Contributions for the integration of renewable energy and electric vehicles in the grid

Abstract

La energía producida en el sistema eléctrico está compuesta por diversas fuentes de generación y la distribución de la energía generada se transporta mediante diferentes tipologías de líneas eléctricas, dentro del sistema de transmisión. Actualmente la producción de energía eléctrica a partir de fuentes de energías renovables está creciendo significativamente, pero se enfrenta a grandes desafíos tecnológicos para la conexión al sistema eléctrico actual. El desarrollo de las tecnologías actuales permite aumentar, cada vez más, la penetración de estas fuentes de energías renovables. Además de la adecuación del sistema eléctrico y la evolución tecnológica de la energía renovable, se busca reducir el consumo de combustibles fósiles y, para ello, también se tiende a una mayor electrificación del transporte, mediante el aumento del uso de los vehículos eléctricos. Con todo esto, se tendría una red eléctrica más completa, donde los coches eléctricos serían los elementos activos del sistema, pudiendo incluso contribuir a la estabilidad y sustentabilidad de dicho sistema eléctrico. Teniendo en cuenta todos estos avances, se requiere mejorar el sistema eléctrico, considerándolo como un todo, para poder controlarlo más activamente. El uso, cada vez mayor, de convertidores electrónicos de potencia es una de las principales soluciones a estos nuevos retos, ya que recae principalmente en éstos la responsabilidad de controlar y de cumplir con los requisitos del sistema. De este modo, este trabajo tiene como objetivo proporcionar soluciones novedosas en cuanto al control y las topologías de convertidores de potencia. En el trabajo, se aplican estas nuevas tecnologías a las dos problemáticas principales, anteriormente mencionadas, la evacuación de las fuentes de energías renovables y al diseño de los accionamientos y la conexión a la red eléctrica de los vehículos eléctricos a través de dichos accionamientos. El primero de estos trabajos consistió en el desarrollo de una nueva estrategia de control para optimizar la conversión de potencia en la interconexión de grandes plantas de generación basadas en energías renovables con la red eléctrica con el fin de permitir reducir el coste y la complejidad de dichas instalaciones. Esta nueva tecnología da resultado un sistema más eficiente, fiable y de menor coste. El sistema propuesto es de aplicación a parques eólicos marinos, con enlace de evacuación HVDC, para el transporte de la energía eléctrica generada. En cuanto al segundo trabajo, se propuso la integración del vehículo eléctrico como un elemento activo del sistema eléctrico. Se diseñó un motor de seis fases de reluctancia síncrona y se aplicó un novedoso método de control con el objetivo de facilitar el uso del vehículo eléctrico, reduciendo los costes de infraestructura y aumentando la robustez del sistema, la autonomía y la fiabilidad. Para el primer tema de trabajo: Novedoso control de convertidores de potencia para Aerogeneradores en sistemas offshore aplicados en links Diodo-HVDC, los principales objetivos se centran en:  Reducir el peso y el tamaño de la subestación offshore del enlace HVDC.  Reducir de los costes de un típico VSC-HVDC en subestación Offshore.  Aplicación a zonas remotas y a parques eólicos marinos.  Mantener la disponibilidad de más de 99,97%.  Reducir las pérdidas.  Aplicación de la novedosa estrategia de control que integra a todos los aerogeneradores del parque offshore. Se propone un control centralizado, que permite el uso de cualquier aerogenerador comercial, sin modificación de su control. Para el segundo tema de trabajo: aplicación de novedoso control en un nuevo motor de coche eléctrico (SynRM), los principales objetivos se centran en:  Mejorar la seguridad mediante redundancia de componentes.  Mejorar la eficiencia con respecto al estado de la técnica.  Proponer una novedosa topología del convertidor de potencia para conectar a un motor de seis fases.  Proponer un nuevo control directo de par aplicado a máquinas multifásicas basadas en ORS y técnicas predictivas.  Definir los objetivos de seguridad y convertidor tolerante a fallos.  Proponer un nuevo concepto de máquina eléctrica que funciona como cargador bidireccional. Todas las aportaciones han sido validadas en simulación y experimentalmente con máquinas eléctricas comerciales y realizadas específicamente para el desarrollo de este trabajo.

The energy produced in the electrical system is composed of various sources and the distribution of the generated energy is transported by different types of electrical lines, within the transmission system. The production of electricity from renewable energy sources is growing significantly, but it faces great technological challenges for the connection to the current electrical system. The development of current technologies allows the increasing of penetration of these renewable energy sources. In addition to the adequacy of the electrical system and the technological evolution of renewable energy, the aim is to reduce the consumption of fossil fuels and, for this, there is also a trend towards greater electrification of transport, by increasing the use of electric vehicles. With all this, there would be a more complete electrical grid, where electric cars would be the active elements of the system, and could even contribute to the stability and sustainability of such electrical system. Taking into account all these advances, it is necessary to improve the electrical system, as a whole, in order to control it more actively. The increasing use of electronic power converters is one of the main solutions to the new challenges, since it has great responsibility in controlling and fulfilling the requirements of the system. Therefore this work aims to provide novel solutions in terms of control and topologies of power converters. The new technologies proposed are applied to the two main problems mentioned above, the evacuation of renewable energy sources and the design of the drives and the connection to the electric grid of electric vehicles through these drives. The first of these works consisted in the development of a new control strategy applied to optimize the power conversion in the interconnection of large generation plants based on renewable energies with the electric grid in order to reduce the cost and complexity of said facilities. The proposed system is applicable to offshore wind farms, with an HVDC evacuation link, for the transport of the electricity generated. In the second work, it´s proposed the integration of the electric vehicle as an active element of the electrical system. A six phase synchronous reluctance motor was designed and an innovative control method was applied in order to facilitate the use of the electric vehicle, reducing infrastructure costs and increasing system robustness, autonomy and reliability. For the first topic of the work: Novel control of power converters for wind turbines in offshore systems applied in Diode-HVDC links, the main objectives are focused on:  Weight and size reduction in the HVDC offshore substation link.  Reduce the costs of a typical VSC-HVDC in Offshore substation.  Application to remote areas and offshore wind farms.  Maintain availability of more than 99.97%.  Reduce losses.  Application of the novel control strategy that integrates all the wind turbines in the offshore wind farm. A centralized control is proposed, which allows the use of any commercial wind turbine, without modifying its control. For the second topic of work: application of novel proposed control in a new electric car motor (SynRM), the main objectives focus on:  Safety improvement through components redundancy.  Efficiency enhancement respecting the State of the art.  Propose a novel topology of the power converter to connect to a six-phase motor.  Propose a new direct torque control applied to multiphase machines based on ORS and predictive techniques.  Safety goals definition and fault tolerant converter.  Propose a new concept of electric machine also working as a bidirectional charger. All the contributions have been validated in simulation and experimentally with commercial electric machines and made specifically for the development of this work.