Sistema y procedimiento para incrementar la corriente inyectada en la red eléctrica por generadores eléctricos durante huecos de tensión producidos en la red.

Sistema para incrementar la corriente inyectada en la red eléctrica por generadores eléctricos durante huecos de tensión producidos en la red,

comprendiendo:

- un transformador de potencia (2) del generador eléctrico (1) con tomas en sus devanados;

- un cambiador de tomas en carga (3) con interruptores electrónicos para efectuar cambios de tomas en el transformador de potencia (2);

- un sistema de medida (5) para obtener la medida de las tensiones de fase en uno de los dos lados del transformador de potencia (2);

- un sistema de control (4) para:

- recibir las medidas efectuadas por el sistema de medida (5);

- analizar dichas medidas para:

- detectar huecos de tensión en la red eléctrica;

- determinar la toma del transformador de potencia (2) a conmutar para incrementar la corriente inyectada en la red eléctrica;

- ordenar la actuación de los interruptores del cambiador de tomas (3) para realizar el cambio de toma previamente determinado.

Sistema y procedimiento para incrementar la corriente inyectada en la red eléctrica por generadores eléctricos durante huecos de tensión producidos en la red

Sector de la técnica La invención se encuadra en el sector técnico de la generación y el transporte de energía eléctrica. Más concretamente, en la producción de energía eléctrica con dispositivos que presentan baja potencia de cortocircuito porcentual, esto es, baja contribución a la corriente de cortocircuito. Típicamente, aunque no exclusivamente, en la generación de energía eléctrica de origen renovable o disperso con generadores que incluyen etapas de conversión energética mediante electrónica de potencia.

Estado de la técnica Un sistema de energía eléctrica es el conjunto de las instalaciones electrotécnicas para la generación, transporte y utilización de la energía eléctrica en una zona geográfica. Así, la misión de tal sistema es suministrar energía eléctrica a los consumidores que la demandan dentro de una determinada área geográfica. Adicionalmente, este suministro se debe realizar cumpliendo con unas condiciones de seguridad, de calidad y medioambientales adecuadas, con el mínimo coste posible.

Los generadores eléctricos son uno de los elementos fundamentales dentro de un sistema de energía eléctrica. Tradicionalmente, estos generadores son, en su mayor parte, grandes máquinas eléctricas rotativas síncronas. Así, el funcionamiento de los sistemas de energía eléctrica ha estado muy definido por las características de funcionamiento propias de este tipo de máquinas conectadas en red. Particularmente, en lo que se relaciona con la presente invención, la filosofía de protección de los sistemas de energía eléctrica y las instalaciones y equipos asociados, se fundamentan en cómo se comportan dichos generadores ante los diferentes fallos o perturbaciones a los que puede estar sometido el sistema de energía eléctrica.

En los últimos años, debido fundamentalmente al incremento en la utilización de fuentes renovables de energía para la generación de electricidad, esta situación está cambiando. Se están instalando otros tipos de generadores eléctricos cuyas características de funcionamiento son diferentes a las de los generadores síncronos. Mientras el grado de penetración de estos nuevos generadores en los sistemas de energía eléctrica era poco significativo, las características de funcionamiento de los sistemas no se veían alteradas sustancialmente. Sin embargo, el aumento de su nivel de penetración, ha ido poniendo de manifiesto alteraciones en el funcionamiento de los sistemas que han obligado a los operadores de los sistemas de energía eléctrica a imponer requisitos cada vez más estrictos a estos nuevos generadores. Estos requisitos son de diversa índole, pero se puede decir que, en general, están orientados a que los nuevos generadores incorporen sistemas complementarios para que las características de funcionamiento conjunto se asemejen a las de los generadores síncronos. Así, por ejemplo, la capacidad para soportar huecos de tensión es ya un requisito que se incluye en muchos códigos de red y, en consecuencia, los fabricantes de generadores ya la incluyen habitualmente entre las prestaciones de sus equipos.

Actualmente, en sistemas de energía eléctrica con elevado nivel de penetración de generadores eléctricos no convencionales, se empieza a poner de manifiesto un problema relacionado con su menor capacidad de contribución a la corriente de cortocircuito en caso de defecto, comparada con la de los generadores síncronos. Esta capacidad es especialmente baja en los generadores, o agrupaciones de generadores, en los que la totalidad de la energía eléctrica producida se vierte a la red eléctrica a través de un convertidor electrónico. Por ejemplo, en las plantas solares fotovoltaicas o en los generadores eólicos con convertidor electrónico de potencia plena. Conviene resaltar que un análisis superficial de la situación podría concluir que resulta beneficioso que, en caso de defecto en la red eléctrica, la corriente de cortocircuito aportada por estos generadores sea porcentualmente inferior a la que aportan los generadores convencionales. Esto es parcialmente cierto, por ejemplo, en lo que se refiere al dimensionado de la aparamenta de corte del sistema de energía eléctrica. Sin embargo, es importante destacar que una buena parte de filosofía de protección de dicho sistema se basa en que los defectos de aislamiento se detectan debido a las altas corrientes que llevan asociadas, al menos, en los sistemas convencionales. La disminución de la contribución de los nuevos generadores a la corriente de cortocircuito, por tanto, supone un problema para la protección del sistema de energía eléctrica.

La presente invención tiene como objeto aportar una solución a este problema, mediante una nueva forma de utilización de un transformador con tomas y con cambiador de las mismas en carga. Equipos aparentemente similares son conocidos y utilizados desde hace muchas décadas, como se puede ver, por ejemplo, en el documento de patente US1641271, de 1927. Sin embargo, su utilización en sistemas de energía eléctrica está orientada al cambio de tomas en régimen cuasi permanente, nunca durante huecos de tesión y siempre sobre sistemas equilibrados y para el control de la tensión, en los que no es importante la rapidez de respuesta del control de tomas.

Esta utilización convencional de un transformador con cambio de tomas en carga ha deparado en la especialización funcional de los equipos para resolver tal problema, como puede comprobarse por ejemplo en los documentos de patente US20110005910, US20110000769 y US20100263996. Así, los equipos actuales están optimizados para un funcionamiento en régimen cuasi permanente, con pocas maniobras por hora, y su operación está

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orientada a controlar la tensión. En resumen, existe un cierto prejuicio técnico sobre la utilización de estos equipos como reguladores de tensión lentos.

Descripción de la invención La presente invención propone una utilización especial de un transformador con cambio de tomas en carga para actuar sobre la intensidad, en lugar de la tensión, durante el régimen transitorio asociado a un cortocircuito, y la especificación de sus características para cumplir tal función. Por otra parte, a diferencia del uso convencional de los transformadores con cambiador de tomas en carga, donde su función es el control de una magnitud (la tensión) , la función de la presente invención es multiplicar, en lugar de controlar, otra magnitud (la corriente) .

Por otra parte, para conseguir esta multiplicación de la corriente, no basta con hacer un cambio de tomas del transformador que permita el cambio de relación de intensidades descrito anteriormente. Además, hay que combinarlo con un procedimiento para hacer funcionar el generador (incluido el convertidor) como una fuente de intensidad, en lugar de como fuente de tensión, para asegurar que, una vez cambiadas las tomas, no se supera el valor nominal de la corriente del convertidor electrónico. Adicionalmente a esta función principal, el procedimiento debe incluir la vigilancia y el control de la tensión en el lado del convertidor, ya que el sistema descrito en la presente invención sólo puede utilizarse cuando hay una disminución de la tensión en la línea (típicamente debido a un cortocircuito) ya que, al cambiar la relación de transformación para multiplicar la corriente en uno de los bobinados del transformador, también se produce una multiplicación de la tensión en el bobinado opuesto conectado al convertidor electrónico, pudiendo bloquearlo e incluso destruirlo. Hay que tener en cuenta que el valor de la tensión en el bus de corriente continua de un inversor está directamente relacionado con la tensión de la red a que está conectado, debido a los diodos en antiparalelo conectados a sus interruptores estáticos. En consecuencia, al cambiar las tomas aumenta la tensión en los bobinados del transformador conectado al inversor, de forma que la rectificación efectuada por los diodos cargará los condensadores del bus de corriente continua del inversor, incrementando su tensión, pudiendo destruirlos a ellos y a los interruptores estáticos del inversor. Por este motivo, el sistema de control debe efectuar una medida de la tensión de red y efectuar el cambio en la relación de transformación sólo en los casos en los que detecte un hueco de tensión.

Cuando el sistema de control detecta un hueco monofásico o bifásico, la regulación del convertidor electrónico reacciona intentando anular la secuencia inversa y restaurar la secuencia directa, inyectando las adecuadas corrientes por las líneas dentro de los...

1. Sistema para incrementar la corriente inyectada en la red eléctrica por generadores eléctricos durante huecos de tensión producidos en la red, caracterizado por que comprende:

- un transformador de potencia (2) del generador eléctrico (1) con una pluralidad de tomas en al menos uno de sus devanados;

- un cambiador de tomas en carga (3) con una pluralidad de interruptores electrónicos encargados de efectuar cambios de tomas en el transformador de potencia (2) según unas determinadas órdenes de control;

- un sistema de medida (5) encargado de obtener la medida de las tensiones de fase en uno de los dos lados del transformador de potencia (2) ;

- un sistema de control (4) configurado para:

* recibir las medidas efectuadas por el sistema de medida (5) ;

* analizar dichas medidas para, cuando se produce un hueco de tensión en la red eléctrica:

- detectar dicho hueco de tensión;

- determinar, según un determinado criterio de selección, la toma del transformador de potencia (2) a conmutar para incrementar la corriente inyectada en la red eléctrica;

- ordenar la actuación de los interruptores del cambiador de tomas (3) para realizar el cambio de toma determinado previamente.

2. Sistema según la reivindicación 1, donde el sistema de medida (5) está adicionalmente configurado para obtener la medida de la corriente de las distintas fases, y donde el sistema de control (4) está configurado para ordenar la actuación de los interruptores del cambiador de tomas (3) cuando la corriente en cada una de las fases es próxima a cero.

3. Sistema según la reivindicación 2, donde para realizar la secuencia de maniobra para el cambio de toma de cada fase el sistema de control (4) está configurado para, en el paso por cero de la corriente de fase, cerrar el interruptor en paralelo con el bobinado y abrir el interruptor en serie.

4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el sistema de control (4) está adicionalmente configurado para, en función de las medidas efectuadas por el sistema de medida (5) , detectar la finalización del hueco de tensión y ordenar la actuación de los interruptores del cambiador de tomas (3) para realizar el cambio a la toma nominal de funcionamiento.

5. Sistema según la reivindicación 4 cuando depende de la 2, donde para realizar la secuencia de maniobra para el cambio a la toma nominal en cada fase el sistema de control (4) está configurado para, en el paso por cero de la corriente de fase, abrir el interruptor en paralelo con el bobinado y cerrar el interruptor en serie.

6. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el análisis de las medidas para determinar los huecos de tensión comprende calcular el valor eficaz de las tensiones de fase y compararlas con su valor nominal, de forma que si la diferencia es superior a un margen determinado, se determina la presencia de un hueco de tensión.

7. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el sistema de medida (5) está configurado para obtener la medida de la tensión de c.a. de la red en el lado del convertidor electrónico (8) del generador (1) , y donde el sistema de control (4) está configurado para seleccionar aquella toma que genere la máxima inyección de corriente en la red y tal que la tensión en bornes del convertidor electrónico (8) sea igual o inferior a su tensión nominal.

8. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el sistema de control (4) está configurado para detectar huecos desequilibrados monofásicos o bifásicos mediante el algoritmo de separación en secuencias directa e inversa DSC.

9. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la conmutación de la toma para incrementar la corriente inyectada en la red eléctrica se realiza mediante una de las siguientes formas:

- eliminando espiras en el bobinado del transformador (2) conectado a la red;

- añadiendo espiras en el bobinado del transformador (2) conectado al generador (1) .

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10. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el sistema de control (4) está configurado para realizar la conmutación a la toma determinada según una de las siguientes formas:

- de manera directa;

- de manera secuencial, pasando por tomas intermedias.

11. Procedimiento para incrementar la corriente inyectada en la red eléctrica por generadores eléctricos durante huecos de tensión producidos en la red, donde el transformador de potencia (2) del generador eléctrico (1) dispone de una pluralidad de tomas en al menos uno de sus devanados, caracterizado por que el procedimiento comprende:

- obtener la medida de las tensiones de fase en uno de los dos lados del transformador de potencia (2) ;

- analizar dichas medidas para, cuando se produce un hueco de tensión en la red eléctrica:

* detectar dicho hueco de tensión;

* determinar, según un determinado criterio de selección, la toma del transformador de potencia (2) a conmutar para incrementar la corriente inyectada en la red eléctrica;

* efectuar en el transformador de potencia (2) el cambio de toma determinado previamente.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, que comprende adicionalmente: - obtener la medida de la corriente de las distintas fases;

- efectuar el cambio de toma cuando la corriente en cada una de las fases es próxima a cero.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, donde la secuencia de maniobra para el cambio de toma de cada fase comprende, en el paso por cero de la corriente de fase, cerrar el interruptor en paralelo con el bobinado y abrir el interruptor en serie.

14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, que comprende adicionalmente detectar la finalización del hueco de tensión y realizar el cambio a la toma nominal de funcionamiento.

15. Procedimiento según la reivindicación 14 cuando depende de la 12, donde la secuencia de maniobra para el cambio a la toma nominal en cada fase comprende, en el paso por cero de la corriente de fase, abrir el interruptor en paralelo con el bobinado y cerrar el interruptor en serie.

16. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, donde el análisis de las medidas para determinar los huecos de tensión comprende calcular el valor eficaz de las tensiones de fase y compararlas con su valor nominal, de forma que si la diferencia es superior a un margen determinado, se determina la presencia de un hueco de tensión.

17. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 16, que comprende adicionalmente:

- obtener la medida de la tensión de c.a. de la red en el lado del convertidor electrónico (8) del generador (1) , y

- seleccionar aquella toma que genere la máxima inyección de corriente en la red y tal que la tensión en bornes del convertidor electrónico (8) sea igual o inferior a su tensión nominal.

18. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 17, que comprende detectar huecos desequilibrados monofásicos o bifásicos mediante el algoritmo de separación en secuencias directa e inversa DSC.

19. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 18, donde la conmutación de la toma para incrementar la corriente inyectada en la red eléctrica se realiza mediante una de las siguientes formas:

- eliminando espiras en el bobinado del transformador (2) conectado a la red;

- añadiendo espiras en el bobinado del transformador (2) conectado al generador (1) .

20. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 19, donde la conmutación a la toma determinada se realiza según una de las siguientes formas:

- de manera directa;

- de manera secuencial, pasando por tomas intermedias.