ES2909971T3 - Dispositivo para la estabilización dinámica de la transmisión de energía eléctrica a través de una línea eléctrica - Google Patents

Dispositivo para la estabilización dinámica de la transmisión de energía eléctrica a través de una línea eléctrica Download PDF

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Abstract

Dispositivo para la estabilización dinámica de la transmisión de energía eléctrica a través de una línea eléctrica (1) cuando se producen fluctuaciones en el flujo de potencia activa (P12); en donde a) en un primer punto (2) de la línea (1) está presente una primera tensión alterna (V1) con un primer ángulo de tensión (d1); b) en un segundo punto (3) de la línea (1), mirando en la dirección de transmisión de la energía eléctrica, está presente una segunda tensión alterna (V2) con un segundo ángulo de tensión (d2); y c) las fluctuaciones en el flujo de la potencia activa (P12) se correlacionan con las fluctuaciones en la diferencia de ángulo de tensión (d12) entre los dos puntos (2, 3) de la línea (1); en donde está presente un transformador en serie (5), cuyo devanado primario (5a) está acoplado a la línea (1) en un punto de acoplamiento (4) que está situado entre el primer y segundo punto (2, 3); se conecta un convertidor de potencia (SVC+) al devanado secundario (5b) del transformador en serie (5), el cual presenta un circuito de corriente continua (CC) con un acumulador de energía eléctrica (C); y el convertidor de potencia (SVC+) al cargar y descargar el almacenamiento de energía eléctrica (C) para el ajuste, acopla respectivamente una tercera tensión alterna de compensación (Vs) con un tercer ángulo de tensión (ds) en la línea (1) a través del transformador en serie (5); caracterizado porque el convertidor de potencia (SVC+) está diseñado como un convertidor multinivel modular, y los módulos del convertidor multinivel están diseñados como módulos de puente completo y están conectados eléctricamente en serie.

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo para la estabilización dinámica de la transmisión de energía eléctrica a través de una línea eléctrica La presente invención hace referencia a un dispositivo para la estabilización dinámica de la transmisión de energía eléctrica a través de una línea eléctrica cuando se producen fluctuaciones en el flujo de potencia activa, en particular, cuando se presentan inestabilidades, según el concepto general de la reivindicación 1.
La transmisión de energía eléctrica para áreas de suministro mayores se realiza de manera conocida mediante redes de transmisión, las cuales están conformadas a partir de líneas de transmisión interconectadas. Cuando las áreas de suministro se caracterizan de manera muy diferente por alta generación y cargas y están conectadas por interconectores relativamente débiles (por ejemplo, niveles de tensión bajos y/o líneas largas), la estabilidad dinámica (estabilidad de señal baja) está en riesgo, es decir, se pueden presentar oscilaciones (electromecánicas) entre las áreas de suministro conectadas. Esto puede derivar en el disparo de los dispositivos de protección y en fallas en el generador.
Para evitar esto, se utilizan medios operativos basados en convertidores autoconmutados en combinación con componentes pasivos que se conectan en serie con la línea de transmisión crítica. Los equipos pueden consistir en bancos de condensadores conmutados en línea de manera simple o controlados por tiristores (por sus siglas en inglés TCSC: thyristor controlled series capacitor - tiristor controlado por condensador en serie). La influencia de estos medios operativos mejora efectivamente la estabilidad dinámica, aunque presenta la desventaja de depender en gran medida de la tensión y la corriente de la red debido a los elementos pasivos.
De la solicitud EP 198 14767 A1 se conoce una disposición de circuito electrónico de potencia para compensar las perturbaciones de la red y las caídas de tensión. En este caso, una tensión alterna proporcionada por un convertidor se alimenta a una línea de suministro de tensión trifásica mediante un transformador de alimentación.
Del artículo "Control Concept of Unified Power Line Conditioner" de Li, R. et al, 2000 IEEE Power Engineering Society, reunión de invierno, Nueva York, páginas 2594-2599, XP000967184, ISBN: 978-0-7803-5936-9, se conoce un Unified Power Line Conditioner (por sus siglas en inglés UPLC: acondicionador de línea de alimentación unificada) con filtros activos conectados en serie y en paralelo. Así se pueden resolver problemas de calidad de energía eléctrica en redes de distribución.
La solicitud US 5,513,090 también revela un acondicionador de línea eléctrica (Power Line Conditioner) con un filtro activo y otro pasivo que está conectado con una red de distribución.
De la solicitud internacional WO 2013/153075 A2, se conoce un compensador de potencia con el cual se puede compensar una tensión en una línea de transmisión de potencia.
El objeto de la presente invención consiste en proponer un dispositivo para la estabilización dinámica de la transmisión de energía eléctrica a través de una línea eléctrica, que sea independiente de la tensión de red y de la corriente.
La solución está representada mediante las características de la reivindicación 1; las reivindicaciones relacionadas representan configuraciones ventajosos.
La solución prevé que esté presente un transformador en serie, cuyo devanado primario se acopla a la línea en un punto de acoplamiento situado entre el primer y el segundo punto, que se conecta un convertidor de potencia al devanado secundario del transformador en serie, que presenta un circuito de corriente continua con un acumulador de energía eléctrica; que el convertidor de potencia acopla respectivamente una tercera tensión alterna de compensación en la línea, mientras carga y descarga el acumulador de energía eléctrica para su ajuste a través del transformador en serie; que sólo ajusta las fluctuaciones en la diferencia de ángulo de tensión en cada caso. El medio operativo propuesto aquí está basado en convertidores autoconmutados VSC (por sus siglas en inglés: Voltage Source Converter: convertidor de fuente de voltaje) en combinación con un acumulador de energía eléctrica y amortigua de manera activa las oscilaciones que se producen, especialmente, cuando se presentan inestabilidades. Esto permite un potencial de regulación de tensión que es independiente de la corriente de la línea. Se garantiza una regulación más flexible y rápida en una línea de transmisión y, por lo tanto, una amortiguación significativamente más rápida y eficaz de las oscilaciones de potencia en comparación con los bancos de condensadores conmutados por línea.
A continuación, la presente invención se explica en detalle mediante un dibujo. Las figuras muestran:
Figura 1: muestra esquemáticamente la transmisión de energía eléctrica a través de una línea eléctrica con un dispositivo para la estabilización dinámica.
Figura 2: muestra un diagrama vectorial con las tensiones alternas de la transmisión de energía eléctrica según la figura 1 con un flujo de potencia activa estable.
Figura 3: muestra un diagrama vectorial con las tensiones alternas de la transmisión de energía eléctrica según la figura 1 con un flujo de potencia activa fluctuante y carga controlada del acumulador de energía eléctrica del convertidor del dispositivo.
Figura 4: muestra un diagrama vectorial con las tensiones alternas de la transmisión de energía eléctrica según la figura 1 con un flujo de potencia activa fluctuante y descarga controlada del acumulador de energía eléctrica del convertidor del dispositivo.
Figura 5: muestra el flujo de potencia activa y la potencia acumulada en el acumulador de energía eléctrica para la transmisión de energía eléctrica según la figura 1 a lo largo del tiempo en un diagrama común.
Figura 6: muestra uno de múltiples módulos de puente completo que conforman el convertidor de potencia cuando se conectan eléctricamente en serie.
La figura 1 muestra una representación esquemática de una línea (línea de transmisión) 1, que corresponde a la transmisión de energía eléctrica dentro de una red de transmisión trifásica, que está conformada mediante líneas interconectadas y cargas conectadas.
La energía eléctrica se acopla a la línea 1 en un punto (punto de alimentación) 2, aquí, en un extremo de la línea 1, y se retira en un punto (punto de extracción) 3, aquí, a modo de ejemplo en el otro extremo de la línea 1. Para ello, en el punto de alimentación 2 hay una (primera) tensión alterna V1, la tensión de red, con un (primer) ángulo de tensión d1 que, como todos los demás ángulos de tensión mencionados a continuación, está relacionado con la corriente alterna I que fluye a través de la línea 1. En el punto de extracción 3 está presente una (segunda) tensión alterna V2 con un (segundo) ángulo de tensión d2, que prácticamente cae en este punto 3. La conexión entre las dos tensiones alternas V1, V2, la corriente alterna I y la línea 1 está dada por la resistencia de línea (compleja) Z.
En un punto de acoplamiento 4, el devanado primario 5a de un transformador en serie 5 está acoplado a la línea 1, que se encuentra entre el primer y el segundo punto 2, 3, en la figura 1 más del lado del punto de extracción 3, y a través de la que fluye la corriente alterna I.
Un convertidor de potencia SVC PLUS (por sus siglas en inglés, SVC: convertidor de fuente de tensión; en lo sucesivo denominado como SVC+) está acoplado al devanado secundario del transformador en serie 5. El convertidor de potencia SVC+ presenta un circuito de corriente continua CC con un acumulador de energía eléctrica 6, que puede estar realizado en forma de condensador y por ello está representado esquemáticamente en la figura 1 mediante un condensador C. El convertidor de potencia SVC+ está diseñado como un convertidor multinivel modular cuyos módulos, conectados eléctricamente en serie, consisten en módulos de puente completo (véase la figura 6). Con la ayuda del convertidor de potencia SVC+, se acopla una (tercera) tensión alterna VS con un (tercer) ángulo de tensión ds a la línea 1 a través del devanado secundario 5b del transformador en serie 5, tal como se muestra esquemáticamente en la figura 1. De esta manera, una tensión alterna resultante V1' está presente en un tercer punto 2a (a la derecha del transformador en serie 5) (véanse las figuras 3 y 4).
Para establecer la amplitud (Vs) y el ángulo de tensión ds de la tensión alterna VS, se envía una correspondiente señal de control S a la entrada de control 7, que se conforma en base a las tensiones alternas V1, V2 y el ángulo de tensión d1, d2.
La figura 2 muestra las dos tensiones alternas V1, V2 con la diferencia de ángulo de tensión d12 a modo de ejemplo en un diagrama vectorial en un momento t0 en el cual no hay una tercera tensión alterna Vs acoplada a la línea 1, ya que la corriente alterna I es esencialmente estable.
La figura 3 muestra las dos tensiones alternas V1, V2 en un diagrama vectorial en un momento t1 en el cual se presenta una inestabilidad. La inestabilidad está asociada aquí, por ejemplo, en el momento t1 con una diferencia de ángulo de tensión d12' entre las dos tensiones alternas V1, V2, que es mayor que la diferencia de ángulo de tensión d12 en el momento t0, es decir, antes de que se produzca la inestabilidad.
La tensión alterna Vs con el ángulo de voltaje d3 se acopla en la línea 1 para compensar la diferencia de ángulo de tensión aumentada d12', que corrige (esencialmente compensa) de manera correspondiente el cambio en la diferencia de ángulo de tensión d12'-d12.
En la figura 3 se puede observar que durante el funcionamiento de almacenamiento, no sólo se influye en la diferencia de ángulo de tensión d12 sino también en el ángulo de tensión d2 de la tensión alterna V2. El control de la diferencia del ángulo de tensión d12 y del ángulo de tensión d2 ofrece la posibilidad de controlar el flujo de potencia activa P12 y el flujo de potencia reactiva en la línea 1 independientemente uno de otro.
Debido al elemento controlable activamente en forma del circuito de corriente continua CC con el acumulador de energía eléctrica 6, el ángulo de tensión d3 de la tensión alterna Vs se puede ajustar entre 0 y 360 grados mediante la carga o descarga adecuadamente controlada del acumulador de energía eléctrica 6.
Por lo tanto, el acumulador de energía eléctrica 6 puede extraer activamente una cantidad de carga Q de la línea 1 y también entregarla a la línea 1. Para una tensión alterna Vs dada (como se muestra en la figura 3 con una flecha PVs con una longitud de flecha correspondientemente constante), un cambio en el tercer ángulo de tensión d3 corresponde a una rotación de la flecha PVs alrededor del punto central del círculo K1 dibujado, es decir, la punta de flecha de la flecha PVs se mueve hacia arriba sobre el círculo K1. Las puntas de flecha de las flechas PV2 y PZI se mueven sincrónicamente sobre el círculo superior K2.
En la figura 1 se muestra un ejemplo de la carga del acumulador de energía eléctrica 6 controlada por el convertidor de potencia SVC+.
A diferencia de la figura 3, la figura 4 muestra un ejemplo de descarga del acumulador de energía eléctrica 6 controlada por el convertidor de potencia SVC+.
La figura 5 muestra en un diagrama común el flujo de potencia activa P12 y la potencia Ps (Pstorage: almacenamiento de potencia) almacenada en el acumulador de energía eléctrica 6 a lo largo del tiempo t. El flujo de potencia activa P12 es esencialmente estable hasta el momento t0. En el momento t0, debido a inestabilidades, se presentan fluctuaciones en el flujo de potencia activa P12 (curva discontinua 8 sin un convertidor de potencia activo o conectado SVC+), que aquí a modo de ejemplo, tal como suele ser el caso en la práctica, se extienden oscilantes (oscilaciones de potencia). Al encender el convertidor SVC+ se genera la curva 9, que aquí tiene, a modo de ejemplo, la forma de una oscilación amortiguada; en donde el flujo de potencia activa P12 ya es nuevamente estable en el momento t1, es decir, tiene el mismo valor que tenía en el momento t0, aunque estrictamente debido a la corrección salvo una pequeña desviación no mostrada, que también decae en el tiempo t.
La potencia Ps almacenada durante el tiempo t en el acumulador de energía eléctrica 6 que se muestra a continuación en la figura 5, muestra la influencia activa del convertidor SVC+ en el flujo de potencia activa P12, es decir, el convertidor de potencia SVC+ acopla respectivamente la tercera tensión de CA Vs a la línea a través del transformador en serie 5, durante la carga L y la descarga E del acumulador de energía eléctrica 6; en donde éste ajusta su ángulo de tensión ds de tal manera que las fluctuaciones en la diferencia de ángulo de tensión d12 se compensan (amortiguan) tal como se muestra en las figuras 2 y 3. Cuando se aplica la primera tensión alterna V1 con un ángulo de tensión d1 y una diferencia de ángulo de tensión d12 sin cambios en el momento t3 (en comparación con el momento t0), el flujo de potencia activa P12 vuelve a ser estable y sin cambios. Y eso, mediante la influencia activa en un tiempo relativamente acotado en comparación con el período de oscilación de las fluctuaciones oscilantes en el flujo de potencia activa P12, debido a la inestabilidad.
En la figura 6 se muestra a modo de ejemplo uno de los módulos de puente completo, que conectados eléctricamente en serie conforman el convertidor de potencia SVC+; en donde el condensador Cn del módulo de puente completo conforma una capacidad parcial del acumulador de energía eléctrica 6 representado esquemáticamente como condensador C en la figura 1.

Claims (1)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo para la estabilización dinámica de la transmisión de energía eléctrica a través de una línea eléctrica (1) cuando se producen fluctuaciones en el flujo de potencia activa (P12); en donde
a) en un primer punto (2) de la línea (1) está presente una primera tensión alterna (V1) con un primer ángulo de tensión (d1);
b) en un segundo punto (3) de la línea (1), mirando en la dirección de transmisión de la energía eléctrica, está presente una segunda tensión alterna (V2) con un segundo ángulo de tensión (d2); y
c) las fluctuaciones en el flujo de la potencia activa (P12) se correlacionan con las fluctuaciones en la diferencia de ángulo de tensión (d12) entre los dos puntos (2, 3) de la línea (1); en donde está presente un transformador en serie (5), cuyo devanado primario (5a) está acoplado a la línea (1) en un punto de acoplamiento (4) que está situado entre el primer y segundo punto (2, 3);
se conecta un convertidor de potencia (SVC+) al devanado secundario (5b) del transformador en serie (5), el cual presenta un circuito de corriente continua (CC) con un acumulador de energía eléctrica (C); y el convertidor de potencia (SVC+) al cargar y descargar el almacenamiento de energía eléctrica (C) para el ajuste, acopla respectivamente una tercera tensión alterna de compensación (Vs) con un tercer ángulo de tensión (ds) en la línea (1) a través del transformador en serie (5);
caracterizado porque
el convertidor de potencia (SVC+) está diseñado como un convertidor multinivel modular, y los módulos del convertidor multinivel están diseñados como módulos de puente completo y están conectados eléctricamente en serie.
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