ES2941247T3 - Un convertidor de fuente de tensión - Google Patents
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Abstract
En el campo de las redes de transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje (HVDC), un convertidor de fuente de voltaje (10) que comprende un controlador (36) configurado para; recibir una orden de potencia activa que comprende la cantidad deseada de potencia activa a transferir por el convertidor y recibir una orden de potencia reactiva que comprende la cantidad deseada de potencia reactiva a transferir por el convertidor; recibir una medida de la tensión instantánea de cada fase de la red eléctrica AC multifásica; determinar un valor de referencia de corriente de fase activa y reactiva para cada rama monofásica que sea independiente de la referencia de corriente de fase respectiva o de cada otra y que defina la corriente que cada rama monofásica debe extraer o pasar a una fase correspondiente de la Red eléctrica AC para efectuar los intercambios de potencia activa y potencia reactiva con la red eléctrica AC definida por los órdenes de potencia activa y reactiva; los valores de referencia de corriente de fase activa determinados en base a la orden de potencia activa recibida, las mediciones de voltaje instantáneo y una determinación de una potencia reactiva instantánea resultante utilizando dichos valores de referencia de corriente de fase activa; y/o los valores de referencia de la corriente de fase reactiva determinados en función del orden de potencia reactiva recibido, (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Un convertidor de fuente de tensión
La presente invención se refiere a un convertidor de fuente de tensión. En particular, se refiere a un convertidor de fuente de tensión que tiene un controlador configurado para determinar variables eléctricas para satisfacer independientemente una demanda de potencia activa y reactiva. La invención también se refiere a una red de transmisión eléctrica, como una red de transmisión de alta tensión, que incluye dicho convertidor de fuente de tensión.
En las redes de transmisión de potencia, la potencia de corriente alterna (CA) se convierte normalmente en potencia de corriente continua (CC) para su transmisión a través de líneas aéreas y/o cables submarinos. Esta conversión elimina la necesidad de compensar los efectos de carga capacitiva de CA impuestos por la línea o el cable de transmisión y, por tanto, reduce el coste por kilómetro de las líneas y/o cables. La conversión de CA a CC resulta así rentable cuando hay que transmitir potencia a larga distancia.
La conversión entre potencia de CA y potencia de CC también se utiliza en redes de transmisión de potencia en las que es necesario interconectar redes eléctricas de CA que funcionan a diferentes frecuencias. En cualquier red de transmisión de este tipo, se necesitan convertidores en cada interfaz entre la corriente alterna y la corriente continua para efectuar la conversión necesaria, y una de estas formas de convertidor es un convertidor de fuente de tensión (VSC).
El documento DE 102011084910 A1 divulga un procedimiento y un aparato para alimentar corriente eléctrica en una red eléctrica. Otro documento pertinente del estado de la técnica es FAZELI SEYED MAHDI ET AL, "Individualphase decoupled control of three-phase voltage source converter", IET GENERATION, TRANSMISSION&DISTRIBUTION, IET, UK, (20131101), vol. 7, no. 11.
Mientras que la invención se define en la reivindicación independiente 1, otros aspectos de la invención se definen en las reivindicaciones dependientes, los dibujos y la siguiente descripción.
Según un primer ejemplo, se proporciona un convertidor de fuente de tensión que comprende:
un primer y un segundo terminal de CC para la conexión a una red eléctrica de CC;
una pluralidad de miembros monofásicos conectados cada uno entre el primer y el segundo terminal de CC e incluyendo cada miembro monofásico un elemento de fase, incluyendo cada elemento de fase al menos un elemento de conmutación configurado para interconectar una tensión de CC y una tensión de CA, pudiendo ser conectado un lado de CA de cada elemento de fase a una fase respectiva de una red eléctrica de CA polifásica; y un controlador configurado para;
recibir una orden de potencia activa y una orden de potencia reactiva que comprenden respectivamente la cantidad deseada de potencia activa y de potencia reactiva a transferir por el convertidor;
recibir una medida de la tensión instantánea de cada fase de la red eléctrica de CA polifásica; determinar un valor de referencia de corriente de fase activa y reactiva para cada miembro monofásico que sea independiente del valor de referencia de corriente de fase respectivo o de cada uno de ellos y que defina la corriente que cada miembro monofásico debe tomar de una fase correspondiente de la red eléctrica de CA o pasar a ella para efectuar los intercambios de potencia activa y potencia reactiva con la red eléctrica de CA definidos por las órdenes de potencia activa y reactiva;
los valores de referencia de corriente de fase activa determinados en función de la orden de potencia activa recibida, las mediciones instantáneas de tensión y una determinación de una potencia reactiva instantánea resultante utilizando dichos valores de referencia de corriente de fase activa; y/o
los valores de referencia de corriente de fase reactiva determinados en función de la orden de potencia reactiva recibida, las mediciones de tensión instantánea y una determinación de una potencia activa instantánea resultante utilizando dichos valores de referencia de corriente de fase reactiva.
La capacidad de determinar independientemente unos de otros valores de referencia de corriente para cada fase a fin de implementar una orden de potencia activa y reactiva, y la capacidad por tanto de controlar y alterar estas cantidades, permite transferir una cantidad óptima de energía entre las redes eléctricas de CA y CC independientemente de las condiciones en las que esté funcionando el convertidor de fuente de tensión, por ejemplo, condiciones normales en las que las corrientes que fluyen en los miembros monofásicos están esencialmente equilibradas, y condiciones de fallo en las que las corrientes que fluyen en los miembros monofásicos están desequilibradas. En consecuencia, la orden de potencia activa puede satisfacerse utilizando un conjunto de valores de referencia de corriente que utilice una cantidad mínima de energía (es decir, corriente). La orden de
potencia reactiva puede implementarse del mismo modo, dando lugar a un controlador con una estabilidad ventajosa durante los eventos transitorios.
Dicha funcionalidad es particularmente útil cuando la red eléctrica de CA con la que está conectado el convertidor de fuente de tensión es débil, es decir, la red eléctrica de CA tiene una impedancia elevada y/o tiene poca inercia. Una red eléctrica de CA de alta impedancia típica surge en un enlace de corriente continua de alta tensión (HVDC) que termina en un punto débil que tiene una baja capacidad de cortocircuito. Se considera que una red eléctrica de Ca de baja inercia tiene un número limitado de máquinas rotativas o ninguna máquina rotativa. Estas dos redes eléctricas de CA débiles suelen encontrarse en un enlace HVDC que alimenta una isla o está conectado a un parque eólico.
El controlador está configurado de tal manera que los valores de referencia de corriente de fase activa se determinan en base a la orden de potencia activa recibida, las mediciones de tensión instantánea y la determinación de una potencia reactiva instantánea resultante utilizando dichos valores de referencia de corriente de fase activa; y los valores de referencia de corriente de fase reactiva se determinan en base a la orden de potencia reactiva recibida, las mediciones de tensión instantáneas y la determinación de una potencia activa instantánea resultante utilizando dichos valores de referencia de corriente de fase reactiva. Resulta ventajoso determinar de este modo los valores de corriente de fase de cada fase para las órdenes de potencia reactiva y activa.
El controlador está configurado de tal manera que los valores de referencia de corriente de fase activa se seleccionan de modo que la potencia reactiva instantánea determinada a partir de los valores de referencia de corriente de fase activa es sustancialmente cero. Esto es ventajoso ya que, en base a la teoría de la potencia instantánea, la corriente activa mínima sobre las fases necesaria para satisfacer la orden de potencia activa se consigue cuando el flujo de potencia reactiva producido es cero. La potencia reactiva puede calcularse y, por lo tanto, para un conjunto de valores de referencia de corriente activa, puede determinarse cuándo la potencia reactiva es cero (o sustancialmente cero) resultando así la cantidad mínima de corriente para satisfacer la orden de potencia activa.
/S.(£) El controlador está configurado de tal manera que los valores de referencia de corriente de fase activa 1 para cada fase, i, de n fases se determinan de acuerdo con la siguiente ecuación;
en la que Poder comprende la orden de potencia activa, Vi_pcc(t) comprende la tensión instantánea de la fase para la que se está calculando la corriente de fase activa y Va_pcc(t)2 + — Vnpcc(t)2 representa la suma de los cuadrados de cada una de las medidas de tensión instantánea de las fases de la red eléctrica de CA polifásica. El cálculo de los valores de referencia de corriente activa de este modo también mantiene ventajosamente la sincronización con la red de CA.
Para una red eléctrica de CAque comprende tres fases; a, b y c, los valores de referencia de corriente de fase activa I*pP (t) •'para cada fase, donde i=a, i=b e i=c, se determinan de acuerdo con la siguiente ecuación;
Porden‘ 'â^pcc(t)
n ai» K_Pj t y v . ( t y v < ty
donde Porden comprende la orden de potencia activa y Va_pcc,Vb_pcc y Vc_pcc comprenden las medidas de tensión instantánea para cada una de las fases.
El controlador está configurado de tal manera que los valores de referencia de corriente de fase reactiva se seleccionan de modo que la potencia activa instantánea determinada a partir de los valores de referencia de corriente de fase reactiva es sustancialmente cero. Esto es ventajoso ya que, en base a la teoría de la potencia instantánea, la corriente reactiva mínima sobre las fases necesaria para satisfacer la orden de potencia reactiva se consigue cuando el flujo de potencia activa producido es cero. La potencia activa puede calcularse y, por lo tanto, para un conjunto de valores de referencia de corriente reactiva para cada una de las fases, puede determinarse
cuándo la potencia activa es cero (o sustancialmente cero) resultando así la cantidad mínima de corriente para satisfacer la orden de potencia reactiva.
Para una red eléctrica de CA que comprende tres fases, a, b y c, el controlador está configurado de tal manera que los valores de referencia de corriente de fase reactiva donde i=a, b o c para cada fase se calculan como sigue.
C Át) = & . Q orden ^ a b _ pee
)
v,a b_ pee (O2 v be _ pee (t f v ca _ pee ( \ t * y
donde Qorden comprende la orden de potencia reactiva y Vab_pcc,Vbc_pcc y Vca_pcc comprenden las medidas instantáneas de tensión entre la fase a y la fase b, la fase b y la fase c y la fase c y la fase a respectivamente. Para una red eléctrica de CA que tiene tres fases, a, b y c, el controlador está configurado para determinar los valores de referencia de corriente de fase reactiva ^-n<,rh ■m (,-,c-4d0 ) para cad a fase se calculan como sigue
donde Qorden comprende la orden de potencia reactiva y Vxy_pcc(t) comprende la diferencia entre la tensión instantánea medida de la fase x y la tensión instantánea medida de la fase y, y donde x e y representan las diferentes combinaciones de fases de la red eléctrica de CAque, para una red trifásica, comprenden ab, be y ca. El controlador está configurado para combinar el valor de referencia de corriente de fase activa y el valor de referencia de corriente de fase reactiva correspondiente para cada miembro monofásico a fin de determinar una señal de control para dicho miembro monofásico. Los valores de referencia de corriente activa y reactiva de una fase concreta pueden sumarse.
El controlador está configurado para, en base a una determinación del contenido de armónicos de una tensión de entrada al convertidor de fuente de tensión, determinar un valor de referencia de corriente armónica para cada miembro monofásico, el valor de referencia de corriente armónica determinado independientemente del o de cada otro valor de referencia de corriente armónica y que tiene una amplitud sustancialmente equivalente y fase opuesta a dicho contenido de armónicos determinado.
El controlador está configurado para combinar el valor de referencia de corriente activa, el valor de referencia de corriente de fase reactiva y el valor de referencia de corriente armónica para cada miembro monofásico a fin de determinar una señal de control para dicho miembro monofásico.
El controlador está configurado para determinar una corriente activa instantánea de cada fase de la red eléctrica de CA polifásica, dicho controlador está configurado para determinar una diferencia entre el valor de referencia de corriente activa determinado y las mediciones de corriente activa instantánea correspondientes para cada fase en la determinación de una señal de control para dicho miembro monofásico.
El controlador está configurado para determinar una corriente reactiva instantánea de cada fase de la red eléctrica de CA polifásica, dicho controlador está configurado para determinar una diferencia entre el valor de referencia de corriente reactiva determinado y las mediciones de corriente reactiva instantánea correspondientes para cada fase en la determinación de una señal de control para dicho miembro monofásico.
El controlador está configurado para utilizar un método de multiplicadores de Lagrange;
a) para determinar los valores de referencia de corriente activa que satisfacen la orden de potencia activa y que dan lugar a una potencia reactiva mínima; y/o
b) para determinar los valores de referencia de corriente reactiva que satisfacen la orden de potencia reactiva y que dan lugar a una potencia activa mínima.
El uso de multiplicadores de Lagrange es una técnica matemática ventajosa para determinar los valores de referencia de corriente para cada fase que satisfacen las condiciones de i) cumplir el orden de potencia asociado y ii) minimizar la potencia reactiva para los valores de referencia de corriente activa y minimizar la potencia activa para los valores de referencia de corriente reactiva. Se apreciará que podrían utilizarse otras técnicas matemáticas para determinar el conjunto de valores de referencia de corriente para las fases dadas las condiciones anteriores.
El controlador está configurado para recibir una medición de la tensión y corriente instantáneas de cada fase de la red eléctrica de CA polifásica y utilizar estas mediciones para calcular la potencia reactiva instantánea resultante debida a los valores de referencia de corriente de fase activa. El controlador está configurado para recibir una medición de la tensión y corriente instantáneas de cada fase de la red eléctrica de CA polifásica y utilizar estas mediciones para calcular la potencia activa instantánea resultante debida a los valores de referencia de corriente de fase reactiva.
El controlador está configurado para medir la tensión instantánea de cada fase de la red eléctrica de CA polifásica en un punto de acoplamiento común. Cada miembro monofásico puede incluir al menos dos (o más) elementos de fase. Según un segundo ejemplo, se proporciona una red de distribución eléctrica que incluye el convertidor de fuente de tensión del primer aspecto. La red de distribución eléctrica puede incluir además un convertidor conmutado de línea. Según un tercer ejemplo, se proporciona un procedimiento de funcionamiento de un convertidor de fuente de tensión que comprende un primer y un segundo terminal de CC para la conexión a una red eléctrica de CC, una pluralidad de miembros monofásicos conectados cada uno entre el primer y el segundo terminal de CC e incluyendo cada miembro monofásico un elemento de fase, incluyendo cada elemento de fase al menos un elemento de conmutación configurado para interconectar una tensión de Cc y una tensión de CA, pudiendo der conectado un lado de CA de cada elemento de fase a una fase respectiva de una red eléctrica de CA polifásica; el procedimiento comprende los pasos de;
recibir una orden de potencia activa y una orden de potencia reactiva que comprenda la cantidad deseada de potencia activa y potencia reactiva, respectivamente, que debe ser transferida por el convertidor; recibir una medida de la tensión instantánea de cada fase de una red eléctrica de corriente alterna polifásica;
determinar un valor de referencia de corriente de fase activa y reactiva para cada miembro monofásico que sea independiente del valor de referencia de corriente de fase respectivo o de cada uno de ellos y que defina la corriente que cada miembro monofásico debe extraer de una fase correspondiente de la red eléctrica de corriente alterna o pasar a ella para efectuar los intercambios de potencia activa y potencia reactiva con la red eléctrica de corriente alterna definidos por las órdenes de potencia activa y reactiva; en el que los valores de referencia de corriente de fase activa determinados en función de la orden de potencia activa recibida, las mediciones instantáneas de tensión y una determinación de una potencia reactiva instantánea resultante utilizando dichos valores de referencia de corriente de fase activa; y/o
los valores de referencia de corriente de fase reactiva determinados en función de la orden de potencia reactiva recibida, las mediciones de tensión instantánea y una determinación de una potencia activa instantánea resultante utilizando dichos valores de referencia de corriente de fase reactiva.
A continuación se describen brevemente las realizaciones preferentes de la invención, a modo de ejemplo no limitativo, haciendo referencia a las siguientes figuras:
La figura 1 muestra una vista esquemática de una red de transmisión de potencia que incluye un convertidor de fuente de tensión según una primera realización de la invención situado entre las respectivas redes eléctricas de CA y CC;
La figura 2 muestra una vista esquemática de un circuito equivalente correspondiente a un lado de CA de la red de transmisión de potencia mostrada en la figura 1 que incluye un controlador;
La figura 3 muestra una vista esquemática de una primera realización del controlador; y
La figura 4 muestra una vista esquemática de una segunda realización del controlador.
Un convertidor de fuente de tensión según una primera realización de la invención se designa con el número de referencia 10 y se muestra en la figura 1.
El convertidor de fuente de tensión 10 se encuentra dentro de una red de transmisión de potencia 12, y más concretamente interconecta las respectivas redes eléctricas de CA y CC 14, 16. En la realización mostrada, la red eléctrica de CA 14 es una red trifásica a, b, c, aunque las redes eléctricas de CA con menos o más de tres fases también pueden adaptarse mediante convertidores de fuente de tensión según la invención. Además, la red eléctrica de corriente alterna es débil en el sentido de que tiene una alta impedancia equivalente 18 (como se muestra en la figura 2).
Una red eléctrica de CA 14 también puede considerarse débil si tiene poca inercia, es decir, si es susceptible a los cambios de frecuencia, por ejemplo, si se retira un generador de dentro de la red 14. Este tipo de red de baja inercia suele surgir si hay pocos generadores conectados en una línea corta o en una línea muy larga.
En cualquiera de estos casos, el nivel de potencia activa, es decir, real, que puede intercambiarse con una red eléctrica de CA débil se reduce en comparación con la potencia activa que puede intercambiarse con una red eléctrica de CA fuerte 14, es decir, una red eléctrica de CA 14 que tiene una impedancia equivalente mucho menor y/o una inercia mucho mayor. El convertidor de fuente de tensión 10 de la invención es, no obstante, operable tanto con una red eléctrica de CA débil como fuerte 14.
En la realización mostrada, el convertidor de fuente de tensión 10 está conectado con la red eléctrica de CA 14 mediante un transformador 20 que da lugar a una impedancia de transformador que está representada en el circuito equivalente mostrado en la Figura 2 por un inductor 21. No es necesario que el convertidor de fuente de tensión 10 esté siempre conectado a la red eléctrica de CA 14 a través de un transformador 20. En cualquier caso, la conexión entre el convertidor de fuente de tensión 10 y la red eléctrica de CA 14 define un punto de acoplamiento común (PCC) 22 entre ambas.
El propio convertidor de fuente de tensión 10 incluye un primer y un segundo terminal de CC 24, 26 que, en uso, están conectados a la red eléctrica de CC 16. El convertidor de fuente de tensión 10 también incluye tres miembros monofásicos 28 (sólo uno de los cuales se muestra esquemáticamente en la figura 1). Se puede considerar que cada miembro monofásico comprende dos porciones de miembro que se conectan a los respectivos terminales de CC primero y segundo 24, 26 con su otro extremo de la porción de miembro conectado a un terminal de CA 34 para una fase asociada. Cada porción de miembro monofásico incluye un elemento de fase 30 que, en la realización mostrada, incluye un único elemento de conmutación 32 que está configurado para interconectar una tensión Vcc CC de la red eléctrica de CC 16 con una tensión de CA de la red eléctrica de CA 14. Más concretamente, un lado de CA 34 de cada elemento de fase 30 está conectado en uso a una fase a, b, c respectiva de la red eléctrica de CA 14, a través de la impedancia del transformador, es decir, el inductor equivalente 21, y cada miembro monofásico 28 está conectado entre los terminales de CC primero y segundo 24, 26. En otras realizaciones de la invención (no mostradas), uno o más de los elementos de fase 30 pueden incluir más de un elemento de conmutación 32, como al menos dos elementos de conmutación, y en otras realizaciones, uno o más de los elementos de fase 30 pueden incluir adicionalmente un dispositivo de almacenamiento de energía, por ejemplo en forma de condensador. Los expertos en la materia apreciarán que puede utilizarse una estructura de medio puente y/o de puente completo. Además, cada miembro 28 o, más particularmente, porción de miembro, puede comprender al menos un elemento de fase o una pluralidad de elementos de fase que forman una cadena de elementos de fase conectados en serie, como sabrán los expertos en la materia.
El convertidor de fuente de tensión 10 también incluye un controlador 36, como se muestra esquemáticamente en la figura 2 y con más detalle en las figuras 3 y 4. El controlador 36 puede formar parte de un sistema de control para controlar el convertidor 10. Por lo tanto, otros parámetros, como las mediciones y/u órdenes utilizadas para controlar el funcionamiento del convertidor 10, pueden ser determinados por partes del sistema de control que no se muestran en la figura 2.
El controlador 36 comprende un bloque 38 de determinación de la corriente de fase de referencia que está configurado para determinar una corriente de referencia para cada una de las fases a fin de satisfacer una demanda de potencia, como se describirá con más detalle a continuación con referencia a las figuras 3 y 4. Las corrientes de referencia para cada fase se calculan independientemente unas de otras y también independientemente para una orden de potencia activa y otra orden de potencia reactiva. Esto permite modificar al menos una corriente de fase tomada de la red eléctrica de CA polifásica sin afectar a las otras corrientes de fase. Esto proporciona al convertidor de fuente de tensión la capacidad de extraer fácilmente una amplia gama de combinaciones de corrientes de fase de la red eléctrica de CA polifásica.
Las corrientes de referencia para cada fase, IrefA, IrefB, IrefC, determinadas por el bloque 38 se suministran a los respectivos bloques de control de fase individual 40a, 40b y 40c. Los bloques de control de fase 40a, 40b, 40c también reciben una medición de la tensión instantánea, Va, Vb, Vc, de cada fase de la red en el PCC 22 y la corriente instantánea de cada fase, Ia, Ib, Ic. Utilizando estos valores, cada bloque de control de fase 40a, 40b, 40c determina una señal de control de fase para cada fase, independientemente de las señales de control de fase para cada una de las otras fases. Las señales de control de fase Vconva, Vconvb, Vconvc para cada fase se suministran al convertidor 10 o, más particularmente, a otra parte del sistema de control. Así pues, puede utilizarse un módulo de control de conmutación (no mostrado), como sabrán los expertos en la materia, para conmutar los elementos de
conmutación 32 a fin de generar o sintetizar las tensiones determinadas por las señales de control de fase Vconva, Vconvb, Vconvc.
La figura 3 muestra, esquemáticamente, el controlador 36 y, en particular, una realización del bloque 38 de determinación de la corriente de fase de referencia. El controlador 36 está dividido en tres secciones: una primera sección 40, una segunda sección 42 y una tercera sección 44. Se apreciará que la delimitación del controlador en estas secciones puede ser a efectos ilustrativos y puede no reflejar una implementación práctica del controlador 36. La primera sección 40 muestra generalmente un bucle de control externo 41 del controlador, que está configurado para determinar, entre otros parámetros, un orden de potencia activa, Porden. La orden de potencia activa comprende una cantidad de potencia activa o real que el convertidor debe pasar entre las redes eléctricas de CA y CC 14, 16. En el caso de que el convertidor funcione como inversor y, por lo tanto, convierta la energía de CC en energía de CA, la orden de potencia activa puede ser la potencia de CC disponible. La orden de potencia, en general, comprende la cantidad deseada de potencia eléctrica que debe transferirse a y/o desde la red de CA 14 en cualquier momento e "inyectarse" en el PCC 22.
La primera sección 40 también determina una orden de potencia reactiva o potencia imaginaria, Qorden. La orden de potencia reactiva comprende una cantidad de potencia reactiva que el convertidor debe intercambiar entre las fases de las redes eléctricas de CA 14. En un sistema práctico, las pérdidas y la baja potencia de la red de CA provocan variaciones en la tensión de salida del convertidor para distintas órdenes de potencia activa. La orden de potencia reactiva puede seleccionarse para garantizar que la salida de tensión del convertidor 10 sea sustancialmente constante, pero sin contribuir al flujo de potencia real.
El bloque de cálculo de la orden de potencia 41 determina la orden de potencia activa Porden y la orden de potencia reactiva Qorden basándose en al menos algunos de los valores determinados por el bloque de demanda 46, el bloque de medición 48 y la realimentación 50. El bloque de demanda 46 proporciona una demanda de tensión continua, Vcc, una demanda de tensión alterna, VCa, una demanda de potencia continua, Pcc, y una demanda de potencia reactiva nominal, Qnominal. El bloque de medidas 48 proporciona una medida de la tensión continua y una medida de la corriente continua. El bloque de demanda 46 puede calcular o recibir los valores de demanda de una parte diferente del sistema de control. Las mediciones pueden ser realizadas por el bloque de medición 48 o recibidas de otra parte del sistema de control. La realimentación comprende la potencia activa instantánea Ppcc y la potencia reactiva instantánea Qpcc determinadas a partir de las medidas de tensión y corriente instantáneas en el pCc 22 y como se describirá más adelante en relación con la segunda etapa 42.
El controlador 36 se ocupa en particular de cómo se implementa la orden de potencia activa y la orden de potencia reactiva, que es realizada por las secciones segunda y tercera 42, 44.
La segunda sección 42 comprende cuatro bloques de cálculo 52, 54, 56, 58. Cada uno de los bloques de cálculo 52, 54, 56, 58 recibe una medida de la tensión instantánea de cada fase, Va_pcc, Vb_pcc y Vc_pcc en el punto de acoplamiento común 22 y una medida de la corriente de cada fase, Ia, Ib e Ic en el punto de acoplamiento común 22. Los bloques de cálculo comprenden; un bloque de cálculo de potencia activa instantánea 52, un bloque de cálculo de potencia reactiva instantánea 54, un bloque de cálculo de corriente activa instantánea 56 y un bloque de cálculo de corriente reactiva instantánea 58.
El bloque 52 determina la potencia activa instantánea Ppcc(t) mediante la siguiente ecuación;
donde Vx_pcc(t) comprende la tensión instantánea medida para una de las fases a, b o c a tierra e Ix(t) comprende la corriente medida para una de las fases a, b o c. La tensión instantánea medida para una de las fases a, b o c comprende;
donde Va, Vb y Vc son el valor eficaz de las tensiones de fase Vx_pcc y, para una red trifásica, 0=120°.
El bloque 54 determina la potencia reactiva instantánea Qpcc(t) mediante la siguiente ecuación;
Q ? jn = ^ . ( v hc r( t) . ia ( t ) + vca rcc(í) . ib ( o vab Bj t u c (0)
donde Vxy_pcc(t) comprende la diferencia entre la tensión instantánea medida de la fase x y la tensión instantánea medida de la fase y, y donde x e y representan las diferentes combinaciones de fases de la red eléctrica de CA, que en esta realización comprende las fases a, b y c (lo que hace que xy comprenda ab, be, ca).
El bloque 56 determina la corriente activa instantánea para cada fase; Ip_a(t), Ip_b(t), Ip_c(t) de acuerdo con la siguiente ecuación;
El bloque 56 determina la corriente reactiva instantánea para cada fase; Iq_a(t), Iq_b(t), Iq_c(t) de acuerdo con la siguiente ecuación;
El bloque de cálculo de potencia activa instantánea 52 y el bloque de cálculo de potencia reactiva instantánea 54 proporcionan su salida como realimentación 50 a la primera sección 40. El bloque de cálculo de corriente activa instantánea 56 y el bloque de cálculo de corriente reactiva instantánea 58 proporcionan su salida a la tercera sección 44.
Así, la tercera sección 44 recibe la orden de potencia activa Porden y la orden de potencia reactiva Qorden determinadas por un bucle de control externo 41 representado por la primera sección 40 y la potencia activa instantánea y la potencia reactiva instantánea determinadas por la sección 42. Además, la tercera sección 44 también recibe las mediciones instantáneas de tensión para cada una de las fases Va_pcc, Vb_pcc y Vc_pcc determinadas a partir del PCC 22.
La tercera sección 44 comprende un generador de referencia de corriente activa instantánea 60 y un generador de referencia de corriente reactiva instantánea 62.
Los generadores de referencia de corriente 60, 62 determinan cómo implementar las órdenes de potencia activa y reactiva determinadas en la primera sección 40. Se apreciará que con el control independiente de cada uno de los miembros de fase 28 del convertidor 10, hay muchas permutaciones de valores de corriente de fase sobre las múltiples fases que satisfarían la orden de potencia. La selección de las corrientes de fase deseadas para implementar la orden de potencia se realiza mediante los generadores de referencia de corriente 60, 62. Se ha comprobado que una selección particular de las corrientes de fase para implementar la orden de potencia puede conducir a un convertidor y un esquema de control eficientes, así como a un convertidor capaz de funcionar de forma fiable a pesar de perturbaciones graves en la red de CA 14. Esto es ventajoso si la red de CA 14 es débil. Se ha determinado que los valores instantáneos mínimos de las corrientes de fase para satisfacer la orden de potencia provocarían la menor variación de tensión en toda la red conectada de CA en condiciones para las que es importante la estabilidad de la tensión.
El generador de referencia de corriente activa 60 recibe la orden de potencia activa Porden y las medidas de tensión instantánea para cada una de las fases Va_pcc, Vb_pcc y Vc_pcc. Los valores de referencia de la corriente activa para cada fase se determinan para minimizar la corriente total sobre el número total de fases. Esto se consigue seleccionando valores de referencia de corriente activa que minimicen la potencia reactiva en el PCC 22. En particular, los valores de referencia de corriente activa se seleccionan de forma que se satisfaga la orden de potencia activa Porden sin que se suministre potencia reactiva en el PCC 22. Esto puede determinarse mediante un procedimiento de optimización, como el método de Legrange, que será conocido por los expertos en la materia. Se ha determinado que las siguientes ecuaciones dan como resultado dicho conjunto de valores de referencia de corriente activa, I*p_a, I*p_b, I*p_c;
porden V a _ pcc ( v * t) f
C A O va_pj t )2+k _,j í )2+v^ c(o 2
^orden E ' r _ pcc ( 9
C .b(o = va_pJ02+vb_pcc(t)2+vc_pj t )2
Porden V c _ pee V (t) '
C At) = :
M f vib _ pee ( t r K_pj t y
Se apreciará que mientras en esta realización la selección de los valores de referencia de corriente activa se basa en proporcionar una potencia reactiva sustancialmente nula en el PCC 22, en otras realizaciones, el bloque está configurado para mantener la potencia reactiva en el PCC producida por la selección de los valores de referencia de corriente activa por debajo de un umbral "reactivo". Por lo tanto, las ecuaciones anteriores se derivan en base a cálculos de potencia reactiva igual a cero, aunque el controlador puede estar configurado para utilizar un umbral reactivo predeterminado y seleccionar los valores de referencia de corriente activa que proporcionan potencia reactiva por debajo de dicho umbral reactivo. Se apreciará que, en cualquier caso, la determinación de los valores de referencia de corriente activa se basa en una determinación de la potencia reactiva (ya sea limitada a cero o por debajo de un umbral) que resultaría del uso de los valores de referencia de corriente activa.
El generador de referencia de corriente reactiva 62 recibe la orden de potencia reactiva Qorden y las medidas de tensión instantáneas para cada una de las fases Va_pcc, Vb_pcc y Vc_pcc. Los valores de referencia de corriente reactiva para cada fase se determinan para minimizar la corriente total sobre el número total de fases, satisfaciendo al mismo tiempo la orden de potencia reactiva. Esto se consigue seleccionando valores de referencia de corriente reactiva que minimicen la potencia activa en el PCC 22 hasta cero o casi cero. En particular, los valores de referencia de la corriente reactiva se seleccionan de forma que se satisfaga la orden de potencia reactiva Qorden sin que se suministre potencia activa en el PCC 22. Esto puede determinarse mediante un procedimiento de optimización, como el método de Lagrange, que será conocido por los expertos en la materia. Se ha determinado que las siguientes ecuaciones dan como resultado dicho conjunto de valores de referencia de corriente reactiva, I*q_a, I*q_b, I*q_c;
Se apreciará que mientras en esta realización la selección de los valores de referencia de corriente reactiva se basa en proporcionar una potencia activa sustancialmente nula en el PCC 22, en otras realizaciones, el bloque puede configurarse para mantener la potencia activa en el PCC producida por la selección de los valores de referencia de corriente reactiva por debajo de un umbral. Así, las ecuaciones anteriores se derivan en base a cálculos de potencia activa igual a cero, aunque el controlador puede estar configurado para utilizar un umbral activo predeterminado y seleccionar los valores de referencia de corriente reactiva que proporcionan potencia activa por debajo de dicho umbral activo. Se apreciará que, en cualquier caso, la determinación de los valores de referencia de corriente reactiva se basa en una determinación de la potencia activa (ya sea limitada a cero o por debajo de un umbral) que resultaría del uso de los valores de referencia de corriente reactiva.
La selección de estos valores de referencia de corriente activa y reactiva para satisfacer las órdenes de potencia activa y reactiva es ventajosa. Puede demostrarse que, utilizando los valores de referencia de corriente activa, el convertidor 10 sólo transfiere potencia activa para satisfacer la orden de potencia activa. Asimismo, puede demostrarse que, utilizando los valores de referencia de corriente reactiva, el convertidor 10 sólo transfiere potencia reactiva para satisfacer la orden de potencia reactiva. Se ha comprobado que esto mejora la estabilidad del convertidor.
Los valores de referencia de corriente activa comprenden así un valor de referencia de corriente activa determinado independientemente para cada fase a, b, c. Los valores de referencia de corriente reactiva comprenden así un valor de referencia de corriente reactiva determinado independientemente para cada fase a, b, c.
El bloque de diferencia 64 proporciona una diferencia entre el valor de referencia de corriente activa determinado y un correspondiente valor de corriente activa instantánea para la fase correspondiente. El bloque de diferencia 66 proporciona una diferencia entre el valor de referencia de corriente reactiva determinado y un correspondiente valor de corriente reactiva instantánea para la fase correspondiente. Los bloques de diferencia 64, 66 proporcionan esta diferencia para cada fase.
Con este procedimiento, el convertidor VSC 10 mantiene su sincronización con la red de CA 14 de forma similar al funcionamiento de una máquina síncrona. En un sistema de CA, las máquinas síncronas mantienen el sincronismo mediante la transferencia de potencia transitoria y la reacción de estas corrientes en el inducido, para alinear continuamente el ángulo del rotor. En este controlador, la transferencia de potencia implica una corriente, que es
desconocida y viene determinada por la red de interconexión en lugar de utilizar un bucle de enganche de fase (PLL). Es sabido que la potencia reactiva no contribuye a la potencia de la red y, de hecho, ajustará únicamente la tensión, que a su vez provocará un ajuste en la corriente, manteniendo la potencia en el nivel establecido. De este modo, el controlador puede mantener la sincronización con la red de CA 14.
Las diferencias "activas" del bloque de diferencias 64 se proporcionan a un bloque de instrucciones de fase activa 68, que se muestra como un único bloque pero que comprende un bloque para cada fase. Asimismo, las diferencias "reactivas" del bloque de diferencias 65 se proporcionan a un bloque de instrucciones de fase reactiva 70, que también comprende un bloque para cada fase. Estos bloques de instrucciones para cada fase se realizan como un controlador Proporcional-Integral (PI), un controlador Proporcional-Resonante (PR) o cualquier otro controlador apropiado. Los bloques de instrucciones 68, 70, comprenden tres bloques de instrucciones de fase activa y tres bloques de instrucciones de fase reactiva. Los bloques 68 y 70 están configurados para determinar los cambios en cada una de las diferencias a lo largo del tiempo y generar una tensión de referencia del convertidor para cada fase y para cada una de las órdenes de potencia activa y reactiva.
Un bloque sumador 72 recibe las tensiones de referencia del convertidor para las tres fases para el orden de potencia activa y las tensiones de referencia del convertidor para las tres fases para el orden de potencia reactiva. El bloque 72 también recibe las medidas instantáneas de tensión para cada una de las fases Va_pcc, Vb_ pcc y Vc_pcc. El bloque sumador, para cada fase, suma la tensión de referencia del convertidor activo correspondiente, la tensión de referencia del convertidor reactivo correspondiente y la medida de tensión instantánea correspondiente. El resultado de esta suma proporciona las señales de control de fase Vconva, Vconvb, Vconvc para cada fase, que son utilizadas por otra parte del sistema de control. La otra parte del sistema de control puede controlar un esquema de conmutación de los elementos de conmutación 32 en el miembro que corresponde a la fase de la señal de control de fase, por ejemplo.
La figura 4 muestra, esquemáticamente, el controlador 36 y, en particular, una segunda realización del bloque 38 de determinación de la corriente de fase de referencia. De forma similar a la primera realización, el controlador 36 está dividido en tres secciones: la primera sección 40, la segunda sección 42 y la tercera sección 44. Se apreciará que la delimitación del controlador en estas secciones puede ser a efectos ilustrativos y puede no reflejar una implementación práctica del controlador 36. Como los números de referencia se han utilizado para las mismas partes y por lo tanto sólo se describirán las diferencias entre la segunda realización y la primera realización.
La primera sección 40 es idéntica a la primera realización. La segunda sección 42, en esta realización, es sustancialmente idéntica excepto que el bloque de cálculo de corriente activa instantánea 56 y el bloque de cálculo de corriente reactiva instantánea 58 están ausentes. De este modo, la corriente activa y reactiva instantánea no pasa a la tercera sección 44.
La tercera sección 44 incluye el generador de referencia de corriente activa instantánea 60 y el generador de referencia de corriente reactiva instantánea 62. Los generadores 60 y 62 funcionan como se ha explicado en relación con la primera realización.
La tercera sección 44 difiere en que un bloque sumador 74 suma, para cada fase individual, el valor de referencia de corriente activa y el valor de referencia de corriente reactiva. A continuación, un bloque de diferencias 76 calcula una diferencia, para cada fase individual, entre los valores de referencia de corriente (activa y reactiva) sumados y una medida de la corriente de la fase correspondiente en el PCC 22.
La tercera sección 44 incluye tres bloques de instrucción de fase 78, que se muestra como un solo bloque pero comprende un bloque para cada fase. Cada bloque de instrucción de fase recibe la diferencia correspondiente a su fase, del bloque 76, y una medida de la tensión de fase correspondiente en el PCC 22. Cada bloque de instrucción de fase 76 genera entonces las señales de control de fase Vconva,b,c para su fase, que es utilizada por otra parte del sistema de control, como se ha comentado anteriormente. Estos bloques de instrucciones 76 pueden ser incorporados como un controlador Proporcional-Resonante (PR) o control mediante modos deslizantes de tiempo discreto (DSMC), que será conocido por los expertos en la materia, o por cualquier otro controlador apropiado. Otro aspecto del controlador 36 puede ser la compensación de elementos armónicos. En particular, midiendo o prediciendo las inyecciones de corriente armónica, el controlador 36 está configurado para compensar las distorsiones causadas por transformadores saturados o por convertidores LCC cercanos. Esto podría lograrse mediante un bloque de control de armónicos (no mostrado) que aplica una modificación a las corrientes de fase determinadas anteriormente para incluir un componente armónico al mismo nivel de amplitud pero en oposición de fase, de forma que se anule cualquier distorsión armónica y se mejore la calidad de la tensión de conmutación. Esto puede ayudar a los convertidores LCC a recuperarse con menos fallos de conmutación. En este caso, puede considerarse que el convertidor VSC 10 actúa como un filtro activo además de intercambiar potencia activa y reactiva.
Se apreciará que las realizaciones aquí descritas son aplicables a cualquier tipo de convertidor de fuente de tensión.
Claims (13)
1. Un convertidor de fuente de tensión (10) que comprende:
unos terminales primero y segundo de corriente continua (24, 26) para la conexión a una red eléctrica de corriente continua (16);
una pluralidad de miembros monofásicos (28), cada uno de los cuales comprende una primera y una segunda porciones de miembro, estando las porciones de miembro (28) conectadas a uno de los terminales de CC primero y segundo (24, 26) y a un terminal de fase de CA (34) que puede ser conectado a una fase respectiva de una red eléctrica de CA polifásica (14), incluyendo cada una de las porciones de miembro primera y segunda (28) un elemento de fase (30), incluyendo cada elemento de fase (30) al menos un elemento de conmutación (32) configurado para interconectar una tensión de CC y una tensión de CA; y
un controlador (36) configurado para:
recibir una orden de potencia activa (Porden) y una orden de potencia reactiva (Qorden) que comprenden respectivamente la cantidad deseada de potencia activa y de potencia reactiva a transferir por el convertidor (10);
recibir una medida de la tensión instantánea de cada fase de la red eléctrica de CA polifásica (14); determinar un valor de referencia de corriente de fase activa y reactiva para cada miembro monofásico (28) que sea independiente del valor de referencia de corriente de fase o de cada uno de los otros valores de referencia de corriente de fase respectivos y que defina la corriente que cada miembro monofásico (28) debe extraer o pasar a una fase correspondiente de la red eléctrica de CA (14) para efectuar los intercambios de potencia activa y potencia reactiva con la red eléctrica de CA (14) definidos por
las órdenes de potencia activa y reactiva;
j* ( f)
en el que los valores de referencia de corriente de fase activa p£^ para cada fase, i, de n fases se determinan de acuerdo con la siguiente ecuación;
en la que Porden comprende la orden de potencia activa, Vi_pcc(t) comprende la tensión instantánea de la fase para la que se está calculando la corriente de fase activa y Va_pcc(t)2 .Vnpcc(t)2 representa la suma de los cuadrados de cada una de las medidas de tensión instantánea de las fases de la red eléctrica de CA polifásica (14), y
en el que, para una red eléctrica de CA (14) que comprende tres fases, a, b y c, los valores de referencia de corriente de fase reactiva
para cada una de las fases viene dada por;
/* (f) = V3. G o rd e n ^ b c _ pee (/)
ab_ pee
(t)2 vbc_pcc(t)2 Vcapcc(t)2
en las que Qorden comprende la orden de potencia reactiva y Vab_pcc, Vbc_pcc y Vca_pcc comprenden las medidas instantáneas de tensión entre la fase a y la fase b, la fase b y la fase c y la fase c y la fase a respectivamente.
2. Un convertidor de fuente de tensión según la reivindicación 1, en el que los valores de referencia de corriente de fase activa se seleccionan de tal manera que la potencia reactiva instantánea (QpCc(t)) determinada a partir de los valores de referencia de corriente de fase activa es sustancialmente cero.
3. Un convertidor de fuente de tensión según cualquier reivindicación precedente, en el que los valores de referencia de corriente de fase reactiva se seleccionan de tal manera que la potencia activa instantánea (Ppcc(t)) determinada a partir de los valores de referencia de corriente de fase reactiva es sustancialmente cero.
4. Un convertidor de fuente de tensión según cualquier reivindicación precedente, en el que el controlador (36) está configurado para combinar el valor de referencia de corriente de fase activa y el valor de referencia de corriente de fase reactiva para cada miembro monofásico (28) para determinar una señal de control para cada dicho miembro monofásico (28).
5. Un convertidor de fuente de tensión según la reivindicación 1, en el que el controlador (36) está configurado para; en base a una determinación del contenido de armónicos de una tensión de entrada al convertidor de fuente de tensión (10), determinar un valor de referencia de corriente armónica para cada miembro monofásico (28), el valor de referencia de corriente armónica determinado independientemente de la o cada otra referencia de corriente armónica y que tiene una amplitud sustancialmente equivalente y fase opuesta a dicho contenido de armónicos determinado.
6. Un convertidor de fuente de tensión según la reivindicación 5, en el que el controlador (36) está configurado para combinar el valor de referencia de corriente activa, el valor de referencia de corriente de fase reactiva y el valor de referencia de corriente armónica para cada miembro monofásico (28) para determinar una señal de control para dicho miembro monofásico (28).
7. Un convertidor de fuente de tensión según cualquier reivindicación precedente, en el que el controlador (36) está configurado para determinar una corriente activa instantánea de cada fase de la red eléctrica de CA polifásica (14), estando dicho controlador (36) configurado para determinar una diferencia entre el valor de referencia de corriente activa determinado y las correspondientes mediciones de corriente activa instantánea para cada fase en la determinación de una señal de control para dicho miembro monofásico (28).
8. Un convertidor de fuente de tensión según cualquier reivindicación precedente, en el que el controlador (36) está configurado para determinar una corriente reactiva instantánea de cada fase de la red eléctrica de CA polifásica (14), estando dicho controlador (36) configurado para determinar una diferencia entre el valor de referencia de corriente reactiva determinado y las correspondientes mediciones de corriente reactiva instantánea para cada fase en la determinación de una señal de control para dicho miembro monofásico (28).
9. Un convertidor de fuente de tensión según la reivindicación 1, en el que el controlador (36) está configurado para recibir una medida de la tensión instantánea de cada fase de la red eléctrica de CA polifásica (14) y utilizar estas medidas para calcular la potencia reactiva instantánea resultante debida a los valores de referencia de corriente de fase activa.
10. Un convertidor fuente de tensión según la reivindicación 1, en el que el controlador (36) está configurado para recibir una medida de la tensión instantánea de cada fase de la red eléctrica de CA polifásica (14) y utilizar estas medidas para calcular la potencia activa instantánea resultante debida a los valores de referencia de corriente de fase reactiva.
11. Un convertidor de fuente de tensión según cualquier reivindicación precedente en el que el controlador (36) está configurado para utilizar un método de multiplicadores de Lagrange;
a) para determinar los valores de referencia de corriente activa que satisfacen la orden de potencia activa y que dan lugar a una potencia reactiva mínima; y/o
b) para determinar los valores de referencia de corriente reactiva que satisfacen la orden de potencia reactiva y que dan lugar a una potencia activa mínima.
12. Un convertidor de fuente de tensión según cualquier reivindicación precedente, en el que el controlador (36) está configurado para medir la tensión instantánea de cada fase de la red eléctrica de CA polifásica (14) en un punto de acoplamiento común (22).
13. Una red de distribución eléctrica que incluye el convertidor de fuente de tensión (10) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.
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