ES2402465B1 - Controlador de admitancia virtual basado en convertidores estáticos de potencia. - Google Patents

Controlador de admitancia virtual basado en convertidores estáticos de potencia. Download PDF

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Abstract

La presente invención se refiere a un controlador de admitancia virtual basado en convertidores estáticos de potencia, que comprende un lazo de control en cuya entrada se inyecta la diferencia de tensión existente entre una tensión interna virtual (e) y la tensión existente en el punto de la red al que está conectado (v) y esa diferencia de tensiones alimenta a un procesador de admitancia virtual (13) que es el encargado de determinar el valor de una corriente de referencia (i*) que comunica a una fuente de corriente (14) la cual se encarga de inyectar físicamente dicha corriente a la red (15).

Description

CONTROLADOR DE ADMITANCIA VIRTUAL BASADO EN CONVERTIDORES
ESTÁ TIC OS DE POTENCIA
Sector técnico de la invención
5
Esta invención pertenece al sector técnico de los controladores de la característica
eléctrica basados en convertidores estáticos de potencia para plantas de energía
renovable, especialmente útil en plantas de generación fotovoltaica, que permite
ofrecer funcionalidades avanzadas para mejorar la conexión de dichas plantas a la
red eléctrica.
1 O
Antecedentes de la invención
Las fuentes de energía renovable, principalmente las centrales eólicas (EOL) y
fotovoltaicas (FV), han dejado de ser un recurso marginal en la generación de energía
eléctrica. Los generadores de las plantas FV utilizan convertidores de potencia para
conectarse a la red eléctrica. Estos convertidores de potencia, también llamados
15
inversores, inyectan corriente sobre la tensión de la red para suministrar potencia a la
misma. En condiciones normales de operación, los inversores FV inyectan corrientes
sinusoidales en la red, monofásicas o trifásicas, dependiendo del rango de potencia
del generador. Normalmente, las corrientes inyectadas en la red suelen ser
sinusoidales y están en fase con las tensiones del punto de acoplo para maximizar la
20
potencia activa generada. Actualmente, no existen en el mercado, al menos no de
forma generalizada, inversores FV que inyecten corrientes en cuadratura con las
tensiones de red, lo que permite controlar la potencia reactiva inyectada en la red con
el objetivo de regular el nivel de tensión en el punto de acoplo.
Cuando la tensión de red se ve afectada por alguna perturbación, como desequilibrios,
25
transitorios o armónicos, lo cual es algo habitual en las redes eléctricas, los inversores
FV convencionales experimentan problemas para permanecer adecuadamente
sincronizados con la tensión de red, lo que da lugar a flujos descontrolados de
potencia que pueden hacer que el inversor FV empeore aún más la situación de falla
en la red. Ante perturbaciones de red más graves, como huecos de tensión,
30
cortocircuitos u oscilaciones de potencia, los inversores FV convencionales no pueden
ofrecer un soporte adecuado a la red eléctrica para ayudar a mantener el sistema de
generación activo. Es más, estas perturbaciones transitorias graves suelen provocar la
desconexión de red de la mayoría de los inversores FV comerciales debido al disparo
de alguna de sus protecciones de sobrecorriente o sobretensión.
35
Para minimizar estos inconvenientes, son conocidos en el estado de la técnica los
generadores síncronos virtuales, que tratan de emular el comportamiento de un
generador síncrono convencional. La función eléctrica básica de salida de un
generador sincrónico puede ser descrita por la ecuación (1) que se muestra a
continuación:
5
,. =e-i · Z : Z = ( R + sL) (1)
Donde Z = (R+sL) es la impedancia de salida, i es la corriente que fluye a través de
esa impedancia, e es la fuerza electromotriz inducida en el estátor y v es el voltaje en
sus bornes.
Esta ecuación puede ser implementada en un convertidor de potencia para imitar la
1 O
función eléctrica del generador sincrónico. En tal caso, la impedancia Z ={R+sL) no
está conectada físicamente a la salida del convertidor, sino que está virtualmente
implementada mediante software. Todas las técnicas existentes en la literatura para
implementar una impedancia virtual a la salida de red conectada a un generador de
potencia eléctrico están basadas en una aplicación directa de la ecuación (1), esto es,
15
la tensión generada a la salida del convertidor de potencia v resulta de restar la caída
de la tensión en dicha impedancia i(R+sL) de la tensión virtual de referencia e. Por
tanto, en todas las técnicas encontradas, el convertidor de potencia actúa como una
fuente de tensión controlada.
La corriente inyectada por el convertidor de potencia debe medirse con el fin de
20
calcular la caída de tensión en la impedancia virtual. En algunos casos, se implementa
un lazo interno de control de corriente para proteger al convertidor de potencia en caso
de cualquier sobrecarga de corriente y garantizar un mejor seguimiento del voltaje de
referencia v*. La implementación del lazo de corriente interna no está directamente
relacionada con la implementación de la característica de impedancia virtual del
25
convertidor de potencia.
Todas estas técnicas convencionales que aplican el concepto de impedancia virtual
según la ecuación (1) presentan problemas graves de control cuando la corriente
medida i está afectada por armónicos o transitorios. Esto se debe al hecho de que es
necesario procesar un término derivativo (sL) para calcular la caída de tensión en la
30
impedancia de salida, lo que hace que los sistemas sean muy sensibles a las
perturbaciones de armónicos, transitorios, desequilibrios... Algunas técnicas
reportadas en la literatura utilizan filtros para atenuar los componentes de alta
frecuencia en la medida de corriente; sin embargo, esta solución inhibe la respuesta
del convertidor de potencia para soportar la red frente a ese tipo de perturbaciones y puede incluso reducir el margen de estabilidad del sistema en casos particulares. Algunos de los documentos en los que se muestra la implementación de la impedancia virtual para obtener la tensión de salida del convertidor se encuentran las publicaciones siguientes: -Yao, W.; Chen, M.; Matas, J.; Guerrero, J. M.; Qian, Z.-M. quot;Design and Analysis of
the Droop Control Method for Parallel lnverters Considering the lmpact of the Complex lmpedance on the Power Sharing,quot; Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol.58, no.2, pp.576-588, Feb. 2011.
-
Guerrero J. M. et al. en su publicación quot;Output lmpedance Design of Parallei-Connected UPS lnverters With Wireless Load-Sharing Control,quot; Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol.52, no.4, pp. 1126-1135, Aug. 2005.
-
L. Yun Wei and K. Ching-Nan, quot;An Accurate Power Control Strategy for Power-Eiectronics-lnterfaced Distributed Generation Units Operating in a Low-Voltage Multibus Microgrid,quot; Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 24, pp. 2977-2988, 2009.
-
M. A Aghasafari, L. A C. Lepes, and S. Williamson, quot;Frequency regulation and enhanced power sharing in microgrids including modified droop coefficients and virtual resistancesquot; presented at Electrical Power & Energy Conference (EPEC), 2009 IEEE, 2009.

La presente invención propone un nuevo concepto de controlador de la característica eléctrica para solucionar los inconvenientes anteriormente mencionados. Descripción de la invención El controlador de admitancia virtual basado en convertidores estáticos de potencia reivindicado es un nuevo concepto de control de plantas de energía renovable de última generación que permite ofrecer funcionalidades avanzadas para mejorar la integración de dichas plantas en la red eléctrica. Este controlador comprende un lazo de control eléctrico, que hace posible el ajuste de parámetros en línea con la finalidad de mejorar el funcionamiento de un generador de potencia bajo condiciones de operación. En dicho lazo se implementa una admitancia virtual, al contrario de lo que ocurre en los controladores de la característica eléctrica convencionales, en los que se implementa una impedancia. En la entrada del lazo de control se inyecta la diferencia de tensión existente entre una tensión interna virtual y la tensión existente en el punto de conexión red del convertidor de potencia. Esa diferencia de tensiones alimenta una admitancia virtual que es la
encargada de determinar la corriente que el convertidor de potencia ha de inyectar a la
red.
Su principio de funcionamiento, como se ha comentado anteriormente, se basa en el
concepto físico inverso al que se aplica en las técnicas convencionales. La ecuación
5
(2) muestra la expresión que permite implementar la admitancia virtual a la salida de
convertidor de potencia conectado a la red.
Y= 1 R+sL (.:!)
Esta expresión muestra que la referencia de corriente que debe ser inyectada en la red
1 O
resulta de multiplicar la admitancia virtual por la diferencia entre la tensión virtual de
referencia e y la tensión en el punto de acoplo a red v. En este caso, el convertidor
de potencia basado en controlador de admitancia virtual actúa como una fuente de
corriente controlada. Por lo tanto, al contrario que las técnicas convencionales, que
implementan una fuente de tensión, en el controlador objeto de la presente invención,
15
el convertidor de potencia conectado a red se regula mediante un lazo de control de
corriente.
La característica eléctrica del controlador de admitancia virtual descrita por la ecuación
(2) presenta, de forma natural, una característica de filtrado de paso bajo, lo que
implica que el controlador de admitancia virtual ofrece un comportamiento más robusta
20
y estable ante la presencia de armónicos de alta frecuencia que otras técnicas de
control convencionales.
Asimismo, el controlador de admitancia virtual objeto de esta invención permite la
adaptación automática de los parámetros del lazo de control eléctrico para optimizar la
respuesta del convertidor electrónico de potencia, fijando diferentes valores de
25
admitancia virtual para cada rango de frecuencia y, en el caso de sistemas trifásicos,
una admitancia virtual para cada secuencia directa, inversa y homopolar. De esta
manera, a la frecuencia fundamental de red (frecuencia nominal operativa) se inyecta
una elevada corriente y a las demás frecuencias, frecuencias de armónicos,
transitorios ... , se inyecta la corriente que minimice la perturbación. Esta característica
30
de la presente invención resulta en un avance significativo respecto a otras técnicas
convencionales, que trabajan con el uso de un único valor de impedancia.
Para conocer el estado de la red en cada momento, el controlador mide las tensiones
y corrientes en el punto de acoplo, ya que estas variables reflejan el flujo de armónicos
de corriente a través de las líneas.
El valor de la admitancia virtual para cada rango de frecuencias puede modificarse de acuerdo con los requerimientos establecidos por el operador de la red en cada momento. En la mayoría de los casos estas admitancias tendrán una característica resistiva o inductiva. Cabe decir que, incluso en el caso de establecer un valor resistivo, esta admitancia virtual no dará lugar a una reducción en la eficiencia de generador electrónico, puesto que estas pérdidas de energía son virtuales también. En resumen, el controlador de admitancia virtual de la presente invención trabaja con referencias de corriente, en lugar de hacerlo con referencias de tensión (los generadores síncronos emplean referencias de tensión y, en consecuencia, así lo hacen los controladores síncronos virtuales convencionales que intentan emularlos) y con una admitancia virtual, en lugar de trabajar con una impedancia virtual (en los generadores síncronos la relación tensión-corriente es a través de una impedancia y, en consecuencia, los controladores convencionales que lo emulan basan su funcionamiento en el concepto de impedancia virtual).
Descripción de los dibujos
Con el fin de facilitar la comprensión de la presente invención, se acompañan varias figuras donde con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra una representación esquemática simplificada de un circuito eléctrico de un generador síncrono (1 a), junto con la implementación de impedancia virtual usada en técnicas convencionales (1b) y la implementación (1c) de una admitancia virtual usada en el controlador de admitancia virtual objeto de esta invención.
La figura 2 muestra una representación simplificada de un generador electrónico de potencia implementando múltiples admitancias virtuales en el lazo de control eléctrico del controlador de admitancia virtual.

La figura 3 muestra un diagrama del controlador electrónico de admitancia virtual de la presente invención Descripción detallada de una realización preferida A continuación se explica una realización preferida de un controlador de admitancia virtual en base a las figuras representadas. Tal y como se muestra en la figura 1 (e), el controlador de admitancia virtual comprende un lazo de control en cuya entrada se aplica la diferencia de tensión existente entre la tensión interna virtual (e) y la tensión existente en el punto de acoplo con la red (v). Esa diferencia de tensiones alimenta al procesador de admitancia virtual (13) que determina la corriente de referencia (i*) que el convertidor de potencia ha de inyectar a la red (15). Ese valor de corriente de
referencia (i*) se aplica a la fuente de corriente controlada (14), la cual se encarga de
inyectar físicamente dicha corriente en la red (15).
Los valores de los parámetros de admitancia virtual (Y) se adaptan dinámicamente a
las condiciones de la red de potencia.
5
La figura 1 (a) y 1 (b) se refieren al estado de la técnica, En la figura 1 (a) se representa
un circuito eléctrico simplificado de un generador síncrono convencional. La figura 1 (b)
representa la implementación convencional de la impedancia virtual en las técnicas de
control convencionales de generadores eléctricos de potencia.
Tal y como se muestra en la figura 2, el controlador de admitancia virtual presenta
1 O
diferentes comportamientos para los distintos rangos de frecuencia de la entrada, es
decir, los distintos rangos de frecuencia (f1, f2, .. .fn) de la diferencia entre la tensión
interna virtual (e) y la tensión del punto de conexión con la red (v). De esta forma, el
controlador de la invención ofrece una admitancia diferente (Y1, Y2,... Yn) para cada
frecuencia (f1, f2, ...., fn) y secuencia, de manera que a la frecuencia fundamental de
15
red se inyecta una elevada corriente, y a las demás frecuencias, frecuencias de
armónicos, transitorios y desequilibrios, se inyecta la corriente que minimice la
perturbación. Así pues, el controlador de admitancia virtual de la presente invención
se comporta como múltiples generadores de potencia trabajando simultáneamente.
La figura 3 muestra un diagrama del controlador eléctrico de admitancia virtual de la
20
presente invención, que comprende a su vez dos bloques: el controlador de la
característica eléctrica virtual (11) y el controlador adaptativo del valor de la
admitancia virtual (12).
El controlador adaptativo de la admitancia virtual (12), valiéndose de las variables de
entrada de tensión (v) y corriente (i) de red (y/o de cualquier elemento interno del
25
convertidor de potencia), de los parámetros de ajuste para cada rango de frecuencia
( c1, c2, ... , Cn) y los valores de corriente de referencia para cada frecuencia y
secuencia (lt, b*, ... , In*), obtiene el valor de la admitancia que hay que aplicar para
cada frecuencia y secuencia {Y1, Y2, ... Yn).
El controlador de la característica eléctrica virtual (11) es alimentado con los valores
30
de la tensión virtual interna (e), la tensión en el punto de conexión a la red (v) y la
admitancia virtual Y1, Y2, ... Yn) para esa frecuencia y secuencias (que se obtuvo del
controlador adaptativo de la admitancia virtual (12). Con todo ello se obtiene a su
salida el valor de la corriente de referencia (i*) que se ha de suministrar a la fuente de
corriente (14) para que la inyecte físicamente en la red (15).
35
El controlador de admitancia virtual de convertidores estáticos de potencia presentado

en esta invención tiene su aplicación más directa en plantas de energía renovable (especialmente fotovoltaica y eólica), pero no se descarta su uso para otra aplicación que requiera características similares.

Claims (3)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Controlador de admitancia virtual basado en convertidores estáticos de
    potencia conectados a red, caracterizado porque comprende un lazo de control en
    cuya entrada se inyecta la diferencia de tensión existente entre una tensión interna
    5
    virtual (e) y la tensión existente en el punto de la red al que está conectado (v) y esa
    diferencia de tensiones alimenta a un procesador de admitancia virtual (13, Y) que
    es el encargado de determinar el valor de una corriente de referencia (i*) que el
    convertidor estático de potencia, actuando como una fuente de corriente controlada
    (14), debe inyectar físicamente en la red (15), siendo la fórmula que determina
    1O
    dicha corriente la siguiente:
    i=Y·(e-1')
  2. 2. Controlador de admitancia virtual según reivindicación 1 caracterizado
    porque comprende un controlador de la admitancia virtual adaptativo (12), que está
    configurado para:
    15
    -recibir como señales de entrada la tensión (v) y la corriente (i) de la red y/o de
    cualquier elemento interno del convertidor de potencia, así como una serie de
    parámetros de ajuste (c1, c2, ... , Cn) y valores de corriente de referencia (lt, 12*, ... ,
    In*) para cada rango de frecuencia y secuencia y con todo ello
    -generar el valor de la admitancia que hay que aplicar para cada frecuencia y
    20
    secuencia (Y1, Y2, ... Yn).
  3. 3. Controlador de admitancia virtual según reivindicación 2 caracterizado
    porque los parámetros de la admitancia virtual (Y) se adaptan dinámicamente a las
    condiciones de la red de potencia y a otras condiciones de contorno, presentando
    diferentes comportamientos para los distintos rangos de frecuencia de entrada (f1,
    25
    f2, .... , fn). y para las diferentes secuencias de entrada, directa, inversa u homopolar,
    ofreciendo una admitancia (Y1, Y2, ... Yn) diferente para cada frecuencia (f1, f2, .... ,
    fn) y secuencia, por lo que a la frecuencia de red y secuencia directa puedan
    inyectarse corrientes altas y a las demás secuencias y frecuencias de armónicos,
    así como ante transitorios, desequilibrios se inyecten de manera natural las
    30
    corrientes necesarias que minimicen la posible perturbación existente.
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