Impedancias activos en series flotantes distribuidas para sistemas de transmisión de energía.

Un módulo activo (30) para su conexión a una línea de transmisión de energía (21) de un sistema de transmisiónque comprende:

(a) un primario del transformador principal de una sola fase (35) formado para conectarse a una línea detransmisión de energía (21) sin interrumpir la línea, de tal manera que la línea eléctrica forma el secundario deltransformador principal;

(b) un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica (74);

(c) un circuito de conmutación (140) formado por dispositivos de conmutación (94) controlados por compuertasconectados al dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica (74) para intercambiar energía con el mismo yque tiene líneas de salida conectadas al primario del transformador principal (35),caracterizado por

(s) un controlador (76) conectado a los dispositivos de conmutación en el circuito de conmutación (140) paracontrolar la conmutación de los dispositivos de conmutación para la transferencia de energía entre el primariodel transformador principal (35) y el dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica (74) para proporcionaruna impedancia seleccionada inyectada en la línea de transmisión acoplada a través del primario deltransformador principal (35), estando el módulo eléctricamente aislado de la tierra y de otras líneas de fase delsistema de transmisión; y

(e) un conmutador de derivación (92) configurado para cortocircuitar el primario del transformador principal (35)cuando el módulo activo (30) no está en funcionamiento.

Impedancias activos en series flotantes distribuidas para sistemas de transmisión de energía Esta invención se refiere, en general, al campo de los sistemas de transmisión de energía eléctrica y, en particular, al control del flujo de energía en los sistemas de transmisión de energía.

Los sistemas de distribución de energía eléctrica se forman de un complejo sistema interconectado de plantas generadoras, subestaciones, y líneas de transmisión y de distribución. Los grandes sistemas de energía, tales como los de Estados Unidos y Canadá son de gran complejidad y pueden ser vulnerables a eventos interrupción de energía que se propagan a través del sistema. Para satisfacer la creciente demanda de energía eléctrica y para reducir la vulnerabilidad de los sistemas de energía a las perturbaciones, será necesario aumentar sustancialmente la capacidad de transmisión. La construcción de nuevas líneas de transmisión es costosa y requiere mucho tiempo, requiriéndose generalmente varios años para completar la adquisición de terrenos, permisos, y los procesos de construcción.

Las líneas transmisión y de distribución son normalmente sistemas pasivos, que utilizan diseños que datan de hace muchos años. Los sistemas de transmisión pasivos existentes, por lo general, no están bien adaptados para controlar el flujo de energía desde un sitio de generación hasta un cliente en particular. Los sistemas existentes se someten también a "flujo de bucle", donde la energía fluye a lo largo de su ruta de menor impedancia y no a lo largo de una ruta de contrato deseada, lo que resulta en la congestión de la línea de transmisión, pérdidas en la transmisión de energía, incapacidad para cumplir con los contratos de suministro de energía, y solicitudes de alivio de la carga de transmisión (TLR) cada vez mayores. Añadir nuevas redes de generación a las de transmisión existentes puede causar también flujos en bucle y problemas de coordinación de la protección contra fallos, con el

resultado de la mala utilización tanto de los activos de generación como de los de transmisión.

Por otra parte, los sistemas de transmisión de energía CA se someten inherentemente a pérdidas relativamente altas durante la transmisión de energía a través de distancias muy largas -varios cientos a 1.000 millas o más -lo que ha resultado en el uso limitado de líneas de transmisión de energía CC de alta tensión y propuestas para el uso de líneas de superconductores en el futuro. Sin embargo, dichas propuestas alternativas para las líneas de transmisión de CA tienen un sentido práctico incierto y, si es posible en absoluto, requerirían inversiones muy grandes y no estarían en funcionamiento durante varios años.

Por lo tanto, en el corto plazo, sería muy deseable ser capaz de mejorar la capacidad de la infraestructura de transmisión de CA existente a un coste razonable. Líneas de transmisión de CA funcionan típicamente muy por debajo de los límites térmicos debido a los límites impuestos por las consideraciones de fiabilidad o de estabilidad, de modo que las líneas existentes podrían transportar potencialmente mucha más energía si no se tuvieran que reducir las limitaciones térmicas.

Diversas soluciones técnicas se han propuesto para aumentar la capacidad de los sistemas de transmisión de CA existentes. La mayoría de estas propuestas se refieren a lo que se conoce como "Sistemas de transmisión de CA flexibles" (FACTS) . Aunque técnicamente viable, los sistemas FACTS no han sido comercialmente viables hasta la fecha debido a los altos costes de estos sistemas. Estos altos costes se deben a diversos factores, que incluyen altas tasas de energía (20 a 100 MVA) , que requieren el uso de dispositivos GTO de gran potencia en diseños 45 personalizados, haciendo que el sistema en general sea costoso de diseñar, construir, poner en servicio y hacerse funcionar. Las tasas de alta tensión (de hasta 345 kV) requieren costosos requisitos de aislamiento y aislantes y los requisitos de coordinación de protección contra fallos crean grandes tensiones en los componentes, resultando nuevamente en el sistema de alto coste. Los sistemas FACTS propuestos han implicado generalmente una única instalación, o más de un puñado de instalaciones, de tamaño relativamente grande (similar a una subestación) que producen un solo punto de fallo crítico, con la escasa fiabilidad y la no disponibilidad potencial resultante. En consecuencia, el enfoque de los FACTS no se ha aplicado en una forma comercial generalizada. El documento US

4.829.295 describe un módulo conectable a una línea de transmisión para detectar parámetros y transmitirlos a una caseta de control a nivel del suelo.

De acuerdo con la invención, módulos de impedancia activo flotante se forman para conectarse a líneas de transmisión de energía sin interrumpir las líneas, de tal manera que la línea eléctrica forma uno secundario de un transformador principal del módulo. Cada uno de los módulos de impedancia activo incluye un circuito de conmutación conectado al primario de un transformador monofásico formado para conectarse a una línea de transmisión de energía sin interrumpir la línea. El circuito de conmutación tiene conmutadores controlados por compuertas conectados a un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica, con la conmutación de los conmutadores así controlada como para alcanzar una característica de impedancia no disipada esencialmente deseada en la línea de transmisión. Los módulos activos pueden comprender un condensador de almacenamiento de energía eléctrica, y un convertidor de fase única conectado al condensador para intercambiar energía con el mismo y conectado por sus líneas de salida a al devanado primario del transformador principal. Un controlador

conectado al convertidor controla la conmutación del convertidor para proporcionar una transferencia de energía instantánea seleccionado entre el devanado primario del transformador principal y el dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica para proporcionar una impedancia seleccionada acoplado a la línea de transmisión a través del devanado primario del transformador principal. La impedancia efectiva que se inyecta en la línea de transmisión en el transformador es esencialmente no disipativa y puede ser una inductancia positiva, una inductancia negativa o una capacitancia, alcanzada a través de la inyección de una tensión en o cerca de un ángulo de fase en cuadratura con la corriente lineal. El módulo activo se aísla preferentemente eléctricamente de la tierra y de otras líneas de fase del sistema de transmisión. Por lo tanto, el convertidor flota en la tensión lineal y no necesita una referencia potencial.

En funcionamiento, el módulo de impedancia activo de la invención puede derivar inicialmente energía de control utilizando un transformador de corriente hasta que la operación del convertidor se inicie. Con el funcionamiento del convertidor, la energía de control se puede extraer del bus CC del convertidor. Debido a que el controlador se aísla de la tierra y de otras líneas de transmisión, el aislamiento de alta tensión no es necesario para el controlador, incluso para su uso con líneas de transmisión de muy alta tensión. Debido a que el módulo se aísla eléctricamente, la energía neta promedio de entrada y salida del módulo es igual a cero (aparte de las pérdidas en el circuito y en el 15 transformador) . El módulo es capaz de funcionar en varios modos: una impedancia reactiva (inductancia o capacitancia positiva) ; una impedancia activa (una inductancia o capacitancia negativa) , o una fuente de tensión que es ortogonal a la corriente en la línea de transmisión. De acuerdo con la invención, múltiples módulos se pueden instalar en ubicaciones distribuidas en un sistema de transmisión para permitir el flujo de energía a través del sistema de transmisión que tiene que controlarse. El funcionamiento de los módulos individuales se puede controlar y coordinar utilizando un enlace de comunicaciones aislado tal como un receptor de radio (y, preferentemente, un transmisor) incorporado en cada módulo, o mediante el uso de otros sistemas de comunicaciones disponibles en el mercado, tales como las comunicaciones por líneas eléctricas. Además, para las condiciones transitorias o de fallo que requieren una respuesta rápida, o en caso de fallo del canal de comunicaciones, el módulo puede funcionar autónomamente con una estrategia de control que favorece las operaciones globales del sistema, tales como 25 proporcionar impedancia inductiva eficaz en la línea de transmisión durante las condiciones de fallos para limitar la corriente de fallo o producir una impedancia arbitraria que sea dependiente de la magnitud... [Seguir leyendo]

1. Un módulo activo (30) para su conexión a una línea de transmisión de energía (21) de un sistema de transmisión que comprende: 5

(a) un primario del transformador principal de una sola fase (35) formado para conectarse a una línea de transmisión de energía (21) sin interrumpir la línea, de tal manera que la línea eléctrica forma el secundario del transformador principal;

(b) un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica (74) ;

(c) un circuito de conmutación (140) formado por dispositivos de conmutación (94) controlados por compuertas conectados al dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica (74) para intercambiar energía con el mismo y que tiene líneas de salida conectadas al primario del transformador principal (35) , caracterizado por

(s) un controlador (76) conectado a los dispositivos de conmutación en el circuito de conmutación (140) para controlar la conmutación de los dispositivos de conmutación para la transferencia de energía entre el primario del transformador principal (35) y el dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica (74) para proporcionar una impedancia seleccionada inyectada en la línea de transmisión acoplada a través del primario del transformador principal (35) , estando el módulo eléctricamente aislado de la tierra y de otras líneas de fase del sistema de transmisión; y

(e) un conmutador de derivación (92) configurado para cortocircuitar el primario del transformador principal (35) cuando el módulo activo (30) no está en funcionamiento.

2. El módulo activo (30) de la reivindicación 1, donde el primario del transformador principal (35) tiene un devanado que comprende múltiples vueltas de alambre enrollado en una forma toroidal con secciones del alambre que se extienden en una dirección longitudinal paralela a la línea de transmisión cuando el primario del transformador devanado (35) está montado en la línea de transmisión (21) .

3. El módulo activo (30) de la reivindicación 1, donde el circuito de conmutación (140) y el controlador (76) están contenidos en una carcasa (31) conectada con el devanado primario del transformador principal de modo que todos los componentes del módulo activo (30) están soportados por la línea de transmisión (21) en la que el devanado primario del transformador está montado, mientras están eléctricamente aislados de la tierra y de las líneas de transmisión adyacentes.

4. El módulo activo (30) de la reivindicación 1, donde el circuito de conmutación (140) es un convertidor (71) formado de dispositivos de conmutación (94) controlados por compuerta conectados en una configuración de puente, el convertidor (71) conectado entre líneas de bus CC (72) que se conectan con el dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica (74) .

5. El módulo activo (30) de la reivindicación 4, donde el dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica (74) es 40 un condensador.

6. El módulo activo (30) de la reivindicación 1, donde el dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica (74) es un inductor (145) , y donde el circuito de conmutación (140) comprende un conmutador en serie (141) conectado en serie entre el primario del transformador principal (35 ) y el inductor (145) , y un conmutador en paralelo (143)

conectado en paralelo con el inductor (145) , el controlador (76) conectado con el conmutador en serie (141) y el conmutador en paralelo (143) para conmutarlos alternativamente con un ciclo de trabajo d para el conmutador en serie (141) y un ciclo de trabajo (1-d) para el conmutador en paralelo (143) .

7. El módulo activo (30) de la reivindicación 6, donde el conmutador en serie (141) y el conmutador en paralelo (143)

comprenden cada uno IGBT de espalda con espalda con un diodo anti-paralelo (95) conectado a través de cada IGBT.

8. El módulo activo (30) de la reivindicación 1, donde el primario del transformador principal (35) tiene un devanado que comprende múltiples vueltas de alambre con secciones del alambre que se extienden en una dirección 55 longitudinal paralela a la línea de transmisión (21) cuando el devanado primario del transformador está montado en la línea de transmisión (21) , donde el dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica (74) comprende un condensador, y donde el circuito de conmutación (140) comprende un convertidor de fase única (71) conectado por líneas de bus CC (72) al condensador .

9. El módulo activo (30) de la reivindicación 8 donde el convertidor (71) y el controlador (76) están contenidos en una carcasa (31) conectada al devanado primario del transformador principal, de modo que todos los componentes del módulo de impedancia activo (30) están soportados por la línea de transmisión (21) en la que el primario del transformador está montado, mientras que están eléctricamente aislados de la tierra y de las líneas de transmisión adyacentes.

10. El módulo activo (30) de la reivindicación 1 o de la reivindicación 8, donde el primario del transformador (35) tiene un núcleo (36) que se divide longitudinalmente en secciones (36a, 36b) de modo que se puede abrir para permitir que el primario del transformador acople más de una línea de transmisión y cerrar las secciones del núcleo primario del transformador entre sí para montar el primario del transformador en la línea de transmisión (21) .

11. El módulo activo (30) de la reivindicación 3 o de la reivindicación 9, que incluye un receptor de radio (88) montado en la carcasa (31) y conectado al controlador (76) para proporcionar señales de comando al controlador

(76) transmitidas a través de un enlace de radiocomunicaciones al receptor de radio (88) .

12. El módulo activo (30) de la reivindicación 4 o de la reivindicación 8, donde los dispositivos de conmutación (4) controlados por compuertas son IGBT, e incluyen un diodo anti-paralelo (95) conectado a través de cada IGBT.

13. El módulo activo (30) de la reivindicación 4 o de la reivindicación 8, donde el controlador (76) está dispuesto para controlar el convertidor (71) para proporcionar una tensión acoplada a través del devanado primario del

transformador a la línea de transmisión (21) que selectivamente aparece como inductancia positiva, inductancia negativa, o tensión en cuadratura en la tensión de la línea de transmisión en la posición del primario del transformador (35) .

14. El módulo activo (30) de la reivindicación 13, donde el controlador (76) está dispuesto para hacer que el convertidor (71) extraiga energía de la línea de transmisión (21) para cubrir las pérdidas en el convertidor (71) .

15. El módulo activo (30) de la reivindicación 4 o de la reivindicación 8, que incluye un devanado de transformador auxiliar (83) adaptado para acoplarse a una línea de transmisión (21) sin interrumpir la línea y para extraer energía de la misma y para suministrar energía en los terminales de salida de la misma al controlador (76) .

16. El módulo activo (30) de la reivindicación 1 o de la reivindicación 8, donde el controlador (76) incluye un sensor para detectar la corriente a través de una línea de transmisión de energía (21) , y donde en la detección de una corriente de fallo en la línea de transmisión de energía (21) , el controlador (76) está dispuesto para controlar el convertidor (71) para inyectar una inductancia positiva en la línea de transmisión (21) para ayudar a limitar la corriente de fallos.

17. El módulo activo (30) de la reivindicación 1 o de la reivindicación 8, donde el devanado primario del transformador principal (35) tiene varias vueltas de alambre.

18. Un método de inyectar activamente una tensión en serie en una línea de transmisión (21) de un sistema de transmisión trifásico que comprende:

(a) acoplar un devanado primario del transformador (35) a una de las líneas de fase de una línea de transmisión de energía de alta tensión sin interrumpir la línea, de modo que la línea de transmisión (21) constituye el secundario de un transformador que está aislado de las otras líneas de fase y de tierra, y caracterizado por

(b) aplicar selectivamente tensión alterna al devanado primario (35) del transformador para inyectar tensión en la línea de transmisión (21) en la posición del transformador para proporcionar eficazmente una impedancia en la línea de transmisión; y

(c) utilizar un conmutador de derivación (92) para cortocircuitar el devanado primario del transformador (35) 45 cuando no se aplican selectivamente tensiones alternas al devanado primario.

19. El método de la reivindicación 18, donde las etapas (a) , (b) y (c) se realizan en cada una de tres líneas de fase (21) del sistema de transmisión de energía trifásico.

20. El método de la reivindicación 18, donde las etapas (a) , (b) y (c) se aplican en varias ubicaciones a través de una red de transmisión de energía del sistema.

21. El método de la reivindicación 20, que incluye controlar la tensión aplicada a los transformadores en múltiples localizaciones en una red de transmisión de energía que tiene múltiples conjuntos (20) de líneas de transmisión

trifásicas para desviar parcialmente el flujo de energía de un conjunto de líneas de transmisión a otro conjunto de líneas de transmisión.

22. El método de la reivindicación 18, que incluye monitorear la corriente que fluye en la línea de transmisión (21) en el transformador para detectar las corrientes de fallo y, cuando una corriente de fallo es detectada, aplicar tensión CA al devanado primario del transformador (35) para proporcionar una inductancia efectiva positiva en la línea de transmisión (21) en el transformador para ayudar a limitar la corriente de fallo.

23. El método de la reivindicación 18, donde la etapa de aplicar tensión alterna al devanado primario del

transformador (35) se realiza para proporcionar inductancia efectiva positiva o negativa en la línea de transmisión 65 (21) en la posición del transformador.

24. El método de la reivindicación 18, donde la etapa de acoplamiento de un devanado primario del transformador

(35) a una de las líneas de fase comprende proporcionar un devanado primario del transformador enrollado alrededor de un núcleo dividido (36) y acoplar el núcleo dividido sobre la línea de transmisión (21) para formar un devanado primario y el núcleo (76) que rodea la línea de transmisión (21) .

25. El método de la reivindicación 18, que incluye transmitir una señal de radio frecuencia para controlar la etapa de aplicar selectivamente de tensión para cambiar la tensión alterna aplicada al devanado primario (35) .