Compensador selectivo de corrientes armónicas, reactiva y de desequilibro.

Compensador de corrientes eléctricas que comprende un convertidor de potencia, sensores de corrientes compensadoras y de carga, un filtro a la entrada del convertidor y medios de control digitales del convertidor que comprenden bancos de filtros selectivos para el análisis de las corrientes de carga, y cuyos sensores de las corrientes compensadoras están conectados a la salida del filtro por el lado de red y en el cual dichas corrientes compensadoras se controlan mediante una batería de resonadores digitales, eliminándose con gran efectividad los armónicos de conmutación de la PWM y haciendo innecesaria la utilización de otros filtros adicionales a este efecto, dotando al sistema de un funcionamiento correcto con cualquier nivel de cargas y de selección de compensación, y reduciendo así la posibilidad de tener resonancias indebidas entre la red, las cargas y el compensador

Compensador selectivo de corrientes armónicas, reactiva y de desequilibrio.

La presente invención se refiere a un equipo capaz de compensar, selectivamente y total o parcialmente, las corrientes armónicas, reactiva y de desequilibrio de una red trifásica de suministro eléctrico.

Antecedentes de la invención

Son conocidos los compensadores de corrientes armónicas, de corrientes reactivas y de desequilibrio de fases, que en forma de filtros activos en paralelo con la línea mejoran las condiciones de suministro eléctrico de la red.

Ya en la década de los 1980 se desarrollaron las tecnologías de filtro activo paralelo, para compensación de corrientes armónicas, con estructura de convertidor de potencia en forma de puente bidireccional de transistores y diodos. Ejemplos de esta tecnología vienen descritos en la familia de patentes JP 63 240 327/EP 0254 073/US 4 812 669, de MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION, "Harmonic Suppressing device".

Otra realización más reciente se encuentra en la patente US 2003 169 109/US 6717 485 de UIS Abler Electronics Co. Ltd., "Active harmonic suppression equipment and control method therefore".

La patente española ES 2 184 649, de SALICRU, S.A. "Filtro activo de potencia corrector de corrientes reactivas y armónicas" reivindica también un equipo Filtro Activo; éste corrector de corrientes armónicas y corrientes reactivas al mismo tiempo.

Posteriormente aparecieron equipos trifásicos que, además de la compensación de corrientes armónicas y reactivas, son capaces de corregir los desequilibrios de carga entre las fases de la red suministradora. A partir de este momento, tales aparatos empezaron a llamarse "Compensadores de corrientes armónicas, reactivas y de desequilibrio".

Dichos compensadores están compuestos típicamente de los siguientes elementos:

En los sistemas conocidos, el control de las corrientes compensadoras generadas por el convertidor de potencia se realiza mediante la captación de estas corrientes a la salida de este convertidor, antes del referido filtro pasivo, en el caso de haberlo. Esta disposición se impone porque permite utilizar las técnicas de control usuales como los PID's o los controladores de avance-retardo.

Sin embargo, mediante estos sistemas, las corrientes realmente inyectadas a la red por el convertidor de potencia difieren de la leída por los captadores, porque éstas quedan alteradas por su paso por el filtro de entrada, hecho que limita la capacidad de compensación de los armónicos, típicamente a partir del armónico 31 cuando se trabaja con frecuencias de modulación de 20 kHz. Para los armónicos más elevados, la compensación resulta muy afectada y notablemente disminuida.

Además, la parte de servo-control de los equipos conocidos adolece de una limitación de ganancia a valores reducidos en sus lazos de realimentación, reducción impuesta para evitar inestabilidades del sistema. Ello se traduce en que el resultado final de la compensación de armónicas es relativamente moderada, a valores de atenuación total THD_carga/THD_text{línea} < 30.

Por otro lado, el análisis de las corrientes de carga, necesario para la generación de las consignas del servo-control del compensador, se realiza usualmente mediante técnicas de procesado de señal basadas en la transformada rápida de Fourier o mediante controles predictivos.

Sin embargo, con estas soluciones el tiempo necesario para analizar un período de la componente fundamental limita la velocidad de respuesta del lazo de control y por lo tanto, el ancho de banda de los lazos de generación de consigna de las corrientes compensadoras. El resultado es una respuesta dinámica con retardos notables, del orden de 40 ms como mínimo.

Descripción de la invención

Con el compensador de la invención se consigue resolver los inconvenientes citados, proporcionándose otras ventajas que se describirán.

El compensador de corrientes armónicas, de corrientes reactivas y de desequilibrio de fases objeto de la invención se caracteriza por que:

Una arquitectura con filtro pasivo a la entrada del convertidor de potencia elimina con gran efectividad los armónicos de conmutación de la PWM y hace innecesaria la utilización de otros filtros adicionales a este efecto, dotando al sistema de un funcionamiento correcto con cualquier nivel de cargas y de selección de compensación. Este último hecho presenta la ventaja añadida de reducir la posibilidad de tener resonancias indebidas entre la red, las cargas y el compensador.

Ventajosamente, dicho filtro pasivo situado a la entrada del convertidor de potencia, es un filtro en T con dos inductores y un condensador por fase y como se ha indicado, tiene como finalidad filtrar los armónicos de conmuta- ción.

Preferentemente, dichos medios de control comprenden medios para la configuración personalizada de las funciones del compensador, que permiten la activación independiente de las funciones de equilibrado de fases, de compensación de componentes reactivas y de compensación de corrientes armónicas, permitiendo además seleccionar el nivel de atenuación de las diferentes corrientes armónicas. Estos medios para la configuración personalizada, comprenden además un dispositivo para la lectura de parámetros y del histórico de incidencias del compensador, un teclado, un visualizador, dispositivos indicadores de funciones y diversos dispositivos avisadores.

Ventajosamente, el compensador objeto de la invención comprende además un convertidor inversor-ondulador, conectado al bus de corriente continua de salida del convertidor de potencia del compensador, una batería de acumuladores eléctricos, conectada al citado bus de corriente continua, un cargador de baterías, un sistema de by-pass y unos medios de control adicionales, que permiten alimentar sin interrupción unas cargas críticas a la salida del convertidor-ondulador o a la acometida de red, gestionando el funcionamiento de estos elementos de tal forma que el conjunto constituye un sistema de alimentación ininterrumpida acondicionador de línea.

Preferentemente, el convertidor de potencia compensador comprende moduladores de amplitud de pulsos (PWM), controladores de desaturación de los transistores de potencia, controladores de sobre-temperaturas y controladores de disfunciones y gestión de alarmas.

Ventajosamente, los filtros digitales para el análisis de los diferentes armónicos comprenden un filtro FIR de tipo peine, de ganancia muy pequeña en las frecuencias fundamentales, dispuesto en serie con una batería de ecualizadores paramétricos para cada una de las componentes armónicas.

Con el empleo de estos filtros digitales el análisis de corrientes es mucho más rápido que el que se obtiene aplicando métodos de transformadas rápidas de Fourier o de controles predictivos, obteniéndose respuestas dinámicas de menos de 20 ms.

Preferentemente, los medios de control digitales del convertidor de potencia comprenden además una unidad de balance de potencia, que comprende a su vez un lazo de control de tipo PI y un elemento saturador a la salida de dicha unidad, que además comprende a la entrada otro filtro FIR de tipo peine.

Con este filtro se eliminan las posibles componentes armónicas en la frecuencia fundamental y sus múltiplos enteros, que podrían aparecer por la propia operación...

1. Compensador de corrientes eléctricas que comprende un convertidor de potencia, una pluralidad de sensores de las corrientes compensadoras y de carga, un filtro a la entrada del convertidor y medios de control digitales del convertidor caracterizado por el hecho de que los medios de control digitales comprenden bancos de filtros selectivos digitales para el análisis de las corrientes de carga, por el hecho de que dichos sensores de las corrientes compensadoras están conectados a la salida del filtro por el lado de la red y por el hecho de que dichas corrientes compensadoras se controlan mediante una batería de resonadores digitales.

2. Compensador como el de la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dicho filtro situado a la entrada del compensador es un filtro en T con dos inductores y un condensador por fase, siendo el inductor lado convertidor al mismo tiempo el inductor del convertidor de potencia.

3. Compensador como el de la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el banco de filtros selectivos digitales comprende filtros digitales para los diferentes armónicos y un filtro digital en cuadratura para la frecuencia fundamental.

4. Compensador como el de la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dichos medios de control comprenden medios para la configuración personalizada de las funciones del compensador.

5. Compensador según la reivindicación 1 en el cual dichos medios de control digitales del convertidor comprenden además una unidad de balance de potencia, que comprende a su vez un lazo de control de tipo PI y un elemento saturador a la salida de dicha unidad, caracterizado además por el hecho de que comprende a la entrada un filtro FIR de tipo peine con ganancia unitaria en frecuencia cero.

6. Compensador según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dicha batería de resonadores digitales comprende un lazo interno de estabilización, por fase, un lazo externo en cascada con el anterior formado por una función constante y unas funciones de transferencia resonantes de segundo orden y de ganancia muy elevada en las frecuencias armónicas, estando dichas funciones armónicas dispuestas en paralelo, y un lazo de prealimentación constante.

7. Compensador según la reivindicación 1, comprendiendo dichos medios de control digitales una unidad de extracción de portadoras, la cual comprende a su vez una función de transferencia de ganancia constante, una función de transferencia de control automático de ganancia y un filtro FIR derivador, caracterizado por el hecho de que dicha unidad de extracción de portadoras comprende además un filtro IIR ecualizador paramétrico dispuesto entre la citada función de transferencia de ganancia constante y dicha función de transferencia de control automático.

8. Compensador según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que además comprende por fase una unidad de limitación del valor eficaz y de la amplitud de las consignas de corriente.

9. Compensador según la reivindicación 3, caracterizado por el hecho de que dichos filtros digitales para el análisis de los diferentes armónicos comprenden un filtro FIR de tipo peine, de ganancia muy pequeña en las frecuencias fundamentales, dispuesto en serie con una batería de ecualizadores paramétricos para cada una de las componentes armónicas, de alta ganancia de valor inverso a la ganancia de los filtros FIR.

10. Compensador según la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que los medios para la configuración personalizada permiten la activación independiente de las funciones de equilibrado de fases, de compensación de componentes reactivas y de compensación de corrientes armónicas, permitiendo además seleccionar el nivel de atenuación de las diferentes corrientes armónicas.

11. Compensador según las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que comprende además un convertidor inversor-ondulador, conectado al bus de salida del convertidor de potencia; una batería de acumuladores eléctricos, conectada al bus de salida del convertidor de potencia; un cargador de baterías conectado entre la acometida de red y las baterías; un sistema de by-pass, y unos medios de control adicionales que permiten gestionar dichos elementos de tal manera que el conjunto constituye un sistema de alimentación ininterrumpida acondicionador de línea, que además de la función compensadora permite alimentar sin interrupción cargas críticas a la salida.