El número de aerogeneradores instalados en los sistemas eléctricos de muchas zonas del mundo ha crecido de manera importante en los últimos años. Esto ha supuesto sustituir generadores convencionales por otros que, por el tipo de energía primaria, tienen una capacidad limitada para variar su potencia activa generada. Además, una gran parte de ellos son de velocidad variable y no suman su inercia a la del sistema eléctrico. Ambas circunstancias tienen un claro efecto negativo sobre las variaciones de frecuencia que se producen tras una pérdida de generación o de carga.
Los operadores de varios sistemas eléctricos han tenido que elaborar procedimientos de operación que obligan a los aerogeneradores a variar la potencia activa generada en función de la frecuencia del sistema. En la mayoría de casos, la exigencia se ha limitado a la obligación de reducir la potencia en presencia de sobrefrecuencia.
Sin embargo, en la literatura se han propuesto otras alternativas que aprovechan la flexibilidad y rapidez de respuesta de los aerogeneradores de velocidad variable para regular la potencia generada y conseguir una mayor reducción en la magnitud y velocidad de las variaciones de frecuencia.
En esta tesis doctoral se ha realizado un completo estudio sobre la contribución de los aerogeneradores de velocidad variable al control de frecuencia. En primer lugar, se ha desarrollado un modelo detallado de aerogenerador con generador asíncrono doblemente alimentado que es específico para estudios de frecuencia–potencia y que ha sido utilizado como modelo agregado de la generación eólica presente en el sistema eléctrico. Además, se han incluido en el sistema eléctrico: i) tres tipos de generación convencional según la clase de turbina que la acciona: de vapor, hidráulica y de gas en ciclo combinado; ii) un sistema automático de deslastre de cargas; iii) un sistema automático de desconexión de generadores no gestionables.
Con el modelo completo se han simulado diferentes escenarios de generación y magnitudes de incidente para obtener las variaciones de frecuencia que se producen cuando los aerogeneradores no contribuyen a su control. Con incidentes importantes, la actuación del deslastre automático de cargas asegura que los desvíos de frecuencia no son excesivos en la práctica totalidad de escenarios. Solo se tiene un mal comportamiento en escenarios valle en los que, debido a una elevada generación eólica, se ha desacoplado generación convencional. Al tener una inercia muy reducida, las variaciones de frecuencia son tan rápidas que provocan un deslastre de cargas excesivo. El sobredeslastre da lugar a importantes oscilaciones en la frecuencia, que llegan a provocar la desconexión de generación no gestionable y, cuando el incidente es de elevada magnitud, el colapso del sistema eléctrico. En este tipo de escenarios se ha comprobado que la contribución de los parques eólicos al control de frecuencia consigue un buen funcionamiento del deslastre automático de cargas, lográndose que la frecuencia se estabilice rápidamente con desvío cuasi-estacionario reducido.
Para el resto de escenarios, incluidos valles con mayor inercia por mantener generación convencional acoplada, aunque sea parte funcionando en su mínimo técnico, se ha prestado especial interés a cómo afecta la contribución de los parques eólicos al deslastre automático de cargas.
Con los incidentes más pequeños, que pueden ser compensados con la actuación de la generación convencional, se ha comprobado que la contribución de los parques eólicos puede reducir la cantidad de carga deslastrada.
Con incidentes mayores, en los que el deslastre es inevitable, se ha comprobado que la contribución de los parques eólicos puede ser negativa. Durante el tiempo que mantienen su incremento de potencia, el sistema eléctrico se comporta como si tuviera una mayor cantidad de generación convencional o como si el incidente que ocasiona la variación de frecuencia fuera de menor magnitud. En algunos escenarios esto hace que inicialmente se deslastre una menor cantidad de carga. Si es insuficiente para que la frecuencia se recupere, esta seguirá cayendo hasta que se deslastre carga de escalones de menor frecuencia. Como resultado se tiene un mayor desvío y un deslastre de cargas incorrecto que no corresponde con la magnitud del incidente.
En muchos de los casos, el aumento de potencia ordenado por el control de frecuencia de los aerogeneradores lleva asociado una reducción en su velocidad de giro, que hace que disminuya la potencia capturada. Se han propuesto sistemas de control adicionales que, finalizada la contribución, reducen la potencia generada lo suficiente como para que los aerogeneradores recuperen la velocidad inicial de manera estable.
Por último, se ha realizado para el sistema peninsular español un estudio del efecto que tiene la energía eólica en los mercados de servicios de ajuste del sistema y se ha comparado con el que tiene en otras regiones. A partir del estudio comparativo se han podido proponer mejoras que ayudan a la integración de la energía eólica en el mercado eléctrico español.