ES2638718B1 - Un sistema de conversión de energía trifásica de media tensión para acoplar una fuente de energía a una red de suministro eléctrico - Google Patents

Un sistema de conversión de energía trifásica de media tensión para acoplar una fuente de energía a una red de suministro eléctrico Download PDF

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Abstract

Un sistema de conversión de energía trifásica de media tensión para acoplar una fuente de energía a una red de suministro eléctrico. Comprende un convertidor de potencia (51) y un Filtro-"Notch" (53). El sistema de control de conmutación (67) del inversor (65) del convertidor de potencia (51) se basa en patrones SHE-PWM. El Filtro-"Notch" (53) está dispuesto para atenuar la frecuencia del primer armónico que el sistema de control de conmutación (67) del inversor (65) no puede atenuar y configurado con medios de amortiguación capaces de suavizar la frecuencia de resonancia sin afectar a la frecuencia "notch".

Description

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DESCRIPCIÓN
Un sistema de conversión de energía trifásica de media tensión para acoplar una fuente de energía a una red de suministro eléctrico.
Campo de la invención
La invención se refiere a sistemas de conversión de energía para acoplar fuentes de energía, en particular fuentes de energía renovable, a redes de suministro eléctrico.
Antecedentes de la invención
Los sistemas convencionales de conversión de energía para acoplar fuentes de energía renovable a redes de suministro eléctrico han sido sistemas de conversión de potencia de baja tensión (BT), de menos de 1000 V. Sin embargo, particularmente en el campo de la energía eólica y para ciertos tipos de aerogeneradores, serian deseables sistemas de conversión de energía de media tensión (MT), de más de 1000 V, para mejorar su eficiencia, ya que se necesita menos corriente para obtener el mismo nivel de potencia.
La mitigación de armónicos en la frecuencia de conmutación en los sistemas de conversión de energía es un índice de rendimiento importante con el fin de cumplir las normas IEEE 1.547,2-2008 y 519-1.992. En inversores conectados a redes MT se requieren frecuencias de conmutación bajas (por lo general inferiores a 1.000 Hz) y resulta más difícil cumplir dichas normas que en inversores conectados a redes BT.
La invención está orientada a la solución de este problema.
Breve descripción de la invención
La invención proporciona un sistema de conversión de energía trifásica MT para acoplar una fuente de energía a una red de suministro eléctrico, que comprende:
a) un convertidor de potencia con un sistema de control de conmutación basado en patrones de Eliminación Selectiva de Armónicos-Modulación por Ancho de Pulsos (SHE- PWM, iniciales de "Selective Harmonic Elimination-Pulse-Width Modulation").
b) un Filtro-"Notch" dispuesto para atenuar la frecuencia del primer armónico que el sistema de control de conmutación no puede atenuar y configurado con medios de amortiguación capaces de suavizar la frecuencia de resonancia sin afectar a la frecuencia "notch".
La combinación de estas características permite que la mitigación de armónicos en la frecuencia de conmutación del sistema de conversión de energía cumpla con las normas de la IEEE 1547,2-2008 y 519-1.992.
Con los patrones SHE-PWM se elige el número de transiciones de conmutación dentro del primer cuarto de ciclo del periodo fundamental para que sean X ángulos. Como sugiere la teoría de SHE, esto permite controlar el componente fundamental en el nivel requerido y la eliminación de los primeros X-1 armónicos impares no-triples de orden bajo. El Filtro-"Notch" está dispuesto a la frecuencia deseada, normalmente a la frecuencia de los primeros armónicos que SHE no puede eliminar/atenuar. Para suavizar su frecuencia de resonancia sin afectar a la frecuencia "notch", el Filtro-"Notch" está configurado con un amortiguador RC paralelo que está en paralelo con la rama "notch".
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Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue de la invención y de las reivindicaciones adjuntas en relación con las figuras que se acompañan.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1a es un diagrama de bloques de un sistema de conversión de energía trifásica BT típico para el acoplamiento de una fuente de energía a una red de suministro eléctrico y la Figura 1b es un diagrama de bloques de un sistema de conversión de energía trifásica MT para el acoplamiento de una fuente de energía a una red de suministro eléctrico de acuerdo con la invención.
La Figura 2 muestra un patrón SHE-PWM con varios ángulos de conmutación para una eliminación selectiva de armónicos.
La Figura 3 ilustra la respuesta en frecuencia de un sistema de conversión de energía con un Filtro--Notch" no-amortiguado y amortiguado.
La Figura 4 ilustra la respuesta en frecuencia de un sistema de conversión de energía con un Filtro-"Notch" amortiguado para diferentes inductancias de red.
Descripción detallada de la invención
Como se muestra en la Fig. 1 a un sistema típico de conversión de energía trifásica BT 13 que acopla una fuente de energía 11, tal como un aerogenerador, a una red de suministro eléctrico 15 comprende un convertidor de potencia 21, un Filtro LC o LCL 23 y un transformador 25.
El convertidor de potencia 21 comprende un rectificador 31 acoplado a la fuente de energía 11, un Enlace OC 33 y un inversor 35. El sistema de control de conmutación 37 del inversor 35 se basa en técnicas PWM y el Filtro LC o LCL 23 está configurado para una alta atenuación armónica.
Una disposición similar para un sistema de conversión de energía trifásica MT implicaría por lo menos dos problemas:
- Las técnicas clásicas de control del inversor tales como como la Modulación por Ancho de Pulsos (PWM) presentan varios problemas técnicos en operaciones con baja frecuencia de conmutación.
- El método pasivo típico de amortiguación de un Filtro-"Notch", es decir la inserción de una resistencia en serie con la rama del condensador, produce pérdidas adicionales de potencia y la alta atenuación de la frecuencia resulta ser ineficaz, ya que se amortiguan tanto la frecuencia "notch" como la frecuencia de resonancia.
Un sistema de conversión de potencia trifásico MT 43 para el acoplamiento de una fuente de energía 11 a una red de suministro eléctrico 15 que soluciona dichos problemas se muestra en la Figura 1b y comprende un convertidor de potencia 51, un Filtro-"Notch" 53 (operando, por ejemplo, a 3,3Kv) y, si es necesario, un transformador 25 (para alcanzar el nivel de tensión de la red de suministro eléctrico 15) acoplado a los nodos de salida del Filtro-"Notch" 53.
El convertidor de potencia 51 comprende un rectificador 61 acoplado a la fuente de energía 11 , un Enlace DC 63 y un inversor 65 con un sistema de control de conmutación
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67 basado en patrones SHE-PWM con el fin de evitar los armónicos de conmutación de orden bajo.
El Filtro-"Notch" 53, acoplado a los nodos de salida del inversor 65, debe estar dispuesto en torno al rango de frecuencias de los principales armónicos de conmutación para lograr una mitigación significativa de estos componentes armónicos. Con patrones SHE-PWM (ver Fig. 2) se elige el número de transiciones de conmutación dentro del primer cuarto de ciclo del periodo fundamental para que sean X ángulos.
Para sistemas de conversión de energía MT normalmente se elige un número de ángulos entre 5 y 15 (en la Figura 2 pueden ser observados siete ángulos). Como sugiere la teoría de SHE, esto permite controlar el componente fundamental en el nivel requerido y eliminar los primeros X-1 armónicos impares no-triples de orden bajo. Así pues, el Filtro- "Notch" 53 está configurado a la frecuencia deseada, normalmente la frecuencia de los primeros armónicos que SHE no puede eliminar/atenuar.
Por otro lado, el Filtro-*Notch" 53 está configurado con un amortiguador paralelo RC que está en paralelo con la rama "notch". Esta técnica de amortiguación es, por lo tanto, capaz de suavizar la frecuencia de resonancia sin afectar a la frecuencia "notch".
En la Fig. 3, los diagramas de Bode 41, 43 muestran la respuesta en frecuencia de, respectivamente, un Filtro-"Notch" no-amortiguado y amortiguado.
En la Fig. 4, los diagramas de Bode 71, 73, 75, 77, 79, 81, 83 muestran la respuesta en frecuencia de un Filtro-"Notch" 53 amortiguado con, respectivamente, las siguientes inductancias de red: 1,00, 1,05, 1,10, 1,15, 1,20, 1,25, 1,30 p.u.
En la Figura 3 y en la Figura 4, se puede observar que la frecuencia "notch" se vuelve más eficaz (más profunda) y la frecuencia de resonancia tiende a desaparecer (más atenuada) con los medios de amortiguación de la invención para el Filtro-"Notch" 53.
Como se muestra en la Figura 4, un Filtro-"Notch" 53 que tiene los medios de amortiguación antes mencionados es bastante inmune a las variaciones de impedancia de la red en comparación con otros filtros de red.
Aunque se ha descrito la presente invención en conexión con varias realizaciones, puede apreciarse a partir de la descripción que pueden hacerse varias combinaciones de elementos, variaciones o mejoras en ellas y que están dentro del alcance de la invención definido en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (5)

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    ES 2 638 718 A1
    REIVINDICACIONES
    1. Un sistema de conversión de energía trifásica MT (43) para acoplar una fuente de energía (11) a una red de suministro eléctrico (15) que comprende:
    - un convertidor de potencia (51) que comprende un rectificador (61) acoplado a la fuente de energía (11), un Enlace-OC (63) y un inversor (65);
    - un Filtro-"Notch" (53) acoplado a los nodos de salida del inversor (65); caracterizado porque:
    - el sistema de control de conmutación (67) del inversor (65) está basado en patrones SHE-PWM;
    - el Filtro-Notch" (53) está dispuesto para atenuar la frecuencia del primer armónico que el sistema de control de conmutación (67) del inversor (65) no puede atenuar y configurado con medios de amortiguación capaces de suavizar la frecuencia de resonancia sin afectar a la frecuencia "notch".
  2. 2. Un sistema de conversión de energía trifásica MT (43) según la reivindicación 1, en el que el número de transiciones de conmutación de los patrones SHE-PWM dentro del primer cuarto de ciclo del período fundamental se establece en X ángulos, estando X comprendido entre 5-15.
  3. 3. Un sistema de conversión de energía trifásica MT (43) según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en el que dichos medios de amortiguación son un amortiguador paralelo RC que está en paralelo con la rama "notch".
  4. 4. Un sistema de conversión de energía trifásica MT (43) según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, que también comprende un transformador (25) acoplado a los nodos de salida del Filtro-"Notch" (53).
  5. 5. Un sistema de conversión de energía trifásica MT (43) según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que la fuente de energía (11) es un aerogenerador.
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