Procedimiento para la compensación de los desequilibrios en el suministro de energía eléctrica,

así como el dispositivo compensador para su puesta en práctica.Procedimiento que busca la compensación de los desequilibrios en el suministro de energía eléctrica, que puede ser implementado en dos alternativas, a) variable continuo y b) variable discreto a escalones, que consta de las siguientes etapas: Adquisición de señales, Medida de corrientes, Medidas de potencias activas y reactivas, calculo de las potencias de desequilibrio, establecimiento de un valor de referencia que puede ser el valor de los escalones de activa y reactiva o valor máximo de las corrientes de activa y reactiva y cálculo de las admitancias del compensador y de corriente del compensador en el caso de un compensador variable, donde dispositivo consta de un circuito de potencia (condensadores y bobinas) y un circuito de control (adquisición de señales y programa de medida de los desequilibrios)

Procedimiento para la compensación de los desequilibrios en el suministro de energía eléctrica, así como el dispositivo compensador para su puesta en práctica.

Objeto de la invención

El objeto al cual se refiere la invención de la presente solicitud, es un "Procedimiento para la compensación de los desequilibrios en el suministro de energía eléctrica, así como el dispositivo compensador para su puesta en prác- tica".

El Procedimiento para la compensación de los desequilibrios en el suministro de energía eléctrica, así como el dispositivo compensador para su puesta en práctica objeto de la presente invención permite equilibrar (balancear) los suministros de energía de la red eléctrica trifásica a cualquier receptor o instalación eléctrica monofásica o trifásica, con consumos energéticos variables en el tiempo. El Procedimiento también puede ser aplicado a receptores e instalaciones eléctricas, monofásicas o trifásicas, con consumos energéticos fijos.

El dispositivo compensador de desequilibrios variable, para la puesta en práctica de la presente invención, obtenido a partir del Procedimiento, puede ser implementado de dos maneras alternativas: a) variable continuo y b) variable discreto o a escalones. En este último caso, se establece el concepto de escalón de asimetría o de desequilibrio como parámetro de diseño fundamental del dispositivo compensador. Asimismo, se distinguen en el dispositivo compensador el escalón de asimetría o de desequilibrio de las cargas activas y el escalón de asimetría o de desequilibrio de las cargas reactivas.

Antecedentes de la invención

Los desequilibrios de las cargas eléctricas dan lugar a suministros de energía de distinto valor en cada fase de las redes eléctricas trifásicas. Este funcionamiento es ineficiente, ya que son necesarias mayores corrientes para transferir un determinado valor de energía útil o activa, lo cual implica un incremento de las pérdidas energéticas, por Joule, así como un incremento de la potencia necesaria de los transformadores y generadores eléctricos.

Una de las técnicas utilizadas desde antiguo para reducir estos efectos adversos de los desequilibrios es el reparto equitativo de cargas entre las tres fases de la red eléctrica. Esta medida tiene efectos limitados sobre los desequilibrios y es de difícil aplicación en baja tensión, debido a la gran diversidad de cargas eléctricas monofásicas y su empleo no coordinado.

Otra solución conocida para paliar los efectos de los desequilibrios es el empleo de "filtros activos". Estos dispositivos son convertidores electrónicos que tienen la capacidad de suministrar un sistema de corrientes igual a las corrientes de desequilibrio originadas por las cargas desequilibradas. Existen patentados un gran número de filtros activos, cuya diferencia estriba, fundamentalmente, en el circuito de control (hardware y software) necesario para la obtención de las corrientes de desequilibrio. No obstante, los filtros activos son escasamente utilizados en la mayoría de las aplicaciones industriales, debido a su elevado precio, y no suelen ser aplicados para la compensación de desequilibrios sino para la eliminación de las distorsiones armónicas.

También son conocidos los "filtros de secuencia" a tres y a cuatro hilos, patentados por la Universidad Politécnica de Valencia (ES 2 156 828 y ES 2 169 651). Se trata de dispositivos pasivos, formados por bobinas y condensadores, que son capaces de equilibrar cargas fijas. No son útiles para la compensación de los desequilibrios originados por cargas variables.

Descripción de la invención

La finalidad de la invención, que constituye el objeto de esta Patente, consiste en la superación de los inconvenientes propios de los dispositivos de compensación de los desequilibrios actualmente disponibles, precedentemente descritos, y su sustitución por compensadores de desequilibrios variables, activos y pasivos, basados en la Teoría Unificadora de la Potencia Eléctrica, desarrollada por los autores de esta invención.

El procedimiento para la compensación discreta (a escalones) de los desequilibrios en el suministro de energía eléctrica, comprende las siguientes operaciones:

1) Procesado digital de señales eléctricas

A partir de las muestras obtenidas por el Sistema físico de medida y adquisición de señales eléctricas del dispositivo, se obtienen las matrices de valores eficaces (V_z, I_z) y fases iniciales (α_vz, α_rz) de tensión e intensidad de frecuencia fundamental de cada fase (z=1,2,3) de la red eléctrica.

2) Obtención de las corrientes y potencias activas y reactivas

Con las matrices anteriores se obtienen las matrices de los valores eficaces de las corrientes activas y reactivas de cada fase de la red eléctrica (I_az, I_rz), según las siguientes expresiones:

Asimismo y en base a las matrices de tensiones y a las matrices de las corrientes activas y reactivas, se obtienen las matrices de las potencias activas y reactivas de cada fase de la red eléctrica (P_z, Q_z) como:

3) Determinación de las potencias de desequilibrio de cada fase

Cualquier variación de la corriente activa (ΔI_az) o de la potencia activa (ΔP_z) en una fase de la red eléctrica respecto del valor correspondiente al suministro equilibrado, produce un desequilibrio, cuya magnitud está definida por la potencia de desequilibrio debida a las cargas activas de dicha fase, obtenida por la expresión:

Asimismo, una variación de la corriente reactiva (ΔI_rz) o de la potencia reactiva (ΔQ_z) en cada fase de la red eléctrica respecto de los valores correspondientes al suministro equilibrado, da lugar a un desequilibrio, de valor definido por la potencia de desequilibrio causada por las cargas reactivas de dicha fase, expresada como:

La potencia de desequilibrio de cada fase de la red eléctrica define el efecto conjunto del desequilibrio provocado por las cargas activas y reactivas de cada fase. Se obtiene por cualquiera de las siguientes expresiones:

En una realización preferida de la invención, las variaciones de corrientes activas y reactivas de cada fase, necesarias determinar las potencias de desequilibrio debidas a las cargas activas y reactivas de cada fase de la red eléctrica, se obtienen por la diferencia entre la corriente activa y reactiva de cada fase (I_az, I_rz) y el valor mínimo de estas corrientes en la red eléctrica (I_{az min}, I_{rz min}):

En otra realización preferida, las variaciones de potencias activas y reactivas de cada fase, necesarias para determinar las potencias de desequilibrio debidas a las cargas activas y reactivas de cada fase de la red eléctrica, se obtienen por la diferencia entre la potencia activa y reactiva de cada fase (P_z, Q_z) y su valor mínimo (P_{z min}, Q_{z min}):

4) Establecimiento del valor del escalón de desequilibrio de las cargas activas y reactivas (A_{p esc}, A_{q esc})

Para un compensador de desequilibrio pasivo, variable a escalones, se define el escalón de desequilibrio como la menor potencia de desequilibrio que puede suministrar el compensador de desequilibrio. Cuanto más pequeño sea el escalón, tanto más precisa...

1. Procedimiento para la compensación de los desequilibrios en el suministro de energía eléctrica, caracterizado por que comprende las siguientes operaciones:

- Adquisición de señales eléctricas (A) obteniéndose N muestras de tensiones y corrientes de cada fase de la red trifásica, obteniendo unas matrices de valores eficaces (V_z, I_Z) y fases iniciales (α_vz, α_iz) de tensión e intensidad de frecuencia fundamental de cada fase (z=1,2,3) de la red eléctrica

- Medida de corrientes de las fases (B), de la medida anterior quedan definidos los fasores temporales de frecuencia fundamental de las tensiones y corrientes de las fases [(overline{V}₁, overline{V}₂, V₃), (overline{I}₁, overline{I}₂, overline{I}₃)], obteniéndose de los mismos las matrices de los valores eficaces de las corrientes activas (I_a1, I_a2, I_a3) y reactivas (I_r1, I_r2, I_r3), de frecuencia fundamental, de las corrientes de las fases (z=1,2,3), obtenidas como:

- Medida de las potencias activas y reactivas de las fases (C). A partir de los valores de las corrientes activas y reactivas de cada fase, se obtienen las potencias activas y reactivas de cada fase (z=1,2,3) como:

- Determinación de las potencias de desequilibrio de cada fase, (D)

- la potencia de desequilibrio debida a las cargas activas de dicha fase, se obtiene por la expresión:

donde (ΔI_az) representa la variación de la corriente activa y (ΔP_z) la variación de potencia activa respecto del suministro equilibrado,

- la potencia de desequilibrio debido a las cargas reactivas de dicha fase se obtiene por la expresión:

donde (ΔI_rz) representa la variación de la corriente reactiva y (ΔQ_z ) la la variación de la potencia reactiva en cada fase de la red eléctrica respecto de los valores correspondientes al suministro equilibrado,

y la potencia de desequilibrio de cada fase de la red eléctrica se obtiene por cualquiera de las siguientes expresiones:

- Establecimiento de un valor de referencia como valor tal que si se supera, un circuito de control del compensador actúa sobre unos interruptores de un circuito de potencia.

- Cálculo de las admitancias de los elementos del compensador de desequilibrio.

2. Procedimiento para la compensación de los desequilibrios en el suministro de energía eléctrica, según la reivindicación 1, caracterizado porque, las variaciones de corrientes activas y reactivas de cada fase, necesarias determinar las potencias de desequilibrio debidas a las cargas activas y reactivas de cada fase de la red eléctrica, se obtienen por la diferencia entre la corriente activa y reactiva de cada fase (I_az I_rz) y un valor mínimo de estas corrientes en la red eléctrica (I_{az min}, I_{rz min}):

3. Procedimiento para la compensación de los desequilibrios en el suministro de energía eléctrica, según la reivindicación 1, caracterizado porque las variaciones de potencias activas y reactivas de cada fase, necesarias para determinar las potencias de desequilibrio debidas a las cargas activas y reactivas de cada fase de la red eléctrica, se obtienen por la diferencia entre la potencia activa y reactiva de cada fase (P_z, Q_z) y su valor mínimo (P_{z min}, Q_{z min}):

4. Procedimiento para la compensación de los desequilibrios en el suministro de energía eléctrica, según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque para un compensador de desequilibrio variable a escalones, el valor de referencia es el valor de un escalón de desequilibrio de las cargas activas y reactivas (A_{p esc}, A_{q esc}), siendo definido como la menor potencia de desequilibrio que puede suministrar el compensador de desequilibrio, continuando el procedimiento con las siguientes etapas:

- Determinación del número de escalones de activa y de reactiva usados en cada fase (E), una vez fijadas la potencia del escalón de activa y de reactiva (A_{p esc}, A_{q esc}), donde el número de escalones se define como la parte entera del valor que, respectivamente, resulta de dividir las potencias de desequilibrio máximas debidas a las cargas activas y reactivas (A_{p max}, A_{q max}), que pueden presentarse en cualquier fase de la red eléctrica, y el valor del escalón de desequilibrio de las cargas activas y reactivas (A_pesc, A_{q esc}):

- Determinación del número de escalones de activa y reactiva que deben ser conectados en cada (N_p, N_qz) durante el funcionamiento del compensador obtenidos como la parte entera del cociente entre las potencias de desequilibrio debidas a las cargas activas y reactivas (A_pz, A_qz), medidas en cualquier instante y la potencia del escalón (A_{p esc}, A_{q esc}):

- Cálculo de las potencias de desequilibrio suministradas

5. Procedimiento para la compensación de los desequilibrios en el suministro de energía eléctrica, según la reivindicación 4 caracterizado por que para el cálculo de las admitancias de los elementos del compensador de desequilibrio, se emplean las siguientes expresiones:

En donde A^r}_pZ, A^r_qz son los valores reales de las potencias de desequilibrio suministradas por el compensador, V es el valor eficaz de las tensiones simples de las fases y j es la unidad imaginaria.

6. Procedimiento para la compensación de los desequilibrios en el suministro de energía eléctrica, según la reivindicación 4 caracterizado por que en el caso de que los escalones de activa y de reactiva están separados, las impedancias complejas de cada escalón se obtienen como:

- Escalones de activa:

- Escalones de reactiva:

El número de escalones de activa y de reactiva a conectar en esta última realización preferida está definido por N_pz y N_qz.

7. Procedimiento para la compensación de los desequilibrios en el suministro de energía eléctrica, según la reivindicación 2 ó 3 caracterizado por que en el caso de un compensador varible, el valor de referencia a establecer son los valores de referencia máximos para las variaciones de las corrientes activa (ΔI_{a max}) y reactiva (ΔI_{r max}), de tal forma que si las variaciones de corrientes activa y reactiva de cada fase (ΔI_az, ΔI_rz), obtenidas, el circuito de control del compensador continuo actúe sobre los interruptores del circuito de potencia, y donde la determinación de las admitanacias de cálculo se obtiene como:

en donde V es el valor eficaz de las tensiones de fase de la red eléctrica, j es la unidad imaginaria y las variaciones de corrientes activas y reactivas de cada fase (ΔI_az, ΔI_rz).

y en donde las las corrientes de desequilibrio suministradas por el compensador continuo (J) se obtienen a partir de los valores de las admitancias expresadas más arriba, y según las siguientes expresiones:

Expresiones en las que overline{V_z (z=1,2,3) son las tensiones de las fases de la red eléctrica, (overline{V}₁₂, overline{V}₂₃, overline{V}₃₁) son las tensiones de línea de la red eléctrica.

8. Dispositivo compensador para la puesta en práctica del procedimiento anteriormente reivindicado caracterizado porque comprende:

- un circuito de potencia formado por bobinas y condensadores variables,

- un circuito de control que está formado por:

- un sistema físico de medida y adquisición de señales eléctricas, que a su vez se compone de:

- Sensores de medida de tensión e intensidad del sistema eléctrico, encargados de medir los valores instantáneos de dichas variables.

- Acondicionadores de señal que adaptan la corriente del secundario de cada sensor, al nivel de tensión aplicable a las entradas analógicas de la tarjeta de adquisición.

- Tarjeta de adquisición, encargada de convertir las señales analógicas de tensión e intensidad, en una serie de muestras discretas que se utilizan como entrada en el programa de medida de la potencia eléctrica.

- Sistema procesador, con una placa base en la que se coloca la tarjeta de adquisición para que se puedan intercambiar las muestras discretas de las señales de tensión e intensidad, con el Programa de medida de la potencia eléctrica.

- un programa de medida de los desequilibirios que comprende los siguientes módulos:

- Módulo de adquisición, encargado de adquirir muestras de tensión e intensidad, que se guardan en un vector para cada tensión e intensidad.

- Módulo de análisis, encargado de obtener las matrices, en valor eficaz y en fase, de las tensiones e intensidades, para la frecuencia fundamental, a partir de las muestras adquiridas en el módulo anterior; obteniéndose además los valores eficaces de las intensidades activas y reactivas de cada fase, por integración numérica.

- Módulo de potencias activas y reactivas, encargado de calcular los valores de las potencias activas y reactivas de cada fase, a partir de los valores eficaces de tensiones e intensidades obtenidos en el módulo anterior.

- Módulo de desequilibrios, encargado de obtener las potencias de desequilibrio debidas a las cargas activas y reactivas a partir de las variaciones de corrientes o de las variaciones de las potencias activas y reactivas de cada fase respectyo de los valores correspondientes al sistema equilibrado.

- Módulo de escalón de desequilibrio (únicamente para compensadores discretos), encargado de determinar el número de escalones de activa y de reactiva a utilizar en cada instante, a partir de los valores obtenidos del módulo de desequilibrios y de la potencia fijada para el escalón de activa y de reactiva.

- Módulo de referencia de corrientes (únicamente para compensadores continuos), encargado de comparar las variaciones de corriente activa y reactiva de cada fase con unos valores máximos fijados como referencia.

- Módulo de admitancias, encargado de obtener los valores de las admitancias complejas de los elementos del compensador, que determinan las corrientes suministradas por el compensador.

- Módulo de corrientes suministradas (únicamente para compensadores continuos), encargado de obtener las corrientes de desequilibrio que debe suministrar el compensador, obtenidas a partir del módulo de admitancias.

9. Dispositivo compensador según la reivindicación 8 caracterizado porque las bobinas y condensadores del circuito de potencia están obtenidos a partir de un consdensador fijo y una bobina variable asociados en serie o paralelo.

10. Dispositivo compensador según la reivindicación 8 caracterizado porque las bobinas y condensadores del circuito de potencia para un compensador discreto a escalones, las bobinas y condensadores se conectan y desconectan a voluntad mediante contactores o interruptores estáticos.