ES2613869T3

ES2613869T3 - Método para la emulación de una máquina síncrona

Info

Publication number: ES2613869T3
Application number: ES11701812.7T
Authority: ES
Inventors: Germán Claudio Tarnowski
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2017-05-26
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: EP2529462B1; WO2011092193A3; EP2529462A2; US20120292904A1; WO2011092193A2; US9300142B2

Abstract

Método para emular el comportamiento de una fuente de energía eléctrica (6) conectada operativamente a una red de distribución eléctrica (2) en respuesta a eventos relacionados con la red, comprendiendo el método la etapa de calcular uno o más escenarios de respuesta de dicha fuente de energía eléctrica (6) en relación con uno o más parámetros eléctricos seleccionados cuando dicha fuente de energía eléctrica se modela tal que se comporta como una máquina síncrona, caracterizado porque el cálculo de uno o más escenarios de respuesta comprende una etapa de calcular una componente de tensión interna en el sistema de referencia de eje directo (Ed) y una componente de tensión interna en el sistema de referencia de eje de cuadratura (Eq), en un sistema de referencia rotatorio d-q, en el que la etapa de calcular la componente de tensión interna en el sistema de referencia de eje directo (Ed) y la componente de tensión interna en el sistema de referencia de eje de cuadratura (Eq), comprende cálculos de - una componente de tensión estática de la componente de tensión interna en el eje directo (Eds) y una componente de tensión estática de la componente de tensión interna en el eje de cuadratura (Eqs), respectivamente, en el que los cálculos de las componentes de tensiones estáticas (Eds, Eqs), de las tensiones (Ed, Eq), respectivamente, se basan en entradas externas del objetivo de potencia activa (Po) y el objetivo de potencia reactiva (Qo) y componentes de tensión real (Vd, Vq) de la red de distribución eléctrica (2), y - una componente de tensión dinámica de la componente de tensión interna en el eje directo (ΔEd') y una componente de tensión dinámica de la componente de tensión interna en el eje de cuadratura (ΔEq'), respectivamente, en el que los cálculos de las componentes de tensiones dinámicas de régimen transitorio (ΔEd', ΔEq'), de las tensiones (Ed, Eq), respectivamente, se basan en valores reales de tensiones (Vd, Vq) y corrientes (Id, Iq) en el punto de conexión con la red de distribución eléctrica (2) en el que la componente de tensión estática de la componente de tensión interna en el eje directo (Eds) se añade a la componente de tensión dinámica de la componente de tensión interna en el eje directo (ΔEd') para formar la componente de tensión interna en el sistema de referencia de eje directo (Ed), y en el que la componente de tensión estática de la componente de tensión interna en el eje de cuadratura (Eqs) se añade a la componente de tensión dinámica de la componente de tensión interna en el eje de cuadratura (ΔEq') para formar la componente de tensión interna en el sistema de referencia de eje de cuadratura (Eq).

Description

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la figura 6 muestra los cambios desacoplados en las potencias activas (Pe) y reactivas (Qe) generadas tras un cambio de punto de referencia, estando conectado el VSC a una red de distribución eléctrica fuerte,

la figura 7, comparación de potencias activas que resultan de cambios de punto de referencia en la invención (línea B) frente a máquina síncrona convencional (línea A) donde se reflejan las oscilaciones de rotor,

5 la figura 8 ilustra el cálculo de las componentes dinámicas Ed’ y Eq’ de d-q y el cálculo de las componentes estáticas Eds y Eqs de d-q y el punto de suma, y

la figura 9 ilustra un cálculo de ángulo de sistema de referencia rotatorio.

Aunque la invención es susceptible de diversas modificaciones y formas alternativas, se han mostrado realizaciones específicas a modo de ejemplos en los dibujos y se describirán en detalle en el presente documento. Debe

10 entenderse, sin embargo, que la invención no pretende limitarse a las formas particulares dadas a conocer. Más bien, la invención va a cubrir todas las modificaciones, equivalentes y alternativas que se encuentran dentro del espíritu y el alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Descripción detallada de la invención

Se aplicará la siguiente nomenclatura en relación con la descripción detallada de la presente invención:

Configuración: entradas de algoritmos y parámetros predefinidos para programar la unidad de cálculo

d-q: sistema de referencia rotatorio único común con eje directo (d) y eje de cuadratura (q)

E: módulo de la tensión en bornes eficaz entre fases del VSC en frecuencia fundamental

E(t): valor instantáneo de la tensión en bornes entre fases de VSC

E: fasor de la tensión en bornes entre fases del VSC en frecuencia fundamental

'E: nueva tensión en bornes de VSC como resultado de un cambio con respecto a E

Ed: componente calculada de la tensión E en el sistema de referencia de eje directo (d)

Eq: componente calculada de la tensión E en el sistema de referencia de eje de cuadratura (q)

Eds: componente estática calculada de Ed a partir de valores reales de Vd, Vq, Po y Qo.

Eqs: componente estática calculada de Eq a partir de valores reales de Vd, Vq, Po y Qo.

Ed’: componente dinámica de régimen transitorio calculada de Ed como resultado de cambios en Vd y/o Vq y/o Id y/o Iq

Eq’: componente dinámica de régimen transitorio calculada de Eq como resultado de cambios en Vd y/o Vq y/o Id y/o Iq

f: frecuencia eléctrica

I: módulo de la corriente en bornes eficaz del VSC en frecuencia fundamental

I(t): valor instantáneo de la corriente de fase del VSC

I: fasor de la corriente en bornes del VSC en frecuencia fundamental

'I: nueva corriente de bornes de VSC como resultado de un cambio con respecto a I

Iabc: valores medidos instantáneos de corrientes en bornes de VSC trifásicas

Id: componente de la corriente de fase del VSC medida en el eje directo (d)

Iq: componente de la corriente de fase del VSC medida en el eje de cuadratura (q)

Modo: señal externa para indicar el modo de control como control Q o control V y control P o control f.

P: potencia activa

Po: potencia activa establecida como objetivo

Pe: potencia activa instantánea en el punto de conexión con la red (medida)

Q: potencia reactiva

Qo: potencia reactiva establecida como objetivo

Qe: potencia reactiva instantánea en el punto de conexión con la red (medida)

Ref Q/V: valores de referencia para Q y V Ref Q y V

Ref P/f: valores de referencia para P y f

SG: generador síncrono

V: módulo de la tensión eficaz en el punto de conexión con la red en frecuencia fundamental

V: fasor de la tensión en el punto de conexión con la red en frecuencia fundamental

'V: nueva tensión en el punto de conexión con la red como resultado de un cambio con respecto a V

Vd: componente de la tensión en el punto de conexión con la red medida en el eje directo (d)

Vq: componente de la tensión en el punto de conexión con la red medida en el eje de cuadratura (q)

Vdq: nomenclatura combinada para identificar Vd y Vq

VSC: Convertidor de fuente de tensión

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La unidad de control 7 recibe las siguientes entradas: Ref Q/V, Ref P/f, Modo Pe, f, Qe y V, y genera las siguientes salidas a la unidad de cálculo 1: Qo, Po. El sistema de control tal como se muestra en la figura 1 puede hacerse funcionar en cuatro modos de funcionamiento diferentes: 1) control de potencia activa; 2) control de frecuencia eléctrica; 3) control de potencia reactiva; 4) control de tensión. Manipula la entrada Po de la unidad de cálculo 1 para el control de potencia activa o el control de frecuencia, y la entrada Qo de la unidad de cálculo 1 para el control de potencia reactiva o el control de tensión.

Los cálculos de las componentes de tensiones dinámicas de régimen transitorio, Ed’ y Eq’, de las tensiones Ed y Eq, respectivamente, para la unidad de VSC 5 se basan en valores reales de las tensiones Vd y Vq y las corrientes Id e Iq en el punto de conexión con la red de distribución eléctrica 2.

El calculador de componentes dinámicas 8 proporciona una variación dinámica de régimen transitorio de la tensión

en bornes E de la unidad de VSC 5 en respuesta a cambios en tensiones Vd y/o Vq y/o cambios en corrientes Id y/o Iq. Las componentes dinámicas de régimen transitorio, Ed’ y Eq’, pueden calcularse con el fin de emular el comportamiento dinámico de la tensión interna de una máquina síncrona, o en un modo diferente según un

comportamiento dinámico deseado de la tensión E durante eventos de red. El calculador de componentes dinámicas 8 se comunica con el calculador de componentes estáticas 9 para potenciar la respuesta dinámica.

Los cálculos de las componentes de tensiones estáticas, Eds y Eqs, de las tensiones Ed y Eq, respectivamente, para la unidad de VSC 5 se basan en entradas externas del objetivo de potencia activa, Po, y el objetivo de potencia reactiva, Qo, y en las componentes de tensión real de la red de distribución eléctrica 2, Vd y Vq, expresadas en el sistema de referencia interno. El calculador de componentes estáticas 9 no tiene cálculos dinámicos y realiza un cálculo algebraico que permite cambios muy rápidos de potencias activas o reactivas generadas, Pe y Qe, a partir de la unidad de VSC 5 cambiando las componentes de Ed y Eq en respuesta a cambios desacoplados en Po y/o Qo. El calculador de componentes estáticas 9 se comunica con el calculador de componentes dinámicas 8 para potenciar la respuesta estática.

El calculador de ángulo de sistema de referencia rotatorio 10 calcula el ángulo rotado instantáneo e del sistema de referencia interno con una dinámica que emula las oscilaciones de rotor de una máquina síncrona que incluye características de amortiguación. Este cálculo se basa en valores reales de potencia activa objetivo Po y potencia activa generada Pe. El cálculo de e puede programarse libremente para introducir un mecanismo de estabilidad como potencia de sincronización y respuesta inercial de manera similar a una máquina síncrona. El comportamiento dinámico de e puede incluir características de amortiguación programables que mejoran las oscilaciones de potencia activa para el soporte de red de distribución eléctrica (2). La unidad de medición de potencia activa y reactiva instantáneas 11 calcula los valores instantáneos trifásicos de las potencias activas y reactivas intercambiadas en el punto de conexión con la red de distribución eléctrica 2.

La función de supervisión para limitación y protección 12 monitoriza y evalúa los límites de funcionamiento de la unidad de VSC 5. Lleva a cabo acciones de limitación sobre valores críticos dentro de la unidad de cálculo 1 y protege a la unidad de VSC 5 frente a acciones perjudiciales.

El punto de suma 13 añade las componentes estáticas respectivas, Eds y Eqs, del calculador 9 a las componentes dinámicas de régimen transitorio, Ed’ y Eq’, del calculador 8 para generar las componentes de tensión entradas Ed y Eq para la unidad de VSC 5.

La unidad de transformación de eje del sistema de referencia interno 14 transforma los valores instantáneos trifásicos de tensiones y corrientes de la unidad de medición 4 en componentes respectivas de tensiones Vd y Vq y corrientes Id e Iq representadas en un sistema de referencia de ejes d-q rotatorio arbitrario con un ángulo e facilitado por el calculador de ángulo de sistema de referencia rotatorio 10.

Tal como ya se ha mencionado, la presente invención se refiere a una estrategia para hacer funcionar y controlar una unidad de VSC 5 trifásica con impedancia de interfaz de red 3. Un objetivo de la presente invención es emular el comportamiento inherente de de un generador síncrono convencional para el soporte de la red de distribución eléctrica 2 en lo que se refiere a variaciones inherentes instantáneas de salida de potencias activas y/o reactivas debidas a variaciones de tensión de la red en magnitud y/o ángulo con la posibilidad de seguimiento rápido y desacoplado de puntos de referencia para potencias activas y/o reactivas generadas.

La unidad de VSC 5 genera tensiones en bornes trifásicas equilibradas con un valor entre fases E(t). En la

frecuencia fundamental E(t) puede representarse como un fasor E . Cuando la unidad de VSC 5 se sincroniza con

una red de distribución eléctrica 2 con tensión V a través de la impedancia de interfaz 3, el flujo de potencia activa Pe y potencia reactiva Qe en el punto de conexión con la red de distribución eléctrica 2 viene dado respectivamente por:

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referencia Po. La dinámica de las oscilaciones de rotor del generador síncrono se emula como oscilaciones de ángulo del sistema de referencia d-q interno, lo que a su vez se refleja como oscilaciones de ángulo de tensión  y oscilaciones de potencia eléctrica Pe.

Para introducir respuesta inercial, la velocidad de rotación e del sistema de referencia d-q se acelera o desacelera según la diferencia entre la potencia activa real Pe y el punto de referencia Po y según un valor deseado de inercia que produce la oscilación de potencia activa deseada para la respuesta inercial. El valor de la inercia emulada puede programarse libremente. No son necesarias mediciones de la frecuencia de red.

Para introducir una componente de amortiguación de oscilación de potencia se añade un término en fase con desviación de e a la potencia activa generada Pe. Para introducir una componente de potencia de sincronización se añade un término en fase con oscilaciones de  a la potencia activa generada Pe.

Pueden usarse otros tipos de control para controlar el ángulo rotado instantáneo e de la referencia dq de rotación interna con el fin de introducir la respuesta deseada del VSC para la estabilidad de la red de distribución eléctrica y el control de Pe y Qe.

La figura 4 ilustra la respuesta de potencia reactiva Qe en una situación en la que el modelo según la invención se aplica a una red de distribución eléctrica débil que contiene generadores síncronos. La carga de la red de distribución eléctrica aumenta en una gran variación de carga inductiva. La respuesta de potencia reactiva se

potencia mediante el control dinámico de la tensión E de VSC.

La figura 5 ilustra (línea B) la respuesta de potencia activa Pe en una situación en la que el modelo según la invención se aplica a una red de distribución eléctrica débil que contiene generadores síncronos. La carga de la red de distribución eléctrica aumenta en una gran variación de carga resistiva. La respuesta de potencia activa se

potencia mediante el control dinámico de la tensión E de VSC y mediante la respuesta inercial, las oscilaciones de potencia y la amortiguación introducidas mediante el control dinámico del ángulo e del sistema de referencia d-q interno. La otra forma de onda (línea A) es una comparación con la salida proporcionada por dispositivos similares a los expuestos en Hans-Peter Beck y en el documento WO 2009/022198 donde la salida de convertidor se basa completamente en cálculos de variables de estado y seguimiento de punto de referencia de corriente de convertidor. La línea A muestra un retardo tras el evento de red y un aumento de velocidad limitado de la potencia activa.

Como la respuesta de potencia activa se establece en primer lugar mediante una condición de la tensión en bornes

E de VSC y la impedancia 3, el efecto es inherente y tiene lugar instantáneamente, lo que es diferente de lo que puede proporcionarse mediante los sistemas de la técnica anterior. Además, el cálculo de oscilación del ángulo de tensión incluye una componente de amortiguación que puede programarse adicionalmente según las necesidades de estabilidad de la red de distribución eléctrica. La oscilación del ángulo de tensión se calcula para proporcionar potencia de sincronización positiva y capacidades de amortiguación positivas a la red de distribución eléctrica.

Además, haciendo referencia de nuevo a la figura 1, la presente invención proporciona control de potencias activas y reactivas tal como se implementa normalmente con convertidores electrónicos de potencia. La invención proporciona la posibilidad de seguimiento rápido y desacoplado de puntos de referencia para potencias activa Pe y/o reactiva Qe generadas por medio de señales de Po y Qo manipuladas por los controladores 7. Los rápidos cambios en las potencias activas y/o reactivas generadas se realizan mediante cálculos algebraicos 9 de las componentes estáticas Eds y Eqs de las tensiones en bornes, Ed y Eq, de VSC en el sistema de referencia d-q arbitrario. Las nuevas componentes estáticas Eds y Eqs se calculan considerando los valores reales de las tensiones Vd y Vq de la red de distribución eléctrica y los valores manipulados Po y Qo de los controladores con el fin de obtener los cambios rápidos desacoplados deseados de potencia activa y/o reactiva. El bloque de cálculo de componentes estáticas 9 tiene el conjunto apropiado de ecuaciones algebraicas y parámetros para generar un cambio en las potencias activas Pe o reactivas Qe generadas manipulando Po o Qo, respectivamente.

El siguiente conjunto de ecuaciones algebraicas se implementa en el bloque 9 de la figura 1 para calcular las componentes estáticas Eds y Eqs apropiadas para una entrada deseada de objetivo de potencia activa Po y objetivo de potencia reactiva Qo:

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en las que R1 y X1 son valores estimados de resistencia y reactancia que se eligen en coordinación con el diseño de la impedancia de red 3, y K1, K2, K3, K4, K5 y K6 son constantes deseadas. No obstante, este conjunto de ecuaciones puede modificarse según respuestas deseadas del VSC.

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La figura 3 muestra un cambio rápido en el fasor E cambiando las componentes estáticas Eds y Eqs de los

cálculos algebraicos. El cambio en el fasor E de este modo produce el cambio exacto en las potencias activas Pe y/o reactivas Qe.

La figura 6 muestra la respuesta de la invención cuando se cambian los puntos de referencia de las potencias activas Pe y reactivas Qe en una situación cuando la invención se conecta a una red de distribución eléctrica fuerte

2. Las respuestas en las potencias activas y reactivas están desacopladas.

Los valores manipulados de los controladores, Po y Qo, actúan de manera independiente sobre las potencias activas y reactivas del VSC.

Estos cambios rápidos y desacoplados presentan las mismas ventajas que los convertidores de energía con control de corrientes d-q desacopladas, pero no son posibles con generadores síncronos debido a su baja respuesta inherente a cambios de punto de referencia y potencias activas y reactivas acopladas de manera permanente (véase la figura 7). En la figura 7, la potencia reactiva está desacoplada (línea D) pero está acoplada inherentemente en una máquina síncrona (línea C). La invención expuesta en Hans-Peter Beck y en el documento WO 2009/022198 emula la línea A y la línea C y no puede proporcionar cambios rápidos de punto de referencia como la línea B y la línea D.

Se emplea una función de limitación y protección de supervisión 12 (véase la figura 1) para limitar las corrientes de VSC, las tensiones Ed y Eq de VSC, el ángulo de diferencia de tensión , la potencia activa Pe o la potencia reactiva Qe o una combinación de estos. Aunque en la figura 1 se muestra un único bloque 12, puede usarse más de una función de supervisión para realizar las funciones de limitación y protección. La función de limitación y protección es útil porque el VSC podría sobrecargarse cuando funciona cerca de la salida de potencia nominal y está produciéndose un evento de red. Los límites pueden ser límites absolutos, límites dependientes del tiempo, dependientes del estado de funcionamiento o una combinación de los mismos.

La figura 8 ilustra la estructura de bloques para el cálculo de las componentes de tensión interna E en el sistema de referencia d-q rotatorio. Las componentes estáticas de la tensión E se calculan con un algoritmo implementado en el bloque 9 de la figura 8. Este bloque contiene ecuaciones algebraicas expresadas en el eje directo y el de cuadratura d-q y se basan en las ecuaciones (1.5) y (1.6). Un algoritmo de este tipo recibe como entradas la tensión en bornes real V en el sistema de referencia d-q y los objetivos de tensión estática Po y Qo del controlador 7 (véase la figura 1). En 9 se incorpora un filtro para la tensión en bornes V para un mejor rendimiento. Las componentes dinámicas de régimen transitorio de la tensión interna E se calculan con un algoritmo implementado en el bloque 8 que contiene las ecuaciones de tensión dinámica expresadas en el eje directo y el de cuadratura d-q. Las ecuaciones dinámicas emulan de un modo adecuado un comportamiento de tensión deseado de manera similar a una máquina síncrona en lo que se refiere al régimen transitorio de tensión. Un algoritmo de este tipo recibe como entradas la tensión en bornes real V en el sistema de referencia d-q y las corrientes en bornes reales I en el sistema de referencia d-q. Las componentes estáticas y dinámicas de la tensión interna E se añaden en el bloque 13 mediante un algoritmo de suma adecuado.

Los bloques 8 y 9 se comunican entre sí a través del canal de comunicación 15 que facilita indicadores y/o valores numéricos para un mejor rendimiento estático y dinámico de la invención durante diferentes eventos de red y de control. Los algoritmos implementados en los bloques 8 y 9 pueden modificarse o programarse fácilmente a través de la configuración de entrada con el fin de proporcionar diferentes respuestas deseadas sobre los componentes de la tensión interna E.

La figura 9 ilustra la estructura de bloques 10 para el cálculo del ángulo rotado instantáneo e y la velocidad e del sistema de referencia d-q rotatorio interno. El cálculo se realiza con un algoritmo matemático que emula el comportamiento del rotor del generador síncrono, tal como respuesta inercial, amortiguación de oscilaciones de potencia y potencia de sincronización. La respuesta se refleja en el ángulo instantáneo e y la velocidad e del sistema de referencia d-q rotatorio interno. Las entradas para el cálculo son el objetivo de potencia activa estática Po y la salida de potencia activa real Pe. El algoritmo matemático respectivo puede modificarse o programarse fácilmente a través de la configuración de entrada para proporcionar diferentes respuestas deseadas sobre el ángulo instantáneo e y/o la velocidad e.

Claims

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