Un sistema para intercambiar energía.

Un sistema para intercambiar energía eléctrica, en conexión en paralelo,

con una red de suministro de energíaeléctrica trifásica, cuyo sistema comprende un Convertidor de Fuente de Tensión (5, 5') que presenta al menos tresderivaciones de fase (6-11, 6'-8') cada una en conexión en serie con células de conmutación (15, 15'),en donde cada una de dichas células de conmutación comprende, de una parte, al menos dos conjuntos de montaje desemiconductores (16, 17) conectados en serie y comprendiendo cada uno un dispositivo de semiconductores (18) deltipo de desconexión y un elemento rectificador (19) conectado de manera anti-paralela con este último y, de otra parte, almenos un condensador de almacenamiento de energía (20, 20') así como dos terminales (21, 22) que conectan la célulaa las células adyacentes en dicha conexión en serie de las células de conmutación, estando las tres derivaciones de fasedel convertidor de fuente de tensión, en una primera extremidad (23-25) interconectadas en un punto neutro (26, 26') ensuspensión libre para formar una conexión en Y, estando con una segunda extremidad (27-29, 27'-29', 34-36)conectadas a una fase (2-4) de dicha red de suministro de energía eléctrica trifásica, cuyo sistema comprende, además,medios (40, 40') configurados para detectar condiciones eléctricas de dicha red de suministro de energía eléctricatrifásica y una unidad de control (41, 41'), configurada para controlar dichos dispositivos de semiconductores de dichosconjuntos de montaje de semiconductores de cada célula de conmutación y cada célula de conmutación depende deinformación recibida desde dichos medios de detección con el fin de proporcionar una tensión en los terminales de cadacélula de conmutación que es de o U, en donde U es la tensión de dicho condensador, con el fin de suministrar, con lasotras células de conmutación de la derivación de fase en dicha segunda extremidad, un impulso de tensión que es lasuma de las tensiones así suministradas por cada célula de conmutación y cuya unidad de control (41, 41') estáconfigurada, en el momento de la recepción de información desde dichos medios de detección que crean una necesidadde generar una corriente de secuencia negativa, para calcular un valor para amplitud y posición de fase para unasegunda corriente de secuencia negativa o una tensión de secuencia nula o un valor de una corriente continua para elcual, cuando se añade a dichas tres derivaciones de fase (6-11, 6'-8') a la generación de dicha corriente de secuencianegativa, la energía resultante almacenada en dichos condensadores de almacenamiento de energía en cada derivaciónde fase será constante y para controlar los dispositivos de semiconductores (18) de dichas células de conmutación (15,15') de las derivaciones de fase con el fin de añadir esta tensión de secuencia nula, una segunda corriente de secuencianegativa o una corriente continua DC a las corrientes y tensiones, respectivamente, de cada derivación de fase delconvertidor.

Un sistema para intercambiar energía CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere al campo técnico de intercambio de energía con una red de energía eléctrica trifásica con objetivos diferentes, tales como para obtener una compensación de potencia reactiva, estabilizar la red de energía eléctrica y reducir las perturbaciones allí existentes, tal como la reducción de la presencia de armónicos en la red generados por una carga que está conectada a dicha red.

La compensación de los flujos de potencia reactiva en redes de energía eléctrica ocurre convencionalmente, entre otras causas, por la conexión de elementos de impedancia reactiva en la forma de inductores en condensadores en conexión en paralelo a la red de suministr través del inductor puede controlarse y de este modo, también el intercambio de potencia reactiva con dicha red. Conectando un conmutador de semiconductores en serie con dicho condensador y el control del suministro de potencia reactiva a la red de suministro de energía puede controlarse en etapas. Los condensadores conectados en paralelo se utilizan principalmente en las redes industriales para compensar el consumo de potencia reactiva en, a modo de ejemplo, grandes motores asíncronos. Otra aplicación de dicho sistema está en relación con cargas con un consumo de potencia reactiva de amplia variación, tal como en hornos de arcos industriales, en donde la inestabilidad con respecto a la energía transmitida a través de las diferentes fases de la red puede presentarse.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Un sistema de este tipo es conocido a través de, a modo de ejemplo, el documento US 5 532 575 y el artículo titulado “Un inversor de fuente de tensión multinivel con fuentes de corriente continua DC separadas para generación de potencia reactiva Var estática”, 1995 IEEE, páginas 2541 – 2548. Un convertidor de fuente de tensión, que presenta derivaciones de fase formadas por un así denominado enlace de cadena de células de puente en H que tienen cada una al menos un condensador de almacenamiento de energía se utiliza en un sistema para intercambiar energía con una red de energía eléctrica trifásica. La ventaja de dicho uso es que ya en un número comparativamente bajo de dichas células de conmutación, conectadas en serie, un número comparativamente alto de diferentes niveles de dicho impulso de tensión, proporcionados por el convertidor, puede obtenerse a este respecto, de modo que pueda obtenerse dicha tensión con una frecuencia fundamental que presenta una forma muy próxima a una tensión sinusoidal sin necesidad de ningún filtro de alisado. Además, lo que antecede puede obtenerse ya por medio de frecuencias de conmutación bastante más bajas que las utilizadas en los convertidores de fuentes de tensión de dos o tres niveles. Además, esto hace posible obtener bastantes más bajas pérdidas y también reduce los problemas de filtrado y corrientes armónicas e interferencias de radio, de modo que su equipo puede ser menos costoso. Todo lo que antecede da lugar a un mejor rendimiento del sistema y a un ahorro de costes con respecto a los sistemas que tienen convertidores sin ningún condensador de almacenamiento de energía incorporado en las células de conmutación.

Es de importancia para una operación fiable y eficiente de dicho sistema que la energía almacenada en el condensador de cada célula de conmutación del convertidor se mantenga constante para conservar también constante la tensión directa de cada una de dichas células. Esto implica que el convertidor, en este sistema conocido, presente derivaciones de fase conectadas en Y que solamente pueden generar potencia reactiva, esto es, el componente de corriente es una corriente de secuencia negativa y está en cuadratura con la tensión en el respectivo terminal de derivación de fase del convertidor. Lo anterior se debe al hecho de que cuando se genera una corriente de secuencia negativa por un convertidor conectado en Y, suponiéndose una tensión de secuencia positiva, en tal caso, la energía en dichos condensadores aumentará/disminuirá entre fases, lo que da lugar a variaciones de tensión directa a través de los condensadores.

Sin embargo, puede ser, en algunas situaciones, de gran importancia poder crear una corriente de secuencia negativa con el fin de desplazar la energía desde una de las fases de la red de suministro de energía a la otra para obtener un equilibrio del flujo de energía en una red inestable o de cualquier otro modo, reducir las perturbaciones en la red.

Es, por supuesto, una tentativa permanente para mejorar los sistemas del tipo definido en esta introducción.

En el documento CN 101345422 se describe un método de compensación de secuencia negativa para circuitos multinivel dispuestos en cascada.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

El objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema del tipo definido en la introducción que suponga una mejora en al menos algún aspecto con respecto a dichos sistemas ya conocidos.

Este objetivo está en conformidad con la invención obtenida proporcionando dicho sistema, que se caracteriza por cuanto que cada dicha célula de conmutación tiene, de una parte, al menos dos conjuntos de montaje de

semiconductores conectados en serie y que tiene cada uno un dispositivo de semiconductores del tipo de desconexión y un elemento rectificador conectado en manera anti-paralela y de otra parte, al menos un condensador de almacenamiento de energía así como dos terminales que conectan la célula a las células adyacentes en dicha conexión en serie de células de conmutación, que las tres derivaciones de fase del convertidor de fuente de tensión estén en una primera extremidad interconectada en un punto neutro en suspensión libre formando una conexión en Y, estando en la otra segunda extremidad, conectado a una fase de cada una de dicha red de suministro de energía eléctrica trifásica, que el sistema comprende, además, medios configurados para detectar condiciones eléctricas de dicha red de suministro de energía eléctrica trifásica y una unidad de control configurada para controlar a dichos dispositivos de semiconductores de dichos conjuntos de montaje de semiconductores de cada célula de conmutación y de forma que cada célula de conmutación sea dependiente de la información recibida desde dicho medio de detección para proporcionar una tensión a través de los terminales de cada dicha célula de conmutación que sea cero o U, en donde U es la tensión a través de dicho condensador, para junto con otras células de conmutación de la derivación de fase en dicha segunda extremidad, proporcione un impulso de tensión que es la suma de las tensiones así proporcionadas por cada célula de conmutación y que dicha unidad de control esté configurada, a la recepción de información desde dicho medio de detección, que causa una necesidad de generar una corriente de secuencia negativa, para calcular un valor para amplitud y posición de fase para una segunda corriente de secuencia negativa o una tensión de secuencia nula o un valor de una corriente continua para la que, cuando se añade a dichas derivaciones trifásicas, a la generación de dicha corriente de secuencia negativa, la energía resultante almacenada en dichos condensadores de almacenamiento de energía, en cada una de dichas derivaciones de fase, será constante y para controlar los dispositivos de semiconductores de dichas células de conmutación de las derivaciones de fase para añadir dicha tensión de secuencia nula, una segunda corriente de secuencia negativa o una corriente continua a las corrientes y tensiones, respectivamente, de cada derivación de fase del convertidor.

De este modo, el presente inventor ha constatado que es posible utilizar un así denominado convertidor M2LC que tiene células de conmutación de dos niveles según se da a conocer, a modo de ejemplo, en el documento DE 101 03 031 A1 en un sistema de este tipo sin conectar los polos de corriente continua DC a cualquier línea como en ese caso pero, en lugar de interconectar las tres derivaciones de fase del convertidor en una sola extremidad en un punto neutro en suspensión libre formando una conexión en Y, y en la otra segunda extremidad conectándoles a una fase de cada una de una red de suministro de energía eléctrica trifásica. Además, diseñando la unidad de control para calcular dicha tensión de secuencia nula o dichas corrientes y su adición a la corriente y tensión de referencia, respectivamente, cuando se controlan los dispositivos de semiconductores de las células de conmutación de cada derivación de fase del convertidor, se puede generar una corriente de secuencia negativa cuando surja una necesidad al mismo tiempo que... [Seguir leyendo]

1. Un sistema para intercambiar energía eléctrica, en conexión en paralelo, con una red de suministro de energía eléctrica trifásica, cuyo sistema comprende un Convertidor de Fuente de Tensión (5, 5’) que presenta al menos tres derivaciones de fase (6-11, 6’-8’) cada una en conexión en serie con células de conmutación (15, 15’) ,

en donde cada una de dichas células de conmutación comprende, de una parte, al menos dos conjuntos de montaje de semiconductores (16, 17) conectados en serie y comprendiendo cada uno un dispositivo de semiconductores (18) del tipo de desconexión y un elemento rectificador (19) conectado de manera anti-paralela con este último y, de otra parte, al menos un condensador de almacenamiento de energía (20, 20’) así como dos terminales (21, 22) que conectan la célula a las células adyacentes en dicha conexión en serie de las células de conmutación, estando las tres derivaciones de fase del convertidor de fuente de tensión, en una primera extremidad (23-25) interconectadas en un punto neutro (26, 26’) en suspensión libre para formar una conexión en Y, estando con una segunda extremidad (27-29, 27’-29’.

3. 36) conectadas a una fase (2-4) de dicha red de suministro de energía eléctrica trifásica, cuyo sistema comprende, además, medios (40, 40’) configurados para detectar condiciones eléctricas de dicha red de suministro de energía eléctrica trifásica y una unidad de control (41, 41’) , configurada para controlar dichos dispositivos de semiconductores de dichos conjuntos de montaje de semiconductores de cada célula de conmutación y cada célula de conmutación depende de información recibida desde dichos medios de detección con el fin de proporcionar una tensión en los terminales de cada célula de conmutación que es de o U, en donde U es la tensión de dicho condensador, con el fin de suministrar, con las otras células de conmutación de la derivación de fase en dicha segunda extremidad, un impulso de tensión que es la suma de las tensiones así suministradas por cada célula de conmutación y cuya unidad de control (41, 41’) está configurada, en el momento de la recepción de información desde dichos medios de detección que crean una necesidad de generar una corriente de secuencia negativa, para calcular un valor para amplitud y posición de fase para una segunda corriente de secuencia negativa o una tensión de secuencia nula o un valor de una corriente continua para el cual, cuando se añade a dichas tres derivaciones de fase (6-11, 6’-8’) a la generación de dicha corriente de secuencia negativa, la energía resultante almacenada en dichos condensadores de almacenamiento de energía en cada derivación de fase será constante y para controlar los dispositivos de semiconductores (18) de dichas células de conmutación (15, 15’) de las derivaciones de fase con el fin de añadir esta tensión de secuencia nula, una segunda corriente de secuencia negativa o una corriente continua DC a las corrientes y tensiones, respectivamente, de cada derivación de fase del convertidor.

2. Un sistema según la reivindicación 1, en donde dicho Convertidor de Fuente de Tensión comprende solamente dichas tres derivaciones de fase (6’-8’) que, en dicha segunda extremidad (27’-29’) , están solamente conectadas a una fase (2-4) cada una de dicha red de suministro de energía eléctrica trifásica y que dicha unidad de control (41’) está configurada, a la recepción de información desde dichos medios de detección (40’) que crean una necesidad de generar una corriente de secuencia negativa, para calcular un valor de amplitud y posición de fase para una tensión de secuencia nula para la cual, cuando se añade a dichas tres derivaciones de fase a la generación de dicha corriente de secuencia negativa, la energía resultante almacenada en dichos condensadores de almacenamiento de energía (20’) en cada derivación de fase será constante y para controlar los dispositivos de semiconductores (18) de dichas células de conmutación de las derivaciones de fase con el fin de añadir esta tensión de secuencia nula a las tensiones de cada derivación de fase del convertidor.

3. Un sistema según la reivindicación 1, en donde dicho Convertidor de Fuente de Tensión comprende otras tres segundas derivaciones de fase (9-11) idénticas a dichas primera tres derivaciones de fase interconectadas a una primera extremidad (30-32) en un punto neutro (33) en suspensión libre para formar una conexión en Y, estando en la otra segunda extremidad (34-36) , conectadas a una fase (2-4) de dicha red de suministro de energía eléctrica trifásica así como en una segunda extremidad (27-29) de dichas tres primeras derivaciones de fase (6-8) y cuya unidad de control (4) está configurada, en el momento de la recepción de información desde dicho medio de detección (40) que crean una necesidad de generar una corriente de secuencia negativa, para calcular un valor para amplitud y posición de fase para una segunda corriente de secuencia negativa o una corriente continua DC para las cuales, cuando se añaden a dichas seis derivaciones de fase (6-11) a la generación de dicha corriente de secuencia negativa, la energía resultante almacenada en dichos condensadores de almacenamiento de energía (20) en cada derivación de fase será constante y para controlar los dispositivos de semiconductores de dichas células de conmutación de las derivaciones de fase con el fin de añadir dicha segunda corriente de secuencia negativa o corriente continua DC a las corrientes de cada derivación de fase del convertidor.

4. Un sistema según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde cada derivación de fase del convertidor de fuente de tensión comprende un elemento de impedancia reactiva (42) con el que está conectado en serie.

5. Un sistema según la reivindicación 4, en donde dicho elemento de impedancia reactiva comprende un inductor (42) .

6. Un sistema según las reivindicaciones 4 o 5, en donde dicho elemento de impedancia reactiva comprende un condensador.

7. Un sistema según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el número de células de conmutación (15, 15’) en cada derivación de fase de dicho convertidor de fuente de tensión (5, 5’) es mayor o igual que 4, mayor o igual que 8 o mayor o igual que 12.

8. Un sistema según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dichos dispositivos de semiconductores (18) de dicho sistema de semiconductores son IGBTs (Transistor Bipolar de Rejilla Aislada) , IGCTs (Tiristor Conmutado de Rejilla Integrada) o GTOs (Tiristor de Desconexión de Rejilla) .

9. Un sistema según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho convertidor de fuente de tensión (5, 5’) tiene la capacidad, con dicho elemento de impedancia reactiva conectado en serie con este último, de generar una tensión que tiene una frecuencia fundamental igual a la frecuencia fundamental de la tensión de la fase respectiva de la red de suministro de energía eléctrica con una amplitud de 20 kV – 500 kV, preferentemente de 30 kV – 200 kV.

10. Un método de generación de una corriente de secuencia negativa en un sistema para intercambiar la electricidad, en conexión en paralelo, con una red de suministro de energía eléctrica trifásica, cuyo sistema comprende: un convertidor de fuente de tensión (5, 5’) que comprende al menos tres derivaciones de fase (6-11, 6’-8’) cada una en conexión en serie con células de conmutación (15, 15’) , comprendiendo cada una de dichas células de conmutación, de una parte, al menos dos conjuntos de montaje de semiconductores (16, 17) conectados en serie y que comprende cada uno un dispositivo de semiconductores (18) del tipo de desconexión y un elemento rectificador (19) que le está conectado de manera anti-paralela y de otra parte, al menos un condensador de almacenamiento de energía (20, 20’) así como dos terminales (21, 22) que conectan la célula a las células adyacentes en dicha conexión en serie de las células de conmutación, cuyas tres derivaciones de fase del convertidor de fuente de tensión están, en una primera extremidad (2325) , interconectadas en un punto neutro (26, 26’) en suspensión libre para formar una conexión en Y estando, en la otra segunda extremidad (27-29.

3. 36, 27’-29’) , conectadas a una fase cada una de dicha red de suministro de energía eléctrica trifásica, comprendiendo dicho método las etapas que consisten en:

-detectar condiciones eléctricas de dicha red de suministro de energía eléctrica trifásica y

-controlar dicho dispositivo de semiconductores de dicho sistema de semiconductores de cada célula de conmutación, dependiendo cada célula de conmutación de información de dicha detección con el fin de proporcionar una tensión en los terminales de dicha célula de conmutación (15, 15’) que es de cero o U, en donde U es la tensión de dicho condensador (20, 20’) con el fin de suministrar, con las otras células de conmutación de la derivación de fase en dicha segunda extremidad, un impulso de tensión que es la suma de las tensiones así suministradas por cada célula de conmutación y en donde dicho método, comprende, además, las etapas que consisten en:

-calcular, en el momento de la detección de una necesidad de generar una corriente de secuencia negativa, un valor de amplitud y posición de fase para una segunda corriente de secuencia negativa o una tensión de secuencia nula o un valor de una corriente continua DC para la cual, cuando se añade a dichas tres derivaciones de fase (6-11, 6’-8’) , a la generación de dicha corriente de secuencia negativa, la energía resultante almacenada en dichos condensadores de almacenamiento de energía en cada derivación de fase será constante y

-controlar los dispositivos de semiconductores (18) de dichas células de conmutación de las derivaciones de fase con el fin de añadir esta tensión de secuencia nula, una segunda corriente de secuencia negativa o una corriente continua DC calculada a las corrientes y tensiones, respectivamente, de cada derivación de fase del convertidor.

11. Un método según la reivindicación 10, en donde se pone en práctica para un convertidor de fuente de tensión (5’) que comprende solamente dichas tres derivaciones de fase (6’-8’) que, en dicha segunda extremidad (27’-29’) , están solamente conectadas a una fase (2-4) de dicha red de suministro de energía eléctrica trifásica, en donde en el momento de dicha etapa de cálculo de un valor de amplitud y posición de fase para una tensión de secuencia nula para la cual, cuando se añade a dichas tres derivaciones de fase a la generación de dicha corriente de secuencia negativa, se calcula la energía resultante almacenada en dichos condensadores de almacenamiento de energía en cada una de dicha derivaciones de fase será constante y que en dicha etapa de control de los dispositivos de semiconductores (18) de dichas células de conmutación de las derivaciones de fase, estas últimas están controladas de manera que se añada una tensión de secuencia nula calculada a cada derivación de fase del convertidor.

12. Un método según la reivindicación 10, en donde se pone en práctica para un convertidor de fuente de tensión que comprende otras tres segundas derivaciones de fase (9-11) idénticas a dichas tres primeras derivaciones de fase (6-8) interconectadas a una primera extremidad (30-32) en un punto neutro (33) en suspensión libre para formar una conexión en Y estando, en la otra segunda extremidad (34-36) conectadas a una fase (2-4) de dicha red de suministro de energía eléctrica trifásica así como a una segunda extremidad (27-29) de dichas primeras tres derivaciones de fase, en donde en el momento de dicha etapa de cálculo de un valor de amplitud y posición de fase para una segunda corriente de secuencia negativa o una corriente continua DC para las cuales, cuando se añade a dichas tres derivaciones de fase a la

generación de dicha corriente de secuencia negativa, se calcula la energía resultante almacenada en dichos condensadores de almacenamiento de energía (20) de cada derivación de fase que es constante y en donde, en el momento de dicha etapa de control de los dispositivos de semiconductores de dichas células de conmutación (15) de las derivaciones de fase, estas últimas son controladas de manera que se añada una segunda corriente de secuencia negativa con corriente continua DC calculadas en cada derivación de fase del convertidor.

13. Utilización de un sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 para intercambiar la electricidad con una red de suministro de energía eléctrica trifásica.

14. Utilización según la reivindicación 13, en donde dicha red de suministro de energía eléctrica alimenta un horno de arco industrial y transporta, normalmente, una tensión de 36 kV.

15. Utilización según la reivindicación 13, para intercambiar la electricidad con una red de suministro de energía eléctrica trifásica bajo la forma de una línea de transmisión de alta tensión que transporta, normalmente, una tensión de 15 132 – 500 kV.