SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención pertenece al sector de los controladores de sistemas eléctricos y presenta una estructura de control capaz de emular la respuesta electromecánica de un generador síncrono, permitiendo regular la potencia activa y reactiva que se genera, a la par que dar soporte inherente para el mantenimiento del nivel de tensión y frecuencia en la red eléctrica mediante el uso de la tensión de control generada a través del controlador de corriente. Esta invención permite evitar el uso de una medida externa de tensión de red, así como de un sistema de sincronización basado en esta medida, permitiendo una sincronización directa embebida en el lazo de control de corriente, manteniendo las funcionalidades de control de potencia activa y reactiva generada así como las características de regulación de tensión y frecuencia de un generador síncrono, lo que permite responder dinámicamente a perturbaciones en la red eléctrica, interconectada a una red mayor o aislada, tal y como operan los generadores síncronos, sin renunciar a una respuesta rápida en el control de potencia.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Durante los últimos años, los sistemas de generación de energía eléctrica han presentado un gran cambio dando lugar a un sistema de generación más heterogéneo y distribuido. Este cambio ha sido en gran medida una consecuencia del fuerte impulso de las energías renovables en este sector, que ha propiciado la sustitución de sistemas tradicionales de generación por plantas de generación basadas energías renovables. Las energías fotovoltaica y eólica han resultado ser opciones con un gran potencial para el avance en la integración de fuentes renovables a la red eléctrica, acumulando una gran parte de la energía inyectada a la red eléctrica a nivel mundial. Estas fuentes renovables están conectadas a la red eléctrica mediante convertidores electrónicos de potencia, también conocidos como convertidores de potencia o inversores. Estos elementos de conversión trabajan comúnmente en fuente de tensión (VSC, Voltage Source Converter), y están encargados de regular el flujo de potencia activa y reactiva inyectada a la red eléctrica mediante el control de la tensión de salida de la unidad de conversión.

Las energías renovables, como la energía fotovoltaica y eólica presentan una gran intermitencia en la inyección de energía ya que dependen en gran medida de las condiciones climáticas. Asimismo, su comportamiento dinámico presenta claras divergencias con el modo en el que se controlan y operan el resto de unidades de generación, no únicamente por su velocidad de respuesta sino por su falta de inercia y de funcionalidades de soporte a la red. Por esta razón, a medida que aumenta la proporción de renovables en el mix energético, los nuevos sistemas de inyección de potencia a la red han comenzado a emular a los sistemas más convencionales de inyección de potencia a la red eléctrica. Para ello toman como referencia los generadores síncronos, que son capaces de contribuir a la estabilidad tanto en frecuencia como en tensión de la red eléctrica gracias a su capacidad de almacenar energía en su eje rotatorio como energía mecánica. Esta energía se puede entregar a la red eléctrica como potencia eléctrica adicional durante perturbaciones de red. De forma análoga prestan soporte al nivel de tensión.

Las nuevas plantas de energía renovable conectadas a la red a través de convertidores de potencia, a pesar de tener un comportamiento mucho más rápido y efectivo que los sistemas de generación tradicionales, carecen de elementos mecánicos en los que almacenar energía mecánica adicional para entregar a la red eléctrica en caso de transiciones bruscas o perturbaciones de red. Lo cual se traduce en una gran reducción de la estabilidad de los sistemas conectados a la red eléctrica, el cual aumenta su vulnerabilidad frente a desequilibrios y perturbaciones en la red eléctrica.

Esto ha incitado a investigar y desarrollar nuevas soluciones para poder integrar la falta de inercia internamente en los sistemas de energía renovables, ampliando de esta manera su funcionalidad y permitiendo una alta integración de este tipo de energía manteniendo los niveles de estabilidad de sistema que proveen los generadores tradicionales. Fruto de ese trabajo, se han propuesto diferentes estrategias de control para modificar las referencias de potencia activa y reactiva, consiguiendo una mejora en la estabilidad del sistema sin renunciar a las prestaciones genéricas de control de potencia activa y reactiva. Estas estrategias se central en emular las características electromecánicas y electromagnéticas de los generadores síncronos, las cuales proporcionan la capacidad de almacenar energía en forma de energía cinética en un rotor virtual.

En el documento WO2017044922 se presenta un método de control para variaciones de frecuencia mediante una unidad de conversión de potencia, representada esta como una fuente de tensión en serie con una impedancia, la cual es modificada para efectuar el control sobre la frecuencia de red. En CN104377697A y US201 101531 13A1 se presentan dos estrategias de control que emulan la dinámica del rotor de una maquina síncrona, permitiendo que la unidad de conversión de potencia provea las funcionalidades de soporte dinámico tanto en frecuencia como en tensión del generador síncrono.

Una gran parte de los métodos para integrar los sistemas síncronos se basan en el cálculo de la tensión a ser generada por la unidad de conversión de potencia, y utilizan la impedancia virtual para producir la caída de tensión necesaria para controlar el sistema. De esta manera el sistema se comporta de modo equivalente a una fuente de tensión controlada. Estas estrategias presentan problemas de estabilidad debido a la componente derivativa de la impedancia virtual, la cual presenta un comportamiento poco estable, dando lugar a una respuesta dinámica poco apropiada ante la aparición de perturbaciones y fenómenos transitorios en la red eléctrica.

En ES2402465B1 se presenta un control que modifica el control de la impedancia virtual y efectúa un control basado en la admitancia virtual. La diferencia entre la tensión en bornes de inversor y la tensión generada por el rotor virtual, genera una corriente de referencia a seguir por parte de un control de corriente que actúa en un lazo de control interno. De esta manera el convertidor actúa como una fuente de corriente controlada frente a la red eléctrica, evitando así el problema de la componente derivativa de la impedancia virtual. Estos métodos precisan conocer la tensión del punto de acoplo del convertidor de potencia, ya que gracias a ese valor se realizan los lazos de control anidados para emular el comportamiento electromecánico y electromagnético de la maquina síncrona.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

Según lo expuesto, la presente invención propone un nuevo método de sincronización para un controlador de corriente, capaz de emular la característica electromecánica de un generador síncrono y proporcionar una corriente de compensación síncrona para mantener una unidad de conversión de potencia, o convertidor de potencia, estable y proveer de soporte en frecuencia y tensión a la red eléctrica. Evitando de esta manera el uso de un sistema de sincronización exclusivo y el uso de las medidas de tensión externas del convertidor de potencia. El método de control síncrono para una unidad de conversión de potencia objeto de esta invención, que particularmente está basado en la sincronización mediante el controlador de corriente, es un sistema de control que permite emular el comportamiento dinámico de un generador síncrono, sin necesidad del uso de un sistema de sincronización específico ni una medida externa de tensión. Aportando de esta manera, una mejora en la estabilidad del sistema tanto en frecuencia como en tensión. Asimismo, es capaz de actuar en redes interconectadas, así como en sistemas aislados, dando prestaciones de formador de red.

Este método de control opera el sistema de conversión de potencia utilizando las estrategias clásicas de control de corriente para un convertidor de potencia conectado a la red eléctrica o en un sistema aislado actuando como formador, siendo además capaz de emular las características y el comportamiento de una maquina síncrona. Los sistemas clásicos de control están compuestos por un controlador de corriente en coordenadas síncronas, dq , o un controlador en coordenadas estacionarias, a/3 . Comúnmente los sistemas de control en coordenadas síncronas establecen sistemas de sincronización para poder rotar a la misma velocidad de red, los cuales suelen medir la tensión de la red eléctrica y utilizarla para sincronizar todo el sistema de control. Estos lazos de sincronización pueden estar compuestos por diferentes algoritmos, donde los más comunes son las denominadas PLLs (Phase Lock Loop), que permiten sincronizarse a la tensión de red mediante un algoritmo de seguimiento de la tensión de la red eléctrica.

El método de control síncrono objeto de esta invención evita el uso de los sistemas tradicionales de sincronización a la red eléctrica y utiliza la propia referencia de tensión de control generada por el controlador de corriente como elemento de sincronización, el cual cuenta con la capacidad de emular el comportamiento electromecánico y electromagnético de una maquina síncrona, permitiendo de esta manera, el control de potencia activa y reactiva frente a variaciones de tensión y frecuencia en la red eléctrica. La sincronización basada en el uso del controlador de corriente se realiza mediante la tensión de control generada por el mismo. Esta tensión generada restada a la fuerza electromotriz interna (FEM) de la maquina síncrona virtual es capaz de proveer la diferencia de tensión existente entre ellas. Definiendo de esta manera una diferencia en magnitud y en fase, la cual mediante una impedancia virtual se traduce a una corriente de compensación síncrona. Para generar la FEM interna de la máquina síncrona virtual, se utiliza el ángulo de fase obtenido por el lazo electromecánico. La entrada de este lazo de control está vinculada a la potencia generada por el sistema de sincronización, la cual está definida por la corriente de compensación síncrona y la tensión de control del inversor. De esta manera, el sistema es capaz de determinar el ángulo de fase necesario para la FEM interna del sistema de control, para que la impedancia virtual genere la corriente de compensación síncrona. Mejorando de esta manera la estabilidad del sistema de control, y generando corrientes de compensación durante transitorios de la red eléctrica, tanto en frecuencia como en tensión.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción de la invención y con objeto de aclarar el funcionamiento del método de control, se describen las figuras en donde con carácter ilustrativo y no limitativo se presenta lo siguiente:

La figura 1 muestra el esquema general de un convertidor de potencia conectado a la red eléctrica.

La figura 2 muestra la estructura de control interna, donde se presenta el controlador de corriente y el sistema de sincronización para determinar la corriente de compensación síncrona.

La figura 3 muestra la estructura de control del sistema de sincronización en detalle.

La figura 4 muestra la estructura de control interna donde el sistema de sincronización genera una potencia de compensación síncrona.

La figura 5 muestra la estructura interna de control de la generación de la potencia síncrona de compensación en detalle.

La figura 6 muestra la estructura interna de control, donde se integra el controlador de corriente y el sistema de sincronización además de los lazos de regulación droop.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A continuación, se presenta una realización preferente de la invención haciendo referencia a las figuras mencionadas previamente.

En una posible realización preferente del sistema y método de control síncrono para una unidad de conversión de potencia basado en la sincronización mediante el controlador de corriente, se presenta para una configuración clásica de la citada unidad de conversión de potencia (o convertidor de potencia) que se encuentra conectada a la red en la figura 1. En particular, el convertidor de potencia consta de una fuente de continua externa (1 ) la cual puede estar generada por cualquier tipo de energía renovable, un inversor de potencia (2) con el correspondiente controlador (3) y un filtro de salida (4) para reducir el nivel de ruido a la salida del convertidor.

Como se presenta en la figura 2, el control interno del convertidor de potencia está compuesto por un lazo de control de corriente (8), el cual mediante el error entre la medida de corriente (7) y las referencias de corriente, la referencia externa (5) y la corriente de compensación (6), es capaz de generar una tensión de control (9), que define el nivel de tensión a la salida del inversor de potencia (2). Esta tensión se utiliza como entrada para el sistema de sincronización (10) el cual es capaz de determinar la fase de la misma (1 1 ) y generar una corriente de compensación síncrona (6). Como se presenta en la figura 3, el sistema de sincronización utiliza una FEM (12) denominada E _v . Mediante la diferencia de tensión entre la tensión interna de la máquina virtual FEM (12) y la tensión de control (9) se genera una corriente de compensación (6), que depende directamente de los parámetros de la impedancia virtual (13). Este elemento consta de un valor de resistencia y de inductancia que generan la corriente de compensación síncrona (6) dependiendo del error entre las tensiones de control e interna. Mediante esta corriente de compensación y la tensión de control de convertidor de potencia, se calcula la potencia de salida del inversor de potencia (2), la cual entra en un bloque de control de potencia activa (14). Este bloque (14) tiene la capacidad de generar una variación de velocidad angular Aro (15) dependiendo de la variación de potencia activa calculada anteriormente mediante la corriente de compensación y la tensión de control. Esta velocidad sumada a la velocidad angular nominal del sistema (16) determinan la velocidad angular de la red eléctrica. La integración de esta variable permite generar el ángulo de fase de la FEM, permitiendo de esta manera generar variables en fase con la tensión de control.

En una realización, el sistema puede estar implementado en un sistema de coordenadas síncronas, dq, el cual define las variables en valores estacionarios. De esta manera la impedancia virtual (13) puede ser definida en el sistema de coordenadas síncronas con los valores inductivo y resistivo necesarios. Habilitando así que el sistema sea capaz de generar la corriente de compensación en coordenadas síncronas, definiendo además la fase local del sistema mediante el lazo de control de potencia activa (14) para realizar las transformadas necesarias para el control interno.

En otra realización, el sistema puede estar implementado en un sistema de coordenadas estacionarias, cr/3, el cual define las variables de control como vectores rotativos en el tiempo. De esta manera, la impedancia virtual (13) puede trabajar con la función de transferencia tradicional de la impedancia. Definiendo así el nivel de corriente de compensación síncrona en el sistema. Forzando al sistema a definir el ángulo de fase (11 ) para generar la FEM interna de la máquina virtual.

En otra realización, la admitancia virtual puede estar representada únicamente como una matriz de valores, las cuales no dependen de una función de transferencia y únicamente presentan el valor promedio de la impedancia virtual. De esta manera, se evita la función de transferencia presentada por la impedancia virtual para diferentes frecuencias harmónicas.

En otra realización, el sistema de compensación puede estar definido por una potencia síncrona de compensación (19), la cual está definida por el sistema de sincronización, representado en la figura 4. Esta referencia sumada a la posible referencia externa de potencia activa (18) y reactiva (17), se envían a las ecuaciones de transformación de potencia a corriente (20), las cuales mediante la tensión de control (9) es capaz de definir la corriente de referencia del controlador de corriente, como se muestra en la figura 5.

En otra realización, los lazos de control de tipo droop se puede integrar dentro del sistema de control de corriente. Mediante el bloque de transformación de potencia a corriente de referencia el sistema es capaz de definir la característica de curva droop -f para potencia activa (22) y Q-\/para potencia reactiva (21 ).

Un experto en la materia podría introducir cambios y modificaciones en los ejemplos de realización descritos anteriormente, sin apartarse del alcance de la invención, según queda definido en las reivindicaciones adjuntas.