Método de corrección selectiva de ineficiencias en instalaciones eléctricas,

que comprende la incorporación de un circuito inversor (1) constituido por un puente trifásico de transistores u otro dispositivo que permita realizar una función similar que se conecta en paralelo con las cargas (11) cuyas ineficiencias se desea corregir, de manera que las ineficiencias compensadas no aparecerán aguas arriba del punto de conexión del sistema corrector; en que, partiendo de un bus de tensión continua, VDC, el inversor se encarga de generar un conjunto de corrientes iFa, iFb e iFc que compensa las ineficiencias identificadas en las corrientes iLa, iLb e iLc que son consumidas aguas abajo por las cargas, contando con un lazo de control de corriente (4) básico que genera unos ciertos ciclos de trabajo d{al}{be} para regular las componentes de corriente del FAP a la frecuencia fundamental y de secuencia directa.

METODO DE CORRECCIÓN SELECTIVA DE INEFICIENCIAS EN INSTALACIONES ELÉCTRICAS Y APARATO PARA SU APLICACIÓN

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención, tal como expresa el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a un método de corrección selectiva de ineficiencias en instalaciones eléctricas y a un aparato para su aplicación, aportando a dicha función varias ventajas e innovadoras características que se describirán en detalle más adelante, las cuales suponen una destacable mejora frente a los sistemas actualmente conocidos para el mismo fin.

CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Como es sabido, un filtro activo (FA) consiste en un inversor de potencia que trabaja a partir de una fuente de tensión o una fuente de corriente continua, equipado con un filtro de conexión a red para reducir el rizado a la frecuencia de conmutación en las corrientes inyectadas en la red de suministro.

Para reducir el tamaño y el peso de los elementos magnéticos, la tendencia es utilizar filtros de conexión a red de orden elevado (por ejemplo, filtros LCL) , distinguidos por presentar fenómenos de resonancia a ciertas frecuencias.

En su versión conectada en paralelo con las cargas (FAP) , la función de un filtro activo es corregir una o varias de las ineficiencias que merman la calidad del consumo eléctrico.

Dichas ineficiencias son:

I. Armónicos de corriente, generados por las cargas no lineales de una instalación eléctrica.

II. Desfase entre tensiones y corrientes de la misma fase, debido a cargas inductivas y capacitivas.

III. En el caso trifásico, desequilibrios de corriente entre las fases.

Como consecuencia, si la compensación de ineficiencias fuese perfecta, la red de suministro únicamente debe aportar la componente fundamental de secuencia directa (en el caso trifásico) de las corrientes absorbidas por las cargas.

Generalmente, el FAP opera con control modo corriente del circuito inversor para que las corrientes entregadas por éste, sigan a unas corrientes de referencia.

La generación de las corrientes de referencia se basa en la identificación de ineficiencias a partir de la medida de la corriente absorbida por la carga, y de las tensiones de red. A partir de tales medidas se pueden calcular las corrientes de referencia según diferentes métodos que constituyen el estado de la técnica actual.

Los métodos más conocidos y extendidos son los siguientes:

1. Método de referencia síncrono (SRF, Synchronous Reference Frame) .

2. Método de referencia síncrono modificado.

3. Método de la potencia activa y reactiva instantánea (pq-method) .

4. Método de la potencia activa y reactiva instantánea modificado (modified pq-method) .

5. Métodos basados en la identificación del espectro armónico de las corrientes consumidas por las cargas, entre los que destaca el cálculo de la Transformada Rápida de Fourier o FFT (Fast Fourier Transform) .

Los métodos 1 a 4 requieren una capacidad de cálculo moderada y permiten corregir tanto armónicos de corriente generados por cargas no lineales como la compensación del desfase entre tensiones y corrientes de una misma fase.

No permiten la corrección selectiva de armónicos, por lo que su aplicación a inversores equipados con filtros de conexión a red de orden elevado (por ejemplo, filtros LCL) puede hacer que se amplifiquen las componentes armónicas a la frecuencia de resonancia del filtro. Los métodos agrupados en el punto 5 requieren una capacidad de cálculo alta y permiten la corrección selectiva de armónicos, pero no permiten compensar desequilibrios.

Todos los métodos anteriores tienen en común que las corrientes de referencia del filtro activo constituyen las señales de consigna para los lazos de corriente del FAP.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

De manera concreta, el método de corrección selectiva de ineficiencias en instalaciones eléctricas que la presente invención propone se configuran como una destacable novedad dentro de su campo de aplicación, ya que, a tenor de su implementación y gracias a que utiliza un inversor de potencia conectado en paralelo con las cargas cuyas ineficiencias se desea compensar aguas arriba de la red de suministro, presenta las siguientes ventajas:

- permite identificar y corregir los armónicos de corriente generados por las cargas;

- permite evitar que el inversor de potencia intente corregir componentes armónicas a la frecuencia de resonancia de los filtros de red, en caso de utilización de filtros de orden elevado (por ejemplo, LCL) , o bien a otras frecuencias que el usuario del sistema desee evitar;

- permite identificar y corregir la componente de secuencia inversa de las corrientes consumidas por las cargas, componente asociada al desequilibrio según el teorema de Stokvis. En consecuencia, se puede equilibrar el consumo en cada una de las fases aguas arriba de la conexión del sistema de corrección de ineficiencias;

- permite identificar y corregir el desfase entre tensiones y corrientes de una misma fase, tanto inductivo como capacitivo;

- requiere una capacidad de cálculo moderada, por lo que en su implementación digital no se hace necesario utilizar procesadores digitales de señal de altas prestaciones para su aplicación;

- puede ser implementado tanto digital como analógicamente. El método de corrección selectiva de ineficiencias en instalaciones eléctricas que se propugna representa, pues, una innovación de

características técnicas, estructurales y constitutivas desconocidas hasta ahora para tal fin, razones que unidas a su utilidad práctica, la dotan de fundamento suficiente para obtener el privilegio de exclusividad que se solicita.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, de un juego de planos, en los que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:

La figura número 1. Muestra un diagrama de bloques en el que se ha representado un circuito con un sistema convencional de filtro activo en su versión en paralelo con cargas (FAP) .

La figura número 2. Muestra un diagrama del esquema del método de corrección selectiva de ineficiencias en instalaciones eléctricas objeto de la invención.

La figura número 3. Muestra un ejemplo de realización preferente de un sistema según el método de la invención.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

Así, atendiendo a la figura 1, en la que se ha representado un esquema representativo de la técnica actual, se puede observar como se ha referenciado con

(1) el circuito inversor, con (10) la conexión al suministro de red, con (11) las cargas, con (4) el control de corriente, con (5) el circuito de control de la tensión en el bus de continua del inversor y con

(12) la generación de corrientes de referencia.

Como muestra dicha figura, y recordando lo anteriormente señalado, generalmente, el FAP opera con control modo corriente del circuito inversor para que las corrientes entregadas por éste, iF, sigan a unas corrientes de referencia, iF*.

La generación de las corrientes de referencia se basa en la identificación de ineficiencias a partir de la medida de la corriente absorbida por la carga, iL, y de las tensiones de red, vred. A partir de tales medidas se pueden calcular las iF* según diferentes métodos que constituyen el estado de la técnica actual.

La figura 2 muestra el esquema de principio de la invención propuesta, pudiéndose apreciar en ella como el circuito inversor (1) está constituido por un puente trifásico de transistores IGBT u otro dispositivo que permita realizar una función similar.

Dicho circuito se conecta en paralelo con las cargas (11) cuyas ineficiencias se desea corregir, de manera que las ineficiencias compensadas no aparecerán aguas arriba del punto de conexión del sistema corrector.

Cabe mencionar que en dicha figura 2, se ha referenciado, además, con (2) el bloque correspondiente al Modulador, Vectorial o SVPWM u otro tipo de modulación que realice...

R E I V I N D I C A C I O N E S

1. METODO DE CORRECCIÓN SELECTIVA DE INEFICIENCIAS EN INSTALACIONES ELÉCTRICAS, destinado a que las ineficiencias compensadas no aparezcan aguas arriba del punto de conexión, que comprendiendo un circuito inversor (1) constituido por un puente trifásico de transistores u otro dispositivo que permita realizar una función similar, caracterizado por el hecho de que, incorporando dicho circuito inversor (1) conectado en paralelo con las cargas (11) cuyas ineficiencias se desea corregir, partiendo de un bus de tensión continua, VDC, cuyo inversor genera corrientes iFa, iFb e iFc que compensan las ineficiencias identificadas en dichas corrientes iLa, iLb e iLc, y empleando un lazo de control de corriente (4) básico que genera unos ciertos ciclos de trabajo daº para regular las componentes de corriente del FAP a la frecuencia fundamental y de secuencia directa, dicho método de corrección:

- calcula unos ciertos ciclos de trabajo da H, a partir del procesado de señal procedente de los armónicos de las corrientes de carga que se desean corregir, así como de las componentes de la corriente de carga a la frecuencia fundamental de secuencia inversa, las cuales corresponden a desequilibrios de corriente entre fases;

- emplea la descomposición de las señales de corriente de carga en múltiples marcos de referencia síncronos para generar dichas señales da H, uno de ellos sintonizado con la frecuencia del fundamental de secuencia inversa, c1i=-c1, y el resto con la frecuencia de los armónicos de orden k que se desean compensar, ck=kc1,

- calcula la frecuencia y la fase del fundamental y de los armónicos mediante un bloque MRFPLL (9) ;

- basa las operaciones que permiten la descomposición en múltiples marcos de referencia síncronos en la denominada transformación de Park;

- porque, una vez procesadas las señales de corriente en cada uno de los marcos de referencia síncronos, dichas señales son integradas y convertidas de nuevo a un marco de referencia estacionario único, resultando da H;

- incorpora las señales iLdqDC calculadas por un elemento de cálculo (7) , para corregir la potencia reactiva de secuencia directa a la frecuencia fundamental, al bloque de control de corriente (4) básico;

- y porque, para que el inversor de potencia opere como rectificador activo con baja distorsión armónica y capacidad de regeneración de energía, mantiene los bloques de control de la tensión en el bus de continua y el bloque de control en modo corriente básico.

2. APARATO PARA LA APLICACIÓN DE UN METODO DE CORRECCIÓN SELECTIVA DE INEFICIENCIAS EN INSTALACIONES ELÉCTRICAS, según el método descrito en la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de comprender una tarjeta de control (13) en la que se programan un circuito inversor (1) , un bloque de modulación, vectorial SVPWM (2) , un bloque de transformación de coordenadas dg a aº (3) , un bloque de control de corriente (4) , un circuito de control de la tensión en el bus de continua del inversor (5) , integradores de señal (6) , un elemento de cálculo (7) , corrientes generadas (8) y bloque de control MRFPLL (9) ; estando dicha tarjeta de control (13) basada en un procesador digital de señal (DSP) de la familia TMS320XX o cualquier otro de similares prestaciones computacionales, la cual además del procesador digital incluye circuitos convencionales de acondicionamiento de señales, convertidores AD (analógico a digital) , protecciones, etc., siendo apta para interactuar con un 5 panel de usuario (14) para el control local y diversos dispositivos de comunicación convencionales para el control remoto; en que dicho circuito inversor (1) se incorpora conectado en paralelo con las cargas (11) , cuenta con un bus de tensión continua, VDC, cuyo inversor genera corrientes iFa, iFb e iFc que compensan las ineficiencias identificadas en dichas corrientes iLa, iLb e iLc, y emplea un lazo de control de corriente (4) básico que genera unos ciertos ciclos de trabajo da .

OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

Nº solicitud: 200900173

ESPAÑA

Fecha de presentación de la solicitud: 22.01.2009

Fecha de prioridad:

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. : H02J3/01 (2006.01) H02J3/18 (2006.01)

DOCUMENTOS RELEVANTES

INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

Nº de solicitud: 200900173

Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) H02J Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, XPI3E

Informe del Estado de la Técnica Página 2/4

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 200900173

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 09.03.2012

Declaración

Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986) .

Base de la Opinión.

La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

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OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 200900173

1. Documentos considerados.

A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración Reivindicación 1:

El documento del estado de la técnica anterior D01 es el más cercano a esta primera reivindicación, puesto que divulga un método de corrección selectiva de ineficiencias en instalaciones eléctricas destinado a que las ineficiencias compensadas no aparezcan aguas arriba del punto de conexión que comprende un circuito inversor (30) constituido por un puente trifásico de transistores u otro dispositivo que permita realizar una función similar. Dicho circuito inversor (30) está conectado en paralelo con las cargas (22) cuyas ineficiencias se desea corregir partiendo de un bus de tensión continua. Dicho inversor genera corrientes que compensan las ineficiencias identificadas en las corrientes de la línea que van a las cargas empleando un lazo de control de corriente básico que genera unos ciertos ciclos de trabajo para regular, entre otras, las componentes de corriente del filtro activo en paralelo a la frecuencia fundamental y de secuencia directa. Este método de corrección: -calcula unos ciertos ciclos de trabajo a partir del procesado de señal procedente de los armónicos de las corrientes de carga que se desean corregir, así como de las componentes de la corriente de carga a la frecuencia fundamental de secuencia inversa, las cuales corresponden a desequilibrios de corriente entre fases (figuras 5 a 12) ; -emplea la descomposición de las señales de corriente de carga en múltiples marcos de referencia síncronos para generar dichas señales, uno de ellos sintonizado con la frecuencia del fundamental de secuencia inversa y el resto con la frecuencia de los armónicos de orden n que se desean compensar; -calcula la frecuencia y la fase del fundamental y de los armónicos; -basa las operaciones que permiten la descomposición en múltiples marcos de referencia síncronos en la denominada transformación de Park; -una vez procesadas las señales de corriente en cada uno de los marcos de referencia síncronos, dichas señales son integradas y convertidas de nuevo a un marco de referencia estacionario único; -incorpora las señales iLdqDC calculadas por los correspondientes elementos de cálculo para corregir la potencia reactiva de secuencia directa a la frecuencia fundamental al bloque de control de corriente básico (figuras 5 a 9, 11 y 12) ; -mantiene los bloques de control de la tensión en el bus de continua y el bloque de control en modo corriente básico. A diferencia del método de esta reivindicación, en D01 también se emplea la descomposición de la corriente del inversor en sus armónicos para calcular los valores de las corrientes y tensiones de control. Además, no se limita a suministrar las señales iLdqDC a la frecuencia fundamental al bloque de control de corriente, sino también a las frecuencias de los armónicos (figuras (7) , (9) y (12) ) . Los cálculos realizados en el método de D01 comprenden, y por lo tanto anticipan, los cálculos que realiza el método del documento base. Por lo tanto, esta primera reivindicación carece de actividad inventiva en el sentido del artículo 8 de la Ley de Patentes 11/86.

Reivindicación 2:

En el párrafo [0045] de la descripción de D01, así como en otros pasajes del documento, se establece que los elementos del aparato con el que se puede llevar a cabo el método de la reivindicación anterior son los mismos que se desean proteger en esta reivindicación independiente. En el aparato del documento base se especifica que en la tarjeta de control se deben programar un bloque de control MRFPLL y sistema de control vectorial SVPWM. Sin embargo, como ya aclaran los solicitantes en la página 13 de la descripción de las líneas 23 a 30, este sistema de control es uno de entre los varios sistemas de control que se pueden encontrar en el estado de la técnica y que permiten la realización del método. Lo mismo puede decirse del bloque de control MRFPLL. Por lo tanto, que se programen en la tarjeta estos bloques u otros equivalentes no es sino una elección de los solicitantes que no aporta actividad inventiva al aparato que se reivindica. El mismo razonamiento se puede hacer sobre que la tarjeta de control esté basada en un procesador digital de señal (DSP) de la familia TMS320XXX o bien basada en otro de similares prestaciones. Así pues, esta reivindicación tampoco tiene actividad inventiva.

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