ES2289954A1 - Compensador de energia reactiva. - Google Patents
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Abstract
Compensador estático de energía reactiva para aerogeneradores con máquina de inducción en jaula de ardilla, en funcionamiento dinámico frente a huecos de tensión en la red eléctrica, que comprende unos medios de control y unos medios de potencia y que está conectado a la red eléctrica en paralelo con un dispositivo de aerogenerador con máquina de inducción en jaula de ardilla; en el que dichos medios de control incluyen una unidad de detección y una unidad de comando y en el que dichos medios de potencia incluyen una unidad de condensador y una unidad de transformador; en el que dichos medios de control analizan tensiones e intensidades y calculan derivadas de tensión y potencias reactivas y activas, comandando de acuerdo con ello dichos medios de potencia, para mantener magnetizados los equipos inductivos y aportar potencia reactiva al punto de conexión común de dicho dispositivo de aerogenerador.
Description
Compensador de energía reactiva.
La presente invención se refiere a un
compensador de energía reactiva.
Más concretamente, se refiere a un compensador
estático de energía reactiva para generadores eólicos con máquina
de inducción en jaula de ardilla, en funcionamiento dinámico frente
a huecos de tensión en la red eléctrica.
Los generadores eólicos o aerogeneradores con
máquina de inducción en jaula de ardilla consumen de la red
eléctrica una cierta cantidad de energía eléctrica reactiva, es
decir, una cierta cantidad de energía eléctrica destinada a generar
el campo magnético que requieren para su funcionamiento los equipos
inductivos incorporados en dichos aerogeneradores.
Si la tensión en la red eléctrica desciende y
dichos aerogeneradores no reciben la energía eléctrica reactiva
necesaria para sus equipos inductivos, en algunos casos los
aerogeneradores se embalan y se llegan a desconectar por
sobrevelocidad, debido a la pérdida de campo de las máquinas de
inducción que incorporan.
En otros casos, dependiendo de las condiciones
operativas existentes y de las características estructurales, si la
tensión en la red eléctrica desciende y dichos aerogeneradores no
reciben la energía eléctrica reactiva necesaria para sus equipos
inductivos, el par motor en dichos aerogeneradores afectados
disminuye (pues dicho par motor es, aproximadamente, proporcional
al cuadrado de la tensión), lo que da lugar a un frenado o,
incluso, a la parada del aerogenerador.
Con relación a esto, una necesidad sentida en el
sector de la generación de energía mediante dichos aerogeneradores
es que dichos aerogeneradores mejoren su comportamiento ante
"huecos de tensión".
Un hueco de tensión se produce en la red
eléctrica cuando la tensión de una o más fases cae por debajo de un
límite establecido (convencionalmente a partir del 90% de la
tensión nominal) sin llegar a cero, recuperándose al cabo de un
tiempo determinado (convencionalmente de 10 milisegundos a 1
minuto).
La causa típica de los huecos de tensión es un
fallo en la red eléctrica o en las instalaciones de los clientes
que origina corrientes de cortocircuito en una o más fases.
Cuando ocurre un hueco de tensión, esto es, la
caída de tensión en la red eléctrica durante el tiempo que dura
una falta, dichos aerogeneradores no reciben la energía eléctrica
reactiva necesaria para sus equipos inductivos, lo que da lugar a
los inconvenientes anteriormente citados.
Además, cuando cesa el hueco de tensión, la
magnetización se produce simultáneamente en todos los
aerogeneradores con máquina de inducción en jaula de ardilla de una
instalación industrial, sumándose las intensidades en la
alimentación. Según ciertos estudios, si la duración del hueco es
superior a un segundo, la corriente de magnetización será del orden
de la de arranque en los aerogeneradores afectados, es decir, de
cinco a seis veces la nominal, y este proceso podrá dar lugar a un
nuevo hueco de tensión que demoraría la vuelta al régimen
nominal.
Es deseable por tanto que los equipos inductivos
de dichos aerogeneradores se mantengan sustancialmente
magnetizados durante los "huecos de tensión" asociados, por
ejemplo, a cortocircuitos correctamente despejados, y que soporten,
sin desmagnetizarse sustancialmente, huecos de tensión trifásicos,
bifásicos o monofásicos en el punto de conexión a red con unos
perfiles de magnitud y de duración predeterminados.
La presente invención proporciona por tanto un
compensador de energía reactiva que aborda los problemas
anteriormente mencionados.
En particular, la invención proporciona un
compensador estático de energía reactiva para aerogeneradores con
máquina de inducción en jaula de ardilla, en funcionamiento
dinámico frente a huecos de tensión en la red eléctrica, que
comprende básicamente unos medios de control y unos medios de
potencia y que está conectado a la red eléctrica en paralelo con un
dispositivo de aerogenerador con máquina de inducción en jaula de
ardilla.
Dichos medios de control incluyen una unidad de
detección y una unidad de comando.
Dichos medios de control detectan
fundamentalmente tensiones e intensidades en tiempo real en la
línea de inyección de la potencia eólica de dicho dispositivo de
aerogenerador y en el punto de conexión común, analizan dichos
parámetros y calculan las derivadas de tensión así como las
potencias reactivas y activas en cada momento, y comandan de
acuerdo con ello dichos medios de potencia.
A tal efecto, dichos medios de control están
conectados, por un lado, a la línea de inyección de la potencia
eólica de dicho dispositivo de aerogenerador y al punto de conexión
común y, por otro lado, a dichos medios de potencia.
Dichos medios de control están materializados
preferiblemente mediante un microcomputador.
Por su parte, dichos medios de potencia están
conectados, por un lado, recíprocamente a dichos medios de control
y, por otro lado, a la línea de inyección de la potencia eólica de
dicho dispositivo de aerogenerador, e incluyen una unidad de
condensador y una unidad de transformador.
En régimen permanente y en ausencia de
perturbación o falta en la red, dichos medios de control calculan la
energía reactiva demandada tanto por la red eléctrica como por
dicho dispositivo de aerogenerador, actuando sobre dichos medios de
potencia para que funcionen como un compensador convencional y
discreto de potencias reactivas.
En caso de perturbación en la red que provoque
un hueco de tensión, dichos medios de control actuarán sobre
dichos medios de potencia para que suministren la potencia reactiva
suficiente para que, por un lado, los equipos inductivos
incorporados en dicho dispositivo de aerogenerador se mantengan
sustancialmente magnetizados y, por otro lado, se aporte potencia
reactiva al punto de conexión común de dicho dispositivo de
aerogenerador para evitar que en ningún momento se pueda consumir
potencia reactiva de la red eléctrica.
Las características principales de la presente
invención se pondrán de manifiesto a partir de la siguiente
descripción detallada de la misma, proporcionada puramente a modo
de ejemplo ilustrativo y no limitativo, dada con referencia a los
dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 muestra un esquema de montaje que
representa un dispositivo de aerogenerador que incluye un
compensador de energía reactiva de acuerdo con la invención y un
dispositivo de aerogenerador que no incluye un compensador de
energía reactiva de acuerdo con la invención, unidos al mismo punto
de conexión común;
la figura 2 muestra un gráfico que representa un
perfil concreto de un hueco de tensión; y
la figura 3 muestra un gráfico que representa la
respuesta del compensador de energía reactiva de acuerdo con la
invención ante el hueco de tensión de la figura 2.
Haciendo referencia a la figura 1, en ella se
muestra un conjunto 10 que comprende un dispositivo 20 de
aerogenerador provisto de un compensador de energía reactiva de
acuerdo con la invención, unido dicho conjunto 10 al sistema
eléctrico 100 mediante un punto de conexión común PCC.
El experto en la técnica entenderá que uno o más
conjuntos análogos al conjunto 10 pueden estar unidos al punto de
conexión común PCC, opcionalmente en combinación con uno o más
dispositivos de aerogenerador desprovistos de un compensador de
energía reactiva de acuerdo con la invención, sin por ello salir
del alcance de la presente invención.
Asimismo, se entenderá que el conjunto 10 puede
comprender varios dispositivos 20 de aerogenerador acoplados todos
en paralelo a un mismo compensador de energía reactiva de acuerdo
con la invención, sin por ello salir tampoco del alcance de la
presente invención.
Concretamente, la figura 1 muestra un conjunto
10 que incluye, por un lado, un dispositivo 20 de aerogenerador
con su aerogenerador A propiamente dicho y su línea B de inyección
de la potencia eólica con su transformador polifásico TP
(habitualmente en forma de convertidor electrónico) y su disyuntor
D1, y, por otro lado, un compensador de energía reactiva de acuerdo
con la invención.
Dicho compensador de energía reactiva está
conectado al punto de conexión común PCC en paralelo con dicho
dispositivo 20 de aerogenerador y comprende, partiendo desde el
punto de conexión común PCC, un primer fusible P1, un transformador
trifásico TM1 de medida (formado por tres trafos monofásicos) y un
segundo fusible P2, seguido de tres líneas L1, L2 y L3a en
disposición radial, que incluyen cada una un fusible P3, P4 y P5,
respectivamente.
Dichas líneas L1, L2 y L3a, ésta última en común
con una línea L3b que viene desde un trafo T1 de corriente de
medida, interpuesto entre el punto de conexión común PCC y dicho
dispositivo 20 de aerogenerador, generan una señal M1 de tensión
V1, una señal M2 de pendiente de tensión dV/dt y una señal M3 de
potencia reactiva Qr, respectivamente; señales que, por medio de
cada una de dichas líneas L1, L2 y L3a+L3b, son alimentadas a unos
medios de control, materializados en esta realización mediante un
microcomputador 30.
Dicho microcomputador 30 alimenta a su vez una
señal M5 mediante una línea L5 a unos medios 40 de potencia.
Dichos medios 40 de potencia incluyen un
transformador que comprende básicamente, de la manera habitual, un
juego de tiristores en antiparalelo, designado en su conjunto con
el 50, y un inductor 60.
Desde dichos medios 40 de potencia, salen tres
ramas: una primera rama (que es parte de dichos medios 40 de
potencia) está conectada a tierra con la interposición de un
interruptor W y una batería C de condensadores (en este orden desde
dicho transformador 50, 60), una segunda rama está conectada
directamente a tierra, y una tercera rama está conectada al
dispositivo 20 de aerogenerador.
Dicha tercera rama está conectada a dicho
dispositivo 20 de aerogenerador mediante un circuito intermedio que
incluye, partiendo desde dichos medios 40 de potencia, un trafo T2
del que salen dos derivaciones: una S1 que desemboca en un punto
intermedio entre dicho transformador polifásico TP y el
aerogenerador A propiamente dicho, y otra S2 que desemboca en el
disyuntor D1.
Una línea L4, que incluye un transformador
trifásico TM2 de medida y que sale desde un punto de dicha primera
rama situado entre dicho interruptor W y dicha batería C de
condensadores, regresa a dicho microcomputador 30 entregando una
señal M4 de tensión V2. Será evidente para un experto en la técnica
que dicha batería C de condensadores puede ser sustituida por un
único condensador, si ello se adaptase mejor a los requisitos
particulares de la aplicación concreta.
Dicha derivación S1 incluye un disyuntor D2 y
dicha derivación S2 incluye un dispositivo 70 de protección
numérica de sobreintensidad, estando provista una tercera
derivación S3 que pone en contacto dicho dispositivo 70 de
protección numérica de sobreintensidad y dicho disyuntor D2.
Haciendo referencia ahora a las figuras 2 y 3, a
continuación se aborda una perturbación en la red eléctrica que
provoca un hueco de tensión concreto de ejemplo en la tensión de la
red eléctrica.
En ambas figuras, las tensiones se muestran en
forma de ratios con relación al valor nominal, asumiéndose, a modo
de ejemplo, un valor nominal Un de la tensión de la red eléctrica
igual al valor nominal Vn de la tensión de los medios 40 de
potencia.
Dicho hueco de tensión tiene un perfil de
tensión U representado con línea continua en el gráfico de la
figura 2 y que muestra un instante t_{0} de caída instantánea de
la tensión (en el que la tensión baja a un 20% de la tensión
nominal), un intervalo t_{0}-t_{1} (en el que la
tensión se mantiene a un 20% de la tensión nominal), una primera
fase t_{1}-t_{2} de recuperación de la tensión
(en la que la tensión sube hasta un 80% de la tensión nominal) y
una segunda fase t_{2}-t de recuperación de la
tensión (en la que la tensión sube ya hasta su valor nominal), en
donde la duración de la primera fase
t_{1}-t_{2} es menor que la duración de la
segunda fase t_{2}-t.
La figura 3 representa el perfil de tensión V
aportada por dichos medios 40 de potencia, mostrándose superpuesto
con línea discontinua el hueco de tensión representado en la figura
2, con fines comparativos. En esta realización se asume que dichos
medios 40 de potencia no están aportando potencia al sistema en el
momento en el que se inicia el hueco de tensión ilustrado.
Se puede observar que dichos medios 40 de
potencia, actuados por dicho microcomputador 30 al detectar en
tiempo real (mediante las señales M1, M2 y M3) el comienzo de la
falta que origina el hueco de tensión en el instante t_{0},
aumentan la tensión. En particular, a partir de un instante
t_{0}' situado en el intervalo t_{0}-t_{1},
dichos medios 40 de potencia empiezan a aportar, escalonadamente en
correspondencia con la cantidad de elementos activados de la
batería C de condensadores, la potencia reactiva necesaria para
recuperar la tensión en el punto de conexión común PCC, alcanzando
la tensión V el valor nominal Vn de la tensión de los medios 40 de
potencia, y por tanto en este ejemplo también el valor nominal Un
de la tensión de la red eléctrica, en un instante t_{1}' situado
en el intervalo t_{1}-t_{2}.
En régimen permanente y en ausencia de
perturbación o falta en la red, dicho microcomputador 30 calcula la
energía reactiva demandada tanto por la red eléctrica como por el
dispositivo 20 de aerogenerador, en base a dicha señal M3, de modo
que dichos medios 40 de potencia funcionan como un compensador
convencional y discreto de potencias reactivas.
En caso de perturbación en la red que provoca un
hueco de tensión, dicho microcomputador 30 actúa sobre dichos
medios 40 de potencia para que suministren la potencia reactiva
suficiente para que, por un lado, los equipos inductivos
incorporados en dicho dispositivo 20 de aerogenerador se mantengan
sustancialmente magnetizados y, por otro lado, se aporte potencia
reactiva al punto de conexión común PCC para evitar que en ningún
momento se pueda consumir potencia reactiva de la red
eléctrica.
Una vez superado dicho hueco de tensión, el
compensador de energía reactiva de acuerdo con la invención vuelve
a dicha configuración en la que funciona de nuevo como un
compensador convencional y discreto de potencias reactivas.
Naturalmente, permaneciendo igual el principio
de la invención, las formas de realización y los detalles de
construcción se pueden variar ampliamente con respecto a los
descritos e ilustrados aquí puramente a modo de ejemplo no
limitativo, sin por ello salir del alcance de la invención como se
define en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (13)
1. Un compensador de energía reactiva,
concretamente un compensador estático de energía reactiva para
aerogeneradores con máquina de inducción en jaula de ardilla, en
funcionamiento dinámico frente a huecos de tensión en la red
eléctrica, caracterizado porque está conectado a la red
eléctrica en paralelo con al menos un dispositivo (20) de
aerogenerador con máquina de inducción en jaula de ardilla, que
incluye su aerogenerador (A) propiamente dicho y su línea (B) de
inyección de potencia eólica con un transformador polifásico (TP) y
un disyuntor (D1), y porque comprende unos medios (30) de control y
unos medios (40) de potencia, incluyendo dichos medios (30) de
control una unidad de detección, que detecta tensiones e
intensidades en tiempo real en dicha línea (B) de inyección de
potencia eólica y en el punto de conexión común (PCC) y analiza los
valores detectados y calcula las derivadas de tensión y las
potencias reactivas y activas en cada momento, y una unidad de
comando, que comanda consiguientemente dichos medios (40) de
potencia, estando conectados dichos medios (30) de control, por un
lado, a dicha línea (B) de inyección de potencia eólica y al punto
de conexión común (PCC) y, por otro lado, a dichos medios (40) de
potencia, incluyendo dichos medios (40) de potencia una unidad (C)
de condensador y una unidad (50, 60) de transformador, estando
conectados dichos medios (40) de potencia, por un lado,
recíprocamente a dichos medios (30) de control y, por otro lado, a
dicha línea (B) de inyección de potencia eólica.
2. Compensador de energía reactiva de acuerdo
con la reivindicación 1, en el que dichos medios de control
comprenden un microcomputador (30).
3. Compensador de energía reactiva de acuerdo
con una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, en el que dicha
unidad (C) de condensador y dicha unidad (50, 60) de transformador
están conectadas con la interposición de un interruptor (W).
4. Compensador de energía reactiva de acuerdo
con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que
dicha unidad de transformador comprende un juego (50) de tiristores
en antiparalelo y un inductor (60).
5. Compensador de energía reactiva de acuerdo
con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que
dicha unidad (C) de condensador comprende o bien un condensador o
bien una pluralidad de condensadores.
6. Compensador de energía reactiva de acuerdo
con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que
dichos medios (30) de control están conectados al punto de conexión
común (PCC) en paralelo con dicho dispositivo (20) de aerogenerador
mediante un montaje que comprende, partiendo desde el punto de
conexión común (PCC), un primer fusible (P1), un transformador
trifásico (TM1) de medida y un segundo fusible (P2), seguido de una
primera línea (L1), una segunda línea (L2) y una tercera línea
(L3a) en disposición radial, que incluyen cada una un fusible (P3,
P4, P5); y en el que dichos medios (30) de control están conectados
a dicha línea (B) de inyección de potencia eólica mediante una
cuarta línea (L3b) que viene desde un trafo (T1) de corriente de
medida dispuesto en dicha línea (B) de inyección de potencia
eólica; entregando dicha primera línea (L1) una primera señal (M1)
a dichos medios (30) de control, entregando dicha segunda línea
(L2) una segunda señal (M2) a dichos medios (30) de control y
entregando conjuntamente dichas tercera y cuarta líneas (L3a, L3b)
una tercera señal (M3) a dichos medios (30) de control.
7. Compensador de energía reactiva de acuerdo
con la reivindicación 6, en el que dicho transformador trifásico
(TM1) de medida comprende tres trafos monofásicos.
8. Compensador de energía reactiva de acuerdo
con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que
dichos medios (30) de control y dichos medios (40) de potencia
están conectados entre sí mediante una línea (L4), que transmite
una cuarta señal (M4) desde dichos medios (40) de potencia hasta
dichos medios (30) de control, y una línea (L5), que transmite una
quinta señal (M5) desde dichos medios (30) de control hasta dichos
medios (40) de potencia.
9. Compensador de energía reactiva de acuerdo
con la reivindicación 8, en el que dicha línea (L4) incluye un
transformador trifásico (TM2) de medida.
10. Compensador de energía reactiva de acuerdo
con una cualquiera de las reivindicaciones 3 ó 4 a 9 cuando
dependen de la 3, en el que dicha línea (L4) sale de dichos medios
(40) de potencia desde un punto situado entre dicho interruptor (W)
y dicha unidad (C) de condensador.
11. Compensador de energía reactiva de acuerdo
con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que
dichos medios (40) de potencia están conectados a dicha línea (B)
de inyección de potencia eólica mediante un circuito intermedio que
incluye, partiendo desde dichos medios (40) de potencia, un trafo
(T2) del que salen dos derivaciones, desembocando una derivación
(S1) en un punto intermedio entre dicho transformador polifásico
(TP) y dicho aerogenerador (A) propiamente dicho y desembocando la
otra derivación (S2) en dicho disyuntor (D1), incluyendo dicha
derivación (S1) un disyuntor (D2) e incluyendo dicha derivación
(S2) un dispositivo (70) de protección numérica de sobreintensidad,
estando provista una tercera derivación (S3) que pone en contacto
dicho dispositivo (70) de protección numérica de sobreintensidad y
dicho disyuntor (D2).
12. Método de funcionamiento de un compensador
de energía reactiva, concretamente un compensador estático de
energía reactiva para aerogeneradores con máquina de inducción en
jaula de ardilla, en funcionamiento dinámico frente a huecos de
tensión en la red eléctrica, de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, en
régimen permanente y en ausencia de perturbación o falta en la red,
dichos medios (30) de control calculan la energía reactiva
demandada tanto por la red eléctrica como por dicho dispositivo
(20) de aerogenerador en base dicha tercera señal (M3) y actúan
dichos medios (40) de potencia mediante dicha quinta señal (M5)
para que dichos medios (40) de potencia funcionen como un
compensador convencional y discreto de potencias reactivas; y, en
caso de perturbación en la red que provoca un hueco de tensión,
dichos medios (30) de control detectan en tiempo real mediante las
primera, segunda y tercera señales (M1, M2, M3) el comienzo de la
falta que origina el hueco de tensión y actúan sobre dichos medios
(40) de potencia mediante dicha quinta señal (M5) para que aumenten
la tensión y suministren la potencia reactiva suficiente para que,
por un lado, los equipos inductivos incorporados en dicho
dispositivo (20) de aerogenerador se mantengan sustancialmente
magnetizados y, por otro lado, se aporte potencia reactiva al punto
de conexión común (PCC) para evitar que en ningún momento se pueda
consumir potencia reactiva de la red eléctrica, volviendo el
compensador de energía reactiva a dicha configuración en la que
funciona como un compensador convencional y discreto de potencias
reactivas una vez superado dicho hueco de tensión; recibiendo
dichos medios (30) de control dicha cuarta señal (M4).
13. Método de funcionamiento de un compensador
de energía reactiva de acuerdo con la reivindicación 12, en el
que, en caso de perturbación en la red que provoca un hueco de
tensión, dichos medios (40) de potencia aumentan la tensión
escalonadamente.
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