Generadores síncronos estáticos.

Un dispositivo de control para un inversor, implementando el dispositivo de control un modelo de un generador síncrono,

en el que el inversor se controla basándose en parámetros calculados utilizando dicho modelo a fin de comportarse como un generador síncrono convencional, comprendiendo dicho modelo:

variables que representan la posición angular y la velocidad de giro de un rotor del generador virtual, lógica para calcular un par electromagnético virtual que actúa en el rotor del generador virtual a partir de la corriente de salida del inversor medida y de una variable que representa una corriente de excitación virtual, lógica para el cálculo de la velocidad de giro del rotor virtual a partir del par electromagnético virtual y de al menos una variable que representa un par de accionamiento virtual aplicado al rotor del generador virtual, y a partir de un parámetro J que representa la inercia virtual del rotor, en el que el momento de inercia J se elige como el producto de la constante de tiempo πg de un bucle de caída de frecuencia por un factor de amortiguación Dp que se comporta como un coeficiente de caída de frecuencia, y

lógica para calcular, a partir de las variables que representan la posición angular y la velocidad de giro del rotor del generador virtual y a partir de la variable que representa la corriente de excitación, una señal de control para controlar el inversor para producir una salida de CA que corresponde a la del generador síncrono virtual, el dispositivo de control comprende además lógica que implementa un primer bucle de retroalimentación en el que la desviación de la velocidad de giro del rotor del generador virtual a partir de una velocidad de giro de referencia se detecta y se utiliza para ajustar el par de accionamiento virtual, para regular así la velocidad angular del rotor del generador virtual, y para así regular la frecuencia de la salida de CA del inversor y la potencia real suministrada por el inversor.

Generadores síncronos estáticos

La presente invención se refiere a un dispositivo de control para un inversor asociado con una fuente de alimentación eléctrica. Específicamente, el dispositivo de control hace que la fuente de alimentación y el inversor juntos imiten, en algunos aspectos, el comportamiento de un generador eléctrico síncrono.

Por motivos económicos, técnicos y ambientales, las fuentes de energía cada vez más distribuidos, tales como centrales térmicas y eléctricas (CHP) combinadas, y las fuentes de energía renovables, tales como la energía eólica, energía solar, la energía undimotriz y mareomotriz, etc., jugarán un papel importante en el futuro suministro de electricidad. La UE ha fijado un objetivo del 22 % para la cuota de fuentes de energía renovables y un objetivo del 18 % para la cuota de CHP en la generación de electricidad para el año 2010. El sistema de energía eléctrica está experimentando un cambio dramático de generación centralizada a generación distribuida. La mayoría de estos generadores de energía distribuida/renovables producen fuentes de CA de frecuencia variable, de CA de alta frecuencia, o fuentes de CC y, en consecuencia, requieren convertidores CC-CA para la interfaz con la red pública. El término "inversor" se utilizará aquí para referirse a cualquier dispositivo para la conversión de CC en una salida de CA controlada. Las turbinas de viento, por ejemplo, son más eficaces si son libres de generar a frecuencia variable y por tanto, requieren la conversión de CA de frecuencia variable a CC a CA; las turbinas de gas pequeñas con generadores de accionamiento directo funcionan a alta frecuencia y requieren la conversión de CA a CC a CA; las matrices fotovoltaicas requieren la conversión CC-CA. Más y más inversores estarán conectados a la red y probablemente dominarán la generación de energía con el tiempo. En todos estos casos los mismos inversores básicos se utilizan y deben controlarse para proporcionar formas de onda de suministro de alta calidad a los consumidores.

El paradigma actual en el control de los generadores de energía eólica o solar es extraer la máxima potencia de la fuente de potencia e inyectarla toda en la red eléctrica. Esta es una buena política, siempre y cuando dichas fuentes de potencia constituyen una parte insignificante de la capacidad de la red eléctrica, y la fluctuación de potencia de los generadores de potencia renovable se puede ver compensada por los controladores asociados a los grandes generadores convencionales de la red. Algunos de estos generadores se encargarán también de la estabilidad general del sistema y resistir una falla sin sufrir averías. Cuando los generadores de potencia renovables (especialmente los solares) proporcionan la mayor parte de la potencia de la red, tal comportamiento "irresponsable" (por su parte) se convertirá en insostenible. Por lo tanto, se planteará la necesidad de funcionar en la misma forma en que los generadores de potencia convencionales funcionan hoy en día. Esto requiere primero de todas las unidades de almacenamiento de energía grandes y de alta eficiencia, de modo que las fluctuaciones aleatorias de la fuente de potencia motriz se puedan filtrar, pero requiere también de un control apropiado de las salidas de las fuentes de energía distribuidas. Existen dos opciones. Una de ellas es volver a diseñar todo el sistema de potencia y cambiar la forma en que funciona. La otra es encontrar una forma para que los inversores se integren en el sistema existente y se comporten de la misma manera que los grandes generadores síncronos (SG), que son los principales generadores en las centrales eléctricas actuales. Al parecer, la primera opción no es económicamente viable.

Se ha propuesto que los inversores asociados con las fuentes de energía distribuida deban funcionar imitando el comportamiento de un generador síncrono (SG). La expresión "generador síncrono estático (SSG)" ha sido definido por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) para representar un convertidor de potencia cambiante estático, auto-conmutado alimentado desde una fuente de energía eléctrica apropiada y que funciona para producir un conjunto de tensiones de salida de múltiples fases ajustables, que se pueden acoplar a un sistema de potencia de CA con la finalidad de intercambiar independientemente controlable potencia real y reactiva. Esto se definió originalmente para uno de los controladores de derivación conectado en FACTS (sistema flexible de transmisión de CA). Esta expresión está tomada aquí para representar a los inversores que se comportan como generadores síncronos. Un SSG tiene las características de un SG, pero sin piezas giratorias (por lo tanto, estático). De esta manera, las fuentes de energía distribuida se pueden hacer funcionar bajos principios bien entendidos en relación con los generadores síncronos convencionales, por ejemplo, los esquemas de control descritos en los documentos EP1758239 y US2006268587.

En un documento titulado "Máquina Síncrona Virtual" ofrecido en la 9a Conferencia Internacional sobre la Calidad y utilización de Energía eléctrica del 9-11 octubre de 2007 por HP Beck y R. Hesse describe el concepto básico de un generador síncrono virtual, al igual que el documento "Generadores Síncronos Virtuales", publicado en Sociedad General de Potencia y energía del IEEE en 2008 - Conversión y Suministro de Energía Eléctrica en el siglo 21, páginas 1-3, 2008 y escrito por J. Driesen y J. Visscher. Ningún documento describe los detalles prácticos de un sistema necesario para controlar un generador síncrono estático y este aspecto sigue siendo problemático. De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, como se expone en la reivindicación 1, existe un dispositivo de control para un inversor, implementando el dispositivo de control un modelo de un generador síncrono, en el que el inversor se controla basándose en parámetros calculados utilizando el modelo, a fin de comportarse como un generador síncrono convencional, comprendiendo el modelo

variables que representan la posición angular y la velocidad de giro de un rotor del generador virtual,

lógica para calcular un par electromagnético virtual que actúa en el rotor del generador virtual a partir de la corriente

de salida del inversor medida y de una variable que representa una corriente de excitación virtual, lógica para el cálculo de la velocidad de giro del rotor virtual a partir del par electromagnético virtual y de al menos una variable que representa un par de accionamiento virtual aplicado al rotor del generador virtual, y a partir de un parámetro que representa la inercia virtual del rotor, en el que el momento de inercia se elige como el producto de la constante de tiempo de un bucle de caída de frecuencia por un factor de amortiguación que se comporta como un coeficiente de caída de frecuencia, y

lógica para calcular, a partir de las variables que representan la posición angular y la velocidad de giro del rotor del generador virtual y a partir de la variable que representa la corriente de excitación, una señal de control para controlar el inversor para producir una salida de CA que corresponde a la del generador síncrono virtual, el dispositivo de control comprende además lógica que implementa un primer bucle de retroalimentación en el que la desviación de la velocidad de giro del rotor del generador virtual a partir de una velocidad de giro de referencia se detecta y se utiliza para ajustar el par de accionamiento virtual, para regular así la velocidad angular del rotor del generador virtual, y para así regular la frecuencia de la salida de CA del inversor y la potencia real suministrada por el Inversor.

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención, como se expone en la reivindicación 13, hay un método de control de un Inversor, que comprende el modelado de un generador síncrono para producir un modelo, en el que el inversor se controla basándose en parámetros calculados utilizando el modelo, así como para comportarse como un generador síncrono convencional, en el que el modelo se modela

representado la posición angular y la velocidad de giro de un rotor del generador virtual utilizando variables numéricas, midiendo la corriente de salida del inversor,

calculando un par electromagnético virtual que actúa sobre el rotor del generador virtual a partir de la corriente de salida del inversor medida y a partir de una variable que representa una corriente de excitación virtual, calculando la velocidad de giro del rotor virtual a parir del par electromagnético virtual y de al menos una variable que representa un par de accionamiento virtual aplicado al rotor del generador virtual, y a partir de un... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo de control para un inversor, implementando el dispositivo de control un modelo de un generador síncrono, en el que el inversor se controla basándose en parámetros calculados utilizando dicho modelo a fin de comportarse como un generador síncrono convencional, comprendiendo dicho modelo:

variables que representan la posición angular y la velocidad de giro de un rotor del generador virtual, lógica para calcular un par electromagnético virtual que actúa en el rotor del generador virtual a partir de la corriente de salida del inversor medida y de una variable que representa una corriente de excitación virtual, lógica para el cálculo de la velocidad de giro del rotor virtual a partir del par electromagnético virtual y de al menos una variable que representa un par de accionamiento virtual aplicado al rotor del generador virtual, y a partir de un parámetro J que representa la inercia virtual del rotor, en el que el momento de inercia J se elige como el producto de la constante de tiempo xg de un bucle de caída de frecuencia por un factor de amortiguación Dp que se comporta como un coeficiente de caída de frecuencia, y

lógica para calcular, a partir de las variables que representan la posición angular y la velocidad de giro del rotor del generador virtual y a partir de la variable que representa la corriente de excitación, una señal de control para controlar el inversor para producir una salida de CA que corresponde a la del generador síncrono virtual, el dispositivo de control comprende además lógica que implementa un primer bucle de retroalimentación en el que la desviación de la velocidad de giro del rotor del generador virtual a partir de una velocidad de giro de referencia se detecta y se utiliza para ajustar el par de accionamiento virtual, para regular así la velocidad angular del rotor del generador virtual, y para así regular la frecuencia de la salida de CA del inversor y la potencia real suministrada por el inversor.

2. Un dispositivo de control de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además la lógica que implementa un segundo bucle de retroalimentación en el que la desviación de un tensión de salida del inversor medida a partir de un valor de referencia se detecta y se utiliza en el ajuste de la corriente de excitación virtual, para así regular la tensión de salida del inversor.

3. Un dispositivo de control de acuerdo con la reivindicación 2, en el que la desviación de la potencia reactiva a partir de un nivel de referencia se detecta y se utiliza en el ajuste de la corriente de excitación virtual en el segundo bucle de retroalimentación, para así regular la potencia reactiva suministrada por el inversor.

4. Un dispositivo de control de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la primer bucle de retroalimentación recibe como entrada un par de accionamiento virtual nominal, añadiéndose este a una corrección del par de accionamiento virtual proporcionado a través del bucle de retroalimentación para formar el par de accionamiento virtual y añadiéndose al par electromagnético virtual para determinar el par virtual total que actúa sobre el rotor del generador virtual.

5. Un dispositivo de control de acuerdo con la reivindicación 4, en el que el par virtual total que actúa sobre el rotor virtual se Integra y divide entre un momento del rotor virtual para determinar la velocidad de giro del rotor del generador virtual.

6. Un dispositivo de control de acuerdo con la reivindicación 5, en el que la diferencia entre la velocidad de giro del rotor del generador virtual y una velocidad de giro de referencia, correspondiente a la frecuencia de salida de CA deseada del Inversor, se multiplica por un coeficiente de caída de frecuencia para formar la corrección del par de accionamiento virtual.

7. Un dispositivo de control de acuerdo con la reivindicación 4, en el que el par de accionamiento virtual nominal se determina dividiendo una entrada que representa la potencia de salida real del inversor deseada entre un valor que representa la velocidad angular de la salida del inversor de CA.

8. Un dispositivo de control de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el par electromagnético virtual se calcula como el producto de la corriente de salida del convertidor medida, la corriente de excitación virtual y una función seno o coseno de la posición angular del rotor del generador virtual.

9. Un dispositivo de control de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el inversor se controla para proporcionar una tensión de salida alterna determinada a partir del modelo del generador síncrono.

10. Un dispositivo de control de acuerdo con la reivindicación 9, en el que la tensión de salida alterna a ser proporcionada por el inversor se calcula como el producto de la velocidad de giro del rotor del generador virtual, la corriente de excitación virtual y una función seno o coseno de la posición angular del rotor del generador virtual.

11. Un dispositivo de control de acuerdo con la reivindicación 10, en el que la señal de control para controlar el inversor es modulada en ancho de impulso para hacer que el inversor proporcione la tensión de salida alterna calculada.

12. Un dispositivo de control de acuerdo con la reivindicación 2, en el que, en el segundo bucle de retroalimentación, la diferencia entre la potencia reactiva y su nivel de referencia se añade a una variable de caída de tensión que representa la desviación de la tensión de salida del Inversor medida a partir de su valor de referencia y se integra para establecer la corriente de excitación virtual.

13. Un método de control de un Inversor, que comprende el modelado de un generador síncrono para producir un modelo, en el que el inversor se controla basándose en parámetros calculados utilizando dicho modelo, así como para comportarse como un generador síncrono convencional, en el que el modelo se modela:

representado la posición angular y la velocidad de giro de un rotor del generador virtual utilizando variables numéricas, midiendo la corriente de salida del inversor,

calculando un par electromagnético virtual que actúa sobre el rotor del generador virtual a partir de la corriente de salida del inversor medida y a partir de una variable que representa una corriente de excitación virtual, calculando la velocidad de giro del rotor virtual a parir del par electromagnético virtual y de al menos una variable que representa un par de accionamiento virtual aplicado al rotor del generador virtual, y a partir de un parámetro J que representa la inercia virtual del rotor, en donde el momento de Inercia J se elige como el producto de la constante de tiempo ig de un bucle de caída de frecuencia por un factor de amortiguación Dp que se comporta como un coeficiente de caída de frecuencia, y

calculando, a partir de las variables que representan la posición angular y la velocidad de giro del rotor del generador virtual y de la variable que representa la corriente de excitación, una señal de control para controlar el inversor para producir una salida de CA que corresponde a la del generador síncrono virtual, implementando un primer bucle de retroalimentación en el que la desviación de la velocidad de giro del rotor del generador virtual a partir de una velocidad de giro de referencia se detecta y se utiliza para ajustar el par de accionamiento virtual, para regular así la velocidad de giro del rotor del generador virtual, y regular por tanto la frecuencia de la salida de CA del Inversor y la potencia real suministrada por el inversor.

14. Un método de acuerdo con la reivindicación 13 que comprende además implementar un segundo bucle de retroalimentación en el que la desviación de un tensión de salida del inversor medida a partir de un valor de referencia se detecta y se utiliza en el ajuste de la corriente de excitación virtual, para así regular la tensión de salida del inversor.

15. Un método de acuerdo con la reivindicación 13, en el que la desviación de la potencia reactiva a partir de un nivel de referencia se detecta y se utiliza en el ajuste de la corriente de excitación virtual en el segundo bucle de retroalimentación, para así regular la potencia reactiva suministrada por el inversor.