ES2867349A1 - Sistema y procedimiento para la integracion y supervision de equipos electricos para estabilizacion de las redes electricas - Google Patents

Sistema y procedimiento para la integracion y supervision de equipos electricos para estabilizacion de las redes electricas Download PDF

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Abstract

Sistema para la integración y supervisión de equipos eléctricos para estabilizar las redes eléctricas constituido por la combinación de un dispositivo de medida, identificación, perturbación, adaptación y configuración (MIPAC) (7) el cual tiene como fin el estabilizar un sistema eléctrico (1) al que se conecta, y en el que a su vez se encuentra dispuesto un equipo eléctrico (2), con un sistema de comunicación (3), para la supervisión e integración de los equipos eléctricos, transmitiendo las correspondientes órdenes de perturbación (6) de tal modo que se compruebe la identificación y en caso contrario se proceda a estabilizar las redes eléctricas.

Description

DESCRIPCIÓN
SISTEMA Y PROCEDIMIENTO PARA LA INTEGRACIÓN
Y SUPERVISION DE EQUIPOS ELECTRICOS PARA
ESTABILIZACION DE LAS REDES ELÉCTRICAS
CAMPO DE LA TÉCNICA
El sistema para la integración y supervisión de equipos eléctricos para estabilizar las redes eléctricas, objeto de la presente invención, como su propio nombre describe, se corresponde con el campo de la electricidad y particularmente las redes eléctricas, sean de corriente alterna (en adelante AC) o corriente continua (en adelante DC).
Los elementos pasivos que componen una red eléctrica, como son los transformadores, cables, resistencias, inductancias, bancos de condensadores, etc., se pueden modelar con gran precisión utilizando las propiedades físicas de los mismos para obtener su comportamiento eléctrico.
Pero la conexión a gran escala de la electrónica de potencia, sobre todo debido a la generación renovable, dificulta la obtención de un modelo eléctrico en un punto dado de la red eléctrica, debido a que: - Al ser equipos no lineales, su comportamiento varía en función del punto de operación - Dicho punto de operación varía con la carga, generación o tensión de red eléctrica - El comportamiento de un equipo de electrónica de potencia depende del software y el algoritmo implementado en él, por lo tanto, difiere respecto a diferentes fabricantes y modelos.
En este escenario de incertidumbre es complicado realizar estudios y simulaciones para replicar fielmente el comportamiento transitorio y frecuencial de las redes eléctricas. Del mismo modo, la carencia de información dificulta la integración de los equipos en la red eléctrica, aún más sabiendo que las características de la red eléctrica son variables en el tiempo. En consecuencia, surgen problemas de estabilidad, resonancias de subarmónicos y armónicos, debido a interacciones entre distintos equipos conectados eléctricamente entre sí.
Este es el campo al que la presente invención, va destinado.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
A la hora de conectar dos sistemas eléctricos, se tiene que tener en cuenta la tensión e impedancia internas de cada una de ellas para analizar lo que ocurrirá cuando los dos sistemas se conecten eléctricamente. En sistemas lineales (o aplicando la linealización en un punto de operación en sistemas no lineales), donde la superposición se puede aplicar, los circuitos equivalentes Thevenin/Norton pueden ser utilizados para realizar análisis de integración.
La adaptación de impedancias es requerida en todos los sistemas eléctricos como puede ser parques eólicos, parques fotovoltaicos, cargas del sector de tracción, en redes eléctricas DC, en barcos eléctricos, en aviones, HVDC, generadores (síncronos o asíncronos), ...
Para evitar interacciones no deseadas entre diferentes dispositivos que se encuentren unidos eléctricamente la adaptación de impedancias y tensiones/corrientes es necesaria:
• Dicha adaptación es difícil de obtener en sistemas variantes en el tiempo y con equipos no lineales, debido por ejemplo a equipos basados en electrónica de potencia.
• Una mala adaptación o integración puede causar problemas de estabilidad y resonancias de subarmónicos/armónicos.
• Debido a la generación renovable y a que cada vez se conectan más equipos basados en la electrónica de potencia, las variaciones temporales de las impedancias y tensiones/corrientes equivalentes son mayores.
En las patentes US6326796, US6933714, US7508224, US20160305996, US9618555 y US9952263 se han propuesto e implementado diferentes equipos para la medida e identificación de las impedancias de red eléctrica. En la patente US9471731 se presenta una forma de optimizar la estabilidad de un sistema basado en la comparativa entre las medidas realizadas y las simulaciones.
En diferentes publicaciones hemos podido comprobar como se hacen referencia a: un identificador de impedancias eléctricas, desarrollado y aplicado en un sistema eléctrico de un barco, mientras que en otras se presenta un identificador de impedancias aplicado a la red eléctrica; se utiliza un equipo de identificación de impedancias para analizar un sistema eléctrico que alimenta cargas de tracción ferroviaria; se analizan las impedancias equivalentes de una red eléctrica DC utilizando un sistema activo con el objetivo de analizar la estabilidad del sistema; se realiza un análisis de estabilidad basado en impedancias de los equipos considerando inversores fotovoltaicos y generadores diésel.
Además de la identificación de la red eléctrica en el punto de conexión, se ve la necesidad de adaptar el comportamiento de todos los equipos conectados al mismo punto. Dicha adaptación se debe hacer de forma coordinada.
El objeto de la presente invención, pretende resolver el problema a la hora de integrar conjuntos de equipos en la red eléctrica, asegurando que el comportamiento dinámico de la suma de todos los equipos conectados, cumple con la adaptación necesaria. Esta adaptación, se podrá obtener partiendo de la identificación del sistema o se podrá definir una determinada característica. Por ejemplo, el operador del sistema podrá enviar al dispositivo una consigna donde se defina la respuesta dinámica total que tendrá que cumplir el conjunto de los equipos conectados. El sistema se encargará de configurar los equipos conectados para cumplir con la consigna recibida.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
La finalidad de la presente invención es eliminar problemas de estabilidad y evitar problemas de calidad de onda (cumplimiento códigos de red) a la hora de integrar equipos eléctricos en la red eléctrica. Para ello, la invención identifica la red eléctrica en el punto de conexión mediante un perturbador si no hay excitación suficiente y controla la respuesta frecuencial del equipo o equipos conectado a la red eléctrica. La invención trata de un sistema y procedimiento de integración de equipos eléctricos, utilizando un sistema de medida, identificación, perturbación, adaptación y configuración (MIPAC) para integración de equipos eléctricos en redes eléctricas de tipo AC o de DC, todo ello de un modo integral a diferencia de lo que se conoce hasta la actualidad.
La invención consta de un sistema de medida, identificación, perturbación, adaptación y configuración (en adelante MIPAC) que comprende:
Medidas:
• Se miden las tensiones y corrientes en el punto de identificación del sistema.
Identificación:
• Se identifican en tiempo real las tensiones e impedancias (espectrales) equivalentes de Thevenin/Norton utilizando las medidas realizadas.
• La identificación se realiza mediante las perturbaciones espectrales. • Si la emisión de armónicos existentes no es suficiente para identificar el sistema, se generan utilizando el perturbador exterior o alguno de los equipos conectados a la red eléctrica sin sobrepasar los límites definidos en la norma correspondiente en el punto eléctrico.
• Ya que en una misma red eléctrica se pueden conectar varios MIPAC, el sistema consta de un puerto para comunicarse con otros MIPAC. Así mismo, las perturbaciones generadas por MIPAC#1 pueden ser utilizadas por MIPAC#2 para la identificación del sistema. Se permite conectar los MIPAC de forma distribuida.
Perturbación:
• Consta de semiconductores de potencia o elementos mecánicos de conmutación.
• Se puede utilizar para perturbar redes eléctricas AC o DC.
• Se puede conectar en serie o en paralelo con la red eléctrica.
• Se tiene la opción de utilizar los propios equipos conectados como equipos de perturbación. El MIPAC podrá mandar consignas a los equipos conectados para generar las perturbaciones necesarias. Por ejemplo, inyección de un determinado armónico a un STATCOM, conexión/desconexión de bancos de condensadores, conexión/desconexión de un transformador, o una serie de cambios en las tomas de un transformador OLTC (On-Load Tap Changer). Adaptación:
• En función del estado de la red eléctrica y los límites definidos en ”Point of Common Coupling” (PCC), la adaptación definirá la impedancia equivalente y la tensión/corriente (espectral) equivalente Thevenin/Norton que tiene que cumplir la planta.
• Asimismo, esta impedancia y tensiones (espectrales), pueden venir definidos por un tercero en forma de consigna. Es decir, el operador de red eléctrica (por ejemplo) puede definir la impedancia frecuencial, Z(Hz), y la tensión frecuencial V(Hz), que tiene que presentar la instalación en el punto de conexión.
Configuración:
• El MIPAC se encarga de configurar todos los equipos conectados para cumplir con la consigna de circuito equivalente en el punto de conexión. Por ejemplo, podrá mandar consignas a un “STATCOM” con filtro activo.
• Controlar la configuración de los equipos (cargas, generación y equipos adicionales) que se hayan instalado.
• Definir la impedancia frecuencial, Z(Hz), equivalente que tiene que imponer cada equipo.
• Definir la tensión equivalente frecuencial, V(Hz), que tiene que generar cada equipo.
• Sincronización de los equipos para reducir la emisión total de armónicos con el objetivo de reducir el factor “summation law” definido en el IEC 61000-3-6.
• Conexión/desconexión de diferentes equipos. Podrá conectar/desconectar diferentes equipos.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
A continuación, mediante los dibujos, se explican las diferentes partes y disposiciones de la invención sobre sistema y procedimiento para la integración y supervisión de equipos eléctricos para estabilizar las redes eléctricas objeto de la invención, complementando la memoria descriptiva, ilustrando el ejemplo preferente que ayuda a comprender mejor la invención, consistiendo precisamente con una realización de dicha invención, pero en ningún caso limitante de la misma.
Las anteriores y otras características y ventajas se comprenderán más plenamente a partir de la siguiente descripción detallada de un ejemplo de realización con referencia a los dibujos de las figuras adjuntas, en los que:
La figura 1 muestra un esquema general de la invención sobre sistema y procedimiento para la integración y supervisión de equipos eléctricos para estabilizar las redes eléctricas.
La figura 2 muestra un esquema de la configuración del MIPAC.
La figura 3 muestra un ejemplo de conexión en aplicación del MIPAC.
La figura 4 muestra el módulo (amplitud) de la impedancia equivalente Thevenin.
La figura 5 muestra el ángulo de la impedancia equivalente Thevenin.
La figura 6 muestra el módulo (amplitud) de la tensión equivalente Thevenin.
La figura 7 muestra el ángulo de la tensión equivalente Thevenin.
La figura 8 muestra la impedancia equivalente Thevenin.
La figura 9 muestra la tensión equivalente Thevenin.
La figura 10 muestra la configuración del filtro adaptativo, sea éste mecánico, eléctrico o magnético.
La figura 11 muestra el esquema eléctrico general.
La figura 12 muestra la configuración con varios sistemas MIPAC.
La figura 13 muestra la configuración con varios MIPAC controlados por el operador de red eléctrica.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIFERENTES ELEMENTOS DE LA INVENCIÓN 1: Sistema eléctrico al que se conecta el equipo o conjunto de equipos.
2: Equipo o equipos eléctricos que se conectan a la red eléctrica.
3: Sistema de comunicación con 2.
4: Conexión eléctrica con 2.
5: Transmisión de las medidas eléctricas con 7.
6: Transmisión de las ordenes de perturbación.
7: Equipo de medición, identificación, perturbación, adaptación y configuración (MIPAC).
8: Conexión con controlador externo.
9: Comunicación con otra unidad MIPAC.
10: Controlador externo.
11: Sistema de medidas eléctricas.
12: Perturbador externo, sistema de perturbación eléctrica.
13: Medidor (medición)
14: Identificador (identificación)
15: Adaptador (adaptación)
16: Configurador (configuración)
17: Controlador de la perturbación
22: Transformador de tensión.
23: T ransformador de corriente.
28: Amplitud de la impedancia Thevenin máxima permitida.
29: Area donde puede estar la amplitud de la impedancia Thevenin.
30: Amplitud de la impedancia Thevenin mínima permitida.
31: Angulo de la impedancia Thevenin máxima permitida.
32: Area donde puede estar el ángulo de la impedancia Thevenin.
33: Angulo de la impedancia Thevenin mínima permitida.
34: Amplitud de la tensión Thevenin máxima permitida.
35: Area donde puede estar la amplitude de la tensión Thevenin.
36: Amplitud de la tensión Thevenin mínima permitida.
37: Angulo de la tensión Thevenin máxima permitida.
38: Area donde puede estar el ángulo de la tensión Thevenin.
39: Angulo de la tensión Thevenin mínima permitida.
40: Límite de la impedancia Thevenin definidos como parte real y parte imaginaria.
41: Area permitida donde puede estar la impedancia Thevenin.
42: Límite de la tensión Thevenin definidos como parte real y parte imaginaria.
43: Area permitida donde puede estar la tensión Thevenin.
46: Tensión Thevenin equivalente de 2.
47: Impedancia Thevenin equivalente de 2.
48: Impedancia Thevenin equivalente de 1.
49: Tensión Thevenin equivalente de 1.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UN EJEMPLO DE LA REALIZACIÓN PREFERENTE
Basándonos en las explicaciones precedentes, describimos el sistema y procedimiento para la integración y supervisión de equipos eléctricos para estabilizar las redes eléctricas objeto de la presente invención, que se encuentra constituida por un sistema de medida, identificación, perturbación, adaptación y configuración (MIPAC) (7) el cual se encuentra conectado con el sistema eléctrico (1) que se pretende estabilizar y que tal y como se representa en la figura 1 se encuentra:
- Disponiendo de un equipo eléctrico (2) conectado con el sistema de comunicación (3).
- En comunicación con un sistema de medidas eléctricas (11) a través de la transmisión de las medidas eléctricas (5).
- En comunicación con el sistema de perturbación eléctrica (12) a través de la transmisión de las ordenes de perturbación (6).
- En comunicación con un controlador externo (10) a través de la conexión (8).
- En comunicación con un segundo equipo MIPAC#2 (7) a través de la comunicación (9)
Y en su interior el MIPAC (7) se encuentra constituido según se muestra en la figura 2 dispuesto por:
- Un medidor (13), en conexión directa con el sistema de medidas eléctricas (11) así como con el identificador (14), el configurador (16) y el perturbador (17), el cual mide las tensiones y corrientes en el punto de identificación (14) del sistema.
- Un identificador (14), el cual identifica en tiempo real las tensiones (49) e impedancias equivalentes (48) de Thevenin/Norton utilizando las medidas realizadas por el medidor (13); si la emisión de armónicos existentes no es suficiente para identificar el sistema, el controlador de la perturbación (17) hace uso del perturbador externo (12) o los propios equipos conectados (2) a través del configurador (16) para generar los armónicos sin sobrepasar los límites definidos en la norma correspondientes en el punto eléctrico; para el supuesto de que en una misma red eléctrica se encontrase conectados varios MIPAC, el sistema consta de un adaptador que a su vez dispone de un puerto para comunicarse con otros MIPAC.
Asimismo, las perturbaciones generadas por MIPAC (7) pueden ser utilizadas por MIPAC#2 (7) para identificación del sistema.
- Un sistema perturbador (12) el cual se encuentra constituido por semiconductores de potencia o elementos mecánicos de conmutación, que se pueden utilizar para perturbar las redes AC o DC, pudiendo ser conectadas en serie o en paralelo.
- Un adaptador (15) que en función del estado de la red eléctrica y los límites que se encuentren definidos en PCC, el adaptador definirá la impedancia equivalente (47) y la tensión/corriente equivalente (46) en los equipos (2) y mandará estos valores en modo de consignas al configurador (16). La forma en la que se mandarán las consignas se define en las figuras 4, 5, 6, 7, 8 y 9. Las figuras se definen con 28, 29, 30 31,32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41,42 y 43.
- Un configurador (16) que encontrándose en conexión con un controlador externo (10) y con el adaptador (15), así como con el equipo electrónico conectado (2), hace que el MIPAC (7) configure todos los equipos conectados para cumplir con la consigna de circuito equivalente en el punto de conexión; dichas consignas, impedancia equivalente (47) y tensión equivalente (46), pueden venir definidas desde el adaptador (15) o por un controlador externo (10). Por ejemplo, el operador de red eléctrica puede definir la impedancia (Z(Hz)) y tensión frecuencial (V(Hz)) que tiene que presentar la instalación en el punto de conexión. El configurador (16) controla la configuración de los equipos (cargas, generación y equipos adicionales) que se hayan instalado; definen la impedancia frecuencial y la tensión frecuencial, equivalente que tiene que imponer cada equipo; por ejemplo, puede sincronizar los equipos para reducir la emisión (V(Hz)), total de armónicos con el objetivo de reducir el factor “summation laW definido en el IEC 61000-3-6. El configurador (16) también puede determinar la conexión o desconexión de los diferentes equipos (por ejemplo, filtros pasivos). El configurador (16) tiene la capacidad de controlar los equipos (2) y el control de la perturbación (17) puede utilizar esta característica para perturbar el sistema.
- Perturbación (17) en conexión con el identificador (14), un perturbador externo (12) y el configurador (16), se encarga de perturbar el sistema eléctrico (1) para su posterior identificador. Si el identificador (14) no es capaz de identificar el sistema eléctrico (1) con las perturbaciones naturales del sistema, la perturbación(17) puede hacer uso del perturbador externo (12) y los propios equipos conectados (2) a través del configurador (16). Las perturbaciones realizadas no pueden sobrepasar los límites definidos en el código de red eléctrica.
El perturbador externo (12) puede estar constituido por una fuente de tensión controlada o utilizando tiristores y cargas pasivas.
Los dispositivos que el MIPAC es capaz de integrar a la red eléctrica asegurando la estabilidad del sistema se pueden ver en la figura 10:
• Equipos con electrónica de potencia (18): FACTS, Rectificadores, inversores, filtros activos, HVDC ...
• Filtros pasivos (19): Filtros serie, Filtros LCL ...
• Filtros pasivos controlables (20): Magnetically controlled shunt reactors ...
• Generadores (21): Síncronos, DFIF ...

Claims (3)

REIVINDICACIONES
1a.- Sistema para la integración y supervisión de equipos eléctricos para estabilizar las redes eléctricas que se encuentra caracterizado por encontrarse constituido por la combinación de un dispositivo de medida, identificación, perturbación, adaptación y configuración (MIPAC) (7) el cual se encuentra conectado con el sistema eléctrico (1) que se pretende estabilizar y se encuentra:
- Disponiendo de un equipo eléctrico (2) conectado con el sistema de comunicación (3).
- En comunicación con un sistema de medidas eléctricas (11) a través de las medidas eléctricas (5).
- En comunicación con el sistema de perturbación eléctrica (12) a través de la transmisión de las ordenes de perturbación (6).
- En comunicación con un controlador externo (10) a través de la conexión (8).
- En comunicación con un segundo equipo MIPAC#2 (7) a través de la comunicación (9)
2a.- Sistema para la integración y supervisión de equipos eléctricos para estabilizar las redes eléctricas según la reivindicación 1a encuentra caracterizado por que el MIPAC (7) se encuentra constituido por:
- Un medidor (13), en conexión directa con el sistema de medidas eléctricas (11) así como con el identificador (14) y el controlador de la perturbación (17).
- Un identificador (14), el cual se encuentra en conexión directa con el medidor (13) y con el controlador de la perturbación (17) por un lado o con el adaptador (15) por otro.
- Un sistema perturbador (12) constituido a su vez por semiconductores de potencia o elementos mecánicos de conmutación y que se encuentra en conexión con el controlador de la perturbación (17).
- Un adaptador (15) en contacto con el identificador (14) y el configurador (16), y a su vez disponiendo de un puerto para conectar otros MIPAC (7).
- Un configurador (16) en conexión con un controlador externo (10) y con el adaptador (15), así como con el equipo electrónico a conectar (2) y el control de la perturbación (17).
3a.- Procedimiento para la integración y supervisión de equipos eléctricos para estabilizar las redes eléctricas que se encuentra caracterizado por las siguientes etapas:
I) El medidor (13) mide las tensiones y corrientes en el punto de identificación (14) del sistema.
II) El identificador (14), identifica en tiempo real las tensiones (49) e impedancias equivalentes (48) de Thevenin/Norton utilizando las medidas realizadas por el medidor (13): a) si la emisión de armónicos existentes no es suficiente para identificar el sistema, el controlador de la perturbación (17) hace uso del perturbador externo (12) o los propios equipos conectados (2) a través del configurador (16) para generar armónicos sin sobrepasar los límites definidos en la norma correspondiente en el punto eléctrico.
III) En función del estado del sistema eléctrico (1) y los límites que se encuentren definidos en PCC, el adaptador definirá la impedancia equivalente (47) y la tensión/corriente equivalente (46) de los equipos y mandará estos valores en modo de consignas al configurador (16).
IV) Será el configurador (16) quien hace que todos los equipos conectados (2) cumplan con la consigna de circuito equivalente en el punto de conexión; siguiendo las consignas del controlador externo (10) o las consignas del adaptador (15).
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