ES2991319T3 - Procedimiento para operar un recurso basado en inversor asíncrono como una máquina síncrona virtual para proporcionar control de formación de red del mismo - Google Patents

Abstract

Un método para operar un recurso basado en inversor asíncrono conectado a una red eléctrica como una máquina síncrona virtual para proporcionar control de formación de red del mismo incluye recibir un comando de referencia de frecuencia y/o un comando de referencia de voltaje. El método también incluye determinar al menos una señal de referencia de potencia para el recurso basado en inversor con base en el comando de referencia de frecuencia y/o el comando de referencia de voltaje. Además, el método incluye generar al menos un vector de corriente utilizando la(s) señal(es) de referencia de potencia. Además, el método incluye determinar uno o más comandos de control de voltaje para el recurso basado en inversor utilizando el al menos un vector de corriente. Además, el método incluye controlar el recurso basado en inversor con base en el uno o más comandos de control de voltaje de tal manera que el recurso basado en inversor participe activamente en el control de al menos uno de voltaje y frecuencia en un punto de interconexión entre el recurso basado en inversor y la red eléctrica de una manera de bucle cerrado. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento para operar un recurso basado en inversor asíncrono como una máquina síncrona virtual para proporcionar control de formación de red del mismo

Campo

[0001] La presente divulgación se refiere en general a recursos basados en inversor, tales como sistemas de potencia de turbina eólica y, más particularmente, a sistemas y procedimientos para operar recursos basados en inversor conectados a la red que tienen una máquina asíncrona como una máquina síncrona virtual para proporcionar control de formación de red ("grid-forming’’) del recurso basado en inversor.

Antecedentes

[0002] La energía eólica se considera una de las fuentes de energía más limpias y más respetuosas con el medioambiente disponibles actualmente, y las turbinas eólicas han obtenido una creciente atención a este respecto. Una turbina eólica moderna típicamente incluye una torre, un generador, una multiplicadora, una góndola y una o más palas de rotor. Las palas de rotor captan energía cinética del viento usando principios de perfil alar conocidos. Por ejemplo, las palas de rotor típicamente tienen el perfil en sección transversal de un perfil alar de modo que, durante la operación, el aire fluya sobre la pala, lo que produce una diferencia de presión entre los lados. En consecuencia, una fuerza de sustentación, que se dirige desde un lado de presión hacia un lado de succión, actúa sobre la pala. La fuerza de sustentación genera un par de torsión en el eje de rotor principal, que típicamente se engrana a un generador para producir electricidad.

[0003] Las turbinas eólicas se pueden distinguir en dos tipos: turbinas de velocidad fija y de velocidad variable. Convencionalmente, las turbinas eólicas de velocidad variable se controlan como fuentes de corriente conectadas a una red de potencia. En otras palabras, las turbinas eólicas de velocidad variable se basan en una frecuencia de red detectada por un bucle de enganche de fase (PLL) como referencia e inyectan una cantidad específica de corriente en la red. El control de la fuente de corriente convencional de las turbinas eólicas se basa en el supuesto de que las formas de onda de voltaje de red son formas de onda de voltaje fundamentales con frecuencia y magnitud fijas y que la penetración de la potencia eólica en la red es lo suficientemente baja como para no provocar perturbaciones en la magnitud y frecuencia de voltaje de red. Por tanto, las turbinas eólicas simplemente inyectan la corriente especificada en la red en base a las formas de onda de voltaje fundamentales. Sin embargo, con el rápido crecimiento de la potencia eólica, la penetración de potencia eólica en algunas redes se ha incrementado hasta el punto en que los generadores de turbina eólica tienen un impacto significativo en el voltaje y frecuencia de red. Cuando las turbinas eólicas se sitúan en una red débil, las fluctuaciones de potencia de turbina eólica pueden dar lugar a un incremento en las variaciones de magnitud y frecuencia en el voltaje de red. Estas fluctuaciones pueden afectar negativamente el rendimiento y estabilidad del PLL y del control de corriente de turbina eólica.

[0004] Además, la reducción de la proporción de máquinas síncronas con respecto a las asíncronas, que determinan los parámetros que definen la red, voltaje y frecuencia, han contribuido a disminuir los márgenes de estabilidad. La consecuencia inmediata de la disminución de los márgenes de estabilidad es un colapso de la red cuando se somete a perturbaciones de voltaje y frecuencia en la red.

[0005] En consecuencia, muchas máquinas asíncronas existentes, tales como por ejemplo los generadores de turbina eólica doblemente alimentados, funcionan en modo "seguimiento de red". Los dispositivos de tipo seguimiento de red utilizan bucles rápidos de regulación de corriente para controlar la potencia activa y reactiva intercambiada con la red. Más específicamente, la FIG. 1 ilustra los elementos básicos del circuito principal y la estructura de control de convertidor para un generador de turbina eólica doblemente alimentado y con seguimiento de red. Como se muestra, la referencia de potencia activa al convertidor la desarrolla el regulador de fuente de energía, por ejemplo, la porción de control de turbina de una turbina eólica. Esto se transmite como una referencia de par de torsión que representa la menor potencia máxima alcanzable de la fuente de energía en ese instante, o una instrucción de reducción de un controlador de red de nivel superior. A continuación, el control de convertidor determina una referencia de corriente para que el componente activo de corriente alcance el par de torsión deseado. En consecuencia, el generador de turbina eólica doblemente alimentado incluye funciones que gestionan el voltaje y la potencia reactiva de una manera que da como resultado una instrucción para el componente reactivo de la corriente. A continuación, los reguladores de corriente de ancho de banda amplio desarrollan instrucciones para que los convertidores apliquen el voltaje al sistema, de modo que las corrientes reales sigan de cerca las instrucciones.

[0006] De forma alternativa, los convertidores de tipo de formación de red proporcionan una característica de fuente de voltaje, donde el ángulo y magnitud del voltaje se controlan para lograr las funciones de regulación que necesita la red. Con esta estructura, la corriente fluirá de acuerdo con las demandas de la red mientras el convertidor contribuye a establecer un voltaje y frecuencia para la red. Esta característica es comparable a los generadores convencionales basados en una turbina que acciona una máquina síncrona. Por tanto, una fuente formadora de red debe incluir las siguientes funciones básicas: (1) soportar el voltaje y la frecuencia de red para cualquier flujo de corriente dentro de la clasificación del equipo, tanto real como reactiva; (2) evitar la operación más allá de la capacidad de voltaje o corriente del equipo al permitir que cambie el voltaje o la frecuencia de red en lugar de desconectar el equipo (la desconexión se permite solo cuando el voltaje o la frecuencia están fuera de los límites establecidos por la entidad de red); (3) permanecer estable para cualquier configuración de red o característica de carga, incluyendo el servicio de una carga aislada o conectada con otras fuentes que forman la red, y conmutar entre dichas configuraciones; (4) compartir la carga total de la red entre otras fuentes formadoras de red conectadas a la red; (5) sortear perturbaciones de red, tanto mayores como menores, y (6) cumplir con los requisitos (1)-(5) sin requerir comunicación rápida con otros sistemas de control existentes en la red, o señales lógicas creadas externamente relacionadas con cambios en la configuración de red.

[0007]La estructura de control básica para lograr los objetivos de formación de red anteriores fue desarrollada y probada en el campo para sistemas de baterías a principios de los años 1990 (véase, por ejemplo, la Patente de Estados Unidos N.°: 5.798.633 titulada "Battery Energy Storage Power Conditioning System"). Las aplicaciones a generadores eólicos y generadores solares de convertidor completo ("fullconverter’)se divulgan en la Patente de Estados Unidos N.°: 7.804.184 titulada "System and Method for Control of a Grid Connected Power Generating System", y la Patente de Estados Unidos N.°: 9.270.194 titulada "Controller for controlling a power converter." Las aplicaciones al control de formación de red para un generador de turbina eólica doblemente alimentado se describen en el documento PCT/US2020/013787 titulado "System and Method for Providing Grid-Forming Control for a Double-Feb Wind Turbine Generator". El documento CN 107515532 A describe un procedimiento de control adaptativo del sistema que comprende las siguientes etapas: (1) detectar y controlar continuamente la desviación de frecuencia y voltaje del sistema, y cuando una desviación es menor que un umbral de acción de DFIG (Generador de inducción doblemente alimentado), un grupo DFIG no participa en el ajuste del sistema; y el DFIG adopta un modo de control de potencia, un controlador adaptativo difuso("fuzzy adaptive control’’)no funciona y un STATCOM/BESS (sistema de almacenamiento de energía de batería) ajusta el voltaje y la frecuencia del sistema mediante un control adaptativo difuso; (2) cuando la desviación de voltaje o frecuencia del sistema aumentan aún más, el DFIG cambia del modo de control de potencia original a un modo de control de voltaje y frecuencia, en el que la sensibilidad de control del DFIG es menor que la del STATCOM/BESS; y (3) cuando la desviación del sistema aumenta continuamente y es mayor que un umbral de acción de coordinación, el STATCOM y el DFIG operan simultáneamente y se adopta el modo de control de voltaje y frecuencia. Se adopta el modo de ajuste sensible y la estabilidad del sistema aumenta considerablemente.

[0008]Como ejemplo, la FIG. 2 ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de un circuito principal de un sistema de formación de red. Como se muestra, el circuito principal incluye un convertidor electrónico de potencia con conexiones en los lados de CC y CA. Este convertidor recibe instrucciones de activación desde un controlador que crea un fasor de voltaje de CA Vcnv en un ángulo de Thvcnv. El ángulo es con respecto a un fasor de referencia que tiene una frecuencia fija. El lado de CC se suministra con un dispositivo capaz de generar o absorber potencia incluso durante un período corto. Dichos dispositivos pueden incluir, por ejemplo, baterías, paneles solares, máquinas rotativas con un rectificador o condensadores. Además, como se muestra, el circuito incluye una impedancia inductiva Xcnv que conecta el convertidor a su punto de interconexión, mostrado como el voltaje Vt y el ángulo ThVt en la FIG. 2. El sistema eléctrico detrás del punto de interconexión se muestra como un equivalente de Thevenin con impedancia Zthev y voltaje Vthev en el ángulo ThVthev. Este equivalente se puede usar para representar cualquier circuito, incluidos los circuitos conectados a la red y los aislados con cargas. En situaciones prácticas, la impedancia Zthev será principalmente inductiva.

[0009]Todavía en referencia a la FIG. 2, la porción de circuito cerrado del control principal recibe señales de retroalimentación del voltaje y la corriente en el punto de interconexión. Se reciben entradas adicionales de controles de nivel superior (no mostrados). Aunque la FIG. 2 ilustra un único convertidor como ejemplo, a cualquier grupo de equipos que pueda crear un equivalente eléctrico de un voltaje controlado Vcnv detrás de una impedancia Xcnv se le pueden aplicar los esquemas de control divulgados para lograr los mismos beneficios de rendimiento.

[0010]En referencia ahora a la FIG. 3, se ilustra un diagrama de control para proporcionar control de formación de red de acuerdo con la construcción convencional. Como se muestra, un controlador de convertidor 1 recibe referencias (por ejemplo, Vref y Pref) y límites (por ejemplo, LímitesVcmd y LímitesPcmd) de controles de nivel superior 2. Estos límites de alto nivel se refieren a cantidades físicas de voltaje, corriente y potencia. Los reguladores principales incluyen un regulador de voltaje rápido 3 y un regulador de potencia lento 4. Estos reguladores 3, 4 tienen límites finales aplicados a las instrucciones de control de convertidor para la magnitud de voltaje (por ejemplo, VcnvCmd) y ángulo (por ejemplo, 0<Pang>y 0<p l l>) para implementar restricciones en los componentes reactivos y reales de corriente, respectivamente. Además, dichos límites se basan en un valor fijo predeterminado por defecto, con control de bucle cerrado para reducir los límites en caso de que la corriente exceda los límites.

[0011]En consecuencia, la presente divulgación está dirigida a sistemas y procedimientos para operar recursos basados en inversor conectados a la red que tienen una máquina asíncrona como una máquina síncrona virtual para proporcionar control de formación de red del recurso basado en inversores para abordar los problemas mencionados anteriormente.

Breve descripción

[0012]Los aspectos y ventajas de la invención se expondrán en parte en la siguiente descripción, o pueden ser obvios a partir de la descripción, o se pueden aprender a través de la práctica de la invención. La invención se define en la reivindicación 1.

[0013]En un aspecto, la presente divulgación está dirigida a un procedimiento para operar al menos un recurso basado en inversor que tiene una máquina asíncrona conectada a una red de potencia como una máquina síncrona virtual para proporcionar control de formación de red del recurso basado en inversor. El procedimiento incluye recibir, por medio de un controlador, al menos una de una instrucción de referencia de frecuencia o una instrucción de referencia de voltaje desde un controlador externo. El procedimiento también incluye determinar, por medio del controlador, al menos una señal de referencia de potencia para el recurso basado en inversor en base a al menos una de la instrucción de referencia de frecuencia o la instrucción de referencia de voltaje. Además, el procedimiento incluye generar, por medio del controlador, al menos un vector de corriente usando la al menos una señal de referencia de potencia. Además, el procedimiento incluye determinar, por medio del controlador, una o más instrucciones de control de voltaje para el recurso basado en inversor usando el al menos un vector de corriente. Además, el procedimiento incluye controlar, por medio del controlador, el recurso basado en inversor en base a la una o más instrucciones de control de voltaje de modo que el recurso basado en inversor participe activamente en el control de al menos uno de voltaje y frecuencia en un punto de interconexión entre el recurso basado en inversor y la red de potencia en una forma de bucle cerrado.

[0014]En un modo de realización, el procedimiento puede incluir además la recepción de la instrucción de referencia de frecuencia y/o la instrucción de referencia de voltaje desde el controlador externo en respuesta a una desviación en al menos uno de frecuencia o voltaje en la red de potencia. Por tanto, en dichos modos de realización, el(los) vector(es) de corriente cambia(n) para corregir la desviación.

[0015]En otro modo de realización, generar el(los) vector(es) de corriente usando la(s) señal(es) de referencia de potencia puede incluir determinar, por medio del controlador, al menos una señal de referencia de vector de corriente usando la(s) señal(es) de referencia de potencia y determinar, por medio del controlador, el(los) vector(es) de corriente en función de la señal de referencia de vector de corriente.

[0016]En modos de realización adicionales, determinar la señal de referencia de vector de corriente usando la(s) señal(es) de referencia de potencia puede incluir calcular, por medio del controlador, al menos una señal de referencia de vector de corriente en función de la al menos una señal de referencia de potencia y una ganancia escalar.

[0017]En modos de realización adicionales, determinar la una o más instrucciones de control de voltaje para el recurso basado en inversor usando el(los) vector(es) de corriente puede incluir determinar, por medio del controlador, una o más instrucciones de vector de voltaje usando el(los) vector(es) de corriente.

[0018]En varios modos de realización, determinar la(s) instrucción(es) de vector de voltaje usando el(los) vector(es) de corriente puede incluir regular, por medio de un regulador proporcional-integral del controlador, el(los) vector(es) de corriente para obtener una o más instrucciones de vector de voltaje.

[0019]Por tanto, en modos de realización adicionales, determinar la(s) instrucción(es) de control de voltaje para el recurso basado en inversor usando el(los) vector(es) de corriente puede incluir rotar, por medio del controlador, un sistema de referencia d-q del(de los) vector(es) de corriente de vuelta a un sistema de referencia a-b-c usando un ángulo fasorial para obtener la(s) instrucción(es) de control de voltaje para el recurso basado en inversor.

[0020]En otro modo de realización más, el procedimiento puede incluir determinar, por medio del controlador, el(los) vector(es) de corriente en función de la señal de referencia de vector de corriente y una señal de retroalimentación de vector de corriente.

[0021]En modos de realización particulares, la(s) señal(es) de referencia de potencia pueden incluir una señal de referencia de potencia activa y/o una señal de referencia de potencia reactiva.

[0022]En modos de realización adicionales, el al menos un recurso basado en inversor puede incluir, por ejemplo, una pluralidad de recursos basados en inversor conectados en paralelo. Por tanto, en dichos modos de realización, el procedimiento puede incluir proporcionar una primera función de característica de caída(“droop characteristic function”)que relaciona la frecuencia con la caída de potencia activa y una segunda función de característica de caída que relaciona un componente del eje 'q' de voltaje de red con la caída de potencia reactiva y determinar la instrucción de referencia de frecuencia y la instrucción de referencia de voltaje para la pluralidad de recursos basados en inversor en base a la potencia instantánea y la primera función de característica de caída y la segunda función de característica de caída, respectivamente. En dichos modos de realización, las primera y segunda funciones de característica de caída permiten que la pluralidad de recursos basados en inversor participen en el control del voltaje y la frecuencia en proporción a la respectiva instrucción de referencia de frecuencia y la instrucción de referencia de voltaje.

[0023] En determinados modos de realización, el procedimiento también puede incluir variar dinámicamente la instrucción de referencia de frecuencia y/o la instrucción de referencia de voltaje para la pluralidad de recursos basados en inversor para alterar una proporción de respuesta a un evento de red y para conformar una respuesta transitoria después del evento de red.

[0024] En aún otros modos de realización, el procedimiento puede incluir modificar, por medio de un bucle de control externo del controlador, la instrucción de referencia de frecuencia y/o la instrucción de referencia de voltaje para la pluralidad de recursos basados en inversor para ajustar dinámicamente las desviaciones en al menos una de la instrucción de referencia de frecuencia y la instrucción de referencia de voltaje después de la estabilización.

[0025] De acuerdo con la invención, el procedimiento incluye seleccionar dinámicamente un primer conjunto de la pluralidad de recursos basados en inversor para proporcionar el control de formación de red y seleccionar dinámicamente un segundo conjunto de la pluralidad de recursos basados en inversor para proporcionar control de seguimiento de red.

[0026] En modos de realización adicionales, la máquina asíncrona puede incluir un generador de inducción doblemente alimentado, mientras que el recurso basado en inversor puede ser un sistema de potencia de turbina eólica que tiene al menos un convertidor de potencia. Por tanto, en modos de realización particulares, el controlador puede incluir un controlador de turbina o un controlador de convertidor del sistema de potencia de turbina eólica.

[0027] En otro aspecto, la presente divulgación está dirigida a un procedimiento para operar una pluralidad de recursos basados en inversor de formación de red conectados en paralelo a una red de potencia. Cada uno de la pluralidad de recursos basados en inversor tiene una máquina asíncrona. El procedimiento incluye proporcionar una primera función de característica de caída que relaciona la frecuencia con una caída de potencia activa y una segunda función de característica de caída que relaciona un componente de eje 'q' de voltaje de red con una caída de potencia reactiva. Además, el procedimiento incluye determinar una instrucción de referencia de frecuencia y una instrucción de referencia de voltaje para la pluralidad de recursos basados en inversor en base a la potencia instantánea y la primera función de característica de caída y la segunda función de característica de caída, respectivamente. Además, el procedimiento incluye controlar la pluralidad de recursos basados en inversor en base a las instrucciones de referencia de frecuencia y voltaje, en el que las primera y segunda funciones de característica de caída permiten que la pluralidad de recursos basados en inversor participen en el control de voltaje y frecuencia en un punto de interconexión entre la pluralidad de recursos basados en inversor y la red de potencia en proporción a la respectiva instrucción de referencia de frecuencia y la instrucción de referencia de voltaje.

[0028] En un modo de realización, el procedimiento incluye al menos uno de variar dinámicamente al menos una de la instrucción de referencia de frecuencia y la instrucción de referencia de voltaje para la pluralidad de recursos basados en inversor para alterar una proporción de respuesta a un evento de red y para conformar una respuesta transitoria después del evento de red o modificar, por medio de un bucle de control externo del controlador, al menos una de la instrucción de referencia de frecuencia y la instrucción de referencia de voltaje para la pluralidad de recursos basados en inversor para ajustar dinámicamente desviaciones en al menos una de la instrucción de referencia de frecuencia y la instrucción de referencia de voltaje después de la estabilización.

[0029] En aún otro aspecto, la presente divulgación está dirigida a un procedimiento para operar una pluralidad de recursos basados en inversor de formación de red conectados en paralelo a una red de potencia. Cada uno de la pluralidad de recursos basados en inversor tiene una máquina asíncrona. El procedimiento incluye seleccionar dinámicamente un primer conjunto de la pluralidad de recursos basados en inversor para proporcionar el control de formación de red y seleccionar dinámicamente un segundo conjunto de la pluralidad de recursos basados en inversor para proporcionar control de seguimiento de red.

[0030] Se debe entender que el sistema de potencia de turbina eólica puede incluir además cualquiera de los rasgos característicos y/o etapas adicionales como se describe en el presente documento.

[0031] Estos y otros rasgos característicos, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor con referencia a la siguiente descripción y reivindicaciones adjuntas. Los dibujos adjuntos, que se incorporan en y constituyen una parte de esta memoria descriptiva, ilustran modos de realización de la invención y, conjuntamente con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención.

Breve descripción de los dibujos

[0032] Una divulgación completa y suficiente de la presente invención, incluyendo el mejor modo de la misma, dirigida a un experto en la técnica, se expone en la memoria descriptiva, que hace referencia a las figuras adjuntas, en las que:

la FIG. 1 ilustra un diagrama unifilar de un generador de turbina eólica doblemente alimentado con estructura de controles de convertidor para aplicación de seguimiento de red de acuerdo con la construcción convencional;

la FIG. 2 ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de un circuito principal de un sistema de formación de red de acuerdo con la construcción convencional;

la FIG. 3 ilustra un diagrama de control para proporcionar control de formación de red de acuerdo con la construcción convencional;

la FIG. 4 ilustra una vista en perspectiva de un modo de realización de una turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 5 ilustra una vista interna simplificada de un modo de realización de una góndola de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 6 ilustra una vista esquemática de un modo de realización de un sistema de potencia eléctrica de turbina eólica adecuado para su uso con la turbina eólica mostrada en la FIG. 1;

la FIG. 7 ilustra una vista esquemática de un modo de realización de un parque eólico que tiene una pluralidad de turbinas eólicas de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 8 ilustra un diagrama de bloques de un modo de realización de un controlador de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 9 ilustra un diagrama de flujo de un modo de realización de un procedimiento para operar al menos un recurso basado en inversor que tiene una máquina asíncrona conectada a una red de potencia como una máquina síncrona virtual para proporcionar control de formación de red del recurso basado en inversor de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 10 ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de un sistema para operar al menos un recurso basado en inversor que tiene una máquina asíncrona conectada a una red de potencia como una máquina síncrona virtual para proporcionar control de formación de red del recurso basado en inversor de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 11 ilustra un diagrama esquemático de otro modo de realización de un sistema para operar al menos un recurso basado en inversor que tiene una máquina asíncrona conectada a una red de potencia como una máquina síncrona virtual para proporcionar control de formación de red del recurso basado en inversor de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 12 ilustra un diagrama esquemático de aún otro modo de realización de un sistema para operar al menos un recurso basado en inversor que tiene una máquina asíncrona conectada a una red de potencia como una máquina síncrona virtual para proporcionar control de formación de red del recurso basado en inversor de acuerdo con la presente divulgación;

las FIGS. 13A-13D ilustran diversos gráficos para representar ventajas del control de frecuencia de formación de red de acuerdo con la presente divulgación;

las FIGS. 14A-14D ilustran diversos gráficos para representar ventajas del control de voltaje de formación de red de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 15 ilustra una vista esquemática de un modo de realización de una pluralidad de recursos basados en inversor conectados a una red de potencia en paralelo de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 16 ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de un sistema para operar al menos un recurso basado en inversor que tiene una máquina asíncrona conectada a una red de potencia como una máquina síncrona virtual para proporcionar control de formación de red del recurso basado en inversor de acuerdo con la presente divulgación, que ilustra particularmente el control de caída(“droop control’’)del sistema;

la FIG. 17 ilustra una vista esquemática de otro modo de realización de una pluralidad de recursos basados en inversor conectados a una red de potencia en paralelo de acuerdo con la presente divulgación, que ilustra particularmente un módulo selector dinámico acoplado comunicativamente a cada uno de los recursos basados en inversor; y

la FIG. 18 ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de un sistema para operar al menos un recurso basado en inversor que tiene una máquina asíncrona conectada a una red de potencia como una máquina síncrona virtual para proporcionar control de formación de red del recurso basado en inversor de acuerdo con la presente divulgación, que ilustra particularmente el módulo selector dinámico que se comunica con un regulador de potencia del sistema.

Descripción detallada

[0033] Ahora se hará referencia en detalle a modos de realización de la invención, de los que uno o más ejemplos se ilustran en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la invención, no de limitación de la invención. De hecho, será evidente para los expertos en la técnica que se pueden realizar diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance o espíritu de la invención. Por ejemplo, se pueden usar rasgos característicos ilustrados o descritos como parte de un modo de realización con otro modo de realización para proporcionar todavía otro modo de realización. Por tanto, se pretende que la presente invención cubra dichas modificaciones y variaciones que entran dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas y sus equivalentes.

[0034] En general, la presente divulgación está dirigida a sistemas y procedimientos para operar un recurso basado en inversor que tiene una máquina asíncrona conectada a una red de potencia como una máquina síncrona virtual para proporcionar control de formación de red del recurso basado en inversor. Como se usan en el presente documento, recursos basados en inversor generalmente se refieren a dispositivos eléctricos que pueden generar o absorber potencia eléctrica mediante la conmutación de dispositivos electrónicos de potencia. En consecuencia, los recursos basados en inversor pueden incluir generadores de turbina eólica, inversores solares, sistemas de almacenamiento de energía, STATCOM o sistemas hidroeléctricos. Por ejemplo, en un modo de realización, el recurso basado en inversor puede ser un sistema de potencia de turbina eólica que tiene un convertidor del lado de rotor, un convertidor del lado de línea y un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG) conectado a la red de potencia. Por tanto, en dichos modos de realización, el control de convertidor del lado de rotor se puede modificar para emular el DFIG como una máquina síncrona. En particular, la estrategia de control del convertidor del lado de rotor se puede cambiar desde un control independiente de potencia activa y reactiva (P, Q) a un control de voltaje/frecuencia. Por tanto, en dichos modos de realización, el bucle de frecuencia controla cualquier desviación en la frecuencia de red de forma instantánea. Se introduce un cambio proporcional en la corriente de rotor de eje 'q' para detener las perturbaciones en la frecuencia de red. Además, el bucle de control de voltaje controla cualquier desviación en la magnitud de voltaje de red de forma instantánea. Se introduce un cambio proporcional en la corriente de rotor de eje 'd' para detener las perturbaciones en la magnitud de voltaje de red. En consecuencia, la estructura de control completa se puede ejecutar en un sistema de referencia que rota sincrónicamente con respecto al vector espacial de red. Por tanto, el enfoque de control vectorial se mantiene e imparte un control instantáneo de voltaje y frecuencia limitado únicamente por la frecuencia de conmutación del convertidor de potencia.

[0035] En referencia ahora a los dibujos, la FIG. 4 ilustra una vista en perspectiva de un modo de realización de una turbina eólica 10 de acuerdo con la presente divulgación. Como se muestra, la turbina eólica 10 en general incluye una torre 12 que se extiende desde una superficie de soporte 14, una góndola 16 montada en la torre 12 y un rotor 18 acoplado a la góndola 16. El rotor 18 incluye un buje rotatorio 20 y al menos una pala de rotor 22 acoplada a y que se extiende hacia fuera del buje 20. Por ejemplo, en el modo de realización ilustrado, el rotor 18 incluye tres palas de rotor 22. Sin embargo, en un modo de realización alternativo, el rotor 18 puede incluir más o menos de tres palas de rotor 22. Cada pala de rotor 22 se puede espaciar alrededor del buje 20 para facilitar la rotación del rotor 18 para posibilitar que la energía cinética se transfiera, a partir del viento, en energía mecánica utilizable y, posteriormente, en energía eléctrica. Por ejemplo, el buje 20 puede acoplarse de forma rotativa a un generador eléctrico 24 (FIG. 5) situado dentro de la góndola 16 para permitir que se produzca energía eléctrica.

[0036] La turbina eólica 10 también puede incluir un controlador de turbina eólica 26 centralizado dentro de la góndola 16. Sin embargo, en otros modos de realización, el controlador 26 se puede localizar dentro de cualquier otro componente de la turbina eólica 10 o en una localización fuera de la turbina eólica 10. Además, el controlador 26 se puede acoplar de forma comunicativa a cualquier número de componentes de la turbina eólica 10 para controlar la operación de dichos componentes y/o implementar una acción correctora o de control. Como tal, el controlador 26 puede incluir un ordenador u otra unidad de procesamiento adecuada. Por tanto, en varios modos de realización, el controlador 26 puede incluir instrucciones legibles por ordenador adecuadas que, cuando se implementan, configuran el controlador 26 para realizar diversas funciones diferentes, tales como recibir, transmitir y/o ejecutar señales de control de turbina eólica. En consecuencia, el controlador 26 se puede configurar en general para controlar los diversos modos de operación (por ejemplo, secuencias de arranque o de parada), reducir o aumentar la capacidad de la turbina eólica y/o componentes individuales de la turbina eólica 10.

[0037] En referencia ahora a la FIG. 5, se ilustra una vista interna simplificada de un modo de realización de la góndola 16 de la turbina eólica 10 mostrada en la FIG. 4. Como se muestra, un generador 24 se puede disponer dentro de la góndola 16 y soportar encima de una bancada 46. En general, el generador 24 se puede acoplar al rotor 18 para producir potencia eléctrica a partir de la energía de rotación generada por el rotor 18. Por ejemplo, como se muestra en el modo de realización ilustrado, el rotor 18 puede incluir un eje de rotor 34 acoplado al buje 20 para su rotación con el mismo. El eje de rotor 34, a su vez, se puede acoplar de forma rotatoria a un eje de generador 36 del generador 24 a través de una multiplicadora 38. Como se entiende en general, el eje de rotor 34 puede proporcionar una entrada de par de torsión alto y velocidad baja a la multiplicadora 38 en respuesta a la rotación de las palas de rotor 22 y del buje 20. La multiplicadora 38 se puede configurar a continuación para convertir la entrada de par de torsión alto de velocidad baja en una salida de par de torsión bajo de velocidad alta para accionar el eje de generador 36 y, por tanto, el generador 24.

[0038]La turbina eólica 10 también puede acoplar uno o más mecanismos de accionamiento depitch32 comunicativamente al controlador de turbina eólica 26, estando configurado cada mecanismo de ajuste depitch32 para rotar un rodamiento depitch40 y por tanto la(s) pala(s) de rotor individual(es) 22 alrededor de su respectivo eje depitch28. Además, como se muestra, la turbina eólica 10 puede incluir uno o más mecanismos de accionamiento de orientación 42 configurados para cambiar el ángulo de la góndola 16 con respecto al viento (por ejemplo, acoplando un rodamiento de orientación 44 de la turbina eólica 10 que se dispone entre la góndola 16 y la torre 12 de la turbina eólica 10).

[0039]Además, la turbina eólica 10 también puede incluir uno o más sensores 66, 68 para monitorizar diversas condiciones de viento de la turbina eólica 10. Por ejemplo, se puede medir la dirección de viento entrante 52, velocidad de viento o cualquier otra condición de viento adecuada cerca de la turbina eólica 10, tal como a través del uso de un sensor meteorológico adecuado 66. Los sensores meteorológicos adecuados pueden incluir, por ejemplo, dispositivos de detección y medición por luz ("LIDAR"), dispositivos de detección y medición por sonido ("SODAR"), anemómetros, veletas, barómetros, dispositivos de radar (tales como dispositivos de radar Doppler) o cualquier otro dispositivo sensor que puede proporcionar información direccional de viento ahora conocida o desarrollada posteriormente en la técnica. Se pueden utilizar todavía otros sensores 68 para medir parámetros operativos adicionales de la turbina eólica 10, tales como voltaje, corriente, vibración, etc., como se describe en el presente documento.

[0040]En referencia ahora a la FIG. 6, se ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de un sistema de potencia de turbina eólica 100 de acuerdo con aspectos de la presente divulgación. Aunque la presente divulgación se describirá en general en el presente documento con referencia a la turbina eólica 10 mostrada en la FIG. 4, los expertos en la técnica, usando las divulgaciones proporcionadas en el presente documento, deben entender que los aspectos de la presente divulgación también pueden ser aplicables a otros sistemas de generación de potencia y, como se menciona anteriormente, que la invención no se limita a sistemas de turbina eólica.

[0041]En el modo de realización de la FIG. 6 y como se mencionó, el rotor 18 de la turbina eólica 10 (FIG. 4) puede, opcionalmente, estar acoplado a la multiplicadora 38, que, a su vez, está acoplada a un generador 102, que puede ser un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG). Como se muestra, el DFIG 102 se puede conectar a un bus de estátor 104. Además, como se muestra, un convertidor de potencia 106 se puede conectar al DFIG 102 por medio de un bus de rotor 108 y al bus de estátor 104 por medio de un bus de lado de línea 110. Como tal, el bus de estátor 104 puede proporcionar una potencia multifásica de salida (por ejemplo, potencia trifásica) desde un estátor del DFIG 102, y el bus de rotor 108 puede proporcionar una potencia multifásica de salida (por ejemplo, potencia trifásica) desde un rotor del DFIG 102. El convertidor de potencia 106 también puede incluir un convertidor de lado de rotor (RSC) 112 y un convertidor de lado de línea (LSC) 114. El DFIG 102 se acopla por medio del bus de rotor 108 al convertidor de lado de rotor 112. Adicionalmente, el RSC 112 se acopla al LSC 114 por medio de un enlace de CC 116 a través del que hay un condensador de enlace de CC 118. El LSC 114, a su vez, se acopla a un bus de lado de línea 110.

[0042]El RSC 112 y el LSC 114 se pueden configurar para el modo de operación normal en una disposición de modulación por ancho de pulso (PWM) trifásica usando uno o más dispositivos de conmutación, tales como elementos de conmutación de transistor bipolar de puerta aislada (IGBT). Además, el convertidor de potencia 106 se puede acoplar a un controlador de convertidor 120 para controlar la operación del convertidor de lado de rotor 112 y/o del convertidor de lado de línea 114 como se describe en el presente documento. Cabe destacar que el controlador de convertidor 120 se puede configurar como una interfaz entre el convertidor de potencia 106 y el controlador de turbina 26 y puede incluir un número cualquiera de dispositivos de control.

[0043]En configuraciones típicas, también se pueden incluir diversos interruptores de línea y disyuntores de circuito, incluyendo, por ejemplo, un disyuntor de red 122 para aislar los diversos componentes según sea necesario para la operación normal del DFIG 102 durante la conexión a y desconexión de una carga, tal como la red eléctrica 124. Por ejemplo, un disyuntor de circuito de sistema 126 puede acoplar un bus de sistema 128 a un transformador 130, que se puede acoplar a la red eléctrica 124 por medio del disyuntor de red 122. En modos de realización alternativos, los fusibles pueden reemplazar algunos o todos los disyuntores de circuito.

[0044]En operación, la potencia de corriente alterna generada en el DFIG 102 al rotar el rotor 18 se proporciona a la red eléctrica 124 por medio de vías dobles definidas por el bus de estátor 104 y el bus de rotor 108. En el lado de bus de rotor 108, se proporciona potencia de corriente alterna (CA) multifásica (por ejemplo, trifásica) sinusoidal al convertidor de potencia 106. El convertidor de potencia de lado de rotor 112 convierte la potencia de CA proporcionada desde el bus de rotor 108 en potencia de corriente continua (CC) y proporciona la potencia de CC al enlace de CC 116. Como se entiende en general, los elementos de conmutación (por ejemplo, IGBT) usados en los circuitos en derivación del convertidor de potencia de lado de rotor 112 se pueden modular para convertir la potencia de CA proporcionada desde el bus de rotor 108 en potencia de CC adecuada para el enlace de CC 116.

[0045]Además, el convertidor de lado de línea 114 convierte la potencia de CC en el enlace de CC 116 en potencia de salida de CA adecuada para la red eléctrica 124. En particular, los elementos de conmutación (por ejemplo, IGBT) usados en circuitos en derivación del convertidor de potencia de lado de línea 114 se pueden modular para convertir la potencia de CC en el enlace de CC 116 en potencia de CA en el bus de lado de línea 110. La potencia de CA del convertidor de potencia 106 se puede combinar con la potencia del estátor del DFIG 102 para proporcionar potencia multifásica (por ejemplo, potencia trifásica) que tiene una frecuencia mantenida sustancialmente a la frecuencia de la red eléctrica 124 (por ejemplo, 50 Hz o 60 Hz).

[0046]Adicionalmente, diversos disyuntores de circuito y conmutadores, tales como el disyuntor de red 122, disyuntor de sistema 126, conmutador de sincronización de estátor 132, disyuntor de convertidor 134 e interruptor de línea 136 se pueden incluir en el sistema de potencia de turbina eólica 100 para conectar o desconectar los correspondientes buses, por ejemplo, cuando el flujo de corriente es excesivo y puede dañar a los componentes del sistema de potencia de turbina eólica 100 o por otras consideraciones operativas. También se pueden incluir componentes de protección adicionales en el sistema de potencia de turbina eólica 100.

[0047]Además, el convertidor de potencia 106 puede recibir señales de control desde, por ejemplo, el sistema de control local 176 por medio del controlador de convertidor 120. Las señales de control se pueden basar, entre otras cosas, en estados detectados o características de operación del sistema de potencia de turbina eólica 100. Típicamente, las señales de control proporcionan el control de la operación del convertidor de potencia 106. Por ejemplo, la retroalimentación en forma de una velocidad detectada del DFIG 102 se puede usar para controlar la conversión de la potencia de salida del bus de rotor 108 para mantener un suministro de potencia multifásica (por ejemplo, trifásica) apropiado y equilibrado. También se puede usar otra retroalimentación de otros sensores por el/los controlador(es) 120, 26 para controlar el convertidor de potencia 106, incluyendo, por ejemplo, retroalimentaciones de corriente y voltajes de bus de rotor y estátor. Usando las diversas formas de información de retroalimentación, se pueden generar señales de control de conmutación (por ejemplo, instrucciones de temporización de puerta para IGBT), señales de control de sincronización de estátor y señales de disyuntor de circuito.

[0048]El convertidor de potencia 106 también compensa o ajusta la frecuencia de la potencia trifásica del rotor para cambios, por ejemplo, en la velocidad del viento en el buje 20 y las palas de rotor 22. Por lo tanto, las frecuencias de rotor mecánicas y eléctricas se desacoplan y la coincidencia de frecuencias eléctricas de estátor y rotor se facilita de forma sustancialmente independiente de la velocidad de rotor mecánica.

[0049]Bajo algunos estados, las características bidireccionales del convertidor de potencia 106, y específicamente, las características bidireccionales del LSC 114 y RSC 112, facilitan la retroalimentación de al menos parte de la potencia eléctrica generada al rotor de generador. Más específicamente, la potencia eléctrica se puede transmitir desde el bus de estátor 104 al bus de lado de línea 110 y posteriormente a través del interruptor de línea 136 y al convertidor de potencia 106, específicamente el LSC 114 que actúa como un rectificador y rectifica la potencia de CA trifásica sinusoidal a potencia de CC. La potencia de CC se transmite hacia el enlace de CC 116. El condensador 118 facilita la mitigación de las variaciones de amplitud del voltaje del enlace de CC facilitando la mitigación de un rizado de CC a veces asociado con una rectificación de CA trifásica.

[0050]La potencia de CC se transmite posteriormente al RSC 112 que convierte la potencia eléctrica de CC en una potencia eléctrica de CA sinusoidal trifásica ajustando voltajes, corrientes y frecuencias. Esta conversión se monitoriza y controla por medio del controlador de convertidor 120. La potencia de CA convertida se transmite desde el<r>S<c>112 por medio del bus de rotor 108 al rotor de generador. De esta manera, el control de potencia reactiva de generador se facilita controlando el voltaje y la corriente de rotor.

[0051]En referencia ahora a la FIG. 7, el sistema de potencia de turbina eólica 100 descrito en el presente documento puede ser parte de un parque eólico 150. Como se muestra, el parque eólico 150 puede incluir una pluralidad de turbinas eólicas 52, incluyendo la turbina eólica 10 descrita anteriormente, y un controlador a nivel de parque global 56. Por ejemplo, como se muestra en el modo de realización ilustrado, el parque eólico 150 incluye doce turbinas eólicas, incluyendo la turbina eólica 10. Sin embargo, en otros modos de realización, el parque eólico 150 puede incluir cualquier otro número de turbinas eólicas, tal como menos de doce turbinas eólicas o más de doce turbinas eólicas. En un modo de realización, los controladores de turbina de la pluralidad de turbinas eólicas 52 se acoplan comunicativamente al controlador a nivel de parque 56, por ejemplo a través de una conexión por cable, tal como conectando el controlador de turbina 26 a través de enlaces comunicativos adecuados 54 (por ejemplo, un cable adecuado). De forma alternativa, los controladores de turbina se pueden acoplar de forma comunicativa al controlador a nivel de parque 56 a través de una conexión inalámbrica, tal como usando cualquier protocolo de comunicaciones inalámbricas adecuado conocido en la técnica. En otros modos de realización, el controlador a nivel de parque 56 se configura para enviar y recibir señales de control hacia y desde las diversas turbinas eólicas 52, tal como por ejemplo, distribuir demandas de potencia real y/o reactiva a través de las turbinas eólicas 52 del parque eólico 150.

[0052]En referencia ahora a la FIG. 8, se ilustra un diagrama de bloques de un modo de realización de componentes adecuados que se pueden incluir dentro del controlador (tal como uno cualquiera del controlador de convertidor 120, controlador de turbina 26 y/o el controlador a nivel de parque 56 descrito en el presente documento) de acuerdo con aspectos de ejemplo de la presente divulgación. Como se muestra, el controlador puede incluir uno o más procesadores 58, ordenador u otra unidad de procesamiento adecuada y dispositivo(s) de memoria asociado(s) 60 que pueden incluir instrucciones legibles por ordenador adecuadas que, cuando se implementan, configuran el controlador para realizar diversas funciones diferentes, tales como recibir, transmitir y/o ejecutar señales de control de turbina eólica (por ejemplo, realizar los procedimientos, etapas, cálculos y similares divulgados en el presente documento).

[0053]Como se usa en el presente documento, el término "procesador" no solo se refiere a circuitos integrados a los que se hace referencia en la técnica como incluidos en un ordenador, sino que también se refiere a un controlador, un microcontrolador, un microordenador, un controlador de lógica programable (PLC), un circuito integrado específico de la aplicación y otros circuitos programables. Adicionalmente, el(los) dispositivo(s) de memoria 60 puede(n) incluir en general elemento(s) de memoria, incluyendo, pero sin limitarse a, medio legible por ordenador (por ejemplo, una memoria de acceso aleatorio (RAM)), medio no volátil legible por ordenador (por ejemplo, una memoriaflash),un disco flexible, una memoria de solo lectura en disco compacto (CD-ROM), un disco magnetoóptico (MOD), un disco versátil digital (DVD) y/u otros elementos de memoria adecuados.

[0054]Dicho(s) dispositivo(s) de memoria 60 se puede(n) configurar en general para almacenar instrucciones legibles por ordenador adecuadas que, cuando se implementan por el/los procesador(es) 58, configuran el controlador para realizar diversas funciones como se describe en el presente documento. Adicionalmente, el controlador también puede incluir una interfaz de comunicaciones 62 para facilitar las comunicaciones entre el controlador y los diversos componentes de la turbina eólica 10. Una interfaz puede incluir uno o más circuitos, terminales, clavijas, contactos, conductores u otros componentes para enviar y recibir señales de control. Además, el controlador puede incluir una interfaz de sensor 64 (por ejemplo, uno o más convertidores de analógico a digital) para permitir que las señales transmitidas desde los sensores 66, 68 se conviertan en señales que se pueden entender y procesar por el(los) procesador(es) 58.

[0055]En referencia ahora a la FIG. 9 se proporciona un diagrama de flujo de un modo de realización de un procedimiento 200 para operar al menos un recurso basado en inversor que tiene una máquina asíncrona conectada a una red de potencia como una máquina síncrona virtual para proporcionar control de formación de red del recurso basado en inversor. En un modo de realización, por ejemplo, la máquina asíncrona puede incluir un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG), mientras que el recurso basado en inversor puede ser un sistema de potencia de turbina eólica que tiene al menos un convertidor de potencia. En general, el procedimiento 200 se describe en el presente documento con referencia al sistema de potencia de turbina eólica 100 de las FIGS. 4-8. Sin embargo, se debe apreciar que el procedimiento 200 divulgado se puede implementar con cualquier otro sistema de generación de potencia adecuado que tenga cualquier otra configuración adecuada. Además, aunque la FIG. 9 representa las etapas realizadas en un orden particular para propósitos de ilustración y análisis, los procedimientos analizados en el presente documento no se limitan a ningún orden o disposición particular. Un experto en la técnica, usando las divulgaciones proporcionadas en el presente documento, apreciará que diversas etapas de los procedimientos divulgados en el presente documento se pueden omitir, reorganizar, combinar y/o adaptar de diversas maneras sin desviarse del alcance de la presente divulgación.

[0056]Como se muestra en (202), el procedimiento 200 incluye recibir, por medio de un controlador, al menos una de una instrucción de referencia de frecuencia o una instrucción de referencia de voltaje desde un controlador externo. Como cuestión inicial, en modos de realización particulares, el controlador descrito en el presente documento puede incluir el controlador de turbina 26 o el controlador de convertidor 120 del sistema de potencia de turbina eólica 100. Por ejemplo, en un modo de realización, el procedimiento 200 puede incluir la recepción de la instrucción de referencia de frecuencia y/o la instrucción de referencia de voltaje desde el controlador externo en respuesta a una desviación en frecuencia o voltaje en la red de potencia.

[0057]Como se muestra en (204), el procedimiento 200 incluye determinar, por medio del controlador, al menos una señal de referencia de potencia para el recurso basado en inversor en base a al menos una de la instrucción de referencia de frecuencia o la instrucción de referencia de voltaje. Por ejemplo, en modos de realización particulares, la(s) señal(es) de referencia de potencia pueden incluir una señal de referencia de potencia activa y/o una señal de referencia de potencia reactiva.

[0058]Todavía en referencia a la FIG. 9, como se muestra en (206), el procedimiento 200 incluye generar, por medio del controlador, al menos un vector de corriente usando la(s) señal(es) de referencia de potencia. En otro modo de realización, generar el(los) vector(es) de corriente usando la(s) señal(es) de referencia de potencia puede incluir determinar al menos una señal de referencia de vector de corriente usando la(s) señal(es) de referencia de potencia y determinar el(los) vector(es) de corriente en función de la señal de referencia de vector de corriente. Además, en modos de realización particulares, el procedimiento 200 puede incluir determinar, por medio del controlador, el(los) vector(es) de corriente en función de la señal de referencia de vector de corriente y una señal de retroalimentación de vector de corriente. Además, en modos de realización adicionales, determinar la señal de referencia de vector de corriente usando la(s) señal(es) de referencia de potencia puede incluir calcular la(s) señal(es) de referencia de vector de corriente en función de la(s) señal(es) de referencia de potencia. Por tanto, en determinados modos de realización, el(los) vector(es) de corriente cambia(n) para corregir la desviación.

[0059] Como se muestra en (208), el procedimiento 200 incluye determinar, por medio del controlador, una o más instrucciones de control de voltaje para el recurso basado en inversor usando el al menos un vector de corriente. Como se muestra en (210), el procedimiento 200 incluye controlar, por medio del controlador, el recurso basado en inversor en base a la una o más instrucciones de control de voltaje de modo que el recurso basado en inversor participe activamente en el control de al menos uno de voltaje y frecuencia en un punto de interconexión entre el recurso basado en inversor y la red de potencia en una forma de bucle cerrado. Por ejemplo, en un modo de realización, determinar la(s) instrucción(es) de control de voltaje para el recurso basado en inversor usando el(los) vector(es) de corriente puede incluir determinar, por medio del controlador, una o más instrucciones de vector de voltaje usando el(los) vector(es) de corriente.

[0060] En particular, en dichos modos de realización, determinar la(s) instrucción(es) de vector de voltaje usando el(los) vector(es) de corriente puede incluir regular, por medio de un regulador proporcional-integral del controlador, el(los) vector(es) de corriente para obtener una o más instrucciones de vector de voltaje. Además, en modos de realización adicionales, determinar la(s) instrucción(es) de control de voltaje para el recurso basado en inversor usando el(los) vector(es) de corriente puede incluir rotar, por medio del controlador, un sistema de referencia d-q de vuelta a un sistema de referencia a-b-c usando un ángulo fasorial para obtener la(s) instrucción(es) de control de voltaje para el recurso basado en inversor.

[0061] El procedimiento 200 de la FIG. 9 ahora se puede entender mejor con referencia al sistema 300 ilustrado en la FIG. 10. En particular, la FIG. 10 ilustra un diagrama de control de un modo de realización del sistema 300 para operar al menos un recurso basado en inversor 330 que tiene una máquina asíncrona conectada a una red de potencia como una máquina síncrona virtual para proporcionar control de formación de red del recurso basado en inversor. Como se muestra, el sistema 300 proporciona una estructura reguladora de potencia 302 única (en comparación con el regulador de potencia convencional 4 de la FIG. 3).

[0062] En particular, como se muestra, el regulador de potencia 302 recibe una instrucción de referencia de frecuencia wre<f>y una instrucción de referencia de voltaje V<qref>desde un controlador externo (por ejemplo, desde el controlador 156 a nivel de parque). Además, como se muestra en 304 y 306, respectivamente, la instrucción de referencia de frecuencia wre<f>y la instrucción de referencia de voltaje V<qref>puede compararse, cada una, con una señal de retroalimentación de frecuencia w y una señal de retroalimentación de voltaje V<q>, respectivamente. Por tanto, como se muestra, las comparaciones de 304 y 306 se pueden regular por medio de reguladores proporcionales integrales 308, 310 que tienen límites superior e inferior (por ejemplo, P<mín.>, P<máx>, Q<mín.>, Q<máx>) para determinar una señal de referencia de potencia activa P<re f>y una señal de referencia de potencia reactiva Q<ref>, Además, como se muestra en 312 y 314, el sistema 300 puede generar señales de referencia de vector de corriente d y q (por ejemplo, Irq<ref>e Ird<ref>) a partir de la señal de referencia de potencia activa P<ref>y una señal de referencia de potencia reactiva Q<ref>, respectivamente. Más específicamente, como se muestra, el sistema 300 puede calcular las señales de referencia de vector de corriente Irq<ref>e Ird<ref>en función de la señal de referencia de potencia activa P<ref>y una señal de referencia de potencia reactiva Q<ref>, respectivamente. En particular, en un modo de realización, la relación generalizada entre P<ref>e Irq<ref>puede venir dada por la Ecuación (1) a continuación:

Irqref = (Pref/Kj - Vd* [nclref)/Vq Ecuación (1)

Donde K<1>es una ganancia escalar,

V<d>y V<q>son vectores de voltaje en transformación d-q,

Ird<ref>e Irq<ref>son los vectores de corriente en la transformación d-q, y P<ref>es el componente de potencia real resultante.

[0063] Típicamente en el control vectorial, un vector de voltaje (por ejemplo, V<d>) se iguala a cero durante la transformación y V<4>representa la magnitud de voltaje, que es una constante en estado estacionario. Por tanto, la Ecuación (1) se simplifica de acuerdo con la Ecuación (2) a continuación:

[rqTef= (PTef/K2) Ecuación (2)

donde K2 es la nueva ganancia escalar usada en el controlador y está establecida para optimizar la acción de control.

[0064]De manera similar, la relación simplificada entre Irdref y Qrefse puede obtener usando la Ecuación (3) a continuación:

[ r d „ f = (Q™f/K 3) Ecuación (3)

donde K3 es una ganancia escalar.

[0065]Todavía en referencia a la FIG. 10, como se muestra en 316 y 318, el sistema 300 puede comparar, a continuación, las señales de referencia de vector de corriente Irqref e Irdref con respectivas señales de retroalimentación de vector de corriente Irq e Ird, que se obtienen después de aplicar la transformación d-q al sistema de referencia a-b-c. Por tanto, en determinados modos de realización, los vectores de corriente (es decir, las salidas 320, 322) cambian para corregir una desviación en la frecuencia y/o voltaje en la red de potencia. En particular, las salidas 320, 322 de las comparaciones se pueden regular por medio de reguladores proporcionales integrales 324, 326 para determinar instrucciones de vector de voltaje Vrq y Vrd. El sistema de referencia d-q de las instrucciones de vector de voltaje Vrq y Vrd se puede rotar de nuevo al sistema de referencia a-b-c usando un ángulo fasorial 0 para obtener al menos una o más instrucción(es) de control de voltaje (por ejemplo, Vrinvabc) para el recurso basado en inversor. En consecuencia, el regulador de potencia 302 opera el recurso basado en inversor en base a la(s) instrucción(es) de control de voltaje Vrinvabc de modo que el recurso basado en inversor participa activamente en el control de voltaje y/o frecuencia en un punto de interconexión entre el recurso basado en inversor y la red de potencia en una forma de circuito cerrado.

[0066]En referencia ahora a la FIGS. 11 y 12, y como se mencionó anteriormente, los sistemas y procedimientos de la presente divulgación pueden implementarse por medio del controlador de turbina 26 y/o el controlador de convertidor 120. Debe entenderse además que los componentes que tienen la misma numeración pretenden designar un componente común. Por ejemplo, como se muestra en 304 en la FIG. 11, la instrucción de referencia de frecuencia wref se puede comparar con la señal de retroalimentación de frecuencia w por medio del controlador de convertidor 120. Además, como se muestra, el controlador de convertidor 120 puede regular, a continuación, la comparación por medio del regulador proporcional integral 308. La salida del regulador 308 puede enviarse, a continuación, al controlador de turbina 26. Por tanto, como se muestra, el controlador de turbina 26 puede determinar, a continuación, una referencia de par de torsión Tref que se puede enviar de vuelta al controlador de convertidor 120. Como se muestra en 315, el controlador de convertidor 120 puede calcular la señal de referencia de vector de corriente Irq ref en función de la referencia de par de torsión Tref. La señal de referencia de vector de corriente Irdref se genera de la misma manera que se muestra en la FIG. 10. Por tanto, el controlador de convertidor 120 continúa generando la(s) instrucción(es) de control de voltaje Vrinvabc como se muestra con respecto a la FIG. 10.

[0067]En otro modo de realización, como se muestra en la FIG. 12, como se muestra en 304, la instrucción de referencia de frecuencia wref se puede comparar con la señal de retroalimentación de frecuencia w por medio del controlador de turbina 26. Además, como se muestra, el controlador de turbina 26 puede regular, a continuación, la comparación por medio del regulador proporcional integral 308. La referencia de potencia activa Pref del regulador 308 se puede usar, a continuación, para determinar una referencia de par de torsión Tref. La referencia de par de torsión Tref puede enviarse, a continuación, al controlador de convertidor 120. Como se muestra en 315, el controlador de convertidor 120 puede calcular la señal de referencia de vector de corriente Irq ref en función de la referencia de par de torsión Tref. La señal de referencia de vector de corriente Irdref se genera de la misma manera que se muestra en la FIG. 10. Por tanto, el controlador de convertidor 120 continúa generando la(s) instrucción(es) de control de voltaje Vrinvabc como se muestra con respecto a la FIG. 10.

[0068]En referencia ahora a la FIGS. 13A-14D, se proporcionan diversos gráficos para ilustrar el control de frecuencia (FIGS. 13A-13D) y de voltaje (FIGS. 14A-14D) de acuerdo con la presente divulgación. En referencia, en particular, a la FIG. 13A, se proporciona un punto de referencia de los diversos vectores de voltaje y corriente. La FIG. 13B ilustra el cambio en los vectores de voltaje y corriente cuando la red de potencia introduce una perturbación de frecuencia. La FIG. 13C ilustra los vectores de voltaje y corriente del recurso basado en inversor que se está controlando de acuerdo con los siguientes conceptos de red convencionales, que tienen como objetivo cumplir con las consignas de potencia activa y reactiva y no restauran la frecuencia de red. Por el contrario, la FIG.

13D ilustra los vectores de voltaje y corriente del recurso basado en inversor que se está controlando de acuerdo con los conceptos de formación de red descritos en el presente documento, que tienen como objetivo restaurar la frecuencia de la red de potencia enviando potencia adicional a la misma. En tales casos, para el procedimiento de seguimiento de red, el vector de corriente de rotor permanece igual, mientras que, para el procedimiento de formación de red, el vector de corriente de rotor cambia para corregir la frecuencia de red. En ambos casos, como se muestra, el vector de voltaje de rotor se cambia para compensar los cambios.

[0069]En referencia ahora a la FIG. 14A, se proporciona un punto de referencia de los diversos vectores de voltaje y corriente. La FIG. 14B ilustra el cambio en los vectores de voltaje y corriente cuando la red de potencia introduce una perturbación de voltaje. La FIG. 14C ilustra los vectores de voltaje y corriente del recurso basado en inversor que se está controlando de acuerdo con los siguientes conceptos de red convencionales, que tienen como objetivo cumplir con las consignas de potencia activa y reactiva y no restauran el voltaje de red. Por el contrario, la FIG. 14D ilustra los vectores de voltaje y corriente del recurso basado en inversor que se está controlando de acuerdo con los conceptos de formación de red descritos en el presente documento, que tienen como objetivo restaurar el voltaje de la red de potencia enviando potencia reactiva adicional a la misma. En tales casos, para el procedimiento de seguimiento de red, el vector de corriente de rotor permanece igual, mientras que, para el procedimiento de formación de red, el vector de corriente de rotor cambia para corregir el voltaje de red.

[0070]En referencia ahora a la FIGS. 15 y 16, los sistemas y procedimientos descritos en el presente documento se pueden aplicar a una pluralidad de recursos basados en inversor 330 conectados en paralelo a la red de potencia 332. Por tanto, como se muestra en particular en la FIG. 16, el sistema 300 de cada uno de los recursos basados en inversor 330 (tal como el control de convertidor de lado de rotor) puede estar provisto de control de caída. Como se usa en el presente documento, el control de caída generalmente se refiere a un procedimiento para simular características de caída de un generador. Por tanto, el procedimiento de control es generalmente aplicable cuando se conectan en paralelo múltiples inversores sin línea de comunicación. Por ejemplo, en determinados casos, el control de caída puede incluir que cada inversor autodetecte su propia potencia de salida y a continuación ajuste la misma contra la amplitud de voltaje de salida de referencia y la frecuencia obtenida al llevar a cabo el control de caída, para realizar una asignación razonable de potencia activa y potencia reactiva del sistema 300. Por tanto, en caso de cambios de voltaje y frecuencia de la red, cada recurso distribuido es capaz de ajustar automáticamente la potencia activa y la potencia reactiva de salida y participa en la regulación de voltaje y frecuencia de red.

[0071]Además, en modos de realización particulares, como se muestra en la FIG. 16, el control de caída descrito en el presente documento puede incluir, al menos, una primera función de característica de caída 334 que relaciona la frecuencia con la caída de potencia activa y una segunda función de característica de caída 336 que relaciona un componente de eje 'q' de voltaje de red con la caída de potencia reactiva. Por tanto, como se muestra, el regulador de potencia 302 puede determinar la instrucción de referencia de frecuencia w<re>y la instrucción de referencia de voltaje V<qref>para la pluralidad de recursos basados en inversor 330 en base a la potencia instantánea (por ejemplo, P<m>y Q<m>) y la primera función de característica de caída 334 y la segunda función de característica de caída 336, respectivamente. En consecuencia, en dichos modos de realización, las primera y segunda funciones de característica de caída 334, 336 permiten que la pluralidad de recursos basados en inversor 330 participen en el control del voltaje y la frecuencia en proporción a la respectiva instrucción de referencia de frecuencia y la instrucción de referencia de voltaje. En particular, el sistema 300 está configurado para variar dinámicamente la instrucción de referencia de frecuencia y/o la instrucción de referencia de voltaje para la pluralidad de recursos basados en inversor 330 para alterar una proporción de respuesta a un evento de red y para conformar una respuesta transitoria después del evento de red.

[0072]Además, y todavía en referencia a la FIG. 16, el sistema 300 puede incluir además un bucle de control secundario 338 para modificar la característica de caída. Además, como se muestra, el bucle de control secundario 338 del sistema 300 puede modificar la instrucción de referencia de frecuencia y/o la instrucción de referencia de voltaje para la pluralidad de recursos basados en inversor 330 para ajustar dinámicamente las desviaciones en al menos una de la instrucción de referencia de frecuencia y la instrucción de referencia de voltaje después de la estabilización, por ejemplo, usando Akf y AkV.

[0073]En referencia ahora a la FIGS. 17 y 18, en otro modo de realización, el sistema 300 puede incluir un módulo selector dinámico 340 capaz de seleccionar dinámicamente un primer conjunto de la pluralidad de recursos basados en inversor 330 para proporcionar el control de formación de red y seleccionar dinámicamente un segundo conjunto de la pluralidad. de recursos basados en inversor 330 para proporcionar control de seguimiento de red, por ejemplo, de modo que todo el parque eólico pueda emularse como una máquina síncrona. Por tanto, como se muestra en particular en la FIG. 18, cada uno de los reguladores de potencia 302 puede recibir entrada desde el módulo selector dinámico 340 para indicar al regulador 302 si operar de acuerdo con esquemas de control de seguimiento de red o de formación de red. Más específicamente, como se muestra, cada uno de los reguladores de potencia 302 puede incluir al menos un conmutador 342, 344 para cambiar entre esquemas de control de seguimiento de red y de formación de red.

[0074]En modos de realización adicionales, el módulo selector dinámico 340 puede seleccionar si operar determinados recursos basados en inversor 330 usando control de seguimiento de red o control de formación de red en base a determinadas condiciones, tales como condiciones del viento (por ejemplo, velocidad del viento, dirección del viento, estela, etc.), corriente de salida generada, la distancia desde la subestación, el almacenamiento disponible o cualquier otro parámetro adecuado.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento (200) para operar una pluralidad de recursos basados en inversor (100), teniendo cada uno una máquina asíncrona (102) conectada a una red de potencia (124) para proporcionar control de formación de red de los recursos basados en inversor (100), comprendiendo el procedimiento:

seleccionar dinámicamente un primer conjunto de la pluralidad de recursos basados en inversor (100) para proporcionar el control de formación de red, y un segundo conjunto de la pluralidad de recursos basados en inversor (100) para proporcionar un control de seguimiento de red, comprendiendo el primer conjunto al menos un recurso basado en inversor (100);

recibir, por medio de un controlador (26), al menos una de una instrucción de referencia de frecuencia (wre<f>) o una instrucción de referencia de voltaje (V<qref>) desde un controlador externo (156) para el al menos un recurso basado en inversor (100);

determinar, por medio del controlador (26), al menos una señal de referencia de potencia (P<ref>, Q<ref>) para el al menos un recurso basado en inversor (100) en base a, al menos, una de la instrucción de referencia de frecuencia (wre<f>) o la instrucción de referencia de voltaje (V<qref>);

generar, por medio del controlador (26), al menos un vector de corriente (Irqre<f>, Ird<ref>) usando la al menos una señal de referencia de potencia (P<ref>, Q<ref>);

determinar, por medio del controlador (26), una o más instrucciones de control de voltaje (Vrinvabc) para el al menos un recurso basado en inversor (100) usando el al menos un vector de corriente (Irq<ref>, Ird<ref>); controlar, por medio del controlador (26), el al menos un recurso basado en inversor (100) en base a la una o más instrucciones de control de voltaje (Vrinvabc) de modo que el al menos un recurso basado en inversor (100) participe activamente en el control de al menos uno de voltaje y frecuencia en un punto de interconexión entre el al menos un recurso basado en inversor (100) y la red de potencia (124) en una forma de bucle cerrado.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el control de formación de red emula la máquina asíncrona (102) como una máquina síncrona virtual.

3. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además recibir al menos una de la instrucción de referencia de frecuencia (wre<f>) o la instrucción de referencia de voltaje (V<qref>) desde el controlador externo (156) en respuesta a una desviación en al menos uno de frecuencia o voltaje en la red de potencia (124), en el que el al menos un vector de corriente (Irq<ref>, Ird<ref>) cambia para corregir la desviación.

4. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que generar el al menos un vector de corriente (Irq<ref>, Ird<ref>) usando la al menos una señal de referencia de potencia (P<ref>, Q<ref>) comprende además:

determinar, por medio del controlador (26), al menos una señal de referencia de vector de corriente (Irq<ref>, Ird<ref>) usando la al menos una señal de referencia de potencia (P<ref>, Q<ref>); y

determinar, por medio del controlador (26), el al menos un vector de corriente en función de la señal de referencia de vector de corriente (Irq<ref>, Ird<ref>).

5. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que determinar la al menos una señal de referencia de vector de corriente (Irq<ref>, Ird<ref>) usando la al menos una señal de referencia de potencia (P<ref>, Q<ref>) comprende además:

calcular, por medio del controlador (26), al menos una señal de referencia de vector de corriente (Irq<ref>, Ird<ref>) en función de la al menos una señal de referencia de potencia (P<ref>, Q<ref>) y una ganancia escalar (K<1>, K<2>, K<3>).

6. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que determinar la una o más instrucciones de control de voltaje (Vrinvabc) para el al menos un recurso basado en inversor (100) usando el al menos un vector de corriente (Irq<ref>, Ird<ref>) comprende además:

determinar, por medio del controlador (26), una o más instrucciones de vector de voltaje (Vrq, Vrd) usando el al menos un vector de corriente (Irq<ref>, Ird<ref>).

7. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que determinar la una o más instrucciones de vector de voltaje (Vrq, Vrd) usando el al menos un vector de corriente (Irq<ref>, Ird<ref>) comprende además:

regular, por medio de un regulador proporcional-integral del controlador, el al menos un vector de corriente (Irq<ref>, Ird<ref>) para obtener una o más instrucciones de vector de voltaje (Vrq, Vrd).

8. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que determinar la una o más instrucciones de control de voltaje (Vrinvabc) para el al menos un recurso basado en inversor (100) usando el al menos un vector de corriente (Irq<ref>, Ird<ref>) comprende además:

rotar, por medio del controlador (26), un sistema de referencia d-q del al menos un vector de corriente (Irq<ref>, Ird<ref>) de regreso a un sistema de referencia a-b-c usando un ángulo fasorial (0) para obtener la una o más instrucciones de control de voltaje (Vrinvabc) para el al menos un recurso basado en inversor (100).

9. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además determinar, por medio del controlador (26), el al menos un vector de corriente (Irq<ref>, Ird<ref>) en función de la al menos una señal de referencia de vector de corriente (Irq<ref>, Ird<ref>) y una señal de retroalimentación del vector de corriente.

10. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la al menos una señal de referencia de potencia (P<ref>, Q<ref>) comprende una señal de referencia de potencia activa (P<ref>) y una señal de referencia de potencia reactiva (Q<ref>).

11. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el al menos un recurso basado en inversor (100) comprende una pluralidad de recursos basados en inversor conectados en paralelo.

12. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además:

proporcionar una primera función de característica de caída (334) que relaciona la frecuencia con la caída de potencia activa y una segunda función de característica de caída (336) que relaciona un componente de eje 'q' de voltaje de red con la caída de potencia reactiva; y

determinar la instrucción de referencia de frecuencia (wre<f>) y la instrucción de referencia de voltaje (V<qref>) para la pluralidad de recursos basados en inversor (100) en base a la potencia instantánea (P<m>, Q<m>) y la primera función de característica de caída (334) y la segunda función de característica de caída (336), respectivamente,

en el que las primera y segunda funciones de característica de caída (334, 336) permiten que la pluralidad de recursos basados en inversor (100) participen en el control del voltaje y la frecuencia en proporción a la respectiva instrucción de referencia de frecuencia (wre<f>) y la instrucción de referencia de voltaje (V<qref>).

13. El procedimiento de cualquiera de la reivindicación 12, que comprende además variar dinámicamente al menos una de la instrucción de referencia de frecuencia (wre<f>) y la instrucción de referencia de voltaje (V<qref>) para que la pluralidad de recursos basados en inversor (100) altere la proporción de una respuesta de un evento de red y conforme una respuesta transitoria después del evento de red.

14. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además modificar, por medio de un bucle de control secundario (338) del controlador (26), al menos una de la instrucción de referencia de frecuencia (wre<f>) y la instrucción de referencia de voltaje (V<qref>) para que la pluralidad de recursos basados en inversor (100) se ajusten dinámicamente para las desviaciones en al menos una de la instrucción de referencia de frecuencia (wre<f>) y la instrucción de referencia de voltaje (V<qref>) después de la estabilización.

15. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que seleccionar dinámicamente el primer conjunto y el segundo conjunto se basa en determinadas condiciones de la pluralidad de recursos basados en inversor (100).