ES2402499B1 - Controlador de la característica electromecánica virtual para convertidores estáticos de potencia. - Google Patents

Controlador de la característica electromecánica virtual para convertidores estáticos de potencia. Download PDF

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Abstract

Controlador de la característica electromecánica virtual para un convertidor estático de potencia que comprende un PLC (23) (?power loop controller? o ?controlador del lazo de potencia?) el cual recibe a la entrada la diferencia de potencia ({dl}P) existentes entre la potencia de entrada (P{sub,in}) (potencia entregada al convertidor por la fuente primaria) y la potencia entregada a la red (P{sub,elec}), y es capaz de modificar en línea los parámetros del coeficiente de inercia virtual y factor de amortiguamiento en función de la respuesta deseada y de las condiciones de la red para diferentes rangos de frecuencia.

Description

CONTROLADOR DE LA VIRTUAL PARA
CONVERTIDORES ESTÁTICOS DE POTENCIA
Objeto de la invención
5
La presente invención se refiere a un controlador de la característica electromecánica
virtual para convertidores estáticos de potencia que, conectado a red eléctrica, permite
el control de la potencia inyectada a la misma. Esta invención tiene su principal
aplicación en plantas de generación distribuida y, en especial, en plantas de energía
renovable como la eólica y la fotovoltaica.
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
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,
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 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 real. Una forma clásica pero muy eficiente de regular la potencia activa y reactiva intercambiada por un generador síncrono con la red consiste en controlar la diferencia entre la amplitud y el ángulo de fase entre la tensión inducida en
5 el estator (e) y la tensión de la red en el punto de conexión (v). La potencia activa y reactiva intercambiada entre el generador síncrono y la red, se calcula como:
V2
EV
p =-cos ( ~-c5)--cos ( ~),
z z
Q= EV sin(~-c5)-V2 sin(~).
z z .
siendo V y E los valores eficaces de la tensión de red (v) y la tensión inducida en el
10 estator (e) y Jel ángulo de desfase entre ambas tensiones. Como un generador síncrono tiene una impedancia mayormente inductiva y el ángulo de desfase t5 es pequeño, las expresiones anteriores se pueden aproximar como:
P=P ·8:P =EV
max: max .\.quot;quot;
V
Q= X(E-V).
Estas expresiones indican que la potencia activa entregada por el generador síncrono
15 a la red depende linealmente del ángulo t5 mientras que la potencia reactiva depende de la diferencia en amplitud entre E y V. Esta simplicidad en la regulación de la potencia activa y reactiva entregada a la red convierte al generador síncrono en el mejor recurso de los sistemas de generación de potencia. Sin embargo, los generadores síncronos presentan problemas con su
20 respuesta dinámica electromecánica. Bajo las hipótesis simplificatorias anteriores y considerando el amortiguamiento del sistema casi despreciable, la función de transferencia del lazo electromecánico en el generador síncrono es:

25 Siendo Pelee la potencia eléctrica a la salida del generador, Pmec la potencia mecánica de entrada al generador síncrono a través de su eje, Pmax es la máxima potencia transferible a la red (anteriormente definida), J es la inercia del generador y eos es la
frecuencia angular síncrona de la red. Esta función de transferencia tiene una
frecuencia de oscilación natural mn. que hace que el sistema presente una oscilación
permanente (o débilmente amortiguada en la práctica) en la potencia de salida ante
cualquier perturbación en la red: cambios de carga, cambios de impedancias de
5
interconexión, cortocircuitos, etc. Esta frecuencia natural de oscilación varía con la
topología de conexión de la red y con los puntos entre los que se produzca la
oscilación, no siendo un valor determinable únicamente a partir de los parámetros de
la máquina.
Muchos son los intentos encontrados en el estudio del estado de la técnica para tratar
1O
de solventar este problema. La instalación de devanados amortiguadores es la
solución generalizada a nivel de máquina síncrona, pero el grado de amortiguación
que se consigue con ellos es muy reducido. También se han desarrollado otros
sistemas de atenuación de oscilaciones electromecánicas a nivel del control de la
máquina, como es el estabilizador del sistema de potencia (quot;Power System Stabilizerquot;,
15
PSS}, que en la actualidad se incorpora a casi todos los sistemas de control de
máquinas síncronas.
Otro problema relacionado con la respuesta electromecánica del generador síncrono
es la necesidad de mantener el sincronismo después de una falla en la red. Los
generadores síncronos tienden a incrementar su velocidad durante la falla y una vez
20
eliminada dicha falla, el desfase existente entre el generador y el resto de la red puede
hacer imposible el restablecimiento de la conexión síncrona. Para limitar este
fenómeno se implementan soluciones como los interruptores de reconexión rápida, las
resistencias de frenado y las válvulas de admisión rápida, siendo interesante que la
máquina presente la máxima inercia posible en estas circunstancias.
25
Si un generador se ha desconectado y se desea reconectar, el proceso de
sincronización puede ser delicado en función de la debilidad de la red en el punto de
acoplo, pudiendo llegar a crear una perturbación inadmisible sobre la misma durante el
proceso de sincronización.
A continuación se presentan una serie de artículos y trabajos que se han localizado en
30
el estudio del estado de la técnica y que tratan acerca de la emulación del generador
síncrono:
• Visscher, K.; De Haan, S.W.H.; quot;Virtual synchronous machines (VSG's) for
frequency stabilisation in future grids with a significant share of decentralized
generation,quot; SmartGrids for Distribution, 2008. IET-CIRED. CIRED Seminar, vol., no.,
35
pp.1-4, 23-24 June 2008.
•
T. Loix, S. De Breucker, P. Vanassche, J. Van den Keybus, J. Driesen, and K. Visscher, quot;Layout and performance of the power electronic converter platform for the VSYNC project,quot; presented at PowerTech, 2009 IEEE Bucharest, 2009.
•
Beck, H.-P.; Hesse, R.; quot;Virtual synchronous machine,quot; Electrical Power Quality and Utilisation, 2007. EPQU 2007. 9th lnternational Conference on , vol., no., pp.1-6, 9-11 Oct. 2007.
•
Zhong, Q; Weiss, G; , quot;Synchronverters: lnverters that Mimic Synchronous Generators,quot; Industrial Electronics, IEEE Transactions on , vol. PP, no.99, pp.1, O doi:
10.11 09fTIE.201 0.2048839.
• Z. Lidong, L. Harnefors, and H. P. Nee, quot;Power-Synchronization Control of Grid-Connected Voltage-Source Converters,quot; Power Systems, IEEE Transactions on, vol. 25, pp. 809-820. May 201 O. En todas estas referencias se describe el control de un convertidor electrónico con el objetivo de emular, en mayor o menor grado, las ecuaciones de un generador síncrono real, es decir, con sus parámetros, sus ventajas y sus inconvenientes. En la invención objeto de la presente patente, no se pretende emular una máquina síncrona, sino conseguir un sistema de control avanzado que permite mejorar la interconexión entre el convertidor y la red eléctrica. A pesar de que el controlador objeto de esta invención utilice las variables de inercia y el factor de amortiguamiento, no se pretende replicar el efecto de las mismas en el generador síncrono real, sino que los valores de estas variables virtuales se adaptarán dinámicamente al escenario presente en cada momento en la red (perturbaciones, fallas, desincronización), y serán diferentes para los diferentes rangos de frecuencia de las posibles oscilaciones/perturbaciones de potencia. Así pues, la invención que aquí se presenta consiste en un nuevo controlador que, extendiendo el modelo electromecánico de un generador síncrono real, dote a los convertidores estáticos de potencia de nuevas funcionalidades que solventen las limitaciones inherentes a los generadores síncronos reales y, por afinidad, de los convertidores electrónicos de potencia que tratan de emularlos.
Descripción de la invención

El controlador de la característica electromecánica virtual para convertidores estáticos de potencia de la presente invención comprende un lazo de control electromecánico que hace posible el ajuste en línea de parámetros como la frecuencia natural, la inercia y el factor de amortiguamiento, con la finalidad de mejorar el funcionamiento de dicho convertidor de potencia.
El lazo de control electromecánico propuesto se rige por una función de transferencia
de lazo cerrado que relaciona la potencia entregada a la red Pout y la potencia de
entrada al convertidor P¡n, que puede ser dinámicamente parametrizada mediante un
coeficiente de inercia virtual y un factor de amortiguamiento para conseguir una
5
respuesta optimizada a las condiciones de contorno del convertidor de potencia.
El lazo de control electromecánico 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, y una serie de parámetros, como son la frecuencia
1 O
natural y el factor de amortiguamiento, entre otros.
A la salida del PLC se obtiene la frecuencia de la fuerza electromotriz interna virtual
del convertidor de potencia, la cual se integra para obtener la fase del vector de fuerza
electromotriz interna que, a la postre, determina un juego de tensiones trifásicas
virtuales.
15
Este controlador de la característica electromecánica consigue una gran flexibilidad en
el comportamiento del convertidor de potencia conectado a red y permite, por ejemplo,
reducir la inercia en ciertos momentos para facilitar su conexión a la red, o asignar
inercias mayores en rangos de frecuencia en los que se deseen eliminar
perturbaciones.
20
Es necesario destacar en este punto que no todas las técnicas existentes para el
control de la potencia activa en la conexión a la red eléctrica de un convertidor de
potencia implementan la característica de inercia. Por otra parte, las técnicas que
aplican este concepto sólo intentan replicar fielmente la característica electromecánica
del generador síncrono real, sin aplicar ningún tipo de mejora adicional que pretenda
25
solventar los inconvenientes inherentes del sistema electromecánico del generador
síncrono real .. Así, el controlador de la característica electromecánica objeto de esta
invención presenta una diferencia evidente respecto a las técnicas existentes, ya que
permite optimizar en línea, de manera adaptativa, tanto el valor del coeficiente de
inercia virtual como el factor de amortiguamiento de acuerdo a las condiciones de
30
funcionamiento del convertidor de potencia, 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).
Por otra parte, el controlador de la presente invención utiliza diferentes valores tanto
35
para el coeficiente de inercia virtual como para el factor de amortiguamiento para
diferentes rangos de frecuencia, lo que supone un avance importante respecto a otras
técnicas existentes ya que permite ajustar la respuesta del convertidor de potencia
para cada rango de frecuencia de las posibles oscilaciones de potencia existentes.
El controlador de la característica electromecánica virtual de la presente invención, a
5
diferencia de las soluciones encontradas en el estudio del estado de la técnica, no se
basa en la mera imitación de la característica electromecánica de un generador
síncrono real, 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 existentes en la red o en la fuente primaria, permitiendo
1O
ajustar de manera instantánea el valor del coeficiente de inercia virtual y el factor de
amortiguamiento del lazo de control para cada rango de frecuencia, según interese a
cada momento.
Descripción de los dibujos
Con el fin de facilitar la comprensión de la presente invención, se acompañan varias
15
figuras donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1, muestra un esquema general del lazo electromecánico de un
generador síncrono convencional perteneciente al estado de la técnica.
La figura 2, muestra una representación esquemática simplificada del lazo
electromecánico del controlador objeto de la presente invención.
20
La figura 3, muestra un esquema de la implementación del lazo
electromecánico del controlador objeto de la presente invención en el que se usan
múltiples coeficientes de inercia virtual y factores de amortiguamiento para los
diferentes rangos de frecuencia.
La figura 4 muestra un diagrama de bloques general del controlador de la
25
característica electromecánica virtual objeto de la presente invención
Siendo las referencias:
(21) Controlador de la característica electromecánica virtual
(22) Controlador de la inercia y del factor de amortiguamiento
(23) PLC (quot;Power Loop Controllerquot; o quot;controlador del lazo de potenciaquot;)
30
(24) VCO (quot;Voltage Controller Oscillator'' u quot;Oscilador controlado por tensiónquot;)
Descripción detallada de la invención
A continuación se realiza una descripción detallada de la invención en base a las
figuras representadas.
En la figura 1 se muestra el esquema general del lazo electromecánico de potencia de
35
un generador síncrono convencional. Este generador presenta una serie de
limitaciones e inconvenientes inherentes que fueron mencionados anteriormente.
Tal y como se muestra en la figura 2, el controlador de la característica
electromecánica virtual de convertidores estáticos de potencia objeto de la presente
invención consiste en un lazo de control que comprende un PLC (23) (quot;power loop
5
controllerquot; o quot;controlador del lazo de potenciaquot;), el cual recibe a la entrada la diferencia
de potencia (~P) existentes 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 (~) deseados en cada momento para el controlador del lazo de
1 O
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 de las
tensiones internas virtuales generadas en el convertidor de potencia.
El PLC se puede implementar de distintas maneras, pretendiéndose en todos los
casos obtener una función de lazo cerrado en la que se pueda fijar a voluntad la
15
posición de sus polos y así determinar aspectos tales como el tiempo de
establecimiento, el sobrepico, la pulsación natural o el factor de amortiguamiento. Una
realización preferida del PLC coincide con la representada mediante la fórmula
siguiente:
{1}PLC(s) =k-e-.
S+ {l}c
20
siendo k la ganancia y wc la frecuencia de corte del controlador: Estos parámetros a su
vez son función de la frecuencia natural wn y el factor de amortiguamiento ~:
En la figura 3 se muestra una implementación del controlador objeto de la presente
invención en el que se establece una respuesta diferente para distintos rangos de
frecuencia (f1, f2, .... , fn) en la variación de potencia. La suma de las consignas de
25
salida de los PLC (23) van a parar al VCO (24) que genera un juego de tensiones de
frecuencia w* y de amplitud E*, que constituyen la fuerza electromotriz interna virtual
(e) del convertidor de potencia.
En la figura 4 se muestra un diagrama del controlador de la presente invención que
comprende a su vez un controlador de la característica electromecánica virtual (21) y
30
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 variables del sistema, como son la tensión de entrada (V¡n), intensidad de
entrada (i¡n), tensión de salida (v0 u1), 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 controlador (c1, c2, ... , Cn) para cada rango
de frecuencia . En función de las variables de sistema y de los parámetros de ajuste
5
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 ). Existen
otros parámetros auxiliares que se suministran a este controlador para el cálculo de
1 O
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 diferencia de potencia (~P) entre la potencia de entrada (P¡n, potencia
de entrada al convertidor) y la potencia entregada a la red (Pout). para obtener
15
finalmente a la salida del controlador el juego de tensiones que constituyen la fuerza
electromotriz interna virtual (e) del convertidor de potencia.
Puesto que los valores aplicados para el coeficiente de inercia y el factor de
amortiguamiento se pueden modificar de manera instantánea para cada rango de
frecuencia, el controlador de la característica electromecánica consigue una gran
20
flexibilidad en el comportamiento del convertidor de potencia, permitiendo, por
ejemplo, realizar una conexión rápida del convertidor a la red, mediante la disminución
del valor del coeficiente de inercia y, posteriormente, incrementar el valor de dicho
coeficiente para determinados rangos de frecuencia en los que puedan existir
perturbaciones de potencia que no deban ser seguidas por el convertidor de potencia.
25

Claims (5)

  1. 1. Controlador de la característica electromecánica virtual para un convertidor estático
    de potencia caracterizado porque la función de transferencia de lazo cerrado que
    relaciona la potencia entregada a la red P out y la potencia de entrada al convertidor Pin
    5
    puede ser dinámicamente parametrizada mediante, como mínimo, un coeficiente de
    inercia virtual y un factor de amortiguamiento para conseguir una respuesta optimizada
    a las condiciones de contorno del convertidor de potencia.
  2. 2.-Controlador de la característica electromecánica virtual según reivindicación 1
    caracterizado porque implementa un lazo de control de potencia regulado por un PLC
    1 O
    (23) (quot;power loop controller'' o quot;controlador del lazo de potenciaquot;) el cual recibe a la
    entrada la diferencia de potencia (~P) existentes entre la potencia de entrada (P¡n)
    (potencia de entrada del convertidor) y la potencia entregada a la red {P0u1), así como
    una serie de parámetros que determina el valor del coeficiente de inercia y del factor
    de amortiguamiento para distintos rangos de frecuencia (f1, f2, .... , fn), de manera que
    15
    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 del convertidor
    de potencia (e).
  3. 3.-Controlador de la característica electromecánica virtual según reivindicación 2
    20
    caracterizado porque el PLC (23) se implementa de acuerdo con la fórmula siguiente:
    roPLC(s) =k-e-.
    S+{Oc
    siendo k la ganancia y wc la frecuencia de corte del controlador:
  4. 4.-Controlador de la característica electromecánica virtual según reivindicación 1
    caracterizado porque incluye un controlador de la inercia y del factor de
    25
    amortiguamiento (22) que está configurado para:
    -recibir las señales de la tensión de entrada (V¡n), intensidad de entrada (i¡n), tensión de
    salida (V0u1}, y la intensidad de salida (iout) y las procesa 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
    30
    -generar el valor de la inercia virtual (J1, J2, ... , Jn) y del factor de amortiguamiento (~1,
    s2.... , sn) para cada frecuencia.
  5. 5.-Controlador de la característica electromecánica virtual según reivindicación 1
    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, 1;2, ... , Sn) 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).
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