CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un sistema de generación distribuida con mejora de Ia calidad de servicio (Power Quality en Ia nomenclatura inglesa) de Ia red eléctrica.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El funcionamiento de los aparatos que utilizan Ia energía eléctrica es óptimo, cuando Ia alimentación eléctrica presenta valores de tensión y de frecuencia muy próximos a los asignados (nominales) de dichos aparatos, y además, Ia onda de tensión es prácticamente senoidal (ausencia de armónicos). También es necesario que las interrupciones del servicio eléctrico (cortes) sean muy poco frecuentes, ya que estas interrupciones causan perjuicios a los usuarios, perjuicios que en ocasiones son puramente psicológicos, pero que frecuentemente se traducen en importantes pérdidas económicas al afectar a Ia producción de los procesos industriales.

En las redes eléctricas se presentan diferentes perturbaciones que modifican las condiciones ideales de Ia alimentación eléctrica afectando así más o menos gravemente Ia calidad del servicio eléctrico prestado a los usuarios.

Las perturbaciones que más frecuentemente se presentan en las redes eléctricas y que originan una disminución de Ia calidad del servicio eléctrico prestado los consumidores, son:

1. Corte de tensión.

2. Armónicos.

3. Fluctuaciones de tensión. 4. Hueco de tensión.

5. Colapso de tensión.

6. Variación de frecuencia (aumento y disminución).

7. Pérdida de grupos generadores por inestabilidad transitoria.

El sistema objeto de Ia presente invención, además de generar energía eléctrica, es capaz de eliminar las perturbaciones citadas.

Para eliminar el primer tipo de perturbación de Ia lista anterior, -el corte de tensión-, no hay implementación práctica en Ia invención pues se conocen sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI o UPS según Ia nomenclatura inglesa) que ya Ia eliminan. Asimismo tampoco se incluye Ia implementación destinada a Ia compensación de Ia perturbación n° 2 - armónicos- para cuya eliminación existen otros medios tecnológicos, tales como filtros (pasivos y activos), inyección armónica, etc.

Por otra parte Ia perturbación n° 7 -pérdida de grupos generadores- no es en sí misma una perturbación manifiesta, pero puede dar lugar a variaciones de frecuencia y/o de tensión si el sistema eléctrico no tiene Ia capacidad de reaccionar rápidamente ante Ia pérdida de algún grupo generador.

Estas perturbaciones tienen los siguientes efectos:

-Fluctuaciones de tensión: Las fluctuaciones de tensión producen variaciones en el flujo luminoso emitido por las lámparas, Io que produce el denominado "flicker" (parpadeo). Este efecto se define como Ia impresión de inestabilidad de Ia sensación visual, debido un estímulo luminoso cuya luminosidad o reparto espectral fluctúan en el tiempo. Este efecto produce un incremento de fatiga en las personas, siendo máxima Ia sensibilidad para las fluctuaciones de tensión cuyas frecuencias están en Ia zona de 8 a 10 Hz.

-Hueco de tensión: La fuerte reducción de Ia tensión durante el hueco de tensión hace que los motores asincronos disminuyan su velocidad por efecto de Ia reducción del par motor, y al finalizar Ia perturbación los motores reaceleran absorbiendo una fuerte intensidad que puede producir Ia desconexión de Ia instalación afectada.

-Colapso de tensión: El colapso de tensión consiste en una caída de tensión permanente en una parte del sistema eléctrico sometida a una reducción transitoria de tensión, cuando en esta zona existen consumidores que tienen una característica de potencia constante. Esta característica hace que cualquier reducción transitoria de Ia tensión se incremente y se mantenga debido al aumento de Ia corriente absorbida por Ia carga.

-Variación de frecuencia: Las variaciones de frecuencia tienen influencia sobre todo en el funcionamiento de los motores eléctricos, en los que causa una variación correspondiente en Ia potencia absorbida. La importancia de Ia variación de potencia depende de Ia característica mecánica de Ia máquina accionada, M = f(Ω) siendo esta afectación, definida por el factor influencia

fi = ^{p p} , máxima para los accionamientos de bombas centrífugas y dflf ventiladores.

-Pérdida de grupos generadores por inestabilidad transitoria. En caso de pérdida de carga de un grupo generador por un defecto en una línea con reenganche, Ia aceleración del grupo durante el tiempo de reenganche puede ser tal que deba ser desconectado después de Ia reconexión de Ia línea.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El sistema de generación distribuida de Ia invención tiene una constitución que, además de generar energía eléctrica, resulta óptima para compensar las perturbaciones descritas.

De acuerdo con Ia invención, el sistema comprende un equipo de generación de corriente continua (por ejemplo, una pila de combustible) o un generador de corriente alterna, cuya salida se adapta mediante un convertidor CC/CC (o CA/CC si se trata de un generador de corriente alterna) y está en paralelo con un equipo de almacenamiento de energía

eléctrica de gran rapidez de respuesta (ultracondensador, batería, bobina superconductora, etc.). La tensión en el punto común o de conexión de ambos elementos anteriores se convierte en corriente alterna por medio de un inversor (convertidor cc/ca), regulado en tensión por medio de un control vectorial que muestrea en continuo los parámetros de Ia red y que permite variar muy rápidamente Ia potencia activa y Ia potencia reactiva que el sistema suministra, a través de un filtro y un transformador, a Ia red para compensar las perturbaciones detectadas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La figura 1 muestra el esquema general del sistema de Ia invención.

Las figuras 2, 3 y 4 muestran Ia implementación interna simplificada del control vectorial del inversor del sistema de Ia invención para detectar y compensar diferentes tipos de perturbaciones.

DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PRÁCTICA DE LA INVENCIÓN

El sistema 1 de Ia invención es un sistema de generación de corriente alterna típicamente utilizable en un modelo de generación distribuida, y que permite compensar las diferentes perturbaciones referidas controlando de forma independiente los valores de potencia activa y de potencia reactiva que intercambia con Ia red mediante un inversor

Comprende, en un ejemplo no limitativo de Ia invención, una pila de combustible 2 como elemento generador de energía en un sistema de generación distribuida que junto con el equipo de almacenamiento 4 de gran rapidez de respuesta, forman un conjunto que es capaz de suministrar o absorber las cantidades de potencia activa y de reactiva que sean demandadas para Ia compensación de las perturbaciones.

Para ello, su salida se adapta mediante un convertidor CC/CC 3 que está en paralelo con el equipo 4 de almacenamiento de energía eléctrica de gran rapidez de respuesta, y que puede consistir por ejemplo en un ultracondensador, una batería, una bobina superconductora, etcétera.

La tensión en el punto común de 3 y 4 se convierte en corriente alterna por medio de un inversor 5 regulado en tensión por medio de un control vectorial 7 que muestrea en continuo los parámetros de Ia red 9, fundamentalmente Ia tensión y Ia frecuencia.

De este modo el sistema puede variar muy rápidamente Ia potencia activa y Ia reactiva que suministra a Ia red a través de un filtro 6 y un transformador 8, para compensar las perturbaciones detectadas.

Con los fasores espaciales de Ia tensión y Ia intensidad, las expresiones de las potencias activa y reactiva inyectadas en Ia red resultan , siendo U _d Ia componente del fasor espacial U sobre el eje "d", l _d Ia componente del fasor espacial I sobre el eje "d" e l _q Ia componente del fasor espacial I sobre el eje "q".

Cuando los valores de Ia tensión y de Ia frecuencia de Ia red se desvían de sus valores de consigna, el control 7 del inversor elabora en una primera etapa los valores de consigna correspondientes de l _d e l _q a través de reguladores de característica Pl cuyas constantes se ajustan según las características de Ia red. En una segunda etapa, mediante otros reguladores también de característica Pl se determinan las componentes d y q del fasor espacial de Ia tensión que debe generar el inversor 5 teniendo en cuenta las componentes d y q del fasor de tensión de Ia red y las características R y L del filtro 6 y el transformador 8 situado entre el inversor y Ia red según las relaciones:

Uconvd = Ud + R Id + L — - ω L Ig 't Uconvq = Uq + R Iq + L ~- ^~ CO L Id dt dt

La regulación en el eje "d" controla Ia potencia activa que se intercambia entre el sistema y Ia red eléctrica a través del inversor 5, el filtro 6 y el transformador 8 y, mediante este intercambio, se mantiene Ia frecuencia de Ia red en el valor de consigna.

En el eje "q" se realiza el control del intercambio de potencia reactiva entre el sistema y Ia red eléctrica a través de los mismos componentes 5, 6 y 8 y,

mediante este intercambio, se mantiene Ia tensión de Ia red en el valor de consigna.

El control 7 se implementa preferentemente mediante un procesador digital de señales (DSP).

Para compensar las perturbaciones de tensión denominadas fluctuaciones de tensión, huecos de tensión y colapso de tensión es necesario aportar potencia reactiva y hacerlo con una elevada velocidad de respuesta. El control 7 debe calcular Ia potencia reactiva que en cada momento debe ser aportada o absorbida de Ia red. Para ello adopta Ia configuración mostrada de Ia figura 2.

El valor de Ia tensión de Ia red es variable, Io que obliga a obtener una medida continua de su magnitud ya que es Ia variable a controlar. El control 7 implementa por tanto un circuito operador 10 que efectúa una medida del módulo de Ia tensión de Ia red trifásica en cada ciclo de programa en lugar de hacerlo cada vez que se alcance un máximo valor instantáneo, para obtener así un mayor grado de control y de velocidad de respuesta.

El circuito 10 calcula en cada ciclo de programa Ia tensión de Ia red en coordenadas estáticas Ux y Uy. Con este procedimiento puede obtenerse el valor de Ia tensión de red con una frecuencia 50-100 veces superior a Ia obtenida cuando sólo se mide el valor instantáneo máximo, dependiendo de Ia extensión del programa de control y, por tanto, de su ciclo de trabajo. A continuación un comparador 11 compara este valor con Ia referencia de tensión de red 12, generando una señal de error que un regulador Pl (proporcional-integral) 13 transforma en una referencia de potencia reactiva mediante su equivalente en términos de corriente en cuadratura / _< ,*, que otro comparador 14 compara con su valor medido por el correspondiente circuito operador 15, implementándose a Ia salida de este segundo comparador 14 otro regulador Pl 16 que proporciona Ia referencia de tensión en el eje en cuadratura, Usq*, para inyectar en Ia red Ia potencia reactiva necesaria a través del inversor, sobre el que actúa un modulador de vector espacial 17.

Por otro lado, al no ser completamente independientes los efectos de las acciones realizadas en los ejes directo y en cuadratura, debe introducirse un circuito operador 18 para desacoplarlos. En este caso, el efecto del eje en cuadratura sobre el eje directo se desacopla mediante el término -ω.L.l _q aplicado a Ia referencia tensión en el eje d, Usd*. En el eje d no se realiza un bucle de control al no ser necesario un control adicional de potencia activa.

El sistema de control para las tres perturbaciones de tensión consideradas es básicamente el mismo, cambiando naturalmente las constantes de los reguladores 13 y 16.

Para Ia compensación de las variaciones de frecuencia y tensión simultáneas, el control vectorial 7 debe obtener los valores de potencia activa que debe intercambiarse entre el sistema y Ia red para regular las variaciones de frecuencia, y como se considera que estas perturbaciones van acompañadas de variaciones de tensión ya que estas perturbaciones suelen ser originadas por Ia presencia en Ia red de cargas fluctuantes que demandan potencia activa y reactiva variables, también deben obtener valores de potencia reactiva para compensar las variaciones de tensión.

Para ello se ha diseñado un control que se adapta bien a los regímenes transitorios de los procesos que se dan en los sistemas eléctricos. Su configuración se muestra en Ia figura 3. La detección de las variaciones de frecuencia Ia realiza mediante Ia implementación de un comparador 19 que compara Ia medida en Ia red con Ia frecuencia de consigna 20. El error de comparación se envía a un regulador Pl 21 que genera una consigna de magnitud igual a Ia componente de corriente en eje directo, Id, (proporcional a Ia potencia activa) necesaria para reducir el error. El bucle más interno compara el valor de consigna id* mediante otro comparador 22, con el valor real en Ia red medido por el circuito operador 15 y el error de comparación se lleva a un segundo regulador Pl 23. La señal que se obtiene de este segundo regulador fija Ia referencia de tensión en el eje directo, Usd*.

La compensación de las variaciones de tensión Ia realiza análogamente al caso anterior (fig 2), mediante un circuito operador 10 que obtiene el módulo de Ia tensión de Ia red trifásica, el cual es comparado en el comparador 11 con Ia referencia de tensión de red 12, generándose una señal de error que el regulador Pl 13 transforma en una referencia de potencia reactiva mediante su equivalente en términos de corriente en cuadratura l* _q . A continuación comparando este valor en el comparador 14 con su correspondiente realimentado, i _q obtenido por medio del circuito 15, el valor resultante accede al segundo regulador Pl 16 que proporciona Ia referencia tensión en el eje en cuadratura, Usq*, para inyectar en Ia red Ia potencia reactiva necesaria.

Al no ser completamente independientes los efectos de las acciones realizadas en los ejes directo y en cuadratura, para desacoplarlos se implementa el circuito operador 18 que introduce el término ω. !_./ _< , aplicado a Ia referencia de tensión en el eje d, Usd* y el circuito operador 24 que introduce el término ω.L.l _d aplicado a Ia referencia de tensión en el eje q, Usq*, acometiendo Ia salida al modulador de vector espacial 17.

La mejora de Ia estabilidad transitoria de generadores Ia realiza el sistema absorbiendo una potencia activa determinada durante un tiempo también dado cuando se produce Ia pérdida de Ia potencia suministrada por el generador por un fallo de Ia línea 9. El control vectorial determina Ia potencia activa que debe ser absorbida por el sistema para limitar Ia aceleración del generador 25. La ventaja del control vectorial consiste en que se adapta bien a los regímenes transitorios de los procesos que se dan en los sistemas eléctricos. La señal que hace intervenir al sistema es Ia desconexión del interruptor automático 26 por actuación de las protecciones. La consigna 27 de potencia activa que debe absorber el sistema de pila de combustible se transforma en referencia de corriente en el eje directo id* mediante un circuito operador 28 cuya salida se conecta a un comparador 29 que Ia compara con Ia intensidad real id en Ia red medida por el circuito operador 15, y el error de comparación se lleva al regulador Pl 30. La señal que se obtiene en este regulador fija Ia referencia tensión en el eje directo, Usd*.

También, al no ser completamente independientes los efectos de las acciones realizadas en los ejes directo y en cuadratura debe introducirse un término para desacoplarlos a través del circuito operador 24, que desacopla el efecto del eje directo sobre el eje en cuadratura mediante el término ω.L.l _d aplicado a Ia referencia tensión en el eje q, Usq*. Al igual que los casos anteriores, Ia salida acomete al modulador de vector espacial 17, que es el que actúa sobre el inversor 5.

Descrita suficientemente Ia naturaleza de Ia invención, así como Ia manera de realizarse en Ia práctica, debe hacerse constar que las disposiciones anteriormente indicadas y representadas en los dibujos adjuntos son susceptibles de modificaciones de detalle en cuanto no alteren el principio fundamental.