ES2402467A1 - Controlador de potencia síncrona de un sistema de generación basado en convertidores estáticos de potencia. - Google Patents

Controlador de potencia síncrona de un sistema de generación basado en convertidores estáticos de potencia. Download PDF

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Abstract

Controlador de potencia síncrona de un sistema de generación basado en convertidores estáticos de potencia que comprende dos bloques principales denominados: bloque 1 (bloque eléctrico) (10) y bloque 2 (bloque electromecánico) (20), estando el bloque 1 eléctrico (10) a su vez formado por un controlador de la característica eléctrica virtual (11) y un controlador de la admitancia virtual (12) y el bloque 2 electromecánico (20) formado por un controlador de la característica electromecánica virtual (21) y un controlador de la inercia y del factor de amortiguamiento (22).

Description

CONTROLADOR DE POTENCIA SÍNCRONA DE UN SISTEMA DE GENERACIÓN BASADO EN CONVERTIDORES ESTÁTICOS DE POTENCIA
Sector técnico de la invención
Esta invención pertenece al sector técnico de los controladores 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.
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 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 cantidad de 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, 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, 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. El problema originado por este tipo de comportamiento errante de los sistemas de generación FV convencionales es más acentuado en redes débiles o en redes con un gran porcentaje de plantas FV instaladas, convirtiéndose en redes más inestables.
Un escenario como el anteriormente descrito no ofrece confianza a los operadores de los sistemas eléctricos de potencia -internacionalmente conocidos como TSO (Transmission System Operator), lo que les obliga a planificar y proveer reservas de potencia activa y reactiva a la red, por medio de generación síncrona convencional u otros mecanismos, para disminuir el riesgo de colapso del sistema eléctrico. Obviamente, estas reservas de potencia no son algo gratuito, lo que implica una carga económica extra asociada al aumento de penetración de plantas FV de generación. Para combatir esta situación de inestabilidad, los TSO de todo el mundo son cada vez más exigentes acerca de las prestaciones que deben ofrecer las plantas de generación distribuida basadas en energías renovables. Estas exigencias se materializan en los llamados códigos de red. Este tipo de códigos se suelen aplicar a tecnologías de generación con presencia significativa en el sistema eléctrico. Un claro ejemplo son los estrictos códigos de conexión a red aplicados a los sistemas eólicos de generación, siendo los sistemas FV los siguientes candidatos para ser regulados con este tipo de códigos. Mediante las rígidas exigencias estipuladas en los códigos de red, el TSO pretende que las plantas FV aumenten su funcionalidad y fiabilidad con el objetivo de no tener que pagar a terceros por los servicios auxiliares que le permiten garantizar la estabilidad del sistema eléctrico. En ese caso, será misión de los fabricantes y desarrolladores de sistemas FV modernizar su tecnología para aportar los servicios requeridos, la cual a la postre permitirá incrementar la penetración de los sistemas de energía FV en las redes eléctricas de la siguiente década. Una parte de las líneas de investigación que se encuentran en el estado de la técnica para la mejora de la conexión a red de los convertidores estáticos de potencia, de autores como Qing-Chang Zhong y Lenart Harnefors, se basan en observar el principio de funcionamiento de un generador síncrono y replicarlo mediante el uso de un convertidor estático de potencia. Una serie de artículos seleccionados de dichos autores se refieren a continuación: -Zhong, Q; Weiss, G; quot;Synchronverters: lnverters that Mimic Synchronous Generators,quot; Industrial Electronics, IEEE Transactions on, voi.PP, no.99, pp.1, 201 O.

Weiss, G.; Qing-Chang Zhong; quot;Static synchronous generatorsquot;; Patent, PCT/GB20091051460; WO 20101055322 A2. lnternational Filing Date: 12.11.2008. -Harnefors, L.; quot;Control of a voltage source converter using synchronous machine emulationquot;; Patent, PCT/EP20081061147; WO 20101022766 A1. lnternational Filing Date: 26.08.2008. Lidong Zhang; Harnefors, L.; Nee, H.-P.; , quot;Power-Synchronization Control of Grid-Connected Voltage-Source Converters,quot; Power Systems, IEEE Transactions on , vol.25, no.2, pp.809-820, May 201 O. Otros autores, como Josep M. Guerrero o Karel de Brabandere implementan controladores de potencia activa y reactiva para aplicaciones en las que los convertidores de potencia distribuidos constituyen pequeñas redes de baja tensión, como es el caso de microredes alimentadas por múltiples sistemas de alimentación ininterrumpida. Estos controladores se caracterizan por fijar la referencia de tensión de los convertidores de potencia. Algunos artículos representativos de los mismos son: -J. M. Guerrero, J. C. Vásquez, J. Matas, L. García de Vicuña, and M. Castilla, quot;Hierarchical
Control of Droop-Controlled AC and DC Microgrids -A General Approach Towards

Standardization,quot; IEEE Trans lnd Electronics, 201 O. -De Brabandere, K.; quot;Voltage and frequency droop control in low voltage grids by distributed generators with inverter front-endquot;; Doctoral Thesis, Leuven, Belgie, October 2006, ISBN 90-5682-745-6. En cuanto a patentes presentadas, la solicitud internacional W0201 0055322(A2), de Weiss George [IL]; Zhong Qing-Chang [GB], podría considerarse la más cercana a la invención objeto de esta patente, pues se trata de un controlador que emula fielmente el comportamiento de un generador síncrono convencional. En la mayoría de los trabajos de investigación mencionados anteriormente, se pueden detectar una serie de problemas derivados del intento de replicar fielmente el funcionamiento de un generador síncrono convencional, sin pretender solventar sus inconvenientes inherentes. Entre esos inconvenientes se encuentran la inestabilidad propia del generador síncrono, dificultad de mantener el sincronismo durante fallas o aparición de resonancias con otros elementos de la red. En este sentido, la invención objeto de esta patente supone una solución a los problemas que plantean los inversores comerciales y las plantas de energía renovables convencionales cuando operan bajo condiciones genéricas en la red eléctrica, ofreciendo: -Respuesta optimizada ante una bajada/subida de frecuencia de la red, controlando la potencia activa entregada/recibida de forma que limite dicha variación. -Respuesta optimizada ante una bajada/subida de la tensión eficaz, controlando la potencia reactiva inductiva/capacitiva de forma que limite dicha variación. -Respuesta optimizada ante la perturbación generada por el incremento/reducción de cargas cercanas, soportando su alimentación mediante un incremento/reducción puntual de la corriente inyectada a la red. -Respuesta optimizada ante una distorsión de la forma de onda de tensión, afectada
armónicos, desequilibrios o transitorios, ofreciendo funciones de acondicionamiento de
tensión/corriente que minimicen y amortiguen dichas perturbaciones.
-Respuesta optimizada ante oscilaciones de frecuencia y potencia activa del sistema,
ofreciendo funciones de amortiguamiento que minimicen dichas oscilaciones en el sistema
5
eléctrico.
Descripción de la invención
El Controlador de Potencia Síncrona de un sistema de generación 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
1O
mejorar la integración de dichas plantas en la red eléctrica.
Entre las principales características de una planta basada en este controlador cabe
destacar:
• La capacidad de implementar electrónicamente un sistema avanzado de generación
síncrona, mejorando el comportamiento de los generadores convencionales, el cual no
15
basa su funcionamiento en la efectividad del algoritmo de sincronización con la tensión de
la red, sino que es capaz de conseguir una 'sincronización natural' con otros generadores
de la red eléctrica mediante un intercambio ponderado y controlado de potencia.
• La capacidad de interactuar con la red eléctrica de una forma beneficiosa para la misma,
con independencia del tipo de red (Alta Tensión o Baja Tensión), de la potencia de
20
cortocircuito de la misma o de la característica R/X en el punto de conexión.
• La capacidad de proveer, de manera natural, servicios de soporte a la red eléctrica en
caso de perturbaciones en la misma, implementando los controladores que suministran los
servicios auxiliares que el TSO requiere para garantizar la estabilidad de la red.
• La capacidad de mantener múltiples generadores trabajando en paralelo, conectados a la
25
red principal o formando islas intencionales desconectadas de la misma, tanto en régimen
estable de operación como ante perturbaciones de red, y distribuyéndose de manera
inteligente los servicios suministrados por cada uno de ellos.
• La capacidad de hacer que los múltiples generadores electrónicos que constituyen la
planta basada en este controlador se puedan agrupar de tal forma que dicha planta tenga
30
las mismas variables de control externas y las mismas funcionalidades que un generador
síncrono avanzado con la potencia de la planta. Los servicios auxiliares avanzados que
puede suministrar la planta de generación resultante facilitarán su control operacional por
parte del TSO y aportará características diferenciales que no están disponibles en los
sistemas de generación distribuida convencionales.
35
Para lograr todo ello, el controlador de la invención comprende dos bloques principales

denominados: bloque 1 (bloque eléctrico) y bloque 2 (bloque electromecánico). El bloque 1 o bloque eléctrico, comprende un lazo de control en cuya entrada se inyecta la diferencia de tensión existente entre una fuerza electromotriz virtual interna y la tensión existente en el punto de la red al que está conectado. Esa diferencia de tensiones alimenta una admitancia virtual, que determina la corriente que el inversor ha de inyectar a la red. Los valores de los parámetros de esta admitancia virtual se adaptan dinámicamente a las condiciones de la red. También presenta diferentes comportamientos para los distintos rangos de frecuencias y secuencias del lado AC. De esta forma, el controlador de la invención ofrece una admitancia diferente para cada frecuencia y cada secuencia, ya sea directa, inversa u homopolar. Por consiguiente, el controlador inyecta una elevada corriente de secuencia directa a la frecuencia fundamental de la red, y a las demás frecuencias y secuencias, incluyendo armónicos y transitorios, el controlador inyecta la corriente que minimice la posible perturbación existente. Así pues, a diferencia de lo encontrado en el estudio del estado de la técnica, el bloque 1 trabaja con referencias de corriente, en lugar de hacerlo con referencias de tensión (los generadores síncronos trabajan con referencias de tensión para la fuerza electromotriz inducida y, en consecuencia, los controladores convencionales que los emulan también trabajan con referencia de tensión) y con una admitancia virtual, en lugar de trabajar con una impedancia virtual (en los generadores síncronos, la relación entre la fuerza electromotriz inducida y la corriente circulante viene determinada por una impedancia y, en consecuencia, los controladores convencionales que los emulan también basan su funcionamiento en la existencia de una impedancia virtual). El bloque 2 o bloque electromecánico, a diferencia de lo existente en el estado de la técnica, no se basa en la imitación de la característica electromecánica de un generador síncrono, sino que se configura como un controlador de potencia regulable, el cual permite alcanzar una respuesta óptima para las diferentes perturbaciones y fluctuaciones de potencia de la red. Así pues, este bloque 2 permite ajustar de manera instantánea la inercia y el factor de amortiguamiento del lazo de control de potencia, según interese a cada momento. Este bloque 2 está formado por un lazo de control que comprende un PLC (quot;power loop controller'' o quot;controlador del lazo de potenciaquot;) el cual recibe a la entrada la diferencia entre la potencia de entrada (potencia entregada al convertidor por la fuente primaria) y la potencia entregada a la red, así como referencias de inercias y factores de amortiguamiento, entre otros. Este bloque 2 o controlador de la característica electromecánica, consigue una flexibilidad
para el conjunto del controlador que permite, por ejemplo, reducir la inercia para facilitar la
conexión del generador a la red, o asignar inercias mayores en rangos de frecuencia en los
que se deseen eliminar perturbaciones.
A la salida del PLC se obtiene la frecuencia de la fuerza electromotriz virtual interna, la cual
5
se integra para obtener la fase del vector de fuerza electromotriz virtual interna que, a la
postre, determina un juego de tensiones trifásicas virtuales. Estas tensiones virtuales
alimentan el bloque eléctrico, que es el que finalmente calcula la referencia de la corriente
que se inyectará en la red para intercambiar una determinada potencia con la misma.
Es necesario destacar en este punto que el estudio del estado de la técnica acerca de
1 O
controladores de convertidores de potencia conectados a red para regular la potencia activa
intercambiada con la misma revela que normalmente no se implementa la característica de
inercia en los mismos.
Por otra parte, las referencias encontradas que aplican este concepto se limitan a imitar la
característica electromecánica del generador síncrono convencional, sin introducir ningún
15
tipo de mejora sobre dicho sistema físico. Así, el controlador de potencia síncrona de la
invención presenta una diferencia evidente respecto a las técnicas existentes, ya que se
pueden ajustar en línea y de manera instantánea tanto la inercia como el factor de
amortiguamiento, de acuerdo a las condiciones de funcionamiento.
Por otra parte, el controlador de potencia síncrona de la invención utiliza diferentes valores
20
tanto de inercia virtual como del factor de amortiguamiento para diferentes rangos de
frecuencia, lo que supone un avance importante respecto a otras técnicas existentes.
De esta forma, la respuesta de una planta de generación basada en este controlador puede
ser optimizada para diferentes rangos de frecuencia, simplemente ajustando las referencias
de inercia y el factor de amortiguamiento. En concreto, este tipo de controlador contribuye a
25
la atenuación de fluctuaciones de potencia, armónicos de alta frecuencia, fluctuaciones a
baja frecuencia (modos de red), resonancias, etc ...
En resumen, el conjunto del controlador de potencia síncrona de un sistema de generación
basado en convertidores estáticos de potencia que presenta la invención, se compone de
dos bloques o controladores fundamentales: el controlador de la característica eléctrica
30
virtual y el controlador de la característica electromecánica virtual.
El controlador eléctrico se alimenta de la diferencia entre la fuerza electromotriz virtual
interna y la tensión en el punto de conexión de la red y, variando los parámetros de
admitancia virtual del sistema, según sean las condiciones de la red en cada momento, se
determina la corriente que la planta de generación ha de entregar a la red.
35
El controlador electromecánico se alimenta de la diferencia entre la potencia de entrada al
1o

35
convertidor y la potencia entregada a la red y, variando los parámetros correspondientes a la inercia y el factor de amortiguamiento del sistema, según las condiciones de la red en cada momento, determina la frecuencia de la fuerza electromotriz interna virtual que se ha de generar y que será la que se utilice en el controlador eléctrico. La respuesta del controlador de la invención presenta diferente comportamiento dinámico para los distintos rangos de frecuencia de red. Con todo ello, se consiguen solventar los problemas de interacción con la red de los controladores de convertidores de potencia conectados a red encontrados en el estudio del estado de la técnica, mediante el uso de un controlador más efectivo, dinámico y flexible.
Breve descripción de los dibujos
Con el fin de facilitar la comprensión de la invención, se acompañan varias figuras donde con
carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente: Figura 1, esquema general del controlador de la invención Figura 2, lazo de control del bloque 1 o bloque eléctrico Figura 3, esquema de funcionamiento del bloque 1 frente a distintas frecuencias Figura 4, lazo de controldel bloque 2 o bloque electromecánico Figura 5, esquema de funcionamiento del bloque 2 frente a distintas frecuencias
En dichas figuras, las diferentes referencias que en ellas aparecen tienen los siguiente~ significados: (1 O) Bloque 1, bloque eléctrico
(11)
Controlador de la característica eléctrica virtual
(12)
Controlador de la admitancia virtual
(13)
Procesador de admitancia virtual
(14)
Convertidor que actúa como una fuente de corriente controlada
(15)
Red eléctrica
(20)
Bloque 2, bloque electromecánico
(21)
Controlador de la característica electromecánica virtual
(22)
Controlador de la inercia y del factor de amortiguamiento
(23)
PLC (quot;Power Loop Controller'' o quot;Controlador del lazo de potenciaquot;)
(24)
VCO (quot;Voltage Controlled Oscillator'' u quot;Oscilador controlado por tensiónquot;)
Descripción detallada de la invención
Para lograr una mayor comprensión de la invención, a continuación se realiza una descripción detallada de la misma, basada en las figuras que se adjuntan. En la figura 1 se muestra el esquema que representa el controlador de la invención en su conjunto. Se observa que está formado por dos bloques principales: el bloque 1 o bloque
eléctrico (1 O) y el bloque 2 o bloque electromecánico (20).
El bloque 2 (20) comprende a su vez el controlador de la característica electromecánica
virtual (21) y así como el controlador de la inercia y del factor de amortiguamiento (22). Al
controlador de la inercia y del factor de amortiguamiento (22) se le introducen una serie de
5
variables del sistema, como son la tensión de entrada (V¡n}, intensidad de entrada (i¡n},
tensión de salida (Vout). intensidad de salida (iout). las cuales se usan de manera selectiva en
función del algoritmo específico del controlador aplicado. El controlador de la inercia y del
factor de amortiguamiento (22) también recibe una serie de parámetros de entrada como
son las potencias de referencia (P1, P2, ... , Pn) y las constantes de ajuste de la respuesta del
1O
controlador ( c1, c2, ... , cn) para cada rango de frecuencia. En función de las variables de
sistema y de los parámetros de ajuste se obtiene a la salida el valor de la inercia (J1, J2, ... ,
Jn) y del factor de amortiguamiento (~1, ~2.... , ~n) para cada frecuencia.
Estos valores de la inercia (J1, J2, ... , Jn) y del factor de amortiguamiento (~1, ~2•... , ~n) se
introducen como parámetros al controlador de la característica electromecánica virtual (21 ).
15
Los parámetros de inercial virtual y factor de amortiguamiento se adaptan dinámicamente a
las condiciones de operación, ofreciendo un valor de inercia virtual (J1, J2, ... , Jn) y factor de
amortiguamiento (~1, ~2...., ~n) para cada frecuencia, de manera que es posible establecer
la capacidad que el generador presenta para atenuar diferentes oscilaciones de potencia
existentes en la red (inter-planta, inter-area, ... ) y en la fuente de generación primaria
20
(resonancias mecánicas y estructurales).
Existen otros parámetros auxiliares que se suministran a este controlador para el cálculo de
las constantes de sintonización de los controladores de los lazos de potencia (PLC), como
son la frecuencia nominal del sistema (rorated) y la máxima potencia suministrable (Pmax). La
variable de entrada del controlador de la característica electromecánica virtual (21) es la
25
diferencia de potencia (~P) entre la potencia de entrada (P¡n, potencia de entrada al
convertidor) y la potencia entregada a la red (Pou1}.
Del bloque 2 (20) se obtiene la fuerza electromotriz virtual interna (e) que es una de las
variables de entrada del bloque 1 o bloque eléctrico (1 0).
Este bloque eléctrico (1 O) comprende a su vez dos partes: el controlador de la característica
30
eléctrica virtual (11) y el controlador de la admitancia virtual (12). Las variables de entrada
del controlador de la admitancia virtual (12) son la tensión (v) y la corriente (i) de red y del
bus de continua, las cuales se utilizan de manera selectiva en función del algoritmo
específico del controlador aplicado. Los parámetros del controlador de la admitancia virtual
(12) son los valores de corriente de referencia para cada frecuencia y secuencia (lt, b*, ... ,
35
In*) y las constantes de ajuste de la respuesta del controlador (c1, c2, ... , Cn) para cada rango

de frecuencia. En función de estas variables de entrada y de los parámetros de ajuste este controlador suministra 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) recibe como variables de entrada el valor de la fuerza electromotriz virtual interna (e), que se obtuvo del bloque 2 (20}, y la tensión del punto de conexión a la red (v). Así mismo, el controlador de la característica eléctrica virtual (11) recibe como parámetros de entrada los valores de las admitancias virtuales a ser procesadas para cada frecuencia y secuencias de interés (Y1, Y2, ... Yn). las cuales se calcularon en el controlador de la admitancia virtual (12). A partir de estas variables de entrada y parámetros, el bloque 1 (10) suministra a su salida el valor de la corriente de referencia (i*) que debe ser inyectada en la red eléctrica (15) por el convertidor de potencia que actúa como una fuente de corriente controlada (14). En la figura 2 se muestra el lazo de control del bloque 1 (1 O) o bloque eléctrico, en cuya entrada se inyecta la diferencia de tensión existente entre una fuerza electromotriz virtual interna (e) y la tensión existente en el punto de acoplo con la red eléctrica al que está conectado (v). Esa diferencia de tensiones alimenta al procesador de admitancia virtual (13) que es el encargado de determinar la corriente de referencia (i*) que el convertidor de potencia ha de inyectar a la red (15). Los parámetros de esta admitancia virtual (13) se adaptan dinámicamente a las condiciones de la red. Como se ve en la figura 3, también presenta diferente comportamiento para los distintos rangos de frecuencia (f1, f2, .... , fn). y secuencias de entrada, ya sea secuencia directa, inversa u homopolar. De esta forma, el controlador de la invención ofrece una admitancia (Y1, Y2, ... Yn) diferente para cada frecuencia (k f2, .... , fn). En este sentido, el controlador inyecta una elevada corriente de secuencia directa a la frecuencia fundamental de la red, y a las demás frecuencias y secuencias, incluyendo armónicos y transitorios, el controlador inyecta la corriente que minimice la posible perturbación existente. Así pues, a diferencia de lo encontrado en el estudio del estado de la técnica, el bloque 1 trabaja con referencias de corriente, en lugar de trabajar con referencias de tensión (los generadores síncronos convencionales, así como los controladores que pretenden emularlos, trabajan con referencias de tensión) y con una admitancia virtual, en lugar de trabajar con una impedancia virtual (que es un parámetro característico de los generadores síncronos convencionales y, en consecuencia, de los controladores que pretenden emularlos). En la figura 4 se muestra el esquema general del bloque 2 (20) o bloque electromecánico. Este bloque 2 comprende un lazo de control regulado por un PLC (23) (quot;power loop
controller'' o quot;controlador del lazo de potenciaquot;), el cual recibe como variable de entrada la
diferencia de potencia (~P) existente entre la potencia de entrada (P¡n) (potencia entregada
al convertidor por la fuente primaria) y la potencia entregada a la red (Pelee), así como una
serie de parámetros que establecen la frecuencia natural y el factor de amortiguamiento(~)
5
deseados en cada momento para el controlador del lazo de potencia. A la salida del PLC se
obtiene la frecuencia de la fuerza electromotriz interna virtual (ror), la cual, una vez
integrada, permite determinar la fase (9) de las tensiones internas virtuales generadas en el
convertidor de potencia.Puesto que los valores aplicados para la inercia y el factor de
amortiguamiento se pueden modificar de manera instantánea para cada rango de
1 O
frecuencia, este bloque 2 o bloque electromecánico, consigue una flexibilidad para el
conjunto del controlador de potencia síncrona. Esta flexibilidad permite, por ejemplo,
realizar una conexión rápida del generador a la red, mediante la disminución de la inercia y,
posteriormente, incrementar el valor de la misma para determinados rangos de frecuencia
en los que puedan existir perturbaciones de red que no deban ser seguidas por el
15
generador.
A la salida del PLC se obtiene la frecuencia de la fuerza electromotriz virtual interna, la cual
se integra para obtener el ángulo de fase del vector fuerza electromotriz virtual interna. Con
este ángulo de fase y con el valor establecido para el módulo de la fuerza electromotriz
virtual interna, E·, se obtiene un juego de tensiones trifásicas que constituyen una de las
20
variables de entrada (e) del bloque 1 o bloque eléctrico. Una vez establecida la tensión
virtual interna y su fase, el bloque eléctrico se encargará de la transferencia de potencias
con red mediante la inyección de la correspondiente corriente en la misma.
En la figura 5 se muestra el funcionamiento del bloque 2 para los distintos rangos de
frecuencia (f1, f2, .... , fn). La suma de las consignas de salida de los PLC (23) se aplican al
25
VCO (24), que genera un juego de tensiones de frecuencia w* y de amplitud E*.
Posteriormente, estás tensiones se aplican a una de las entradas del controlador de la
característica eléctrica virtual (11 ).
El controlador de potencia síncrona de un sistema de generación basado en convertidores
estáticos de potencia presentado en esta invención, tiene su aplicación más directa en
30
plantas de energía renovable (especialmente fotovoltaica y eólica), pero no se descarta su
uso para cualquier otra aplicación que requiera características similares.

Claims (6)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Controlador de potencia síncrona de un sistema de generación basado en convertidores
    estáticos de potencia orientado a mejorar la integración de las plantas de energía renovable
    en la red eléctrica y que comprende dos bloques principales denominados: bloque 1
    5
    (bloque eléctrico) (10) y bloque 2 (bloque electromecánico) (20), estando el bloque 1
    eléctrico (10) a su vez formado por un controlador de la característica eléctrica virtual (11) y
    un controlador de la admitancia virtual (12) y el bloque 2 electromecánico (20) formado por
    un controlador de la característica electromecánica virtual (21) y un controlador de la inercia
    y del factor de amortiguamiento (22).
    1 O
    2. Controlador de potencia síncrona según reivindicación 1 caracterizado porque el
    controlador de la admitancia virtual (12) está configurado para:
    -recibir las señales de entrada de tensión (v) y corriente (i) de la red y del bus de y
    procesarlas de forma selectiva de acuerdo a una serie de parámetros de ajuste ( c1, c2,
    ... , en) y unos valores de corriente de referencia (l1*, l2*, ... , In*) para cada rango de
    15
    frecuencia y secuencia, y con todo ello
    -generar el valor de la admitancia (Y1, Y2, ... Yn). que hay que aplicar para cada
    frecuencia y secuencia
  2. 3. Controlador de potencia síncrona según reivindicación 2 caracterizado porque los
    parámetros de esta admitancia virtual (Y) se adaptan dinámicamente a las condiciones de
    20
    la red, ofreciendo una admitancia (Y1, Y2, ... Yn) diferente para cada frecuencia (f1, f2, .... , fn)
    y secuencia, de manera que, a la frecuencia fundamental de red y secuencia directa,
    puedan inyectarse corrientes altas; y a las demás secuencias y frecuencias de armónicos,
    transitorios, desequilibrios... se inyecten las corrientes necesarias que minimicen las
    posibles perturbaciones.
    25
    4. Controlador de potencia síncrona según reivindicación 1 caracterizado porque el
    controlador de la característica eléctrica virtual (11) está configurado para:
    -recibir como señales de entrada la fuerza electromotriz virtual interna (e), que se
    obtiene del bloque 2 (20), y la tensión del punto de conexión a la red (v), asi como los
    valores de la admitancia virtual para cada frecuencia y secuencia (Y1, Y2, ... Yn). los
    30
    cuales se obtiene del controlador de la admitancia virtual (12) y con todo ello
    -generar a la salida del bloque 1 (1 O) el valor de la corriente de referencia (i*) que se
    suministra al convertidor que actúa como una fuente de corriente controlada (14) para
    que la inyecte en la red eléctrica (15).
  3. 5. Controlador de potencia síncrona según reivindicación 1 caracterizado porque el
    35
    controlador de la inercia y del factor de amortiguamiento (22) está configurado para:
    -
    recibir las señales de la tensión de entrada (V¡n), intensidad de entrada (i¡n), tensión de salida (vout), y la intensidad de salida (iout) y procesarlas de forma selectiva de acuerdo a una serie de parámetros de ajuste (c1, c2, ... , Cn) y a unas potencias de referencia (P1, P2, ... , Pn) para cada rango de frecuencia y con todo ello -generar el valor de la inercia virtual (J1, J2, ... , Jn) y del factor de amortiguamiento (~1, ~2.... , ~n) para cada frecuencia.
  4. 6.
    Controlador de potencia síncrona según reivindicación 5 caracterizado porque los parámetros de inercia virtual y factor de amortiguamiento se adaptan dinámicamente a las condiciones de operación, ofreciendo un valor de inercia virtual (J1, J2, ... , Jn) y factor de amortiguamiento (~1. ~2, ... , ~n) para cada frecuencia, de manera que es posible establecer la capacidad que el generador presenta para atenuar diferentes oscilaciones de potencia existentes en la red (inter-planta, inter-area, ... ) y en la fuente de generación primaria (resonancias mecánicas y estructurales).
  5. 7.
    Controlador de potencia síncrona según reivindicación 1 caracterizado porque el
    controlador de la característica electromecánica virtual (21) está configurado para: -recibir como señal de entrada la diferencia de potencia (L\P) entre la potencia de entrada (P¡n, potencia de entrada del convertidor) y la potencia entregada a la red lt;Pout). así como los valores de la inercia (J1, J2, ... , Jn) y del factor de amortiguamiento (~1. ~2• . . . , ~n) para cada rango de frecuencia y una serie de parámetros auxiliares, como son la
    frecuencia nominal del sistema (rorated) y la máxima potencia suministrable (Pmax), y con todo ello -generar a la salida la fuerza electromotriz virtual interna (e) que se aplica a una de las entradas del bloque 1 o bloque eléctrico (1 0).
  6. 8. Controlador de potencia síncrona según reivindicación 1 caracterizado porque el bloque 2 consiste en un lazo de control que regulado por un PLC (23) (quot;power loop controller'' o quot;controlador del lazo de potenciaquot;) el cual recibe a la entrada las variaciones de potencia (L\P) existentes entre la potencia de entrada (P¡n) (potencia de entrada del convertidor) y la potencia entregada a la red lt;Pout), así como los valores de la la inercia(J1, J2, ... , Jn) y el factor de amortiguamiento(~1. ~2, ... , ~n) para los distintos rangos de frecuencia (f1, f2, .... , fn), de manera que la suma de las consignas de salida de los PLC (23) vayan a parar a un VCO (24, Oscilador controlado por tensión) que genera un juego de tensiones de frecuencia w* y de amplitud E*, que constituyen la fuerza electromotriz virtual interna (e), la cual posteriormente se aplica a una de las entradas del controlador de la característica eléctrica virtual (11 ).
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