MX2010012456A - Metodo y sistema de energia electrica de area que detecta la formacion de islas mediante el empleo de inyeccion de energia reactiva controlada por medio de varios inversores. - Google Patents
Metodo y sistema de energia electrica de area que detecta la formacion de islas mediante el empleo de inyeccion de energia reactiva controlada por medio de varios inversores.Info
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Abstract
Un sistema de energía eléctrica de área (32; 32'; 32"; 32"') incluye un número de fuentes de energía de corriente directa (34), y un número de inversores (36) asociados operativamente con el número de fuentes de energía de corriente directa. Cada uno del número de inversores se estructura (58) para proporcionar energía real e inyección de energía reactiva controlada para detectar formación de islas. Una salida (38) se energiza por el número de inversores. Un número de aparatos interruptores eléctricos (48) se estructuran para conectar eléctricamente al número de inversores a y desconectar eléctricamente al número de inversores a partir de una red de compañía de suministro eléctrico (42). Un número de dispositivos (44; 46) se estructuran para detectar formación de islas con respecto a la red de compañía de suministro eléctrico en respuesta a un número de cambios de frecuencia o voltaje de corriente alternante de la salida.
Description
MÉTODO Y SISTEMA DE ENERGÍA ELÉCTRICA DE ÁREA QUE
DETECTA LA FORMACION DE ISLAS MEDIANTE EL EMPLEO DE INYECCIÓN DE ENERGÍA REACTIVA CONTROLADA
POR MEDIO DE VARIOS INVERSORES
Antecedentes
Campo
El concepto divulgado se refiere de manera general a métodos para detectar formación de islas y, mas particularmente, a métodos para detectar formación de islas para un sistema de energía eléctrica de área. El concepto divulgado también se refiere a sistemas de energía eléctrica de área proporcionando una función anti- formación de islas.
Información de Antecedentes
En sistemas de compañías de suministro eléctrico, una condición de falla de la red puede ocasionar la creación de una "isla" incluyendo la carga eléctrica y las fuentes de generación de energía. Tal una isla es indeseable y es de una preocupación particular en sistemas de generación de energía distribuida teniendo un número de fuentes de generación de energía y cargas co-existiendo en un alimentador de distribución. Por ejemplo, tal una isla puede resultar en un voltaje o frecuencia anormales siendo suministrados a la carga. Mas aun, mediante retro-alimentación, tal una isla puede presentar un peligro de
seguridad a trabajadores para circuitos de energía corriente arriba.
Cuando un inversor se conecta eléctricamente a la red de compañía de suministro eléctrico, es necesario concordar la amplitud de frecuencia y voltaje del inversor con aquella de la red. El inversor usa la red como su referencia y genera un voltaje de salida que se sincroniza con la red. Si la red se torna desconectada, entonces el inversor no ve ningún cambio en la frecuencia o voltaje y continuará suministrando energía si la energía de salida del inversor concuerda con la demanda de carga local en la red. Tal una condición es conocida como formación de islas, lo cual puede tener implicaciones de seguridad y desempeño sustanciales .
En la figura 1, cuando un disyuntor de circuito (CB) 2 se abre bajo la condición de corriente cero fluyendo hacia la compañía de suministro eléctrico 4, una isla eléctrica 6 se forma incluyendo al inversor fotovoltaico (PV) 8 y carga local 10.
Por ejemplo, formación de islas resulta en una degradación de la calidad de electricidad suministrada al cliente (v.gr., carga local 10) durante el periodo de formación de islas debido a la falta de control de compañía de suministro eléctrico. Una excursión descontrolada de frecuencia y/o voltaje puede dañar al equipo del cliente. Mas aun, si la desconexión de red es el resultado de una falla transitoria en el sistema, entonces dispositivos de interrupción tratarán de volver a cerrar la
conexión de red después de unos cuantos ciclos (v.gr., típicamente, alrededor de 12 a 15 ciclos) . Volver a cerrar potencialmente puede dañar al inversor 8 dado que los voltajes en la isla 6 no necesariamente están sincronizados con la red (v.gr., compañía de suministro eléctrico 4) . Cuando la red es re-conectada, el voltaje de red puede tener un ángulo de fase diferente con respecto al voltaje de la isla 12. Esto puede ocasionar una sobre-corriente relativamente grande que puede dañar al inversor 8, el cual ya está en el sistema y formado en isla con la carga 10.
Para atender estas preocupaciones, IEEE 1547 (Estándar para Interconectar Recursos Distribuidos y Sistemas de Energía Eléctrica) se desarrolló para inversores de interconexión de compañía de suministro eléctrico. Este estándar fue adoptado por Underwriters Laboratories como UL 1741 (Inversores, Convertidores, Controladores y Equipo de Sistema de Interconexión para Uso con Recursos de Energía Distribuida) . Al atender el problema de formación de islas, estos estándares requieren que el inversor sea capaz de detectar la pérdida de la red y desconectarse dentro de un tiempo prescrito mediante emplear un circuito resonante conectado en paralelo con la carga como se define por los estándares .
Con referencia a la figura 2, un circuito de prueba (resonante) IEEE 14 para verificar una función de control anti-formación de islas de un inversor conectado a red convencional 16
se muestra. El inversor de prueba 16 está conectado eléctricamente con el circuito resonante 14 incluyendo componentes reactivos 18, 20 dimensionados a 250% (K*2.5) de la carga 21 (K) en una isla formada cuando el disyuntor de circuito o la desconexión 22 se abren. La salida del inversor 16 y los componentes reactivos 18, 20 se ajustan para crear una isla en, por ejemplo, 60 Hz cuando la función de control anti-formación de islas del inversor 16 está inhabilitada. Durante la prueba anti- formación de islas, el disyuntor de circuito o desconexión 22 del extremo de compañía de suministro eléctrico se abre y el tiempo para abrir al dispositivo de contactos del inversor 24 y cesar de dar energía a la carga 21 se toma. El inversor 16 cumple con IEEE 1547 si cesa de exportar energía dentro de dos segundos de abrir al disyuntor de circuito o desconexión 22. Después de la falla de red, el circuito resonante 14 no permitirá que el voltaje y la frecuencia de salida del inversor 16 se deriven. Por ende, el inversor 16 debe tener una función de control anti-formación de islas adecuada para detectar la condición de formación de islas.
Es conocido que la red tiene una impedancia específica y mediante inyectar una señal, la cual no está a la frecuencia de red, hacia una interconexión de red y mediante mirar por pérdida de esa señal, una condición de formación de islas puede detectarse. La patente US 6,603,290, por ejemplo, divulga detectar la ocurrencia de una condición de formación de islas en la conexión eléctrica de una fuente de generación de energía distribuida a un
sistema de energía eléctrica o compañía de suministro eléctrico. Una señal de voltaje o corriente se inyecta hacia el sistema, y la impedancia de sistema resultante se determina. La determinación resultante se usa como un indicador de la condición de formación de islas.
IEEE 1547 no atiende una situación común en años recientes donde hay una pluralidad de inversores 26, 28, 30 conectados eléctricamente a una compañía de suministro eléctrico 32 en un sitio de generación como se muestra en la figura 3. Sin embargo, cada uno de los inversores 26, 28, 30 pueden afectar la detección de islas por los otros inversores, lo cual puede afectar de manera adversa la operación de funciones de control anti-formación de islas y seguridad relacionada.
Inversores convencionales conocidos normalmente operan a un factor de energía de 1.0 mediante asegurarse que energía reactiva inyectada hacia la red es cero en todos los niveles de energía de salida de inversor. Cuando el factor de energía se ajusta por factor de energía unitaria, las condiciones resonantes del circuito resonante 14 (figura 2) no se perturban durante una condición de formación de islas. Mas aun, dado que el requerimiento de tiempo de disparo de IEEE 1547 es dos segundos a partir del tiempo en que la compañía de suministro eléctrico se pierde, la carga podría potencialmente ver un suministro de energía de calidad relativamente muy pobre mientras que la función de control anti-formación de islas está determinado el estado. En
otras palabras, condiciones de carga anormales no se controlan.
Compendio
Estas necesidades y otras se cumplen por formas de realización del concepto divulgado, las cuales proporcionan un método para generar una condición anormal segura en una isla en respuesta a una falla de red mediante emplear inyección de energía reactiva controlada para cada uno de un número de inversores .
El concepto divulgado puede atender el desempeño de calidad de carga, por ejemplo, mediante emplear un relevador de protección externo e independiente para detectar un número de condiciones anormales (v.gr., configuraciones de disparo de frecuencia; configuraciones de disparo de voltaje) y para en respuesta desconectar el número de inversores. Por ejemplo y sin limitación, la condición anormal segura puede generarse mediante limitar y controlar la frecuencia de salida del inversor durante una falla de red a 59 Hz, o mediante limitar y controlar el voltaje de salida de inversor para no exceder 110% de voltaje nominal. Por ejemplo, tal una condición anormal segura puede detectarse mediante emplear un relevador de protección externa para detectar sub-frecuencia, lo cual indica la presencia de una isla .
La detección puede mejorarse, por ejemplo, mediante usar mas de un parámetro (v.gr., sin limitación, sub-frecuencia; sobre-frecuencia; sub-voltaj e ; sobre-voltaje) dentro del
relevador de protección además de detectar un cambio de frecuencia por un controlador de inversor. Por ejemplo, en sitios donde la inductancia de línea es relativamente alta y condiciones resonantes no existen, la inyección de corriente reactiva capacitiva (es decir, adelantando el voltaje) resultará en una condición de sobre-voltaje y el relevador de protección será capaz de detectar esta condición anormal.
De acuerdo con un aspecto del concepto divulgado, un método para detectar formación de islas es para un sistema de energía eléctrica de área incluyendo un número de inversores emitiendo un voltaje de corriente alternante incluyendo un voltaje y una frecuencia. El método comprende: emplear inyección de energía reactiva controlada por el número de inversores; y detectar formación de islas en respuesta a un número de cambios del voltaje y la frecuencia de la salida de voltaje de corriente alternante por el número de inversores .
El método puede además comprender proporcionar tal detección de formación de islas mediante detectar un número de una condición de sub- frecuencia, una condición de sobre-frecuen-cia, una condición de sub-voltaje, y una condición de sobre-voltaje de la salida de voltaje de corriente alternante por el número de inversores .
El método puede proporcionar tal detección de formación de islas mediante un relevador de protección externo al número de inversores.
El método puede detectar de manera independiente formación de islas mediante medir desviación de factor de energía de inversor de cada uno del número de inversores con un número de controladores de inversor.
El método puede además comprender de manera independiente detectar formación de islas mediante detectar una condición de sub- frecuencia o una condición de sobre-frecuencia de la salida de voltaje de corriente alternante por el número de inversores por un controlador de inversor de uno del número de inversores.
El método puede proporcionar tal detección de formación de islas externa a un controlador de inversor de uno del número de inversores .
El método puede además comprender proporcionar tal detección de formación de islas mediante detectar una condición de voltaje anormal o una condición de frecuencia anormal de la salida de voltaje de corriente alternante por el número de inversores con un relevador de protección; y en respuesta abrir un interruptor de circuito con el relevador de protección.
El método puede de manera independiente detectar formación de islas mediante detectar la condición de frecuencia anormal con un controlador de inversor de uno del número de inversores.
El método puede además comprender conmutar al número de inversores a partir de un modo de operación paralelo a red con un
raodo de operación de isla intencional.
Como otro aspecto del concepto divulgado, un sistema de energía eléctrica de área comprende: un número de fuentes de energía de corriente directa; un número de inversores asociados operativamente con el número de fuentes de energía de corriente directa, cada uno del número de inversores estando estructurado para proporcionar energía real e inyección de energía reactiva controlada para detectar formación de islas; una salida energiza-da por el número de inversores; un número dé aparatos interrupto-res eléctricos estructurados para conectar eléctricamente al número de inversores a y desconectar eléctricamente al número de inversores de una red de compañía de suministro eléctrico; y un número de dispositivos estructurados para detectar formación de islas con respecto a la red de compañía de suministro eléctrico en respuesta a un número de cambios de frecuencia de corriente alternante o voltaje de la salida.
El uno del número de dispositivos puede ser un relevador de protección externo al número de inversores.
El número de cambios de frecuencia de corriente alternante o voltaje puede seleccionarse a partir del grupo que consiste en una condición de sub-frecuencia, una condición de sobre-frecuencia, una condición de sub-voltaje, y una condición de sobre-voltaje de la salida.
El número de dispositivos puede ser un relevador de protección externo a uno del número de inversores y un controla-
- io dor de inversor estructurado para controlar al uno del número de inversores; y el controlador de inversor puede estructurarse además para detectar de manera independiente formación de islas mediante medir desviación de factor de energía de inversor del uno del número de inversores.
El uno del número de dispositivos puede ser un controlador de inversor estructurado para controlar uno del número de inversores; y el controlador de inversor puede además estructurarse para detectar formación de islas mediante medir desviación de factor de energía de inversor del uno del número de inversores .
Breve Descripción de los Dibujos
Un entendimiento completo del concepto divulgado puede obtenerse a partir de la siguiente descripción detallada de las formas de realización preferidas cuando se lee en conjunto con los dibujos acompañantes en los cuales:
La figura 1 es un diagrama de bloques de un sistema de compañía de suministro eléctrico e inversor incluyendo una isla.
La figura 2 es un diagrama de bloques de un circuito de prueba anti-formación de islas para un sistema de inversor.
La figura 3 es un diagrama de bloques de un sistema de compañía de suministro eléctrico e inversor que incluye una pluralidad de inversores energizados por arreglos fotovoltaicos (PV) .
La figura 4 es un diagrama de bloques de un sistema de
energía eléctrica de área incluyendo un sistema de inversor de acuerdo con formas de realización del concepto divulgado.
La figura 5 es un diagrama de vector mostrando vectores de voltaje y corriente de acuerdo con formas de realización del concepto divulgado.
Las figuras 6 y 7 son diagramas de bloque de otros sistemas de compañía de suministro eléctrico e inversor incluyendo una pluralidad de inversores de acuerdo con otras formas de realización del concepto divulgado.
La figura 8 es un diagrama de bloques de un sistema de inversor incluyendo una carga local de acuerdo con otra forma de realización del concepto divulgado.
La figura 9 es un diagrama de bloques mostrando controles para el sistema de inversor de la figura 4.
Descripción de las Formas de Realización Preferidas
Como se emplea en la presente, el término "número" deberá significar uno o un entero mayor que uno (es decir, una pluralidad) .
Como se emplea en la presente, el término "procesador" significa un dispositivo analógico y/o digital programable que puede almacenar, recuperar, y procesar datos; un computador; una estación de trabajo; un computador personal; un micro-procesador; un micro-controlador ; un micro-computador; una unidad de procesamiento central; un computador central; un mini -computador; un servidor; un procesador en red; o cualquier dispositivo o
aparato de procesamiento adecuado .
Como se emplea en la presente, el término "inversor" significa un aparato o dispositivo que convierte energía eléctrica a partir de una forma de corriente directa a una forma de corriente alternante.
Con referencia a la figura 4, un sistema de inversor 31 de ejemplo empleado, por ejemplo y sin limitación, para energía alternativa y/o almacenamiento de energía se muestra como parte de un sistema de energía eléctrica de área 32 de ejemplo. El sistema de energía eléctrica de área 32 de ejemplo incluye un número (v.gr., sin limitación, uno se muestra en la figura 4) de fuentes de energía de corriente directa 34, un número (v.gr., sin limitación, uno se muestra en la figura 4) de inversores 36 asociados operativamente con el número de fuentes de energía de corriente directa 34, una salida 38 energizada por el número de inversores 36, un número de aparatos interruptores eléctricos 48 (v.gr., sin limitación, un número de dispositivos de contactos, uno se muestra en la figura 4) estructurados para conectar eléctricamente al número de inversores 36 a y desconectar eléctricamente al número de inversores 36 de una red de compañía de suministro eléctrico 42, y un número de dispositivos 44, 46 (v.gr., un relevador de protección 44; un controlador de inversor 46) estructurado para detectar formación de islas con respecto a la red de compañía de suministro eléctrico 42 en respuesta a un número de cambios de frecuencia de corriente alternante o voltaje
de la salida 38.
Como será descrito, cada uno del número de inversores 36 se estructura para proporcionar energía real e inyección de energía reactiva controlada en combinación con detectar formación de islas para el sistema de energía eléctrica de área 32. El número de inversores 36 emiten un voltaje de corriente alternante a la salida 38 incluyendo un voltaje y una frecuencia, como es convencional. De acuerdo con el concepto divulgado, los inversores 36 emplean inyección de energía reactiva controlada y uno o ambos de los dispositivos 44 y/o 46 detectan formación de islas en respuesta a un número de cambios del voltaje y la frecuencia de la salida de voltaje de corriente alternante por el número de inversores 36.
Ejemplo 1
Como será descrito, formación de islas puede detectarse por los dispositivos 44 y/o 46 mediante detectar un número de una condición de sub-frecuencia, una condición de sobre- frecuencia, una condición de sub-voltaje, y una condición de sobre-voltaje de un voltaje de corriente alternante de la salida 38. Por ende, el número de cambios de frecuencia de corriente alternante o voltaje puede seleccionarse a partir del grupo que consiste en una condición de sub-frecuencia, una condición de sobre- frecuencia, una condición de sub-voltaje, y una condición de sobre-voltaje de un voltaje de corriente alternante de la salida 38.
Ejemplo 2
Además del ejemplo 1, formación de islas puede detectarse por el relevador de protección 44, el cual es externo al número de inversores 36. Por ejemplo, el relevador de protección 44 puede ser un relevador de protección, de grado de compañía de suministro eléctrico, convencional en el sistema de inversor 31, el cual monitoriza al voltaje de corriente alternante (v.gr., voltaje y/s frecuencia) de la salida 38. Un interruptor de circuito, tal como dispositivo de contactos Kl 48, conecta eléctricamente y desconecta eléctricamente al inversor de ejemplo 36 a o desde la compañía de suministro eléctrico 42 y se controla, por ejemplo, por el relevador de protección 44, como será descrito. Un transformador potencial separado 49 también proporciona una referencia de voltaje de compañía de suministro eléctrico 50 al controlador de inversor 46.
El relevador de protección 44 monitoriza al voltaje de red de compañía de suministro eléctrico (aunque un dibujo de línea de una sola fase para una fase se muestra, se apreciará que el concepto divulgado puede aplicarse a sistemas de energía eléctrica de área e inversores teniendo un número adecuado de fases, tales como, por ejemplo y sin limitación, uno a tres), y puede proteger una carga (no mostrada) mediante detectar cualquier condición anormal (v.gr., voltajes anormales; frecuencias anormales) en la red 42. Por ejemplo, si la detección de sub- frecuencia de red se fija en 59.7 Hz, entonces el relevador de protección 44 detectará si la frecuencia de red cae por debajo
de esta frecuencia. Por ejemplo, el relevador de protección 44 puede detectar de manera precisa y de manera confiable sub-frecuencia a través de, por ejemplo, algoritmos de detección robustos y hardware diseñado para ambientes severos . En la forma de realización de ejemplo, el relevador de protección 44 detecta las condiciones anormales del sistema con formación de islas que incluye al inversor 36 y cualquier carga local (no mostrada) . El relevador de protección 44, solo, no puede detectar una condición de isla en un circuito de prueba (resonante) como el mostrado en la figura 2, dado que el valor de punto fijo de detección de sub-frecuencia de ejemplo (v.gr., sin limitación, 59.7 Hz ; 59.3 Hz para inversores relativamente mas pequeños por debajo de 30 k por IEEE 1547 y UL 1741; cualquier frecuencia adecuada) no se alcanzará pues el circuito de prueba resuena a, por ejemplo y sin limitación, 60 Hz tal que sub-frecuencia no ocurrirá. Lo mismo es verdad del valor de punto fijo de detección de sobre-frecuencia, el valor de punto fijo de detección de sub-voltaje y el valor de punto fijo de detección de sobre-voltaje (v.gr., sin limitación, punto fijo de sobre-frecuencia 60.5 Hz; punto fijo de sub-voltaje 88% del voltaje nominal; punto fijo de sobre-voltaje 106% del voltaje nominal) .
Un ejemplo no limitativo del relevador de protección 44 es un Intertie/Generator Protection Relay M-3410A Integrated Protection System comercializado por Beckwith Electric Co., Inc. de Largo, Florida.
Ejemplo 3
Cuando el inversor 36, a través de controles adecuados como será descrito mas adelante, cambia la frecuencia de la isla a un valor por fuera del rango de los valores de punto fijo de detección de sobre- frecuencia y sub- frecuencia del relevador de protección, el relevador de protección 44 detecta esa condición y abre al dispositivo de contactos Kl 48 mediante abrir la salida de relevador KA 52, como se muestra en la figura 9. Opcionalmen-te, el controlador de inversor 46 puede usar esta información y abrir al dispositivo de contactos Kl 48 independientemente mediante abrir la salida de relevador KB 53. Abrir cualquiera de las salidas de relevador KA 52 y/o KB 53 abre la conexión de red mediante abrir energía de control a la espira de dispositivo de contactos Kl 54. En la misma instancia, el controlador de inversor 46, el cual conoce el estado del dispositivo de contactos Kl 48 a través del contacto de retro-alimentación 55 y entrada 56, puede ocasionar que el inversor 36 detenga conmutación para cesar de exportar energía hacia la conexión de red. Ejemplo 4
El controlador de inversor 46, el cual se estructura para controlar uno del número de inversores 36, puede estructurarse además, como será descrito, para detectar formación de islas mediante medir desviación de factor de energía de inversor del uno del número de inversores 36.
Ejemplo 5
De preferencia, en un enfoque relativamente mas robusto como se muestra en la figura 9, ambos del relevador de protección 44 y el controlador de inversor 46 pueden detectar formación de islas. El controlador de inversor 46 puede detectar cambios de frecuencia y una falta de control sobre el factor de energía. La función de inyección de energía reactiva de ejemplo 58 del controlador de inversor 46 se fija para saturarse en, por ejemplo y sin limitación, 59 Hz después de que la red 42 está ausente (v.gr., sin limitación, cuando el aparato interruptor eléctrico 40 (v.gr., desconexión) se abre). El controlador de inversor 46 cambia de un modo de control de energía reactiva a un modo de control de frecuencia después de que la frecuencia alcanza la frecuencia de 59 Hz de ejemplo. Cuando la frecuencia permanece en la frecuencia de 59 Hz de ejemplo, el ángulo de fase entre la corriente de salida adelantando de inversor de ejemplo y el voltaje de salida de inversor se incrementa y depende de la carga (no mostrada) . Esto también se puede considerar como siendo el factor de energía del inversor 36. Esta condición es mas frecuentemente el caso cuando el circuito resonante (v.gr., sin limitación, el circuito de prueba (resonante) 14 de la figura 2) está ausente. Cuando el circuito resonante 14 está ausente, las condiciones anormales se alcanzan relativamente mas rápido y los requerimientos anti- formación de islas aun se cumplen.
Además del relevador de protección 44, el controlador de inversor 46 incluye una función de medición de frecuencia
interna, la cual limita la excursión de frecuencia a 59 Hz . Como será descrito, el controlador de inversor 46 rastrea el ángulo de fase y, por ende, la frecuencia del voltaje de la salida 38. El controlador de inversor 46 puede ocasionar una condición de sub-frecuencia mediante inyectar la corriente reactiva (capacitiva) correcta. Esto también ocasiona una condición de sobre-voltaje, la cual puede detectarse de manera independiente. El controlador de inversor 46 de manera independiente usa esta condición de sub-frecuencia para abrir la salida de relevador KB 53 (figura 9) , la cual abre la conexión de red mediante abrir la energía de control a la espira de dispositivo de contactos Kl 54 y mediante detener la exportación de energía hacia la red 42. Por ende, como se describió anteriormente, el controlador de inversor 46, así como el relevador de protección 44, puede abrir al dispositivo de contactos Kl 48.
Dado que el circuito resonante del circuito de prueba anti- formación de islas 14 de la figura 2 no permite que el voltaje de salida de inversor y la frecuencia se deriven, no hay necesidad de generar dentro del controlador de inversor 46 una condición que forzará la salida 60 del inversor 36 para moverse fuera de las condiciones de voltaje y frecuencia de compañía de suministro eléctrico normales. En la figura 4, de acuerdo con aspectos del concepto divulgado, el inversor 36 ventajosamente opera a un factor de energía diferente al unitario, el cual es diferente que inversores conocidos . Cuando la compañía de
suministro eléctrico 42 está presente, la energía reactiva emitida por el inversor 36 cumple algunas de las necesidades de energía reactiva de la compañía de suministro eléctrico 42. Las corrientes real y reactiva emitidas por el inversor 36 están en un ángulo de fase de 90° siempre y cuando la red 42 está presente. Cuando una condición de isla se forma mediante abrir al aparato interruptor eléctrico 40 en el punto de conexión de compañía de suministro eléctrico, la corriente reactiva no tiene lugar para circular. Para acomodar la energía reactiva, la frecuencia del inversor 36, y con ella la impedancia de carga (v.gr., la impedancia de los elementos de carga reactivos, capacitancia y/o inductancia, que son una función de frecuencia) , cambian para cumplir con la salida de energía real y reactiva del inversor 36. Este comportamiento de la salida de inversor 60, ocasionada por la función de inyección de energía reactiva 58, resulta en un cambio de frecuencia, el cual se detecta por el relevador de protección 44 y, opcionalmente , por el controlador de inversor 46. A su vez, el relevador de protección 44 (y/o el controlador de inversor 46) abren al dispositivo de contactos Kl 48 y el inversor 36 se desconecta de manera segura y/o "apaga" para cesar exportación de corriente hacia la red 42.
En una manera similar, si un banco capacitivo (no mostrado) (a diferencia del circuito de prueba anti- formación de islas 14 de la figura 2) se instala relativamente cercano al inversor 36, entonces una condición de sub-voltaje ocurrirá
cuando haya una falla de red.
Un controlador de inversor convencional ocasiona que el voltaje de red de tres fases medido sea igualado por el voltaje de salida de inversor (v.gr., Van) en la figura 5, y obtiene energía real deseada mediante controlar la fase entre el voltaje ordenado por el inversor y el voltaje de red medido, y mediante inyectar tanto corriente real (Ir) y corriente reactiva (Ix) . Por ende, inversores convencionales normalmente operan a un factor de energía constante de 1.0 con energía reactiva hacia la red siendo cero en todos los niveles de energía de salida.
De acuerdo con aspectos del concepto divulgado, la magnitud de la corriente reactiva (Ix) es continuamente manejada mediante continuamente ajustar la magnitud de la corriente reactiva por la función de inyección de energía reactiva 58 del controlador de inversor 46 para ocasionar que el inversor 36 mantenga ventajosamente un factor de energía adelantándose (v.gr., sin limitación, alrededor de 0.98 a alrededor 0.99) en la conexión de red. La función de inyección de energía reactiva del controlador de inversor 58 determina la magnitud deseada de corriente reactiva (Ix) con base en la salida de energía real. Cuando la red 42 está presente, el voltaje de salida de inversor sigue la frecuencia y fase del voltaje de red, mientras que la corriente de salida de inversor (Ia) se cambia de fase como se muestra en la figura 5 (v.gr., con la corriente de salida de inversor (Ia) 62 adelantando al voltaje de salida de inversor
(Van) 64) . El factor de energía adelantándose de ejemplo se mantiene en todos los niveles de energía de salida mediante tener cos0=constante, donde ø es el ángulo constante entre la corriente de salida de inversor (la) 62 y la corriente real inyectada (Ir) 66.
Por ejemplo, el controlador de inversor 46 (figura 4) puede emplear una operación de modo corriente donde magnitud y fase de la corriente de salida de inversor (Ia) 62 se controlan. Alternativamente, el controlador de inversor 46 puede ajustar al voltaje de salida de inversor (Van) 64 para inyectar energía y frecuencia reactivas para ajustar energía real. Cualquiera de estos pueden emplearse para inyectar la cantidad deseada y el tipo de corriente reactiva (Ix) 68.
Alternativamente, un factor de energía retrasándose (v.gr., sin limitación, alrededor de -0.98 a alrededor de -0.99) puede emplearse, tal que la frecuencia de salida se incrementa y los dispositivos 44 y/o 46 detectan formación de islas en sobre-frecuencia y/o sub-voltaje.
Ejemplo 6
Se apreciará que sistemas de energía incluyendo inversores plurales 36 y controladores de inversor correspondientes plurales 46 pueden de manera independiente detectar formación de islas mediante medir desviación de factor de energía de inversor de los inversores 36 con los controladores de inversor correspondientes 46.
Ejemplo 7
Similar al ejemplo 6, los controladores de inversor correspondientes plurales 46 pueden de manera independiente detectar formación de islas mediante detectar una condición de frecuencia anormal de la referencia de voltaje de compañía de suministro eléctrico 50.
Ejemplo 8
La condición de frecuencia anormal del ejemplo 7 puede ser una condición de sub- frecuencia o una condición de sobre-frecuencia del voltaje de corriente alternante de la salida 38. Ejemplo 9
El relevador de protección 44 proporciona detección de formación de islas externa al controlador de inversor 46, el cual incluye la función de inyección de energía reactiva divulgada 58. Ejemplo 10
Aunque un inversor 36 se muestra en la figura 4, como se muestra en la figura 6, una pluralidad de inversores 36' puede emplearse. El sistema de energía eléctrica de área correspondiente 32' puede ser, por ejemplo y sin limitación, una granja solar o una granja de viento.
Ejemplo 11
Un tanto similar al ejemplo 10, la pluralidad de inversores 36' del sistema de energía eléctrica de área 32" de la figura 7 pueden conectarse eléctricamente en un transformador común 62, el cual puede selectivamente conectarse eléctricamente
a la red de compañía de suministro eléctrico 42 por un aparato interruptor eléctrico 40', el cual se controla por un solo relevador de protección 441. De preferencia, los controladores de inversor plurales 46' se comunican a través de un canal de comunicaciones o una red de comunicaciones adecuados 70, tal que cualquiera del un solo relevador de protección 44 ' de parte de los inversores correspondientes 36' puede detectar una condición de formación de islas y asilar al conjunto de inversores 36' que podrían formar, por ejemplo, una granja solar o una granja de viento. Este método para controlar el aparato interruptor eléctrico 40' también se emplea cuando el transformador 62 es un transformador de escalonamiento que escalona al voltaje de inversor, por ejemplo, con voltaje medio.
Ejemplo 12
La función de inyección de energía reactiva divulgada 58 del controlador de inversor 46 de la figura 4 puede emplearse sobre el rango de energía completo del valor nominal del inversor 36.
Ejemplo 13
El inversor 36 de la figura 4 puede ser, por ejemplo y sin limitación, un inversor de 250 kW formado por dos inversores de 125 kW en paralelo, aunque cualquier número de inversores adecuado 36 teniendo un rango amplio de salidas de energía puede emplearse .
En las figuras 6 y 7, por ejemplo, la magnitud de la
corriente reactiva (Ix) 68 (figura 5) se controla a partir de cada inversor 36' en la red 42 (figura 6) o en el transformador 62 (figura 7) . Este control, el cual controla el ángulo de fase ø de la corriente de salida de inversor (Ia) 62 (figura 5) en cada uno de los inversores plurales 36', es provisto con ganancias relativamente altas y ocasiona que la frecuencia cambie después de que se crea una isla. Como se muestra en la figura 6, cuando múltiples inversores 36' (v.gr., sin limitación, para un arreglo PV relativamente grande; en un edificio) se conectan a la compañía de suministro eléctrico 42 en el mismo punto, todos los inversores 36' ajustan el factor de energía en la misma dirección (v.gr., un factor de energía adelantándose; un factor de energía retrasándose) . Sin embargo, cuando la red 42 está ausente, la energía reactiva configura un cambio de fase en la carga (no mostrada) , la cual cambia la frecuencia y el voltaje de salida del inversor. Este cambio en frecuencia y voltaje se acumula relativamente de manera rápida y los relevadores de protección externos 44, 44' detectan una sub- frecuencia (alternativamente, una sobre- frecuencia) . La energía reactiva está siempre en una dirección tal que la sub- frecuencia (alternativamente, una sobre-frecuencia) se detecte por los relevadores de protección externos 44, 441.
De preferencia, a diferencia del controlador de inversor (no mostrado) de los inversores 8, 16, 26, 28, 30 de las figuras 1-3, los controladores de inversor 46, 46' de las figuras
4, 6, y 7 se estructuran para medir continuamente el factor de energía de inversor, el cual se relaciona con el ángulo de fase ø entre la corriente de salida de inversor (la) 62 que adelanta (alternativamente, se retrasa) al voltaje de salida de inversor (Van) 64 de la figura 5. En una falla de red, la sub- frecuencia de ejemplo detectada por el relevador de protección externo 44, 44' y el ángulo de fase medido del controlador de inversor 46, 46' se emplean para detectar la condición de isla. En respuesta, el dispositivo de contactos Kl 48 se abre, y el controlador de inversor 46, 46' detiene la conmutación y cesa de exportar energía hacia la red 42.
Por ejemplo, en las figuras 6 y 7, los múltiples inversores 36' impulsan la frecuencia relativamente mas rápido dado que la energía reactiva siendo inyectada en el punto de conexión de la red es la suma de las corrientes reactivas provistas por cada inversor 36'. Por ende, los sistemas de energía eléctrica de área 32', 32" pueden permitir acumulativamente detección de una isla.
Ejemplo 14
El concepto divulgado puede también ventajosamente ser empleado para cambiar un número de inversores de un modo de operación en paralelo de red a un modo de operación de isla intencional. Como se muestra en la figura 8, un sistema de energía eléctrica de área 32"' es similar al sistema de energía eléctrica de área 32 de la figura 4. Aquí, el controlador de
inversor de ejemplo 46" puede emplearse en aplicaciones donde una carga local 72 es provista y el inversor 36" opera en un "modo de isla intencional". Por ejemplo, la detección de una isla y desconexión del inversor 36" de la red 42 es un modo operativo. Después de desconectar de la red 42, el inversor 36" puede ya sea pararse y quedarse inactivo o transferirse a una "isla intencional" . El controlador de inversor de ejemplo 46" fuerza al inversor 36" a una sub-frecuencia de ejemplo y entonces trata de controlar al inversor 36" en, por ejemplo, 59 Hz mientras está siendo desconectado de la red 42. Esto habilita al inversor 36" a cambiar del modo de operación de red en paralelo a un modo de operación intencional de isla que es deseado en algunas aplicaciones. Inversores convencionales conocidos no se mueven a una "isla intencional" .
Aunque un inversor 36" y un controlador de inversor 46" se muestran en la figura 8, se apreciará que inversores plurales 36" y controladores de inversor plurales 46" pueden emplearse como se discutió anteriormente en conexión con las figuras 6 y 7.
La fuente de energía de corriente directa de ejemplo 34 puede ser cualquier fuente de energía de DC adecuada, tal como por ejemplo y sin limitación, una fuente de energía fotovoltaica (PV) .
Aunque fuentes de energía fotovoltaicas (PV) para inversores de DC a AC, tales como 36, 36', 36", se contemplan, otras fuentes de energía de DC adecuadas podrían emplearse
(v.gr., sin limitación, un dispositivo de almacenamiento de energía de DC; una batería; varias diferentes tecnologías de batería; un capacitor de doble capa eléctrico; un super-capaci-tor; un capacitor de doble capa electroquímico (EDLC) ; un ultra-capacitor; una celda de combustible; una turbina de viento (v.gr., de alta frecuencia) con salida de DC) . Las fuentes de energía de DC pueden ser una combinación de fuentes de almacenamiento de energía y de energía renovable o fuentes a base de energía no renovable tales como celdas de combustible.
Aunque inversores de DC a AC, tales como 36, 36', 36", se contemplan, otras fuentes de AC podrían emplearse. Por ejemplo, un convertidor u otro aparato o dispositivo que convierte energía eléctrica en una primera dirección de una forma de DC a una forma de AC (v.gr., sin limitación, funcionando como un inversor energizado a partir de un dispositivo de almacenamiento de energía de DC) , y/o que convierte energía eléctrica en una segunda dirección opuesta de una forma de AC a una forma de DC (v.gr., sin limitación, funcionando como un rectificador activo para cargar un dispositivo de almacenamiento de energía de DC) acoplado con un segundo inversor de DC a AC. Todos tales convertidores o tales otros aparatos o dispositivos deberán abarcarse en la presente por el término "inversor" .
El concepto divulgado, el cual puede emplear al relevador de protección 44, no necesita emplear el mismo controlador de inversor, tal como 46, que generó una condición
anormal para también detectar la condición anormal, lo cual es una mejora sobre métodos y sistemas conocidos. La inyección de energía reactiva controlada divulgada permite, por ejemplo, que un relevador de protección de equipo de compañía de suministro de energía estándar sea usado para detectar una isla.
El concepto divulgado puede proporcionar detección robusta de una falla de red y proporcionar anti- formación de islas mediante emplear tanto frecuencia medida y factor de energía de inversor para detectar una falla de red.
El concepto divulgado no perturba la frecuencia de inversor durante operación en paralelo de red. Este enfoque mantiene los armónicos de corriente de línea normales y no perturba la operación normal del inversor 36. Por ejemplo, para inversores relativamente grandes (v.gr., sin limitación, 500 kW; 1 MW) , esto proporciona operación mas estable que técnicas de excitación de frecuencia conocidas que pueden afectar al sistema de distribución. Tales técnicas de excitación de frecuencia continuamente perturban un inversor mediante periódicamente introducir una derivación en la frecuencia de inversor y buscar por una respuesta. En redes relativamente débiles, esto puede resultar en armónicos de voltaje anormales. Por ejemplo, aunque diseños tempranos de inversores con funciones anti- formación de islas estuvieron en niveles de energía relativamente bajos de hasta 125 kW, excitar la frecuencia de un inversor de 500 kW puede ocasionar perturbaciones en líneas de energía.
El concepto divulgado reduce o elimina errores en la detección que pueden surgir de dos o mas inversores 36' (v.gr., como se muestra en las figuras 6 y 7) operando en un transformador común 62 (v.gr., como se muestra en la figura 7) . Por ejemplo, en la figura 3, cuando la detección de formación de islas es aleatoria (excitación de fase o frecuencia) , un inversor 26 a partir de un fabricante puede proporcionar un factor de energía adelantado no controlado y un diferente inversor 28 de un fabricante diferente puede proporcionar un factor de energía retrasado no controlado; la suma de las salidas de los dos diferentes inversores 26, 28 puede concordar con la carga local y estos dos diferentes inversores pueden continuar operando a alrededor de 60 Hz con un inversor soportando al otro inversor aun después de que la red está ausente. Por ende, esto afecta el desempeño anti- formación de islas de inversores plurales 26, 28, 30 en el mismo punto de conexión. También, cuando técnicas de inyección de señales previas se emplean que inyectan una señal y buscan por pérdida de esa señal, un inversor puede comportarse como una red al otro y el método de detección de formación de islas correspondiente puede fallar.
El concepto divulgado puede emplearse en conexión con una pluralidad de inversores 36' operando en paralelo (v.gr., sin limitación, una granja solar; una granja de viento) para formar un sistema de generación de energía distribuido.
Aunque formas de realización específicas del concepto
divulgado han sido descritas en detalle, se apreciará por los técnicos en la materia que varias modificaciones y alternativas a esos detalles podrían desarrollarse a la luz de las enseñanzas globales de la divulgación. De manera acorde, los arreglos particulares divulgados tienen la intención de ser ilustrativos solamente y no limitativos respecto del alcance del concepto divulgado al cual serán dada la amplitud completa de las reivindicaciones anexas y cualquiera y todos los equivalentes de las mismas.
Claims (25)
1. Un método para detectar formación de islas de un sistema de energía eléctrica de área (32) que incluye un número de inversores (36) emitiendo un voltaje de corriente alternante incluyendo un voltaje y una frecuencia, el método comprendiendo: emplear inyección de energía reactiva controlada (58) por el número de inversores ; y detectar (44; 46) formación de islas en respuesta a un número de cambios del voltaje y la frecuencia de la salida de voltaje de corriente alternante por el número de inversores.
2. El método de la reivindicación 1, comprendiendo además : proporcionar dicha detección de formación de islas mediante detectar un número de una condición de sub- frecuencia, una condición de sobre-frecuencia, una condición de sub-voltaje, y una condición de sobre-voltaje de la salida de voltaje de corriente alternante por el número de inversores .
3. El método de la reivindicación 1, comprendiendo además : proporcionar dicha detección de formación de islas por un relevador de protección (44) externo a dicho número de inversores .
4. El método de la reivindicación 3, comprendiendo además : detectar de manera independiente formación de islas mediante medir desviación de factor de energía de inversor de cada uno del número de inversores con un número de controladores de inversor (46) .
5. El método de la reivindicación 3, comprendiendo además : detectar de manera independiente formación de islas mediante detectar una condición de sub-frecuencia o una condición de sobre-frecuencia de la salida de voltaje de corriente alternante por el número de inversores por un controlador de inversor (46) de uno de dicho número de inversores.
6. El método de la reivindicación 1, comprendiendo además : proporcionar (44) dicha detección de formación de islas externa a un controlador de inversor de uno de dicho número de inversores .
7. El método de la reivindicación 1, comprendiendo además : emplear una granja solar o una granja de viento (32'; 32") como dicho sistema de energía eléctrica de área.
8. El método de la reivindicación 1, comprendiendo además : emplear un inversor (36) como dicho número de inversores .
9. El método de la reivindicación 1, comprendiendo además : eraplear una pluralidad de inversores (36') conectados eléctricamente en un transformador común (62) como dicho número de inversores .
10. El método de la reivindicación 9, comprendiendo además : emplear una granja solar o una granja de viento (32") como dicho sistema de energía eléctrica de área.
11. El método de la reivindicación 1, comprendiendo además : proporcionar dicha detección de formación de islas mediante detectar una condición de voltaje anormal o una condición de frecuencia anormal de la salida de voltaje de corriente alternante por el número de inversores con un relevador de protección (44) ; y en respuesta abrir un interruptor de circuito (48) con dicho relevador de protección.
12. El método de la reivindicación 11, comprendiendo además : detectar de maner independiente formación de islas mediante detectar la condición de frecuencia anormal con un controlador de inversor (46) de uno de dicho número de inversores .
13. El método de la reivindicación 1, comprendiendo además : emplear dicha detección de formación de islas (46) sobre un rango completo de niveles de energía del valor nominal de dicho número de inversores .
14. El método de la reivindicación 1, comprendiendo además : emplear como dicho sistema de energía eléctrica de área un sistema de energía eléctrica de área (32"') que comprende un número de fuentes de energía fotovoltaicas (34) , dicho número de inversores (36") y una carga local (72).
15. El método de la reivindicación 1, comprendiendo además : conmutar (46") el número de inversores de un modo de operación en paralelo de red a un modo de operación de isla intencional .
16. El método de la reivindicación 1, comprendiendo además : controlar (58) el número de inversores para mantener un factor de energía adelantado en una conexión de red de compañía de suministro de energía como dicho emplear inyección de energía reactiva controlada.
17. Un sistema de energía eléctrica de área (32; 32'; 32"; 32"') que comprende: un número de fuentes de energía de corriente directa (34) ; un número de inversores (36) asociados operativamente con el número de fuentes de energía de corriente directa, cada uno de dicho número de inversores estando estructurados (58) para proporcionar energía real e inyección de energía reactiva controlada para detectar formación de islas; una salida (38) energizada por dicho número de inversores ; un número de aparatos interruptores eléctricos (48) estructurados para conectar eléctricamente al número de inversores y para desconectar eléctricamente al número de inversores de la red de suministro de energía eléctrica (42) ; y un número de dispositivos (44; 46) estructurados para detectar formación de islas con respecto a la red de suministro de energía eléctrica en respuesta a un número de cambios de frecuencia de corriente alternante o voltaje de la salida.
18. El sistema de energía eléctrica de área (32; 32'; 32"; 32"') de la reivindicación 17, donde uno del número de dispositivos es un relevador de protección (44) externo a dicho número de inversores.
19. El sistema de energía eléctrica de área (32; 32'; 32"; 32"') de la reivindicación 17, donde dicho número de cambios de frecuencia o voltaje de corriente alternante se seleccionan a partir del grupo que consiste en una condición de sub- frecuencia, una condición de sobre-frecuencia, una condición de sub-voltaje, y una condición de sobre-voltaje de la salida.
20. El sistema de energía eléctrica de área (32; 32'; 32"; 32"') de la reivindicación 17, donde el número de dispositi- vos es un relevador de protección (44) externo a uno de dicho número de inversores y un controlador de inversor (46) estructurado para controlar dicho uno de dicho número de inversores; y donde dicho controlador de inversor se estructura además para detectar de manera independiente formación de islas mediante medir desviación del factor de energía del inversor de dicho uno de dicho número de inversores .
21. El sistema de energía eléctrica de área (32; 32'; 32"; 32"') de la reivindicación 20, donde dicho relevador de protección se estructura para detectar formación de islas mediante detectar un número de una condición de sub-frecuencia, una condición de sobre-frecuencia, una condición de sub-voltaje, y una condición de sobre-voltaje de la salida.
22. El sistema de energía eléctrica de área (32; 32'; 32"; 32"') de la reivindicación 17, donde uno del número de dispositivos es un controlador de inversor (46) estructurado para controlar uno de dicho número de inversores; y donde dicho controlador de inversor se estructura además para detectar formación de islas mediante medir desviación del factor de energía de inversor del uno de dicho número de inversores.
23. El sistema de energía eléctrica de área (32"') de la reivindicación 22, donde dicho controlador de inversor (46") se estructura además para conmutar dicho uno de dicho número de inversores de un modo de operación en paralelo de red a un modo de operación de isla intencional.
24. El sistema de energía eléctrica de área (32"') de la reivindicación 17, donde la salida energizada por dicho número de inversores se estructura para operación en paralelo con la red de compañía de suministro eléctrico; y donde el número de fuentes de energía de corriente directa se seleccionan a partir del grupo que consiste en almacenamiento de energía, fuentes de energía renovables, y fuentes de energía no renovables.
25. El sistema de energía eléctrica de área (32"') de la reivindicación 17, donde la salida energizada por dicho número de inversores se estructura para operación en una isla intencional cuando la red de compañía de suministro eléctrico no está presente; y donde el número de fuentes de energía de corriente directa se seleccionan a partir del grupo que consiste en almacenamiento de energía, fuentes de energía renovables, y fuentes de energía no renovables .
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