ES2819248T3 - Dispositivo de estabilización de potencia transitoria con control de potencia activa y reactiva - Google Patents

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ES2819248T3 ES15876046T ES15876046T ES2819248T3 ES 2819248 T3 ES2819248 T3 ES 2819248T3 ES 15876046 T ES15876046 T ES 15876046T ES 15876046 T ES15876046 T ES 15876046T ES 2819248 T3 ES2819248 T3 ES 2819248T3
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Mengbin Yang
Pasi Taimela
Tony Olivo
Robert William Johnson
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Abstract

Un sistema que comprende: un convertidor (412) configurado para acoplarse entre una unidad de almacenamiento de energía (420) y una red (15); un controlador de convertidor (415) configurado para controlar el convertidor sensible a una señal de comando de frecuencia (P) y a una señal de comando de tensión (Q) que respectivamente hacen que el convertidor (412) proporcione potencia real y un componente de potencia reactiva; y un circuito de control (414) configurado para detectar variaciones de frecuencia y de tensión de la red (15) y para generar de manera sensible la señal de comando de frecuencia (P) y la señal de comando de tensión (Q), caracterizado por que el circuito de control (414) implementa: un bucle de control de potencia real que tiene un bucle interno de control de frecuencia configurado para generar una señal de comando de frecuencia (P) sensible a una frecuencia transitoria de la red (15) y a una referencia de potencia real (Pref); y un bucle de control de potencia reactiva que tiene un bucle interno de control de tensión configurado para generar el comando de potencia reactiva (Q) sensible a una tensión transitoria de la red (15), a una señal de referencia de potencia reactiva (Qref) y a una anticipación (Gp2q) de la señal de comando de frecuencia (P); y donde el circuito de control (414) está configurado para proporcionar anticipación (Gp2q) desde el bucle interno de control de frecuencia al bucle interno de control de tensión para inhibir la transferencia de componentes reactivos en respuesta a una variación de tensión de la red (15) debido a una transferencia de potencia entre la unidad de almacenamiento de energía (420) y la red (15).

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo de estabilización de potencia transitoria con control de potencia activa y reactiva
Campo
El presente objeto inventivo se refiere en general a sistemas de potencia y a métodos para operar los mismos y, más particularmente, a sistemas de potencia accionados por generadores y a métodos para operar los mismos.
Antecedentes
En aplicaciones de red en isla, los recursos de generación, tales como los generadores y turbinas alimentados con diesel o gas, pueden experimentar condiciones de carga transitorias que pueden causar cambios en la frecuencia y la tensión de la red. Estas condiciones transitorias pueden incluir, por ejemplo, grandes cambios de carga y cambios repentinos en la disponibilidad de la fuente de potencia, tales como el apagado de un generador de combustible o una variación en el suministro de un recurso de generación tal como un generador eólico o solar. Tales variaciones en la frecuencia de la línea pueden resultar en cargas caídas o equipos dañados. Tales problemas pueden ser particularmente pronunciados en sistemas que usan grupos electrógenos alimentados por gas natural u otros combustibles de menor densidad energética.
Los generadores de red en isla a menudo están dimensionados con un exceso significativo de capacidad de potencia continua clasificada para portar puntas de carga, responder a grandes etapas de carga transitoria y proporcionar redundancia en soporte de operaciones de misión crítica. Pueden operar con tasas de utilización muy altas, por ejemplo, 24 horas al día, 7 días a la semana, 365 días al año, pero con factores de carga real relativamente bajos, comúnmente entre un 15-50%, durante períodos prolongados fuera de las horas pico. Asimismo, los requisitos de garantía del fabricante pueden resultar en costes adicionales debido al uso de bancos de carga manuales autoimpuestos. Este perfil operativo puede resultar en una menor eficiencia de combustible, desgaste excesivo de los generadores y aumentos notables en las emisiones de materia particulada (PM) e hidrocarburos (HC) debido a la combustión incompleta de combustible diesel o gas natural.
La patente de Estados Unidos US 2014/103727 describe un sistema de suministro de potencia de red en isla.
El documento WO 2013/102791 describe un aparato y un método de control de un convertidor de frecuencia.
El documento EP 2782204 describe un aparato de suministro de potencia, un sistema de suministro de potencia y un método para controlar el sistema de suministro de potencia.
El documento WO 2013/008413 describe un aparato de conversión de potencia dirigido a un sistema de generación de potencia de ciclo combinado.
El documento EP 1638184 describe una disposición de control de turbogenerador/motor para la conexión a una red eléctrica de CA.
La patente de Estados Unidos US 5327336 proporciona un inversor de frecuencia constante de tensión constante y un método para controlarlo.
SATO A ET AL: “Novel Control Strategy of Instantaneous Power Based CVCF Interter”, POWER ELECTRONICS DRIVE SYSTEMS, 2007. PEDS '07. 7TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON, IEEE, PISCATAWAY, NJ, EE. UU, 27 de noviembre de 2007, páginas 1502, -1507, XP031242714, ISBN: 978-1-4244-0644-9 se refiere a una estrategia de control de un inversor CVCF basado en potencia instantánea.
La patente de Estados Unidos US 8498752 B2 describe un método para desacoplar sistemas bidimensionales de múltiples entradas y múltiples salidas.
El documento GB 2483879 A proporciona un dispositivo de control para que los inversores logren una distribución de carga proporcional precisa cuando los inversores están conectados en paralelo, mientras se mantiene la tensión y la frecuencia dentro de ciertos intervalos.
El documento CN 103490450 A se refiere a un método de control en paralelo de almacenamiento de energía para una microrred de tensión media y baja y un dispositivo para implementar el método.
En la red en isla y otras aplicaciones fuera de red, la magnitud de las etapas de carga puede exceder la capacidad de etapa incremental de la generación disponible. En estos casos, las etapas de carga pueden causar sub/sobre tensión o frecuencia de la barra de carga. Esto puede resultar en daños a cualquier dispositivo conectado a la red, tal como motores y transformadores y similares, que generalmente están diseñados para operar en o cerca de la tensión y frecuencia nominales. Debido al potencial de tal daño, un generador puede tener circuitos de protección que desconectan el generador de la barra de carga, protegiendo por consiguiente tal equipo pero resultando en un posible apagón o pérdida de carga. En algunas aplicaciones exigentes, hay cargas que requieren enormes magnitudes de corriente que requerirían múltiples generadores en paralelo para satisfacer esta demanda para poner en marcha estas cargas exigentes y mantener los componentes de potencia y reactivos dentro de las especificaciones del generador en condiciones transitorias. Una vez que se pone en marcha la carga, la carga en estado estable es relativamente pequeña, lo que no requiere la operación de todos estos generadores. Las etapas de carga pueden ser predominantemente resistivas, lo que resulta en un cambio en la potencia activa. Las etapas de carga también pueden ser reactivas, lo que resulta en un cambio en voltios-amperios reactivos (VAR).
Sumario
De conformidad con un aspecto, existe un sistema como se describe en la reivindicación 1.
En algunas realizaciones, los bucles de control del componente de potencia y del componente reactivo están configurados para accionar las transferencias de potencia y reactivas mediante el convertidor a sustancialmente cero cuando una frecuencia y una tensión de la red cumplen criterios predeterminados. En otras realizaciones, el circuito de control puede configurarse para proporcionar flujo de potencia desde la red a la unidad de almacenamiento de energía variando una referencia de potencia proporcionada al bucle de control de potencia cuando la frecuencia y la tensión de la red cumplen los criterios predeterminados. El circuito de control puede configurarse para hacer que el convertidor mantenga una frecuencia y una tensión de la red dentro de intervalos que impidan el apagado de un grupo electrógeno que acciona la red en respuesta a un arranque de un motor acoplado a la red.
En otras realizaciones, el circuito de control puede configurarse para detectar variaciones transitorias de frecuencia y tensión de la red asociadas con el arranque de una carga de motor en la red y para hacer de manera sensible que el convertidor transfiera componentes de potencia y reactivos hasta que la carga del motor alcance un estado estable. Algunas realizaciones proporcionan un sistema que incluye al menos un grupo electrógeno acoplado a una red y un sistema de estabilización de tensión y frecuencia transitoria que incluye una unidad de almacenamiento de energía y está configurado para detectar una variación de frecuencia y una desviación de variación de tensión de la red y realizar de manera sensible una transferencia momentánea de energía y un componente reactivo compensador a la misma. La desviación de la variación de tensión de la red debido a un componente de potencia puede desacoplarse, inhibiendo que se inyecte componente reactivo compensador para perturbar la red.
En algunas realizaciones, el sistema de estabilización de tensión y frecuencia transitoria puede configurarse para detectar una variación de frecuencia y una variación de tensión de la red en respuesta al arranque de una carga de motor y para realizar de manera sensible una transferencia momentánea de energía y un componente reactivo compensador.
Otras realizaciones proporcionan métodos que incluyen la detección de variaciones de frecuencia y tensión de una red asociadas con el arranque de una carga de motor en la red y que hacen que un convertidor transfiera componentes de potencia y reactivos hacia y/o desde la red sensibles a las variaciones de frecuencia y tensión detectadas. Hacer que un convertidor transfiera componentes de potencia y reactivos puede ir seguido de una reducción de la transferencia de los componentes de potencia y reactivos sensibles a una reducción de las variaciones.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un diagrama que ilustra un perfil de corriente de arranque de un compresor de 1 MW de ejemplo (componentes de potencia y reactivos).
La figura 2 es un diagrama que ilustra una arquitectura de control de gobernador típica para un grupo electrógeno.
La figura 3 es un diagrama de bloques que ilustra un regulador automático de tensión (AVR) típico para un grupo electrógeno.
La figura 4 es un diagrama de bloques que ilustra un grupo electrógeno (G), un motor (M) y un generador de estado sólido (SSG) de acuerdo con algunas realizaciones del objeto inventivo.
La figura 5 es un diagrama de bloques que ilustra un controlador SSG simplificado de acuerdo con otras realizaciones.
Descripción detallada de las realizaciones
El presente objeto inventivo se describirá más completamente a continuación en el presente documento con referencia a las figuras adjuntas, en las que se muestran realizaciones del objeto inventivo. Sin embargo, este objeto inventivo puede realizarse de muchas formas alternativas y no debe interpretarse como limitado a las realizaciones expuestas en el presente documento.
En consecuencia, aunque el objeto inventivo es susceptible de diversas modificaciones y formas alternativas, las realizaciones específicas del mismo se muestran a modo de ejemplo en los dibujos y se describirán en detalle en el presente documento. Los números similares se refieren a elementos similares a lo largo de la descripción de las figuras.
La terminología usada en el presente documento tiene el fin de describir realizaciones particulares solamente y no pretende ser una limitación del objeto inventivo. Tal y como se usa en el presente documento, las formas singulares “un”, “una”, “el” y “la” pretenden incluir las formas plurales también, a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Se entenderá además que los términos “comprende”, “que comprende”, “incluye” y/o “que incluye” cuando se usan en esta memoria descriptiva, especifican la presencia de características, enteros, etapas, operaciones, elementos y/o componentes declarados, pero no excluyen la presencia o adición de una o más de otras características, enteros, etapas, operaciones, elementos, componentes y/o grupos de los mismos. Por otra parte, cuando se hace referencia a un elemento como “sensible” o “conectado” a otro elemento, puede ser directamente sensible o estar conectado al otro elemento, o pueden estar presentes elementos intermedios. En contraste, cuando se hace referencia a un elemento como “directamente sensible” o “directamente conectado” a otro elemento, no hay elementos intermedios presentes. Como se usa en el presente documento, el término “y/o” incluye todas y cada una de las combinaciones de uno o más de los artículos enumerados asociados y puede abreviarse como “/”.
A menos que se defina lo contrario, todos los términos (incluidos los términos técnicos y científicos) usados en el presente documento tienen el mismo significado que el que entiende comúnmente un experto en la materia a la que pertenece este objeto inventivo. Se entenderá además que los términos usados en el presente documento deben interpretarse como que tienen un significado que es consistente con su significado en el contexto de esta memoria descriptiva y la técnica relevante y no se interpretarán en un sentido idealizado o demasiado formal a menos que se defina expresamente en el presente documento.
Se entenderá que, aunque los términos primero, segundo, etc. pueden usarse en el presente documento para describir diversos elementos, estos elementos no deberían estar limitados por estos términos. Estos términos solo se usan para distinguir un elemento de otro. Por ejemplo, un primer elemento podría denominarse un segundo elemento y, de manera similar, un segundo elemento podría denominarse un primer elemento sin apartarse de las enseñanzas de la divulgación. Aunque algunos de los diagramas incluyen flechas en las rutas de comunicación para mostrar una dirección principal de comunicación, debe entenderse que la comunicación puede producirse en la dirección opuesta a las flechas representadas.
Como se ha analizado anteriormente, en algunas aplicaciones exigentes, hay cargas que requieren enormes magnitudes de corriente que requerirían múltiples generadores en paralelo para satisfacer esta demanda para poner en marcha estas cargas exigentes y mantener los componentes de potencia y reactivos dentro de las especificaciones del generador en condiciones transitorias. Una vez que se pone en marcha la carga, la carga en estado estable es relativamente pequeña, lo que no requiere la operación de todos estos generadores. Las etapas de carga pueden ser predominantemente resistivos, lo que resulta en un cambio en la potencia activa (W) o las etapas de carga pueden ser reactivos, lo que resulta en un cambio en voltios-amperios reactivos (VAR) o una combinación de ambos.
En consecuencia, algunas realizaciones del objeto inventivo proporcionan sistemas y métodos de estabilización de tensión y frecuencia transitoria que pueden usarse en la red en isla, la red de suministro, fuera de red, en el borde de red y otras aplicaciones. En tales aplicaciones, puede ser posible reducir, o posiblemente eliminar, el número de generadores adicionales requeridos para soportar el transitorio para poner en marcha estas cargas exigentes y mantener los componentes de potencia y reactivos dentro de las especificaciones del generador en operación transitoria y de estado estable.
De acuerdo con algunas realizaciones, un generador de estado sólido (SSG) ofrece una solución que suministra el transitorio de carga requerido por la carga, permitiendo que el generador responda a una tasa de aplicación de carga más baja que mantendrá la tensión y la frecuencia de carga dentro de las especificaciones. Para la etapa de carga predominantemente resistiva, el desplazamiento de tiempo de la etapa de carga se puede conseguir usando una forma de almacén de energía, tal como condensadores o almacenamiento electroquímico. Es posible que la compensación del componente reactivo no requiera un almacén sustancial de energía. En algunas realizaciones, los componentes resistivos y reactivos de una etapa de carga se pueden compensar observando las características terminales de los terminales de potencia SSG sin necesidad de acceder a los circuitos de control del generador. Por consiguiente, un sistema de estabilización transitoria de acuerdo con algunas realizaciones puede configurarse como un dispositivo “parásito” que puede conectarse a la red sin requerir comunicación con un grupo electrógeno y/o controlador del sistema.
En una aplicación fuera de red o de red en isla, una gran etapa de carga del arranque de un motor o compresor presenta un desafío formable. Los grupos electrógenos están limitados en la capacidad de etapa de carga resistiva. Por ejemplo, un grupo electrógeno diesel normalmente puede aceptar una etapa de carga máxima del 50 % mientras mantiene un cambio de frecuencia inferior al 5 % (por ejemplo, -2.5Hz). Si el grupo electrógeno es de gas natural, la etapa de carga máxima típica para mantener los mismos límites de frecuencia está limitada a solo el 10 %. El componente reactivo de la carga también puede presentar un problema para el regulador de tensión del grupo electrógeno.
Exceder la capacidad del componente reactivo del generador puede hacer que el generador corte la línea o se desconecte del bus de carga. Aunque hemos discutido el problema en relación con las máquinas motrices que se encuentran en los grupos electrógenos, el problema puede producirse con una variedad de tipos de generadores, incluidos los que usan turbinas, microturbinas, máquinas de pistón lineal/libre, Wankel, celdas de combustible y similares.
Durante el arranque del motor, normalmente se deben suministrar grandes cantidades de componentes resistivos y reactivos a la carga o el bus de carga se desviará fuera del intervalo aceptable, lo que puede hacer que los grupos electrógenos se corten. La figura 1 ilustra un ejemplo en el que se pone en marcha un compresor de 1,0 MW. El evento de puesta en marcha del compresor comienza en el punto A y termina en el punto B. Con un motor de arranque suave, este evento de puesta en marcha tiene una duración de 20 segundos y la carga tiene demandas pico de 2,0 MW de potencia y 15 MVA de un componente reactivo, que excede con creces la capacidad de un grupo electrógeno típico.
La figura 2 ilustra un gobernador típico para un grupo electrógeno. La carga escalonada del grupo electrógeno hace que la frecuencia del bus de carga y la tensión de salida caigan porque el generador se ralentiza. El regulador típico no puede aumentar la potencia del grupo electrógeno lo suficientemente rápido en 20 segundos para impedir que la tensión y la frecuencia del bus se salgan de la especificación, donde el tiempo de respuesta depende de la constante de tiempo de la válvula del generador/control de compuerta.
Durante el período de arranque del compresor, el perfil de corriente de carga presenta un gran problema para un generador de inducción, ya que su impedancia inductiva y la inductancia de línea pueden ser sustanciales. Debido a la gran magnitud del componente reactivo transitorio en la carga, la tensión del bus caerá durante el evento de arranque del compresor.
La cantidad de caída de tensión puede estimarse usando las siguientes ecuaciones:
AU = R * APe X * AQe Ecu. (1)
donde,
AU = Caída de tensión del bus;
R = Impedancia resistiva del sistema, incluida la resistencia del generador;
X = Impedancia reactiva del sistema, incluida la reactancia del generador;
APe = etapa de potencia transitoria; y
AQe - etapa reactiva transitoria.
La figura 3 ilustra una arquitectura de control típica para el regulador automático de tensión (AVR) del grupo electrógeno. Durante el arranque del compresor, es posible que el AVR no pueda ajustar la tensión lo suficientemente rápido debido a retrasos en la respuesta del sistema de excitación.
Para mitigar las corrientes de arranque, normalmente se usa un arranque suave para cargas grandes como un motor o un compresor. Como puede verse en la figura 1, la potencia aumenta gradualmente durante el evento de arranque, permitiendo que el generador suministre los requisitos de carga. Desafortunadamente, esto puede no mitigar el problema con el componente reactivo del perfil de corriente de carga. La presencia del componente reactivo de gran magnitud puede hacer que el regulador de tensión del grupo electrógeno altere la tensión y la frecuencia del bus de carga, lo que puede hacer que el generador se corte. Para compensar el componente reactivo de la corriente de carga, se ha intentado añadir compensación de VAR del condensador de compensación. La conmutación/desconmutación de un condensador grande o la presencia mantenida en el bus de carga pueden causar otros problemas de estabilidad con los reguladores del grupo electrógeno.
En algunas realizaciones, un SSG puede ofrecer una solución que suministra transitorios de carga requeridos por la carga, pero aísla el grupo electrógeno de las demandas de corriente de carga instantáneas y permite que el grupo electrógeno responda a una tasa más baja de aplicación de carga. En respuesta a una etapa de carga reactiva, el SSG puede suministrar un componente reactivo de la corriente de carga que puede ayudar a aislar el grupo electrógeno de los problemas con excesiva corriente reactiva. Puede detectarse un cambio de frecuencia en los terminales del SSG, y el SSG puede limitar de manera sensible la tasa de cambio de frecuencia suministrando potencia desde el almacén de energía a la carga. A medida que el grupo electrógeno asume más carga, el SSG puede reducir la potencia suministrada hasta que la carga sea soportada únicamente por el grupo electrógeno. Observando en los terminales del SSG, el cambio de tensión se puede limitar suministrando potencia reactiva y disminuyendo la potencia reactiva suministrada a medida que se recupera la tensión del bus.
La figura 4 es un diagrama de bloques simplificado que ilustra una aplicación de un SSG de acuerdo con algunas realizaciones. Un grupo electrógeno 10 suministra potencia a una carga de motor 20 a través de un bus de CA 15, que puede ser, por ejemplo, una red en isla u otra red de distribución de potencia. Un SSG 410 puede incluir un convertidor de potencia CC/CA trifásico que tiene 5 terminales de potencia; terminales positivos y negativos acoplados a un almacén de energía 420 y tres terminales acoplados a las respectivas fases del bus de CA 15 a través de los respectivos inductores. Aunque el SSG 410 se muestra conectado a una batería, el almacén de energía 420 puede adoptar cualquiera de varias formas diferentes, tal como un banco de baterías de iones de litio, un banco de ultracondensadores, un almacenamiento en volante o similares. También debe entenderse que se puede usar un convertidor CC/CC para interconectar el almacén de energía 420 con el convertidor de potencia CC/CA del SSG 410. Esto puede mejorar el uso del almacén de energía 420, ya que la tensión terminal del almacén de energía 420 puede ser diferente a la tensión del bus de CC usado por el convertidor de potencia CC/CA. El convertidor CC/CC está conectado entre el almacén de energía 420 y los terminales positivo y negativo (bus de CC) usados por el bus del convertidor de potencia CC/CA que puede entregar o recibir potencia del bus de CA. El convertidor de potencia bidireccional CC/CA del SSG 410 es capaz de usar el bus de c C y producir tensiones de CA trifásicas para soportar la carga y puede transferir potencia desde el bus de CA 15 al bus de CC. Por lo tanto, el convertidor trifásico puede parecer una fuente o una carga dependiendo de cómo se controlen las patas.
El SSG 410 se conecta al bus de CA 15 y puede proporcionar tiempos de respuesta de milisegundos para los componentes de potencia y reactivos de la carga 20. Este tiempo de respuesta de milisegundos puede enmascarar los transitorios de carga reales del grupo electrógeno 10 de modo que la tensión y la frecuencia de la CA 15 permanecen en especificación.
La figura 5 ilustra un controlador 414 que puede usarse para controlar el convertidor CC/CA 412 del SSG 410. El controlador 414 incluye un controlador de convertidor 415 que genera señales de control a, b, c para operar los circuitos de conmutación en el convertidor 412 para controlar fases de salida que se aplican a un bus de CA 15 accionado por un grupo electrógeno 10 y que tienen las respectivas tensiones de fase Va, Vb, Vc. El controlador 414 tiene un bucle interno de frecuencia que puede detectar una frecuencia transitoria y generar una señal de comando de frecuencia P para el controlador de convertidor 415 sensible a la cual el convertidor de potencia CC/CA 412 proporciona la potencia real necesaria para compensar el sistema antes de que el grupo electrógeno tome su respuesta lenta. Un bucle externo de control de potencia proporciona una entrada al bucle interno de frecuencia y tiene una compensación de bucle de Gp, que puede tener una función de transferencia de la forma Kpl/(1+Tp1*s), donde Kpl y Tpl son constantes. Una entrada de referencia P e para el bucle de control de potencia puede, por ejemplo, establecerse en cero de manera que el controlador proporcione potencia de forma transitoria cuando la frecuencia de la red de CA se desvía de una frecuencia de referencia we- Una estructura de bucle de control de potencia a lo largo de tales líneas se explica en la publicación de solicitud de patente de EE. UU N.° 2014/0103727 de Taimela et al.
El controlador 414 implementa además un bucle interno de tensión que detecta una tensión transitoria y genera una señal de comando de tensión Q para el controlador 415 sensible a la cual el convertidor de potencia CC/CA 412 proporciona un componente reactivo que se necesita para compensar la demanda de carga antes de que el grupo electrógeno sea capaz de responder. Un bucle externo de control de componente reactivo que tiene una compensación de bucle Gq (que puede tener una función de transferencia de la forma Kql/(1+Tql*s), donde Kql y Tql son constantes) proporciona una entrada al bucle interno de tensión sensible a una señal de referencia de componente reactivo Qe. Como el complejo de impedancia normalmente no es tan complejo en un sistema de potencia en isla, una vez que se produce una etapa de demanda de componente reactivo como lo indica una desviación de una tensión de salida v del convertidor 412 con respecto a una tensión de referencia ve, el SSG 410 puede responder y compensar de forma relativamente rápida el componente reactivo al bus, para regular la tensión del bus ante los cambios masivos del componente reactivo. Este método de compensación suele ser suficiente ante cargas escalonadas de componentes reactivos tan masivas. Sin embargo, los efectos de una desviación de la tensión del bus debido a una etapa de carga de potencia, que puede reducir la tensión del bus, se pueden desacoplar añadiendo un cambio de tensión del bus dependiente de la frecuencia a la compensación del componente reactivo para que no se genere una señal de error en un componente de potencia, solo carga escalonada. Este compensador de desacoplamiento se muestra en la figura 5, acoplado entre el comando P y el comando Q.
Para el control de potencia, el bucle interno de frecuencia detecta la desviación de frecuencia del bus y entrega/absorbe potencia a través del compensador rápido. La ganancia del bucle interno de frecuencia puede establecerse en función del requisito de desviación de frecuencia y la inercia del sistema. En un sistema de inercia relativamente baja, tal como una microrred en isla, la etapa de carga activa puede crear mucha más desviación de frecuencia y, por lo tanto, puede ser necesaria una ganancia mayor. La ganancia Gw del bucle interno de frecuencia puede calcularse usando la siguiente ecuación:
G w = ^ , Ecu. (2)
donde Aw es la desviación de la frecuencia objetivo. La ganancia Gw puede tener una función de transferencia de la forma Kp2/(1+Tp2*s), donde Kp2 y Tp2 son constantes.
El bucle externo de control de potencia proporciona un control de flujo de potencia de estado estable. En estado estable normal, cuando no hay desviación transitoria en el bus, el SSG 410 no entrega sustancialmente potencia al bus, lo que puede reducir las pérdidas de semiconductores y extender la vida útil del sistema. La referencia de potencia puede establecerse en negativo durante un estado de carga para permitir que el generador cargue lentamente el almacén de energía 420. Esto puede hacerse durante periodos en los que no están presentes condiciones de etapa de carga transitorias. En algunos modos, la recarga del almacén de energía 420 se puede retrasar para reducir los picos de potencia. La duración de la función de reducción de picos puede basarse en el tamaño y el estado de carga del almacén de energía 420.
Los componentes de potencia y reactivos pueden afectar la estabilidad de la tensión. Como el componente reactivo puede ser la razón principal de la inestabilidad de la tensión, se puede implementar un bucle interno de tensión rápido para la compensación de VAR reactiva. La ganancia de la compensación Gv del componente reactivo interno se puede estimar usando las siguientes ecuaciones:
G ' _ i u ’ Ecu. (3)
donde Av es un intervalo de desviación de tensión objetivo, o
Figure imgf000007_0001
donde X es la reactancia del sistema. Gv puede tener una función de transferencia de la forma Kq2/(1+Tq2*s), donde Kq2 y Tq2 son constantes.
En algunas realizaciones, para cancelar la influencia de la tensión del componente de potencia, se puede proporcionar una ruta de anticipación desde la señal de error de potencia a la señal de error del componente reactivo. Por consiguiente, si solo la demanda de potencia provoca la caída de tensión, se inhibirá la inyección del componente reactivo para reducir la perturbación del sistema. La ganancia de esta anticipación cruzada puede estar dada por la siguiente ecuación:
Gp 2 q s í í Ecu. (5)
donde R es la resistencia del sistema. La ganancia de anticipación cruzada Gp2q puede tener una función de transferencia de la forma Kpq/(1+Tpq*s), donde Kpq y Tpq son constantes.
Dado que el componente reactivo puede no proporcionar ningún beneficio en el estado estable cuando no hay desviación de tensión, el bucle externo del componente reactivo lento puede configurarse para poner sustancialmente a cero el componente reactivo a largo plazo para reducir la pérdida y extender la vida útil del SSG 410. Si las condiciones transitorias siguen siendo cortas, el coste del sistema puede reducirse dimensionando los componentes en función de las clasificaciones de sobrecarga. Por ejemplo, es posible usar dispositivos con clasificación de 5 MVA para un requisito transitorio de 10 MVA.
Entendiendo que la compensación del componente reactivo no requiere ningún almacenamiento de energía sustancial, el SSG 410 puede proporcionar algún nivel de componente reactivo continuo además de la capacidad transitoria. En particular, se puede comandar al SSG 410 que proporcione un nivel fijo de compensación del componente reactivo que resulta en un componente reactivo reducido manipulado por el grupo electrógeno.
Los componentes reactivos de motores grandes tienden a estar principalmente en la frecuencia fundamental. Sin embargo, otros tipos de componentes reactivos pueden relacionarse armónicamente con la fundamental. Estos componentes reactivos armónicamente relacionados se producen normalmente por cargas que tienen un consumo de corriente no sinusoidal. La forma de onda de la corriente resultante se puede simplificar usando un análisis en serie de Fourier en una serie de sinusoides simples que se producen en múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. Por lo tanto, los componentes reactivos se pueden aplicar escalonadamente, tal como en un evento de puesta en marcha de un motor grande o un componente reactivo temporal o sostenido debido al consumo de corriente no sinusoidal de una carga. En consecuencia, la compensación reactiva como se describe en el presente documento se aplica a los componentes fundamentales y armónicos. Se entenderá además que las técnicas de compensación reactiva como se describen en el presente documento pueden usarse para compensar cargas reactivas distintas de las cargas de motor, tales como condensadores que se conmutan y desconmutan de la red. Por ejemplo, se pueden usar técnicas a lo largo de las líneas descritas en el presente documento para compensar otra reactancia acoplada a la red y se pueden usar junto con otras técnicas de compensación, tales como condensadores de compensación reactiva conectados a la red.
El controlador 414 puede incluir hardware digital, tal como un procesador y una matriz de puertas programare in-situ FPGA usando una plataforma de control CompactRio o MicroZed™.
En los dibujos y en la memoria descriptiva, se han divulgado realizaciones a modo de ejemplo del objeto inventivo. El alcance del objeto inventivo se define mediante las siguientes reivindicaciones.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema que comprende:
un convertidor (412) configurado para acoplarse entre una unidad de almacenamiento de energía (420) y una red (15);
un controlador de convertidor (415) configurado para controlar el convertidor sensible a una señal de comando de frecuencia (P) y a una señal de comando de tensión (Q) que respectivamente hacen que el convertidor (412) proporcione potencia real y un componente de potencia reactiva; y
un circuito de control (414) configurado para detectar variaciones de frecuencia y de tensión de la red (15) y para generar de manera sensible la señal de comando de frecuencia (P) y la señal de comando de tensión (Q), caracterizado por que el circuito de control (414) implementa:
un bucle de control de potencia real que tiene un bucle interno de control de frecuencia configurado para generar una señal de comando de frecuencia (P) sensible a una frecuencia transitoria de la red (15) y a una referencia de potencia real (Pref); y
un bucle de control de potencia reactiva que tiene un bucle interno de control de tensión configurado para generar el comando de potencia reactiva (Q) sensible a una tensión transitoria de la red (15), a una señal de referencia de potencia reactiva (Qref) y a una anticipación (Gp2q) de la señal de comando de frecuencia (P); y donde el circuito de control (414) está configurado para proporcionar anticipación (Gp2q) desde el bucle interno de control de frecuencia al bucle interno de control de tensión para inhibir la transferencia de componentes reactivos en respuesta a una variación de tensión de la red (15) debido a una transferencia de potencia entre la unidad de almacenamiento de energía (420) y la red (15).
2. El sistema según la reivindicación 1, donde los bucles del componente de potencia y del componente reactivo están configurados para accionar las transferencias de potencia y reactivas mediante el convertidor a sustancialmente cero cuando una frecuencia y una tensión de la red (15) cumplen criterios predeterminados.
3. El sistema según la reivindicación 1, donde el circuito de control (414) está configurado para proporcionar flujo de potencia desde la red (15) a la unidad de almacenamiento de energía (420) variando una referencia de potencia (Pref) proporcionada al bucle de control de potencia cuando la frecuencia y la tensión de la red (15) cumplen criterios predeterminados.
4. El sistema según la reivindicación 1, donde el circuito de control (414) está configurado para hacer que el convertidor mantenga una frecuencia y una tensión de la red (15) dentro de intervalos que impidan el apagado de un grupo electrógeno que acciona la red (15) en respuesta a un arranque de un motor (20) acoplado a la red (15).
5. El sistema según la reivindicación 1, donde el circuito de control (414) está configurado para detectar variaciones transitorias de frecuencia y tensión de la red (15) asociadas con un arranque de una carga de motor (20) en la red (15) y para hacer de manera sensible que el convertidor (412) transfiera componentes de potencia y reactivos hasta que la carga de motor (20) alcance un estado estable.
6. El sistema según la reivindicación 1, donde el circuito de control (414) está configurado para detectar una variación de frecuencia y una desviación de variación de tensión de la red (15) y para realizar de manera sensible una transferencia momentánea de energía y un componente reactivo compensador a y/o de la red (15).
7. El sistema según la reivindicación 6, donde la desviación de variación de tensión de la red (15) debido al componente de potencia está desacoplada, impidiendo que se inyecte cualquier componente reactivo compensador para perturbar la red (15).
8. El sistema según la reivindicación 6, donde el circuito de control (414) está configurado para detectar una variación de frecuencia y una desviación de variación de tensión de la red (15) en respuesta a un arranque de una carga de motor (20) y para realizar de manera sensible una transferencia momentánea de energía y un componente reactivo compensador.
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