ES2870102T3 - Instalación y procedimiento para estabilizar una red de tensión alterna - Google Patents
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Abstract
Instalación (1) para estabilizar una red de tensión alterna (2) con un convertidor (3), que se puede conectar a la red de tensión alterna (2), y está configurado para intercambiar potencia reactiva con la red de tensión alterna (2), caracterizada por que la instalación (1) comprende, aparte de eso - una disposición de inductancia (12) con bobinas de inductancia variables (14), que se puede conectar a la red de tensión alterna (2), así como - un equipo de regulación (17), que está configurado para regular una potencia reactiva en la red de tensión alterna (2) por medio del convertidor (3) y por medio de la disposición de inductancia (12).
Description
DESCRIPCIÓN
Instalación y procedimiento para estabilizar una red de tensión alterna
La invención se refiere a una instalación para estabilizar una red de tensión alterna con un convertidor, que se puede conectar a la red de tensión alterna, y está configurado para intercambiar potencia reactiva con la red de tensión alterna.
Una instalación de este tipo se conoce por el documento WO 2010/115471 A1. La instalación conocida se utiliza habitualmente para estabilizar la red de tensión alterna, reduciéndose las fluctuaciones de tensión en la red de tensión alterna, intercambiándose potencia reactiva con la red de tensión alterna y minimizándose las perturbaciones en la red de tensión alterna.
El convertidor de la instalación conocida es un denominado convertidor modular de varias etapas. Presenta una pluralidad de brazos de convertidor, pudiendo estar conectados los unos a los otros los brazos de convertidor, por ejemplo, en una conexión en triángulo o en estrella. Cada brazo de convertidor comprende una conmutación en serie de varios módulos de conmutación de dos polos. A este respecto, cada módulo de conmutación comprende varios interruptores de semiconductores así como un condensador de circuito intermedio, que están conectados entre sí en un circuito de puente completo conocido por el experto.
Este convertidor a menudo se denomina STATCOM (siglas en inglés para "Static Synchronous Compensator", compensador síncrono estático). Los interruptores de semiconductores de los módulos de conmutación del STATCOM se pueden controlar de forma independiente los unos de los otros, mediante lo cual el STATCOM puede generar una tensión alterna escalonada con casi cualquier curso temporal.
La instalación conocida conlleva la desventaja de unos costes operativos relativamente elevados.
En los documentos US 2005/015182 A1, US 2016/139578 A1, US 2008/278121 A1 y CN 205 544 288 U están reveladas disposiciones adicionales, por medio de las cuales se puede influir en una potencia reactiva o bien un flujo de potencia en una red de tensión alterna.
El objetivo de la invención es proponer una instalación de acuerdo con el tipo que sea lo más eficiente y económica posible.
De acuerdo con la invención, el objetivo se resuelve a través de una instalación de acuerdo con la reivindicación de patente 1. Por consiguiente, la instalación comprende, aparte de eso, una disposición de inductancia con bobinas de inductancia variables, que se puede conectar a la red de tensión alterna, así como un equipo de regulación, que está configurado para regular una potencia reactiva en la red de tensión alterna por medio del convertidor y por medio de la disposición de inductancia. La disposición de inductancia forma un denominado VSR (siglas en inglés para "variable shunt reactor", reactor de derivación variable). Esto puede influir en la potencia reactiva en el caso de la conexión a la red de tensión alterna. Las inductancias variables pueden ser, por ejemplo, inductancias cuya inductividad se puede ajustar de forma variable por medio de un conmutador escalonado. Cada una de las inductancias puede estar equipada con un núcleo de hierro y/o un entrehierro.
Por lo tanto, la instalación combina el convertidor, relativamente costoso en funcionamiento, con una disposición de inductancia relativamente económica de tal manera que estos se pueden utilizar de la manera más eficiente posible para una estabilización de la red de tensión alterna por medio de un equipo de regulación común. A este respecto, el convertidor solo se tiene que diseñar para un intervalo de potencia menor que en el caso de la instalación conocida por el estado de la técnica. Esto reduce adicionalmente los costes de la instalación.
Dependiendo de las especificaciones de regulación adecuadas, el equipo de regulación es capaz de regular, opcionalmente por medio de la disposición de inductancia o del convertidor, una potencia reactiva en la red de tensión alterna y contrarrestar las fluctuaciones de tensión en la red de tensión alterna.
De manera conveniente, el equipo de regulación está configurado para regular la potencia reactiva por medio del convertidor y la disposición de inductancia, de manera que la potencia reactiva se pueda regular, en el caso de fluctuaciones transitorias de tensión en la red de tensión alterna, por medio del convertidor y, en un área de trabajo estacionaria de la red de tensión alterna, por medio de la disposición de inductancia. Puesto que el convertidor puede reaccionar de manera muy rápida y flexible a las fluctuaciones de tensión rápidas en la red de tensión alterna, su utilización es particularmente efectiva en estos casos. En este sentido, las fluctuaciones transitorias de tensión son aquellas que se producen en el plazo de unos pocos segundos. En particular, por medio del convertidor se pueden compensar subtensiones o bien sobretensiones transitorias en el intervalo de tiempo de 2 a 3 períodos de red. Debido a retrasos en la conmutación de, por ejemplo, conmutadores escalonados mecánicos y similares, las inductancias variables no son adecuadas para una regulación de la potencia reactiva en escalas de tiempo tan cortas. En este
contexto, en una escala de tiempo de más de un minuto ya se parte correspondientemente de un estado estacionario. En el estado estacionario, por consiguiente, la disposición de inductancia puede hacerse cargo de la estabilización de la red de tensión alterna. De esta manera, se puede lograr una ventaja de costes particularmente alta con una alta capacidad de rendimiento de la instalación.
De acuerdo con una forma de realización de la invención, el equipo de regulación está configurado para controlar el convertidor de tal manera que las fluctuaciones de tensión de conmutación que se producen en la red de tensión alterna debido a procesos de conmutación de la disposición de inductancia se puedan compensar al menos parcialmente por medio del convertidor. De esta manera, se puede lograr un efecto de sinergia particularmente ventajoso de la instalación: la fiabilidad de la instalación se aumenta por que las propiedades de estabilización de la disposición de inductancia se mejoran por medio del convertidor. Las fluctuaciones de tensión de conmutación se pueden producir, por ejemplo, a través de la conmutación del conmutador escalonado, porque cada cambio escalonado en la inductividad de la disposición de inductancia genera una fluctuación de tensión en la red de tensión alterna como respuesta del sistema. Estas fluctuaciones de tensión de conmutación son generalmente indeseables.
Preferentemente, la disposición de inductancia comprende inductancias variables interconectadas para formar un punto neutro aislado, estando conectada cada una de las inductancias, en su extremo que se aleja del punto neutro, galvánicamente a una unidad de conmutación, por medio de la cual se puede conectar la inductancia a una fase asignada a la misma de la red de tensión alterna. Cada una de las inductancias variables puede estar constituida a partir de una conmutación en serie de inductancias individuales. Por lo tanto, el número de inductancias variables corresponde de manera adecuada al número de fases de la red de tensión alterna.
De acuerdo con una forma de realización de la invención, la disposición de inductancia y el convertidor se pueden conectar a la red de tensión alterna por medio de una disposición de conmutación común. De esta manera, se puede implementar un enlace particularmente sencillo y económico de la instalación a la red de tensión alterna.
De acuerdo con una forma de realización adicional de la invención, la disposición de inductancia y el convertidor se pueden conectar a la red de tensión alterna en cada caso por medio de disposiciones de conmutación separadas. Puesto que la disposición de inductancia y el convertidor de acuerdo con esta forma de realización se pueden conectar a la red de tensión alterna por separado e independientemente entre sí o bien separarse de la misma, en este caso se produce un grado particularmente alto de flexibilidad en el funcionamiento de la instalación.
Preferentemente, el convertidor es un convertidor modular de varias etapas. De esta manera, se ha proporcionado el STATCOM ya descrito anteriormente, que se puede ocupar de una compensación de potencia reactiva particularmente flexible en la red de tensión alterna.
Preferentemente, la disposición de inductancia está diseñada para un intervalo de potencia de entre -100 Mvar (megavoltiamperio) y -300 Mvar. Con este diseño, por medio de la disposición de inductancia también se puede estabilizar una red de tensión alterna con tensiones superiores a 100 kV (por ejemplo, fase a fase).
Preferentemente, el convertidor está diseñado para un intervalo de potencia de entre -10 Mvar hasta -400 Mvar. Con ello, el convertidor está suficientemente diseñado para la compensación de potencia reactiva en redes de alta tensión.
Aparte de eso, la invención se refiere a un procedimiento para estabilizar una red de tensión alterna por medio de una instalación con un convertidor, que se puede conectar a la red de tensión alterna.
Un procedimiento de este tipo se conoce por el documento WO 2010/115471 A1 ya mencionado anteriormente.
El objetivo de la invención es especificar un procedimiento de este tipo que sea lo más económico y fiable posible.
De acuerdo con la invención, el objetivo se resuelve a través de un procedimiento de acuerdo con el tipo por que la instalación comprende, aparte de eso, una disposición de inductancia con bobinas de inductancia variables, que se puede conectar a la red de tensión alterna, regulándose, por medio de un equipo de regulación, una potencia reactiva en la red de tensión alterna por medio del convertidor y por medio de la disposición de inductancia.
Las ventajas del procedimiento de acuerdo con la invención se deducen, conforme al sentido, de las ventajas ya descritas en relación con la instalación de acuerdo con la invención.
Preferentemente, la potencia reactiva se regula, en el caso de fluctuaciones transitorias de tensión en la red de tensión alterna, por medio del convertidor y, en un área de trabajo estacionaria de la red de tensión alterna, por medio de la disposición de inductancia. En particular, en el área de trabajo estacionaria el convertidor puede regresar al punto de trabajo 0 Mvar, lo cual disminuye ventajosamente los costes de funcionamiento de la instalación.
De manera especialmente preferente, el convertidor se controla por medio del equipo de regulación de tal manera que las fluctuaciones de tensión de conmutación que se producen en la red de tensión alterna debido a procesos de conmutación de la disposición de inductancia se compensan al menos parcialmente por medio del convertidor.
Evidentemente, todas las características preferentes descritas anteriormente de la instalación de acuerdo con la invención también se pueden implementar, solas o en combinación, en relación con el procedimiento de acuerdo con la invención.
La invención se explicará a continuación mediante ejemplos de realización que están representados en las figuras 1 a 3.
La figura 1 muestra un primer ejemplo de realización de una instalación de acuerdo con la invención en una representación esquemática;
la figura 2 muestra un segundo ejemplo de realización de la instalación de acuerdo con la invención en una representación esquemática;
la figura 3 muestra un ejemplo de un módulo de conmutación de un convertidor para una de los instalaciones de las figuras 1 y 2.
En la figura 1 está representada una instalación 1 para estabilizar una red de tensión alterna 2 en una denominada representación de diagrama de una sola línea ("single line diagram"). En el ejemplo representado, la red de tensión alterna 2 es una red de suministro de energía con una tensión de 400 kV y una frecuencia de 50 Hz.
La instalación 1 comprende un convertidor 3. El convertidor 3 comprende tres brazos de convertidor, que están conectados los unos a los otros en una conexión en triángulo, lo cual está indicado por medio de las flechas 4 y 5. En la representación de diagrama de una sola línea de la figura 1, solo el primer brazo de convertidor 6 está representado en sentido figurado. Los dos brazos de convertidor restantes del convertidor 3 están constituidos de la misma forma que el primer brazo de convertidor 6. El primer brazo de convertidor 6 presenta una conmutación en serie de módulos de conmutación 7 de dos polos así como una inductividad de brazo 8. La estructura de los módulos de conmutación 7 se analiza con más detalle en la figura 3 a continuación. El convertidor 3 está conectado a la red de tensión alterna 2 a través de un transformador 9. A este respecto, un devanado 10 del lado de la red del transformador 9 está configurado en un devanado en estrella puesto a tierra, y un devanado 11 del lado del convertidor del transformador está configurado correspondientemente en un devanado en triángulo. Por consiguiente, el convertidor forma un STATCOM y, en el ejemplo representado, está diseñado para una potencia de -50 Mvar.
Aparte de eso, la instalación 1 comprende una disposición de inductancia 12, que comprende tres inductancias variables que están conectadas las unas a las otras para formar un punto neutro 13. A este respecto, la conexión del punto neutro al potencial de tierra se puede aislar (es decir, no poner a tierra), directamente (sin resistencia) o, por ejemplo, a través de una impedancia. En la representación de la figura 1, únicamente está representada de manera figurada una primera inductancia variable 14 de las tres inductancias del mismo tipo de la disposición de inductancia 12. La disposición de inductancia 12 está configurada para formar un intercambio de potencia reactiva con la red de tensión alterna 2 en un intervalo de potencia de 200 Mvar. La primera inductancia 14 está conectada en su lado que se aleja del punto neutro 13 a un punto de potencial 15 y a través del punto de potencial 15 a un equipo de conmutación 16. Lo mismo se aplica también a las dos inductancias restantes de la disposición de inductancia 12. El devanado 10 del lado de la red del transformador 9 también está conectado al punto de potencial 15. La regulación de las inductancias se realiza por medio del control de un conmutador escalonado correspondientemente controlable.
Aparte de eso, la instalación 1 comprende un equipo de regulación 17. El equipo de regulación 17 está configurado para el control de los interruptores de semiconductores del convertidor 3 y las inductancias variables. El equipo de regulación 17 está conectado a un dispositivo de medición 18 para medir la tensión y/o corriente en la red de tensión alterna 2. Con ello, una potencia reactiva en la red de tensión alterna 2 se puede regular por medio del equipo de regulación. Para ello, el equipo de regulación 17 controla la disposición de inductancia 12 y el convertidor 3 correspondientemente a un algoritmo de regulación adecuado. En particular, en el caso de fluctuaciones transitorias de tensión en la red de tensión alterna 2, la potencia reactiva se regula por medio del convertidor 3. En caso contrario, la potencia reactiva se regula por medio de la disposición de inductancia 12.
Si se producen fluctuaciones de tensión de conmutación en la red de tensión alterna 2 debido a procesos de conmutación en las inductancias variables de la disposición de inductancia 12, entonces estas se compensan al menos parcialmente por medio del convertidor 3, de lo cual se ocupa el equipo de regulación por medio de un control adecuado de los módulos de conmutación 7 o bien de los interruptores de semiconductores de los módulos de conmutación 7.
En la figura 2 está representada una instalación 20 adicional para la estabilización de una red de tensión alterna. La instalación 20 y la instalación 1 de la figura 1 están construidas en su mayor parte de la misma manera. Por eso, por
razones de claridad, elementos idénticos y similares están provistos de los mismos símbolos de referencia en las figuras 1 y 2. Para evitar repeticiones, a continuación únicamente se analizan las diferencias entre las instalaciones 1 y 20.
A diferencia de la instalación 1 de la figura 1, la disposición de inductancia 12 de la instalación 20 está conectada a la red de tensión alterna 2 a través de su propia disposición de conmutación 21. Del mismo modo, el convertidor 3 está conectado a la red de tensión alterna 2 a través de su propia disposición de conmutación 22. Una disposición de este tipo posibilita una mayor flexibilidad en el funcionamiento de la instalación 20. Las disposiciones de conmutación comprenden elementos de conmutación asignados a las fases de la red de tensión alterna.
Un ejemplo de un módulo de conmutación 7 en forma de un circuito de puente completo 101 está representado esquemáticamente en la figura 3. El circuito de puente completo 101 presenta un primer interruptor de semiconductores 102 en forma de un IGBT (siglas en inglés para "transistor bipolar de puerta aislada"), al que está conectado en antiparalelo un diodo de rueda libre 103, así como un segundo interruptor de semiconductores 104 en forma de un IGBT, al que está conectado en antiparalelo un diodo de rueda libre 105. El sentido de conducción de los dos interruptores de semiconductores 102 y 104 está rectificado. Aparte de eso, el circuito de puente completo 101 comprende un tercer interruptor de semiconductores 109 en forma de un IGBT, al que está conectado en antiparalelo un diodo de rueda libre 110, así como un cuarto interruptor de semiconductores 111 en forma de un IGBT, al que está conectado en antiparalelo un diodo de rueda libre 112. El sentido de conducción de los dos interruptores de semiconductores 109 y 111 está rectificado. Por lo tanto, los interruptores de semiconductores 102 y 104 con sus diodos de rueda libre 103, 105 asociados forman una conmutación en serie, que está conectada en paralelo a una conmutación en serie formada por los interruptores de semiconductores 109, 111 y los diodos de rueda libre 110 y 112 asociados. Un condensador de circuito intermedio 106 está dispuesto en paralelo respecto a las dos conmutaciones en serie. El primer terminal X1 está dispuesto en un punto de potencial 113 entre los interruptores de semiconductores 102, 104, y el segundo terminal X2 está dispuesto en un punto de potencial 114 entre los interruptores de semiconductores 109, 111.
A través de un control adecuado de los semiconductores de potencia 102, 104, 109 y 111, se puede generar la caída de tensión en los terminales X1, X2, que corresponde a la caída de tensión Uc en el condensador del circuito intermedio 106, a la caída de tensión en el condensador de circuito intermedio 106 pero con polaridad opuesta (-Uc) o a la tensión cero.
Claims (12)
1. Instalación (1) para estabilizar una red de tensión alterna (2) con un convertidor (3), que se puede conectar a la red de tensión alterna (2), y está configurado para intercambiar potencia reactiva con la red de tensión alterna (2), caracterizada por que la instalación (1) comprende, aparte de eso
- una disposición de inductancia (12) con bobinas de inductancia variables (14), que se puede conectar a la red de tensión alterna (2), así como
- un equipo de regulación (17), que está configurado para regular una potencia reactiva en la red de tensión alterna (2) por medio del convertidor (3) y por medio de la disposición de inductancia (12).
2. Instalación (1) según la reivindicación 1, estando configurado el equipo de regulación (17) para regular la potencia reactiva por medio del convertidor (3) y la disposición de inductancia (12) de tal forma que la potencia reactiva, en el caso de fluctuaciones transitorias de tensión en la red de tensión alterna (2), se puede regular por medio del convertidor (3) y, en un área de trabajo estacionaria de la red de tensión alterna (2), se puede regular por medio de la disposición de inductancia (12).
3. Instalación (1) según una de las reivindicaciones 1 o 2, estando configurado el equipo de regulación (17) para controlar el convertidor (3) de tal manera que las fluctuaciones de tensión de conmutación que se producen en la red de tensión alterna (2) debido a procesos de conmutación de la disposición de inductancia (12) se pueden compensar al menos parcialmente por medio del convertidor (3).
4. Instalación (1) según una de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo la disposición de inductancia (12) inductancias variables (14) interconectadas para formar un punto neutro (13), estando conectada cada una de las inductancias (14), en su extremo que se aleja del punto neutro (13), galvánicamente a una unidad de conmutación (16), por medio de la cual se puede conectar la inductancia (14) a una fase asignada a la misma de la red de tensión alterna (2).
5. Instalación (1) según una de las reivindicaciones anteriores, pudiendo conectarse la disposición de inductancia (12) y el convertidor (3) a la red de tensión alterna (2) por medio de una disposición de conmutación (16) común.
6. Instalación (20) según una de las reivindicaciones 1 a 4, pudiendo conectarse el dispositivo de inductancia (12) y el convertidor (3) a la red de tensión alterna (2) en cada caso por medio de disposiciones de conmutación (21, 22) separadas.
7. Instalación (1) según una de las reivindicaciones anteriores, siendo el convertidor (3) un convertidor modular de varias etapas.
8. Instalación (1) según una de las reivindicaciones anteriores, estando diseñada la disposición de inductancia (12) para un intervalo de potencia de entre -100 Mvar y -300 Mvar.
9. Instalación (1) según una de las reivindicaciones anteriores, estando diseñado el convertidor (3) para un intervalo de potencia de entre -10 Mvar hasta -400 Mvar.
10. Procedimiento para estabilizar una red de tensión alterna (2) por medio de una instalación (1) con un convertidor (3), que se puede conectar a la red de tensión alterna (2),
caracterizado por que la instalación (1) comprende aparte de eso una disposición de inductancia (12) con bobinas de inductancia variables (14), que se puede conectar a la red de tensión alterna (2),
regulándose, por medio de un equipo de regulación (17), una potencia reactiva en la red de tensión alterna (2) por medio del convertidor (3) y por medio de la disposición de inductancia (14).
11. Procedimiento según la reivindicación 10, regulándose la potencia reactiva, en el caso de fluctuaciones transitorias de tensión en la red de tensión alterna (2), por medio del convertidor (3) y, en un área de trabajo estacionaria de la red de tensión alterna (2), por medio de la disposición de inductancia (12).
12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 10 u 11, controlándose el convertidor (3) por medio del equipo de regulación (17) de tal manera que las fluctuaciones de tensión de conmutación que se producen en la red de tensión alterna (2) debido a procesos de conmutación de la disposición de inductancia (12) se compensan al menos parcialmente por medio del convertidor (3).
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