Procedimiento y sistema para la medida de la potencia reactiva tradicional en cualquier régimen de funcionamiento de redes eléctricas trifásicas.

El objeto principal de la presente invención es un procedimiento para calcular la potencia reactiva tradicional en redes trifásicas con mala calidad en el suministro, y particularmente para cuantificar qué parte de la potencia reactiva es debida a las reactancias y qué parte debida a los desequilibrios comprendiendo las etapas de obtener las componentes de frecuencia fundamental de las tensiones y corrientes instantáneas de cada fase obtener los fasores temporales de la componente estacionaria de frecuencia fundamental de la tensión y la intensidad de la red trifásica, obtener las intensidades reactivas de cada fase, descomponer las intensidades reactivas de cada fase en: - Intensidad reactiva debida a reactancias: Intensidad reactiva debida a los desequilibrios, a continuación obtener la potencia reactive debida a las reactancias y la debida a las desequilibrios

Procedimiento y sistema para la medida de la potencia reactiva tradicional en cualquier régimen de funcionamiento de redes eléctricas trifásicas.

Objeto de la invención

El objeto principal de la presente invención es un procedimiento para la medida la potencia reactiva en cualquier régimen de funcionamiento, permanente o transitorio, de las redes eléctricas trifásicas, atendiendo a la definición tradicional de esta magnitud y, particularmente, proporcionando por separado el valor de la potencia reactiva debida a las reactancias y el valor de la potencia reactiva originada por los desequilibrios.

Antecedentes de la invención

Dos definiciones de potencia reactiva en redes eléctricas trifásicas son admitidas actualmente por la Comunidad Científica. Una, que se establece como consecuencia de los desfases entre las tensiones y corrientes de las fases del sistema, es la potencia reactiva conocida tradicionalmente. La otra tiene su origen en el desfase existente entre las componentes de secuencia directa y frecuencia fundamental (50 ó 60 Hz) de las tensiones y corrientes de las fases. Ambas definiciones de potencia reactiva están recogidas por las principales teorías, normas y reglamentos. Los autores de la presente patente establecieron previamente un procedimiento y sistema de medida de esta última potencia reactiva en redes trifásicas perturbadas, en cuya formulación por primera vez se separaban los efectos de las reactancias de los efectos de las perturbaciones transitorias. Recientemente, L.S. Czarnecki dio a conocer una formulación de la potencia reactiva tradicional, en la que se expresaban por separado los efectos de las reactancias y de los desequilibrios. La formulación de la potencia reactiva tradicional presentada por Czarnecki tiene, a nuestro juicio, dos importantes inconvenientes: el primero es que en la obtención de las expresiones de la potencia reactiva y de sus componentes (debida a las reactancias y debida a los desequilibrios) impone la condición de que las tensiones de las fases no tengan componente de secuencia homopolar; el segundo inconveniente consiste en que el modelo propuesto por Czarnecki sólo puede ser aplicado a redes trifásicas a tres hilos, sin conductor neutro. Este último inconveniente restringe muy considerablemente el campo de aplicación de la potencia reactiva de Czarnecki, ya que la distribución de energía eléctrica en baja tensión se realiza fundamentalmente con neutro; mientras que el primer inconveniente introduce errores en la medida de la potencia reactiva, ya que Czarnecki no la mide en las condiciones reales de calidad en el suministro, sino en unas impuestas a conveniencia. El procedimiento y sistema de medida de la potencia reactiva tradicional que es objeto de la presente patente se basa en una formulación de la potencia reactiva que utiliza las tensiones del sistema real y puede ser aplicado a redes eléctricas trifásicas tanto a tres como a cuatro hilos. Asimismo, la potencia reactiva tradicional se descompone en la potencia reactiva debida a las reactancias y la potencia reactiva causada por los desequilibrios, siendo sus expresiones aplicables a cualquier régimen de funcionamiento de los sistemas eléctricos: permanente y transitorio.

Descripción de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento y sistema de medida de la potencia reactiva tradicional que cuantifica por separado los efectos de los fenómenos reactivos causados por las reactancias de aquellos originados por la mala calidad en el suministro, causada por los desequilibrios, en cualquier régimen de funcionamiento, permanente o transitorio, de las redes eléctricas trifásicas.

Entendemos por mala calidad en el suministro causada por los desequilibrios en las redes eléctricas a aquellas condiciones en las que el suministro de energía eléctrica a los receptores se realiza con tensiones de alimentación desequilibradas tanto en el funcionamiento normal de operación o régimen permanente (estacionario) como en presencia de un proceso transitorio. El fenómeno del desequilibrio se presenta a la frecuencia fundamental (50 ó 60 Hz); cualquier diferencia entre los valores eficaces o entre los argumentos de las tensiones de las fases respecto de las condiciones de equilibrio a frecuencia distinta de la fundamental debe ser considerada perteneciente al fenómeno de la distorsión.

De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se describe un procedimiento para el cálculo de la potencia reactiva tradicional y sus componentes en redes trifásicas para cualquier régimen de funcionamiento, que comprende las siguientes operaciones:

1) Obtener las transformadas de Laplace de las componentes de frecuencia fundamental de las tensiones y corrientes de las fases (z = A, B, C) de la red eléctrica trifásica, V_1z(s) e I_1z(s).

Para ello, se utilizan las muestras registradas de tensión e intensidad de las fases de la red eléctrica, eliminando sus componentes de frecuencia no fundamental. El subíndice "1" es utilizado en el presente documento para identificar a la componente de frecuencia fundamental y "s" es la frecuencia compleja.

2) Determinar los fasores temporales de las corrientes reactivas de cada fase del sistema (overline{I}_r1z), que son aquellas proporcionales y desfasadas 90º respecto de sus respectivas tensiones de fase (overline{V}_1z)

Estas corrientes reactivas son las componentes estacionarias de frecuencia fundamental que transfieren la totalidad de la potencia reactiva absorbida por los receptores y circulan por la susceptancia equivalente de dichos receptores con mala calidad en el suministro (overline{B}_d).

3) Descomponer las corrientes reactivas de cada fase como suma fasorial de las corrientes reactivas debidas a las reactancias y a la mala calidad en el suministro:

en función de la susceptancia equivalente de los receptores con tensiones equilibradas (overline{B}_e) y la susceptancia equivalente de los receptores causada por los desequilibrios de tensiones (overline{B}_u),

- Corriente reactiva debida a las reactancias,

- Corriente reactiva debida a los desequilibrios de tensiones,

En una realización preferida de la invención, se obtiene la susceptancia equivalente de los receptores con tensiones equilibradas, overline{B}_e, y la susceptancia equivalente debida a los desequilibrios de tensiones, overline{B}_u, a partir de las susceptancias de cada fase, overline{B}_z, obtenidas de la expresión de la admitancia compleja, overline{Y}_z, de cada fase (z = A, B, C) a la frecuencia fundamental según la expresión, en función de las componentes estacionarias, de frecuencia fundamental, de la tensión (overline{V}_1z) y de la intensidad (overline{I}_1z) de cada fase:

La conductancia de cada fase, G_z, no interviene en el cálculo de las potencias reactivas, mientras que de las susceptancias de cada fase del receptor, overline{B}_z, se obtiene la susceptancia equivalente del receptor con tensiones equilibradas, overline{B}_e, como:

La susceptancia equivalente causada por los desequilibrios de tensiones, overline{B}_u, se obtiene por la expresión:

en función de los valores eficaces de las componentes estacionarias de frecuencia fundamental de las tensiones de las fases, V_1z...

1. Procedimiento para el cálculo de la potencia reactiva tradicional, considerada como los desfases entre las tensiones y corrientes de las fases del sistema, en una red trifásica con mala calidad en el suministro debido a los desequilibrios, caracterizado porque comprende las siguientes operaciones:

- obtener las componentes de frecuencia fundamental de las tensiones y corrientes instantáneas de cada fase (z= A, B, C), v_1z(t) e i_1z(t), tras realizar un análisis transitorio, aplicando transformadas de Laplace en tiempo discreto (FFFT);

- a partir de estos valores instantáneos de tensiones y corrientes, obtener los fasores temporales de la componente estacionaria de frecuencia fundamental de la tensión y la intensidad de la red trifásica, overline{V}_1z e overline{I}_1z;

- obtener las intensidades reactivas de cada fase (overline{I}_r1z) como la componente de la intensidades de las fases (overline{I}_1z) que es proporcional y están desfasadas 90º con las tensiones de cada fase (overline{V}_1z)];

- descomponer las intensidades reactivas de cada fase (overline{I}_r1z) en:

- Intensidad reactiva debida a reactancias:

donde B_e es la susceptancia equivalente de los receptores con intensidades equilibradas

- Intensidad reactiva debida a los desequilibrios:

donde B_u es la susceptancia equivalente de los receptores causada por los desequilibrios de tensiones

- obtener la potencia reactiva debida a las reactancias:

- obtener la potencia reactiva debida a los desequilibrios:

y en donde la susceptancia equivalente overline{B}_e de los receptores con tensiones equilibradas se obtiene a partir de la siguiente expresión:

y la susceptancia equivalente debida al desequilibrio de tensiones como:

donde las susceptancias complejas de cada fase se obtienen como la parte imaginaria de la admitancia compleja de cada fase, utilizando la fórmula overline{Y}_z = frac{overline{I}_1z}{overline{V}_1z} = G_z + overline{B}_z y el valor eficaz de la tensión del sistema:

2. Procedimiento para el cálculo de la potencia reactiva en una red trifásica perturbada de acuerdo con la reivindicación 1, que para la obtención de los fasores temporales V_1z(s) e I_1z(s) de la componente estacionaria de la tensión e intensidad de las fases de red se realizan las siguientes etapas:

- muestrear la tensión y la intensidad de la red trifásica;

- realizar un filtrado sintonizado a la frecuencia fundamental;

- aplicar la transformada de Laplace en tiempo discreto (FFFT), obteniendo V_1z(s) e I_1z(s);

- aplicar la antitransformada de Laplace, por Heaviside, a V_1z(s) e I_1z(s), obteniendo los valores instantáneos de las componentes estacionarias de las tensiones e intensidades de las fases a la frecuencia fundamental ν_1z(t) e i_1z(t);

- obtener los fasores temporales overline{V}_1z e overline{I}_1z de las componentes estacionarias a partir de los valores instantáneos de las tensiones e intensidades a la frecuencia fundamental obtenidos en la operación anterior.

3. Procedimiento para el cálculo de la potencia reactiva en una red trifásica con mala calidad en el suministro debido al desequilibrio de tensiones de acuerdo con la reivindicación 2, donde el filtrado está basado en un filtro digital paso bajo FIR o IIR.

4. Programa de ordenador que comprende instrucciones de programa para hacer que un ordenador lleve a la práctica el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3.

5. Programa de ordenador según la reivindicación 4, incorporado en medios de almacenamiento.

6. Programa de ordenador según la reivindicación 4, soportado en una señal portadora.

7. Sistema para el cálculo de la potencia reactiva en redes trifásicas con mala calidad en el suministro para implementar el procedimiento de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque comprende los siguientes medios:

- un medio de adquisición de datos, que adquiere muestras de la tensión e intensidad de la red trifásica con mala calidad en el suministro;

- un medio de análisis, conectado al medio de adquisición de datos, que recibe las muestras de la tensión e intensidad de la red trifásica y calcula la potencia reactiva debida a las reactancias y la potencia reactiva debida a los desequilibrios;

- un medio de visualización, conectado al medio de análisis, que muestra los resultados obtenidos en la operación anterior.

8. Sistema para el cálculo de la potencia reactiva en redes trifásicas con mala calidad en el suministro de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque el medio de adquisición de datos comprende:

transductores de medida de tensión e intensidad conectados a la red trifásica, que mide valores instantáneos de dichas señales eléctricas;

un dispositivo de adquisición con una velocidad de al menos 500 kS, conectado a dichos transductores, que convierte los valores instantáneos de tensión e intensidad en una serie de muestras discretas.

9. Sistema para el cálculo de la potencia reactiva en redes trifásicas con mala calidad en el suministro de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque los transductores de tensión e intensidad son de doble núcleo con tecnología Fluxgate de bucle cerrado y salida aislada.

10. Sistema para el cálculo de la potencia reactiva en redes trifásicas con mala calidad en el suministro de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque el medio de análisis comprende uno de los elementos de la siguiente lista: un PC, un microcontrolador, un microprocesador, un DSP, una FPGA y un ASIC.

11. Sistema para el cálculo de la potencia reactiva en redes trifásicas con mala calidad en el suministro de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque el medio de visualización comprende uno de los elementos de la siguiente lista: una pantalla táctil, una pantalla TFT, una pantalla LCD y un conjunto de LEDs.