WO2012117133A1 - Controlador de admitancia virtual basado en convertidores estáticos de potencia - Google Patents

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Pedro RODRIGUEZ CORTÉS
José Ignacio CANDELA GARCIA
Joan ROCABERT DELGADO
Remus Teodorescu
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Abengoa Solar New Technologies S.A.
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Definitions

  • This invention belongs to the technical sector of the electrical characteristic controllers based on static power converters for renewable energy plants, especially useful in photovoltaic generation plants, which allows to offer advanced functionalities to improve the connection of said plants to the electricity grid.
  • PV plant generators use power converters to connect to the power grid. These power converters, also called inverters, inject current over the network voltage to supply power to it. Under normal operating conditions, PV inverters inject sinusoidal currents into the network, single-phase or three-phase, depending on the power range of the generator. Normally, the currents injected into the network are usually sinusoidal and are in phase with the tensions of the coupling point to maximize the active power generated.
  • PV inverters that inject quadrature currents with the grid voltages do not exist in the market, at least not in general, which allows controlling the reactive power injected into the network in order to regulate the voltage level in the coupling point.
  • Z (R + sL) is the output impedance
  • / is the current flowing through that impedance
  • e is the electromotive force induced in the stator
  • v is the voltage at its terminals.
  • This equation can be implemented in a power converter to mimic the electrical function of the synchronous generator.
  • All existing techniques in the literature to implement a virtual impedance at the network output connected to an electric power generator are based on a direct application of equation (1), that is, the voltage generated at the output of the power converter v results from subtracting the voltage drop at said impedance / (R + sL) from the virtual reference voltage e. Therefore, in all the techniques found, the power converter acts as a controlled voltage source.
  • the current injected by the power converter must be measured in order to calculate the voltage drop in the virtual impedance.
  • an internal current control loop is implemented to protect the power converter in the event of any current overload and ensure better monitoring of the reference voltage v *.
  • the implementation of the internal current loop is not directly related to the implementation of the virtual impedance characteristic of the power converter.
  • the present invention proposes a new concept of controller of the electrical characteristic to solve the aforementioned drawbacks.
  • the virtual admittance controller based on static power converters claimed is a new concept of control of the latest generation of renewable energy plants that allows us to offer advanced functionalities to improve the integration of these plants in the electricity grid.
  • This controller comprises an electrical control loop, which makes it possible to adjust parameters online in order to improve the operation of a power generator under operating conditions.
  • This loop a virtual admittance is implemented, contrary to what happens in conventional electrical characteristic controllers, in which an impedance is implemented.
  • the voltage difference between a virtual internal voltage and the existing voltage at the grid connection point of the power converter is injected into the control loop input. This voltage difference feeds a virtual admittance that is responsible for determining the current that the power converter has to inject into the network.
  • Equation (2) shows the expression that allows implementing virtual admittance to the power converter output connected to the network.
  • the electrical characteristic of the virtual admittance controller described by equation (2) naturally has a low-pass filtering characteristic, which implies that the virtual admittance controller offers a more robust and stable behavior in the presence of harmonics High frequency than other conventional control techniques.
  • the virtual admittance controller object of this invention allows the automatic adaptation of the parameters of the electric control loop to optimize the response of the electronic power converter, setting different virtual admittance values for each frequency range and, in the case of three-phase systems, a virtual admittance for each direct, inverse and homopolar sequence. In this way, a high current is injected at the fundamental network frequency (nominal operating frequency) and at the other frequencies, harmonic, transient frequencies ..., the current that minimizes the disturbance is injected.
  • This feature of the present invention results in a significant advance over other conventional techniques, which work with the use of a single impedance value.
  • the controller measures the voltages and currents at the coupling point, since these variables reflect the flow of harmonics of current through the lines.
  • the virtual admittance value for each frequency range can be modified according to the requirements established by the network operator at any time. In most cases these admittances will have a resistive or inductive characteristic. It should be said that, even in the case of establishing a resistive value, this virtual admittance will not lead to a reduction in the efficiency of the electronic generator, since these energy losses are virtual as well.
  • the virtual admittance controller of the present invention works with current references, instead of with voltage references (synchronous generators employ voltage references and, consequently, so do conventional virtual synchronous controllers that attempt to emulate them ) and with a virtual admittance, instead of working with a virtual impedance (in synchronous generators the voltage-current relationship is through an impedance and, consequently, the conventional controllers that emulate it base their operation on the concept of impedance virtual).
  • Figure 1 shows a simplified schematic representation of an electrical circuit of a synchronous generator (1a), together with the virtual impedance implementation used in conventional techniques (1b) and the implementation (1c) of a virtual admittance used in the admittance controller virtual object of this invention.
  • Figure 2 shows a simplified representation of an electronic power generator implementing multiple virtual admittances in the electrical control loop of the virtual admittance controller.
  • FIG. 3 shows a diagram of the electronic virtual admittance controller of the present invention
  • the virtual admittance controller comprises a control loop at whose input the existing voltage difference between the virtual internal voltage (e) and the voltage existing at the coupling point is applied with the network (v). This voltage difference feeds the virtual admittance processor (13) that determines the reference current (i *) that the power converter has to inject into the network (15). This reference current value (i *) is applied to the controlled current source (14), which is responsible for physically injecting said current into the network (15).
  • the values of the virtual admittance (Y) parameters are dynamically adapted to the conditions of the power network.
  • Figure 1 (a) and 1 (b) refer to the state of the art.
  • Figure 1 (a) shows a simplified electrical circuit of a conventional synchronous generator.
  • Figure 1 (b) It represents the conventional implementation of virtual impedance in conventional control techniques of electric power generators.
  • the virtual admittance controller presents different behaviors for the different frequency ranges of the input, that is, the different frequency ranges (/ ?, F 2 , ⁇ . -F n ) of the difference between the virtual internal voltage (e) and the voltage of the connection point with the network (v).
  • the controller of the invention offers a different admittance (Y ⁇ Y 2l ... Y n ) for each frequency ( ⁇ , f 2 , f n ) and sequence, so that the fundamental network frequency is injected a high current, and at the other frequencies, harmonic, transient and imbalance frequencies, the current that minimizes the disturbance is injected.
  • the virtual admittance controller of the present invention behaves as multiple power generators working simultaneously.
  • FIG 3 shows a diagram of the virtual admittance electric controller of the present invention, which in turn comprises two blocks: the virtual electric feature controller (11) and the adaptive virtual admittance value controller (12).
  • the virtual electrical feature controller (11) is fed with the values of the internal virtual voltage (e), the voltage at the network connection point (v) and the virtual admittance Y ! , Y 2l ... Y n ) for that frequency and sequences (which was obtained from the adaptive controller of virtual admittance (12). With this, the reference current value (i *) is obtained at its output). It must be supplied to the power source (14) to be physically injected into the network (15).
  • the virtual admittance controller of static power converters presented in this invention has its most direct application in renewable energy plants (especially photovoltaic and wind), but its use for another application that requires similar characteristics is not ruled out.

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Abstract

La presente invención se refiere a un controlador de admitancia virtual basado en convertidores estáticos de potencia, que comprende un lazo de control en cuya entrada se inyecta la diferencia de tensión existente entre una tensión interna virtual (e) y la tensión existente en el punto de la red al que esta conectado (v) y esa diferencia de tensiones alimenta a un procesador de admitancia virtual (13) que es el encargado de determinar el valor de una corriente de referencia (i*) que comunica a una fuente de corriente (14) la cual se encarga de inyectar fisicamente dicha corriente a la red (15).

Description

CONTROLADOR DE ADMITANCIA VIRTUAL BASADO EN CONVERTIDORES
ESTÁTICOS DE POTENCIA Sector técnico de la invención
Esta invención pertenece al sector técnico de los controladores de la característica eléctrica basados en convertidores estáticos de potencia para plantas de energía renovable, especialmente útil en plantas de generación fotovoltaica, que permite ofrecer funcionalidades avanzadas para mejorar la conexión de dichas plantas a la red eléctrica. Antecedentes de la invención
Las fuentes de energía renovable, principalmente las centrales eólicas (EOL) y fotovoltaicas (FV), han dejado de ser un recurso marginal en la generación de energía eléctrica. Los generadores de las plantas FV utilizan convertidores de potencia para conectarse a la red eléctrica. Estos convertidores de potencia, también llamados inversores, inyectan corriente sobre la tensión de la red para suministrar potencia a la misma. En condiciones normales de operación, los inversores FV inyectan corrientes sinusoidales en la red, monofásicas o trifásicas, dependiendo del rango de potencia del generador. Normalmente, las corrientes inyectadas en la red suelen ser sinusoidales y están en fase con las tensiones del punto de acoplo para maximizar la potencia activa generada. Actualmente, no existen en el mercado, al menos no de forma generalizada, inversores FV que inyecten corrientes en cuadratura con las tensiones de red, lo que permite controlar la potencia reactiva inyectada en la red con el objetivo de regular el nivel de tensión en el punto de acoplo.
Cuando la tensión de red se ve afectada por alguna perturbación, como desequilibrios, transitorios o armónicos, lo cual es algo habitual en las redes eléctricas, los inversores FV convencionales experimentan problemas para permanecer adecuadamente sincronizados con la tensión de red, lo que da lugar a flujos descontrolados de potencia que pueden hacer que el inversor FV empeore aún más la situación de falla en la red. Ante perturbaciones de red más graves, como huecos de tensión, cortocircuitos u oscilaciones de potencia, los inversores FV convencionales no pueden ofrecer un soporte adecuado a la red eléctrica para ayudar a mantener el sistema de generación activo. Es más, estas perturbaciones transitorias graves suelen provocar la desconexión de red de la mayoría de los inversores FV comerciales debido al disparo de alguna de sus protecciones de sobrecorriente o sobretensión.
Para minimizar estos inconvenientes, son conocidos en el estado de la técnica los generadores síncronos virtuales, que tratan de emular el comportamiento de un generador síncrono convencional. La función eléctrica básica de salida de un generador sincrónico puede ser descrita por la ecuación (1) que se muestra a continuación: v = e-i> Z ; Z = (R +sL) (1)
Donde Z = (R+sL) es la impedancia de salida, / es la corriente que fluye a través de esa impedancia, e es la fuerza electromotriz inducida en el estátor y v es el voltaje en sus bornes.
Esta ecuación puede ser implementada en un convertidor de potencia para imitar la función eléctrica del generador sincrónico. En tal caso, la impedancia Z = (R+sL) no está conectada físicamente a la salida del convertidor, sino que está virtualmente implementada mediante software. Todas las técnicas existentes en la literatura para implementar una impedancia virtual a la salida de red conectada a un generador de potencia eléctrico están basadas en una aplicación directa de la ecuación (1), esto es, la tensión generada a la salida del convertidor de potencia v resulta de restar la caída de la tensión en dicha impedancia /(R+sL) de la tensión virtual de referencia e. Por tanto, en todas las técnicas encontradas, el convertidor de potencia actúa como una fuente de tensión controlada.
La corriente inyectada por el convertidor de potencia debe medirse con el fin de calcular la caída de tensión en la impedancia virtual. En algunos casos, se implementa un lazo interno de control de corriente para proteger al convertidor de potencia en caso de cualquier sobrecarga de corriente y garantizar un mejor seguimiento del voltaje de referencia v*. La implementación del lazo de corriente interna no está directamente relacionada con la implementación de la característica de impedancia virtual del convertidor de potencia.
Todas estas técnicas convencionales que aplican el concepto de impedancia virtual según la ecuación (1) presentan problemas graves de control cuando la corriente medida /' está afectada por armónicos o transitorios. Esto se debe al hecho de que es necesario procesar un término derivativo (sL) para calcular la caída de tensión en la impedancia de salida, lo que hace que los sistemas sean muy sensibles a las perturbaciones de armónicos, transitorios, desequilibrios... Algunas técnicas reportadas en la literatura utilizan filtros para atenuar los componentes de alta frecuencia en la medida de corriente; sin embargo, esta solución inhibe la respuesta del convertidor de potencia para soportar la red frente a ese tipo de perturbaciones y puede incluso reducir el margen de estabilidad del sistema en casos particulares.
Algunos de los documentos en los que se muestra la implementación de la impedancia virtual para obtener la tensión de salida del convertidor se encuentran las publicaciones siguientes: - Yao, W.; Chen, M.; Matas, J.; Guerrero, J. M.; Qian, Z.-M. "Design and Analysis of the Droop Control Method for Parallel Inverters Considering the Impact of the Complex Impedance on the Power Sharing," Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol.58, no.2, pp.576-588, Feb. 2011.
- Guerrero J. M. et al. en su publicación "Output Impedance Design of Parallel-Connected UPS Inverters With Wireless Load-Sharing Control," Industrial Electronics, IEEE Transactions on , vol.52, no.4, pp. 1126- 1135, Aug. 2005.
- L. Yun Wei and K. Ching-Nan, "An Accurate Power Control Strategy for Power-Electronics- Interfaced Distributed Generation Units Operating in a Low-Voltage Multibus Microgrid,"
Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 24, pp. 2977-2988, 2009.
- M. A. Aghasafari, L. A. C. Lopes, and S. Williamson, "Frequency regulation and enhanced power sharing in microgrids including modified droop coefficients and virtual resistances" presented at Electrical Power & Energy Conference (EPEC), 2009 IEEE, 2009.
La presente invención propone un nuevo concepto de controlador de la característica eléctrica para solucionar los inconvenientes anteriormente mencionados.
Descripción de la invención
El controlador de admitancia virtual basado en convertidores estáticos de potencia reivindicado es un nuevo concepto de control de plantas de energía renovable de última generación que permite ofrecer funcionalidades avanzadas para mejorar la integración de dichas plantas en la red eléctrica.
Este controlador comprende un lazo de control eléctrico, que hace posible el ajuste de parámetros en línea con la finalidad de mejorar el funcionamiento de un generador de potencia bajo condiciones de operación. En dicho lazo se implementa una admitancia virtual, al contrario de lo que ocurre en los controladores de la característica eléctrica convencionales, en los que se implementa una impedancia.
En la entrada del lazo de control se inyecta la diferencia de tensión existente entre una tensión interna virtual y la tensión existente en el punto de conexión red del convertidor de potencia. Esa diferencia de tensiones alimenta una admitancia virtual que es la encargada de determinar la corriente que el convertidor de potencia ha de inyectar a la red.
Su principio de funcionamiento, como se ha comentado anteriormente, se basa en el concepto físico inverso al que se aplica en las técnicas convencionales. La ecuación (2) muestra la expresión que permite implementar la admitancia virtual a la salida de convertidor de potencia conectado a la red. i = Y -(e-v) ; Y =— - (2)
1 R +
Esta expresión muestra que la referencia de corriente que debe ser inyectada en la red resulta de multiplicar la admitancia virtual por la diferencia entre la tensión virtual de referencia e y la tensión en el punto de acoplo a red v. En este caso, el convertidor de potencia basado en controlador de admitancia virtual actúa como una fuente de corriente controlada. Por lo tanto, al contrario que las técnicas convencionales, que implementan una fuente de tensión, en el controlador objeto de la presente invención, el convertidor de potencia conectado a red se regula mediante un lazo de control de corriente.
La característica eléctrica del controlador de admitancia virtual descrita por la ecuación (2) presenta, de forma natural, una característica de filtrado de paso bajo, lo que implica que el controlador de admitancia virtual ofrece un comportamiento más robusta y estable ante la presencia de armónicos de alta frecuencia que otras técnicas de control convencionales. Asimismo, el controlador de admitancia virtual objeto de esta invención permite la adaptación automática de los parámetros del lazo de control eléctrico para optimizar la respuesta del convertidor electrónico de potencia, fijando diferentes valores de admitancia virtual para cada rango de frecuencia y, en el caso de sistemas trifásicos, una admitancia virtual para cada secuencia directa, inversa y homopolar. De esta manera, a la frecuencia fundamental de red (frecuencia nominal operativa) se inyecta una elevada corriente y a las demás frecuencias, frecuencias de armónicos, transitorios... , se inyecta la corriente que minimice la perturbación. Esta característica de la presente invención resulta en un avance significativo respecto a otras técnicas convencionales, que trabajan con el uso de un único valor de impedancia.
Para conocer el estado de la red en cada momento, el controlador mide las tensiones y corrientes en el punto de acoplo, ya que estas variables reflejan el flujo de armónicos de corriente a través de las líneas.
El valor de la admitancia virtual para cada rango de frecuencias puede modificarse de acuerdo con los requerimientos establecidos por el operador de la red en cada momento. En la mayoría de los casos estas admitancias tendrán una característica resistiva o inductiva. Cabe decir que, incluso en el caso de establecer un valor resistivo, esta admitancia virtual no dará lugar a una reducción en la eficiencia de generador electrónico, puesto que estas pérdidas de energía son virtuales también. En resumen, el controlador de admitancia virtual de la presente invención trabaja con referencias de corriente, en lugar de hacerlo con referencias de tensión (los generadores síncronos emplean referencias de tensión y, en consecuencia, así lo hacen los controladores síncronos virtuales convencionales que intentan emularlos) y con una admitancia virtual, en lugar de trabajar con una impedancia virtual (en los generadores síncronos la relación tensión-corriente es a través de una impedancia y, en consecuencia, los controladores convencionales que lo emulan basan su funcionamiento en el concepto de impedancia virtual).
Descripción de los dibujos
Con el fin de facilitar la comprensión de la presente invención, se acompañan varias figuras donde con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra una representación esquemática simplificada de un circuito eléctrico de un generador síncrono (1a), junto con la implementación de impedancia virtual usada en técnicas convencionales (1b) y la implementación (1c) de una admitancia virtual usada en el controlador de admitancia virtual objeto de esta invención.
La figura 2 muestra una representación simplificada de un generador electrónico de potencia implementando múltiples admitancias virtuales en el lazo de control eléctrico del controlador de admitancia virtual.
- La figura 3 muestra un diagrama del controlador electrónico de admitancia virtual de la presente invención
Descripción detallada de una realización preferida
A continuación se explica una realización preferida de un controlador de admitancia virtual en base a las figuras representadas. Tal y como se muestra en la figura 1(c), el controlador de admitancia virtual comprende un lazo de control en cuya entrada se aplica la diferencia de tensión existente entre la tensión interna virtual (e) y la tensión existente en el punto de acoplo con la red (v). Esa diferencia de tensiones alimenta al procesador de admitancia virtual (13) que determina la corriente de referencia (i*) que el convertidor de potencia ha de inyectar a la red (15). Ese valor de corriente de referencia (i*) se aplica a la fuente de corriente controlada (14), la cual se encarga de inyectar físicamente dicha corriente en la red (15).
Los valores de los parámetros de admitancia virtual (Y) se adaptan dinámicamente a las condiciones de la red de potencia.
La figura 1 (a) y 1 (b) se refieren al estado de la técnica, En la figura 1(a) se representa un circuito eléctrico simplificado de un generador síncrono convencional. La figura 1(b) representa la ¡mplementación convencional de la impedancia virtual en las técnicas de control convencionales de generadores eléctricos de potencia.
Tal y como se muestra en la figura 2, el controlador de admitancia virtual presenta diferentes comportamientos para los distintos rangos de frecuencia de la entrada, es decir, los distintos rangos de frecuencia (/?, f2,■ . -fn) de la diferencia entre la tensión interna virtual (e) y la tensión del punto de conexión con la red (v). De esta forma, el controlador de la invención ofrece una admitancia diferente (Y^ Y2l... Yn) para cada frecuencia (^, f2, fn) y secuencia, de manera que a la frecuencia fundamental de red se inyecta una elevada corriente, y a las demás frecuencias, frecuencias de armónicos, transitorios y desequilibrios, se inyecta la corriente que minimice la perturbación. Así pues, el controlador de admitancia virtual de la presente invención se comporta como múltiples generadores de potencia trabajando simultáneamente.
La figura 3 muestra un diagrama del controlador eléctrico de admitancia virtual de la presente invención, que comprende a su vez dos bloques: el controlador de la característica eléctrica virtual (11) y el controlador adaptativo del valor de la admitancia virtual (12).
El controlador adaptativo de la admitancia virtual (12), valiéndose de las variables de entrada de tensión (v) y corriente (i) de red (y/o de cualquier elemento interno del convertidor de potencia), de los parámetros de ajuste para cada rango de frecuencia (d, c2, cn) y los valores de corriente de referencia para cada frecuencia y secuencia (Ι l2 *,
In*), obtiene el valor de la admitancia que hay que aplicar para cada frecuencia y secuencia
(Y,, Y2l... Yn).
El controlador de la característica eléctrica virtual (11) es alimentado con los valores de la tensión virtual interna (e), la tensión en el punto de conexión a la red (v) y la admitancia virtual Y!, Y2l... Yn) para esa frecuencia y secuencias (que se obtuvo del controlador adaptativo de la admitancia virtual (12). Con todo ello se obtiene a su salida el valor de la corriente de referencia (i*) que se ha de suministrar a la fuente de corriente (14) para que la inyecte físicamente en la red (15).
El controlador de admitancia virtual de convertidores estáticos de potencia presentado en esta invención tiene su aplicación más directa en plantas de energía renovable (especialmente fotovoltaica y eólica), pero no se descarta su uso para otra aplicación que requiera características similares.

Claims

Reivindicaciones
1. Controlador de admitancia virtual basado en convertidores estáticos de potencia conectados a red, caracterizado porque comprende un lazo de control en cuya entrada se inyecta la diferencia de tensión existente entre una tensión interna virtual (e) y la tensión existente en el punto de la red al que está conectado (v) y esa diferencia de tensiones alimenta a un procesador de admitancia virtual (13, Y) que es el encargado de determinar el valor de una corriente de referencia (i*) que el convertidor estático de potencia, actuando como una fuente de corriente controlada (14), debe inyectar físicamente en la red (15), siendo la fórmula que determina dicha corriente la siguiente: i = Y (e-v)
2. Controlador de admitancia virtual según reivindicación 1 caracterizado porque comprende un controlador de la admitancia virtual adaptativo (12), que está configurado para:
- recibir como señales de entrada la tensión (v) y la corriente (i) de la red y/o de cualquier elemento interno del convertidor de potencia, así como una serie de parámetros de ajuste (c c2, cn) y valores de corriente de referencia (Ι l2*,... , In*) para cada rango de frecuencia y secuencia y con todo ello
- generar el valor de la admitancia que hay que aplicar para cada frecuencia y secuencia
Figure imgf000009_0001
3. Controlador de admitancia virtual según reivindicación 2 caracterizado porque los parámetros de la admitancia virtual (Y) se adaptan dinámicamente a las condiciones de la red de potencia y a otras condiciones de contorno, presentando diferentes comportamientos para los distintos rangos de frecuencia de entrada (fi , f2, fn), y para las diferentes secuencias de entrada, directa, inversa u homopolar, ofreciendo una admitancia (Y!, Y2l... Yn) diferente para cada frecuencia (fi , f2l fn) y secuencia, por lo que a la frecuencia de red y secuencia directa puedan inyectarse corrientes altas y a las demás secuencias y frecuencias de armónicos, así como ante transitorios, desequilibrios se inyecten de manera natural las corrientes necesarias que minimicen la posible perturbación existente.
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