ES2839881T3 - Sistema de generación de energía con tratamiento mejorado de los impactos de carga, de los deslastres de carga y de los armónicos - Google Patents
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Abstract
Sistema de generación de energía eléctrica que comprende: - un alternador (1) acoplado a un sistema de accionamiento (7), que proporciona una tensión alterna a un bus de salida (10), - un convertidor CA/CC reversible (2) cuyo bus CA (6) está conectado al bus de salida (10) del alternador (1), - un elemento de almacenamiento eléctrico (3) conectado al bus CC (9) del convertidor (2), - un controlador (4) dispuesto para reaccionar a un régimen transitorio de deslastre de carga o de impacto de carga controlando el convertidor (2) para extraer energía del bus de salida (10) del alternador (2) y almacenarla en el elemento de almacenamiento (3) en caso de deslastre, y extraer la energía del elemento de almacenamiento (3) e inyectarla en el bus de salida (10) en caso de impacto de carga, estando controlado el convertidor (2) para inyectar corrientes de compensación de las corrientes armónicas en el bus CA (10) del alternador (1), siendo el elemento de almacenamiento (3), de manera preferible, un supercondensador, estando el controlador (4) dispuesto para reaccionar a un régimen transitorio de potencia reactiva y/o activa en la micro-red, durante un deslastre de carga o un impacto de carga, para permitir el control de los desequilibrios de forma, en amplitud y en tiempo de respuesta gracias al control del convertidor que gestiona la energía en el bus de salida del alternador, permitiendo el controlador (4) el control dinámico del par motor del sistema de accionamiento a partir del elemento de almacenamiento (3) durante los impactos y deslastre de carga.
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema de generación de energía con tratamiento mejorado de los impactos de carga, de los deslastres de carga y de los armónicos
La invención se refiere a la generación de energía eléctrica mediante un alternador acoplado mecánicamente a un motor de accionamiento.
El alternador está equipado de manera convencional por un regulador de tensión y el motor de accionamiento se controla en función de la potencia demandada.
Pueden producirse impactos de carga, así como deslastre de carga y las componentes de potencia del alternador se dimensionan en consecuencia.
Lo que antecede puede resultar en un sobredimensionamiento de estas componentes con respecto al régimen nominal de funcionamiento, lo que repercute en el precio de la instalación.
Por tanto, existe la necesidad de reducir el tamaño de las componentes de potencia de la instalación para generar energía eléctrica.
También es deseable mejorar el comportamiento de la instalación en caso de un régimen transitorio, en particular durante el deslastre de carga y/o impactos de carga.
La publicación "Filtros de potencia activa para la cancelación de armónicos en sistemas de potencia eléctrica de aeronaves convencionales y avanzados" da a conocer un sistema de filtrado activo convencional aplicado a redes a bordo de las aeronaves que tiene como objeto compensar los armónicos. Esta publicación no describe ni sugiere el control del sistema para responder a regímenes transitorios de potencia activa y/o reactiva en caso de deslastre de carga o impacto de carga.
Todavía existe interés en reducir la intensidad de las corrientes armónicas producidas por la instalación con el fin de satisfacer las normas más estrictas, en particular en el caso de inyección de la corriente generada en la red (véase por ejemplo: Singh et al., "Rendimiento mejorado del generador síncrono de imanes permanentes impulsados por diésel que utilizan un sistema de almacenamiento de energía de batería, Electrical Power & Energy Conference (EPEC), IEEE 2009, Istacaway, NJ, EE. UU., 22 de octubre de 2009, páginas 1-6; y: Eid A et al: Filtro de potencia activa para la cancelación de armónicos en sistemas de energía eléctrica de aviones convencionales y avanzados", Electric Power Sytems Research, Elsevier, Amsterdam, NL, vol. 79, n° 1, 1 de enero de 2009, páginas 80-88, ISSN: 0378-7796, DOI: 10.1016/J.EPSR.2008.05.005).
La invención intenta cubrir todas o parte de estas necesidades y lo consigue mediante un sistema de generación eléctrica según la reivindicación 1. Se definen formas de realización particulares en las reivindicaciones dependientes.
Así, la invención permite mejorar la respuesta del sistema en condiciones de régimen transitorio.
El convertidor se controla de manera ventajosa para inyectar corrientes de compensación de las corrientes armónicas en el bus de salida de CA del alternador.
De manera preferible, el controlador permite el control del par motor a partir del elemento de almacenamiento durante impactos y deslastre de carga.
El controlador está, de manera preferible, dispuesto para reaccionar a un régimen transitorio de potencia activa y/o reactiva en la micro-red tal como se define a continuación, durante el deslastre de carga o impacto de carga, controlando los desequilibrios en forma que puedan alcanzar hasta un 30% de distorsión armónica en amplitud cualquiera que sea el nivel de la carga y en tiempo de respuesta gracias al control del convertidor que gestiona la energía en el bus de salida del alternador. Por “micro-red”, es necesario entender un alternador en funcionamiento aislado o en paralelo con otros alternadores con la condición de que la potencia total de la red global sea inferior a 5 veces la potencia de dicho alternador.
De manera preferible, el elemento de almacenamiento se demanda solamente en régimen transitorio de potencia activa y/o reactiva.
De manera preferible, el alternador es trifásico.
En el sistema, según la invención, la tensión de salida del alternador se utiliza no solo para alimentar la carga o cargas que están conectadas al mismo, sino también para cargar el elemento de almacenamiento a través del convertidor reversible.
Este elemento de almacenamiento está compuesto, de manera preferible, por un supercondensador pero cualquier otro medio de almacenamiento cae dentro del alcance de la invención, tal como un condensador convencional o una batería.
El convertidor reversible permite la transformación de la tensión alterna en tensión continua durante la carga del supercondensador u otro elemento de almacenamiento, asegurando una función rectificadora en funcionamiento normal o durante el deslastre de carga. La invención permite evitar una sobretensión en el bus de salida durante un deslastre de carga, o al menos reducir su amplitud.
Durante un impacto de carga, el convertidor asegura una función de inversor y limita la caída de tensión inyectando en el bus de tensión alterna de la energía extraída del supercondensador u otro elemento de almacenamiento.
El convertidor electrónico puede utilizar interruptores electrónicos tales como IGBT, pero cualquier otro componente electrónico controlado cae dentro del alcance de la invención.
El supercondensador puede estar formado por un único componente o por un conjunto de componentes conectados eléctricamente en serie y/o en paralelo, para conseguir la tensión de aislamiento y/o la capacidad deseada.
La solicitud de patente de Estados Unidos US 2009/0195074 A1 da a conocer una solución basada en un sistema de almacenamiento en la aplicación de perforación. En esta solicitud, una estrategia de gestión permite gestionar la potencia demandada por el sistema de perforación tomando la energía necesaria del sistema de almacenamiento.
El sistema comprende, de manera preferible, un filtro pasivo, incluyendo este filtro pasivo una inductancia conectada entre cada fase del bus de salida del alternador y una fase correspondiente de la entrada/salida de CA del convertidor. Este filtro pasivo está destinado a suprimir las frecuencias altas.
El convertidor puede ser del tipo "triple impulso" (“triple boost” en inglés), es decir incluye tres brazos que comprenden cada uno una inductancia Lf conectada mediante un primer terminal a un primer terminal del elemento de almacenamiento, un primer interruptor electrónico conectado a un segundo terminal de la inductancia Lf y a una fase correspondiente de la entrada/salida CA del convertidor, un segundo interruptor electrónico conectado al segundo terminal de la inductancia Lf y a un segundo terminal del elemento de almacenamiento, y un condensador de equilibrio Cf dispuesto entre la fase correspondiente de la entrada/salida de CA del convertidor y el segundo terminal del elemento de almacenamiento.
Esta estructura puede permitir reducir el nivel de tensión continua en los terminales del elemento de almacenamiento y su coste.
Los ejemplos de convertidores de "triple impulso" se describen, por ejemplo, en las patentes US7596008B2 y US8737098B2.
Como variante, el convertidor puede ser de tipo multinivel, por ejemplo, con p niveles, siendo p un número entero mayor que 2. El convertidor puede así comprender tres brazos que incluyen, cada uno, un primer grupo de p interruptores conectados eléctricamente en serie entre un terminal del elemento de almacenamiento y una fase del bus CA del convertidor, y un segundo grupo de p interruptores eléctricos conectados en serie entre la misma fase del bus CA del convertidor y el otro terminal del elemento de almacenamiento.
Cada brazo puede incluir p-1 condensadores de equilibrio, estando cada condensador de equilibrio conectado por un terminal entre el n-ésimo y el n(+1)-ésimo interruptores electrónicos del primer grupo, contados desde la fase respectiva del bus CA y por el otro terminal entre los n-ésimo y el n(+1)-ésimo interruptores electrónicos del segundo grupo, contados desde la misma fase del bus AC.
Los convertidores multinivel con capacidades flotantes se describen en las publicaciones US8144491B2 y US20130128636A1. Los condensadores de equilibrio pueden ser condensadores convencionales, supercondensadores o baterías.
En comparación con la estructura del convertidor de "triple impulso", la estructura multinivel permite reducir las fluctuaciones en la tensión de salida del inversor y permite que el sistema utilice un filtrado pasivo con inductancias de menor valor lo que reduce el volumen, la masa y el coste del filtro pasivo.
El convertidor se controla para reaccionar ante impactos de carga y deslastre de carga gracias a un controlador que le envía las respectivas señales de control Sa, Sb, Sc para cada una de las fases, y que analiza las corrientes y la tensión en el bus CA del convertidor.
Las señales de control Sa, Sb, Sc del convertidor se generan, por ejemplo, durante la puesta en práctica de un método de control del convertidor que comprende las siguientes etapas:
- cálculo de las componentes activas y reactivas id, iq de la corriente trifásica ia, ib, ic del bus CA del convertidor, de manera preferible en un marco de referencia de Park que gira con la misma frecuencia,
- cálculo de las corrientes activas y reactivas de referencia id*, iq* en el mismo marco de referencia de Park,
- cálculo de las tensiones de referencia pq, pd, a partir de las diferencias id", iq" entre las corrientes de referencia activa y reactiva id*, iq* y las componentes activas y reactivas id, iq de la corriente ia, ib, ic del bus CA convertidor, y
- cálculo de las tensiones de control para las transferencias de potencia ma, mb, mc del convertidor a partir de las tensiones de referencia pq, pd, de manera preferible mediante la transformación inversa de Park en la referencia trifásica de la corriente del bus CA del convertidor ia, ib, ic.
Las corrientes de referencia activa y reactiva id*, iq* se pueden obtener a partir de las componentes activas y reactivas ild, ilq de la corriente de salida del sistema ila, ilb, ilc, de manera preferible en el mismo marco de referencia de Park.
De manera preferible, se demanda que el elemento de almacenamiento se descargue solo en un régimen transitorio.
Para ello, la componente activa ild de la corriente de salida del sistema ila, ilb, ilc se filtra de manera ventajosa mediante un filtro para eliminar las altas frecuencias y la componente de corriente continua en las mismas con el fin de evitar que el convertidor intercambie energía en régimen permanente.
De manera preferible, cada una de las componentes activas y reactivas ild, ilq de la corriente de salida del sistema ila, ilb, ilc es filtrada por un filtro, cuya frecuencia de corte puede ser 100 veces menor que la frecuencia de conmutación de los interruptores.
En una variante, la componente reactiva ilq de las corrientes de salida del sistema ila, ilb, ilc se filtra para obtener una corriente reactiva iqp en el alternador nulo.
Así, la invención permite compensar la potencia reactiva, con el convertidor, y así obtener un cos j unitario visto desde el alternador.
La solicitud WO2014/147297 A1 da a conocer una fuente de alimentación ininterrumpida con un elemento de almacenamiento que puede suministrar la potencia activa a la carga por falta de una o más fases de la fuente (todo o nada). Cuando la fuente es normal, el inversor se utiliza para el filtrado activo de la corriente y el reequilibrio de las corrientes de fase; sin embargo, esta solución no gestiona el régimen transitorio entre la potencia de la fuente y la de la carga.
Para el cálculo de las corrientes de referencia activa y reactiva id*, iq* se pueden utilizar magnitudes distintas de las corrientes de salida del sistema ila, ilb, ilc. Lo que antecede puede hacer posible reducir el número de sensores, en particular de corriente. Por ejemplo, las corrientes de referencia activa y reactiva id*, iq* pueden calcularse respectivamente como una función al menos de la velocidad Q del sistema de accionamiento y de la corriente de excitación if de un excitador del alternador. Este cálculo se ilustra, por ejemplo, en “Máquinas síncronas - excitación. Técnicas de ingeniería, D3545, 1997” por P. Wetzer.
Además, el convertidor está controlado para inyectar corrientes de compensación para las corrientes armónicas en el bus de salida de CA del alternador. De manera preferible, el convertidor comprende al menos una función de filtro activo para generar tensiones de control para estos interruptores electrónicos que inducen una compensación de las corrientes armónicas. Estas tensiones de control pueden sumarse a las tensiones de control de las transferencias de potencia para obtener las señales de control Sa, Sb, Sc del convertidor.
Lo que antecede permite cancelar las corrientes armónicas en el alternador con el convertidor estático realizando el filtro activo de los armónicos de las corrientes que se originan en una carga no lineal.
La invención también hace posible cancelar las corrientes armónicas en el convertidor estático realizando un circuito "tampón" para los armónicos de tensión procedentes del alternador y/o de la carga no lineal.
Las tensiones de control de compensación de corrientes armónicas se pueden obtener al menos calculando las componentes activas y reactivas idn, iqn de las corrientes de salida del alternador ipa, ipb, ipc, de manera preferible en un marco de referencia de Park giratorio, de frecuencia n veces mayor que la frecuencia de la referencia trifásica, siendo n un número entero mayor que 2. Lo que antecede permite reducir, y mejor anular, las corrientes armónicas en el alternador.
Este principio de filtrado activo se puede aplicar a todas las corrientes armónicas que se desee compensar. Basta con multiplicar esta estructura de compensación y añadir todas las tensiones de control en la referencia trifásica. Cualquier
combinación de filtrado de armónicos compuesta por al menos un filtro activo entra así dentro del alcance de la invención.
Por ejemplo, las tensiones de control de compensación de las corrientes armónicas también se pueden calcular a partir de las componentes activa y reactiva de la corriente ia, ib, ic del bus CA del convertidor en un marco de referencia de Park giratorio, de frecuencia n veces mayor a la frecuencia de la referencia trifásica, siendo n un número entero mayor que 2. Lo que antecede evita que las tensiones armónicas de la red trifásica creadas por el alternador produzcan corrientes armónicas en el convertidor.
El valor de la corriente de referencia activa id* se puede extraer a partir de una corriente de control del elemento de almacenamiento IdVDC antes de ser utilizada para el cálculo de las tensiones de referencia pq, pd con el fin de evitar una superación de un umbral de tensión de seguridad predefinido, siendo esta corriente de control IdVDC una función al menos de la tensión Vdc en los terminales del elemento de almacenamiento y de la corriente nominal continua Idn del alternador.
La invención se podrá comprender mejor con la lectura de la descripción detallada siguiente, de ejemplos no limitativos de su puesta en práctica de la misma y examinando los dibujos adjuntos, en donde:
La Figura 1 es una representación esquemática de un sistema según la invención, en el caso de un generador trifásico. La Figura 2 representa una estructura de convertidor del tipo de triple impulso.
La Figura 3 representa una estructura de un convertidor multinivel con (p+1) niveles para p células.
La Figura 4 es un ejemplo de diagrama de control que permite la gestión del elemento de almacenamiento durante las fases transitorias.
La Figura 5 es una vista similar a la Figura 4, de una variante del sistema de control con referencia libre para la potencia reactiva que permite al usuario elegir cualquier nivel de potencia reactiva a compensar.
La Figura 6 muestra una variante del diagrama de control en base a un modelo basado en la velocidad de rotación del grupo y la corriente de excitación del alternador,
La Figura 7 presenta una estructura de control de las corrientes armónicas con el fin de realizar un filtrado activo. La Figura 8 ilustra un método para gestionar la tensión en los terminales del supercondensador.
La Figura 9a ilustra un ejemplo de un método para cargar el supercondensador con una función de seguridad, y La Figura 9b ilustra un ejemplo de umbrales para activar la carga y para hacer el sistema seguro en función de la tensión en los terminales del elemento de almacenamiento Vdc.
En la Figura 1 se muestra un ejemplo de una instalación según la invención, para generar energía entregada a un bus de salida 10 conectado a la red trifásica o a una o más cargas R.
La instalación comprende un medio de accionamiento 7, tal como, por ejemplo, un motor térmico, o cualquier otro medio de accionamiento, eólico o hídrico. El medio de accionamiento 7 acciona el rotor de un alternador 1, también denominado generador, que incluye un excitador que alimenta una inductancia principal dispuesta en el rotor, estando la inductancia del estator principal conectada al bus de salida 10.
El alternador 1 se hace girar a una velocidad regulada, pero el bus de salida 10 puede estar sujeto a impactos de carga o deslastre de carga.
La instalación comprende un convertidor 2 CA/CC reversible controlado por un controlador 4, y un elemento de almacenamiento 3.
El controlador 4 puede conocer, gracias a los sensores de corriente del ejemplo de la Figura 1, la corriente en cada una de las fases 5 de la carga R y la corriente de cada fase del bus CA 6 del convertidor 2, así como la tensión de cada una de las fases del bus de salida 10 del alternador 1.
En el ejemplo ilustrado en la Figura 1, cada fase del bus CA del convertidor 2 comprende una inductancia 8, en serie entre el convertidor 2 y la fase correspondiente del bus de salida del alternador 1. El dimensionamiento de estas inductancias 8 depende de la potencia de la instalación.
En funcionamiento normal, el controlador 4 regula la tensión del alternador 1 detectando la tensión del bus de salida 10 del alternador 1.
En el caso de un excitador bobinado convencional, el controlador 4 puede estar provisto de un elemento de potencia que le permita suministrar a la inductancia del excitador la corriente de excitación necesaria para asegurar la regulación deseada de la tensión de salida del alternador 1.
Para asegurar la carga/descarga del elemento de almacenamiento 3, el controlador envía órdenes de control al convertidor electrónico reversible 2. Para ello, se realiza una supervisión continua de la tensión de carga/descarga Vdc, de las corrientes de carga/ descarga del elemento de almacenamiento 3, así como del régimen transitorio (impacto, deslastre de carga) del sistema.
Durante el deslastre de carga, se da una orden de cargar el elemento de almacenamiento 3 para que sea posible reducir el exceso de tensión del alternador tanto como sea posible. El elemento de almacenamiento 3 también se recarga cuando el nivel del elemento de almacenamiento 3 está por debajo de ciertos umbrales predefinidos.
El orden de descarga por su parte se da durante los impactos de la carga, para limitar la caída de tensión en los terminales del alternador 1, o cuando el nivel del elemento de almacenamiento 3 es mayor que un umbral predefinido. Las órdenes de control pueden enviarse por cable o de forma inalámbrica sin apartarse del alcance de la presente invención.
El controlador 4 también asegura, en el ejemplo ilustrado, la comunicación con el motor de accionamiento 7, permitiendo, de manera ventajosa, una anticipación de la posible variación de velocidad debido a un impacto o a un deslastre de carga. En efecto, gracias a la medida de la corriente de salida del sistema ila, ilb, ilc y la intercambiada con el elemento de almacenamiento 3, el controlador 4 puede estimar la potencia en juego y determinar una consigna que permita anticipar la admisión de combustible del motor con el fin de limitar las perturbaciones en el bus de salida del alternador durante condiciones transitorias.
Por tanto, el controlador 4 supervisa, de manera ventajosa:
- el control de los intercambios de potencia activa y reactiva por un lado entre la red trifásica creada por el alternador 1 y, por otro lado, las cargas R, utilizando el convertidor trifásico 2 conectado al elemento de almacenamiento 3 de corriente continua,
- la gestión de las corrientes armónicas proporcionada por la fuerza electromotriz de la máquina o por una carga no lineal R conectada al alternador 1, y
- en el caso de que el almacenamiento consista en un supercondensador, la gestión de la tensión 9 en los terminales de este elemento.
La Figura 2 ilustra un sistema que comprende un convertidor 2 del tipo "triple impulso".
El convertidor 2 comprende tres brazos 12 que incluyen cada uno una inductancia Lf conectada, mediante un primer terminal, al terminal positivo 31 del elemento de almacenamiento 3, de un primer interruptor electrónico Ta, Tb o Tc conectado entre un segundo terminal de la inductancia Lf y una fase correspondiente a, b o c del bus CA del convertidor, un segundo interruptor electrónico Ta', Tb' o Tc' conectado entre el segundo terminal de la inductancia Lf y el terminal negativo 32 del elemento de almacenamiento 3 y un condensador de equilibrado y filtrado Cf dispuesto entre la fase correspondiente del bus CA del convertidor y el terminal negativo 32 del elemento de almacenamiento 3. Las corrientes ia, ib e ic del bus CA 6 del convertidor 2 se inyectan en el bus de salida 10 del alternador 1, suministrando este último una corriente trifásica ipa, ipb e ipc para las respectivas fases a, b y c.
La corriente trifásica de salida del sistema ila, ilb e ilc también se puede medir, por ejemplo, mediante sensores 5. El controlador 4 asegura el control del convertidor 2, también se puede configurar para actuar sobre el regulador de velocidad del motor térmico 7 y/o sobre el regulador de tensión del alternador 1.
La Figura 3 ilustra una variante de un convertidor con p celdas, siendo p un número entero mayor que 2.
El convertidor comprende tres brazos 22, cada uno de los cuales incluye un primer grupo de p interruptores K11, K12 ... K1p conectados eléctricamente en serie entre un terminal positivo 31 del elemento de almacenamiento 3 y una fase del bus CA del convertidor, y un segundo grupo de p interruptores electrónicos K11', K12' ... K1p' conectados en serie entre la misma fase del bus CA del convertidor y el terminal negativo 32 del elemento de almacenamiento 3.
Cada brazo 22 puede incluir p-1 condensadores de equilibrio Cf, 2p IGBT, estando cada condensador de equilibrio Cf conectado por un terminal entre el n-ésimo y n(+1 )-ésimo interruptores electrónicos del primer grupo contados desde
la fase respectiva del bus CA y por el otro terminal entre el n-ésimo y el n(+1)-ésimo interruptores electrónicos del segundo grupo, contados desde la misma fase del bus AC.
El condensador de equilibrio Cf conectado entre el n-ésimo y el n(+1)-ésimo interruptores electrónicos del primer grupo contados desde la fase respectiva del bus CA y por el otro terminal entre el n-ésimo y n(+1)-ésimo interruptores electrónicos del segundo grupo tienen una tensión de nVdc/p, donde Vdc representa la tensión a través de los terminales del elemento de almacenamiento 3.
El control básico del intercambio de potencia activa y reactiva se presenta en la Figura 4.
Para una red trifásica con amplitud fija, el control de las potencias equivale al control de las corrientes activa y reactiva. Estas corrientes se pueden controlar en un marco de referencia Park Rdq síncrona con la tensión simple va de la primera fase de la red trifásica, pero el uso de cualquiera de las otras fases entra dentro del alcance de la invención. Se puede utilizar un bucle 30 de bloqueo de fase para la sincronización.
La estructura de control se puede organizar para generar corrientes de referencia id* activas e iq* reactivas en el referencial del marco de referencia de Park Rdq, y luego vincularlas a las componentes activas y reactivas id e iq, obtenidas por la transformación de Park en el mismo referencial Rdq, de las corrientes ia, ib, ic realmente intercambiadas por el convertidor 2 con la red, calculando los tres ciclos de trabajo del convertidor reversible 2.
La generación de las corrientes de referencia id* e iq* se pueden desarrollar a partir de las componentes activas ild y reactivas ilq de las corrientes de salida de la carga o cargas R en el marco de referencia de Park Rdq. La componente activa ild se filtra para eliminar las altas frecuencias y la componente continua de la corriente activa con el fin de evitar que el convertidor reversible 2 intercambie energía activa o reactiva en régimen permanente. Por tanto, la corriente activa id* solamente tiene en cuenta el régimen transitorio de la carga (impacto o deslastre de carga) y, por tanto, permite solicitar al sistema de almacenamiento 3 solamente en régimen transitorio. La componente reactiva iq* se puede tratar de la misma forma que la componente activa id*, con el fin de minimizar el tiempo de demanda del convertidor reversible 2.
En una variante, la potencia reactiva se compensa modificando la estructura del filtro de la Figura 4 que genera iq*, lo que permite compensar completamente la potencia reactiva intercambiada con la carga y obtener una corriente reactiva iqp en el alternador nulo. Si fuere necesario, la compensación puede ser arbitraria, teniendo el usuario la posibilidad de definir el nivel de corriente reactiva que desea compensar, tal como se ilustra en la Figura 5.
Otra variante de generación de las corrientes de referencia id* e iq* consiste en utilizar otras magnitudes medidas. Las corrientes activa y reactiva de referencia (id*, iq*) ya no se miden directamente, sino que se calculan, respectivamente, en función al menos de la velocidad (Q) del sistema de accionamiento y de la corriente de excitación (if) de un excitador del alternador. Lo que antecede elimina la necesidad de medir las corrientes de salida del sistema ila, ilb e ilc. La información sobre la variación en el par se puede tomar midiendo la variación en la velocidad Q y la información sobre la variación en el estado magnético de la máquina midiendo la corriente de excitación if del excitador, tal como se muestra en la Figura 6.
A partir de la medición de la velocidad del grupo giratorio y un modelo matemático 100 del sistema, es posible calcular una variación del par en el alternador y deducir de ella la variación de la corriente activa en el alternador idp. La corriente reactiva en el alternador iqp se puede calcular a partir de la medición de la corriente de excitación del excitador y del modelo matemático 110 del sistema. Estos cálculos también se pueden encontrar en la publicación de P. Wetzer. “Máquinas síncronas: excitación. Técnicas de ingeniería, D3545, 1997” citado con anterioridad. Así, se puede deducir las dos referencias id* e iq*, a partir de las corrientes del alternador calculadas (idp e iqp) y de las corrientes (id e iq) del convertidor (2) y luego la función de regulación es idéntica a la orden básica. Una combinación de estas dos variantes permanece dentro del alcance de la presente invención.
Para desarrollar las señales de control Sa, Sb y Sc del convertidor 2, las corrientes de referencia id* e iq* se comparan con las componentes activa y reactiva id e iq de la corriente trifásica ia, ib, ic medida a la salida del convertidor reversible 2, obtenidas tras una transformación en el marco de referencia Park Rdq. El error de corriente es procesado por un regulador 33, del tipo PID, por ejemplo, que genera las referencias de tensión pd y pq dentro del marco de referencia de Park, que, tras la transformación inversa de Park en la referencia trifásica Rabc, proporcionan las tensiones de control de las transferencias de potencia ma, mb y mc en esta última referencia. Por último, una función 34 de modulación de ancho de pulso (PWM) hace posible desarrollar las señales Sa, Sb y Sc para controlar el convertidor reversible 2.
El sistema está dispuesto de manera ventajosa para actuar sobre las corrientes armónicas suministradas por la máquina o inducidas por una carga no lineal, gracias a la función de filtrado activo posible con la estructura descrita en la presente solicitud.
Un ejemplo de la orden para la función de filtrado activo se describe en la Figura 7. El convertidor comprende al menos una función de filtro activo que permite al convertidor generar tensiones de compensación para evitar corrientes
armónicas en el convertidor debido a armónicos de tensión del lado de CA. Unas tensiones de control (V*nabc) se agregan a las tensiones de control debido a las transferencias de potencia (ma, mb, mc) para obtener las señales de control (Sa, Sb, Sc) del convertidor.
Las corrientes ipa, ipb, ipc medidas a la salida del alternador se transforman en una referencia de Park Rndq de frecuencia n veces mayor que la frecuencia fundamental de la corriente trifásica ia, ib, ic del bus CA del convertidor, estando las corrientes transformadas combinadas respectivamente con un filtrado para extraer la amplitud del armónico n en los dos ejes dn y qn de esta referencia de Park Rndq. Estas corrientes extraídas idn e iqn son entonces utilizadas como referencias nulas de salida para actuar sobre las tensiones de salida del regulador y enviadas a la entrada de un regulador 41, por ejemplo, de tipo PID u otra estructura de regulador avanzada, cuyas salidas que se agregan a la operación anterior del convertidor 2 corresponden a las tensiones que el convertidor 2 debe entregar en esta referencia de Park Rndq. Una transformación de Park inversa, a la velocidad y en la dirección del armónico n, permite obtener las tensiones V*nabc para controlar la compensación del armónico n en referencia trifásica Rabc. Estas últimas pueden agregarse a las tensiones ma, mb y mc entregadas por la orden anterior, lo que permite actuar sobre las transferencias de potencia activa y reactiva.
Una variante consiste en considerar las corrientes del convertidor en lugar de las corrientes del alternador, es decir ia, ib, ic en lugar de ipa, ipb, ipc, ilustrado en la Figura 7. Lo que antecede permite que el convertidor genere corrientes puramente sinusoidales a la frecuencia fundamental y evita que las tensiones armónicas de la red trifásica creada por el alternador produzcan corrientes armónicas en el convertidor. Esta última orden es equivalente a un circuito tampón para los armónicos de tensión provenientes del generador principal con su carga.
Este principio de filtrado activo se puede aplicar a todas las corrientes armónicas que se desee compensar, reproduciendo la estructura de compensación y agregando todas las tensiones resultantes para obtener las tensiones de control del convertidor.
Cualquiera que sea la estructura del convertidor y las leyes de control aplicadas, es deseable controlar el estado de carga del supercondensador, dado por su tensión Vdc. Al tratarse de una corriente activa en la referencia de Park que puede modificar este estado de carga, basta con modificar la corriente de referencia activa id* restando una corriente que permita actuar sobre la tensión Vdc. Se debe proporcionar una parada de seguridad para evitar exceder la tensión máxima para el supercondensador mientras se mantiene la tensión mínima para asegurar el funcionamiento correcto del convertidor 2.
Las Figuras 8, 9a y 9b ilustran un ejemplo de este control de la tensión Vdc del supercondensador.
Los umbrales a1%, a2% y a3% representan niveles de corriente de salida del sistema o de descarga con respecto a la corriente nominal continua Idn del alternador, pudiendo ajustarse estos umbrales en el margen ± 100% sin dejar dentro del alcance de la invención
Los valores a1, a2 y a3 se determinan de manera experimental para evitar activar la seguridad y no perturbar demasiado el funcionamiento de la función híbrida.
Un ejemplo de control de la corriente media del supercondensador consiste en proporcionar una amplitud y un signo de IdVDc en función de la tensión Vdc según umbrales programados y aplicar un algoritmo de comparación añadiendo una histéresis en los umbrales para evitar un efecto de aleteo. Una salida de seguridad da un nivel lógico verdadero o falso para permitir una corriente en el supercondensador o para prohibirla si se alcanzan los umbrales; cuando la seguridad está activa, entonces id = 0. Los umbrales de tensión, así como los niveles de corriente de salida y descarga del sistema, pueden modificarse sin apartarse del alcance de esta invención.
Claims (14)
1. Sistema de generación de energía eléctrica que comprende:
- un alternador (1) acoplado a un sistema de accionamiento (7), que proporciona una tensión alterna a un bus de salida (10),
- un convertidor CA/CC reversible (2) cuyo bus CA (6) está conectado al bus de salida (10) del alternador (1),
- un elemento de almacenamiento eléctrico (3) conectado al bus CC (9) del convertidor (2),
- un controlador (4) dispuesto para reaccionar a un régimen transitorio de deslastre de carga o de impacto de carga controlando el convertidor (2) para extraer energía del bus de salida (10) del alternador (2) y almacenarla en el elemento de almacenamiento (3) en caso de deslastre, y extraer la energía del elemento de almacenamiento (3) e inyectarla en el bus de salida (10) en caso de impacto de carga,
estando controlado el convertidor (2) para inyectar corrientes de compensación de las corrientes armónicas en el bus CA (10) del alternador (1), siendo el elemento de almacenamiento (3), de manera preferible, un supercondensador, estando el controlador (4) dispuesto para reaccionar a un régimen transitorio de potencia reactiva y/o activa en la micro-red, durante un deslastre de carga o un impacto de carga, para permitir el control de los desequilibrios de forma, en amplitud y en tiempo de respuesta gracias al control del convertidor que gestiona la energía en el bus de salida del alternador, permitiendo el controlador (4) el control dinámico del par motor del sistema de accionamiento a partir del elemento de almacenamiento (3) durante los impactos y deslastre de carga.
2. Sistema según la reivindicación 1, solicitándose al elemento de almacenamiento (3) que se descargue solo en régimen transitorio, solicitándose de manera preferible el elemento de almacenamiento (3) solamente en régimen transitorio de potencia activa y/o reactiva.
3. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un filtro pasivo (8), incluyendo el filtro pasivo (8) una inductancia conectada en serie entre cada fase del bus de salida (10) del alternador (1) y una fase correspondiente del bus CA (6) del convertidor (2).
4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo el convertidor (2) tres brazos (22) que incluyen cada uno un primer grupo de (p) interruptores (K11; K12; K13... K1p, K21; K22; K23... K2p, K31; K32, K33 ... K3p) conectados eléctricamente en serie entre un terminal (31) del elemento de almacenamiento (3) y una fase del bus CA (6) del convertidor (2), y un segundo grupo de p interruptores (K11'; K12'; K13'... K1p', K21'; K22'; K23'... K2p', K31'; K32', K33'... K3p') conectados eléctricamente en serie entre la misma fase del bus CA (6) del convertidor (2) y el otro terminal (32) del elemento de almacenamiento (3), siendo p un número entero mayor que 2, de manera preferible, incluyendo cada brazo (22) p-1 condensadores de equilibrio (Cf) y estando cada condensador de equilibrio (Cf) conectado en un primer polo entre los interruptores n-ésimo y n(+1)-ésimo del primer grupo, contados a partir de la fase respectiva del bus CA (6) y en un segundo polo entre los n-ésimo y n(+1)-ésimo interruptor del segundo grupo contados desde la misma fase del bus CA (6).
5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, comprendiendo el convertidor (2) tres brazos (12) que incluyen cada uno una inductancia (Lf) conectada por un primer terminal a un primer terminal (31) del elemento de almacenamiento (3), un primer interruptor electrónico (Ta, Tb, Tc) conectado a un segundo terminal de la inductancia (Lf) y a una fase correspondiente del bus CA del convertidor, un segundo interruptor electrónico (Ta', Tb', Tc') conectado al segundo terminal de la inductancia (Lf) y a un segundo terminal (32) del elemento de almacenamiento (3), y un condensador de equilibrio Cf dispuesto entre la fase correspondiente del bus CA del convertidor y el segundo terminal (32) del elemento de almacenamiento (3).
6. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las señales de control (Sa, Sb, Sc) del convertidor 2 se generan durante la puesta en práctica de un método para controlar el convertidor 2 que comprende las siguientes etapas:
- cálculo de las componentes activas y reactivas (id, iq) de la corriente trifásica (ia, ib, ic) del bus CA (6) del convertidor (2), de manera preferible en un marco de referencia de Park (Rdq) de la misma frecuencia,
- cálculo de las corrientes activas y reactivas de referencia (id*, iq*) en el mismo marco de referencia de Park (Rdq),
- cálculo de las tensiones de referencia (pq, pd), a partir de las diferencias entre las corrientes activa y reactiva de referencia (id*, iq*) y las componentes activas y reactivas (id, iq) de la corriente del bus CA del convertidor (ia, ib, ic),
- cálculo de las tensiones de control de las transferencias de potencia (ma, mb, mc) del convertidor a partir de las tensiones de referencia (pq, pd), de manera preferible mediante transformación inversa de Park en la referencia trifásica (Rabc) de la corriente del bus CA del convertidor (ia, ib, ic).
7. Sistema según la reivindicación 6, obteniéndose corrientes de referencia activas y reactivas (id*, iq*) a partir de las componentes activas y reactivas (ild, ilq) de la corriente de salida del sistema (ila, ilb, ilc), en el mismo marco de referencia de Park.
8. Sistema según la reivindicación 7, siendo cada una de las componentes activa y reactiva (ild, ilq) de la corriente de salida del sistema (ila, ilb, ilc) filtrada por un filtro para eliminar las altas frecuencias y la componente continua con el fin de evitar que el convertidor (2) intercambie energía en un régimen permanente.
9. Sistema según la reivindicación 7, siendo filtrada la componente activa (ild) de la corriente de salida del sistema (ila, ilb, ilc) por un filtro para eliminar las altas frecuencias y la componente continua con el fin de evitar que el convertidor intercambie energía en régimen permanente, siendo la componente reactiva (ilq) de la corriente de salida del sistema (ila, ilb, ilc) filtrada para obtener una corriente reactiva (iqp) nula en el alternador.
10. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, calculándose las corrientes de referencia activa y reactiva (id*, iq*) respectivamente en función de al menos la velocidad (Q) del sistema de accionamiento y de la corriente de excitación (if) de un excitador de alternador.
11. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo el convertidor al menos una función de filtro activo para generar tensiones de control de compensación de las corrientes armónicas (V*nabc), siendo estas últimas añadidas a las tensiones de control de transferencia de potencia (ma, mb, mc) para obtener las señales de control (Sa, Sb, Sc) del convertidor.
12. Sistema según la reivindicación 11, obteniéndose las tensiones de control de compensación de las corrientes armónicas (V*nabc) al menos calculando las componentes activa y reactiva (idn, iqn) de las corrientes de salida del alternador (ipa, ipb, ipc), de manera preferible en un marco de referencia de Park (Rndq) con una frecuencia n veces mayor que la frecuencia de referencia trifásica (Rabc), siendo n un número entero mayor que 2.
13. Sistema según la reivindicación 11, obteniéndose las tensiones de control de compensación de las corrientes armónicas (V*nabc) al menos calculando las componentes activa y reactiva de las corrientes del bus CA del convertidor (ia, ib, ic), de manera preferible, en un marco de referencia de Park de frecuencia n veces mayor que la frecuencia de referencia trifásica (Rabc), siendo n un número entero mayor que 2.
14. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 13, en donde el valor de la corriente de referencia activa id* se extrae a partir de una corriente de control del supercondensador (IdVDC) antes de utilizarse para el cálculo de las tensiones de referencias (pq, pd) con el fin de evitar superar los umbrales de tensión de seguridad predefinidos, dependiendo esta corriente de control (IdVDC) al menos de la tensión en los terminales del elemento de almacenamiento y de la corriente nominal continua (Idn) del alternador.
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