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 (/ _? , f ₂ ,■ . -f _n ) 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^ Y _2l ... Y _n ) para cada frecuencia (^, f ₂ , f _n ) 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, c ₂ , c _n ) y los valores de corriente de referencia para cada frecuencia y secuencia (Ι l ₂ ^* ,

I _n *), obtiene el valor de la admitancia que hay que aplicar para cada frecuencia y secuencia

(Y,, Y _2l ... Y _n ).

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 _! , Y _2l ... Y _n ) 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.