Análisis de estado estacionario y transitorio del acoplamiento de dos sistemas eléctricos de potencia mediante enlace tipo Back to Back

Abstract

La tendencia actual de los países en las diferentes regiones del mundo, es la de interconectarse eléctricamente aprovechando los beneficios económicos, sociales y estratégicos asociados. Este trabajo pretende realizar el análisis en estado estacionario y transitorio del acoplamiento de dos sistemas de potencia AC; empleando uno de los tipos de conexión HVDC existentes, el sistema de doble conversión estática AC - DC - AC, también conocido como Back to Back (BTB), dividiendo el estudio en cuatro capítulos. El capítulo I muestra el estado del arte, describe la realidad problemática, formula el problema y establece los objetivos de la tesis, así como las hipótesis a contrastar. El capítulo II presenta el marco teórico y conceptual sobre el cual se desarrolla la tesis, se menciona a los sistemas de corriente continua en alta tensión (High Voltage Direct Current - HVDC), se muestra la tecnología de convertidores fuente de corriente (Current Source Converter - CSC), la tecnología de convertidores fuente de tensión (Voltage Source Converter - VSC), las distintas configuraciones de los sistemas HVDC, las topologías de convertidores VSC existentes, los convertidores multinivel con énfasis en el convertidor de tres niveles con punto neutro enclavado (Neutral Point Clamped - NPC). Se estudian los moduladores para el accionamiento de las llaves de potencia, tanto el modulador senoidal (Sinusoidal Pulse Width Modulation - SPWM) como el modulador vectorial (Space Vector Pulse Width Modulation SVPWM), con mayor detalle el SPWM para el convertidor de tres niveles, empleado en las simulaciones, para luego presentar los controles lineales tradicionales y las técnicas de control no lineal, mostrando los pasos para diseñar el control no lineal Backstepping. Finalmente, se presenta el modelamiento matemático del sistema HVDC - BTB - VSC, en los marcos de referencia abc y dq0. La aplicación de la técnica del control lineal PI desacoplado y del control no lineal Backstepping se presenta en el capítulo III. En el capítulo III se desarrolla el sistema de ecuaciones para el control PI desacoplado de las corrientes Id e Iq en los convertidores, el control de las potencias activa y reactiva, los controles PI de la tensión en el enlace DC, y del balance de tensiones entre los condensadores DC de dicho enlace. A continuación, se procede a aplicar el control no lineal Backstepping al mismo sistema HVDC - BTB - VSC, se presenta el sistema de ecuaciones empleado para su diseño, el control Backstepping de la tensión en el enlace DC, el de las corrientes Id e Iq de los convertidores, las ecuaciones y leyes de control involucradas, así como el control de las potencias activa y reactiva, para luego mostrar los diagramas Simulink correspondientes a los controles propuestos. En el capítulo IV se presenta los parámetros empleados en las simulaciones, y sus resultados usando controles lineales PI y controles no lineales Backstepping. Para cada caso simulado, se describe antes, el sistema BTB y sus condiciones de operación. Se analizan los resultados de simulación del acoplamiento BTB de dos sistemas AC ideales, usando controles PI, sin considerar filtros y luego usando filtros, que son previamente diseñados, además, se detalla el procedimiento de arranque del sistema BTB, se analiza también, los resultados del acoplamiento BTB de dos sistemas AC ideales, usando controles no lineales Backstepping, sin filtros y con filtros, que sirven para mostrar la superioridad del control no lineal Backstepping sobre el control PI. Se analizan los resultados del acoplamiento BTB de dos sistemas de potencia reales, que incluyen transformadores, líneas de transmisión y cargas, usando controles no lineales Backstepping y filtros, evaluando además su comportamiento dinámico frente a fallas. Para cada simulación se presenta el reporte de distorsión y armónicos de tensión y corriente. Finalmente se realiza la contrastación de las hipótesis secundarias y principal. Se presentan las conclusiones a partir de los resultados obtenidos, así como las recomendaciones y trabajos futuros.

The current trend of countries in different regions of the world is to interconnect electrically, taking advantage of the associated economic, social and strategic benefits. This work aims to perform the steady-state and transient analysis of the coupling of two AC power systems; using one of the existing HVDC connection types, the AC - DC - AC static double conversion system, also known as Back to Back (BTB), dividing the study into four chapters. Chapter I shows the state of the art, describes the problematic reality, formulates the problem and establishes the objectives of the thesis, as well as the hypotheses to be contrasted. Chapter II presents the theoretical and conceptual framework on which the thesis is developed, mentions high voltage direct current systems (High Voltage Direct Current - HVDC), shows the technology of current source converters (Current Source Converter) - CSC), the technology of voltage source converters (Voltage Source Converter - VSC), the different configurations of HVDC systems, the topologies of existing VSC converters, multilevel converters with emphasis on the three-level converter with interlocked neutral point ( Neutral Point Clamped - NPC). The modulators for operating the power switches are studied, both the sinusoidal modulator (Sinusoidal Pulse Width Modulation - SPWM) and the vector modulator (Space Vector Pulse Width Modulation SVPWM), with greater detail the SPWM for the three-level converter, used in the simulations, to then present traditional linear controls and nonlinear control techniques, showing the steps to design nonlinear Backstepping control. Finally, the mathematical modeling of the HVDC - BTB - VSC system is presented, in the abc and dq0 reference frames. The application of the technique of decoupled PI linear control and nonlinear Backstepping control is presented in chapter III. Chapter III develops the system of equations for the decoupled PI control of the currents Id and Iq in the converters, the control of the active and reactive powers, the PI controls of the voltage in the DC link, and the voltage balance between the DC capacitors of said link. Next, the non-linear Backstepping control is applied to the same HVDC - BTB - VSC system, the system of equations used for its design is presented, the Backstepping control of the voltage in the DC link, that of the currents Id and Iq of the converters, the equations and control laws involved, as well as the control of the active and reactive powers, to then show the Simulink diagrams corresponding to the proposed controls. Chapter IV presents the parameters used in the simulations, and their results using linear PI controls and non-linear Backstepping controls. For each simulated case, the BTB system and its operating conditions are described above. The simulation results of the BTB coupling of two ideal AC systems are analyzed, using PI controls, without considering filters and then using filters, which are previously designed, in addition, the start-up procedure of the BTB system is detailed; the results of the BTB coupling of two ideal AC systems are also analyzed, using non-linear Backstepping controls, without filters and with filters, which serve to show the superiority of the non-linear Backstepping control over the PI control. The results of the BTB coupling of two real power systems, which include transformers, transmission lines and loads, are analyzed using non-linear Backstepping controls and filters, also evaluating their dynamic behavior against faults. For each simulation, the voltage and current distortion and harmonics report is presented. Finally, the contrast of the secondary and main hypotheses is carried out. Conclusions are presented based on the results obtained, as well as recommendations and future work.