ES2958907A1 - Method of correction and balancing of electrical supply currents and adaptive active microfilter that implements said correction method - Google Patents
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Abstract
Método de corrección y equilibrado de corrientes de suministro eléctrico y microfiltro activo adaptativo que implementa dicho método de corrección. El método incluye la detección de señales de referencia de la red, determinación de las corrientes ineficientes, incluyéndose desfases, asimetrías, distorsiones y armónicos, aplicación de un algoritmo de corrección de una o más de dichas corrientes ineficientes; suministro a la red de las corrientes de compensación determinadas por dicho algoritmo de corrección. El microfiltro incluye un bloque inversor (VSI), una conexión a neutro, una conexión a la red eléctrica mediante inductancias de filtrado de las componentes armónicas de alta frecuencia producidas por la conmutación de los transistores del bloque VSI, conexión de obtención de señales de referencia; un bloque de control con un circuito adaptado para el análisis de tensiones y corrientes medidas, obtención de los valores de las corrientes ineficientes, obtención de factores de escalado en el caso de corrientes saturadas, y un dispositivo de control de corriente, de generación de las corrientes de filtrado en el bloque inversor.Method for correcting and balancing electrical supply currents and adaptive active microfilter that implements said correction method. The method includes the detection of network reference signals, determination of inefficient currents, including phase shifts, asymmetries, distortions and harmonics, application of a correction algorithm for one or more of said inefficient currents; supply to the network of the compensation currents determined by said correction algorithm. The microfilter includes an inverter block (VSI), a connection to neutral, a connection to the electrical network through filtering inductances of the high-frequency harmonic components produced by the switching of the transistors of the VSI block, connection for obtaining reference signals ; a control block with a circuit adapted for the analysis of measured voltages and currents, obtaining the values of the inefficient currents, obtaining scaling factors in the case of saturated currents, and a current control device, for generating the filter currents in the inverter block.
Description
DESCRIPCIÓN DESCRIPTION
Método de corrección y equilibrado de corrientes de suministro eléctrico y microfiltro activo adaptativo que implementa dicho método de corrección Method of correction and balancing of electrical supply currents and adaptive active microfilter that implements said correction method
Sector técn ico Technical sector
La presente invención tiene por objeto un método de corrección y equilibrado de las corrientes de suministro eléctrico y de regulación de las corrientes ineficientes, normalmente en una red de alimentación trifásica, que es capaz de corregir en tiempo real los desequilibrios entre las distintas fases y los desfases entre la tensión y la intensidad, extendiéndose también al alcance de la invención a un microfiltro activo adaptativo que realiza dicha corrección y equilibrado. The purpose of the present invention is a method of correcting and balancing electrical supply currents and regulating inefficient currents, normally in a three-phase power network, which is capable of correcting in real time the imbalances between the different phases and the mismatches between voltage and intensity, also extending the scope of the invention to an adaptive active microfilter that performs said correction and balancing.
Si bien el método y dispositivo propuestos se aplican fundamentalmente a alimentación trifásica, el funcionamiento también es óptimo cuando únicamente existe conexión entre una fase y neutro. Con el debido escalado, es aplicable a unidades de consumo doméstico, industrial, o de nodos de suministro. Although the proposed method and device are mainly applied to three-phase power, operation is also optimal when there is only a connection between one phase and neutral. With due scaling, it is applicable to domestic, industrial consumption units, or supply nodes.
Estado de la técnica State of the art
Es sabido que, en las unidades de consumo, tanto a nivel doméstico como en mayor medida a nivel industrial, las impedancias tienden a ser inductivas, y para que sean más o menos equilibradas se instalan unidades capacitivas que compensen los valores inductivos producidos por la instalación. It is known that, in consumer units, both at the domestic level and to a greater extent at the industrial level, the impedances tend to be inductive, and in order for them to be more or less balanced, capacitive units are installed to compensate for the inductive values produced by the installation. .
El equilibrio en la instalación es fundamental para un aprovechamiento energético de la corriente recibida, evitando o minimizando la corriente reactiva, esto es, un componente de la corriente eléctrica no útil debido al desfase entre tensión e intensidad. Balance in the installation is essential for energy use of the received current, avoiding or minimizing reactive current, that is, a component of the electric current that is not useful due to the phase difference between voltage and intensity.
Los desfases y los desequilibrios son, además, gravosos, por una parte, para el consumidor, porque está pagando una energía total de la que aprovecha solamente una parte, y en la que la energía reactiva se ve frecuentemente penalizada por el suministrador, y por otra para el suministrador, que ocupa una parte de sus redes de suministro con el transporte de una energía no útil, alcanzando la red el límite de transporte con una energía útil menor de la deseable, obteniendo de este modo una menor rentabilidad de la instalación y de la energía transportada. The gaps and imbalances are, furthermore, burdensome, on the one hand, for the consumer, because they are paying for a total energy of which they only use a part, and in which the reactive energy is frequently penalized by the supplier, and by another for the supplier, which occupies a part of its supply networks with the transport of non-useful energy, the network reaching the transport limit with a useful energy lower than desirable, thus obtaining a lower profitability of the installation and of the energy transported.
Las distorsiones, tanto en las líneas de entrada como producidas en la instalación local acentúan el desaprovechamiento energético. Distortions, both in the input lines and those produced in the local installation, accentuate energy waste.
Para tratar de lograr un equilibrio en la instalación, se utilizan filtros activos, cuya funcion es la de compensar la energía que no represente una trasferencia útil de la red eléctrica a las cargas, inyectando en el sistema las corrientes no eficientes consumidas para conseguir que, desde el punto de vista del generador (la misma red eléctrica), el conjunto formado por el filtro activo y el receptor se comporte como una carga eficiente (puramente resistiva). To try to achieve a balance in the installation, active filters are used, whose function is to compensate for the energy that does not represent a useful transfer from the electrical network to the loads, injecting the non-efficient currents consumed into the system to ensure that, From the point of view of the generator (the same electrical network), the set formed by the active filter and the receiver behaves as an efficient load (purely resistive).
No obstante, se presentan algunos problemas fundamentales, siendo uno de ellos que las instalaciones son de funcionamiento variable; cuando hay un conjunto de dispositivos de consumo (máquinas, zonas de iluminación, ...) la aparición de corrientes reactivas es variable en función de los puntos de consumo activos, toda vez que los valores, especialmente inductivos, también son variables y el exceso de valores capacitivos tampoco es una solución al problema. However, some fundamental problems arise, one of them being that the facilities have variable operation; When there is a set of consumption devices (machines, lighting areas,...) the appearance of reactive currents is variable depending on the active consumption points, since the values, especially inductive, are also variable and the excess of capacitive values is not a solution to the problem either.
Dado que las cargas residenciales o comerciales a las que va destinada el microfiltro objeto de la presente invención tienen mucha variabilidad, se proporciona un sistema formado por un método de corrección y equilibrado de corrientes de suministro eléctrico, y un microfiltro activo adaptativo que realiza dicha corrección; capaz de autoajustarse rápidamente en el tiempo, incluso bajo circunstancias donde las corrientes a compensar excedan la corriente nominal del microfiltro (saturación). Para ello, el sistema será capaz de aprender de forma autónoma el comportamiento de las cargas y encontrar las corrientes de compensación óptimas bajo todas las circunstancias sin dejar de funcionar al operar en estados de saturación de corriente. Given that the residential or commercial loads for which the microfilter object of the present invention is intended have a lot of variability, a system is provided consisting of a method of correction and balancing of electrical supply currents, and an adaptive active microfilter that performs said correction. ; capable of self-adjusting quickly over time, even under circumstances where the currents to be compensated exceed the nominal current of the microfilter (saturation). To do this, the system will be able to autonomously learn the behavior of the loads and find the optimal compensation currents under all circumstances without stopping functioning when operating in current saturation states.
Existen dos modos de funcionamiento muy extendidos: There are two widely used modes of operation:
• Modo UPF (Unity Power Factor), o Factor de Potencia Unitario; en este modo el generador trifásico suministrará al conjunto filtro - receptor corrientes en fase y con la misma forma que las tensiones de red en el punto de conexión común (p.c.c). • UPF (Unity Power Factor) Mode, or Unitary Power Factor; In this mode, the three-phase generator will supply the filter-receiver assembly with currents in phase and with the same shape as the network voltages at the common connection point (p.c.c).
• modo SRF (Sinusoidal Reference Frame), o modo de absorción de corriente senoidal; en este modo el filtro activo no tiene en cuenta la forma de las tensiones en el p.c.c. El objetivo es que las corrientes que se consumen de la red sean senoidales y de armónico fundamental. • SRF (Sinusoidal Reference Frame) mode, or sinusoidal current absorption mode; In this mode the active filter does not take into account the shape of the voltages in the p.c.c. The objective is that the currents consumed from the network are sinusoidal and have fundamental harmonics.
En 2000, se definió el estándar IEEE Std. 1459 que permite definir fenómenos presentes en un sistema eléctrico como lo son: potencia útil, desfase, desequilibrio y distorsión, diferenciando entre los fenómenos provocados por el suministro eléctrico y los provocados por las cargas. El estándar define relaciones como factor de potencia y tasas de distorsión armónica, de tensión y de corriente, para su cuantificación lo cual es aplicable al análisis de equipos y redes eléctricas, para información y, en su caso, penalización al usuario por su consumo de energía no eficiente. In 2000, the IEEE Std. 1459 standard was defined, which allows defining phenomena present in an electrical system such as: useful power, phase shift, imbalance and distortion, differentiating between the phenomena caused by the electrical supply and those caused by the loads. The standard defines relationships such as power factor and harmonic distortion rates, voltage and current, for quantification, which is applicable to the analysis of electrical equipment and networks, for information and, where appropriate, penalty to the user for their power consumption. inefficient energy.
El estándar IEEE Std. 1459 aparece en el año 2000 para sustituir las definiciones contenidas en el estándar IEEE Std. 100 [9], demostrando que las definiciones de esta última solo producen resultados correctos cuando las señales son senoidales y la carga está equilibrada. En la actualidad el desarrollo de la electrónica de estado sólido ha llevado a la proliferación de equipos que consumen corrientes con formas de onda muy distorsionadas. Es por ello que los equipos de medida basados en métodos desarrollados para señales senoidales presentan errores significantes cuando trabajan en condiciones no senoidales y desequilibradas. The IEEE Std. 1459 standard appeared in 2000 to replace the definitions contained in the IEEE Std. 100 standard [9], demonstrating that the definitions of the latter only produce correct results when the signals are sinusoidal and the load is balanced. Currently, the development of solid-state electronics has led to the proliferation of equipment that consumes currents with highly distorted waveforms. This is why measurement equipment based on methods developed for sinusoidal signals present significant errors when working in non-sinusoidal and unbalanced conditions.
El estándar IEEE Std. 1459 se basa en la definición de potencia efectiva de Bucholz y en la descomposición de la misma en diferentes términos, relacionando los fenómenos físicos que producen la circulación de energía en la red eléctrica. La potencia aparente efectiva se define en la siguiente ecuación (I): The IEEE Std. 1459 standard is based on Bucholz's definition of effective power and its decomposition into different terms, relating the physical phenomena that produce the circulation of energy in the electrical network. The effective apparent power is defined in the following equation (I):
En las siguientes ecuaciones (II, III) se definen la tensión Ve y la corriente Ie efectivas: The following equations (II, III) define the effective voltage Ve and current Ie:
Donde £, y p se definen igual a 1. De esta forma la potencia aparente efectiva refleja de forma realista las pérdidas en el neutro por efecto de los desequilibrios. Where £, and p are defined equal to 1. In this way the effective apparent power realistically reflects the losses in the neutral due to the effect of unbalances.
La potencia aparente debe incluir todos los fenómenos físicos que se producen en el sistema eléctrico, por ello el estándar IEEE Std. 1459 permite realizar la siguiente descomposición: The apparent power must include all the physical phenomena that occur in the electrical system, therefore the IEEE Std. 1459 standard allows the following decomposition:
Donde en una primera descomposición de la potencia aparente efectiva se puede definir como (IV): Where in a first decomposition of the effective apparent power it can be defined as (IV):
• Potencia aparente efectiva fundamental(Sel),que incluye los fenómenos de transferencia de energía útil, desfase y desequilibrio. • Fundamental effective apparent power (Sel), which includes the phenomena of useful energy transfer, phase shift and imbalance.
• Potencia aparente efectiva armónica (Se«), que engloba el fenómeno de la distorsión. • Harmonic effective apparent power (Se«), which encompasses the distortion phenomenon.
La potencia aparente efectiva fundamental se puede separar en su componente de secuencia directa y el resto, que incluye a las secuencias inversa y homopolar, representando el fenómeno de desequilibrio o asimetría, según la siguiente ecuación (V): The fundamental effective apparent power can be separated into its direct sequence component and the rest, which includes the inverse and homopolar sequences, representing the phenomenon of imbalance or asymmetry, according to the following equation (V):
La componente de secuencia directaSiengloba dos términos (VI, VII): The direct sequence component encompasses two terms (VI, VII):
• La potencia activa fundamental de secuencia directa(P¿),que representa el fenómeno de transferencia de energía útil. • The fundamental direct sequence active power (P¿), which represents the phenomenon of useful energy transfer.
• La potencia reactiva fundamental de secuencia directa(Qf),que representa el fenómeno de desfase. • The fundamental direct sequence reactive power (Qf), which represents the phase shift phenomenon.
De la misma forma la potencia aparente efectiva armónica puede descomponerse en tres términos que se identifican en la siguiente ecuación: In the same way, the harmonic effective apparent power can be decomposed into three terms that are identified in the following equation:
•La potencia efectiva de distorsión de corriente(Del). •The effective current distortion power (Del).
• La potencia efectiva de distorsión de tensión(DeV).• The effective voltage distortion power (DeV).
•La potencia aparente efectiva armónica(SeH).•The harmonic effective apparent power (SeH).
Definiéndose, a partir de estos términos, los factores de distorsión armónica total de tensión(THDeV) y de corriente(THDeI). Defining, from these terms, the total harmonic distortion factors of voltage (THDeV) and current (THDeI).
Esta descomposición permite determinar las ineficiencias provocadas por las cargas conectadas en el sistema y las provocadas por las tensiones del propio sistema de distribución. De esta forma se puede cuantificar las ineficiencias generadas por el usuario y que pueden ser compensadas por el microfiltro activo. This decomposition allows us to determine the inefficiencies caused by the loads connected to the system and those caused by the voltages of the distribution system itself. In this way, the inefficiencies generated by the user can be quantified and that can be compensated by the active microfilter.
La filosofía detrás de la operación del microfiltro es la utilización de la tensión de secuencia directa en el p.c.c. como referencia para el cálculo de las corrientes de compensación del sistema. De esta forma el conjunto formado por la carga y el compensador activo, visto desde el generador, consumirá corriente senoidal en fase con la tensión de secuencia directa en el p.c.c. cumpliendo con la definición de potencia activa fundamental de secuencia directa del estándar IEEE Std. 1459. The philosophy behind the operation of the microfilter is the utilization of direct sequence voltage in the p.c.c. as a reference for the calculation of system compensation currents. In this way, the set formed by the load and the active compensator, seen from the generator, will consume sinusoidal current in phase with the direct sequence voltage in the p.c.c. complying with the definition of direct sequence fundamental active power of the IEEE Std. 1459 standard.
US4755738A describe un aparato para la compensación de la energía reactiva en sistemas de alimentación de corriente alterna, que evalúa separadamente la señal de la fase positiva de la corriente y la de la fase negativa de la corriente, inyectando al sistema corrientes de compensación. Sin embargo, no se evalúan en este caso otro tipo de perturbaciones o desfases por lo que la solución, siendo satisfactoria, no es óptima. US4755738A describes an apparatus for compensating reactive energy in alternating current power systems, which separately evaluates the signal of the positive phase of the current and that of the negative phase of the current, injecting compensation currents into the system. However, other types of disturbances or lags are not evaluated in this case, so the solution, although satisfactory, is not optimal.
LU92371B1 describe un método y medios para la compensación de armónicos en la generación de energía eléctrica, que utiliza una pluralidad de vías derivación en función del armónico encontrado a los que se aplica un filtro especialmente concebido para tal armónico. Además de que esta invención está enfocada tan solo a una pequeña parte del objeto de la invención, los medios empleados y la complejidad de este sistema hace inviable su instalación en un punto de suministro. LU92371B1 describes a method and means for harmonic compensation in the generation of electrical energy, which uses a plurality of derivation paths depending on the harmonic found to which a filter specially designed for such harmonic is applied. In addition to the fact that this invention is focused on only a small part of the object of the invention, the means used and the complexity of this system make its installation at a supply point unfeasible.
Uno de los problemas que aparecen cuando se utilizan equipos de compensación es que estos presentan un límite físico de corriente, ya que el sistema puede estar sometido a condiciones de saturación en las que la corriente no eficiente es mayor que el valor límite de la corriente del equipo de compensación, por lo cual es deseable que la potencia disponible se emplee en la compensación de aquellas ineficiencias que causen un mayor perjuicio sobre la red eléctrica de distribución. One of the problems that arise when compensation equipment is used is that it has a physical current limit, since the system may be subject to saturation conditions in which the inefficient current is greater than the limit value of the current of the compensation equipment, which is why it is desirable that the available power be used to compensate for those inefficiencies that cause greater damage to the electrical distribution network.
Esta consideración debe ser tomada en cuenta para la implementación de un algoritmo capaz de determinar qué ineficiencias están presentes en la red eléctrica, cuál es la mejor forma de actuación sobre ellas y, teniendo en cuenta los recursos disponibles (uno o varios sistemas de compensación activos distribuidos), la gestión de forma eficiente de la máxima potencia disponible en cada uno. This consideration must be taken into account for the implementation of an algorithm capable of determining what inefficiencies are present in the electrical network, what is the best way to act on them and, taking into account the available resources (one or several active compensation systems distributed), the efficient management of the maximum power available in each one.
Por todo ello, se diseña un método de compensación capaz de determinar de forma autónoma y dinámica los diferentes tipos de ineficiencias, basándose en las definiciones del estándar IEEE Std. 1459, presentes en el sistema y, a partir de un algoritmo de optimización, determinar las corrientes y sus factores de escalado que deben generarse para compensar al máximo posible las ineficiencias aprovechando la corriente nominal del microfiltro. For all these reasons, a compensation method is designed capable of autonomously and dynamically determining the different types of inefficiencies, based on the definitions of the IEEE Std. 1459 standard, present in the system and, based on an optimization algorithm, determining the currents and their scaling factors that must be generated to compensate for the inefficiencies as much as possible, taking advantage of the nominal current of the microfilter.
Explicación de la invención Explanation of the invention
Como se ha explicado anteriormente, la presente invención consiste en un método de corrección y equilibrado de corrientes de suministro eléctrico y microfiltro activo adaptativo que realiza dicha corrección. As explained above, the present invention consists of a method for correcting and balancing electrical supply currents and an adaptive active microfilter that performs said correction.
El microfiltro objeto de la presente invención se conecta en paralelo con la carga. The microfilter object of the present invention is connected in parallel with the load.
Diseño y funcionamiento Design and operation
El microfiltro comprende un bloque inversor con fuente de voltaje (VSI) que se implementa utilizando un puente trifásico de tres ramas que normalmente utiliza transistores GaN (Nitruro de Galio). El punto medio del bus DC está conectado al cable de neutro, para permitir el flujo de componentes de corriente de secuencia cero (que incluyen componentes armónicas de frecuencias múltiplos de 3 veces la frecuencia fundamental, desequilibrios y asimetrías). La carga trifásica incluye cargas lineales y no lineales, equilibradas y desequilibradas. The microfilter comprises a voltage source inverter (VSI) block that is implemented using a three-phase three-branch bridge typically using GaN (Gallium Nitride) transistors. The midpoint of the DC bus is connected to the neutral wire, to allow the flow of zero sequence current components (which include harmonic components of frequencies multiples of 3 times the fundamental frequency, imbalances and asymmetries). Three-phase load includes linear and non-linear, balanced and unbalanced loads.
El microfiltro se conecta a la red eléctrica en un punto de conexión común (p.c.c.) mediante inductancias con la finalidad de filtrar las componentes armónicas de alta frecuencia producidas por la conmutación de los transistores del bloque VSI. The microfilter is connected to the electrical network at a common connection point (p.c.c.) through inductances in order to filter the high-frequency harmonic components produced by the switching of the VSI block transistors.
El microfiltro comprende además un bloque de control que se encarga de analizar las tensiones y corrientes medidas, encontrar los valores de las corrientes ineficientes y, en el caso en que estén saturadas, encontrar el valor de los factores de escalado. También se ocupa del control de corriente para generar las corrientes de filtrado en el puente de la fuente de voltaje VSI. The microfilter also includes a control block that is responsible for analyzing the measured voltages and currents, finding the values of the inefficient currents and, if they are saturated, finding the value of the scaling factors. It also deals with current control to generate the filter currents in the VSI voltage source bridge.
Las corrientes de carga se miden aguas abajo del p.c.c. y los voltajes de línea a neutro se miden en el p.c.c. A partir de estas magnitudes, el controlador digital determina las corrientes ineficientes existentes en el sistema y realiza la descomposición de dichas corrientes ineficientes en cada componente de acuerdo al estándar IEEE Std. 1459. Es entonces cuando el controlador digital genera las señales de referencia de entrada al regulador de corriente e implementa el modulador para generar la corriente de compensación mediante el bloque VSI. Las corrientes de salida del filtro se miden antes de las inductancias del microfiltro. De esta forma, dichas medidas están destinadas a la regulación de las corrientes generadas, y son parte del sistema de control y modulación del bloque VSI. The load currents are measured downstream of the p.c.c. and line-to-neutral voltages are measured in the p.c.c. From these magnitudes, the digital controller determines the inefficient currents existing in the system and performs the decomposition of said inefficient currents in each component according to the IEEE Std. 1459 standard. It is then when the digital controller generates the input reference signals. to the current regulator and implements the modulator to generate the compensation current through the VSI block. The filter output currents are measured before the microfilter inductances. In this way, these measures are intended for the regulation of the generated currents, and are part of the control and modulation system of the VSI block.
Como se ha comentado, el sistema que se presenta es un compensador activo mediante inversor trifásico de potencia a tres ramas y cuatro hilos. El control presenta diferentes alternativas para la elección de las corrientes de referencia y a su vez las posibles acciones de compensación: As mentioned, the system presented is an active compensator using a three-phase power inverter with three branches and four wires. The control presents different alternatives for the choice of reference currents and, in turn, possible compensation actions:
• Compensación del desfase. • Lag compensation.
• Compensación de la asimetría. • Compensation of asymmetry.
• Compensación de la distorsión. • Distortion compensation.
• Compensación de cualquier combinación de las tres. • Compensation for any combination of the three.
• Compensación óptima bajo circunstancias de saturación de corriente. • Optimal compensation under current saturation circumstances.
De acuerdo a las definiciones del estándar 1459, la potencia útil de un sistema o instalación se cuantifica mediante la potencia activa fundamental de secuencia directa. Las corrientes de referencia a inyectar por el filtro activo vendrán dadas por aquellas corrientes que circulen por la instalación y que no contribuyan a dicha potencia. A continuación, se describe el proceso de obtención de las corrientes necesarias para el filtrado de las potencias ineficientes. According to the definitions of the 1459 standard, the useful power of a system or installation is quantified by the fundamental direct sequence active power. The reference currents to be injected by the active filter will be given by those currents that circulate through the installation and that do not contribute to said power. Next, the process of obtaining the currents necessary for filtering inefficient powers is described.
Obtención de corrientes de referencia Obtaining reference currents
Midiendo las corrientes instantáneas de carga ("load” en la formulación) y las tensiones instantáneas en el punto de conexión y, aplicando la transformada discreta de Fourier para el armónico fundamental, se obtienen los armónicos fundamentales de las mismas en módulo (XI) y argumento (XII). By measuring the instantaneous load currents ("load" in the formulation) and the instantaneous voltages at the connection point and, applying the discrete Fourier transform for the fundamental harmonic, the fundamental harmonics of the same are obtained in module (XI) and argument (XII).
Donde el subíndice i representa cada una de las fases del sistema trifásico. Para la obtención de las corrientes se utilizan las mismas expresiones que en (XI) y (XII) pero sustituyendo tensiones por corrientes. Where the subscript i represents each of the phases of the three-phase system. To obtain the currents, the same expressions as in (XI) and (XII) are used but replacing voltages with currents.
A partir de las componentes fundamentales, y utilizando la transformada de Stokvis -Fortescue [9], se obtienen las componentes simétricas para las tensiones de alimentación (XIII) y las corrientes de carga (XIV). From the fundamental components, and using the Stokvis-Fortescue transform [9], the symmetric components for the supply voltages (XIII) and the load currents (XIV) are obtained.
Donde: Where:
Una vez obtenidas la tensión y corriente de secuencia directa se procede al cálculo de las potencias activa y reactiva fundamentales de secuencia directa (P1+, Q1+) como se indica en (VI) y (VII) respectivamente. Once the direct sequence voltage and current have been obtained, we proceed to calculate the fundamental direct sequence active and reactive powers (P1+, Q1+) as indicated in (VI) and (VII) respectively.
Como ya se ha indicado, el fenómeno de desfase se cuantifica mediante la potencia reactiva fundamental de secuencia directa (VII) y se identifica mediante la corriente reactiva fundamental de secuencia directa, como se expresa en (XV). As already indicated, the phase shift phenomenon is quantified by the fundamental direct sequence reactive power (VII) and is identified by the fundamental direct sequence reactive current, as expressed in (XV).
Tomando esta corriente en su forma temporal (XVI) como corriente de referencia para la fase A (considerando configuración trifásica) del filtro activo, será posible realizar la compensación del desfase de la corriente del armónico fundamental con respecto a la referencia de la tensión fundamental de secuencia directa. De esta forma el filtro activo de potencia liberará de esta carga a la red eléctrica. Taking this current in its temporal form (XVI) as the reference current for phase A (considering three-phase configuration) of the active filter, it will be possible to compensate for the phase shift of the fundamental harmonic current with respect to the fundamental voltage reference of direct sequence. In this way, the active power filter will free the electrical network of this load.
Para las fases B y C habría que añadir el desfase correspondiente (-120° y 120°). En adelante se muestran las expresiones para la fase A teniendo en cuenta que son equivalentes para las fases B y C. For phases B and C, the corresponding phase shift (-120° and 120°) should be added. The expressions for phase A are shown below, taking into account that they are equivalent for phases B and C.
Para la compensación del fenómeno de asimetría es necesario realizar un ejercicio de identificación y cuantificación. A partir de (V), es posible determinar la potencia debida a las asimetrías o desequilibrios mediante la ecuación (XVII). To compensate for the asymmetry phenomenon, it is necessary to carry out an identification and quantification exercise. From (V), it is possible to determine the power due to asymmetries or imbalances using equation (XVII).
S2U1 = s 2e1<- ( s ; ) 2>Por lo tanto, la corriente que cuantifica el fenómeno del desequilibrio puede obtenerse como la diferencia entre la corriente efectiva fundamental y la corriente efectiva fundamental de secuencia directa fundamental (XVIII), es decir la corriente compuesta por la fundamental de secuencias inversa y cero. La expresión temporal de la corriente de referencia de la fase A se expone en (IXX). S2U1 = s 2e1<- ( s ; ) 2>Therefore, the current that quantifies the unbalance phenomenon can be obtained as the difference between the fundamental effective current and the fundamental effective direct sequence current (XVIII), that is, the current composed of the fundamental of inverse and zero sequences. The temporal expression of the reference current of phase A is shown in (IXX).
Compensación del fenómeno de distorsión Compensation of distortion phenomenon
Una vez identificados los términos de desfase y asimetría, es posible también obtener la corriente que identifica al fenómeno de la distorsión. El fenómeno de la distorsión viene representado por todas las componentes armónicas de corriente diferentes a la fundamental. Por ello se puede cuantificar mediante la separación de estas corrientes del término global de la corriente de carga. Es decir, es la diferencia entre la corriente efectiva y la corriente efectiva fundamental (XX). Once the phase shift and asymmetry terms have been identified, it is also possible to obtain the current that identifies the distortion phenomenon. The distortion phenomenon is represented by all the harmonic current components other than the fundamental one. Therefore it can be quantified by separating these currents from the global term of the charging current. That is, it is the difference between the effective current and the fundamental effective current (XX).
La ecuación (XXI) define la corriente que debe generar el microfiltro activo para la compensación global de la distorsión. Equation (XXI) defines the current that the active microfilter must generate for global distortion compensation.
Con la finalidad de aprovechar al máximo la corriente máxima del microfiltro se realiza un paso extra de descomposición mediante la transformada discreta de Fourier para la obtención de las componentes armónicas de la corriente. Dado que las componentes armónicas, de acuerdo a su secuencia y fase, pueden contribuir a disminuir la amplitud de la corriente de referencia, la obtención de las componentes individuales ayudará a que el algoritmo de optimización pueda encontrar la combinación de componentes y escalas que permita aprovechar al máximo la corriente nominal del equipo (XXII). In order to make the most of the maximum current of the microfilter, an extra decomposition step is carried out using the discrete Fourier transform to obtain the harmonic components of the current. Given that the harmonic components, according to their sequence and phase, can contribute to reducing the amplitude of the reference current, obtaining the individual components will help the optimization algorithm find the combination of components and scales that allows taking advantage of the maximum nominal current of the equipment (XXII).
Con n indicando las componentes armónicas de la corriente de carga y k el escalado de cada una de las componentes individuales. With n indicating the harmonic components of the load current and k the scaling of each of the individual components.
De esta forma se realizará una compensación selectiva de componentes armónicas de acuerdo con la conveniencia de su compensación para optimizar la corriente de compensación disponible en los microfiltros gobernados. In this way, a selective compensation of harmonic components will be carried out according to the convenience of their compensation to optimize the compensation current available in the governed microfilters.
Mediante la combinación de las corrientes de referencia definidas anteriormente es posible seleccionar el fenómeno o fenómenos a compensar, pudiéndose seleccionar cualquier combinación. Debe tomarse en cuenta que el sistema eléctrico del microfiltro presenta pérdidas asociadas a factores no ideales de los componentes, por lo que la corriente de referencia tendrá una componente de consumo de corriente activa de secuencia fundamental para el mantenimiento de la tensión de operación del bus DC (XXIII). By combining the reference currents defined above it is possible to select the phenomenon or phenomena to be compensated, and any combination can be selected. It must be taken into account that the electrical system of the microfilter presents losses associated with non-ideal factors of the components, so the reference current will have an active current consumption component of fundamental sequence for maintaining the operating voltage of the DC bus. (XXIII).
Implementación del control del VSI Implementation of VSI control
A continuación, se entra en detalle en la implementación de la regulación de corriente del microfiltro, para que, dada una referencia de corriente, el bloque VSI genere las corrientes de compensación calculadas. Para ello se utiliza un control por realimentación del estado. Una vez obtenidas las corrientes de referencia se implementa el lazo de control de corriente que debe conseguir que las corrientes suministradas por el compensador sigan a las corrientes de referencia. Next, we go into detail about the implementation of the microfilter current regulation, so that, given a current reference, the VSI block generates the calculated compensation currents. For this, state feedback control is used. Once the reference currents are obtained, the current control loop is implemented, which must ensure that the currents supplied by the compensator follow the reference currents.
Obteniendo la ecuación del circuito para cada una de las fases de salida del inversor. Se muestra el método propuesto para el diseño del regulador de corriente para la fase A siendo exactamente igual para las otras dos fases (B y C) con solo cambiar los subíndices correspondientes a cada fase en las siguientes expresiones. Obtaining the circuit equation for each of the output phases of the inverter. The proposed method for the design of the current regulator for phase A is shown, being exactly the same for the other two phases (B and C) by only changing the subscripts corresponding to each phase in the following expressions.
Teniendo en cuenta la ecuación del circuito de salida del VSI para la fase A (las otras dos fases son equivalentes, solo hay que sustituir los subíndices por la fase correspondiente B y C). A partir de la ecuación de la tensión del circuito eléctrico equivalente se puede obtener la expresión (XXIV). Taking into account the equation of the VSI output circuit for phase A (the other two phases are equivalent, you just have to replace the subscripts with the corresponding phase B and C). From the equation of the voltage of the equivalent electric circuit, expression (XXIV) can be obtained.
Definiendo el error de corriente como la diferencia entre la corriente de referencia y la corriente medida a la salida del inversor (XXV). Defining the current error as the difference between the reference current and the current measured at the output of the inverter (XXV).
Se puede despejar<ía>(t) de (XXV), y reescribiendo (XXIV) como la expresión en (XXVI): We can solve for<ía>(t) from (XXV), and rewriting (XXIV) as the expression in (XXVI):
Considerando frecuencias de muestreo elevadas (f_m>10kHz), se puede decir que la variación de la derivada del error es prácticamente lineal, pudiéndose cambiar la derivada por el incremento del error, como se indica en (XXVII): Considering high sampling frequencies (f_m>10kHz), it can be said that the variation of the derivative of the error is practically linear, and the derivative can be changed by the increase in the error, as indicated in (XXVII):
Así mismo, para altas frecuencias de conmutación (la tecnología de semiconductores de nitruro de galio permite la conmutación superiores a los 50 kHz) el rizado de corriente de salida del compensador se puede considerar lo suficientemente pequeño, y el incremento del error de corriente es prácticamente igual al error de corriente (XVIII): Likewise, for high switching frequencies (gallium nitride semiconductor technology allows switching above 50 kHz) the output current ripple of the compensator can be considered sufficiently small, and the increase in current error is practically equal to the current error (XVIII):
La estrategia de control propuesta consiste en aplicar unas tensiones en las salidas del alterna del microfiltro (<va>,<vb>, ve) que al enfrentarse a las tensiones de línea generen las derivadas de la corriente de referencia, consiguiendo que se cumpla en todo momento la ecuación (XXIV). Con la ecuación (XXIV) y las equivalentes para las fases B y C se calculan las tensiones de referencia que utilizará el modulador SVPWM para la generación de las señales de disparo del puente inversor. The proposed control strategy consists of applying voltages to the AC outputs of the microfilter (<va>, <vb>, ve) that, when faced with the line voltages, generate the derivatives of the reference current, achieving compliance in at all times the equation (XXIV). Using equation (XXIV) and the equivalent ones for phases B and C, the reference voltages that the SVPWM modulator will use to generate the trigger signals of the inverter bridge are calculated.
El lazo de regulación de corriente tiene además una componente de mantenimiento del bus DC, la cual es calculada a partir de un lazo de regulación de tensión como se muestra en la Figura 8. El diagrama de bloques muestra los lazos de regulación anidados y el sistema dinámico del micro inversor, así como el bloque de modulación SVPWM. The current regulation loop also has a DC bus maintenance component, which is calculated from a voltage regulation loop as shown in Figure 8. The block diagram shows the nested regulation loops and the system. dynamic of the micro inverter, as well as the SVPWM modulation block.
El sistema está dotado de un módulo de sincronización de red basado en filtros generalizados de segundo orden (SOGI) [11] para calcular el ángulo de la componente fundamental de tensión y de esta forma poder realizar la descomposición de las corrientes de carga y lograr la sincronización de las corrientes de referencia. The system is equipped with a network synchronization module based on second-order generalized filters (SOGI) [11] to calculate the angle of the fundamental voltage component and thus be able to perform the decomposition of the load currents and achieve the synchronization of reference currents.
Algoritmo de optimización de las corrientes bajo circunstancias de saturación Current optimization algorithm under saturation circumstances
Cuando las corrientes ineficientes superan la corriente nominal del equipo es necesario establecer un criterio de escalado de las corrientes para evitar que el filtro inyecte corrientes saturadas con la consecuencia de generar más corrientes ineficientes. When the inefficient currents exceed the nominal current of the equipment, it is necessary to establish a current scaling criterion to prevent the filter from injecting saturated currents with the consequence of generating more inefficient currents.
Para ello el microfiltro está dotado de un algoritmo de optimización y una red neuronal perceptrón multicapa y el algoritmo de retropropagación del error -Rumelhart,et al (1986)-para “recordar” los estados. De esta manera a lo largo del tiempo, el microfiltro va aprendiendo cual es la mejor combinación de escalado de las corrientes bajo la circunstancia de saturación. To do this, the microfilter is equipped with an optimization algorithm and a multilayer perceptron neural network and the error backpropagation algorithm - Rumelhart, et al (1986) - to “remember” the states. In this way, over time, the microfilter learns what is the best combination of current scaling under the circumstance of saturation.
Cualquier carga eléctrica, por ejemplo una unidad residencial, está compuesta por un conjunto de dispositivos que consumen electricidad en función de su estado y régimen, si consideramos el PPC como el punto donde esas cargas suman sus corrientes de consumo, podemos asumir que existe una cantidad de estados finitos que dependerán del estado y régimen de todas las cargas de las que está compuesta la unidad residencial, por lo tanto existe la posibilidad de a lo largo del tiempo visitar todos los estados y haber optimizado todos ellos. Any electrical load, for example a residential unit, is composed of a set of devices that consume electricity depending on their state and regime. If we consider the PPC as the point where these loads add up their consumption currents, we can assume that there is a quantity of finite states that will depend on the state and regime of all the loads of which the residential unit is composed, therefore there is the possibility of visiting all the states over time and having optimized all of them.
Como la unidad residencial es susceptible de cambiar en el tiempo (se pueden eliminar, sustituir o añadir elementos) con el sistema de entrenamiento online, la red tiende a olvidar aquellos estados desechados y a recordar de mejor manera los estados actuales, por lo que se adapta a la nueva configuración de la vivienda. As the residential unit is susceptible to change over time (elements can be removed, replaced or added) with the online training system, the network tends to forget those discarded states and remember the current states better, so it adapts to the new configuration of the home.
Breve descripción de los dibujos Brief description of the drawings
Con objeto de ilustrar la explicación de la invención que se describe, adjuntamos a la presente memoria descriptiva cinco hojas de dibujos, en las que en nueve figuras se representa a título de ejemplo y sin carácter limitativo la esencia de la presente invención, y en las que puede observarse lo siguiente: In order to illustrate the explanation of the invention described, we attach to this descriptive report five sheets of drawings, in which nine figures represent by way of example and without limitation the essence of the present invention, and in the the following can be observed:
La figura 1 muestra un diagrama de bloques esquemático del método y del microfiltro de la invención; Figure 1 shows a schematic block diagram of the method and microfilter of the invention;
La figura 2 muestra una conexión genérica de un filtro activo de tres ramas y cuatro hilos; Figure 2 shows a generic connection of a three-branch, four-wire active filter;
La figura 3 muestra un esquema, en diagrama de bloques, del sistema de compensación de ineficiencias, conforme a la invención; Figure 3 shows a block diagram of the inefficiency compensation system, according to the invention;
La figura 4 muestra una primera configuración del microfiltro de la invención para la conversación de cargas trifásicas de 4 hilos; Figure 4 shows a first configuration of the microfilter of the invention for the conversation of 4-wire three-phase loads;
La figura 5 muestra una segunda configuración del microfiltro de la invención para la conversación de cargas monofásicas de 2 hilos; Figure 5 shows a second configuration of the microfilter of the invention for the conversation of 2-wire single-phase loads;
La figura 6 muestra un esquema, en diagrama de bloques, del sistema de control; Figure 6 shows a block diagram of the control system;
La figura 7 muestra un diagrama de bloques del sistema de obtención de las corrientes de referencia; Figure 7 shows a block diagram of the system for obtaining the reference currents;
La figura 8 muestra un esquema del algoritmo de optimización Figure 8 shows a schematic of the optimization algorithm
La figura 9 muestra un diagrama de flujo que sigue el método de optimización de las soluciones candidatas para la compensación de las ineficiencias; Figure 9 shows a flow chart that follows the optimization method of candidate solutions for compensating inefficiencies;
Funcionamiento: Functioning:
Las corrientes se descomponen es sus componentes siguiendo la estrategia mencionada en el subapartado correspondiente. Una vez determinadas las fases y amplitudes de cada componente, se reconstruye la corriente total de referencia, como la suma de todas las corrientes con escalas a valor unitario. The currents are decomposed into their components following the strategy mentioned in the corresponding subsection. Once the phases and amplitudes of each component have been determined, the total reference current is reconstructed, as the sum of all currents scaled to unitary value.
Calculada la corriente de referencia ideal (IriABC), se comprueba si dicha corriente excede la corriente instantánea del filtro. Once the ideal reference current (IriABC) has been calculated, it is checked if said current exceeds the instantaneous current of the filter.
En el caso en que no exceda, las corrientes pasan directamente como referencias al control de corriente del microfiltro. Si dicha corriente excede (estado de saturación), se obtienen los factores de escalado memorizados en la red neuronal y se pasan al control de corriente. De forma paralela, el algoritmo de búsqueda comienza a iterar para encontrar la solución óptima. In the case where it does not exceed, the currents are passed directly as references to the microfilter current control. If this current exceeds (saturation state), the scaling factors memorized in the neural network are obtained and passed to the current control. In parallel, the search algorithm begins to iterate to find the optimal solution.
Búsqueda de los factores de escala de las ineficiencias Search for scaling factors of inefficiencies
El algoritmo de optimización de las corrientes funciona mediante una búsqueda en árbol iterativa, como puede verse en la figura 8. The stream optimization algorithm works through an iterative tree search, as can be seen in Figure 8.
En función de si se ha establecido prioridad o no a la mitigación de las ineficiencias D Q U, el proceso de optimización calcula las soluciones candidatas con criterios distintos. En la figura 9 se muestra el flujo para obtener las soluciones candidatas. Depending on whether mitigation of D Q U inefficiencies has been prioritized or not, the optimization process calculates candidate solutions with different criteria. Figure 9 shows the flow to obtain the candidate solutions.
Búsqueda sin prioridad Search without priority
En el escalado sin prioridad, partiendo de las corrientes de referencia calculadas en el aparatado III- A, es decir las corrientes ideales, en cada iteración, se multiplica la amplitud de la componente n por un factor Fx (e.g. 0.99). De las N posibles soluciones, se elige aquella que habiendo reducido más el exceso de corriente, maximice el área bajo la curva, es decir, la que más potencia posea. De esta manera el criterio de escalado corresponde con el máximo aprovechamiento de la potencia nominal del microfiltro sin exceder su corriente nominal. Este proceso, se repite de forma iterativa hasta que la corriente pico alcanza el valor de la corriente nominal del microfiltro. Por lo que la solución elegida en cada paso viene determinada por las siguientes condiciones: In scaling without priority, starting from the reference currents calculated in section III-A, that is, the ideal currents, in each iteration, the amplitude of the n component is multiplied by a factor Fx (e.g. 0.99). Of the N possible solutions, the one that, having reduced the excess current the most, maximizes the area under the curve is chosen, that is, the one that has the most power. In this way, the scaling criterion corresponds to the maximum use of the nominal power of the microfilter without exceeding its nominal current. This process is repeated iteratively until the peak current reaches the nominal current value of the microfilter. Therefore, the solution chosen in each step is determined by the following conditions:
A) Min(|Ipico-Imax|), la diferencia entre la corriente pico de la señal y la corriente nominal del filtro debe ser mínima A) Min(|Ipeak-Imax|), the difference between the peak current of the signal and the nominal current of the filter must be minimal
B) Max(Potencia de la señal), la potencia de la señal debe ser máxima (ecuación XXIX). B) Max(Signal Power), the signal power must be maximum (equation XXIX).
Se elige la solución que cumpla ambas condiciones, eligiendo en primer orden la maximización de la potencia, y se sigue expandiendo el árbol hasta que se cumpla Ipico<= Imax. The solution that meets both conditions is chosen, choosing power maximization in the first order, and the tree continues expanding until Ipeak<= Imax is met.
b) Búsqueda con prioridad b) Priority search
En el escalado por prioridad la mejor solución es aquella que incluya más porcentaje de la componente prioritaria. In priority scaling, the best solution is the one that includes the highest percentage of the priority component.
La búsqueda comienza tomando solo la o las componentes prioritarias. A continuación, se escala su amplitud hasta encontrar un valor valido que cumple el criterio de parada, es decir encontrar una solución donde la corriente máxima de la señal a compensar sea menor o igual que la corriente nominal del microfiltro. The search begins by taking only the priority component(s). Next, its amplitude is scaled until a valid value is found that meets the stopping criterion, that is, finding a solution where the maximum current of the signal to be compensated is less than or equal to the nominal current of the microfilter.
Seguidamente tomar como inicio para evaluar la inclusión de las ineficiencias prioritarias de orden n =2 y ver si alguna solución reduce la corriente pico, si es así tomar dicha solución y volver a optimizar la ineficiencia preferente, iterar en los órdenes de prioridad hasta que no existan más componentes a optimizar o que la mejora de una solución en la iteración anterior respecto de la iteración actual sea menor que un umbral de mejora. Next, take as a start to evaluate the inclusion of the priority inefficiencies of order n =2 and see if any solution reduces the peak current, if so, take said solution and optimize the priority inefficiency again, iterate in the priority orders until no There are more components to optimize or the improvement of a solution in the previous iteration with respect to the current iteration is less than an improvement threshold.
(solución nueva - solución anterior|< 0.01) (new solution - old solution|< 0.01)
Finalmente, para ver si se debe reentrenar la red, se compara la solución encontrada mediante el algoritmo de optimización con la solución dada por la red neuronal, calculando el error cuadrático medio, si dicho error es mayor que una tolerancia, se reentrena la red con la nueva solución. Finally, to see if the network should be retrained, the solution found through the optimization algorithm is compared with the solution given by the neural network, calculating the mean square error. If said error is greater than a tolerance, the network is retrained with the new solution.
Claims (1)
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|---|---|---|---|
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2023
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024018106A1 (en) | 2024-01-25 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BA2A | Patent application published |
Ref document number: 2958907 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20240216 |