EQUIPO GENERADOR DE PERTURBACIONES ELÉCTRICAS.

Equipo generador de perturbaciones eléctricas en la red conectada a un sistema de generación de energía eléctrica,

como por ejemplo un aerogenerador o planta solar, para ensayar la respuesta de los generadores ante perturbaciones en la red, entendiendo perturbaciones como huecos de tensión, sobretensiones, saltos de fase y cambios de frecuencia, que comprende un transformador trifásico o tres monofásicos de tomas variables conectados en serie entre el sistema colector y el generador, encargándose este transformador de realizar sobretensiones, huecos de tensión y saltos de fase, mediante la conmutación de una rama de bypass con una impedancia con la rama que contiene el transformador, disponiendo asimismo en paralelo de una batería de condensadores para realizar sobretensiones con ayuda de una impedancia y/o resistencia serie. Además dispone en paralelo de un transformador reductor conectado a un rectificador, y éste a unas resistencias para ensayar la respuesta ante variaciones de frecuencia.

Equipo generador de perturbaciones eléctricas.

La presente memoria descriptiva se refiere, como su título indica, a un equipo generador de perturbaciones eléctricas en la red conectada a un sistema de generación de energía eléctrica, como por ejemplo un aerogenerador ó planta solar, para ensayar la respuesta de los generadores ante perturbaciones en la red, entendiendo perturbaciones como huecos de tensión, sobretensiones, saltos de fase y cambios de frecuencia.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La invención aquí presentada describe un equipo generador de perturbaciones (entendiendo perturbaciones como huecos de tensión de hasta el 100 % de profundidad, sobretensiones de hasta 173% y saltos de fase de hasta 35º) para conectarse en un sistema de generación de energía eléctrica, más concretamente entre la línea de evacuación y el sistema de generación de energía eléctrica, como un aerogenerador.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la actualidad son ampliamente conocidos múltiples y variados tipos de dispositivos para generar perturbaciones tales como huecos de tensión, sobretensiones, variaciones de frecuencia y saltos de fase en máquinas de generación eléctrica:

Artículo “Voltage Sag and Swell Generator with Series Injected Inverter for the KCPP”; Y.H.Chung,

G.H Kwon, T.B Park, H.J Kim and Y.S Jeon. 2004 International Conference on Power System Technology-Powercon 2004 Singapore. En este artículo se describe un equipo para generar huecos de tensión, sobretensiones y saltos de fase en sistemas de generación eléctrica de hasta 4 MW. El equipo descrito en este artículo está basado en electrónica de potencia, y está formado por un inversor conectado en serie, un condensador en el bus de continua para almacenar energía y un rectificador. Es este equipo se modifica la magnitud y fase de las tensiones de entrada mediante la conmutación de los equipos de potencia (IGBTs, IGCTs, etc.) .

La patente US 7218122 “Power disturbance generator” describe un generador de huecos de tensión y de sobretensiones en cargas y equipos de procesos automatizados en un entorno industrial. Mediante este equipo únicamente es posible realizar tres tipos de ensayos variando la tensión de una u otra fase.

La patente WO 2005069470 (US 20080231252) “Sag-Swell and outage generator for performance test of custom power devices” describe un dispositivo utilizado para ensayar equipos de poca potencia y baja tensión frente a sobretensiones y subtensiones. Por lo tanto no aplicable a sistemas de generación eléctrica con niveles de tensión superiores a 500 V y potencias superiores a 100 kW.

La patente US 6285169 “Sag generator with switch-mode impedance” es un equipo generador de huecos de tensión, consistente en un puente de IGBTs, en el cuál se modifica la magnitud de la tensión de entrada variando el ciclo de trabajo de los mismos. Es viable solo en bajas potencias y su utilidad se basa en ser portátil y ligero siendo este su objetivo. No es aplicable en el caso de generación de energía eléctrica (aerogeneradores, …) .

La patente WO0060430 (US 5920132) “Non-Rotating portable sag generator” esta basada en la conexión de seis autotransformadores con tomas variables (2 por fase) , la aplicación de esta patente es la de realizar pruebas de huecos de tensión en fabricas con tensiones inferiores a 500 V, debido a la tecnología que utiliza no es posible aplicarlo a sistemas de generación eléctrica de elevada potencia y conectado en media tensión.

La patente US 5886429 “Voltage sag/swell testing station” describe un dispositivo utilizado en un entorno industrial para testear equipos electrónicos conectados en baja tensión ante huecos de tensión y sobretensiones, y nunca equipos conectados en media tensión.

La patente US 20030230937 “Sag generador with plurality of switch technologies” es un equipo de ensayo para testear equipos conectados en baja tensión ante subtensiones. Este equipo utiliza diferentes elementos de conmutación basados en electrónica de potencia, como son los puentes de IGBTs.

La patente WO 2006106163 (US 20090066166) “Low-Voltage dips generator device” hace referencia a un generador de huecos de tensión para ensayar equipos de generación eléctrica utilizando un divisor inductivo e incluyendo unas impedancias serie para disminuir las perturbaciones que ve la red. Este dispositivo únicamente puede conectarse en baja tensión.

La patente WO2006108890 (US 20090212748) “Voltaje sag generator device” describe un dispositivo de generación de huecos de tensión que utiliza tres transformadores de potencia sin tomas variables en paralelo para variar la impedancia de la rama de cortocircuito. Esta diseñado con el fin de verificar el comportamiento de máquinas eléctricas de generación de energía eléctrica, como aerogeneradores, ante huecos de tensión. Únicamente se consiguen huecos de tensión a tres niveles de profundidad 50, 66 y 75%.

Artículo “Fault Ride Through Test based on Transformer Switching”, Authors: Rainer Klosse, Fritz Santjer, presentado en el 8th Internacional Workshop on Large-Scale integration of wind power into power systems as well as on transmission networks for offshore wind farms. Octubre 2009 Bremen (Alemania) . Este artículo esta basado en la utilización de un autotransformador conectado en serie entre la red y el equipo a ensayar, para realizar sobretensiones de hasta 1.5 p.u y huecos de tensión en el rango 0.0-1.0 p.u; además permite realizar saltos de fase. Los saltos de fase realizados según este esquema requieren la realización de huecos de tensión puesto que lo impone la configuración en triángulo del autotransformador. El esquema planteado en este artículo utiliza electrónica de potencia para la conexión del Autotransformador así como para la conexión del bypass por lo que este esquema es mucho más caro que utilizar interruptores electromecánicos.

La patente US 20040101079 “Delay-lock-loop with improved accuracy and range” hace referencia a un dispositivo que genera señales de reloj (normalmente cuadradas) retrasadas y/o desfasadas, estas señales son señales de control y nunca de potencia.

La patente US 5099202 “Phase shift generator” describe un dispositivo que ante dos pulsos de entrada genera dos pulsos de salida desfasados. No es aplicable a la red de energía eléctrica, ni a altas potencias y ni a tensiones altas.

La patente WO 0176058 “Universal frequency electrical generator” describe un convertidor de potencia; el cual permite variar la velocidad del eje del rotor o la frecuencia de salida independientemente. Su campo de aplicación son las maquinas eléctricas, como los generadores, pero su misión es entregar la potencia generada por el generador a la frecuencia de red (50 ó 60 Hz) ya sea durante perturbaciones o en régimen permanente, es decir no esta diseñado para generar variaciones de frecuencia. Por otro lado, únicamente es aplicable en sistemas de baja tensión.

La patente WO 2005046048 “Frequency generator” describe un dispositivo para obtener una señal cuadrada de alta frecuencia a partir de una señal de baja frecuencia. Este dispositivo genera señales de reloj de baja potencia.

La patente WO 2005099063 “Method for operating a frequency converter of a generator and wind energy turbine having a generator operated according to the method” hace referencia a un método para operar un convertidor conectado a un generador de energía, como una turbina eólica, durante huecos de tensión o en operaciones normales de funcionamiento para regular el convertidor.

La patente US 6185264 “Apparatus and method for frequency shift keying” es un equipo utilizado en la transmisión de datos sobre una onda portadora. Esta señal es introducida a una frecuencia determinada.

La patente ES 2308918 “Equipo generador de huecos de tensión” presenta un equipo destinado a las pruebas de campo entre generadores eléctricos y el colector de energía, pero adolece del problema de que únicamente es capaz de producir huecos de tensión, no siendo posible probar otro tipo de perturbaciones eléctricas, con lo que únicamente es posible una prueba parcial.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Para solventar la problemática existente en la actualidad en cuanto a la simulación o ensayo de perturbaciones eléctricas en instalaciones de generación eléctrica se ha ideado el equipo generador de perturbaciones eléctricas objeto de la presente invención, el cual comprende un transformador trifásico o tres monofásicos de tomas variables conectados...

– Equipo generador de perturbaciones en redes eléctricas, caracterizado porque comprende:

un transformador (1) trifásico de tomas variables conectado en serie entre el sistema generador (2) de energía eléctrica y la red de energía (3) , mediante sendos armarios de conexión (4, 5) ,

un banco trifásico de impedancias (6) con distintas tomas,

un banco trifásico de resistencias (7) con distintas tomas,

unos interruptores monofásicos de vacío (8) colocados en serie con el banco de impedancias (6) y el de resistencias (7) para su conexión por separado o combinados con el transformador (1) y asimismo en serie entre el sistema generador (2) y la red de energía (3) ,

un interruptor by-pass (9) del banco de impedancias trifásicas para conexión directa de la red de energía (3) con el sistema generador (2) ,

unos interruptores seccionadores (10) y (11) del banco trifásico de impedancias (6) para poder operar las tomas de las iimpedancias y/o resistencias de manera segura,

un interruptor automático (12) y un interruptor seccionador (13) del banco trifásico de resistencias (7) utilizado para operar con seguridad las tomas de las resistencias,

unos interruptores automáticos (14) y (15) de conexión del transformador (1) para operar las tomas del transformador de manera segura, y poder realizar los diferentes tipos de ensayos,

un interruptor de acoplamiento/desacoplamiento (16) situado en la salida del equipo de ensayos a la red de energía (3) ,

un transformador de servicios auxiliares (17) y

los oportunos equipos de control, medida y comunicaciones (18) , alimentados desde el transformador de servicios auxiliares (17) .

– Equipo generador de perturbaciones, según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende:

un transformador reductor (21) y un rectificador (22) colocado en paralelo entre sistema generador

(2) y la red de energía (3) , y en serie con las resistencias (7) ,

un armario de conexión (23) entre las resistencias (7) y el rectificador (22) y el interruptor automático (12) ,

una batería de condensadores (20) en la entrada del sistema generador (2) , junto con un interruptor de conexión (19) de dicha batería de condensadores (20) .

– Equipo generador de perturbaciones, según cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque el armario de conexión (4) del transformador (1) al sistema generador (2) permite la conexión de una, dos o tres fases para realizar ensayos monofásicos, bifásicos ó trifásicos, así como realizar conexión en estrella y en triángulo y su conexión invertida.

– Equipo generador de perturbaciones, según cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque el armario de conexión (5) del transformador (1) al sistema colector (3) permite la conexión de una, dos o tres fases para realizar ensayos monofásicos, bifásicos ó trifásicos, así como realizar conexión en estrella y en triángulo y su conexión invertida.

– Procedimiento de ensayo utilizando un equipo generador de perturbaciones eléctricas como el descrito en las anteriores reivindicaciones caracterizado porque realiza ensayos de sobretensión, huecos de tensión, saltos de fase, tensión residual cero, mediante distintas combinaciones de las conexiones del transformador (1) en los armarios (4) y (5) , junto con distintas conexiones de los bancos de impedancias (6) y resistencias (7) mediante distintas posiciones en los distintos interruptores.

– Procedimiento de ensayo, según la reivindicación 5, caracterizado porque para realizar ensayos de sobretensión y huecos de tensión mediante el transformador (1) conectado en serie entre la red de energía (3) y el generador (2) , en un primer paso se abren y ponen a tierra los interruptores (10) y (11) ó (12) y (13) , según se vayan a realizar con impedancias (6) de preinserción ó resistencias (7) de preinserción respectivamente, y se selecciona la toma de resistencia (7) y/o impedancia (6) deseada, a continuación en un segundo paso se abren y ponen a tierra los interruptores (14) y (15) para seleccionar la toma del transformador y maniobrar los armarios de conexión (4) y (5) de forma segura, en un tercer paso se conectan 1, 2 ó 3 fases de los armarios de conexión (4) y

(5) según el ensayo sea monofásico, bifásico o trifásico, y se selecciona la toma del transformador (1) en el armario

(5) según corresponda para obtener la tensión deseada, posteriormente en un cuarto paso se cierran los interruptores (10) y (11) ó (12) y (13) , y se abre el interruptor de by-pass del banco de impedancias (9) para reducir la corriente de cortocircuito que circulará por el transformador (1) , a continuación para realizar el ensayo en un quinto paso se cierran los interruptores de conexión del transformador (14) y (15) , para finalmente en un sexto paso abrir las fases correspondientes del interruptor (8) según el ensayo sea monofásico, bifásico o trifásico.

– Procedimiento de ensayo, según la reivindicación 5, caracterizado porque el ensayo de salto de fase de 30º se realiza de la misma manera que en el caso de sobretensiones, salvo que en este caso se utiliza el transformador (1) conectado en estrella-triángulo.

– Procedimiento de ensayo, según la reivindicación 5, caracterizado porque los ensayos de salto de fase diferentes de 30º se realizan mediante el transformador (1) conectado en serie entre la red eléctrica (3) y el generador (2) , conectando en un primer paso el transformador (1) en estrella-triángulo para a continuación en un segundo paso seleccionar la toma de impedancia (6) y/o resistencia (7) para obtener el desfase deseado, continuando con un tercer paso en el que se cierran los interruptores (10) y (11) ó (12) y (13) , y a continuación en un cuarto paso se abre el interruptor de bypass del banco de impedancias (9) y finalmente para realizar el ensayo en un quinto paso se cierran los interruptores de conexión del transformador (14) y (15) .

– Procedimiento de ensayo, según la reivindicación 5, caracterizado porque para realizar sobretensiones mediante la batería de condensadores (20) , en un primer paso se selecciona la toma de la impedancia (6) deseada para limitar la potencia de cortocircuito en el punto de ensayo, y así permitir que con una menor capacidad (valor óhmico) se pueda elevar la tensión al conectar el interruptor de conexión (19) de la batería de condensadores, a continuación en un segundo paso se abre el interruptor de by pass de las impedancias (9) y posteriormente en un tercer paso se cierra el interruptor de la batería de condensadores (19) .

– Procedimiento de ensayo, según la reivindicación 5, caracterizado porque para realizar huecos de tensión con resistencias mediante el método de divisor inductivo, en un primer paso se selecciona el valor de resistencia (7) para obtener la profundidad de hueco deseada y la toma de las impedancias (6) necesaria para limitar la corriente de cortocircuito e inmunizar el ensayo de la red, a continuación en un segundo paso se desconecta el armario de conexión (5) tanto del transformador (1) como del interruptor (15) y se cortocircuitan las fases en las que se desea realizar el hueco de tensión, prosiguiendo con un tercer paso con la conexión en el armario de conexión (23) entre las resistencias (7) y el interruptor (12) , para continuar en un cuarto paso en el que se abre el interruptor de bypass (9) del banco de impedancias para conectar las impedancias (6) , finalizando con un paso en el que se realiza el ensayo cerrando el interruptor (12) .

– Procedimiento de ensayo, según la reivindicación 5, caracterizado porque el ensayo de tensión residual cero se realiza de la misma manera que en el caso de huecos de tensión con resistencias (7) , pero desconectando en el armario de conexión (23) la conexión entre el interruptor (12) y el banco de resistencias (7) y cortocircuitando las fases en que se desea realizar el hueco de tensión.

– Procedimiento de ensayo, según la reivindicación 5, caracterizado porque el ensayo de huecos de tensión de poca profundidad y larga duración se puede realizar conectando en serie el transformador (1) y el banco de resistencias (7) , y estos en paralelo entre la red de energía (3) y el generador (2) . Para ello en un primer paso se selecciona la toma de la impedancia (6) para limitar la corriente de cortocircuito, y la toma de la resistencia (7) y del transformador (1) para ajustar la tensión residual, a continuación en un segundo paso en el armario de conexión (4) se conectan las fases en las que se desee realizar el hueco, y en el armario de conexión (5) se conecta el transformador (1) con la rama de las resistencias (7) y únicamente las fases en las que se desea realizar la falta, en el armario de conexión (23) se desconecta el banco de resistencias del interruptor (12) y del rectificador (falta) y se cortocircuitan las ramas donde se desee realizar el hueco de tensión para poder realizar huecos monofásicos, bifásicos y trifásicos, a continuación en un tercer paso se abren los interruptores (14) , (12) , (13) y (15) , para proseguir con un cuarto paso en el que se procede a abrir el interruptor bypass (9) del banco de impedancias para conectar las impedancias (6) y así aislar la red del hueco de tensión para finalizar con un quinto paso en el que se cierra el interruptor (14) para realizar el hueco de tensión.

– Procedimiento de ensayo, según la reivindicación 5, caracterizado porque el ensayo de huecos de tensión se puede también realizarse conectando únicamente el transformador (1) en paralelo entre la red de energía (3) y el generador (2) , para ello en un primer paso se selecciona la toma de la (6) para limitar la corriente de cortocircuito, y la toma del transformador (1) para ajustar la tensión residual, después en un segundo paso en el armario de conexión (4) se conectan las fases en las que se desee realizar el hueco, y en el armario de conexión (5) se desconectan las fases del banco de resistencias (7) y se cortocircuitan las fases donde se desea realizar el hueco de tensión para poder realizar huecos monofásicos, bifásicos y trifásicos, a continuación en un tercer paso se procede a abrir el interruptor bypass del banco de impedancias (9) para conectar las impedancias (6) y así aislar la red del hueco de tensión, y en un cuarto paso se realiza el hueco de tensión cerrando el interruptor (14) .

– Procedimiento de ensayo, según la reivindicación 5, caracterizado porque el ensayo de frecuencia en un primer paso en el armario de conexión (23) se realiza la conexión entre las resistencias (7) y el rectificador (22) , dejando abiertos los interruptores (12) , (13) , (14) y (15) , prosiguiendo en un segundo paso a la conexión del transformador reductor (21) , el cual está en serie con el rectificador (22) y en paralelo con la red de energía (3) y el generador (2) , a continuación en un tercer paso se controla el rectificador (22) para que consuma toda la potencia que el generador (2) esté suministrando, y en un momento dado, en un cuarto paso, se abre el interruptor (8) dejando así al generador (2) en isla (desconectado de la red) , para finalizar con un quinto paso en el que se controla el rectificador (22) para que demande más/menos potencia del generador (2) con lo que aumenta/disminuye la frecuencia.