ES2934620A1 - System and method for locating ground faults in a direct current and alternating current electrical installation with a multilevel modular converter (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Sistema y método de localización de faltas a tierra en una instalación eléctrica de corriente continua y corriente alterna con convertidor modular multinivelSystem and method for locating ground faults in a direct current and alternating current electrical installation with a multilevel modular converter
Objeto de la invenciónObject of the invention
La presente invención se refiere a un sistema y a un método mediante los cuales se permite detectar y localizar faltas (o cortocircuitos) a tierra en instalaciones eléctricas de corriente continua y corriente alterna dotadas de, al menos, un convertidor modular multinivel.The present invention refers to a system and a method by means of which it is possible to detect and locate ground faults (or short circuits) in direct current and alternating current electrical installations equipped with at least one multilevel modular converter.
El sistema y el método de la presente invención permiten localizar la falta a tierra en cualquier punto dentro de la instalación eléctrica (lado de AC, lado de DC o submódulo de conmutación dentro del propio convertidor modular multinivel), con la instalación eléctrica en funcionamiento.The system and method of the present invention make it possible to locate the ground fault at any point within the electrical installation (AC side, DC side or switching submodule within the multilevel modular converter itself), with the electrical installation in operation.
El método y sistema de la presente invención es de particular relevancia en instalaciones eléctricas con convertidores modulares multinivel, como por ejemplo, aquellas instalaciones eléctricas en donde existen enlaces de corriente continua de alta tensión (HVDC, por las siglas en inglés de High Voltage Direct Current) para el transporte de energía eléctrica entre dos redes de corriente alterna separadas por una larga distancia o para el enlace entre dos redes de corriente alterna con diferentes frecuencias nominales.The method and system of the present invention is of particular relevance in electrical installations with multilevel modular converters, such as those electrical installations where there are high voltage direct current (HVDC) links. ) for the transmission of electrical energy between two alternating current networks separated by a long distance or for the link between two alternating current networks with different nominal frequencies.
Antecedentes de la invención y problema técnico a resolverBackground of the invention and technical problem to be solved
Los sistemas con electrónica de potencia están teniendo un desarrollo considerable en el sistema eléctrico de potencia introduciendo grandes cambios en él. Los convertidores modulares multinivel (MMC por sus siglas en inglés) están siendo considerados cada vez más en sistemas tales como enlaces de corriente continua en alta tensión (HVDC), sistemas de almacenamiento de energía eléctrica o compensadores estáticos, STATCOM. Systems with power electronics are having a considerable development in the electrical power system, introducing great changes in it. Modular multi-level converters (MMC) are being increasingly considered in systems such as high voltage direct current (HVDC) links, electrical energy storage systems or static compensators, STATCOM.
Los convertidores modulares multinivel (MMC) permiten un control mucho más eficiente y preciso de los parámetros como corriente del lado de corriente alterna (AC) o tensión en la zona de corriente continua (DC). Estos convertidores se componen de múltiples submódulos de IGBTs que cargan y descargan condensadores intermedios en función de las condiciones que se quieran implantar tanto aguas arriba como aguas debajo de dicho convertidor. Sin embargo, la introducción de tantos elementos en un convertidor hace que el diagnóstico y protección de los mismos frente a distintos tipos de faltas sea difícil. Entre otras faltas, las faltas eléctricas a tierra son las más comunes en instalaciones eléctricas de potencia y por eso es necesario disponer de métodos y sistemas para la detección y localización de las mismas, tanto en la etapa de corriente alterna, como en la etapa de corriente continua o entre diferentes submódulos dentro del convertidor modular multinivel.Multi-level modular converters (MMC) allow much more efficient and precise control of parameters such as current on the alternating current (AC) side or voltage on the direct current (DC) side. These converters are made up of multiple IGBT submodules that charge and discharge intermediate capacitors depending on the conditions that are to be implemented both upstream and downstream of said converter. However, the introduction of so many elements in a converter makes their diagnosis and protection against different types of faults difficult. Among other faults, electrical faults to earth are the most common in electrical power installations and for this reason it is necessary to have methods and systems for their detection and location, both in the alternating current stage and in the phase of direct current or between different submodules within the multilevel modular converter.
El documento CN 105406500 B divulga un método de control para MMC monopolares una vez se detectan faltas a tierra aguas arriba o aguas abajo del circuito. El método considera distintos tipos de puesta a tierra para su operación entre los que destacan un neutro artificial inductivo, la puesta a tierra mediante impedancia del transformador de alimentación principal o el punto medio del bus de corriente continua a tierra. En cualquiera de los casos, el método analiza si la falta se produce en el lado de corriente continua o alterna durante un transitorio de falta para tomar decisiones en el control, pero en ningún caso localiza la posición exacta de dichos defectos en la instalación eléctrica.Document CN 105406500 B discloses a control method for monopolar MMCs once ground faults are detected upstream or downstream of the circuit. The method considers different types of grounding for its operation, among which stand out an inductive artificial neutral, grounding through impedance of the main power supply transformer or the midpoint of the direct current bus to ground. In either case, the method analyzes whether the fault occurs on the DC or AC side during a fault transient to make control decisions, but in no case does it locate the exact position of said faults in the electrical installation.
El documento CN 107069679 B describe la utilización de cambios repentinos en las medidas de tensiones, corrientes, potencia activa y reactiva respecto de los valores de consigna en los distintos MMC bipolares con punto medio a tierra para detectar faltas en el lado de corriente continua de la instalación eléctrica, y permite conocer en qué convertidor MMC se produce. Atendiendo a la desviación en la distribución de dichos parámetros, el cable en falta puede ser localizado y desconectado de la corriente eléctrica. Este sistema únicamente detecta faltas en el lado de corriente continua de la instalación eléctrica.Document CN 107069679 B describes the use of sudden changes in the measurements of voltages, currents, active and reactive power with respect to the set values in the different bipolar MMCs with midpoint to ground to detect faults on the direct current side of the electrical installation, and allows to know in which MMC converter it is produced. Considering the deviation in the distribution of said parameters, the faulty cable can be located and disconnected from the electric current. This system only detects faults on the direct current side of the electrical installation.
Otros métodos son capaces de localizar el defecto en el lado de corriente continua (DC) usando inteligencia artificial y métodos de “machine learning" utilizando únicamente la medida de tensión en la zona de DC como es el caso del artículo: J. -Y. Wu, S. Lan, S. -J. Xiao and Y. -B. Yuan, "Single Pole-to-Ground Fault Location System for MMC-HVDC Transmission Lines Based on Active Pulse and CEEMDAN," in IEEE Access, vol. 9, pp. 42226-42235, 2021. Aunque para utilizar este tipo de métodos se requieren múltiples simulaciones de carácter muy semejante a la realidad para su puesta en marcha en instalaciones reales.Other methods are capable of locating the defect on the direct current (DC) side using artificial intelligence and "machine learning" methods using only the voltage measurement in the DC area, as is the case in the article: J. -Y. Wu, S. Lan, S. -J. Xiao and Y. -B. Yuan, "Single Pole-to-Ground Fault Location System for MMC-HVDC Transmission Lines Based on Active Pulse and CEEMDAN," in IEEE Access, vol. 9, pp. 42226-42235, 2021. Although to use this type of method, multiple simulations of a nature very similar to reality are required for its implementation in installations real.
Por otra parte, el documento ES 2798348 B2 describe un sistema y método para la distinción de la zona de falta en AC o en DC en instalaciones eléctricas con convertidores mediante la puesta a tierra de una impedancia en el neutro del lado de AC de la red. Utilizando la forma de onda registrada en dicho dispositivo el sistema es capaz de distinguir si la falta tiene lugar en AC o en DC, pero no considera faltas intermedias en el convertidor, ni localiza la posición exacta del defecto.On the other hand, the document ES 2798348 B2 describes a system and method for distinguishing the AC or DC fault zone in electrical installations with converters by grounding an impedance in the neutral on the AC side of the network. . Using the waveform registered in said device, the system is capable of distinguishing whether the fault occurs in AC or DC, but it does not consider intermediate faults in the converter, nor does it locate the exact position of the fault.
Otros métodos contemplan la protección de los MMC frente a faltas en los conmutadores de forma que estos puedan quedarse inintencionadamente abiertos, como es el caso del artículo: C. Liu et al., "Fault Localization Strategy for Modular Multilevel Converters Under Submodule Lower Switch Open-Circuit Fault," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 35, no. 5, pp. 5190-5204, May 2020. Pero no se considera el estudio para el fenómeno de faltas a tierra.Other methods contemplate the protection of the MMC against faults in the switches so that they can remain open unintentionally, as is the case of the article: C. Liu et al., "Fault Localization Strategy for Modular Multilevel Converters Under Submodule Lower Switch Open -Circuit Fault," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 35, no. 5, p. 5190-5204, May 2020. But the study for the phenomenon of ground faults is not considered.
En caso de querer distinguir si existe o no falta a tierra dentro del MMC uno de los métodos más utilizados es el de observación de descargas parciales para buscar deterioro en el aislamiento de los interruptores, pero por lo general la instalación objeto de estudio tiene que estar desconectada de la red eléctrica. Por lo que sólo es viable realizar este tipo de ensayos durante el mantenimiento de dichas instalaciones. Aunque técnicas más avanzadas consideran ya su uso de forma online: C. Liu, Z. Liu, C. Zhan, L. Zhu and T. Hou, "An Online Monitoring Scheme for Partial Discharge Signal of Sub-module IGBTS Used in MMC," 2020 8th International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis (CMD), 2020, pp. 230 233. El problema de este tipo de métodos también viene achacado a la necesidad de frecuencias de muestreo muy altas.In case of wanting to distinguish whether or not there is a ground fault within the MMC, one of the most used methods is the observation of partial discharges to look for deterioration in the insulation of the switches, but generally the installation under study has to be disconnected from the electrical network. Therefore, it is only viable to carry out this type of tests during the maintenance of said facilities. Although more advanced techniques already consider its use online: C. Liu, Z. Liu, C. Zhan, L. Zhu and T. Hou, "An Online Monitoring Scheme for Partial Discharge Signal of Sub-module IGBTS Used in MMC, " 2020 8th International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis (CMD), 2020, pp. 230 233. The problem with this type of method is also attributed to the need for very high sampling frequencies.
Por todo ello, es necesario disponer de métodos que sean capaces de desarrollar una tarea de detección y localización de faltas a tierra tanto en los lados de AC y DC como dentro del propio MMC, con la instalación eléctrica en funcionamiento o en servicio, de forma económica y eficaz. Para ello, se requiere utilizar por ejemplo, un menor número de aparatos de medida o una menor frecuencia de muestreo de los mismos.For all these reasons, it is necessary to have methods that are capable of carrying out a task of detecting and locating ground faults both on the AC and DC sides and within the MMC itself, with the electrical installation running or in service, in such a way that economic and effective. For this, it is necessary to use, for example, a smaller number of measuring devices or a lower sampling frequency of the same.
Descripción de la invenciónDescription of the invention
Con objeto de solucionar los inconvenientes anteriormente mencionados, la presente invención se refiere a un sistema y a un método de localización de faltas a tierra en una instalación eléctrica de corriente continua y corriente alterna con convertidor modular multinivel.In order to solve the aforementioned drawbacks, the present invention refers to a system and method for locating ground faults in a direct current and alternating current electrical installation with a multilevel modular converter.
El sistema de localización de faltas a tierra en una instalación eléctrica de corriente continua y corriente alterna con convertidor modular multinivel, objeto de la presente invención, está especialmente indicado para instalaciones eléctricas en donde el convertidor modular multinivel (convertidor MMC) divide la instalación eléctrica en un lado de corriente continua (lado de DC) y un lado de corriente alterna (lado de AC).The ground fault location system in a direct current and alternating current electrical installation with a multilevel modular converter, object of the present invention, is especially indicated for electrical installations where the multilevel modular converter (MMC converter) divides the electrical installation into a direct current side (DC side) and an alternating current side (AC side).
La instalación eléctrica en donde se aplica el sistema de localización de faltas a tierra objeto de la presente invención comprende una conexión a tierra a través de una impedancia de puesta a tierra.The electrical installation where the ground fault location system object of the present invention is applied comprises a connection to ground through a grounding impedance.
El sistema de localización de faltas a tierra objeto de la presente invención comprende:The ground fault location system object of the present invention comprises:
- un primer medidor de tensión configurado para medir una tensión de puesta a tierra (Ugnd) en la impedancia de puesta a tierra;- a first voltage meter configured to measure a grounding voltage ( Ugnd) at the grounding impedance;
- un segundo medidor de tensión configurado para medir una tensión en el lado de corriente continua (UDC) entre un terminal positivo y un terminal negativo del lado de corriente continua de la instalación eléctrica (lado de DC del convertidor), y;- a second voltage meter configured to measure a voltage on the direct current side (UDC) between a positive terminal and a negative terminal of the direct current side of the electrical installation (DC side of the converter), and;
- un tercer medidor de tensión configurado para medir una tensión de fase (UAC) en el lado de corriente alterna de la instalación eléctrica (lado de AC del convertidor); De manera novedosa, el sistema de localización de faltas a tierra objeto de la presente invención comprende un bloque de localización de falta a tierra configurado para determinar si se ha producido una falta a tierra en la instalación eléctrica y para localizar dicha falta a tierra en el lado de corriente alterna, en el lado de corriente continua o en el interior del convertidor modular multinivel.- a third voltage meter configured to measure a phase voltage ( U AC) on the alternating current side of the electrical installation (AC side of the converter); In a novel way, the ground fault location system object of the present invention comprises a ground fault location block configured to determine if a ground fault has occurred in the electrical installation and to locate said ground fault in the alternating current side, on the direct current side or inside the multilevel modular converter.
El bloque de localización de falta a tierra está también configurado para determinar la resistencia de falta de la falta a tierra.The ground fault location block is also configured to determine the fault resistance of the ground fault.
El bloque de localización de falta a tierra comprende:The ground fault location block includes:
- un sub-bloque de registro de tensión de puesta a tierra configurado para registrar la tensión de puesta a tierra (Ugnd) en el dominio del tiempo y para enviar el valor de tensión de puesta a tierra (Ugnd) a un sub-bloque de transformación a dominio de la frecuencia, en caso de que la tensión de puesta a tierra (Ugnd) supere un valor umbral predeterminado indicativo de que se ha producido una falta a tierra en la instalación eléctrica;- a grounding voltage recording sub-block configured to record the grounding voltage ( Ugnd ) in the time domain and to send the grounding voltage value (Ugnd) to a sub-block transformation to frequency domain, in the event that the grounding voltage (Ugnd) exceeds a predetermined threshold value indicating that a ground fault has occurred in the electrical installation;
- el sub-bloque de transformación a dominio de la frecuencia, configurado para transformar a dominio de frecuencia la tensión de puesta a tierra (Ugnd);- the frequency domain transformation sub-block, configured to transform the grounding voltage (Ugnd) to frequency domain;
- un sub-bloque de obtención de armónicos configurado para obtener una componente de armónico a frecuencia fundamental (Ugnd/i) y una componente de corriente continua (Ugnd/o) de la tensión de puesta a tierra ( Ugnd);- a sub-block for obtaining harmonics configured to obtain a harmonic component at fundamental frequency (Ugnd/i) and a direct current component (Ugnd/o) of the grounding voltage (Ugnd);
- un sub-bloque de medida de tensión de AC y DC, configurado para registrar la tensión de fase (Ujc ) en el lado de corriente alterna y la tensión en el lado de corriente continua (UDC) de la instalación eléctrica, y;- an AC and DC voltage measurement sub-block, configured to register the phase voltage (U jc ) on the alternating current side and the voltage on the direct current side (UDC) of the electrical installation, and;
- un sub-bloque de localización de falta a tierra y estimación de la resistencia de falta configurado para calcular la posición de la falta a tierra dentro de la instalación eléctrica como:- a ground fault location and fault resistance estimation sub-block configured to calculate the position of the ground fault within the electrical installation as:
donde:where:
o si la componente de corriente continua (Ugnd/o) de la tensión de puesta a tierra ( Ugnd) es cero, el valor de la posición “x” de falta a tierra es 0,5, indicando que la falta a tierra se ha producido en el lado de corriente alterna de la instalación eléctrica; or if the direct current component (Ugnd/o) of the ground voltage ( U gnd) is zero, the value of the ground fault “x” position is 0.5, indicating that the ground fault is closed. has occurred on the alternating current side of the electrical installation;
o si la componente de armónico a frecuencia fundamental (Ugnd/i) de la tensión de puesta a tierra ( Ugnd) es cero, el valor de la posición “x” de falta a tierra es 0 ó 1, indicando que la falta a tierra se ha producido en el lado de corriente continua de la instalación eléctrica, donde x=0 es indicativo de que la falta a tierra se ha producido en el terminal negativo del lado de corriente continua y donde x=1 es indicativo de que la falta a tierra se ha producido en el terminal positivo del lado de corriente continua, y; or if the harmonic component at fundamental frequency (Ugnd/i) of the grounding voltage (Ugnd) is zero, the value of the ground fault “x” position is 0 or 1, indicating that the ground fault has occurred on the direct current side of the electrical installation, where x=0 indicates that the ground fault has occurred on the negative terminal of the direct current side and where x=1 indicates that the ground fault ground has occurred on the positive terminal of the direct current side, and;
o si tanto la componente de corriente continua (Ugnd/o) como la componente de armónico a frecuencia fundamental (Ugndfi) de la tensión de puesta a tierra ( Ugnd) son distintas de cero, el valor de la posición “x” de falta a tierra es 0<x<0,5 ó 0,5<x<1, indicando que la falta a tierra se ha producido entre submódulos del convertidor modular multinivel, y donde “x” expresa, en tanto por uno, la posición de la falta a tierra en una rama de submódulos del convertidor modular multinivel, tal que 0<x<0,5 es indicativo de que la falta a tierra se ha producido entre el lado de corriente alterna y el terminal negativo del lado de corriente continua, y 0,5<x<1 es indicativo de que la falta a tierra se ha producido entre el lado de corriente alterna y el terminal positivo del lado de corriente continua; or if both the direct current component (Ugnd/o) and the harmonic component at fundamental frequency ( Ugndfi) of the grounding voltage ( Ugnd) are different from zero, the value of the fault-to-fault position “x” ground is 0<x<0.5 or 0.5<x<1, indicating that the ground fault has occurred between submodules of the multilevel modular converter, and where "x" expresses, as a percentage of one, the position of the ground fault in a branch of submodules of the multilevel modular converter, such that 0<x<0.5 indicates that the ground fault has occurred between the alternating current side and the negative terminal of the direct current side, and 0.5<x<1 indicates that the ground fault has occurred between the alternating current side and the positive terminal of the direct current side;
donde la conexión del último submódulo de la parte inferior del convertidor MMC al polo negativo es x = 0; la conexión del último submódulo de la parte superior del convertidor MMC al polo positivo es x = 1, y; la conexión de AC a la rama del convertidor es x = 0,5 si dicha rama queda dividida en mitad de submódulos en la parte superior y mitad de los submódulos en la parte inferior. where the connection of the last submodule from the bottom of the MMC converter to the negative pole is x = 0; the connection of the last sub-module from the top of the MMC converter to the positive pole is x = 1, y; the AC connection to the converter branch is x = 0.5 if said branch is divided into half of the submodules at the top and half of the submodules at the bottom.
donde:where:
o si la falta a tierra se ha producido en el lado de corriente alterna, el sub bloque de localización de falta a tierra y estimación de la resistencia de falta está configurado para calcular la resistencia de falta a tierra como: or if the ground fault has occurred on the alternating current side, the ground fault localization and fault resistance estimation sub-block is configured to calculate the ground fault resistance as:
n _\ UAc\- \Ugndf\ nn _\ UAc\- \Ugndf\ n
Rf = \7, i Kgnd Rf = \7, i Kgnd
\ugndf1\ \ ugndf1\
o si la falta a tierra se ha producido en el lado de corriente continua, el sub bloque de localización de falta a tierra y estimación de la resistencia de falta está configurado para calcular la resistencia de falta a tierra como: or if the ground fault has occurred on the DC side, the ground fault localization and fault resistance estimation sub-block is configured to calculate the ground fault resistance as:
Rf = 
Rgndrgnd
\ugndf0\\ugndf0\
o si la falta a tierra se ha producido entre submódulos del convertidor modular multinivel, el sub-bloque de localización de falta a tierra y estimación de la resistencia de falta está configurado para calcular la resistencia de falta a tierra como: or if the ground fault has occurred between sub-modules of the multilevel modular converter, the ground fault location and fault resistance estimation sub-block is configured to calculate the ground fault resistance as:
donde Rf es el valor óhmico de la resistencia de falta a tierra y Rgnd es el valor óhmico resistivo de la impedancia de puesta a tierra.where Rf is the ohmic value of the ground fault resistance and Rgnd is the resistive ohmic value of the grounding impedance.
Mediante el sistema de localización de faltas a tierra descrito anteriormente, se permite no sólo detectar si se ha producido una falta a tierra en la instalación eléctrica, sino también detectar si dicha falta a tierra se ha producido del lado de AC o del lado de DC del convertidor MMC, o incluso si dicha falta a tierra se ha producido en el interior del convertidor MMC, entre submódulos de dicho convertidor.Through the ground fault location system described above, it is possible not only to detect if a ground fault has occurred in the electrical installation, but also to detect if said ground fault has occurred on the AC side or on the DC side. of the converter MMC, or even if said ground fault has occurred inside the MMC converter, between sub-modules of said converter.
El sistema de localización de faltas a tierra descrito anteriormente permite estimar la posición, “x”, del defecto o de la falta a tierra, así como el valor óhmico de la resistencia de falta, y todo ello mientras la instalación eléctrica se encuentra en funcionamiento.The ground fault location system described above allows estimating the position, "x", of the fault or ground fault, as well as the ohmic value of the fault resistance, and all this while the electrical installation is in operation. .
Según una realización preferente del sistema de localización de faltas a tierra objeto de la presente invención, el sub-bloque de localización de falta a tierra y estimación de la resistencia de falta está configurado para emitir una señal de alarma con, al menos, la información de la posición de la falta a tierra, “x”, y/o la resistencia de falta. Esta señal de alarma puede ser enviada a dispositivos de protección de la instalación eléctrica.According to a preferred embodiment of the ground fault location system object of the present invention, the ground fault location and fault resistance estimation sub-block is configured to emit an alarm signal with at least the information of the position of the ground fault, “x”, and/or the fault resistance. This alarm signal can be sent to protection devices of the electrical installation.
La conexión a tierra a través de una impedancia de puesta a tierra puede estar conectada bien en el lado de corriente continua o bien en el lado de corriente alterna de la instalación eléctrica (es decir, bien del lado de DC o bien del lado de AC del convertidor MMC).The ground connection via a grounding impedance can be connected either on the direct current side or on the alternating current side of the electrical installation (i.e. either on the DC side or on the AC side). of the MMC converter).
En caso de que el punto neutro del lado de AC no esté disponible, se puede proceder a la creación de un punto neutro artificial, preferentemente mediante impedancias resistivas de alto valor óhmico. En caso de que el punto medio del lado de DC no esté disponible, se puede proceder a la creación de un punto medio artificial mediante impedancias idénticas, preferentemente resistivas de alto valor óhmico.In the event that the neutral point on the AC side is not available, an artificial neutral point can be created, preferably using high ohmic value resistive impedances. In case the midpoint of the DC side is not available, an artificial midpoint can be created using identical impedances, preferably high ohmic resistive ones.
Como ya se ha mencionado, la presente invención se refiere también a un método de localización de faltas a tierra en una instalación eléctrica de corriente continua y corriente alterna con convertidor modular multinivel, donde el convertidor modular multinivel (convertidor MMC) divide la instalación eléctrica en un lado de corriente continua y un lado de corriente alterna.As already mentioned, the present invention also refers to a method of locating ground faults in a direct current and alternating current electrical installation with a multilevel modular converter, where the multilevel modular converter (MMC converter) divides the electrical installation into a direct current side and an alternating current side.
La instalación eléctrica comprende una conexión a tierra (en el lado de DC o en el lado de AC de la instalación eléctrica) a través de una impedancia de puesta a tierra.The electrical installation comprises a connection to earth (on the DC side or on the AC side of the electrical installation) through a grounding impedance.
De manera novedosa, el método de localización de faltas a tierra objeto de la presente invención comprende: In a novel way, the ground fault location method object of the present invention comprises:
- una etapa de medida de tensión en la impedancia de puesta a tierra, que comprende efectuar una medida y registro de la tensión de puesta a tierra (Ugnd) medida en la impedancia de puesta a tierra;- a voltage measurement step on the grounding impedance, comprising measuring and recording the grounding voltage (Ugnd) measured on the grounding impedance;
- una etapa de comparación de falta con un umbral de actuación, donde si la tensión de puesta a tierra (Ugnd) es mayor que dicho umbral de actuación predeterminado, se determina que se ha producido una falta a tierra y se procede a una etapa de transformación de la tensión de puesta a tierra (Ugnd) a dominio de la frecuencia, y donde si la tensión de puesta a tierra (Ugnd) no es mayor que dicho umbral de actuación predeterminado, se retrocede a la etapa de medida de tensión en la impedancia de puesta a tierra;- a fault comparison stage with a trip threshold, where if the grounding voltage ( Ugnd ) is greater than said predetermined trip threshold, it is determined that a ground fault has occurred and a stage of transformation of the grounding voltage (Ugnd) to frequency domain, and where if the grounding voltage (Ugnd) is not greater than said predetermined actuation threshold, it goes back to the voltage measurement stage in the grounding impedance;
- la etapa de transformación de la tensión de puesta a tierra (Ugnd) a dominio de la frecuencia, que comprende transformar la tensión de puesta a tierra (Ugnd) del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia;- the step of transforming the grounding voltage (Ugnd) to the frequency domain, comprising transforming the grounding voltage (Ugnd) from the time domain to the frequency domain;
- una etapa de obtención de armónicos a frecuencia fundamental y componente de continua y detección de falta a tierra, que comprende obtener la componente de corriente continua (Ugnd/o) y de la componente de armónico a frecuencia fundamental (Ugnd/i) de la tensión de puesta a tierra (Ugnd);- a step for obtaining harmonics at fundamental frequency and DC component and earth fault detection, comprising obtaining the direct current component (Ugnd/o) and the harmonic component at fundamental frequency (Ugnd/i) of the grounding voltage (Ugnd);
- una etapa de localización de la falta a tierra que comprende calcular la posición, “x”, de la falta a tierra como:- an earth fault location stage that comprises calculating the position, "x", of the earth fault as:
donde:where:
o si la componente de corriente continua (Ugnd/o) de la tensión de puesta a tierra ( Ugnd) es cero, el valor de la posición “x” de falta a tierra es 0,5, indicando que la falta a tierra se ha producido en el lado de corriente alterna de la instalación eléctrica; or if the direct current component (Ugnd/o) of the grounding voltage (Ugnd) is zero, the value of the ground fault “x” position is 0.5, indicating that the ground fault has occurred on the alternating current side of the electrical installation;
o si la componente de armónico a frecuencia fundamental (Ugnd/i) de la tensión de puesta a tierra ( Ugnd) es cero, el valor de la posición “x” de falta a tierra es 0 ó 1, indicando que la falta a tierra se ha producido en el lado de corriente continua de la instalación eléctrica, donde x=0 es indicativo de que la falta a tierra se ha producido en un terminal negativo del lado de corriente continua y donde x=1 es indicativo de que la falta a tierra se ha producido en un terminal positivo del lado de corriente continua, y; or if the harmonic component at fundamental frequency (Ugnd/i) of the grounding voltage ( Ugnd ) is zero, the value of the ground fault “x” position is 0 or 1, indicating that the fault to ground has occurred on the direct current side of the electrical installation, where x=0 indicates that the ground fault has occurred on a negative terminal on the direct current side and where x=1 indicates that the ground fault A ground has occurred on a positive terminal on the DC side, and;
o si tanto la componente de corriente continua (Ugnd/o) como la componente de armónico a frecuencia fundamental (Ugndfi) de la tensión de puesta a tierra ( Ugnd) son distintas de cero, el valor de la posición “x” de falta a tierra es 0<x<0,5 ó 0,5<x<1, indicando que la falta a tierra se ha producido entre submódulos del convertidor modular multinivel, y donde “x” expresa, en tanto por uno, la posición de la falta a tierra en una rama de submódulos del convertidor modular multinivel, tal que 0<x<0,5 es indicativo de que la falta a tierra se ha producido entre el lado de corriente alterna y el terminal negativo del lado de corriente continua y 0,5<x<1 es indicativo de que la falta a tierra se ha producido entre el lado de corriente alterna y el terminal positivo del lado de corriente continua; or if both the direct current component (Ugnd/o) and the harmonic component at fundamental frequency ( Ugndfi) of the grounding voltage ( Ugnd) are different from zero, the value of the fault-to-fault position “x” ground is 0<x<0.5 or 0.5<x<1, indicating that the ground fault has occurred between submodules of the multilevel modular converter, and where "x" expresses, as a percentage of one, the position of the ground fault in a branch of submodules of the multilevel modular converter, such that 0<x<0.5 indicates that the ground fault has occurred between the alternating current side and the negative terminal of the direct current side and 0 .5<x<1 indicates that the ground fault has occurred between the alternating current side and the positive terminal of the direct current side;
- una etapa de lectura de tensiones AC y/o DC, que comprende medir y registrar una tensión de fase (UAC) en el lado de corriente alterna y una tensión en el lado de corriente continua (UDC) de la instalación eléctrica, y;- an AC and/or DC voltage reading stage, comprising measuring and recording a phase voltage ( U AC) on the alternating current side and a voltage on the direct current side ( U DC) of the electrical installation, and;
- una etapa de estimación de resistencia de falta que comprende calcular la resistencia de falta a tierra, donde:- a fault resistance estimation step comprising calculating the fault resistance to earth, where:
o si la falta a tierra se ha producido en el lado de corriente alterna, la resistencia de falta a tierra se calcula como: or if the ground fault has occurred on the alternating current side, the ground fault resistance is calculated as:
o si la falta a tierra se ha producido en el lado de corriente continua, la resistencia de falta a tierra se calcula como: or if the ground fault has occurred on the DC side, the ground fault resistance is calculated as:
o si la falta a tierra se ha producido entre submódulos del convertidor modular multinivel, la resistencia de falta a tierra se calcula como: or if the ground fault has occurred between sub-modules of the multilevel modular converter, the ground fault resistance is calculated as:
donde Rf es el valor óhmico de la resistencia de falta a tierra y Rgnd es el valor óhmico resistivo de la impedancia de puesta a tierra.where Rf is the ohmic value of the ground fault resistance and Rgnd is the resistive ohmic value of the grounding impedance.
De manera preferente, el método de localización de faltas a tierra objeto de la presente invención comprende también una etapa de emisión de alarma que a su vez comprende enviar una señal de alarma con al menos la información de la posición de la falta a tierra, “x”, y/o la resistencia de falta.Preferably, the method for locating ground faults object of the present invention also comprises an alarm emission stage that in turn comprises sending an alarm signal with at least the information on the position of the ground fault, " x”, and/or the fault resistance.
Otra realización preferente de la invención considera la medida de las tensiones fase-tierra del lado de AC del convertidor MMC para poder caracterizar la fase en falta del sistema, siendo dicha fase en falta la que se encuentre en contrafase con la tensión Ugndfí . Esta comparación para la identificación de fase tiene lugar en la etapa de localización de falta a tierra y estimación de la resistencia de falta a tierra. Another preferred embodiment of the invention considers the measurement of the phase-ground voltages on the AC side of the MMC converter in order to characterize the faulty phase of the system, said faulty phase being the one that is in push-pull with the Ugndfí voltage. This comparison for phase identification takes place in the ground fault location and ground fault resistance estimation stage.
Breve descripción de las figurasBrief description of the figures
Se describe aquí de forma breve una figura a modo de ejemplo no limitativo, que ayuda a comprender mejor la invención:A figure is briefly described here as a non-limiting example, which helps to better understand the invention:
Figura 1: muestra una posible configuración del sistema de la invención aplicado a una instalación eléctrica con un convertidor modular multinivel conectado a la red eléctrica de corriente alterna mediante un transformador con neutro puesto a tierra mediante una impedancia.Figure 1: shows a possible configuration of the system of the invention applied to an electrical installation with a multilevel modular converter connected to the alternating current electrical network through a transformer with an impedance-grounded neutral.
Figura 2: muestra una posible configuración del sistema de la invención aplicado a una instalación eléctrica con un convertidor modular multinivel conectado a la red eléctrica de corriente alterna mediante un transformador en donde se ha instalado un neutro artificial puesto a tierra mediante una impedancia.Figure 2: shows a possible configuration of the system of the invention applied to an electrical installation with a multilevel modular converter connected to the alternating current electrical network through a transformer where an impedance-grounded artificial neutral has been installed.
Figura 3: muestra una posible configuración del sistema de la invención aplicado a una instalación eléctrica con un convertidor modular multinivel conectado a la red eléctrica a través de un transformador, y en donde el punto medio del lado de corriente continua es accesible y está puesto a tierra mediante una impedancia.Figure 3: shows a possible configuration of the system of the invention applied to an electrical installation with a multilevel modular converter connected to the electrical network through a transformer, and where the midpoint of the direct current side is accessible and is set to ground through an impedance.
Figura 4: muestra los sub-bloques del bloque de localización de falta a tierra del sistema de localización de faltas a tierra en una instalación eléctrica de corriente continua y corriente alterna con convertidor modular multinivel, según una posible forma de realización de la invención.Figure 4: shows the sub-blocks of the ground fault location block of the ground fault location system in a direct current and alternating current electrical installation with a multilevel modular converter, according to a possible embodiment of the invention.
Figura 5: muestra un flujograma de las etapas del método de localización de faltas a tierra en una instalación eléctrica de corriente continua y corriente alterna con convertidor modular multinivel según una posible forma de realización de la invención. Figure 5: shows a flowchart of the stages of the ground fault location method in a direct current and alternating current electrical installation with a multilevel modular converter according to a possible embodiment of the invention.
Figura 6: muestra una posible falta a tierra que tiene lugar entre los submódulos de una de las ramas del convertidor modular multinivel, según la configuración mostrada en la Figura 1.Figure 6: shows a possible ground fault that occurs between the submodules of one of the branches of the multilevel modular converter, according to the configuration shown in Figure 1.
Figura 7a: muestra una gráfica que representa, en el dominio del tiempo, la tensión en la impedancia de puesta a tierra, durante una falta a tierra, según la configuración mostrada en la Figura 6.Figure 7a: shows a graph that represents, in the time domain, the voltage on the grounding impedance, during a ground fault, according to the configuration shown in Figure 6.
Figura 7b: muestra una gráfica que representa, en el dominio de la frecuencia, la tensión en la impedancia de puesta a tierra, durante una falta a tierra, según la configuración mostrada en la Figura 6.Figure 7b: shows a graph that represents, in the frequency domain, the voltage on the grounding impedance, during a ground fault, according to the configuration shown in Figure 6.
Descripción detalladaDetailed description
La presente invención se refiere, como se ha mencionado anteriormente, a un sistema y a un método de localización de faltas a tierra en una instalación eléctrica de corriente continua y corriente alterna con convertidor modular multinivel (6) (convertidor MMC).The present invention refers, as previously mentioned, to a system and method for locating ground faults in a direct current and alternating current electrical installation with a multilevel modular converter (6) (MMC converter).
En la Figura 1 se muestra una instalación eléctrica con un convertidor modular multinivel (6) formado por una pluralidad de submódulos (61) conectados en serie y agrupados en tres ramas. El convertidor modular multinivel (6) está conectado a una red eléctrica (1) de corriente alterna, trifásica, mediante un transformador (2) cuyo circuito primario (2a) está conectado a la red eléctrica (1) y su circuito secundario (2b) está conectado al convertidor modular multinivel.Figure 1 shows an electrical installation with a multilevel modular converter (6) formed by a plurality of submodules (61) connected in series and grouped into three branches. The multilevel modular converter (6) is connected to a three-phase alternating current electrical network (1) by means of a transformer (2) whose primary circuit (2a) is connected to the electrical network (1) and its secondary circuit (2b). is connected to the multilevel modular converter.
El transformador (2) de la instalación eléctrica mostrada en la Figura 1 dispone de un punto neutro accesible en su circuito secundario (2b), estando dicho punto neutro conectado a tierra (12) a través de una impedancia de puesta a tierra (11). The transformer (2) of the electrical installation shown in Figure 1 has an accessible neutral point in its secondary circuit (2b), said neutral point being connected to ground (12) through a grounding impedance (11). .
En correspondencia con la impedancia de puesta a tierra (11) existe un primer medidor de tensión (14) configurado para medir la caída de tensión en la impedancia de puesta a tierra (11) (tensión de puesta a tierra Ugnd). In correspondence with the grounding impedance (11) there is a first voltage meter (14) configured to measure the voltage drop across the grounding impedance (11) (grounding voltage Ugnd).
El primer medidor de tensión (14) está conectado a un bloque de localización de falta a tierra (13).The first voltage meter (14) is connected to a ground fault location block (13).
Los terminales del circuito secundario (2a) del transformador (2) están conectados en el lado de corriente alterna (100) (lado de AC) del convertidor modular multinivel (6) mediante unos cables (modelados con inductancias (4)). Posteriormente, esos cables son conectados en serie con unos filtros inductivos (5) antes de llegar a las ramas del convertidor modular multinivel (6) trifásico.The terminals of the secondary circuit (2a) of the transformer (2) are connected to the alternating current side (100) (AC side) of the multilevel modular converter (6) by means of cables (modeled with inductances (4)). Subsequently, these cables are connected in series with inductive filters (5) before reaching the branches of the three-phase multilevel modular converter (6).
Generalmente el convertidor modular multinivel (6) comprende la misma cantidad de submódulos (61) hacia el terminal positivo (7) que hacia el terminal negativo (8), desde el punto de acceso del lado de corriente alterna (100).Generally, the multilevel modular converter (6) comprises the same number of submodules (61) towards the positive terminal (7) as towards the negative terminal (8), from the access point on the alternating current side (100).
Un segundo medidor de tensión (15) está configurado para medir la caída de tensión entre el terminal positivo (7) y el terminal negativo (8) del convertidor modular multinivel (6), es decir, la caída de tensión (UDC) en el lado de corriente continua (200) (lado de DC) del convertidor modular multinivel (6).A second voltage meter (15) is configured to measure the voltage drop between the positive terminal (7) and the negative terminal (8) of the multilevel modular converter (6), that is, the voltage drop ( U DC) in the direct current side (200) (DC side) of the multilevel modular converter (6).
Por otra parte, un tercer medidor de tensión (16) está configurado para medir la tensión de línea y/o la tensión de fase-tierra (UAC) en el lado de corriente alterna (100) del convertidor modular multinivel (6).On the other hand, a third voltage meter (16) is configured to measure the line voltage and/or the phase-ground voltage ( U AC) on the alternating current side (100) of the multilevel modular converter (6).
Tanto el segundo medidor de tensión (15) como el tercer medidor de tensión (16) están conectados al bloque de localización de falta a tierra (13). Both the second voltage meter (15) and the third voltage meter (16) are connected to the ground fault location block (13).
Cada submódulo (61) del convertidor modular multinivel (6) comprende dos, o más, conmutadores (9) que cargan o descargan un condensador (10) de forma que se pueda controlar tanto la forma de onda de corriente en el lado de corriente alterna (100) como la tensión en el lado de corriente continua (200) del convertidor modular multinivel (6).Each submodule (61) of the multilevel modular converter (6) comprises two or more switches (9) that charge or discharge a capacitor (10) so that both the current waveform on the alternating current side can be controlled (100) as the voltage on the direct current side (200) of the multilevel modular converter (6).
La Figura 2 muestra una instalación eléctrica similar a la de la Figura 1, con la única diferencia relativa a que en la instalación eléctrica de la Figura 2 el circuito secundario (2b) del transformador (2) no tiene acceso al punto neutro, por lo que se ha instalado un neutro artificial (17) en el que se conecta de forma semejante a la Figura 1 la impedancia de puesta a tierra (11).Figure 2 shows an electrical installation similar to that of Figure 1, with the only difference relating to the fact that in the electrical installation of Figure 2 the secondary circuit (2b) of the transformer (2) does not have access to the neutral point, therefore that an artificial neutral (17) has been installed in which the grounding impedance (11) is connected in a similar way to Figure 1.
La Figura 3 sin embargo contempla la instalación de la impedancia de puesta a tierra (11) en el punto medio del lado de corriente continua (200) del convertidor modular multinivel (6). Para ello se colocan dos resistencias (18) en serie desde el terminal positivo (7) y desde el terminal negativo (8) del lado de corriente continua (200) del convertidor modular multinivel (6) y su punto medio se conecta a tierra (12) a través de la impedancia de puesta a tierra (11).Figure 3 however contemplates the installation of the grounding impedance (11) at the midpoint of the direct current side (200) of the multilevel modular converter (6). To do this, two resistors (18) are placed in series from the positive terminal (7) and from the negative terminal (8) of the direct current side (200) of the multilevel modular converter (6) and its midpoint is connected to ground ( 12) through the grounding impedance (11).
En la Figura 4 se muestran al menos los sub-bloques principales del bloque de localización de falta a tierra (13), según una posible forma de realización del sistema de localización de faltas a tierra en una instalación eléctrica de corriente continua y corriente alterna con convertidor modular multinivel (6), objeto de la presente invención.Figure 4 shows at least the main sub-blocks of the ground fault location block (13), according to a possible embodiment of the ground fault location system in a direct current and alternating current electrical installation with multilevel modular converter (6), object of the present invention.
La tensión de puesta a tierra Ugnd (la caída de tensión en la impedancia de puesta a tierra (11) medida por el primer medidor de tensión (14)) se registra en un sub-bloque de registro de tensión de puesta a tierra (19).The grounding voltage Ugnd (the voltage drop across the grounding impedance (11) measured by the first voltage meter (14)) is recorded in a grounding voltage recording sub-block (19 ).
Cuando la tensión de puesta a tierra (Ugnd) es superior a un valor umbral prefijado por el usuario (señal de que se ha producido una falta a tierra), entonces el sub-bloque de registro de tensión de puesta a tierra (19) envía el valor registrado de la tensión de puesta a tierra (Ugnd) a un sub-bloque de transformación a dominio de la frecuencia (20). When the grounding voltage ( Ugnd) is higher than a threshold value set by the user (signal that a ground fault has occurred), then the grounding voltage register sub-block (19) sends the recorded value of the grounding voltage (Ugnd) to a frequency domain transformation sub-block (20).
El sub-bloque de transformación a dominio de la frecuencia (20) está configurado para transformar a dominio de frecuencia la tensión de puesta a tierra (Ugnd) medida en el dominio del tiempo.The frequency domain transformation sub-block (20) is configured to transform the grounding voltage ( Ugnd) measured in the time domain into the frequency domain.
Los datos salientes de dicho sub-bloque de transformación a dominio de la frecuencia (20) se envían a un sub-bloque de obtención de armónicos (21).The output data from said frequency domain transformation sub-block (20) is sent to a harmonics obtaining sub-block (21).
El sub-bloque de obtención de armónicos (21) está configurado para obtener los armónicos a frecuencia fundamental (Ugnd/i) y componente de corriente continua (Ugnd/o) de la tensión de puesta a tierra (Ugnd).The harmonics obtaining sub-block (21) is configured to obtain the harmonics at fundamental frequency (Ugnd/i) and direct current component (Ugnd/o) of the grounding voltage (Ugnd).
Así pues, este sub-bloque de obtención de armónicos (21) permite conocer si la falta a tierra se ha producido en el lado de corriente alterna (100) de la instalación eléctrica o en el lado de corriente continua (200) de la instalación eléctrica, atendiendo respectivamente a si sólo aparece la componente de armónico a frecuencia fundamental (Ugnd/i) o si sólo aparece la componente de corriente continua (Ugndfo) de la tensión de puesta a tierra (Ugnd).Thus, this sub-block for obtaining harmonics (21) makes it possible to find out if the ground fault has occurred on the alternating current side (100) of the electrical installation or on the direct current side (200) of the installation. depending respectively on whether only the harmonic component appears at fundamental frequency (Ugnd/i) or if only the direct current component ( Ugndfo) of the grounding voltage (Ugnd) appears.
En caso de que aparezca tanto una componente de armónico a frecuencia fundamental (Ugndf1) como una componente de corriente continua (Ugnd/o) de la tensión de puesta a tierra (Ugnd), esto quiere decir que la falta a tierra se ha producido en algún punto entre submódulos (61) de alguna de las ramas del convertidor modular multinivel (6).If both a harmonic component appears at fundamental frequency ( Ugndf 1) and a direct current component (Ugnd/o) of the grounding voltage (Ugnd), this means that the ground fault has occurred. at some point between submodules (61) of any of the branches of the multilevel modular converter (6).
Estos dos armónicos (Ugnd/o, Ugnd/i) se envían a un sub-bloque de localización de falta a tierra y estimación de la resistencia de falta (23) que requiere previamente de los datos de un sub-bloque de medida de tensión de AC y/o DC (22) que registra la caída de tensión en el lado de corriente continua (UDC) y la tensión de fase-tierra (UAC) medidas respectivamente por el segundo medidor de tensión (15) y por el tercer medidor de tensión (16).These two harmonics (Ugnd/o, Ugnd/i) are sent to a ground fault location and fault resistance estimation sub-block (23), which previously requires data from a voltage measurement sub-block. of AC and/or DC (22) that registers the voltage drop on the direct current side ( U DC) and the phase-to-earth voltage ( U AC) measured respectively by the second voltage meter (15) and by the third tension meter (16).
El sub-bloque de localización de falta a tierra y estimación de la resistencia de falta (23) calcula la posición del defecto como: The ground fault location and fault resistance estimation sub-block (23) calculates the fault position as:
Donde “x” es la posición del defecto (o posición de la falta a tierra), en tanto por uno, de la rama de submódulos (61).Where "x" is the position of the fault (or position of the ground fault), in so much per one, of the branch of submodules (61).
En caso de que la falta sea en el lado de corriente continua (200) de la instalación eléctrica, la componente de armónico a frecuencia fundamental (Ugnd/i) será nula y por lo tanto las dos posiciones posibles son x = 1 (terminal positivo (7) del convertidor modular multinivel (6)) o x = 0 (terminal negativo (8) del convertidor modular multinivel (6)).In case the fault is on the direct current side (200) of the electrical installation, the harmonic component at fundamental frequency (Ugnd/i) will be null and therefore the two possible positions are x = 1 (positive terminal (7) of the multilevel modular converter (6)) or x = 0 (negative terminal (8) of the multilevel modular converter (6)).
Si, por el contrario, solamente aparece la componente de armónico a frecuencia fundamental (tfgnd/i), y la componente de corriente continua (Ugnd/o) es nula, entonces la falta a tierra se encuentra en el lado de corriente alterna (100) de la instalación eléctrica, lo que implica x = 0.5.If, on the other hand, only the harmonic component appears at fundamental frequency (tfgnd/i), and the direct current component (Ugnd/o) is zero, then the ground fault is on the alternating current side (100 ) of the electrical installation, which implies x = 0.5.
Finalmente, en caso de que la falta a tierra se localice dentro del convertidor modular multinivel (6), en un submódulo (61) específico, esto produce que tanto la componente de armónico a frecuencia fundamental (Ugndfi) como la componente de corriente continua (Ugndf0) de la tensión de puesta a tierra (Ugnd) sean distintos de cero. En este caso, el valor obtenido de la posición de defecto, “x”, indica el valor, en tanto por uno, de la posición de la rama de submódulos (61) en donde se ha producido la falta a tierra, teniendo como referencias los valores: x = 1 (falta a tierra en el terminal positivo (7) del lado de corriente continua (200) del convertidor modular multinivel (6)); x = 0 (falta a tierra en el terminal negativo (8) del lado de corriente continua (200) del convertidor modular multinivel (6)), y; x = 0.5 (falta a tierra en el lado de corriente alterna (100) del convertidor modular multinivel (6)).Finally, in the event that the ground fault is located within the multilevel modular converter (6), in a specific submodule (61), this causes both the harmonic component at fundamental frequency ( Ugndfi ) and the direct current component ( Ugndf 0) of the grounding voltage ( Ugnd) are different from zero. In this case, the value obtained from the fault position, "x", indicates the value, in so much per one, of the position of the submodule branch (61) where the ground fault has occurred, having as references the values: x = 1 (ground fault on the positive terminal (7) of the direct current side (200) of the multilevel modular converter (6)); x = 0 (earth fault at the negative terminal (8) of the direct current side (200) of the multilevel modular converter (6)), y; x = 0.5 (earth fault on the alternating current side (100) of the multilevel modular converter (6)).
Posteriormente, la resistencia de falta (3) requiere de las medidas de la tensión en el lado de corriente continua (UDC) y la tensión fase-tierra (UAC) en el lado de corriente alterna (100), atendiendo al resultado de la posición de defecto, “x”. Subsequently, the fault resistance (3) requires the measurements of the voltage on the direct current side (UDC) and the phase-ground voltage (UAC) on the alternating current side (100), based on the result of the position default, “x”.
Para faltas en el lado de corriente alterna (100), se estima la resistencia de falta (3) como:For faults on the alternating current side (100), the fault resistance (3) is estimated as:
n \UAc\ \Ugndf\ nn \UAc\ \Ugndf\ n
Rf = \ I 7uj i Kgnd Rf = \ I 7 u j i Kgnd
gndfigndfi 11
Para faltas en el lado de corriente continua (200), se estima la resistencia de falta (3) como:For faults on the DC side (200), the fault resistance (3) is estimated as:
Rf = ■Rgnd Rf = ■ Rgnd
Iugndfa 1 Iu gndfa 1
Y para faltas en zonas intermedias (entre submódulos (61)) del convertidor modular multinivel (6), se estima la resistencia de falta (3) como:And for faults in intermediate zones (between submodules (61)) of the multilevel modular converter (6), the fault resistance (3) is estimated as:
Rf = 
Iugndf01iugndf01
Donde:Where:
UAc : es una tensión de fase-tierra medida en el lado de corriente alterna (100). UAc : is a phase-to-ground voltage measured on the alternating current side (100).
UDC: es la tensión entre terminales del lado de corriente continua (200). UDC : is the voltage between terminals of the direct current side (200).
Rgnd: es el valor resistivo de la impedancia de puesta a tierra (11). Rgnd : is the resistive value of the grounding impedance (11).
Rf : es el valor óhmico de la resistencia de falta (3). Rf : is the ohmic value of the fault resistance (3).
Finalmente, se emite una señal de alarma (24) desde el sub-bloque de localización de falta a tierra y estimación de la resistencia de falta (23) a dispositivos externos a la invención con al menos la información de la posición de defecto, “x”, y/o la resistencia de falta (3). Finally, an alarm signal (24) is issued from the ground fault location and fault resistance estimation sub-block (23) to devices external to the invention with at least the fault position information, “ x”, and/or the fault resistance (3).
La Figura 5 muestra las etapas de una posible realización del método de la invención. Primeramente, el método comprende una etapa de medida de tensión en la impedancia de puesta a tierra (25). De esta etapa se procede a una etapa de comparación de falta con un umbral de actuación (26), donde si la tensión de puesta a tierra (Ugnd) (tensión en la impedancia de puesta a tierra (11)) es mayor que dicho umbral (prefijado por el usuario), se procede al resto del método, de lo contrario, se retrocede a la etapa anterior.Figure 5 shows the steps of a possible embodiment of the method of the invention. Firstly, the method comprises a step for measuring the voltage at the grounding impedance (25). From this stage we proceed to a fault comparison stage with an actuation threshold (26), where if the grounding voltage (Ugnd) (voltage on the grounding impedance (11)) is greater than said threshold (preset by the user), proceed to the rest of the method, otherwise, go back to the previous stage.
En caso de que la tensión de puesta a tierra (Ugnd) sea mayor que el umbral prefijado por el usuario, se procede a una etapa de transformación de la tensión de puesta a tierra (Ugnd) a dominio de la frecuencia (27). Esto permite la obtención posterior de la componente de corriente continua (Ugnd/o) y de la componente de armónico a frecuencia fundamental (Ugnd/i) de la onda de tensión de puesta a tierra (Ugnd), respectivamente en una etapa de obtención de armónicos a frecuencia fundamental y componente de continua (28).In the event that the grounding voltage ( Ugnd ) is greater than the threshold set by the user, a stage of transformation of the grounding voltage (Ugnd) to frequency domain (27) is carried out. This allows the subsequent obtaining of the direct current component (Ugnd/o) and of the harmonic component at fundamental frequency (Ugnd/i) of the grounding voltage wave (Ugnd), respectively in a stage of obtaining harmonics at fundamental frequency and DC component (28).
Como se ha explicado anteriormente, si existe componente de corriente continua (Ugnd/o) pero no existe componente de armónico a frecuencia fundamental (Ugnd/i), esto es indicativo de que la falta a tierra se produce en el lado de corriente continua (200) (atendiendo a la polaridad de Ugnd/o, el defecto se encontrará en el polo contrario al signo, positivo o negativo, de Ugnd/o); si existe componente de armónico a frecuencia fundamental (Ugnd/i) pero no existe componente de corriente continua (Ugnd o^), esto es indicativo de que la falta a tierra se encuentra en el lado de corriente alterna (100), y; si existe una combinación de ambas componentes (Ugnd/o, Ugnd/i), esto es indicativo de que la falta se encuentra en un submódulo (61) del convertidor modular multinivel (6) a monitorizar.As explained above, if there is a direct current component (Ugnd/o) but there is no harmonic component at fundamental frequency (Ugnd/i), this indicates that the ground fault occurs on the direct current side ( 200) (according to the polarity of Ugnd/o, the fault will be at the opposite pole to the sign, positive or negative, of Ugnd/o); if there is a harmonic component at fundamental frequency (Ugnd/i) but there is no direct current component (Ugnd o^), this indicates that the ground fault is on the alternating current side (100), and; if there is a combination of both components (Ugnd/o, Ugnd/i), this indicates that the fault is in a submodule (61) of the multilevel modular converter (6) to be monitored.
A continuación se ejecuta una etapa de localización de la falta a tierra (29), donde la posición de la falta se diagnostica como:Next, a ground fault location stage (29) is executed, where the position of the fault is diagnosed as:
Con este dato, se ejecuta a continuación una etapa de lectura de tensiones AC y/o DC (30), que permite la obtención de las tensiones de fase, UAC, en el lado de corriente alterna (100) y la tensión UDC en el lado de corriente continua (200). De manera combinada, ambos datos se introducen en una etapa de estimación de resistencia de falta (31) que estima la resistencia de falta (3) de tal forma que, para faltas a tierra en el lado de corriente alterna (100) se estima el valor óhmico de la resistencia de falta (Rf ) como:With this data, an AC and/or DC voltage reading stage (30) is then executed, which allows obtaining the phase voltages, U AC , on the alternating current side (100) and the UDC voltage on the DC side (200). Combined, both data are fed into a fault resistance estimation stage (31) which estimates the fault resistance (3) in such a way that, for ground faults on the alternating current side (100), the ohmic value of the fault resistance (R f ) as:
Para faltas a tierra en el lado de corriente continua (200), se estima el valor óhmico de la resistencia de falta (Rf ) como:For earth faults on the direct current side (200), the ohmic value of the fault resistance (R f ) is estimated as:
Rf = 
Rgndrgnd
lUgndf01lUgndf01
y para faltas a tierra en zonas intermedias del convertidor modular multinivel (6) se estima el valor óhmico de la resistencia de falta (Rf) como:and for ground faults in intermediate zones of the multilevel modular converter (6), the ohmic value of the fault resistance (Rf) is estimated as:
Rf = ( * - 2 
lU gnd lU gnd
gndfo1gndfo1
Con los datos de posición, “x”, y resistencia de falta (3) (Rf ), finalmente se procede a una etapa de emisión de alarma (32) que envía al menos dicha información a sistemas externos a la invención para la protección y/o monitorización de la instalación eléctrica diagnosticada.With the position data, "x", and fault resistance (3) (R f ), finally an alarm emission stage (32) is carried out, which sends at least said information to systems external to the invention for the protection and/or monitoring of the diagnosed electrical installation.
La Figura 6 muestra un ejemplo de falta a tierra en el convertidor modular multinivel (6) de la Figura 1. La falta a tierra se emula con una resistencia de falta (3) en la parte superior de una de las ramas del convertidor modular multinivel (6). Figure 6 shows an example of a ground fault in the multilevel modular converter (6) in Figure 1. The ground fault is emulated with a fault resistor (3) at the top of one of the branches of the multilevel modular converter. (6).
Finalmente, la Figura 7a y la Figura 7b muestran un ejemplo de aplicación sobre el esquema de la Figura 6 para una mejor comprensión de la invención. En este caso se somete un convertidor modular multinivel (6) conectado a la red eléctrica de 50 Hz, que dispone de 10 submódulos (61) por rama, a una falta a tierra de Rf = 10 kü en el terminal superior del tercer submódulo (61) de la parte superior de una de las ramas (a priori Rf = 10 kü, x = 80%). La impedancia de puesta a tierra (11) es resistiva pura de valor Rgnd = 4700 ü. En este caso, una vez ocurre el defecto o falta a tierra, se produce la lectura de Ugnd observada en la Figura 7a que es transformada al dominio de la frecuencia en la Figura 7b. Con este espectro se encuentra que Ugnd/o = -14.3827 V y Ugnd/i = 9.49625 V por lo que el sistema y el método de la invención detectan falta en el interior del convertidor modular multinivel (6). Cuya posición es:Finally, Figure 7a and Figure 7b show an application example on the scheme of Figure 6 for a better understanding of the invention. In this case, a multilevel modular converter (6) connected to the 50 Hz electrical network, which has 10 submodules (61) per branch, is subjected to a ground fault of Rf = 10 kü at the upper terminal of the third submodule ( 61) from the upper part of one of the branches (a priori Rf = 10 kü, x = 80%). The grounding impedance (11) is pure resistive with a value Rgnd = 4700 ü. In this case, once the fault or ground fault occurs, the Ugnd reading observed in Figure 7a is produced, which is transformed to the frequency domain in Figure 7b. With this spectrum it is found that Ugnd/o = -14.3827 V and Ugnd/i = 9.49625 V, therefore the system and method of the invention detect a fault inside the multilevel modular converter (6). Whose position is:
1 -14.3827 [V]1 -14.3827 [V]
= 0.8015 = 80.15%= 0.8015 = 80.15%
X = 2 2 ■ #1-14.3827 [V]\+ |9.46625 [V]\)X = 2 2 ■ #1-14.3827 [V]\+ |9.46625 [V]\)
Las lecturas de tensión en el segundo medidor de tensión (15) y en el tercer medidor de tensión (16) son, respectivamente, de UDC = 150.0105 V y Ujc = 73.7055 V, por lo que la resistencia de falta medida por la invención es de:The voltage readings on the second voltage meter (15) and the third voltage meter (16) are, respectively, UDC = 150.0105 V and U jc = 73.7055 V, so the fault resistance measured by the invention It is:
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2934620B2 (en) | 2023-09-22 |
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Legal Events
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| BA2A | Patent application published |
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