Generador de perturbaciones de tensión para ensayo de equipos eléctricos y su procedimiento de operación en redes con generación distribuida.

Equipo generador perturbaciones de tensión que genera una tensión donde se puede modificar la amplitud,

la frecuencia y la fase. Así se puede reproducir una perturbación similar a las que ocurren en redes débiles, en caso de defectos como cortocircuitos o maniobras bruscas de conexión o desconexión de carga.

Se basa en la utilización de dos máquinas de inducción de rotor bobinado, una en la que se modifica la frecuencia de su tensión de salida mediante el control de la velocidad de giro, y otra que se utiliza como regulador de inducción. Adicionalmente dispone de un equipo de conexión y un sistema de control.

Constituye una herramienta de ensayo de equipos eléctricos, para evaluar su funcionamiento ante perturbaciones en redes débiles y es especialmente útil para el ensayo de aerogeneradores.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención describe un equipo que tiene la capacidad de reproducir, de forma simultánea, las perturbaciones de frecuencia, tensión y salto de fase que pueden aparecer en la onda de tensión de los nudos de las redes eléctricas con baja potencia de cortocircuito, cuando se produce una contingencia o fallo, como un cortocircuito o una maniobra tal como una desconexión brusca de carga, con el objetivo de que sea empleado como herramienta de ensayo de generadores eléctricos y, en general, de cualquier equipo eléctrico que pueda verse sometido a este tipo de perturbación.

SECTOR TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La invención se encuadra en el sector técnico de la calidad y fiabilidad de servicio eléctrico, más concretamente en lo relativo a sistemas de evaluación de respuesta de equipos eléctricos frente a perturbaciones en la amplitud, frecuencia y fase de la tensión en redes eléctricas con baja potencia de cortocircuito.

Sus características lo hacen especialmente adecuado para ser empleado, por ejemplo, en el caso de análisis de la respuesta de aerogeneradores conectados a redes débiles con generación distribuida y, por tanto, que presentan valores muy reducidos de la potencia de cortocircuito en los nudos de conexión de dichos grupos de generación

(redes débiles) y donde muchos de los grupos de generación emplean energías renovables como fuente primaria, tales como aerogeneradores, paneles solares, biomasa, etc. En este tipo de redes eléctricas, con pequeño número de generadores, la estabilidad del sistema se ve más comprometida si, en caso de una perturbación, los generadores restantes disparan porque no son capaces de soportar dicha perturbación.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El problema se plantea en una red débil, tipo micro-red, red aislada o red de generación distribuida, donde, debido al reducido valor de la potencia de cortocircuito en sus nudos, cuando se producen defectos tales como cortocircuitos en sus líneas, o maniobras tales como conexiones/desconexiones bruscas de cargas, los generadores y en general cualquier equipo eléctrico, sufre severas y bruscas modificaciones simultáneamente sobre la amplitud, la frecuencia y la fase de las tensiones en sus terminales. La presente invención trata por tanto de solucionar la carencia de un dispositivo que sea capaz de reproducir simultáneamente este tipo de perturbaciones con modificación simultánea de la amplitud, la frecuencia y la fase de la tensión.

En la actualidad existen diversos dispositivos para el ensayo de equipos eléctricos capaces de generar perturbaciones, aunque no de este tipo, donde se mezclan simultáneamente oscilaciones en la amplitud, en la frecuencia y en la fase de la tensión. Además conviene tener en cuenta una serie de patentes relacionadas con la invención:

La patente WO 2012/113951 A1 Device that generates eléctrica! disturbances, describe un generador de huecos de tensión, de sobretensiones y de perturbaciones de frecuencia y salto de fase, compuesto de transformadores y baterías de condensadores. Se trata de

un dispositivo capaz de realizar ensayos independientes frente a cada una de las perturbaciones descritas, pero, por una parte, el perfil de recuperación del hueco se realiza abruptamente en un escalón y no de forma continua y progresiva; por otra, no puede provocar de forma simultánea, perturbaciones de amplitud (hueco, sobretensiones, etc.) y perturbaciones de la frecuencia de la tensión, como realmente ocurre con las perturbaciones que corresponden a la deformación que presenta la tensión en los nudos de generación después de fallos severos, en caso de que se trate de redes débiles.

La patente ES 2 296 554 B2 Generador de huecos de tensión de perfil temporal programable para ensayo de equipos eléctricos conectados a redes de Alta Tensión y procedimiento de operación del equipo durante el ensayo, describe un generador de huecos de tensión, compuesto principalmente por un regulador de inducción cuyo movimiento esta convenientemente controlado por un servomecanismo. Si bien este dispositivo es capaz de reproducir con mucha fidelidad la perturbación del tipo Hueco de tensión incluido el perfil de recuperación de forma continua, no puede reproducir de forma simultánea perturbaciones de amplitud y frecuencia de la tensión.

La patente ES 2 325 902 B2 Banco y método de ensayo de equipos eléctricos frente a huecos de tensión describe un generador de huecos de tensión, compuesto por dos máquinas síncronas acopladas por sus ejes. Si bien este dispositivo es capaz de reproducir con mucha fidelidad la perturbación del tipo Hueco de tensión, tampoco puede reproducir de forma simultánea perturbaciones de amplitud y frecuencia de la tensión, ni tampoco salto de fase.

La patente WO2008125718-A1 Voltage sag generation equipment, describe un dispositivo compuesto por dos bancos de

impedancias y un transformador que, convenientemente conectados por interruptores programables, es capaz de reproducir huecos de tensión de profundidad y duración programable, pero de perfil abrupto rectangular en la recuperación. Por otra parte, carece de capacidad para reproducir fluctuaciones de frecuencia.

La patente CN101119074-A;. Power networks voltage-dip generator, logra también reproducir perturbaciones de la amplitud de la tensión tipo hueco, pero empleando para ello la acción combinada de un tiristor y un transformador de tomas. Solo logra huecos de perfil rectangular y carece de capacidad para generar perturbaciones de frecuencia.

Por último el dispositivo objeto de la patente Low-voltage dip generator device de referencia W02006106163-A1, está constituido por un divisor inductivo y un filtro. Realiza huecos de tensión de diversa profundidad pero no reproduce el perfil de recuperación. Tampoco puede reproducir perturbaciones de fase ni de frecuencia.

Como resumen del análisis del estado del arte se puede afirmar que la tecnología actual dispone de dispositivos que son capaces de generar perturbaciones de amplitud, de frecuencia y de fase de la tensión, pero de forma separada; por tanto, permiten realizar ensayos independientes frente a cada tipo de perturbación por separado, esto es, o bien modificando únicamente la amplitud, o modificando la frecuencia, o modificando la fase, pero carecen de la capacidad de realizar modificaciones de amplitud, frecuencia y fase, de forma simultánea. Esto es suficiente para redes con gran potencia de cortocircuito donde, por severa que sea la perturbación en cualquier nudo de la red, es insuficiente para afectar significativamente a la frecuencia del sistema, produciendo sólo modificaciones en la amplitud y en la fase de la tensión.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención es un generador de perturbaciones capaz de reproducir las modificaciones que simultáneamente se producen en la amplitud, en la frecuencia y en la fase de la evolución temporal de la onda de tensión en los terminales de conexión de cualquier equipo eléctrico. Este tipo de perturbaciones son características de redes débiles y se producen durante fallos como cortocircuitos en la red o por maniobras bruscas tales como la conexión o desconexión de la generación o cargas. Este dispositivo se aplica en el ensayo de equipos eléctricos en general y, en particular, generadores, para verificar su funcionamiento frente a este tipo de perturbaciones.

El dispositivo objeto de esta invención está constituido, básicamente, por dos máquinas eléctricas asincronas trifásicas de rotor bobinado, un dispositivo de conexionado y un sistema de control. Dicho dispositivo se instala entre el punto de conexión de la red de distribución y el equipo eléctrico que se desea ensayar.

Una de las máquinas de rotor bobinado es alimentada desde la red a tensión y frecuencia constante, y está encargada de modificar la frecuencia y la fase de la tensión en uno de sus devanados, que se considera la tensión de salida de la primera máquina. La modificación de la frecuencia y de la fase se consigue gracias a un sistema de control de velocidad de giro y del ángulo inicial de la posición de su eje. Con la tensión obtenida de la primera máquina de rotor bobinado se alimenta la segunda máquina de rotor bobinado, conectada como un regulador de inducción, de tal forma que modifica la amplitud de la tensión de salida, gracias a un sistema de control que modifica la posición de su eje. El dispositivo de conexionado permite reproducir adecuadamente los

cambios bruscos de amplitud y fase de la tensión que se deben producir durante en los primeros instantes de la ejecución del ensayo.

El equipo generador de perturbaciones así constituido, permite también generar perturbaciones...

1.- Un generador de perturbaciones de tensión para ensayo de equipos eléctricos, instalado entre el punto de conexión de la red de distribución (2) y el equipo eléctrico a ensayar (5), caracterizado por que comprende:

- una primera máquina asincrona trifásica de rotor bobinado alimentada desde la red de distribución (2) a tensión y frecuencia constante a través de un interruptor automático de entrada (4);

- una segunda máquina asincrona trifásica de rotor bobinado alimentada con la tensión de salida de la primera máquina asincrona trifásica de rotor bobinado;

- un primer servomecanismo acoplado en el eje de una de las máquinas trifásicas asincronas de rotor bobinado (1), que comprende un servomotor (12), un sistema de regulación (13) y un sistema de muestreo y adquisición de datos (14), y que está encargado de realizar el control sobre la frecuencia y la fase de la tensión en uno de sus devanados a partir de la regulación de la velocidad y el ángulo inicial de la posición de su eje;

- un segundo servomecanismo acoplado en el eje de la otra máquina trifásica asincrona de rotor bobinado (3), que comprende un servomotor (15), un sistema de regulación (16) y un sistema de muestreo y adquisición de datos (17), y que está encargado de realizar el control sobre la amplitud de la tensión de salida a partir de la regulación de la posición de su eje;

- un dispositivo de conexionado (19) dispuesto en serie entre la salida de la segunda máquina asincrona trifásica de rotor bobinado y el equipo a ensayar (5) y que comprende una pluralidad de grupos trifásicos de resistencias (6,7) de valor regulable, una pluralidad de grupos de contactores (8,9,10,11,22,25,26) y un interruptor automático de salida (20) para conexión y desconexión

con el equipo a ensayar (5), cuya lógica de maniobra está establecida desde un sistema de control (18),

- un sistema de control (18), donde se programan las características de la forma de la onda de tensión en amplitud, frecuencia y fase a reproducir con el generador de perturbaciones de tensión mediante el control del sistema de regulación (13,16) de los servomecanismos, así como el protocolo de maniobra que establece la lógica de operación de los elementos del dispositivo de conexionado (19) y de los interruptores automáticos de entrada (4) y de salida (20), dependiendo de las características del ensayo que se desee realizar.

2.- Un generador de perturbaciones de tensión para ensayo de equipos eléctricos de acuerdo a la reivindicación 1, caracterizado por que el primer servomecanismo (12,13,14) está acoplado al eje de la primera máquina asincrona trifásica de rotor bobinado (1) y el segundo servomecanismo (15,16,17) está acoplado al eje de la segunda máquina asincrona trifásica de rotor bobinado (3), la cual está conectada como un regulador de inducción.

3.- Un generador de perturbaciones de tensión para ensayo de equipos eléctricos de acuerdo a la reivindicación 2, caracterizado por que el devanado estatórico de la segunda máquina asincrona trifásica de rotor bobinado (3) está conectado en serie con el devanado rotórico de la primera máquina asincrona trifásica de rotor bobinado (1), de forma que la amplitud de la tensión de salida de la segunda máquina asincrona trifásica de rotor bobinado (3) es modificable mediante el control de la posición de su rotor.

4.- Un generador de perturbaciones de tensión para ensayo de equipos eléctricos de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 2 a 3,

caracterizado por que comprende un transformador trifásico (21) conectado en serie entre la entrada del devanado del rotor y la entrada del devanado del estátor de la segunda máquina asíncrona trifásica de rotor bobinado (3), con una relación de transformación adecuada para adaptar el nivel de tensión de los devanados del estátor y del rotor de dicha segunda máquina asíncrona trifásica de rotor bobinado (3).

5.- Un generador de perturbaciones de tensión para ensayo de equipos eléctricos de acuerdo a la reivindicación 1, caracterizado por que el primer servomecanismo (12,13,14) está acoplado al eje de la segunda máquina asíncrona trifásica de rotor bobinado (1) y el segundo servomecanismo (15,16,17) está acoplado al eje de la primera máquina asíncrona trifásica de rotor bobinado (3).

6.- Un generador de perturbaciones de tensión para ensayo de equipos eléctricos de acuerdo a la reivindicación 5, caracterizado por que el devanado del rotor de la primera máquina asíncrona trifásica de rotor bobinado (3) está conectado al interruptor automático de entrada (4) y su devanado estatórico está conectado en serie con el devanado rotórico de la segunda máquina asíncrona trifásica de rotor bobinado (1).

7.- Un generador de perturbaciones de tensión para ensayo de equipos eléctricos de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende dos transformadores trifásicos (23,24) para su conexión con la red de distribución (2) y el equipo eléctrico a ensayar (5), disponiendo dichos transformadores (23,24) de la relación de transformación adecuada para adaptar el nivel de tensión del generador de perturbaciones de tensión con el nivel de tensión del equipo eléctrico a ensayar (5).

8.- Un generador de perturbaciones de tensión para ensayo de equipos

eléctricos de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el dispositivo de conexionado (19) comprende un grupo trifásico de resistencias (6) dispuesto en serie a la salida de la segunda máquina asincrona trifásica de rotor bobinado y un grupo trifásico de resistencias (7) con tomas regulables dispuesto en paralelo a la salida de dicha máquina.

9.- Un generador de perturbaciones de tensión para ensayo de equipos eléctricos de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el dispositivo de conexionado (19) comprende:

- cuatro grupos de contactores unipolares de actuación rápida (8,9,10,11) encargados de permitir la maniobra segura de conexión y desconexión de la tensión de salida de la segunda máquina asincrona trifásica de rotor bobinado al equipo eléctrico a ensayar (5) a través de los grupos trifásicos de resistencias (6,7);

- tres contactores trifásicos (22,25,26) para independizar la actuación de ambas máquinas asincronas trifásicas de rotor bobinado (1,3), y permitir la realización de ensayos frente a ondas de tensión con modificación de forma independiente en amplitud, frecuencia y fase, respecto a consignas independientes para cada una de estas variables.

10.- Un generador de perturbaciones de tensión para ensayo de equipos eléctricos de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde cada uno de los grupos de contactores (8,9,10,11,22,25,26) dispone de tres contactores, uno por fase, de actuación independiente, caracterizado por que el sistema de control (18) está configurado para actuar independientemente cada uno de los contactores de los grupos de contactores (8,9,10,11) para reproducir perturbaciones en la onda de tensión en cualquiera de las fases.

11.- Procedimiento de operación del generador de perturbaciones de

tensión para ensayo de equipos eléctricos conectados en redes con generación distribuida que comprende la siguiente secuencia de actuaciones:

- Primero: con el equipo desconectado, se introduce en la aplicación informática implementada en el sistema de control (18) los datos que definen el ensayo y las condiciones de la instalación donde se va a realizar.

- Segundo: se conecta el equipo a la red (2) a través del interruptor del armario (4) y desconectado el equipo a ensayar (5) a través del interruptor automático (20). Desde el sistema de control se ejecuta secuencialmente una serie de programas de inicio que, actuando, respectivamente, sobre el sistema de control (12) de la posición del eje de la máquina (1) y sobre el sistema de control (15) de la posición del eje de la máquina (3), ajustan el ángulo de salto de fase de la tensión, y la profundidad del perfil de amplitud de la tensión en el momento inicial, de acuerdo a los valores de consigna deseados. Se realiza un ajuste inicial del valor de las resistencias regulables (7) de acuerdo también al valor de consigna para la profundidad del perfil de amplitud del hueco de tensión programado.

- Tercero: se ejecuta en el sistema de control el programa de ajuste en vacío, que realiza las siguientes tareas:

o Se parte de la conexión directa entre entrada y salida puenteando la operación del conjunto del equipo generador de perturbaciones objeto de la invención con únicamente el grupo de contactores (8) conectado y se finaliza con la conexión a través del equipo objeto de la invención a través de los grupos de contactores (9) y (10) quedando los demás desconectados.

o Regulación dinámica de la velocidad del eje de la máquina (1) siguiendo la evolución dinámica de la señal de consigna establecida para la frecuencia de la tensión durante el tiempo de ensayo.

o Regulación dinámica de la posición del eje de la máquina (3) siguiendo la evolución dinámica de la señal de consigna establecida para la amplitud de la tensión durante el tiempo de ensayo.

o Registro de la onda de tensión durante el tiempo de ensayo. Evaluación del error respecto a la señal de consigna, cuantificando independientemente el desvío del seguimiento correspondiente a la frecuencia, a la amplitud y al salto de fase inicial, o Actuación sobre la lógica de control de los grupos de contactores (8), (9), (10) y (11) del equipo de conexión (19), para volver a la posición de partida con únicamente el grupo de contactores (8) conectado, o Partiendo de esta situación, se ejecuta nuevamente el programa las veces precisas para, modificando, por un lado el valor inicial de la consigna de fase para el sistema de control (12) del servomecanismo de la máquina (1), ajustar el salto de fase inicial y, por otro, modificando el valor de los parámetros de los reguladores de los sistemas de control (12) y (16) de los servomecanismos de la máquina (1) y de la máquina (3), ajustar, respectivamente, el desvío de la evolución de la frecuencia y de la amplitud, respecto a su señal de consigna correspondiente.

- Cuarto: Se ejecuta en el sistema de control el programa de ensayo, que consiste, básicamente, en repetir el protocolo

anteriormente descrito, pero con el equipo eléctrico que se desea ensayar, conectado. La secuencia es:

o Se conecta la salida del equipo al equipo que se desea ensayar (5), cerrando el interruptor de conexión de salida

(20).

o Se repite la ejecución en el sistema de control del programa de ensayo, pero que ahora tiene implementados los valores de los parámetros ajustados en la etapa anterior. El protocolo y la secuencia de es 10 idéntico al descrito en la etapa anterior.