ENERGÍA

D E S C R I P C I Ó N OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de Ia invención es un método que permite controlar un convertidor back-to-back cuando se producen perturbaciones en Ia red que limitan Ia capacidad del convertidor del lado de Ia red para controlar Ia tensión de Ia etapa DC. En ese caso, Ia solución propuesta es pasar total o parcialmente Ia responsabilidad del control de Ia tensión de Ia etapa DC al convertidor del lado del generador.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En los últimos años se han incrementado las exigencias de los equipos de conversión de energía conectados a Ia red eléctrica, de modo que se evite su desconexión y Ia consiguiente desestabilización de Ia red.

Un caso particular de estas exigencias es el comportamiento ante Ia aparición de un hueco, entendiendo por hueco Ia reducción inmediata de Ia tensión de red y su posterior restablecimiento. La aparición de un hueco afecta a Ia estabilidad del equipo, por Io que, en ciertos casos, no se cumplen las normativas de conexión a red. Actualmente, las exigencias son cada vez mayores llegando a requerirse Ia conexión del sistema incluso ante Ia presencia de huecos de tensión cero (ZVRT - Zero Voltage Ride Through). En estas condiciones también se exige el aporte de corriente reactiva a Ia red.

Un equipo de conversión de energía convencional está formado por una topología de convertidor back to back (AC-DC-AC), formado por dos convertidores AC-DC unidos entre sí a través de una etapa DC, estando uno de los convertidores conectado a un generador y el otro convertidor conectado a Ia red. En el caso de un equipo de conversión del tipo back to back es el convertidor lado red el que controla Ia tensión de Ia etapa DC, es decir, el control se efectúa a partir de Ia tensión de red.

Ante situaciones en las que aparecen perturbaciones en Ia tensión de red y en consecuencia se produce el descontrol de las variables de funcionamiento, como por ejemplo, Ia corriente, Ia tensión de Ia etapa DC o Ia pérdida de Ia capacidad de trasiego de potencia, Ia protección del convertidor puede llegar a provocar su desconexión.

Si Ia perturbación origina que Ia tensión de Ia etapa DC incremente su valor hacia un valor descontrolado, el estado de Ia técnica propone incluir una resistencia de chopeo (chopper DC) en Ia etapa DC. Esta solución presenta Ia desventaja de quemar Ia energía excedente en vez de repartirla en el sistema.

Si Ia perturbación origina que Ia tensión de Ia etapa DC disminuya su valor hacia un valor que descontrole el funcionamiento del sistema, el estado de Ia técnica actual no propone una solución válida.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Para resolver los inconvenientes anteriormente citados, Ia invención consiste en un método para el control de una estructura de conversión de energía del tipo back to back, formado por uno o más convertidores AC-DC unidos entre sí a través de una etapa DC, estando al menos un primer convertidor que regula Ia tensión de Ia etapa DC conectado a Ia red eléctrica y, al menos, un segundo convertidor conectado a un generador. De modo que ante una pérdida de capacidad de regulación de Ia etapa DC por parte del primer convertidor provocada por una perturbación en Ia tensión de red, al menos un segundo convertidor conectado al generador contribuye al control de

Ia etapa DC.

Los convertidores AC-DC pueden estar conectados a Ia red eléctrica y al generador de forma directa o indirecta a través de, por ejemplo, elementos de conexión, elementos de protección, inductancias, resistencias, condensadores, transformadores, autotransformadores o combinación de los mismos.

La estructura de conversión de energía back to back, se compone de al menos dos convertidores AC-DC conectados entre si a través de Ia etapa DC, formando una estructura global AC-DC-AC. La etapa AC y Ia etapa DC de cada convertidor se unen entre si a través de interruptores estáticos del tipo IGBT, IGCT o similares, que permiten unir o aislar Ia etapa DC de las fases de Ia etapa AC en cada período de conmutación. Las órdenes de conmutación calculadas por el control de cada convertidor permiten sintetizar a Ia salida de cada convertidor Ia tensión de referencia calculada por el control de cada uno de ellos de manera que se logra controlar el flujo de potencia a través de cada convertidor o el par aplicado en el generador. El control aplicado sobre cada convertidor AC-DC puede ser un control vectorial o un control directo.

En Ia mayoría de las aplicaciones, Ia responsabilidad de mantener regulada Ia tensión de Ia etapa DC recae sobre el convertidor conectado a Ia red eléctrica. En este caso, una perturbación en Ia tensión de alimentación puede originar Ia pérdida de regulación de Ia tensión de Ia etapa DC. Las perturbaciones de Ia tensión de red que pueden originar Ia pérdida de regulación de Ia tensión de Ia etapa DC pueden presentarse en forma de:

- un hueco de tensión donde Ia tensión de alimentación sufre una bajada repentina de su amplitud.

- una sobretensión donde Ia tensión de alimentación sufre un aumento repentino de su amplitud.

- una variación en Ia frecuencia de Ia tensión de alimentación.

- una variación repentina en Ia fase de Ia tensión de alimentación.

- una combinación de las anteriores.

La pérdida de capacidad de regulación de Ia etapa DC puede estar originada por una pérdida de Ia capacidad de trasiego de potencia, una limitación en tensión o una limitación en corriente del convertidor conectado a Ia red eléctrica, así como una combinación de las mismas.

Los elementos de los que se compone cada convertidor AC-DC, tales como interruptores estáticos, inductancias y otros elementos eléctricos, tienen asociados unos límites de operación en valores de tensión y corriente que deben respetarse para garantizar el correcto funcionamiento del convertidor. La máxima corriente de salida que puede entregar el convertidor debe ser considerada por el control del mismo para poder definir en cada momento y en función de Ia tensión disponible, el límite máximo de Ia potencia que puede fluir a través de él. En presencia de un hueco en Ia tensión de red y ante una demanda de potencia de valor elevado por parte del lazo de control de Ia tensión de Ia etapa DC, podría producirse el caso en el que el convertidor conectado a Ia red eléctrica, destinado a controlar Ia tensión de Ia etapa DC, no dispusiera de toda Ia capacidad de trasiego de potencia necesaria. En este caso el convertidor estaría en una situación de limitación de corriente. Esta situación derivaría en un descontrol de Ia tensión de Ia etapa DC, que tal y como se propone en el método que se presenta en esta invención, se resuelve mediante el reparto de Ia consigna de potencia necesaria para Ia correcta regulación de Ia tensión de Ia etapa DC entre los dos convertidores AC-DC, el convertidor conectado a Ia red eléctrica y el convertidor conectado al generador. Dependiendo del punto de funcionamiento en el que se encontrase cada convertidor, en una realización preferida, el reparto de Ia consigna de Ia potencia necesaria para Ia correcta regulación de Ia tensión de Ia etapa DC se realiza de manera que el convertidor conectado al generador se hace cargo de Ia totalidad de esa potencia demandada. Este es el caso que se plantea, por ejemplo, ante un hueco de profundidad del 100% en Ia tensión de Ia red, donde al no disponer de tensión de alimentación en el convertidor conectado a Ia red eléctrica, Ia capacidad de trasiego de potencia del mismo sería nula y en consecuencia, para garantizar el control de Ia tensión de Ia etapa DC, Ia totalidad de Ia potencia necesaria para tal efecto debe ser regulada por parte del convertidor conectado al generador.

Si el descontrol originado por Ia perturbación en Ia tensión de red se manifiesta en forma de un aumento de Ia tensión de Ia etapa DC, ésta puede mantenerse dentro de sus límites de funcionamiento mediante un chopper conectado en Ia etapa DC que permita quemar el exceso de energía de dicha etapa en una resistencia conectada mediante un interruptor. Si por el contrario, el descontrol de Ia etapa DC se manifiesta en forma de una bajada de Ia tensión, el chopper DC no puede aportar ninguna solución y si el convertidor del lado de Ia red no dispone de Ia capacidad de potencia necesaria, Ia situación puede derivar en una parada de emergencia debido que Ia tensión de Ia etapa DC evoluciona a valores peligrosos para el funcionamiento del sistema.

El método de control propuesto da solución a Ia situación descrita de bajada descontrolada de Ia tensión de Ia etapa DC y además permite minimizar, e incluso eliminar, las actuaciones del chopper DC en el caso de un aumento descontrolado de Ia tensión de Ia etapa DC, evitando quemar el excedente de energía de dicha etapa y en su lugar pudiendo transformar esa energía en forma de energía cinética en el generador que más tarde pudiera recuperarse en forma de potencia inyectada a Ia red favoreciendo de esta manera el rendimiento de Ia estructura de conversión de energía.

En presencia de una sobretensión en Ia red, el convertidor conectado a Ia red eléctrica encargado de mantener regulada Ia tensión de Ia etapa DC puede llegar a no ser capaz de sintetizar Ia tensión de salida necesaria para controlar Ia potencia necesaria para mantener regulada Ia tensión de Ia etapa DC a su valor de referencia. El valor máximo de Ia tensión de salida sintetizable por el convertidor tiene un límite definido por el valor de Ia tensión de Ia etapa DC y las características de los interruptores estáticos utilizados para conectar Ia etapa DC con las fases de Ia etapa AC (tiempos de encendido, tiempos de apagado, tiempos muertos necesarios entre conmutaciones y otras características similares). En presencia de una sobretensión, el control asociado al convertidor puede calcular un valor de tensión de referencia a aplicar en Ia salida del convertidor que excede del límite máximo alcanzable por las variables definidas. En este caso el convertidor sintetiza en su salida Ia máxima tensión posible pero sin poder alcanzar los valores requeridos por el control asociado y en consecuencia se produce un descontrol de Ia tensión de Ia etapa DC. En este caso el convertidor está en una situación de limitación de tensión, también conocido como estado de saturación, que puede derivar en una parada de emergencia por Ia evolución fuera de rango de funcionamiento de variables críticas como Ia tensión de Ia etapa DC o las corrientes de salida de los convertidores. Llegados a este caso, el método que se presenta en esta invención conmuta Ia responsabilidad de control de Ia etapa DC del convertidor conectado a Ia red eléctrica al convertidor conectado al generador, transfiriendo Ia totalidad de Ia consigna de potencia necesaria para el control de Ia etapa DC al convertidor conectado al generador, permitiendo de esta manera mantener todas las variables de funcionamiento dentro de sus rangos de funcionamiento y poder seguir funcionando sin perder el control de los convertidores.

La estructura de conversión de energía del tipo back to back, sobre

Ia que se puede aplicar el método de control que se presenta en Ia invención, puede ser utilizada en diferentes topologías de generación, tales como:

- topologías basadas en generadores asincronos doblemente alimentados en los que Ia estructura back to back se conecta de forma directa o a través de elementos tales como inductancias, resistencias, condensadores, transformadores o combinaciones de los mismos entre, el rotor del generador y Ia red eléctrica.

- topologías de conversión completa también conocidas como FuII Converter (FC) en los que Ia estructura back to back se conecta de forma directa o a través de elementos tales como inductancias, resistencias, condensadores, transformadores o combinaciones de los mismos entre el estator del generador y Ia red eléctrica de manera que toda Ia potencia generada fluye a través de Ia estructura back to back.

En una realización preferida, el método de control presentado en Ia invención propone realizar un reparto de Ia consigna de Ia potencia necesaria para el control de Ia etapa DC, entre los convertidores que conforman Ia estructura de conversión back to back, pudiendo repartir las consignas de potencia de forma parcial o total dependiendo del punto de funcionamiento de cada convertidor y las perturbaciones a las que pueden estar sometidos, entre el convertidor conectado a Ia red eléctrica y que normalmente asume Ia responsabilidad de controlar Ia tensión de Ia etapa DC y el convertidor conectado al generador. Habiendo derivado de forma parcial o total al convertidor conectado al generador Ia responsabilidad de controlar Ia tensión de Ia etapa DC, el convertidor conectado a Ia red eléctrica puede funcionar inyectando o absorbiendo corriente reactiva a Ia red eléctrica para contribuir al mantenimiento de Ia tensión de Ia red para cumplir con los requisitos exigidos por las normativas de conexión a red. En el caso de aplicación de este método en una topología doblemente alimentada donde el generador se conecta a Ia red a través del estator, el convertidor conectado al rotor del generador puede asumir Ia responsabilidad de regular Ia tensión de Ia etapa DC y puede también contribuir a controlar las variables rotóricas del generador que permitan inyectar o absorber a través del estator del generador, Ia corriente reactiva necesaria para cumplir con los requisitos exigidos por las normativas de conexión a red.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1. Esquema de un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG).

Figura 2. Comportamiento de un aerogenerador DFIG ante hueco de tensión 80% de profundidad, según el estado de Ia técnica.

Figura 3. Comportamiento de un aerogenerador DFIG ante hueco de tensión 95% de profundidad, según el estado de Ia técnica.

Figura 4. Comportamiento de un aerogenerador DFIG ante hueco de tensión 95% de profundidad, según Ia invención descrita.

DESCRIPCIÓN DE UNO O VARIOS EJEMPLOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

Seguidamente se realiza una descripción de ejemplos de Ia invención, citando referencias de las figuras.

En una realización preferida, se considera una estructura de conversión back to back con un convertidor conectado a Ia red eléctrica y un convertidor conectado al generador, utilizando el método de control vectorial para el control de cada convertidor. El control vectorial está formado por un lazo de regulación externo de potencia y un lazo de regulación interno de corriente, las órdenes de conmutación de los interruptores estáticos del convertidor se calculan en cada ciclo de tarea del controlador a partir de las referencias de tensión de salida calculadas por el lazo de corriente y el valor de Ia tensión de Ia etapa DC que se dispone en cada ciclo. Esta información se procesa y aplica a Ia etapa final del control del convertidor donde utilizando técnicas de modulación vectoriales o escalares (como por ejemplo PWM), se establecen las órdenes de conmutación de los interruptores estáticos de cada convertidor.

Para conseguir Ia evolución deseada de las corrientes que permitan controlar Ia potencia de cada convertidor, es necesario establecer de forma precisa las órdenes de conmutación de los interruptores estáticos de los convertidores y para ello es necesario disponer de Ia tensión de Ia etapa DC regulada a su valor de referencia.

Una realización preferente de Ia invención consiste en el control de un aerogenerador cuya estructura de conversión (107) comprenda una máquina doblemente alimentada según se representa en Ia figura 1. En dicha estructura, el estator del generador se conecta a Ia red eléctrica (108) a través de un transformador (109), y el rotor del generador se conecta a un convertidor AC/DC (104) alimentado desde una etapa DC (106). Convencionalmente Ia tensión de Ia etapa DC (106) se controla desde otro convertidor AC/DC (105) conectado a Ia red eléctrica (108), capaz de transferir potencia entre Ia etapa DC (106) y Ia red eléctrica (108). La estrategia de control empleada en el estado de Ia técnica implica que el convertidor conectado al rotor (104) regule las potencias activa y reactiva generadas por Ia máquina doblemente alimentada, mientras que el convertidor del lado de red (105) regule Ia tensión de Ia etapa DC (106). La estructura de conversión (107) está controlada por un controlador (112).

En presencia de un hueco de tensión es habitual que se active un sistema de protección conectado al rotor del generador y conocido como crowbar (110). Este dispositivo cortocircuita las fases del rotor del generador y permite desconectar el convertidor del lado del rotor (104) que queda de esta manera protegido de las sobrecorrientes que aparecen habitualmente en el rotor del generador. Unos instantes más tarde el crowbar (110) se desactiva y el convertidor del lado del rotor (104) se conecta nuevamente al rotor retomando el control. Durante todo el tiempo Ia tensión de Ia etapa DC (106) es controlada por el convertidor del lado de red (105), que transfiere Ia potencia necesaria hacia o desde Ia red (108) con el objetivo de mantener Ia tensión a su valor de referencia.

La invención contempla Ia posibilidad de que el sistema incluya algún tipo de protección hardware para disipar energía, por ejemplo, un dispositivo conectado al rotor del generador como el ya mencionado crowbar (110) y/o un dispositivo conectado a Ia etapa DC (106) como puede ser un chopper (111 ).

Control según el estado de Ia técnica

En las figura 2a a 2d se muestra Ia evolución de las distintas variables de un generador en caso de un hueco de tensión trifásico de profundidad igual al 80%. En Ia figura 2a se representa el valor eficaz de Ia tensión de red, apreciándose Ia aparición de un hueco de tensión en el instante t=1 s. En Ia figura 2b se representa Ia tensión de Ia etapa DC (106). Es muy habitual que Ia tensión aumente en el instante en el que el hueco aparece. Más tarde Ia tensión desciende y se mantiene a su valor de referencia, que en este caso se ha fijado en 1.135V, Io cual indica que el convertidor del lado de red (105) está funcionando correctamente y cumple su función de regular Ia tensión de Ia etapa DC (106). La potencia que dicho convertidor introduce en Ia etapa DC (106) aparece en Ia figura 2c mientras que Ia potencia introducida por el convertidor conectado al rotor (104) se muestra en Ia figura 2d.

Por el contrario, el control según el estado de Ia técnica no funciona en caso de huecos más profundos. A modo de ejemplo, en las figuras 3a a 3d se muestran las mismas variables en caso de un hueco de tensión de profundidad igual al 95%. En este caso, y debido a Ia tensión tan pequeña de Ia red eléctrica (108), Ia capacidad de transferencia de potencia del convertidor del lado de red (105) se ve muy reducida. En consecuencia, este convertidor (105) ya no es capaz de regular adecuadamente Ia tensión de Ia etapa DC (106). La tensión queda por tanto sin control y, como puede comprobarse en Ia figura 3b, comienza a caer debido principalmente a las pérdidas de conmutación que se producen en los convertidores AC-DC. En Ia figura 3c se puede apreciar Ia causa principal del problema: Ia caída de tensión de Ia red (108) provoca que Ia potencia del convertidor del lado de red (105) disminuya, y al no ser suficiente para cubrir las pérdidas que se producen en Ia etapa DC (106), Ia tensión de dicha etapa disminuye.

Control según Ia invención propuesta

La falta de regulación de Ia etapa DC (106) se subsana empleando el método de control de Ia invención propuesta, en el que ante un hueco de tensión de red el control de Ia etapa DC (106) pasa a realizarse de forma compartida tanto por el convertidor conectado al generador (104) como por el convertidor conectado a Ia red (105) eléctrica.

Las figuras 4a a 4d muestran Ia evolución de las variables empleando este método cuando en el instante t=1s se produce un hueco de tensión de profundidad igual al 95%. El empleo conjunto de los dos convertidores (104, 105) hace posible regular Ia tensión de Ia etapa DC (106), que se consigue estabilizar entorno a su valor de referencia tal y como se puede apreciar en Ia figura 4b. A diferencia del control según el estado de Ia técnica, el convertidor del lado de generador (104) contribuye a Ia regulación de dicha tensión introduciendo potencia a Ia etapa DC (106). Esto puede apreciarse en que el valor medio de las oscilaciones de Ia potencia, mostrada en Ia figura 4d, es positivo.