La invención se refiere a un método de sincronización a una red eléctrica de transporte o distribución de convertidores de potencia.

Convencionalmente dicha sincronización se lleva a cabo mediante un módulo de bucle de enganche de fase (2), que calcula la amplitud, frecuencia y ángulo de una señal eléctrica de entrada. La invención propone alimentar el módulo de bucle de enganche de fase (2) con una señal obtenida aplicando una transformación de un sistema trifásico en ejes estacionarios a un sistema bifásico en ejes móviles a la señal eléctrica de entrada, obteniendo una primera y segunda señal transformada, aplicar un primer filtro y un segundo filtro de promediado local a la primera y segunda señal transformada, obteniendo una primera y segunda señal filtrada, aplicar una transformada de un sistema bifásico en ejes móviles a un sistema trifásico en ejes estacionarios a la primera y segunda señal filtrada, obteniendo la señal eléctrica filtrada (1) de entrada del módulo de bucle de enganche de fase (2)

Método de sincronización a una red eléctrica de transporte o distribución de convertidores de potencia.

Campo de la invención

La presente invención pertenece al campo de los algoritmos diseñados para permitir la sincronización de los convertidores de potencia a la red eléctrica, ya sea ésta de transporte o de distribución. El método de sincronización ha de ser capaz de poder calcular el módulo, la frecuencia y el ángulo de la secuencia positiva de las tensiones de red, con el fin de que el convertidor quede sincronizado con la misma y, de esta forma, sea capaz de realizar un procesado eficiente de la energía eléctrica.

Antecedentes de la invención

El uso de convertidores electrónicos de potencia conectados a la red eléctrica se encuentra muy extendido en la actualidad. Estos sistemas se pueden encontrar en multitud de aplicaciones, cubriendo un rango muy amplio de potencias de funcionamiento y presentando diferentes configuraciones. Sin embargo, independientemente del tipo de aplicación, potencia de funcionamiento y topología siempre es necesario que el convertidor se encuentre correctamente sincronizado con la red eléctrica. Por lo tanto, el uso de algoritmos de sincronización precisos es esencial para obtener un funcionamiento adecuado de estos sistemas.

En los últimos años se han desarrollado diferentes estrategias de sincronización tanto para sistemas monofásicos como trifásicos. Centrándonos en los sistemas trifásicos, por ser éste el ámbito de la presente invención, la gran mayoría de los algoritmos de sincronización desarrollados hasta el momento se puede clasificar en alguno de los siguientes grupos:

El primero de estos grupos podría ser aquellos algoritmos de sincronización basados en la detección de paso por cero [F. M. Gardner, "Phaselock Techniques", in New York, Willey, 1979].

Este tipo de algoritmos presenta la ventaja de ser muy sencillo de implementar. Su principio de funcionamiento se basa en la detección de los instantes de paso por cero y valor de pico de las tensiones de red y su funcionamiento puede considerarse como aceptable en aquellas situaciones en las que la red presenta una distorsión armónica reducida. Sin embargo en presencia de armónicos en la tensión de red no presentan un comportamiento adecuado.

El segundo de los grupos podría ser aquellos algoritmos de sincronización basados en módulos de bucle de enganche de fase (PLL Phase-Locked_Loop).

De manera general se puede decir que estos algoritmos presentan un grado de complejidad superior al de los métodos de sintonización de paso por cero, sin embargo, ofrecen unas mejores prestaciones.

En la actualidad se puede encontrar un número bastante considerable de este tipo de algoritmos de sincronización, cada uno de ellos con unas prestaciones y complejidad determinada. A continuación se describen algunos de los más representativos.

Quizás el más sencillo de todos ellos y, por ende, el que menores prestaciones ofrece es el algoritmo presentado en [S.-K. Chung, "A Phase Tracking System for Three Phase Utility Interface Inverters", IEEE Trans. Power Electron., vol. 15, no. 3, pp. 431-438, May 2000.]. Este algoritmo convierte, mediante la utilización de la transformación de Park, un sistema trifásico de tensiones de red en un sistema bifásico obteniendo las componentes d-q de dicha tensión. A continuación, por medio de un lazo de control basado en un controlador PI, intenta anular una de dichas componentes obteniendo, de esta manera, la frecuencia y ángulo de las tensiones de entrada. El funcionamiento de este esquema básico de sincronismo basado en PLL tiene una respuesta satisfactoria trabajando ante sistemas trifásicos equilibrados. Sin embargo, en sistemas desequilibrados y/o con distorsión armónica, las variables detectadas se distorsionan y la calidad de la detección puede ser inaceptable. En principio, este inconveniente se puede atenuar imponiendo un reducido ancho de banda al lazo de realimentación del ángulo. Sin embargo, esto conlleva un retardo en la actuación del detector, retardo que puede acarrear inconvenientes muy importantes en el sistema de control de la planta conectada a red.

No obstante, a pesar de tener estas carencias, este algoritmo de control tiene una extraordinaria importancia pues es, en mayor o menor medida, el punto de partida de un buen número de los restantes métodos de sincronización.

Por ejemplo en [P. Rodríguez, J. Pou, J. Bergas, J. I. Candela, R. Burgos, and D. Boroyevich, "Decoupled Double Synchronous Reference Frame PLL for Power Converters Control", IEEE Trans. Power Electron., vol. 22, no. 2, pp. 584-592, March 2007.] se presenta un nuevo algoritmo de sincronización basado en el anterior, que permite obtener una respuesta precisa y un buen comportamiento dinámico cuando la red se encuentra desequilibrada. Además este algoritmo también se puede ampliar para operar correctamente en presencia de ciertos armónicos. Sin embargo su implementación práctica se complica notablemente.

Del mismo modo, en [S. Alepuz, S. Busquets, J. Bordonau, J. Pontt, C. Silva, and J. Rodríguez, "Fast On- Line Symmetrical Components Separation Method for Synchronization and Control Purposes in Three Phase Distributed Power Generation Systems", in Proc. EPE'07, Sept. 2-5, 2007, Aalborg, Denmark] se presenta un nuevo algoritmo de sincronización que también consigue mejorar ciertos aspectos de funcionamiento respecto del algoritmo original presentado en [S.-K. Chung, "A Phase Tracking System for Three Phase Utility Interface Inverters", IEEE Trans. Power Electron., vol. 15, no. 3, pp. 431-438, May 2000.]. En este caso, el método de sintonización utiliza la teoría de las componentes simétricas instantáneas para separar las secuencias positiva y negativa de las tensiones de red. Una vez hecho esto, la secuencia positiva se introduce en un bucle de control como el presentado en [S.-K. Chung, "A Phase Tracking System for Three Phase Utility Interface Inverters", IEEE Trans. Power Electron., vol. 15, no. 3, pp. 431-438, May 2000.]. Este algoritmo permite obtener una respuesta dinámica muy rápida. Sin embargo, su funcionamiento no es óptimo en presencia de armónicos en la red y cambios de frecuencia.

Otra posible alternativa que también utiliza la estructura de PLL propuesta en [S.-K. Chung, "A Phase Tracking System for Three Phase Utility Interface Inverters", IEEE Trans. Power Electron., vol. 15, no. 3, pp. 431-438, May 2000.] se presenta en [M. Ciobotaru, R. Teodorescu, and F. Blaabjerg, "A New Single-Phase PLL Structure Base on Second Order Generalized Integrator", in Proc. PESC'06, June 2006, vol. 4, pp. 1-6.]. En este caso la solución presentada es aplicable a sistemas monofásicos, sin embargo su ampliación a sistemas trifásicos también es factible tal y como se demuestra en [P. Rodríguez, A. Luna, M. Ciobotaru, R. Teodorescu, and F. Blaabjerg, "Advanced Grid Synchronization System for Power Converters under Unbalanced and Distorted Operating Conditions", in Proc. IEEE-IECON'06, Nov. 7-10, 2006, Paris, France, pp. 5173-5178.]. En ambos casos la tensión de red se filtra utilizando un filtro de segundo orden adaptable en frecuencia. Esta solución permite alcanzar un buen compromiso entre velocidad de respuesta y comportamiento ante desequilibrios, distorsiones y variaciones de frecuencia. Sin embargo hay que recalcar que, pese a que los armónicos de red son atenuados mediante el filtro, siguen teniendo cierta influencia en el comportamiento del sistema.

Por último, otro posible método de sincronización se presenta en [M. Karimi-Ghartemani and M. Reza Iravani, "A Method for Synchronization of Power Electronic Converters in Polluted and Variable-Frequency Environments", IEEE Trans. Power Systems, vol. 19, no. 3, pp. 1263-1270, Aug. 2004.]. En este caso las tensiones de red se filtran por medio de un filtro no lineal adaptable en frecuencia y a continuación se aplica la teoría de las componentes simétricas instantáneas para obtener la secuencia positiva de la tensión de entrada. Las principales virtudes de este algoritmo radican en su buen comportamiento ante redes desequilibradas y variaciones de frecuencia. Sin embargo, su respuesta dinámica no es demasiado óptima.

En la presente invención se presenta un nuevo método, denominado filtro adaptativo trifásico, que permite obtener la componente fundamental de la secuencia positiva de una red trifásica. Este nuevo método permite eliminar completamente, no sólo atenuar, cualquier perturbación causada por desequilibrios o armónicos presentes en la red eléctrica....

1. Método de sincronización a una red eléctrica de transporte o distribución de convertidores de potencia que comprende una etapa de obtención de una caracterización de la secuencia positiva de una señal eléctrica filtrada (1), comprendiendo la amplitud, frecuencia y ángulo de dicha señal eléctrica filtrada (1), mediante un módulo de bucle de enganche de fase (2), que calcula la amplitud, frecuencia y ángulo a partir de la señal eléctrica filtrada (1),

caracterizado por que la señal eléctrica filtrada (1) de entrada del módulo de bucle de enganche de fase (2) se obtienen como resultado de:

- aplicar una transformación de un sistema trifásico en ejes estacionarios a un sistema bifásico en ejes móviles (3) a una señal eléctrica de entrada (4) mediante un primer ángulo de transformación, obteniendo una primera señal transformada (5) y una segunda señal transformada (6),

- aplicar un primer filtro de promediado local (7) a la primera señal transformada (5), siendo el promedio calculado según una amplitud de una primera ventana, obteniendo una primera señal filtrada (9),

- aplicar un segundo filtro de promediado local (8) a la segunda señal transformada (6), siendo el promedio calculado según una amplitud de una segunda ventana, obteniendo una segunda señal filtrada (10),

- aplicar una transformada de un sistema bifásico en ejes móviles a un sistema trifásico en ejes estacionarios (11) mediante un segundo ángulo de transformación a la primera señal filtrada (9) y la segunda señal filtrada (10), obteniendo la señal eléctrica filtrada (1) de entrada del módulo de bucle de enganche de fase (2).

2. Método de sincronización a una red eléctrica según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende una etapa adicional de sincronizar el convertidor de potencia a la red eléctrica según el ángulo calculado de la señal eléctrica filtrada (1).

3. Método de sincronización a una red eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado por que el primer ángulo de transformación y el segundo ángulo de transformación son iguales.

4. Método de sincronización a una red eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado por que la primera ventana y la segunda ventana son iguales.

5. Método de sincronización a una red eléctrica según la reivindicación 3, caracterizado por que el primer ángulo de transformación y el segundo ángulo de transformación son iguales a ω•t, siendo t igual al tiempo medido en segundos y ω igual a 2•π•f, siendo f una frecuencia medida en hercios.

6. Método de sincronización a una red eléctrica según la reivindicación 3, caracterizado por que el primer ángulo de transformación y el segundo ángulo de transformación son iguales entre sí, y calculados a partir de la frecuencia calculada por el módulo de bucle de enganche de fase (2).

7. Método de sincronización a una red eléctrica según la reivindicación 3, caracterizado por que el primer ángulo de transformación y el segundo ángulo de transformación son iguales entre sí, y calculados a partir de la frecuencia calculada según un método de estimador de frecuencia, que obtenga dicha frecuencia a partir de la señal eléctrica de entrada (4), la primera señal transformada (5), la segunda señal transformada (6), la primera señal filtrada (9), la segunda señal filtrada (10) o la señal eléctrica filtrada (1).

8. Método de sincronización a una red eléctrica según la reivindicación 4, caracterizado por que la duración de la primera ventana y la segunda ventana es igual a un semiperiodo de la señal eléctrica de entrada (4).

9. Método de sincronización a una red eléctrica según la reivindicación 4, caracterizado por que la duración de la primera ventana y la segunda ventana es igual a un múltiplo del semiperiodo de la señal eléctrica de entrada (4).

10. Método de sincronización a una red eléctrica según la reivindicación 4, caracterizado por que la duración de la primera ventana y la segunda ventana se define de acuerdo con la frecuencia obtenida por el módulo de bucle de enganche de fase (2).

11. Método de sincronización a una red eléctrica según la reivindicación 4, caracterizado por que la duración de la primera ventana y la segunda ventana se define según un método de estimador de frecuencia, que obtenga dicha frecuencia a partir de la señal eléctrica de entrada (4), la primera señal transformada (5), la segunda señal transformada (6), la primera señal filtrada (9), la segunda señal filtrada (10) o la señal eléctrica filtrada (1).

12. Método de sincronización a una red eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones 1-11, caracterizado por que la señal eléctrica de entrada (4) es la señal eléctrica de una red de transporte o distribución de energía eléctrica.