ES2288071B1 - Sistema de generacion distribuida con mejora de la calidad de servicio de la red electrica. - Google Patents
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Abstract
Sistema de generación distribuida con mejora de la calidad de servicio de la red eléctrica; de los que suministran energía eléctrica en un modelo distribuido, siendo capaces de inyectar y absorber energía activa y reactiva a la red mediante filtros y transformadores de potencia compensando diversas perturbaciones; que comprende un equipo de generación de corriente continua; un convertidor de corriente continua a corriente continua; unos medios de almacenamiento de energía de alta velocidad de respuesta en paralelo; y un inversor de corriente continua a corriente alterna que genera energía alterna trifásica partiendo de la energía proporcionada por el equipo generador, siendo regulado el inversor en tensión por medio de un control vectorial que muestrea en contínuo los parámetros de la red para ajustar con elevada velocidad de respuesta las cantidades de potencia activa y reactiva que el sistema debe intercambiar con la red eléctrica para anular o reducir las perturbaciones.
Description
Sistema de generación distribuida con mejora de
la calidad de servicio de la red eléctrica.
La presente invención se refiere a un sistema de
generación distribuida con mejora de la calidad de servicio (Power
Quality en la nomenclatura inglesa) de la red eléctrica
El funcionamiento de los aparatos que utilizan
la energía eléctrica es óptimo, cuando la alimentación eléctrica
presenta valores de tensión y de frecuencia muy próximos a los
asignados (nominales) de dichos aparatos, y además, la onda de
tensión es prácticamente senoidal (ausencia de armónicos). También
es necesario que las interrupciones del servicio eléctrico (cortes)
sean muy poco frecuentes, ya que estas interrupciones causan
perjuicios a los usuarios, perjuicios que en ocasiones son
puramente psicológicos, pero que frecuentemente se traducen en
importantes pérdidas económicas al afectar a la producción de los
procesos industriales.
En las redes eléctricas se presentan diferentes
perturbaciones que modifican las condiciones ideales de la
alimentación eléctrica afectando así más o menos gravemente la
calidad del servicio eléctrico prestado a los usuarios.
Las perturbaciones que más frecuentemente se
presentan en las redes eléctricas y que originan una disminución de
la calidad del servicio eléctrico prestado los consumidores,
son:
- 1.
- Corte de tensión.
- 2.
- Armónicos.
- 3.
- Fluctuaciones de tensión.
- 4.
- Hueco de tensión.
- 5.
- Colapso de tensión.
- 6.
- Variación de frecuencia (aumento y disminución).
- 7.
- Pérdida de grupos generadores por inestabilidad transitoria.
El sistema objeto de la presente invención,
además de generar energía eléctrica, es capaz de eliminar las
perturbaciones citadas.
Para eliminar el primer tipo de perturbación de
la lista anterior, -el corte de tensión-, no hay implementación
práctica en la invención pues se conocen sistemas de alimentación
ininterrumpida (SAI o UPS según la nomenclatura inglesa) que ya la
eliminan. Asimismo tampoco se incluye la implementación destinada a
la compensación de la perturbación n° 2 -armónicos- para cuya
eliminación existen otros medios tecnológicos, tales como filtros
(pasivos y activos), inyección armónica, etc.
Por otra parte la perturbación n° 7 -pérdida de
grupos generadores- no es en sí misma una perturbación manifiesta,
pero puede dar lugar a variaciones de frecuencia y/o de tensión si
el sistema eléctrico no tiene la capacidad de reaccionar
rápidamente ante la pérdida de algún grupo generador.
Estas perturbaciones tienen los siguientes
efectos:
- Fluctuaciones de tensión: Las fluctuaciones de
tensión producen variaciones en el flujo luminoso emitido por las
lámparas, lo que produce el denominado "flicker" (parpadeo).
Este efecto se define como la impresión de inestabilidad de la
sensación visual, debido un estímulo luminoso cuya luminosidad o
reparto espectral fluctúan en el tiempo. Este efecto produce un
incremento de fatiga en las personas, siendo máxima la sensibilidad
para las fluctuaciones de tensión cuyas frecuencias están en la
zona de 8 a 10 Hz.
- Hueco de tensión: La fuerte reducción de la
tensión durante el hueco de tensión hace que los motores
asíncronos disminuyan su velocidad por efecto de la reducción del
par motor, y al finalizar la perturbación los motores reaceleran
absorbiendo una fuerte intensidad que puede producir la desconexión
de la instalación afectada.
- Colapso de tensión: El colapso de tensión
consiste en una caída de tensión permanente en una parte del
sistema eléctrico sometida a una reducción transitoria de tensión,
cuando en esta zona existen consumidores que tienen una
característica de potencia constante. Esta característica hace que
cualquier reducción transitoria de la tensión se incremente y se
mantenga debido al aumento de la corriente absorbida por la
carga.
- Variación de frecuencia: Las variaciones de
frecuencia tienen influencia sobre todo en el funcionamiento de los
motores eléctricos, en los que causa una variación correspondiente
en la potencia absorbida. La importancia de la variación de
potencia depende de la característica mecánica de la máquina
accionada, M = f(\Omega) siendo esta afectación, definida
por el factor influencia fi = \frac{dp/p}{df/f}, máxima para los
accionamientos de bombas centrífugas y ventiladores.
- Pérdida de grupos generadores por
inestabilidad transitoria. En caso de pérdida de carga de un grupo
generador por un defecto en una línea con reenganche, la
aceleración del grupo durante el tiempo de reenganche puede ser tal
que deba ser desconectado después de la reconexión de la línea.
El sistema de generación distribuida de la
invención tiene una constitución que, además de generar energía
eléctrica, resulta óptima para compensar las perturbaciones
descritas.
De acuerdo con la invención, el sistema
comprende un equipo de generación de corriente continua (por
ejemplo, una pila de combustible) o un generador de corriente
alterna, cuya salida se adapta mediante un convertidor CC/CC (o
CA/CC si se trata de un generador de corriente alterna) y está en
paralelo con un equipo de almacenamiento de energía eléctrica de
gran rapidez de respuesta (ultracondensador, batería, bobina
superconductora, etc.). La tensión en el punto común o de conexión
de ambos elementos anteriores se convierte en corriente alterna por
medio de un inversor (convertidor cc/ca), regulado en tensión por
medio de un control vectorial que muestrea en continuo los
parámetros de la red y que permite variar muy rápidamente la
potencia activa y la potencia reactiva que el sistema suministra,
a través de un filtro y un transformador, a la red para compensar
las perturbaciones detectadas.
La figura 1 muestra el esquema general del
sistema de la invención.
Las figuras 2, 3 y 4 muestran la implementación
interna simplificada del control vectorial del inversor del sistema
de la invención para detectar y compensar diferentes tipos de
perturbaciones.
El sistema 1 de la invención es un sistema de
generación de corriente alterna típicamente utilizable en un modelo
de generación distribuida, y que permite compensar las diferentes
perturbaciones referidas controlando de forma independiente los
valores de potencia activa y de potencia reactiva que intercambia
con la red mediante un inversor.
Comprende, en un ejemplo no limitativo de la
invención, una pila de combustible 2 como elemento generador de
energía en un sistema de generación distribuida que junto con el
equipo de almacenamiento 4 de gran rapidez de respuesta, forman un
conjunto que es capaz de suministrar o absorber las cantidades de
potencia activa y de reactiva que sean demandadas para la
compensación de las perturbaciones.
Para ello, su salida se adapta mediante un
convertidor CC/CC 3 que está en paralelo con el equipo 4 de
almacenamiento de energía eléctrica de gran rapidez de respuesta, y
que puede consistir por ejemplo en un ultracondensador, una
batería, una bobina superconductora, etcétera.
La tensión en el punto común de 3 y 4 se
convierte en corriente alterna por medio de un inversor 5 regulado
en tensión por medio de un control vectorial 7 que muestrea en
continuo los parámetros de la red 9, fundamentalmente la tensión y
la frecuencia.
De este modo el sistema puede variar muy
rápidamente la potencia activa y la reactiva que suministra a la
red a través de un filtro 6 y un transformador 8, para compensar
las perturbaciones detectadas.
Con los fasores espaciales de la tensión y la
intensidad, las expresiones de las potencias activa y reactiva
inyectadas en la red resultan P = \frac{2}{3}U_{d}
\cdot I_{d} y Q = \frac{2}{3}U_{d}
\cdot I_{q}, siendo U_{d} la componente del
fasor espacial U sobre el eje "d", I_{d} la
componente del fasor espacial I sobre el eje "d" e
I_{q} la componente del fasor espacial I sobre el eje
"q".
Cuando los valores de la tensión y de la
frecuencia de la red se desvían de sus valores de consigna, el
control 7 del inversor elabora en una primera etapa los valores de
consigna correspondientes de I_{d} e I_{y} a
través de reguladores de característica PI cuyas constantes se
ajustan según las características de la red. En una segunda etapa,
mediante otros reguladores también de característica PI se
determinan las componentes d y q del fasor espacial de la tensión
que debe generar el inversor 5 teniendo en cuenta las componentes d
y q del fasor de tensión de la red y las características R y L del
filtro 6 y el transformador 8 situado entre el inversor y la red
según las relaciones:
U_{convd} =
U_{d} + R \cdot I_{d} + L \cdot \frac{dI_{d}}{dt} - \omega \cdot L
\cdot I_{q};
\hskip1cmU_{conv \ q} = U_{q} + R \cdot I_{q} + L \cdot \frac{dI_{q}}{dt} - \omega \cdot L \cdot I_{d}
\newpage
La regulación en el eje "d" controla la
potencia activa que se intercambia entre el sistema y la red
eléctrica a través del inversor 5, el filtro 6 y el transformador 8
y, mediante este intercambio, se mantiene la frecuencia de la red
en el valor de consigna.
En el eje "q" se realiza el control del
intercambio de potencia reactiva entre el sistema y la red
eléctrica a través de los mismos componentes 5, 6 y 8 y, mediante
este intercambio, se mantiene la tensión de la red en el valor de
consigna.
El control 7 se implementa preferentemente
mediante un procesador digital de señales (DSP).
Para compensar las perturbaciones de tensión
denominadas fluctuaciones de tensión, huecos de tensión y colapso
de tensión es necesario aportar potencia reactiva y hacerlo con una
elevada velocidad de respuesta. El control 7 debe calcular la
potencia reactiva que en cada momento debe ser aportada o absorbida
de la red. Para ello adopta la configuración mostrada de la figura
2.
El valor de la tensión de la red es variable, lo
que obliga a obtener una medida continua de su magnitud ya que es
la variable a controlar. El control 7 implementa por tanto un
circuito operador 10 que efectúa una medida del módulo de la
tensión de la red trifásica en cada ciclo de programa en lugar de
hacerlo cada vez que se alcance un máximo valor instantáneo, para
obtener así un mayor grado de control y de velocidad de
respuesta.
El circuito 10 calcula en cada ciclo de programa
la tensión de la red en coordenadas estáticas Ux y Uy. Con este
procedimiento puede obtenerse el valor de la tensión de red con una
frecuencia 50-100 veces superior a la obtenida
cuando sólo se mide el valor instantáneo máximo, dependiendo de la
extensión del programa de control y, por tanto, de su ciclo de
trabajo.
A continuación un comparador 11 compara este
valor con la referencia de tensión de red 12, generando una señal
de error que un regulador PI (proporcional-integral)
13 transforma en una referencia de potencia reactiva mediante su
equivalente en términos de corriente en cuadratura i_{q}*,
que otro comparador 14 compara con su valor medido por el
correspondiente circuito operador 15, implementándose a la salida
de este segundo comparador 14 otro regulador PI 16 que proporciona
la referencia de tensión en el eje en cuadratura, Usq*, para
inyectar en la red la potencia reactiva necesaria a través del
inversor, sobre el que actúa un modulador de vector espacial
17.
Por otro lado, al no ser completamente
independientes los efectos de las acciones realizadas en los ejes
directo y en cuadratura, debe introducirse un circuito operador 18
para desacoplarlos. En este caso, el efecto del eje en cuadratura
sobre el eje directo se desacopla mediante el término
-\omega.L.I_{q} aplicado a la referencia tensión en el
eje d, Usd*. En el eje d no se realiza un bucle de control al no
ser necesario un control adicional de potencia activa.
El sistema de control para las tres
perturbaciones de tensión consideradas es básicamente el mismo,
cambiando naturalmente las constantes de los reguladores 13 y
16.
Para la compensación de las variaciones de
frecuencia y tensión simultáneas, el control vectorial 7 debe
obtener los valores de potencia activa que debe intercambiarse
entre el sistema y la red para regular las variaciones de
frecuencia, y como se considera que estas perturbaciones van
acompañadas de variaciones de tensión ya que estas perturbaciones
suelen ser originadas por la presencia en la red de cargas
fluctuantes que demandan potencia activa y reactiva variables,
también deben obtener valores de potencia reactiva para compensar
las variaciones de tensión.
Para ello se ha diseñado un control que se
adapta bien a los regímenes transitorios de los procesos que se
dan en los sistemas eléctricos. Su configuración se muestra en la
figura 3. La detección de las variaciones de frecuencia la realiza
mediante la implementación de un comparador 19 que compara la
medida en la red con la frecuencia de consigna 20. El error de
comparación se envía a un regulador PI 21 que genera una consigna
de magnitud igual a la componente de corriente en eje directo,
Id, (proporcional a la potencia activa) necesaria para
reducir el error. El bucle más interno compara el valor de consigna
id* mediante otro comparador 22, con el valor real en la red medido
por el circuito operador 15 y el error de comparación se lleva a un
segundo regulador PI 23. La señal que se obtiene de este segundo
regulador fija la referencia de tensión en el eje directo,
Usd*.
La compensación de las variaciones de tensión la
realiza análogamente al caso anterior (fig 2), mediante un
circuito operador 10 que obtiene el módulo de la tensión de la red
trifásica, el cual es comparado en el comparador 11 con la
referencia de tensión de red 12, generándose una señal de error que
el regulador PI 13 transforma en una referencia de potencia
reactiva mediante su equivalente en términos de corriente en
cuadratura I*_{q}. A continuación comparando este valor en
el comparador 14 con su correspondiente realimentado, i_{q}
obtenido por medio del circuito 15, el valor resultante accede al
segundo regulador PI 16 que proporciona la referencia tensión en el
eje en cuadratura, Usq*, para inyectar en la red la potencia
reactiva necesaria.
Al no ser completamente independientes los
efectos de las acciones realizadas en los ejes directo y en
cuadratura, para desacoplarlos se implementa el circuito operador 18
que introduce el término \omega.L.I_{q} aplicado a la
referencia de tensión en el eje d, Usd* y el circuito operador 24
que introduce el término \omega.L.I_{d} aplicado a la
referencia de tensión en el eje q, Usq*, acometiendo la salida al
modulador de vector espacial 17.
\newpage
La mejora de la estabilidad transitoria de
generadores la realiza el sistema absorbiendo una potencia activa
determinada durante un tiempo también dado cuando se produce la
pérdida de la potencia suministrada por el generador por un fallo
de la línea 9. El control vectorial determina la potencia activa
que debe ser absorbida por el sistema para limitar la aceleración
del generador 25. La ventaja del control vectorial consiste en que
se adapta bien a los regímenes transitorios de los procesos que se
dan en los sistemas eléctricos. La señal que hace intervenir al
sistema es la desconexión del interruptor automático 26 por
actuación de las protecciones. La consigna 27 de potencia activa
que debe absorber el sistema de pila de combustible se transforma
en referencia de corriente en el eje directo id* mediante un
circuito operador 28 cuya salida se conecta a un comparador 29 que
la compara con la intensidad real id en la red medida por el
circuito operador 15, y el error de comparación se lleva al
regulador PI 30. La señal que se obtiene en este regulador fija la
referencia tensión en el eje directo, Usd*.
También, al no ser completamente independientes
los efectos de las acciones realizadas en los ejes directo y en
cuadratura debe introducirse un término para desacoplarlos a través
del circuito operador 24, que desacopla el efecto del eje directo
sobre el eje en cuadratura mediante el término
\omega.L.I_{d} aplicado a la referencia tensión en el
eje q, Usq*. Al igual que los casos anteriores, la salida acomete
al modulador de vector espacial 17, que es el que actúa sobre el
inversor 5.
Descrita suficientemente la naturaleza de la
invención, así como la manera de realizarse en la práctica, debe
hacerse constar que las disposiciones anteriormente indicadas y
representadas en los dibujos adjuntos son susceptibles de
modificaciones de detalle en cuanto no alteren el principio
fundamental.
Claims (10)
1. Sistema de generación distribuida con mejora
de la calidad de servicio de la red eléctrica; del tipo de los que
suministran energía eléctrica en un modelo distribuido, siendo
capaces de inyectar y absorber energía activa y reactiva a la red a
través de filtros y transformadores de potencia para compensar
diversas perturbaciones que afectan a la calidad del servicio
eléctrico; caracterizado porque comprende un equipo de
generación de corriente continua; un convertidor de corriente
continua a corriente continua; unos medios de almacenamiento de
energía de alta velocidad de respuesta conectados en paralelo; y un
inversor de corriente continua a corriente alterna que genera
energía alterna trifásica a partir de la energía proporcionada por
el equipo generador, siendo regulado el inversor en tensión por
medio de un control vectorial que muestrea en continuo los
parámetros de la red al objeto de ajustar con una elevada velocidad
de respuesta las cantidades de potencia activa y reactiva que el
sistema debe intercambiar con la red eléctrica para anular o
reducir las perturbaciones.
2. Sistema según reivindicación 1
caracterizado porque el control vectorial dispone de medios
para identificar y medir las perturbaciones de la red eléctrica
conocidas como fluctuaciones de tensión, hueco de tensión y colapso
de tensión y para actuar sobre el inversor en orden a inyectar
potencia reactiva en la red en la cantidad necesaria para que se
eliminen las perturbaciones.
3. Sistema según reivindicación 1
caracterizado porque el control vectorial dispone de medios
para identificar y medir las perturbaciones de la red eléctrica
conocidas como variaciones de frecuencia, con posibles variaciones
simultáneas de la tensión, y para actuar sobre el inversor en orden
a intercambiar potencia activa y reactiva con la red en la cantidad
necesaria para que se eliminen dichas perturbaciones.
4. Sistema según reivindicación 1
caracterizado porque el control vectorial dispone de medios
para identificar y medir la perturbación de la red eléctrica
conocida como inestabilidad transitoria de un generador eléctrico
para actuar sobre el inversor en orden a absorber una cantidad
determinada de potencia activa durante un tiempo determinado, de
forma que el generador podrá ser conectado a la red una vez
eliminado el fallo en la línea.
5. Sistema según reivindicación 2
caracterizado porque los medios implementados en el control
vectorial para identificar y medir las perturbaciones conocidas
como fluctuaciones de tensión, hueco de tensión y colapso de
tensión, consisten en un circuito operador que obtiene el módulo de
tensión de red trifásica en tiempos muy cortos; un comparador de
dicha tensión con una tensión trifásica de consigna o de
referencia; un regulador PI para obtener la corriente en cuadratura
de referencia; un circuito operador que mide el valor de corriente
en cuadratura en la red; un comparador de la corriente en
cuadratura de referencia con su valor medido; otro regulador PI
para obtener el valor de la tensión en el eje en cuadratura
equivalente a la potencia reactiva a inyectar; un circuito operador
de desacoplo para anular el efecto cruzado sobre la inyección de
potencia activa; y un modulador de vector espacial que actúa sobre
el inversor.
6. Sistema según reivindicación 3
caracterizado porque los medios implementados en el control
vectorial para identificar y medir las perturbaciones conocidas
como variaciones de frecuencia, con posibles variaciones simultáneas
de tensión, consisten en unos medios para identificar y medir las
variaciones de frecuencia constituidos por un comparador de la
frecuencia de red con una frecuencia de consigna o de referencia,
un regulador PI para obtener el valor de la corriente en el eje
directo equivalente a la potencia activa que es necesario
intercambiar para reducir el error, un circuito operador que mide
los valores de las corrientes directa y en cuadratura en la red, un
comparador de la corriente directa obtenida a la salida del
regulador PI con la corriente directa medida, un segundo regulador
PI para obtener el valor de la tensión en el eje directo
equivalente a la potencia activa a intercambiar con la red y un
circuito operador de desacoplo para anular el efecto cruzado sobre
la inyección de potencia reactiva; y unos medios para identificar y
medir las variaciones de tensión que comprenden un circuito
operador que obtiene el módulo de la tensión de red trifásica en
unos tiempos muy cortos, un comparador de dicha tensión con una
tensión trifásica de consigna o de referencia, un regulador PI para
obtener la corriente en cuadratura de referencia, un comparador de
la corriente en cuadratura de referencia con su valor medido en la
red, otro regulador PI para obtener el valor de la tensión en el
eje en cuadratura equivalente a la potencia reactiva a inyectar y
un circuito operador de desacoplo para anular el efecto cruzado
sobre la inyección de potencia activa; actuando ambos medios sobre
un modulador de vector espacial que a su vez actúa sobre el
inversor.
7. Sistema según reivindicación 4
caracterizado porque los medios para identificar y medir la
perturbación de red eléctrica conocida como inestabilidad
transitoria de un generador eléctrico consisten en un circuito
operador que obtiene la intensidad correspondiente a una cantidad
de potencia activa a absorber prefijada en caso de ocurrir esta
anomalía; un circuito operador que mide el valor de la intensidad
directa en la red; un comparador de la intensidad obtenida con la
intensidad medida en la red; un regulador PI que obtiene la tensión
en el eje directo correspondiente a la potencia a absorber; y un
operador de desacoplo para anular el efecto cruzado sobre la
inyección de potencia reactiva, asociados a una señal que activa la
intervención del sistema proveniente de la desconexión del
interruptor automático por actuación de las protecciones, actuando
sobre el inversor a través de un modulador de vector espacial.
8. Sistema según reivindicaciones anteriores
caracterizado porque el control vectorial se implementa
preferentemente mediante un procesador digital de señales.
\newpage
9. Sistema según reivindicación 1
caracterizado porque el equipo de generación consiste
preferentemente en una pila de combustible.
10. Sistema según reivindicación 1
caracterizado porque el equipo de generación de corriente
continua está constituido por un generador de corriente alterna,
cuya salida se adapta mediante un convertidor de corriente alterna
a corriente continua que sustituye al convertidor de corriente
continua a corriente continua.
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