidad a la falta por parte de los generadores renovables basados en electrónica de potencia difiere respecto a la aportación a la falta por parte de los generadores síncronos, lo que hace que algunas de las funciones de la protección de distancia se vean afectadas. Las funciones con un comportamiento incorrecto fueron:<br />o El selector de fases en falta no detecta correctamente las fases afectadas por la falta en caso de faltas desequilibradas.<br />o La detección de direccionalidad no es correcta. Muchas veces es un algoritmo que se encuentra muy relacionado con el selector de fases en falta y la medida de impedancia.<br />o La medida de impedancia resultaba oscilante o errática, principalmente en el transitorio tras la inyección, y puede provocar sobrealcance de zona 1 o disparos retrasados en el tiempo.<br />- Las funciones de protección diferencial de línea y sobreintensidad direccional de neutro no se ven apenas afectadas por el cambio en la aportación de corriente de cortocircuito, salvo por algunos retrasos observados en la actuación de la 67N debido a la reducida aportación de intensidad a la falta.<br />- Es posible conseguir un correcto funcionamiento de la protección de distancia en redes con elevada penetración de renovables usando algoritmos multicriterio de selección de fase en falta. Estos algoritmos multicriterio, a su vez se basan en criterios de protección actuales modificados para tener en cuenta la generación renovable. Este punto es importante para que la solución pueda ser implementable en un equipo.<br />- Las comunicaciones fiables entre elementos de la red serán importantes de cara a la fiabilidad de la red en un futuro con una elevada penetración de energías renovables, ya que son necesarias para las funciones de protección diferencial de línea y para los esquemas de comunicación de la protección de distancia. <br />- Además de la mejora propuesta en esta tesis, existe la posibilidad de seguir desarrollando e implementado soluciones para un funcionamiento mejorado de las protecciones ante elevada penetración de energías renovables mediante algoritmos que mejoren la medida de la impedancia.<br />
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000145291 521__ $$97097$$aPrograma de Doctorado en Energías Renovables y Eficiencia Energética
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