ES2867376B2 - Procedimiento de energizacion de convertidores mmc y enlace de continua hvdc para el arranque de centrales de generacion electrica - Google Patents

Procedimiento de energizacion de convertidores mmc y enlace de continua hvdc para el arranque de centrales de generacion electrica Download PDF

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Description

DESCRIPCIÓN
PROCEDIMIENTO DE ENERGIZACIÓN DE CONVERTIDORES MMC Y ENLACE DE
CONTINUA HVDC PARA ELARRANQUE DE CENTRALES DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención está relacionada con convertidores modulares multinivel (MMC) y enlaces de corriente continua en alta tensión (HVDC), en concreto con un procedimiento para la energización (precarga) de los condensadores de las celdas de los convertidores MMC y de los cables HVDC a partir de la energía generada por una central de generación eléctrica, como por ejemplo un parque eólico.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Año tras año se sigue incrementando el número de parques eólicos marinos que se conectan a la red terrestre de transporte de energía eléctrica a través de enlaces de corriente continua (HVDC) que usan convertidores modulares multinivel (MMC) para la conversión CA/CC (Corriente Alterna / Corriente Continua) y CC/CA (Corriente Continua / Corriente Alterna).
El arranque en negro o arranque autógeno (blackstart por su término en inglés) es el proceso de arranque de una central de generación de energía eléctrica sin el apoyo de una red eléctrica externa. Hasta la fecha, este servicio imprescindible para la restauración de un sistema eléctrico en caso de apagón (blackout) ha sido aportado únicamente por centrales convencionales (centrales térmicas o hidráulicas). Sin embargo, con el aumento de las plantas de energía renovables (eólica, solar) y la disminución de las centrales convencionales, se hace necesario que las primeras también sean capaces de restaurar el sistema eléctrico en caso de apagón.
Para la puesta en marcha de los convertidores se requiere que los condensadores de las celdas que los conforman se encuentren cargados a su tensión nominal Vc (habitualmente en el rango de 1,5 a 2kV). Se han propuesto varios procedimientos para el proceso de carga de los condensadores, sin embargo, en todos los casos se necesita una fuente de energía externa, generalmente la propia red eléctrica terrestre. Esto impide que este tipo de centrales ofrezcan el servicio de blackstart, es decir, el arranque sin el apoyo de una red de transmisión de energía eléctrica externa.
Los procedimientos propuestos en el estado de la técnica para la carga de los condensadores se pueden clasificar en tres grupos:
- Carga mediante fuente CC auxiliar. La fuente auxiliar, cuya tensión es igual o inferior a la tensión nominal de los condensadores, se conecta en el lado CC del convertidor y las celdas se van conectando una a una para la carga de los condensadores.
Carga desde el lado CC. En una primera etapa (carga no controlada) el lado CC del convertidor se conecta a la tensión nominal mientras que las celdas del convertidor permanecen bloqueadas (no se dispara ningún IGBT o en general interruptor electrónico de las celdas). En este caso es necesario el empleo de resistencias de precarga para limitar las corrientes.
Esto permite cargar los condensadores a través de diodos en antiparalelo hasta la mitad de su tensión nominal (Vc/2). En una segunda etapa (carga controlada), se reduce progresivamente el número de celdas conectadas (en ON) desde el 100% hasta el 50%, y por tanto, se aumenta el número de celdas desconectadas (en OFF) hasta cargar los condensadores a la tensión nominal.
- Carga desde el lado CA. En una primera etapa (carga no controlada), el MMC se conecta por el lado CA a la red eléctrica a través de unas resistencias de precarga que limitan la corriente de carga. Todas las celdas están bloqueadas por lo que el MMC actúa como un rectificador no controlado. Sin embargo, en un rectificador únicamente conducen simultáneamente dos ramas (una superior y otra inferior, correspondientes a aquellas fases en las que la tensión de línea es mayor en dicho instante). En el caso de los MMC, en un instante dado, los diodos en antiparalelo permiten cargar los condensadores de las celdas de las ramas que no actúan como rectificador.
En la segunda etapa (carga controlada) se aplica alguna estrategia basada en PWM (pulse-width modulation, modulación de ancho de pulso) que alterna el estado de las celdas entre ON y OFF para aumentar la tensión hasta el valor nominal, de forma similar al método de carga desde el lado CC, o se sincroniza el MMC con la red y se aumenta la referencia de tensión en las celdas.
De manera más concreta, el procedimiento de arranque de los parques eólicos marinos conectados a través de enlaces MMC-HVDC consta de las siguientes etapas:
1) energización del convertidor MMC terrestre desde la red eléctrica terrestre (carga de los condensadores de las celdas y sincronización con la red de corriente alterna), 2) energización del enlace de corriente continua desde la red eléctrica terrestre a través del convertidor MMC terrestre y control de su tensión,
3) energización del convertidor MMC marino (carga de los condensadores) desde la red de corriente alterna terrestre a través del enlace de corriente continua,
4) creación de la red marina CA del parque eólico y control de la tensión y la frecuencia por parte del convertidor MMC marino, y
5) sincronización de los aerogeneradores con la red marina y generación de energía.
De acuerdo con el procedimiento anterior, para que una central eólica empiece a suministrar energía es necesario energizar previamente los convertidores MMC y el enlace de corriente continua, utilizando para ello la red eléctrica terrestre.
Sin embargo, ante la presencia de un apagón en la red de corriente alterna terrestre no es posible energizar los convertidores MMC y el enlace de corriente continua, lo que impide conectar el parque eólico a la red eléctrica terrestre.
Esto a su vez agrava las consecuencias de un apagón al verse reducido el número de centrales que pueden restaurar un sistema eléctrico. Por tanto, para que este tipo de instalaciones puedan ofrecer el servicio del sistema eléctrico es necesario modificar el procedimiento de arranque. Asimismo, se vería reducido el tiempo que este tipo de centrales permanecería fuera de servicio.
En el estado de la técnica, el documento de título “Start-üp Control of an Offshore Integrated MMC Multi-Terminal HVDC System With reduced DC Voltage" describe un desarrollo para aplicaciones de corriente continua de alto voltaje (HVDC), incluyendo HVDC multiterminal (MTDC) e integración de energía renovable. Este documento, considerando un sistema MMC MTDC integrado en un parque eólico (OWF), investiga su proceso de arranque con tres desarrollos principales:
1) desarrolla aún más el modelo matemático de MTDC con redes activas y propone un esquema de control de arranque jerárquico;
2) par el terminal que conecta el OWF, propone un esquema de control de voltaje CC reducido para mitigar las sobretensiones con desbloqueo del convertidor a diferencia de voltaje cero en submódulos (SM) y propone un esquema de control de arranque secuencial general para el sistema integrado en alta mar MTDC; y
3) analiza y compara diferentes esquemas de control de arranque. Para evaluar el esquema de control de arranque secuencial propuesto, se establece un sistema HVDC MMC en alta mar en el RTDS.
Por su parte, el documento “Study on Black-Start Scheme of MMC-HVDC System with a Large Scale Wind Farm" divulga un estudio sobre el esquema de arranque en negro suave para el sistema MMC-HVDC con un parque eólico a gran escala. Para un sistema MMC-HVDC de dos terminales, cuando ocurre un fallo en un lado, la estación del convertidor en el otro lado se apagará. Se da una estrategia de inicio en tres etapas especialmente para realizar el arranque en negro, que recupera el voltaje de CC gradualmente, incluido el proceso de carga incontrolable y controlable.
Para un sistema HVDC de tres terminales, cuando ocurre una situación de apagón, causaría una caída de voltaje de CC. Para realizar el arranque en negro, se ha diseñado un controlador que hace que el voltaje del lado de CA del convertidor sea lo suficientemente estable como para reiniciar el parque eólico sin afectar a los otros convertidores.
En cuanto a solicitudes de patente, el documento EP2988404A1 se refiere a un método para acelerar la precarga de convertidores modulares multinivel (MMC), en particular a la obtención de tiempo de precarga totales cortos y corrientes de carga moderadas. Para ello describe un procedimiento para cargar un MMC con una pluralidad de celdas convertidoras, cada una de las cuales incluye un condensador celular y dos interruptores semiconductores de potencia controlados u operados a través de un controlador MMC, y comprende dos etapas.
Una primera etapa incluye la carga pasiva, desde una fuente de alimentación principal o auxiliar conectada al MMC a través de un circuito de precarga pasiva simple de alta impedancia, y sin que el MMC o los interruptores de semiconductores de potencia externos dedicados funcionen. Una segunda etapa posterior incluye cargar activamente el condensador de celda desde la misma fuente de energía, operando los interruptores de semiconductores de potencia a través del controlador MMC, a un voltaje nominal de celda o condensador por encima del voltaje mínimo.
Además, el documento EP2678932A2 describe un método para poner en marcha un convertidor multinivel. El convertidor multinivel está adaptado para convertir entre un voltaje de CA y un voltaje de CC, y comprende un terminal de CA y un terminal de CC para conectarse a una fuente de alimentación de CA o una fuente de alimentación de CC, respectivamente, que suministra el voltaje a convertir. El convertidor multinivel comprende varias celdas de convertidor conectadas en serie, y cada celda del convertidor comprende un condensador. El método descrito comprende los pasos de suministrar energía eléctrica de la fuente de alimentación de CA o la fuente de alimentación de CC a la entrada del convertidor, conectar una resistencia en serie con las celdas convertidoras y conectar el condensador de una o más celdas convertidoras en serie con la resistencia, en donde uno o más condensadores conectados en serie con la resistencia se cargan desde el conector a través de la resistencia.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El objeto de la presente invención es un procedimiento de energización de convertidores MMC y enlace de continua HVDC para centrales de generación eléctrica, que genera una red de corriente alterna y que suministra energía a una red de suministro externa HVAC (High Voltage Alternating Current, corriente alterna de alto voltaje).
Ambas redes están conectadas a través de un enlace de corriente continua HVDC (High Voltage Direct Current, alto voltaje corriente directa) que usa unos convertidores MMC (Modular Multilevel Converter, convertidor modular multinivel). Concretamente la red de suministro externa HVAC está conectada a un convertidor CC/CA. El convertidor CC/CA está conectado a un convertidor CA/CC a través del enlace de corriente continua. En el otro extremo del convertidor CA/CC se encuentra la red de corriente alterna y la central de generación eléctrica.
Por otra parte, cada uno de los convertidores MMC, es decir, el convertidor CA/CC y el convertidor CC/CA comprende una entrada de continua y una salida de alterna o viceversa, según corresponda. Además, se dividen en una o varias fases, constando cada una de ellas de una rama superior y una rama inferior, comprendiendo cada una de las ramas una serie de celdas. Cada una de las celdas comprende unos interruptores electrónicos conectados de manera que se puede controlar la carga y descarga de un condensador ubicado en cada una de las celdas.
Al comienzo del procedimiento, los convertidores CA/CC y CC/CA están bloqueados, los condensadores de las celdas están descargados y la tensión del cable de corriente continua y de la red de corriente alterna de la central de generación eléctrica es cero.
Las etapas del procedimiento propuesto son:
- Etapa 1: creación de la red de corriente alterna de la central de generación eléctrica por parte de los aerogeneradores, por ejemplo, si se trata de un parque eólico.
Los aerogeneradores, o generadores en general, controlan la tensión y la frecuencia de forma que incrementan la tensión de la red de corriente alterna progresivamente, partiendo desde una tensión inicial de 0 p.u. (por unidad) preferentemente, hasta una tensión inicial, de 0,35 p.u. preferentemente.
- Etapa 2: el convertidor CA/CC y el convertidor CC/CA están bloqueados (no se dispara ninguno de los interruptores electrónicos de las celdas).
o El convertidor CA/CC se comporta como un rectificador no controlado.
Además, los condensadores se cargan hasta aproximadamente una segunda tensión, de 0,25 p.u aproximadamente. Todos los condensadores de todas las ramas de todas las fases se cargan a la misma tensión,
o Al mismo tiempo se carga el enlace de corriente continua (aproximadamente a la segunda tensión de 0,25 p.u. preferentemente)
o Los condensadores del convertidor CC/CA se cargan hasta una tercera tensión de aproximadamente 0,125 p.u. preferentemente.
- Etapa 3: a continuación, se reduce la tensión de la red de corriente alterna hasta la segunda tensión (0,25 p.u. preferiblemente) ya que en el enlace de corriente continua no existe suficiente tensión para que el convertidor CA/CC cree la tensión necesaria para su sincronización con la red de corriente alterna cuando se usan celdas de medio puente. No es necesario reducir la tensión cuando se emplean celdas de puente completo ya que en ese caso el convertidor CA/CC es capaz de crear en la salida las tensiones CA superiores a la tensión en el lado de continua.
- Etapa 4: sincronización del convertidor CA/CC con la red de corriente alterna.
o El convertidor CA/CC se sincroniza con la red de corriente alterna y se continúa con la carga de los condensadores del convertidor CA/CC y del enlace de corriente continua de forma controlada hasta sus valores nominales. Se limita la pendiente con la que se incrementan las referencias de tensión para limitar la corriente de carga.
o Simultáneamente se vuelve a incrementar la tensión de la red de corriente alterna hasta su valor nominal.
o Los condensadores de las celdas del convertidor CC/CA continúan cargándose de forma no controlada al no existir todavía suficiente tensión en los condensadores para disparar los transistores.
- Etapa 5: al terminar la etapa anterior la tensión de los condensadores del convertidor CC/CA es la mitad de la nominal. Para incrementar su tensión hasta el valor nominal se conectan (ON) y desconectan (OFF) las celdas de forma que pasan de trabajar inicialmente con un ciclo de trabajo del 100% a un ciclo de trabajo del 50% al final del periodo de carga. El instante de conexión y desconexión de las celdas no se realiza de forma simultánea en todas las celdas sino de forma escalonada en el tiempo para evitar crear un cortocircuito en el lado CC del convertidor CC/CA.
Una vez energizado el sistema completo (red de corriente alterna, condensadores de las celdas de los convertidores CA/CC y CC/CA y los enlaces de corriente continua), el sistema está listo para proceder con la puesta en marcha del convertidor CC/CA para que contribuya con la restauración de la red de suministro externa HVAC en el caso que fuera necesario.
El proceso de carga de los condensadores cuando los convertidores CA/CC y CC/CA están bloqueados (etapa 2) no se puede controlar desde los propios convertidores. No obstante, la corriente de carga sí se puede controlar indirectamente a través de la pendiente con la que se incrementa la tensión de la red de corriente alterna.
Por tanto, a diferencia de los procedimientos mencionados en el apartado de antecedentes de la invención en los que es necesario insertar unas resistencias de precarga para únicamente limitar (no controlar) el pico máximo de corriente, con el procedimiento propuesto existe un control de la corriente de carga durante todo el proceso.
De forma similar, en la etapa 4 también es posible controlar la corriente de carga modificando la referencia de tensión de la red de corriente alterna de la central de generación eléctrica, del enlace de corriente continua y de los condensadores del convertidor CA/CC. Igualmente, en la etapa 5 se puede controlar la corriente de carga ajustando la pendiente con la que se incrementa la referencia de tensión de los condensadores del convertidor CC/CA.
Todos los valores de tensiones y factores de modulación indicados en el procedimiento son orientativos, no siendo requisito del procedimiento el uso exacto de dichos valores. La energía necesaria para disparar los interruptores electrónicos (IGBTs, Insulted Gate Bipolar Transistor, IGCTs, Integrated Gate-Coomitted thyristor, MOSFET, Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, BIGTs, Bi-mode Insulated Gate Transistor, u otro tipo de interruptores electrónicos) de las celdas se puede obtener de los propios condensadores de las celdas para facilitar el aislamiento de la fuente de energía.
Por esta razón es necesario cargar los condensadores (etapa 2) hasta aproximadamente un 25% de su tensión nominal (dicho valor puede variar dependiendo de las características técnicas de los transistores usados en el convertidor). A partir de este instante ya es posible controlar el disparo de los transistores, lo que permite sincronizar el convertidor CA/CC con la red de corriente alterna y proceder a la carga controlada (por parte del convertidor CA/CC) de los condensadores y el enlace de corriente continua (etapa 4).
No obstante, si la energía necesaria para disparar los transistores se obtiene desde una fuente de energía auxiliar es posible sincronizar el convertidor CA/CC desde el momento en el que se crea la red CA en la etapa 1. Esto simplificaría el proceso de carga al no ser necesarias las etapas 2 y 3 descritas anteriormente.
Sin perjuicio del procedimiento anteriormente descrito para un enlace HVDC que usa convertidores MMC (CC/CA y CA/CC) en ambas estaciones convertidoras, dicho procedimiento se puede usar en otro tipo de enlaces de corriente continua, por ejemplo, aquellos que usan rectificadores de diodos en el convertidor CA/CC.
El procedimiento es aplicable a cualquier central de generación eléctrica (eólica o de cualquier otro tipo) que se conecte a la red de corriente alterna a través de un enlace de corriente continua que use convertidores MMC en alguna de sus estaciones convertidoras o directamente a redes de corriente continua.
El procedimiento asimismo es válido para todo tipo de celdas que permitan la carga de los condensadores cuando están bloqueadas. También es posible aplicar el mismo procedimiento a cualquier topología de celda si se usan interruptores electrónicos que permitan su control incluso cuando la tensión en los condensadores de las celdas es cero.
En una realización, y para facilitar la ejecución de las distintas etapas del procedimiento, estas se ejecutan utilizando un sistema de control que comprende un procesador y una memoria, configurada para almacenar un programa de gestión, de forma que al ser ejecutado por el procesador realiza las etapas necesarias para la energización de los convertidores MMC y de los enlaces de continua.
El sistema de control puede ser un sistema centralizado, que se comunica con todos los elementos controlados tales como los convertidores MMC y los generadores. Alternativamente, el sistema de control puede ser de carácter distribuido entre los diferentes elementos de control.
Por todo lo anterior, a diferencia de otros procedimientos usados o propuestos hasta la fecha, el procedimiento objeto de la presente invención permite:
- energizar los convertidores MMC y el enlace de corriente continua, usando únicamente la energía aportada por la propia central de generación de energía eléctrica, es decir, sin necesidad de una fuente de energía externa (blackstarí),
- restaurar la red eléctrica (CA o CC) por parte de una central de generación eléctrica en general o de un parque eólico en particular,
- cargar los condensadores de los convertidores MMC sin equipamiento auxiliar (rectificadores, tiristores, fuentes CC auxiliares, resistencias de precarga, generadores diésel, etc.)
- controlar en todo momento las corrientes de carga sin necesidad de resistencias de precarga,
- cargar los condensadores de los convertidores MMC y el enlace de corriente continua a corriente constante con las tensiones de los condensadores controladas, y
- en el caso de que la central de generación eléctrica sea un parque eólico, utilizar las turbinas creadoras de la red (gríd-forming) como filtros de armónicos.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: Figura 1A.- Muestra el esquema de un parque eólico conectado a través de un enlace de corriente continua en alta tensión HVDC.
Figura 1B.- Muestra un esquema con varios parques eólicos conectados a través de enlaces de corriente continua en alta tensión HVDC a la red, en el que los enlaces de corriente continua están interconectados.
Figura 2.- Muestra esquemáticamente la estructura de un convertidor MMC, concretamente un convertidor CC/CA.
Figura 3.- Muestra dos tipos de celdas usadas en los convertidores MMC.
Figura 4.- Muestra las etapas del proceso de carga de los condensadores y del enlace de corriente continua.
Figura 5.- Muestra la carga de los condensadores de las celdas y del enlace de corriente continua durante las etapas 1 y 2.
Figura 6.- Muestra los estados de las celdas y los posibles sentidos de circulación de la corriente.
Figura 7.- Muestra el control de la corriente de carga.
Figura 8.- Muestra la carga de las celdas del convertidor CA/CC.
Figura 9.- Muestra la carga de los convertidores MMC y del enlace de corriente continua. La gráfica 1 representa la tensión de la red de corriente alterna marina. La gráfica 2 representa la frecuencia de la red de corriente alterna. La gráfica 3 muestra las tensiones polo-tierra del enlace de corriente continua. La gráfica 4 representa la corriente activa y reactiva generada por la central de generación eléctrica. La gráfica 5 muestra la potencia activa y reactiva generada por la central de generación eléctrica.
Figura 10.- Muestra las tensiones de los condensadores durante la carga. La gráfica 1 representa las tensiones de los condensadores de una rama superior del convertidor CA/CC. La gráfica 2 representa la tensión de los condensadores de una rama inferior del convertidor CA/CC. La gráfica 3 muestra la tensión de los condensadores de una rama superior del convertidor CC/CA.
La gráfica 4 representa la tensión de los condensadores de una rama inferior del convertidor CC/CA.
Figura 11.- Muestra la tensión y corriente en la central de generación eléctrica.
Figura 12.- Muestra la carga de los convertidores MMC y del enlace de corriente continua a corriente constante. La gráfica 1 representa la tensión de la red de corriente alterna marina. La gráfica 2 representa la frecuencia de la red de corriente alterna. La gráfica 3 muestra las tensiones polo-tierra del enlace de corriente continua. La gráfica 4 muestra la corriente activa, corriente reactiva y corriente total generada por la central de generación eléctrica. La figura 5 muestra la potencia activa y reactiva generada por la central de generación eléctrica.
Figura 13.- Muestra las tensiones de los condensadores durante la carga a corriente constante. La gráfica 1 muestra la tensión de los condensadores de una rama superior del convertidor CA/CC. La gráfica 2 representa la tensión de los condensadores de una rama inferior del convertidor CA/CC. La gráfica 3 representa la tensión de los condensadores de una rama superior del convertidor CC/CA. La gráfica 4 muestra la tensión de los condensadores de una rama inferior del convertidor CC/CA.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Se describe a continuación, con ayuda de las figuras 1 a 13, una realización preferente del procedimiento objeto de la presente invención.
El procedimiento trata sobre la energización de los convertidores MMC y del enlace de continua HVDC para el arranque de un parque eólico marino (1) que genera una red de corriente alterna (7) y que suministra energía a una red de suministro externa (8) HVAC (High Voltage Alternating Current, corriente alterna de alto voltaje).
Tal y como se muestra en la figura 1A, ambas redes están conectadas a través de un enlace de corriente continua (4) (High Voltage Direct Current, alto voltaje corriente directa) que usa unos convertidores MMC (Modular Multilevel Converter, convertidor modular multinivel).
Concretamente la red de suministro externa (8) HVAC está conectada a un convertidor CC/CA (3), estando posicionado entre ambos un primer interruptor (5). El convertidor CC/CA (3) está conectado a un convertidor CA/CC (2) a través del enlace de corriente continua (4). En el otro extremo del convertidor CA/CC (2) se encuentra la red de corriente alterna (7) y el parque eólico marino (1). Entre estos y el convertidor CA/CC (2) se localiza un segundo interruptor
(6).
El procedimiento descrito a continuación se puede utilizar igualmente en el caso de que varias centrales de generación eléctrica (1) asociadas a sus correspondientes convertidores CA/CC, se conecten al enlace de corriente continua (4), alimentando varias redes externas (8) asociadas al enlace de corriente continua (4) a través de sus correspondientes convertidores CC/CA (3).
Además, tal y como se muestra en la figura 1B, el procedimiento se puede utilizar igualmente en el caso de que se quieran energizar varios enlaces de corriente continua (4) interconectados entre sí, por ejemplo en paralelo, como se representa en dicha figura, en un ejemplo de realización.
Tal y como se representa en la figura 2, cada uno de los convertidores MMC, es decir, el convertidor CA/CC (2) y el convertidor CC/CA (3) comprenden una entrada de continua (33) y una salida de alterna (34) o viceversa, según corresponda. Además, constan de una o varias fases (36) que se dividen en una rama superior (31) y una rama inferior (32), comprendiendo cada una de las ramas una serie de celdas (35). Concretamente, en la figura 2 se representa un convertidor CC/CA (3).
Como se puede comprobar en la figura 3, cada una de las celdas (35) comprende unos interruptores electrónicos (37) conectados de manera que se puede controlar la carga y descarga de un condensador (9) ubicado en cada una de las celdas (35). En la figura 5 se representa el conjunto de la figura 1A con una vista más detallada de cada una de las celdas (35).
Al comienzo del procedimiento, los convertidores CA/CC (2) y CC/CA (3) están bloqueados, el primer interruptor (5) está abierto y el segundo interruptor (6) está cerrado, los condensadores (9) de las celdas (35) están descargados y la tensión del enlace de corriente continua (4) y de la red de corriente alterna (7) del parque eólico marino (1) es cero.
En una primera etapa los aerogeneradores del parque eólico marino (1) crean la red de corriente alterna (7) marina y controlan su tensión y su frecuencia. Desde un tiempo t=1 s hasta un tiempo t=3 s se incrementa la tensión de la red de corriente alterna (7) marina desde una tensión inicial de 0 p.u. hasta una primera tensión de 0,35 p.u., como se muestra en la primera gráfica de la figura 9. La frecuencia se incrementa de 0 a 50 Hz en 0,1 segundos, como se muestra en la segunda gráfica de la figura 9.
Una segunda etapa consiste en la carga no controlada de los condensadores (9) de los convertidores MMC, es decir el convertidor CA/CC (2) y el convertidor CC/CA (3) y del enlace de corriente continua (4).
Mientras los aerogeneradores del parque eólico marino (1) crean la red de corriente alterna (7) marina (etapa 1), el convertidor CA/CC (2) está bloqueado (no se dispara ninguno de los interruptores electrónicos (37) y debido a los diodos D2 de las celdas (35) (ver figura 6c) el convertidor CA/CC (2) se comporta como un rectificador no controlado (ver las línea discontinua en el convertidor CA/CC (2) de la figura 5 que indica el camino seguido por la corriente en un determinado instante) que permite la carga del enlace de corriente continua (4) (como se muestra en la tercera gráfica de la figura 9) a una segunda tensión, que viene dada por:
Figure imgf000014_0001
_ r* ■
Donde Vt es el valor eficaz de la tensión de línea de la red de corriente alterna (7) marina en p.u., Vdcnom es Ia tensión nominal polo-tierra del enlace de corriente continua (4) en p.u. y Vdc es la tensión polo-tierra en p.u. a la que se carga el enlace de corriente continua (4).
Los diodos D1 de las celdas (35) de aquellas ramas del convertidor CA/CC (2) que no están conduciendo permiten la carga de los condensadores (9), como se refleja en la figura 6d, a una segunda tensión, representada en la primera y segunda gráficas de la figura 10:
Figure imgf000014_0002
0,25 p .U .
donde V2" Vt es la tensión polo-polo del enlace de corriente continua (4),
Figure imgf000014_0003
es la tensión de los condensadores (9) al cargarse simultáneamente las N celdas (35) de una rama (31, 32), y 2 . Vdc-nom la tensión nominal de los condensadores (9).
En la figura 5 se muestra la carga de los condensadores (9) en un instante concreto en el cual se están cargando los condensadores (9) de la rama superior (31) de la fase (36) C y los condensadores (9) de la rama inferior (32) de la fase (36) A. No obstante, a lo largo de un ciclo de la tensión de red se produce una alternancia entre las ramas (31, 32) que conducen en cada instante de forma que todos los condensadores (9) de todas las ramas (31,32) de todas las fases (36) se cargan a la misma tensión.
El convertidor CC/CA (3) terrestre está también bloqueado pero los diodos D1 de las celdas (35) permiten la carga de los condensadores (9), como se refleja en la tercera y cuarta gráfica de la figura 10. Los condensadores (9) quedan cargados a una tercera tensión:
V2" Vt
V2". 0,35
Vr c_ tter = n y 2N = 0,125 p. u.
^ v dc_nom 4~1
N
A diferencia del convertidor CA/CC (2) marino, en el convertidor CC/CA (3) terrestre conducen simultáneamente las 2N celdas (35) de una misma fase (36) (es decir, conducen simultáneamente los diodos D1 de las ramas superiores (31) y de las ramas inferiores (32)) por lo que la tensión de los condensadores (9) es la mitad de la tensión de los condensadores (9) del convertidor CA/CC (2) marino.
Destacar que se utiliza el término de carga no controlada porque los convertidores CA/CC (2) y CC/CA (3) están bloqueados y no controlan la corriente de carga. Sin embargo, dicha corriente se puede controlar de forma indirecta a través de la pendiente de la rampa utilizada en la referencia de la tensión de la red de corriente alterna (7) marina, como se indica en la primera gráfica de la figura 9. Por tanto, es posible controlar la corriente de carga de los condensadores (9) y limitarla a valores pequeños, tal y como aparece en la cuarta gráfica de la figura 9, sin emplear resistencias de precarga.
El convertidor CA/CC (2) marino se comporta como un rectificador trifásico no controlado de seis pulsos por lo que genera armónicos en la corriente. Sin embargo, el valor de la corriente es tan pequeño (inferior a 0,02 p.u.) que su efecto en la tensión de la red de corriente alterna (7) marina es insignificante, como aparece en la figura 11.
En una tercera etapa se reduce la tensión de la red de corriente alterna (7) marina.
Tras finalizar la carga no controlada, el convertidor CA/CC (2) marino deja de conducir. Sin embargo, en los condensadores (9) ya existe suficiente tensión para poder disparar los interruptores electrónicos (37) de las celdas (35) y sincronizar el convertidor CA/CC (2) con la red CA marina (7). No obstante, el valor eficaz máximo de la tensión de línea que puede generar el convertidor CA/CC (2) es:
Figure imgf000016_0001
Dado que la tensión de línea existente en el parque eólico marino (1) (0,35 p.u.) es superior a la máxima que puede generar el convertidor CA/CC (2) marino (0,306 p.u.), es necesario reducir la tensión de la red de corriente alterna (7) para permitir la sincronización del convertidor CA/CC (2) marino sin que se produzcan los picos de corriente en el momento de la conexión. Entre t=3,5s y t=3,75 s se reduce la tensión de la red de corriente alterna (7) marina a 0,25p.u. (ver primera gráfica de la figura 9).
Una cuarta etapa consiste en la puesta en marcha del convertidor CA/CC (2) marino, carga controlada de los condensadores (9) del convertidor CA/CC (2) marino, carga controlada del enlace de corriente continua (4) y carga no controlada de los condensadores (9) del convertidor CC/CA (3).
En t=5,75s se sincroniza el convertidor CA/CC (2) con la red de corriente alterna (7) marina. A continuación, se incrementa linealmente la tensión de los condensadores (9) del convertidor CA/CC (2) marino desde 0,25 p.u. a 1 p.u. entre t = 6s y t = 8s (ver primera y segunda gráfica de la figura 10). A la vez, entre t = 6,25s y t = 8,25s, se incrementa la tensión del enlace de corriente continua (4) desde 0,25 p.u. hasta 1 p.u. (ver tercera gráfica de la figura 9) y la tensión de la red de corriente alterna (7) marina desde 0,25 p.u. hasta 1 p.u. (ver la primera gráfica de la figura 9).
La carga del enlace de corriente continua (4), la carga de los condensadores (9) y el incremento de la tensión de la red de corriente alterna (7) marina se ha realizado en intervalos de tiempo distintos para mostrar que son procesos que se pueden controlar de forma independiente. No obstante, se podrían realizar simultáneamente para reducir el tiempo total de carga.
Durante este paso el convertidor CC/CA (3) terrestre se encuentra todavía bloqueado por lo que sus condensadores (9) continúan cargándose de forma no controlada hasta la siguiente tensión (ver tercera y cuarta gráfica de la figura 10):
2 V d c jn o m
y vc_ter = 2M___= 05 V U ^
^ vdc_nom
N
De nuevo, se utiliza el término de carga no controlada porque el convertidor CC/CA (3) terrestre está bloqueado y no controla la corriente de carga. Sin embargo, dicha corriente se puede controlar de forma indirecta limitando la pendiente de la rampa con la que se aumenta la tensión del enlace de corriente continua (3). Por tanto, es posible controlar la corriente de carga de los condensadores (9) y limitarla a valores pequeños (ver cuarta gráfica de la figura 9) sin emplear resistencias de precarga.
Al finalizar esta etapa los condensadores (9) del convertidor CA/CC (2) marino están cargados a la tensión nominal. La tensión de la red de corriente alterna (7) marina y el enlace de corriente continua (4) son también nominales. En cambio, los condensadores (9) del convertidor CC/CA (3) terrestre están cargados a la mitad de la tensión nominal.
Una quinta etapa consiste en la carga controlada del convertidor CC/CA (3) terrestre.
El circuito equivalente del convertidor CC/CA (3) terrestre para una de las fases (36) del convertidor se muestra en la figura 8.
La tensión en los condensadores (9) es 0,5 p.u. por lo que ya existe suficiente tensión para disparar los interruptores electrónicos (37). Inicialmente, las seis ramas (31, 32) del convertidor CC/CA (3) trabajan con un factor de modulación igual a 1, es decir, todas las celdas (35) están conectadas (están en ON). La tensión insertada en cada fase (36) es igual a la diferencia de tensión entre los polos positivos y negativos del cable, por lo tanto, no circula corriente y los condensadores (9) no se cargan.
Entre t = 8,5s y t = 11,5s, se reduce el factor de modulación de cada una de las ramas (31, 32) desde 1 hasta 0,5. Al reducir dicho factor se reduce el número de celdas (35) que hay conectadas a cada rama (31, 32) (se desconectan algunas celdas (35), es decir, se ponen en OFF).
Esto provoca que la tensión insertada en cada fase (36) sea inferior a la diferencia de tensión entre los polos del enlace de corriente continua (4) y circule una corriente que carga los condensadores (9). Finalmente, con un algoritmo de equilibrado de las tensiones de los condensadores (9) se determina qué celdas (35) se deben poner en ON y OFF en cada instante para garantizar que todos los condensadores (9) se carguen a la tensión nominal (ver la tercera y la cuarta gráfica de la figura 10).
Todos los valores de tensiones y factores de modulación indicados en el procedimiento son orientativos, no siendo requisito del procedimiento el uso exacto de dichos valores. Dichos valores dependerán de la tensión mínima necesaria para disparar los interruptores electrónicos (37), que en esta realización preferente son IGBTs, de las celdas (35) y del tipo de celda (35).
En el ejemplo descrito anteriormente se han utilizado rampas predefinidas para los cambios en las referencias de todas las tensiones. Utilizando una pendiente suficientemente pequeña se puede garantizar que las corrientes de carga sean pequeñas (ver cuarta gráfica de la figura 9). No obstante, se puede controlar la corriente de carga en bucle cerrado usando un control como el mostrado en la figura 7.
A continuación, se muestran los resultados del procedimiento de carga mostrado anteriormente, pero usando el control de corriente en bucle cerrado. En la cuarta gráfica de la figura 12 se comprueba que la corriente total entregada por el parque eólico marino (1) (IWF) es constante e igual a 0,015 p.u., 0,05 p.u. y 0,035p.u. en las etapas uno, cuatro y cinco respectivamente. En la figura 13 se muestran las tensiones de los condensadores (9) del convertidor CA/CC (2) marino y del convertidor CC/CA (3) terrestre.
De acuerdo a los resultados mostrados, siguiendo el procedimiento propuesto, es posible energizar los condensadores (9) de los convertidores CA/CC (2) y CC/CA (3) y el enlace de corriente continua (4) usando únicamente los aerogeneradores de un parque eólico marino (1). Por tanto, dicho procedimiento permite que los parques eólicos marinos (1) conectados a través de enlaces de corriente continua (4) puedan ofrecer el servicio de restauración de una red eléctrica en caso de apagón.
A diferencia de otros métodos existentes, no es necesario el empleo de una fuente de energía externa (otra red eléctrica, generador diésel, etc.) ni componentes adicionales (rectificadores, resistencias de precarga, etc.). Además, es posible controlar la corriente de carga durante todas las etapas a partir del control de las tensiones generadas en cada momento (a diferencia de los procesos existentes que emplean resistencias de precarga para únicamente limitar la corriente, pero no controlarla).

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. - Procedimiento de energización de convertidores MMC y enlace de continua HVDC para el arranque de centrales de generación (1) de una red eléctrica de corriente alterna (7) que alimenta a al menos una red de suministro externa (8) a través de un enlace de corriente continua (4), estando conectada la al menos una red de suministro externa (8) a un enlace de corriente continua (4) a través de al menos un convertidor CC/CA (3) y conectada la central de generación (1) al enlace de corriente continua (4) a través de al menos un convertidor CA/CC (2), y comprendiendo cada uno de los convertidores (2, 3) unas celdas (35) con al menos un condensador (9) conectado a al menos un interruptor electrónico (37), estando inicialmente los convertidores CA/CC (2) y CC/CA (3) bloqueados, los condensadores (9) descargados y siendo la tensión del enlace de corriente continua (4) y la red de corriente alterna (7) cero, estando el procedimiento caracterizado por que comprende las etapas de:
- una primera etapa de incremento progresivo de tensión en la red de corriente alterna (7) desde una tensión inicial hasta una primera tensión,
- una segunda etapa, simultánea con la primera, de carga no controlada de los condensadores (9) del al menos un convertidor CA/CC (2) hasta una segunda tensión, carga del enlace de corriente continua (4) hasta la segunda tensión, y carga de los condensadores (9) del al menos un convertidor CC/CA (3) hasta una tercera tensión, - una tercera etapa de reducción de tensión en la red de corriente alterna (7) hasta la segunda tensión, únicamente si todas las celdas (35) son de medio puente o si las celdas (35) son de medio puente y de puente completo y el al menos un convertidor CA/CC (2) no genera una tensión suficiente para la sincronización con la red eléctrica de corriente alterna (7)
- una cuarta etapa de sincronización del al menos un convertidor CA/CC (2) con la red de corriente alterna (7), carga controlada de los condensadores (9) del al menos un convertidor CA/CC (2) y del enlace de corriente continua (4) hasta sus tensiones nominales y carga no controlada de los condensadores del al menos un convertidor CC/CA (3),
- una quinta etapa de carga de los condensadores (9) del al menos un convertidor CC/CA (3) hasta su tensión nominal, y
- una etapa final de puesta en marcha del convertidor CC/CA (3) restaurando de la al menos una red de suministro externa (8).
2. - El procedimiento de la reivindicación 1, en la que el al menos un convertidor CA/CC (2) está conectado a una o varias centrales de generación (1).
3. - El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las celdas (35) comprenden una fuente de energía de alimentación de los interruptores electrónicos (37), y en el que, en la primera etapa, se sincroniza el al menos un convertidor CA/CC (2) y se cargan los condensadores (9) del al menos un convertidor CA/CC (2) y el enlace de corriente continua (4) de forma controlada hasta la segunda tensión.
4. - El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que en la quinta etapa la carga de los condensadores (9) del al menos un convertidor CC/CA (3) hasta su tensión nominal se realiza conectando y desconectando las celdas (35) de forma que pasan de trabajar inicialmente con un ciclo de trabajo del 100% a un ciclo de trabajo del 50% conectándose y desconectándose las celdas (35) de manera escalonada en el tiempo.
5. - El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que en la quinta etapa la carga de los condensadores (9) del al menos un convertidor CC/CA (3) hasta su tensión nominal se realiza conectando las celdas (35) una a una mediante una resistencia de precarga.
6. - El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el al menos un convertidor CC/CA (3) comprende al menos una fase (36) con una rama superior (31) y una rama inferior (32) en la que se disponen las celdas (35) y en el que en la quinta etapa la carga de los condensadores (9) del al menos un convertidor CC/CA (3) hasta su tensión nominal se realiza conectando en serie y de forma simultánea las celdas (35) de la rama superior (31) o de la rama inferior (32) de cada fase (36) y desconectando las de la rama (31, 32) opuesta.
7. - El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que en la segunda etapa la carga de los condensadores (9) del al menos un convertidor CA/CC (2) se controla en bucle cerrado variando la tensión de la red de alterna (7) de la central de generación (1).
8. - El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que en la cuarta etapa, la carga de los condensadores (9) del al menos un convertidor CA/CC (2) se controla en bucle cerrado variando la tensión del enlace de corriente continua (4).
9. - El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que en la quinta etapa se controla la carga de los condensadores (9) del convertidor CC/CA (3) en bucle cerrado variando el ciclo de trabajo de las celdas (35).
10.- El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la central o centrales de generación (1) son parques eólicos.
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