Procedimiento y dispositivo para detección de funcionamiento en isla de una instalación generadora.

Procedimiento y dispositivo para detección de funcionamiento en isla de una instalación generadora,

que consta de un transductor de corriente (3), un generador de corriente controlado (8) y un procesador digital que realiza las operaciones matemáticas y lógicas de rotación 90º del operador matemático (4), multiplicador (5), sumador (6), generador senoidal (7), filtración pasabanda sincronizada o DTFT, un primer comparador (10) con consigna un nº real de valor apropiado para comparar con el módulo de tensión de la componente (wr+wm), un segundo comparador digital (11) apropiado para comparar con el modulo de tensión de la componente (wr-wm), y una puerta lógica OR (12).

Procedimiento y dispositivo para detección de funcionamiento en isla de una instalación generadora.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

Esta invención concierne a un procedimiento y un dispositivo destinados a detectar el funcionamiento en isla de generadores de energía eléctrica (inversores fotovoltaicos, generadores eólicos, diesel, etcétera) ; es decir, a detectar uno de estos generadores queda desconectado del sistema al que alimentan de corriente eléctrica. La finalidad de esta detección de funcionamiento en isla es proteger de daño las cargas conectadas en las barras del generador, procediendo a desconectarlas o apagar el generador.

El procedimiento y dispositivo objeto de ésta patente puede estar asociado al conjunto de los generadores de una instalación o a cada uno de ellos individualmente; es decir, el invento puede estar integrado en cada uno de los generadores, o bien, se puede introducir en la instalación como un elemento aparte.

ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR

Debido a la activación de una protección del sistema en una instalación de generación de energía eléctrica hacia la red de suministro, puede producirse la apertura del circuito por medio de un interruptor automático, un diferencial u otro dispositivo a tal fin; entonces, se produce la desconexión de la red eléctrica y el generador queda aislado alimentando a la carga conectada al mismo. Si la carga tiene un factor Q elevado (Q= relación entre la potencia reactiva manejada por la carga y la potencia activa consumida por la carga) , entonces el generador sigue generando energía que ya no es absorbida por la red eléctrica y que tiene que disiparse en dicha carga. Debido a que generadores tales como inversores solares, eólicos, etcétera, son generadores de corriente, ocurre a menudo que no dan una tensión adecuada cuando trabajan en isla, con lo cual puede haber casos en que la carga quede destruida. También puede ocurrir, a veces, que, por ejemplo, por una pequeña variación de consumo de potencia activa por parte de la carga, el sistema se comporte de manera inestable, a pesar de que la tensión y frecuencia en bornas de la carga antes mencionada puedan estar suficientemente próximas a las de funcionamiento en la condición normal (no en modo isla) . Por ello, se hace necesario detectar cuanto antes la condición de funcionamiento en isla para proceder a desconectar el ó los generadores eléctricos implicados en el evento. Por ello, también existe normativa al respecto que obliga a detectar y resolver el problema en un tiempo limitado.

Para alcanzar tal fin, vienen empleándose diversos sistemas que responden a dos conceptos distintos, que son, sistemas de detección pasiva y sistemas de detección activa.

Mediante los sistemas de detección pasiva sólo se miden las magnitudes más importantes (tensión en bornas del generador y de la carga, frecuencia eléctrica del sistema, distorsión de tensión, etcétera) . Cuando alguno de los valores medidos está fuera de lo especificado se supone que está en el modo de funcionamiento en isla y se puede proceder a la desconexión de las cargas y/o los generadores. El inconveniente de estos sistemas es que, si la red eléctrica a la que generamos, es de una calidad baja, se pueden tener falsas detecciones de la condición de funcionamiento en isla (en lo sucesivo, condición de isla o en isla) .

Como alternativa a estos sistemas se han desarrollado métodos de detección activa que se basan en el concepto funcional de que el generador ó generadores producen en el sistema una perturbación permanente que se propaga o amplifica sólo cuando existe la condición de isla, resolviéndose así las falsas detecciones de los sistemas de detección pasiva.

Entre los sistemas de detección activa son de destacar los siguientes (a modo de ejemplo aplicativo se hace referencia concreta a inversores solares) :

a) PJD (siglas inglesas de Phase Jump Detection, en español, Detección de Salto de Fase) . Consiste en que detecta un salto de fase brusco que se da cuando ocurre el paso de funcionamiento normal a isla. El problema es que también puede haber saltos de fase en la red, que den falsas detecciones, Para evitar esto, se disminuye la sensibilidad y puede entonces no detectar adecuadamente.

b) Detección de armónicos. Consiste en que en funcionamiento normal (red conectada) la red impone la tensión del sistema, debido a su baja impedancia. Sin embargo en isla, la impedancia es la de la carga, y es mucho mayor que la de red. Como los inversores solares suelen generar armónicos de corriente, en funcionamiento normal son absorbidos por la red, pero en funcionamiento en isla la distorsión de tensión aumenta debido a que ha aumentado el módulo de la impedancia para los armónicos cuando trabaja en isla. La impedancia de red siempre es más pequeña que la de la carga y, por tanto, el producto de un armónico de corriente por dichas impedancias (que se traduce en armónico de tensión) es mucho mayor en isla, condición ésta que puede ser detectada a los efectos pretendidos. El problema es que hay normativas que obligan a tener una distorsión baja de corriente ya que ello es un factor de mérito para el inversor (generador) , con lo que, al bajar la distorsión, los armónicos de corriente son tan pequeños que imposibilitan la discriminación de funcionamiento entre normal o en isla.

c) Medida de la impedancia. Es parecido al método anterior, con la diferencia de que ahora se estima la impedancia del sistema variando o haciendo pulsante la corriente y, por tanto, la potencia activa generada; entonces, se observa la repercusión sobre la variación de la tensión en las barras comunes al generador y carga, ya que será mayor cuando el sistema trabaja en isla. Un serio inconveniente de este modo de detección es la gran cantidad de modulación de potencia necesaria para discriminar si el sistema está o no en isla. Además, en las células solares solo hay un punto de potencia activa en el que se les extrae la máxima potencia; de modo que, si variamos esta potencia, el aprovechamiento de la energía es menor; lo cual no es bueno debido al gran coste de las células fotovoltaicas, a las que hay que sacarles la potencia máxima que puedan dar en cada momento para amortizarlas.

d) SMS (siglas inglesas de Slip-Mode frequency Shift; en español, Cambio de frecuencia en Modo Deslizamiento) . Se basa en una retroalimentación positiva de la frecuencia de operación que sólo se puede dar cuando el sistema trabaja en isla. En este sistema, el inversor solar se sincroniza con la red mediante un PLL (Phase Locked Loop) o bucle de enganche de fase, que tiene una tendencia a subir (o bajar) la frecuencia cuando no está conectado a red, detectando al final una frecuencia fuera de límites. En éste método, uno de los inconvenientes es que, antes de la desconexión, las cargas tienen que soportar necesariamente este cambio de frecuencia.

Otro método similar es hacer lo mismo con la fase que lo que se hace con la frecuencia. El resultado es el mismo, con los mismos inconvenientes.

En ambos sistemas anteriores de este apartado las perturbaciones de red pueden provocar inestabilidad del sistema y mala calidad de suministro. También pueden fallar en el caso de funcionar inversores en paralelo que tengan parámetros de ganancia algo diferentes.

e) Sandia Frequency Shift (de Sandia National Laboratories E.E U.U.) . Similar a los anteriores e igualmente inestable debido a que también utiliza una retroalimentación positiva de frecuencia.

f) Sandia Voltage Shift (desplazamiento de la tensión con retroalimentación positiva) . Lo mismo que los anteriores, pero utilizando realimentación positiva de tensión. Los inconvenientes son la inestabilidad debida a la retroalimentación positiva y una pequeña reducción del rendimiento de las células solares.

Estos son los métodos más empleados. Los de retroalimentación positiva afectan a la estabilidad y por tanto a la calidad de red.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN Y VENTAJAS

La presente invención propugna un procedimiento y un dispositivo para la detección de funcionamiento en isla de una instalación generadora. De acuerdo con el procedimiento se postula como característico que:

de modo suplementario a la corriente de generación de potencia (i1) propia del sistema de generación eléctrica, es producida una corriente suplementaria (i2) , tanto en funcionamiento normal como en isla;

la corriente suplementaria (i2) es de valor muy inferior al de la corriente de generación de potencia (i1) ;

se suman la corriente de generación de potencia (i1) y la corriente suplementaria (i2) ;

se mide el valor de la tensión de respuesta al estímulo introducido en el...

1. Procedimiento para la detección del funcionamiento en isla de una instalación generadora, caracterizado porque, de modo suplementario a la corriente de generación de potencia (i1) propia del sistema de generación eléctrica, es producida una corriente suplementaria (i2) de valor muy inferior al de la corriente de generación de potencia (i1) , tanto en funcionamiento normal como en isla; en el que se suman la corriente de generación de potencia (i1) y la corriente suplementaria (i2) y se mide el valor de la tensión de respuesta al estímulo introducido en el sistema por la suma de la corriente de generación de potencia (i1) y de la corriente suplementaria (i2) ; la corriente suplementaria (i2) es formada a partir de la corriente de generación de potencia (i1) , mediante una operación matemática en la que el fasor (vector de onda) de la corriente de generación de potencia (i1) se multiplica, primero, por una constante (k) de valor muy pequeño respecto de la unidad, haciendo que la corriente suplementaria (i2) sea mucho menor que la corriente de generación de potencia (i1) , y segundo, por un factor que provoca una señal con desfase de onda un ángulo (φ) , en sentido antihorario, de la corriente suplementaria (i2) respecto de la corriente de generación de potencia (i1) , donde

la señal desfasada en un ángulo (φ) es multiplicada por una función periódica en el tiempo con una pulsación que llamaremos omega de modulación (wm) y que se suma o resta a la omega de red (wr) ; la señal desfasada en el ángulo (φ) es convertida en corriente que se introduce en las bornas del conjunto formado por el generador

(1) y la carga (2) y que de manera permanente se toma lectura de la tensión en las bornas del conjunto generador- carga (1-2) y, mediante un procesador digital (9) capaz de realizar un filtrado digital de la señal y/o de efectuar su transformada de Fourier discreta en el tiempo, se mide la amplitud espectral de las diferentes frecuencias y se compara con un valor prefijado por encima del cual el sistema de generación eléctrica estaría en isla; estando el filtro digital sintonizado a wr+wm ó a wr-wm.

2. Procedimiento para la detección del funcionamiento en isla de una instalación generadora, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque el ángulo (φ) es de 90º.

3. Procedimiento para la detección del funcionamiento en isla de una instalación generadora, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque la función periódica en el tiempo con pulsación omega de modulación (wm) , es una función senoidal.

4. Dispositivo para la detección del funcionamiento en isla de una instalación generadora, caracterizado porque consta de un transductor de corriente (3) instalado entre el generador eléctrico (1) y las bornas de carga (2) , un generador de corriente controlado (8) y un procesador digital (9) que realiza las operaciones matemáticas y lógicas de rotación 90º del fasor de corriente, operador matemático (4) , multiplicador (5) , sumador (6) , generador senoidal (7) , filtración pasabanda sincronizada o DTFT, un primer comparador (10) con consigna un nº real de valor apropiado para comparar con el modulo de tensión de la componente (wr+wm) , un segundo comparador digital (11) con consigna un nº real de valor apropiado para comparar con el modulote tensión de la componente (wr-wm) , y una puerta lógica OR (12) ; en donde, el transductor de corriente (3) está conectado entre el generador eléctrico (1) y el operador matemático (4) , el multiplicador (5) está conectado con el operador matemático (4) , con el generador senoidal (7) y con el generador de corriente controlado (8) que, por su parte, está conectado con las bornas de la carga (2) que, a su vez, están conectadas con el procesador digital (9) cuya salida está conectada con unos dichos primer comparador digital (10) y segundo comparador digital (11) que tienen su salida conectada con la puerta lógica OR (12) .