"Sistema de sincronización para una unidad de generación eléctrica y método asociado"

SECTOR DE LA TECNICA

La presente invención se relaciona con aplicaciones de generación de energía eléctrica, y más particularmente con sistemas de sincronización para facilitar la sincronización entre una unidad de generación de energía eléctrica y un sistema de energía eléctrica (una red eléctrica), basándose en un concepto de lazo de seguimiento de fase (PLL, "Phase-Locked Loop').

ESTADO ANTERIOR DE LA TECNICA

En los últimos años ha surgido el interés más reciente en sistemas de sincronización dentro del campo de los sistemas de energía eléctrica, cuando varias tecnologías de generación eléctrica se han visto forzadas a proporcionar funcionalidades de soporte de red eléctrica transitorias dentro de una corta ventana de tiempo de respuesta.

Las primeras soluciones de sincronización aplicadas al campo de las aplicaciones de generación eléctrica se basan en sencillos sistemas de lazo de seguimiento de fase de marco de referencia síncrono (SRF-PLL, "Synchronous Reference Frame Phase-Locked Loop'). El rendimiento de tales SRF-PLL es adecuado en condiciones equilibradas y de régimen permanente de la red eléctrica, siendo su rendimiento bastante deficiente en condiciones de desequilibrio o distorsionadas de la red eléctrica.

Para solventar los principales inconvenientes del SRF-PLL también se conocen diferentes estructuras de sincronización basadas en añadir mejoras al SRF-PLL. Algunas de estas estructuras proponen algunos cambios en el procesamiento previo de variables medidas, con la integración de un sencillo bloque de generación de señal en cuadratura (QSG, "Quadrature Signal Generation'), con el fin de obtener una señal en cuadratura real, y otras, con la integración de un bloque QSG avanzado que incluye una etapa de filtrado que mejora la inmunidad ante armónicos de la PLL. Casi todos estos SRF-PLL avanzados también se adaptan a la frecuencia, permitiendo por lo tanto obtener una buena sincronización incluso con variaciones de frecuencia.

Aunque la mayoría de las aplicaciones están orientadas a la estimación de las componentes fundamentales, también se proponen otras para detectar la amplitud de diferentes componentes armónicas, por medio de conexión en cascada de diferentes bloques constructivos. El rendimiento de estas PLL de múltiples etapas se ha mostrado efectivo cuando la señal de sincronización está altamente contaminada, ya que las componentes armónicas estimadas pueden sustraerse de la señal de entrada, mejorando así la sincronización a la frecuencia fundamental.

En condiciones de fallo, los sistemas de sincronización de red eléctrica basados en PLL deben hacer frente a cambios repentinos en el ángulo de fase que aparece debido al cambio de impedancia de línea producido por el fallo. Puesto que la fase de una señal eléctrica es un parámetro que es probable que cambie repentinamente, todas estas estructuras deben lidiar con transitorios relativamente grandes, que afectan por lo tanto al tiempo de estabilización. A este respecto, también se conocen soluciones basadas en lazos de seguimiento en frecuencia (FLL, "Frequency-Locked Loop'), en lugar de en fase. El intervalo de funcionamiento de una PLL o una FLL cubre normalmente un amplio intervalo de funcionamiento, que varía desde cero hasta el valor nominal. Sin embargo, el ajuste de los controladores se realiza habitualmente considerando las proximidades de un determinado punto de funcionamiento, siendo por lo tanto el rendimiento global bastante diferente si la señal de entrada es la nominal o la mitad de la nominal. Las últimas mejoras dentro del campo de los sistemas de sincronización para aplicaciones de generación eléctrica se han centrado en mejorar este inconveniente, usando sistemas normalizados que pueden proporcionar el mismo rendimiento en el tiempo sin importar cuáles sean las condiciones de la red eléctrica. Esta normalización se centra principalmente en mejorar la respuesta del sistema a la hora de enfrentarse a variaciones de amplitud de la señal eléctrica. Aunque muchas soluciones han cubierto la normalización de la amplitud, sólo unas pocas pueden garantizar la entrega de una referencia de fase ante una ausencia total de señal de entrada. Para este escenario en particular existen algunas soluciones que normalmente se basan en la implementación de máquinas de estados discretos que controlan el comportamiento de la PLL, y que pueden hacer que la PLL actúe como un oscilador para proporcionar una fase de referencia a los controladores basándose en las condiciones previas al fallo. Una de estas soluciones se divulga en el documento US2008093853A1.

EXPOSICIÓN DE LA INVENCIÓN

El objetivo de la invención es proporcionar un sistema de sincronización y un método de sincronización para una unidad de generación eléctrica acoplada a un sistema de energía eléctrica, tal como se describe en las reivindicaciones.

Un primer aspecto de la invención se refiere a un sistema de sincronización para una unidad de generación eléctrica acoplada a un sistema de energía eléctrica. El sistema está configurado para comunicarse con el sistema de energía eléctrica y con la unidad de generación eléctrica (una red eléctrica), y para facilitar la sincronización entre la unidad de generación eléctrica y el sistema eléctrico. El sistema de sincronización también está configurado para recibir al menos una señal eléctrica principal desde el sistema de energía eléctrica y para generar, basándose en dicha señal eléctrica principal, al menos una señal de sincronización para facilitar dicha sincronización por medio de al menos un lazo de seguimiento de fase.

El lazo de seguimiento de fase comprende al menos un esquema controlador con una pluralidad de parámetros de ganancia, para eliminar la desviación de al menos una propiedad eléctrica de la señal de sincronización generada con respecto a la señal eléctrica principal, seleccionándose la propiedad eléctrica de entre al menos la amplitud, la frecuencia y el ángulo de fase.

El sistema de sincronización comprende además un controlador de ganancia configurado para ajusfar el valor de los parámetros de ganancia del lazo de seguimiento de fase en función de la frecuencia o el ángulo de fase, y la amplitud de la señal eléctrica principal. Por lo tanto, dichos parámetros de ganancia pueden ajustarse dinámicamente tras posibles cambios en la señal eléctrica principal, y por consiguiente la generación de la señal de sincronización se basa en las condiciones actuales del sistema de energía eléctrica, mejorándose la sincronización entre la unidad de generación eléctrica y el sistema de energía eléctrica.

Además, el hecho de usar tanto la amplitud como la frecuencia (o el ángulo de fase) de la señal eléctrica principal para ajustar los parámetros de ganancia permite tener en cuenta los cambios en la señal eléctrica principal más rápidamente, obteniéndose un sistema de sincronización más dinámico. Por lo tanto, el comportamiento de la invención propuesta es especialmente ventajoso en escenarios con transitorios y con fallos, en los que el rendimiento de otros controladores incluidos en la unidad de generación eléctrica depende de la respuesta dinámica precisa y rápida del sistema de sincronización.

Un segundo aspecto de la invención se refiere a un método de sincronización para una unidad de generación eléctrica acoplada a un sistema de energía eléctrica, en el que se genera al menos una señal de sincronización para facilitar la sincronización entre la unidad de generación eléctrica y el sistema eléctrico por medio de al menos un lazo de seguimiento de fase. El lazo de seguimiento de fase comprende al menos un esquema controlador con una pluralidad de parámetros de ganancia, para eliminar la desviación de al menos una propiedad eléctrica de la señal de sincronización con respecto a la señal eléctrica principal, seleccionándose la propiedad eléctrica de entre al menos la amplitud, la frecuencia y el ángulo de fase. El valor de los parámetros de ganancia del lazo de seguimiento de fase se ajusta dinámicamente en función de la frecuencia o ángulo de fase, y la amplitud de la señal eléctrica principal. Por lo tanto, se genera fácilmente una señal de sincronización que representa de manera dinámica y precisa el comportamiento de la señal eléctrica principal, que puede usarse para sincronizar la unidad de generación eléctrica y el sistema de energía eléctrica. Además, el comportamiento de la invención propuesta es especialmente ventajoso en escenarios con transitorios y con fallos, ya que permite una generación dinámica precisa y rápida de la señal de sincronización. Estas y otras ventajas y características de la invención resultarán evidentes en vista de los dibujos y la descripción detallada de la invención.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La figura 1 muestra una realización del sistema de sincronización de la invención en comunicación con una unidad de generación eléctrica y con un sistema de energía eléctrica (una red eléctrica).

La figura 2 muestra una estructura general de una realización preferente del sistema de sincronización de la invención. La figura 3 muestra una comparación entre la frecuencia de una señal de sincronización generada, sin y con el controlador de ganancia del sistema de sincronización de la figura 2.

La figura 4 muestra una implementación de un parámetro de ganancia usando lógica difusa.

La figura 5 muestra esquemáticamente la estructura interna del lazo de seguimiento de fase del sistema de sincronización de la figura 2. La figura 6 muestra esquemáticamente la estructura interna del bloque de procesamiento del sistema de sincronización de la figura 2.

La figura 7 muestra el rendimiento del sistema de sincronización de la figura 2 ante un cambio repentino en la frecuencia de la señal eléctrica principal.

La figura 8 muestra el rendimiento del sistema de sincronización de la figura 2 ante un cambio repentino en la amplitud de la señal eléctrica principal. La figura 9 muestra el rendimiento del sistema de sincronización de la figura 2 ante un 8% de distorsión armónica total (THD, "Total Harmonio Distorsión') que distorsiona la señal eléctrica principal.

EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Un primer aspecto de la invención se refiere a un sistema de sincronización 103 para una unidad de generación eléctrica 102 acoplada a un sistema de energía eléctrica 100 (una red eléctrica 100). En algunas realizaciones la unidad de generación 102 comprende al menos un convertidor de potencia y un controlador para actuar sobre el convertidor de potencia (no mostrado en las figuras), estando integrado el sistema de sincronización 103 en dicho controlador. En otras realizaciones la unidad de generación eléctrica 102 comprende al menos un convertidor de potencia y un controlador para actuar sobre el convertidor de potencia (no mostrado en las figuras), siendo el sistema de sincronización 103 otro controlador en comunicación con dicho controlador. En otras realizaciones la unidad de generación eléctrica 102 comprende al menos un convertidor de potencia, y el controlador para actuar sobre dicho convertidor de potencia y el sistema de sincronización 103 están integrados en el mismo controlador. Por motivos de claridad, en la figura 1 se muestra el sistema de sincronización 103 independiente de la unidad de generación eléctrica 102, y el sistema de sincronización 103 puede estar integrado en el controlador para actuar sobre el al menos un convertidor de potencia de la unidad de generación eléctrica 102 o en la unidad de generación eléctrica 102. Por lo tanto, cuando se indica que el sistema de sincronización 103 está configurado para comunicarse con la red eléctrica 100 y con la unidad de generación eléctrica 102 debe entenderse que el sistema de sincronización 103 puede estar integrado en el controlador para actuar sobre el convertidor de potencia de la unidad de generación eléctrica 102 o en la unidad de generación eléctrica 102.

El sistema de sincronización 103 está configurado para comunicarse con la red eléctrica 100 y con la unidad de generación eléctrica 102, y para facilitar la sincronización entre la unidad de generación eléctrica 102 y la red eléctrica 100. La figura 2 muestra la estructura general de una realización preferente del sistema de sincronización 103 de la invención, que se basa en un concepto de lazo de seguimiento de fase. La expresión "lazo de seguimiento de fase" se conoce comúnmente también como PLL, y así se denomina en adelante en el presente documento. La unidad de generación eléctrica 102 puede estar acoplada directamente a la red eléctrica 100 o a través de un transformador 101 tal como se muestra en dicha figura 1.

En la realización preferente el sistema de sincronización 103 está adaptado para comunicarse con un sistema de energía eléctrica trifásico, pero en otras realizaciones no mostradas en las figuras dicho sistema de sincronización 103 puede estar adaptado para comunicarse con un sistema de energía eléctrica monofásico.

El sistema de sincronización 103, en cualquiera de sus realizaciones, está configurado para recibir al menos una señal eléctrica principal S _e de la red eléctrica 100. La señal eléctrica principal S _e puede ser cualquiera de las variables eléctricas de la fase correspondiente, tal como la tensión o la corriente. Si la red eléctrica 100 es un sistema eléctrico trifásico la señal eléctrica principal S _e puede derivarse de cualquiera de las tres fases. Si la red eléctrica 100 es un sistema eléctrico monofásico la señal eléctrica principal S _e se deriva, lógicamente, de la única fase.

En cualquiera de sus realizaciones el sistema de sincronización 103 está configurado para generar, basándose en la señal eléctrica principal S _e , al menos una señal de sincronización S _s para facilitar la sincronización entre la unidad de generación eléctrica 102 y la red eléctrica 100. La señal de sincronización S _s es la variable eléctrica de la señal eléctrica principal S _e , sincronizada. El sistema de sincronización 103 comprende al menos una PLL 4 para generar la señal de sincronización S _s , y un controlador de ganancia 20 comunicado con la PLL 4. La PLL 4 comprende al menos un esquema controlador con una pluralidad de parámetros de ganancia K _mn , para eliminar la desviación de al menos una propiedad eléctrica de la señal de sincronización S _s generada con respecto a la señal eléctrica principal S _e , seleccionándose la propiedad eléctrica de entre, al menos, la amplitud, la frecuencia y el ángulo de fase. El controlador de ganancia 20 ajusta el valor de los parámetros de ganancia K _mn del esquema controlador de la PLL 4 en función de la frecuencia (o el ángulo de fase) y la amplitud de la señal eléctrica principal S _e . Puesto que el controlador de ganancia 20 transmite los valores ajustados de los parámetros de ganancia K _mn a la PLL 4, se genera continuamente la señal de sincronización S _s mediante dicha PLL 4 según dichos parámetros de ganancia K _mn ajustados. El sistema de sincronización 103 de la invención permanece activo todo el tiempo, tanto durante condiciones transitorias como de estado constante tales como caídas de tensión, sobretensiones o variaciones de frecuencia, pudiendo permanecer activo y adaptar su dinámica a través de la variación de parámetros K _mn para facilitar una sincronización precisa entre la red eléctrica 100 y la unidad de generación eléctrica 102.

En la realización preferente el controlador de ganancia 20 está configurado para estimar la amplitud y la frecuencia de la señal eléctrica principal S _e , y para ajusfar el valor de los parámetros de ganancia K _mn de la PLL 4 en función de dichas amplitud y frecuencia estimadas. En otras realizaciones el controlador de ganancia 20 está configurado para estimar al menos la amplitud de la señal eléctrica principal S _e , y para recibir la frecuencia de la señal eléctrica principal S _e o una diferencia de frecuencia £ _f entre la frecuencia de la señal eléctrica principal S _e y una frecuencia de referencia predeterminada para la red eléctrica 100, y para ajusfar el valor de los parámetros de ganancia K _mn de la PLL 4 en función de la frecuencia o diferencia de frecuencia £ _f recibida y la amplitud estimada. La frecuencia de referencia predeterminada puede ser 50 Hz por ejemplo, que es un valor de frecuencia habitual de una red eléctrica 100. El error de frecuencia £ _f puede estimarse mediante la PLL 4 por ejemplo. Para mejorar la respuesta dinámica, en cualquiera de las realizaciones la amplitud se estima preferiblemente con una técnica de Mann - Morrison ya conocida.

El uso tanto de la amplitud como de la frecuencia (o el ángulo de fase) de la señal eléctrica principal S _e para ajusfar los parámetros de ganancia K _mn permite tener en cuenta los cambios en la señal eléctrica principal S _e más rápidamente, obteniéndose un sistema de sincronización 103 más dinámico. La figura 3 muestra, en un intervalo determinado de tiempo t, una comparación entre la frecuencia F de la señal de sincronización S _s ' generada con el controlador de ganancia 20 que usa una entrada (la amplitud en este caso), y la frecuencia F de la señal de sincronización S _s generada con el controlador de ganancia 20 del sistema de sincronización 103 de la invención, que usa dos entradas (la amplitud y la frecuencia), cuando se produce un cambio repentino en la frecuencia de la señal eléctrica principal S _e . Ambas señales de sincronización S _s ' y S _s se han obtenido para las mismas condiciones de la señal eléctrica principal S _e y ante el mismo cambio en la frecuencia de la señal eléctrica principal S _e . Como puede observarse, al usar ambas entradas para el controlador de ganancia 20 se mejora el rendimiento dinámico en la estimación de la frecuencia.

Cuando se hace referencia a que los parámetros de ganancia K _mn se ajustan en función al menos de la frecuencia o el error de frecuencia £ _f ha de observarse que podrían usarse, en su lugar, el ángulo de fase o el error de ángulo de fase. Por motivos de claridad, a continuación en el presente documento se hace referencia a la frecuencia o error de frecuencia £ _f .

En la realización preferente, para mejorar el lazo de sincronización de la PLL 4 durante transitorios de la red eléctrica, y en particular el rendimiento de la PLL 4, el controlador de ganancia 20 está configurado para aplicar lógica difusa para ajusfar los parámetros de ganancia K _mn de la PLL 4, basándose en la amplitud estimada de la señal eléctrica principal S _e y en la diferencia de frecuencia Ef (en su lugar, también podría usarse la frecuencia). Aplicar lógica difusa permite al controlador de ganancia 20 ajusfar de manera precisa los parámetros de ganancia K _mn según las condiciones actuales de la señal eléctrica principal S _e , obteniéndose un sistema más robusto y fiable, que sigue de manera más precisa las condiciones reales de la red eléctrica 100. En particular, usando dichos dos parámetros de entrada (amplitud y diferencia de frecuencia Ef o frecuencia), el controlador de ganancia 20 proporciona una respuesta más fiable ante transitorios que implican variaciones repentinas de la señal eléctrica principal S _e así como rápidos cambios en el ángulo de fase. Por lo tanto, el sistema de sincronización 103 puede generar, dinámicamente, una señal de sincronización S _s que representa de manera precisa el comportamiento de la señal eléctrica principal S _e para sincronizar la unidad de generación eléctrica 102 y la red eléctrica 100.

La lógica difusa es una forma de lógica multi-valuada (amplitud y diferencia de frecuencia Ef o frecuencia en este caso), y puesto que ya es bien conocida en el sector no se describe en detalle. Para aplicar el control de lógica difusa se establece un determinado número de reglas que determinan la respuesta dinámica de la PLL 4, estableciéndose dichas reglas según la experiencia acerca del comportamiento del sistema de sincronización 103 (control experto). En el sistema de sincronización 103 de la invención, y tal como se ilustra en la figura 4, se establecen una pluralidad de intervalos Z (cero), PS (positivo pequeño), PM (positivo medio) y PB (positivo grande) en función de las entradas del control de lógica difusa (amplitud y error de frecuencia E _f o frecuencia de la señal eléctrica principal S _e ) para ajusfar los parámetros de ganancia K _mn .

En la realización preferente la PLL 4 está configurada para recibir una señal de entrada eléctrica basándose en la señal eléctrica principal S _e , comprendiendo dicha señal de entrada eléctrica la misma amplitud, frecuencia y ángulo de fase de la señal eléctrica principal S _e , y cuya generación se explicará más adelante. En otras realizaciones la PLL 4 podría estar configurada para recibir la señal eléctrica principal S _e directamente.

El esquema controlador de la PLL 4 está configurado para eliminar la desviación de al menos una propiedad eléctrica de la señal de sincronización S _s con respecto a la señal eléctrica principal S _e , seleccionándose la propiedad eléctrica de entre, al menos, la amplitud, la frecuencia y el ángulo de fase. Por lo tanto, tal como se muestra en la figura 5, la PLL 4 comprende un bloque de entrada 40 en el que se realiza una sustracción entre la señal de entrada eléctrica y la señal de sincronización S _s , alcanzando la señal eléctrica (señal de error eléctrica) que resulta de dicha sustracción el esquema controlador para eliminar dicha desviación. En la realización preferente el esquema controlador de la PLL 4 comprende dos lazos de control 41 y 42 en paralelo. El primer lazo de control 41 se encarga de eliminar un error de ángulo de fase entre la señal de sincronización S _s y la señal de entrada eléctrica (la desviación entre los ángulos de fase de la señal de sincronización S _s y la señal de entrada eléctrica y, por lo tanto, la desviación entre los ángulos de fase de la señal de sincronización S _s y la señal eléctrica principal S _e ), y el segundo lazo de control 42 se encarga de eliminar un error de amplitud entre la señal de sincronización S _s y la señal de entrada eléctrica (la desviación entre la amplitud de la señal de sincronización S _s y la señal de entrada eléctrica y, por lo tanto, la desviación entre la amplitud de la señal de sincronización S _s y la señal eléctrica principal S _e ). Las señales de salida de ambos lazos de control 41 y 42 se combinan por medio de un oscilador VCO, siendo la salida de dicho oscilador VCO la señal de sincronización S _s .

Cada lazo de control 41 y 42 comprende al menos un controlador 41a y 42a con una pluralidad de parámetros de ganancia K _mn correspondientes cada uno. En la realización preferente cada controlador 41a y 42a comprende un controlador Pl con la pluralidad de parámetros de ganancia K _mn correspondiente (ganancias proporcionales e integrales respectivas), pero en otras realizaciones cada controlador 41a y 42a puede comprender otro tipo de configuraciones de controlador tales como un controlador PID por ejemplo. Por lo tanto, si a continuación en el presente documento se hace referencia a un controlador Pl, debe entenderse que también podría usarse otro tipo de controlador a menos que se indique expresamente lo contrario. Las PLL conocidas en el estado de la técnica usan únicamente un lazo de control (el lazo de control 41 encargado de eliminar el error de ángulo de fase), y gracias al uso también del segundo lazo de control 42 la señal de sincronización S _s generada con el sistema de sincronización 103 de la invención representa de manera más precisa el comportamiento de la red eléctrica 100, y, por lo tanto, se mejora la sincronización entre la unidad de generación eléctrica 102 y la red eléctrica 100.

Además del controlador 41 a, en la realización preferente el primer lazo de control 41 también comprende los siguientes elementos: un primer bloque 41 b, un segundo bloque 41 c y un bloque de integral 41 d. El primer bloque 41 b recibe la señal de error eléctrica y realiza el producto vectorial de la misma con la señal de sincronización S _s , constituyendo la señal resultante el error de ángulo de fase, y, por lo tanto, debe provocarse una variación en la frecuencia de la señal de sincronización S _s si dicho error difiere de cero con el fin de sincronizar la señal de entrada eléctrica y la señal de sincronización S _s , y por lo tanto la red eléctrica 100 y la unidad de generación eléctrica 102. Se usa un controlador lineal 41 a para cancelar el error de estado constante (un controlador Pl en una realización preferente, aunque podrían usarse otros controladores conocidos tales como controladores PID), alcanzando dicho error el controlador 41 a. En el segundo bloque 41 c se usa la frecuencia nominal w ₀ como compensación, sumándose a la señal que sale del controlador 41 a. La señal que sale del segundo bloque 41 c alcanza el bloque de integral 41 d integrándose en el mismo, ya que la integral de la frecuencia representa el valor del ángulo de fase. Por lo tanto, el ángulo de fase de la señal eléctrica que sale del bloque de integral

41 d comprende el mismo ángulo de fase que la señal de entrada eléctrica y se usa para generar la señal de sincronización S _s .

Además del controlador 42a, en la realización preferente el segundo lazo de control

42 también comprende los siguientes elementos: un primer bloque 42b y un segundo bloque 42c. El primer bloque 42b recibe la señal de error eléctrica y realiza el producto escalar de dicha señal con la señal de sincronización S _s . El resultado del producto escalar es el error en el valor de amplitud, que puede cancelarse con un controlador lineal 42a (un controlador Pl en la realización preferente, aunque podrían usarse otros controladores conocidos tales como controladores PID). Por lo tanto, la señal que sale del primer bloque 42b alcanza el controlador. La señal que sale del controlador alcanza el segundo bloque 42c, y dicho segundo bloque 42c suma la amplitud nominal A ₀ de la señal medida correspondiente (tensión eléctrica o corriente eléctrica) de la señal de entrada eléctrica a la señal recibida desde el controlador. La señal que sale del segundo bloque 42c representa la amplitud para la señal de sincronización S _s , y por lo tanto se usa para generar dicha señal de sincronización S _s . Los valores estimados de la amplitud y el ángulo de fase obtenidos en los dos lazos de control 41 y 42 alimentan el oscilador VCO, que genera una señal monofásica o trifásica desplazada 120° (la señal de sincronización S _s ).

En la realización preferente el sistema de sincronización 103 también comprende un estimador avanzado 21 comunicado con la PLL 4, en particular con ambos lazos de control 41 y 42. El estimador avanzado 21 está configurado para recibir una primera señal relacionada con la potencia P y una segunda señal relacionada con la potencia Q representativas de la potencia activa y reactiva de la red eléctrica 100 respectivamente, para estimar el ángulo de fase que tendría la señal eléctrica principal S _e en función de las señales relacionadas con la potencia P y Q y de una impedancia de la red eléctrica Z, para calcular el ángulo de fase de la señal eléctrica principal S _e , y para obtener una diferencia de ángulo de fase O _ff entre ambos ángulos de fase estimado y calculado. La diferencia de ángulo de fase O _ff se transmite al lazo de control 41 , de modo que la PLL 4 también tiene en cuenta dicha diferencia de ángulo de fase O _ff para generar la señal de sincronización S _s . En particular, la diferencia de ángulo de fase O _ff se suma como compensación a la señal que sale del bloque de integral 41 d del lazo de control 41 en un tercer bloque 41 e. El estimador avanzado 21 permite por lo tanto contrarrestar y anticipar cambios repentinos en el ángulo de fase de una fase de la red eléctrica 100. Esto resulta especialmente útil en redes eléctricas 100 débiles, en las que el valor de la impedancia Z es alto y los cambios en suministro/consumo de potencia activa/reactiva originan cambios relevantes en la señal eléctrica principal S _e . Por medio del estimador avanzado 21 dichos cambios se calculan previamente o en línea, y se proporcionan después a la PLL 4 como compensación para el ángulo de fase. La impedancia de la red eléctrica Z no tiene que ser el valor exacto, sólo una aproximación razonable.

En la realización preferente, el estimador avanzado 21 también está configurado para estimar una diferencia de amplitud A _ff entre la amplitud correspondiente a la situación en función de las señales relacionadas con la potencia P y Q recibidas y de la impedancia de la red eléctrica Z y la amplitud estimada de dicha señal de entrada eléctrica, y para transmitir la diferencia de amplitud estimada A _ff como compensación al segundo lazo de control 42 adicional, de modo que la PLL 4 también tiene en cuenta dicha diferencia de amplitud A _ff para generar la señal de sincronización S _s . En particular, la diferencia de amplitud A _ff se suma, también, a la señal que sale del controlador del segundo lazo de control 42. El uso del estimador avanzado 21 también mejora la respuesta transitoria del sistema de sincronización 103 ante cambios repentinos en la amplitud de la señal de entrada eléctrica provocados por cambios de potencia, puesto que dichos cambios de potencia pueden tenerse en cuenta antes de incluirse en la señal de entrada eléctrica.

En otras realizaciones la PLL 4 comprende sólo un lazo de control, en particular el lazo de control 41 , y el sistema de sincronización 103 también comprende el estimador avanzado 21 para proporcionar la diferencia de ángulo de fase O _ff a dicho lazo de control 41.

En otras realizaciones, la PLL 4 comprende sólo un lazo de control, en particular el lazo de control 41 , y el sistema de sincronización 103 carece del estimador avanzado 21. En otras realizaciones, la PLL 4 comprende los dos lazos de control 41 y 42, y el sistema de sincronización 103 carece del estimador avanzado 21.

Las señales relacionadas con la potencia P y Q son representativas, respectivamente, de la potencia activa y reactiva que va a suministrarse a la red eléctrica 100 (o puntos de referencia) o de la potencia activa y reactiva suministrada a la red eléctrica 100.

En algunas realizaciones, como en la realización preferente, el sistema de sincronización 103 también comprende un bloque de procesamiento 5 configurado para recibir la señal eléctrica principal S _e y para procesarla con el fin de obtener una estimación de al menos una de las componentes simétricas instantáneas (secuencia positiva S ⁺ y secuencia negativa S ^" ) de la señal eléctrica principal S _e . La secuencia positiva S ⁺ o la secuencia negativa S ^" es la señal recibida por la PLL 4, siendo dicha señal por lo tanto la señal de entrada eléctrica basada en la señal eléctrica principal S _e . El bloque de procesamiento 5 puede estimar tanto la secuencia positiva S ⁺ como la secuencia negativa S ^" , como el bloque de procesamiento 5 mostrado a modo de ejemplo en la figura 6, sólo la secuencia negativa S ^" o sólo la secuencia positiva S ⁺ como en la realización preferente. Por lo tanto, en la realización preferente, tal como se muestra en la figura 5, la señal de entrada eléctrica basada en la señal eléctrica principal S _e que alcanza la PLL 4 es la secuencia positiva S ⁺ .

La estructura del bloque de procesamiento 5 puede dividirse en dos bloques principales tal como se muestra en la figura 6, un primer bloque de procesamiento 53 para obtener la secuencia negativa S ^" y/o la secuencia positiva S ⁺ de la señal eléctrica principal S _e (la secuencia positiva S ⁺ en la realización preferente), y un segundo bloque 54 para estimar la frecuencia w de la señal eléctrica principal S _e . El primer bloque de procesamiento 53 comprende un primer estimador de secuencia 53a que obtiene la secuencia positiva S ⁺ y/o un segundo estimador de secuencia 53b que obtiene la secuencia negativa S ^" de la señal eléctrica principal S _e en caso de sistemas eléctricos trifásicos. En caso de sistemas monofásicos, el bloque de procesamiento 5 podría simplificarse y podrían usarse técnicas ya conocidas, tales como la técnica de retardo de transporte T/4 ya conocida en el campo, puesto que no es posible asimetría y por lo tanto no hay necesidad de calcular secuencias positiva y negativa. El bloque de procesamiento 5 comprende un bloque de transformación 51 para transformar la señal eléctrica principal S _e en componentes alfa-beta (αβ), y un filtro pasa alto 52 para cancelar los efectos de posibles componentes de continua presentes en las componentes alfa-beta, alcanzando dichas componentes alfa-beta filtradas los dos bloques principales. Como se ha indicado anteriormente, la figura 6 muestra un ejemplo de la estructura del bloque de procesamiento 5, que puede ser igual a la estructura del bloque de procesamiento 5 de la realización preferente con la diferencia de que en la realización preferente no se obtiene la secuencia negativa S ^" .

A continuación se presentan a modo de ejemplo tres escenarios diferentes, extraídos de escenarios con fallos típicos, para ilustrar la invención. La figura 7 muestra el comportamiento del sistema de sincronización 103 propuesto, en un intervalo de tiempo t1 determinado, para estimar la frecuencia F _Se , ángulo de fase 0 _Se y amplitud A _se de una señal eléctrica principal S _e de un sistema eléctrico trifásico mediante dicho sistema de sincronización 103, ante un cambio repentino en la frecuencia de dicha señal eléctrica principal S _e en t=0,15 s y t=0,3 s. La señal eléctrica principal S _e es la tensión de una fase sin conexión al sistema eléctrico 100. Dicha figura 7 se divide en cuatro gráficas: (a) Señal eléctrica principal S _e medida, (b) Frecuencia real F _R y frecuencia estimada F _s de la señal eléctrica principal S _e , (c) Ángulo de fase real 0 _R y ángulo de fase estimado O _s de la señal eléctrica principal S _e y (d) Amplitud estimada A _s de la secuencia positiva S ⁺ y/o la secuencia negativa S ^" de dicha señal eléctrica principal S _e .

La figura 8 muestra el comportamiento del sistema de sincronización 103 propuesto, en un intervalo de tiempo t2 determinado, para realizar el seguimiento de la amplitud A _se , ángulo de fase 0 _Se y frecuencia F _Se de la señal eléctrica principal S _e trifásica. En este caso se muestra la estimación de estas variables por el sistema de sincronización 103 cuando hay un cambio repentino en la amplitud de secuencia positiva o secuencia negativa de la señal eléctrica principal S _e en t=0,15 s y t=0,4 s. La señal eléctrica principal S _e es la tensión de una fase sin conexión al sistema eléctrico 100. Dicha figura 8 se divide en cuatro gráficas: (a) Señal eléctrica principal S _e medida, (b) Frecuencia real F _R y frecuencia estimada F _s de la señal eléctrica principal S _e , (c) Ángulo de fase real 0 _R y ángulo de fase estimado O _s de la señal eléctrica principal S _e y (d) Amplitud estimada A _s de la secuencia positiva S ⁺ y/o la secuencia negativa S ^" de la señal eléctrica principal S _e . La figura 9 muestra la estimación de la frecuencia F _Se , ángulo de fase 0 _Se y amplitud A _se de la señal eléctrica principal S _e trifásica por el sistema de sincronización 103 cuando hay un 8% de THD que distorsiona dicha señal eléctrica principal S _e , en un intervalo de tiempo t3 determinado (entre t=0,15 y t=0,3 s). La señal eléctrica principal S _e es la tensión de una fase sin conexión al sistema eléctrico 100. Dicha figura 9 se divide en cuatro gráficas: (a) Señal eléctrica principal S _e medida en la que THD aumenta en t=0, 15, (b) Frecuencia real F _R y frecuencia estimada F _s de la señal eléctrica principal S _e , (c) Ángulo de fase real 0 _R y ángulo de fase estimado O _s de la señal eléctrica principal S _e y (d) Amplitud estimada A _s de la secuencia positiva S ⁺ y/o la secuencia negativa S ^" de la señal eléctrica principal S _e . Tal como se muestra en dicha figura 9, el sistema de sincronización 103 puede atenuar los armónicos en la estimación de la amplitud y la frecuencia debido al bloque de procesamiento 5 inherente.

Un segundo aspecto de la invención se refiere a un método de sincronización para una unidad de generación eléctrica 102 acoplada a un sistema de energía eléctrica 100, en el que se genera al menos una señal de sincronización S _s por medio de al menos un lazo de seguimiento de fase 4, para facilitar la sincronización entre la unidad de generación eléctrica 102 y el sistema eléctrico 100. El lazo de seguimiento de fase 4 comprende un esquema controlador con una pluralidad de parámetros de ganancia K _mn , para eliminar la desviación de al menos una propiedad eléctrica de la señal de sincronización S _s con respecto a la señal eléctrica principal S _e , seleccionándose la propiedad eléctrica de al menos la amplitud, la frecuencia y el ángulo de fase. La amplitud y la frecuencia de la señal eléctrica principal S _e se estiman en primer lugar, como también se ha explicado para el primer aspecto de la invención. Las ventajas de usar tanto la amplitud como la frecuencia (o el ángulo de fase) de la señal eléctrica principal S _e para ajusfar los parámetros de ganancia K _mn también se ha explicado para el primer aspecto de la invención.

El método, en cualquiera de sus realizaciones, está configurado para generar, basándose en una señal eléctrica principal S _e , al menos una señal de sincronización S _s para facilitar la sincronización entre la unidad de generación eléctrica 102 y la red eléctrica 100. La señal eléctrica principal S _e puede ser cualquiera de las variables eléctricas de la fase correspondiente, tal como la tensión o la corriente. Si la red eléctrica 100 es un sistema eléctrico trifásico, la señal eléctrica principal S _e puede derivarse de cualquiera de las tres fases. Si la red eléctrica 100 es un sistema eléctrico monofásico, la señal eléctrica principal S _e se deriva, lógicamente, de la única fase.

En cualquier realización del método el valor de los parámetros de ganancia K _mn del lazo de seguimiento de fase 4 se ajusta dinámicamente en función de la frecuencia o ángulo de fase, y la amplitud de la señal eléctrica principal S _e . Los parámetros de ganancia K _mn se generan mediante un controlador de ganancia 20, y se transmiten posteriormente a la PLL 4. El método puede ejecutarse de manera continua, y no sólo durante un fallo de la red eléctrica u otro fallo, pudiendo permanecer activo también en un estado constante de la unidad de generación eléctrica 102 para facilitar que la sincronización entre la red eléctrica 100 y la unidad de generación eléctrica 102 sea más precisa.

En la realización preferente, para mejorar la generación de la señal de sincronización S _s durante transitorios de la red eléctrica, y en particular el rendimiento de la PLL 4, se aplica lógica difusa para ajusfar los parámetros de ganancia K _mn de la PLL 4 basándose en la amplitud y la frecuencia. Las ventajas de aplicar lógica difusa ya se han explicado para el primer aspecto de la invención.

Para aplicar lógica difusa puede usarse directamente la frecuencia estimada (o el ángulo de fase estimado), o en su lugar puede usarse una diferencia de frecuencia

Ef (o una diferencia de ángulo de fase), como también se ha explicado para el primer aspecto de la invención.

En el método se elimina la desviación de al menos una propiedad eléctrica de la señal de sincronización S _s con respecto a la señal eléctrica principal S _e , seleccionándose la propiedad eléctrica de entre, al menos, la amplitud, la frecuencia y el ángulo de fase. Con este fin se realiza una sustracción entre la señal eléctrica principal (o una señal de entrada eléctrica que comprende la misma amplitud, frecuencia y ángulo de fase de la señal eléctrica principal S _e ) y la señal de sincronización S _s . La explicación dada para la generación de la señal de entrada eléctrica en el primer aspecto de la invención también es válida para el segundo aspecto de la invención, y, en una realización preferente, el método implementa una sustracción entre la señal de entrada eléctrica y la señal de sincronización S _s . En el método, la señal eléctrica (señal de error eléctrica) que resulta de la sustracción se procesa mediante un esquema controlador para eliminar al menos dicha desviación.

En la realización preferente, la señal de error eléctrica se procesa para eliminar dos desviaciones entre la señal de sincronización S _s y la señal eléctrica principal S _e : el error de ángulo de fase y el error de amplitud. Dicha eliminación se implementa mediante dos lazos de control 41 y 42 paralelos como se explicó anteriormente para el primer aspecto de la invención. Las señales de salida de ambos lazos de control 41 y 42 se combinan por medio de un oscilador VCO, siendo la salida de dicho oscilador VCO la señal de sincronización S _s . En la realización preferente, el método está adaptado para estimar el ángulo de fase que tendría la señal eléctrica principal S _e en función de señales relacionadas con la potencia P y Q y de una impedancia de la red eléctrica Z, para calcular el ángulo de fase de la señal eléctrica principal S _e , y para obtener una diferencia de ángulo de fase O _ff entre ambos ángulos de fase estimado y calculado. Las señales relacionadas con la potencia P y Q son representativas de la potencia activa y reactiva de la red eléctrica 100, respectivamente. La diferencia de ángulo de fase O _ff se tiene en cuenta para eliminar el error de ángulo de fase como se ha explicado para el primer aspecto de la invención. En la realización preferente, el método también está adaptado para estimar una diferencia de amplitud A _ff entre la amplitud correspondiente a la situación en función de las señales relacionadas con la potencia P y Q recibidas y de la impedancia de red eléctrica Z, y la amplitud estimada de dicha señal de entrada eléctrica. La diferencia de amplitud A _ff se tiene en cuenta para eliminar el error de amplitud como se ha explicado para el primer aspecto de la invención.

En otras realizaciones del método la señal de error eléctrica se procesa para eliminar sólo el error de ángulo de fase (y no el error de amplitud A _ff ), y también se tiene en cuenta la diferencia de ángulo de fase O _ff para eliminarlo. En otras realizaciones del método la señal de error eléctrica se procesa para eliminar sólo el error de ángulo de fase (y no el error de amplitud A _ff ), y no se genera la diferencia de ángulo de fase O _ff (o no se tiene en cuenta para eliminarlo). En otras realizaciones del método la señal de error eléctrica se procesa para eliminar tanto el error de ángulo de fase como el error de amplitud entre la señal de sincronización S _s y la señal eléctrica principal S _e , pero no se generan la diferencia de ángulo de fase O _ff ni el error de amplitud A _ff (o no se tienen en cuenta para eliminarlos).

Las señales relacionadas con la potencia P y Q son representativas, respectivamente, de la potencia activa y reactiva que va a suministrarse a la red eléctrica 100 o de la potencia activa y reactiva suministrada a la red eléctrica 100.