TÉCNICAS MODERNAS DE GENERACIÓN EÓLICA Y SUINTEGRACIÓN A LA RED ELÉCTRICA parte 2

Convertidores Control vectorial Modulación vectorial

Generador doblemente alimentado

Convertidores Electrónicos. Componentes Semiconductores de Potencia

VENTAJAS Transistores (BJT)

bipolares↑ Fácil de controlar

Transistores MOSFET

Transistores IGBT

↑ Bajas Per. conducción

INCONVENIENTES ↓ No soporta elevadas potencias

↑ Fácil de controlar

↓ Más caro que BJT

↑ Bajas Per. conmutación

↓ Altas Pér. conducción

↑ Fácil de controlar

↓ No soporta altas du/dt

↑ Bajas Per. conducción

↓ Max. 20 kHz

Generador doblemente alimentado

1

Convertidores Electrónicos. Componentes Semiconductores de Potencia

IGCT

Tiristores

Tiristor GTO

↑ Soporta altas u (6000V) , i (5000A)

↓ Precisa tensión inversa para apagarlo (c.p.r)

↑ Bajas Per. conducción

↓ Baja frec. operación

↑ Fácil de apagar

↓ Altas Pér. Conmutación

↑ Bajas Per. conducción: soporta altas u, i Tiristor IGCT

↑ Muy BAJAS Pérdidas por conmutación

↓ Más caro que IGBT

↑ Altas Pot. y frecuencias Generador doblemente alimentado

Convertidores Electrónicos.Topologías

Generador doblemente alimentado

2

Convertidores Electrónicos.Topologías Rectificador trifásico no controlado (Ls=0)

VENTAJAS

INCONVENIENTES ↓ Ningún grado de libertad

↑ Barato

factor de potencia fijo

↑ Sencillo

relación UAC/UDC fija ↓ Corriente distorsionada UDC=1,35.UL Generador doblemente alimentado

Convertidores Electrónicos .Topologías Rectificador trifásico controlado (Ls=0)

VENTAJAS

INCONVENIENTES

↑ Controlable

↓ Consume potencia reactiva

( relación UAC/UDC función del ángulo de conducción )

↓ Corriente distorsionada

↑ Trabaja en 2 cuadrantes UDC=1,35.UL cos α

( 6k ± 1 )

rectificador: α entre 0,90º, inversor: α entre 90º, 180º Generador doblemente alimentado

3

Convertidores Electrónicos .Topologías Rectificador trifásico totalmente controlado UL (V)

t(s)

VENTAJAS

INCONVENIENTES

↑ Control de f, amplitud y fase

↓ Más caro

↑ puede trabajar en los 4 cuadrantes ↑ Baja THD Generador doblemente alimentado

Convertidores Electrónicos.

Topologías conexión a Red Inversor conmutado por línea

Inversor autoconmutado

Generador doblemente alimentado

4

Convertidores Electrónicos.

Resumen

Convertidores Conmutados por línea

Convertidores Autoconmutados

• Basados en la tecnología de tiristores

• Basados en la tecnología de IGBT’s o IGCT’s

• Pobre factor de potencia

• Potencias de 100 MW y aumentando

• Elevada THD: grandes filtros

• 96-98 % de rendimiento

• Potencias de más de 10 MW

• Completamente controlados: pueden trabajar en los 4 cuadrantes

Generador doblemente alimentado

Convertidores Electrónicos .Topologías Convertidor trifásico totalmente controlado o Autoconmutado u, V i*10, A

i

↑ puede trabajar en los 4 cuadrantes t, ms

i

2 3 Inversor

1 Inversor u

fN

4 Cuadrante

1

2

3

4

Generador doblemente alimentado

5

Control de convertidores Electrónicos Inversor trifásico totalmente controlado

uA(t)

iA

A

uB(t)

B

N C

uC(t)

La onda adelantada impone el sentido de la transferencia de P El sentido de Q depende de la diferencia modular entre Ucon1 y U

Generador doblemente alimentado

Control de convertidores Electrónicos Inversor trifásico totalmente controlado (autoconmutado)

uA(t)

iA A

N

B C

ϕ I1A

En un sistema trifásico:

Ucon1AN

Fase A

j Xs IA

δ UA

3 ⋅ U Ucon1 ⋅ sen δ X 3 ⋅U = .( Ucon!⋅ cos δ − U ) X

P = Q

La onda adelantada impone el sentido de la transferencia de P El sentido de Q depende de la diferencia modular entre Ucon1 y U Generador doblemente alimentado

6

Justificación modelo dq del inversor ⎡u con a ⎤ ⎡ia ⎤ ⎢ ⎥ ⎢i ⎥ + L d u R = ⎢ con b ⎥ ⎢ b⎥ dt ⎢u con c ⎥ ⎢⎣ic ⎥⎦ ⎣ ⎦

⎡ia ⎤ ⎡u a ⎤ ⎢ i ⎥ + ⎢u ⎥ ⎢ b⎥ ⎢ b⎥ ⎢⎣ic ⎥⎦ ⎢u c ⎥ ⎣ ⎦

jX

R

ia(t) ib(t)

UDC

ua(t)

~

ub(t)

~

uc(t)

~ ucon a(t)

n

Convertidor trifásico en fuente de tensión

dId + wIq L dt dIq Uq =Uconq − R Iq − L − wId L dt

P=

3⋅ (Ud ⋅ Id ) 2

Q=

3⋅ (Ud ⋅ Iq ) 2

Ud =Ucond − R Id − L

Los ejes dq giran en sincronismo con el fasor de tensión de la red ... existe una proporción directa de la Q y la componente Iq

Generador doblemente alimentado

VECTOR ESPACIAL Transformadas de Clarke y Park: Objetivo : transformar unas variables de entrada dadas en un sistema de referencia trifásico abc que gira a una velocidad w a un sistema de referencia bifásico ortogonal dq como el que se indica en la figura :

b

q

uan = 2.U.coswt d

posición (θ)

ubn = 2.U.cos(wt − 2π / 3)

a c

ucn = 2.U.cos(wt + 2π / 3)

Generador doblemente alimentado

7

Definición De VECTOR ESPACIAL Un vector espacial describe una magnitud que evoluciona sinusoidalmente en el espacio.

⎛ r u αβ = k ⋅ ⎜⎜ u an + u bn e ⎝

k=

j

2π 3

+ u cn e

− j

2π 3

r u = valor máximo r u = valor eficaz

2 3 2 3 2 3

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

invarianza en la potencia

Generador doblemente alimentado

VECTOR ESPACIAL b

⎛ j r u αβ = 2 / 3 ⋅ ⎜ u an + u bn e ⎜ ⎝

2π 3

+ u cn e

−j

2π 3

β

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

α

a

c

r 1 3 1 3 uαβ = 2/3. ( uan + ubn .(- + j. ) + ucn . (- - j. )) 2 2 2 2 ⎛ ⎜1 ⎡u α ⎤ 2 ⎜ = ⎢uβ ⎥ ⎣ ⎦ 3 ⎜⎜ 0 ⎝

-1 2 3 2

- 1 ⎞ ⎡ u an ⎤ ⎟ 2 ⎟ . ⎢ u bn ⎥ ⎥ 3 ⎟⎢ − ⎟ ⎢⎣ u cn ⎥⎦ 2 ⎠

Generador doblemente alimentado

8

VECTOR ESPACIAL b

β

q

d θ

α

⎡ud⎤ ⎛ cos(θ ) sen(θ )⎞ ⎡uα ⎤ ⎢uq⎥ = ⎜⎝ − sen(θ ) cos(θ )⎟⎠. ⎢uβ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎛ ⎜1 ⎡ud ⎤ 2 ⎛ cos(θ ) sen(θ ) ⎞ ⎜ ⎜ ⎟ = . . ⎢uq ⎥ ⎜ ⎟ ⎣ ⎦ 3 ⎝ − sen(θ ) cos(θ ) ⎠ ⎜ 0 ⎜ ⎝

a

c

- 1 ⎞ ⎡uan ⎤ ⎟ 2 ⎟.⎢ubn ⎥ 3⎟⎢ ⎥ − ⎟ ⎢ucn ⎥ 2 ⎠⎣ ⎦

-1 2 3 2

Generador doblemente alimentado

Definición De VECTOR ESPACIAL q d

y d

q Vector espacial Referencia estacionaria Referencia giratoria

18

x

vqd = vq - j vd

u = ud + j uq

u = ud + j uq

qd s

αβ

DQ (dq)

qd e

dq

xy

Novotny/Lipo

HOLTZ

Vas

Como referencia estacionaria: eje magnético de la fase a Generador doblemente alimentado

9

Modelo dq del inversor Si los ejes dq giran en sincronismo con el vector espacial de tensión de la red, entonces:

dI ⎡u ⎤ ⎡−ia ⎤ ⎡i ⎤ ⎡u ⎤ U ⎢ =conUa con R I d− ⎢La ⎥ d⎢ a+⎥ w I L ⎥ ⎢ ⎥ q + ⎢u b ⎥ ⎢du con b ⎥ = dR ⎢ib ⎥ + Ld dt ⎢ib ⎥ dt ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣u con c ⎦

⎣⎢ic ⎦⎥

⎣⎢ic ⎦⎥ ⎣u c ⎦

dI

= U contrifásico − RenIfuente − Lde tensión− w I L UConvertidor q q q d dt q

P=

3 ⋅ (Ud ⋅ Id ) 2

Q=

3 2

⋅ (Ud ⋅ Iq )

Existe una proporción directa de la Q y la componente Iq

Generador doblemente alimentado

Control Vectorial Del Inversor UDC

i*d

ud* t.c. id iq

Modulación

vectorial

* q

u

θ

ia ib i c

jθ Consignas 3/2

e

X

i*q

ubc

θ

R

PCC Ud =Ucond − R Id − L

dId dt

red

+ wI L q

dIq Uq =Uconq − R Iq − L − wId L dt

I qd (s ) U

d Término qd

(s )

=

1 L ⋅s + R

Generador doblemente alimentado

10

Control Vectorial Del Inversor Consigna de corriente iq para controlar el factor de potencia UDC

i* 2 Ud 3

Q*

d

ud*

i*q

* q

Modulación

vectorial

u

θ id

ia ib

jθ Consignas 3/2

e

iq

X

UDC*

ubc

P = 3 ⋅ (Ud ⋅ Id ) 2 Q=

R

PCC

red

3⋅ (Ud ⋅ Iq ) 2

Generador doblemente alimentado

Control vectorial del Inversor. Límites Id*, Iq* El diagrama es útil para establecer los límites de las consignas de corriente en el control vectorial

UDC

ii**dd

Q*

2 Ud 3

u*d

ejθ

i*q i*q

Modulación

u*q θ

id

vectorial

ia ib

Consignas

iq

⎞ ⎛ 2 ⎜ ⋅ ⋅ DC ⎟ ⋅ Ud ⎞ 2 ⎜ 3 Ma U ⎟ ⎛ 2 2 Id + ⎜ Iq + 2 ⋅ U⎟DC = ⎜ 2 ⋅ Ud ⎟ Iqlim⎝ = X ⎠ 2 ⎜− Id 2 X− ⎟ X⎠ 3⋅ X ⎝ 2 2 2 Id + Iq = (2 ⋅ Im ax )

X

UDC*

2

2

R

ubc

red

Circunferencias límite en función de Id,Iq

Generador doblemente alimentado

11

¿Cómo realizar un dimensionado óptimo del convertidor?

Eligiendo de forma óptima los componentes del inversor

La región del plano P-Q en la que el inversor puede trabajar depende de :

• UDC

I

X

R

u (t ia(t) a

)

~

•U

ib(t)

UDC

ub(t) ~ uc(t) ~

• Imax

vcon a(t) n

¿cómo seleccionar estas variables?

Realizar un análisis sistemático de la influencia de cada Método actual : aproximado : UDC= 2 UL variable sobre la potencia activa y reactiva máximas transferibles a la red

Generador doblemente alimentado

¿Cómo realizar un dimensionado óptimo del convertidor?

Método sistemático de elección óptima los componentes del inversor Xred

I1 U1con (δ

Rs

∼

U (0

Circuito equivalente monofásico para el armónico fundamental de la tensión de Palterna

q 3⋅U

U1con 3⋅U

Xred.I1

δ

I1

X red

ϕU

d

⎛ 3⋅U 2 ⎞⎟ = ⎛⎜ 3⋅U ⋅U1con ⎞⎟ P2 + ⎜⎜ Q + Xred ⎟⎠ ⎜⎝ X red ⎟⎠ ⎝ 2

X red

U 1con

δ 2 ϕ 3⋅ U

I1

2

Xred

33U U.II11

Q

2 2 2 P + Q = (3⋅U ⋅ Imax)

Generador doblemente alimentado

12

II.

Límites de funcionamiento

p (pu) Referencia

Útil para obtener:

P = 1 pu

UDC

Ô UDC

u = 1 pu xred = 0,02 pu

1,3

0,9

(Ma=0,9)

VALORES BASE PB= Pmax

1

UB= U red

q (pu)

UDCB= c6 UB

Habría que aumentar UDC Generador doblemente alimentado

II.2

Control del inversor.

Límites de funcionamiento MÉTODO SISTEMÁTICO DE ELECCIÓN DE LOS COMPONENTES DE UN VSI DIAGRAMA DE LÍMITES DE FUNCIONAMIENTO

p (pu) rt=1,3

p (pu) rt=0,7 Referencia:

1 q (pu)

q (pu)

P = 1 pu uDC=1 pu xred = 0,02 pu Ma=0,9

Variación de los límites con rt Generador doblemente alimentado

13

II.2

Control del inversor.

Límites de funcionamiento Influencia de la reactancia de conexión a red

a) Al disminuir la reactancia de conexión se incrementa notablemente la potencia que es posible ceder con factor de potencia unidad.

Existe un valor de xred por encima del cual el inversor no es capaz de ceder la potencia activa 1 p.u. sin absorber potencia reactiva de la red.

P

Es posible hacer funcionar a un inversor (W) como compensador de reactiva. La expresión de la máxima potencia reactiva Qmax que es posible entregar a la red sin ceder potencia activa es:

q max ( P

= 0)

=

xred u ⎛ UDCB ⎞ 0,015 ⋅ u DC − u ⎟ ⋅ Ma ⋅ ⎜ 0.408xred 0,025 UB xred ⎝ ⎠ =

=

Referencia:

Q (var) Variación del diagrama P/Q de límites de funcionamiento al incrementar la reactancia de conexión xred (de 0,015 a

P = 1 pu uDC=1.11 pu u=1 pu Ma=0,9

0,025 pu) Generador doblemente alimentado

Límites de potencia máximos del inversor Ejemplo P(W)

masat ma=1

2

A B C D

U DC

ma = 1 sat ⋅U 3

= 1,15

ϕ

DC

3

Referencias de potencia

Q(VAr)

Q*= Q*= 2800VAr VAr Q*= 8502200 VAr ma>masat ma< 1

Dos circunferencias límite según el índice ma máximo admitido Generador doblemente alimentado

14

Límites de potencia máximos del inversor Ejemplo A

P(W)

B A B CD

Q(VAr)

Progreso de las referencias de potencia

C D

Generador doblemente alimentado

Límites de potencia máximos del inversor Ejemplo

A

P(W)

t(s) u,i (pu)

A

CD

C

Q(VAr)

u,i (pu)

t(s)

Progreso de las referencias de potencia

D u,i (pu)

t(s)

Generador doblemente alimentado

15

Convertidores Electrónicos UDC

1. Componentes y topologías 2. Control vectorial

Modulación

* q

u

Modulación

vectorial

X

3.

ud*

R

Generador doblemente alimentado

Modulación.

Generación de los pulsos (PWM) Topología básica del convertidor en fuente de tensión

El primer armónico de Vao es la réplica de Vcontrol

Generador doblemente alimentado

16

Modulaci贸n.

Generaci贸n de los pulsos (PWM)

Generador doblemente alimentado

Modulaci贸n Vectorial.

Seguimiento del fasor de referencia (ud*, uq*)

El puente puede tener 8 estados de conducci贸n distintos: 6 estados activos y 2 nulos + UDC

v3(0,1,0) S1

S3

v2(1,1,0)

S5 Sector 2 Sector 3

S4

S6

S2

Sector 1

v4(0,1,1)

v1(1,0,0) Sector 4

0

ejemplo: (0,1,1)

Sector 6

v0(0,0,0)

Sector 5

v5(0,0,1)

v6(1,0,1)

v7(1,1,1)

Los 6 estados activos delimitan la zona de funcionamiento hexagonal Generador doblemente alimentado

17

Modulación Vectorial.

Seguimiento del fasor de referencia (ud*, uq*) v3(0,1,0)

v2(1,1,0)

+ UDC Sector 2 S1

S3

S5 Sector 3

S4

a

b

S6

S2

Sector 1

v4(0,1,1)

c

v1(1,0,0) Sector 4

Sector 6

v0(0,0,0)

Sector 5 0

v5(0,0,1)

Sector

1

2

3

4

v6(1,0,1)

5

v7(1,1,1)

6

Estado (S1,S3,S5)

(1,0,0)

(1,1,0)

(0,1,0)

(0,1,1)

(0,0,1)

(1,0,1)

(uab,ubc,uca) (UDC,0,-UDC) (0,UDC,-UDC) (-UDC, UDC,0) (-UDC,0,UDC) (0,-UDC,UDC) (UDC,-UDC,0)

Tensiones de línea (uab,ubc,uca) correspondientes a cada uno de los estados activos Generador doblemente alimentado

Modulación Vectorial.

Seguimiento del fasor de referencia (ud*, uq*)

Ua 1 (U DC ,2U DC ,-U DC ) 3

2UDC 3 UDC 3 0 - UDC 3 - 2UDC 3

u* 1 (- 2U DC , U DC , U DC ) 3

1 (- U DC ,-U DC ,2U DC ) 3

pp.Ω

V an = V bn =

1 (U DC , U DC ,-2U DC ) 3

V

1 (U DC ,-2U DC , U DC ) 3

t

1 ( V ab - V ca ) 3

1 ( V bc - V ab ) 3

1 (2U DC ,-U DC ,-U DC ) 3

cn

=

1 (V 3

La tensión de fase está delimitada por los 6 estados activos del puente.

Ej: fase a ca

- V

bc

)

Generador doblemente alimentado

18

Modulación Vectorial Cada sector está delimitado genéricamente por va y vb.

r u * = 2 f s ( t a va + t b v b )

vb ma sen(60 ° - α ) 2fs ma sen( α ) tb = 2fs ta =

u* α

va

t 0 + t7 =

1 - ta - tb 2fs

fs=1/T =1/(2.Ts)

uˆ f* ma = 1 .U DC 3

…que da lugar a una moduladora como…

Generador doblemente alimentado

Modulación Vectorial Empleando la zona de sobremodulación se amplia el margen de funcionamiento dinámico

ma=1,13

PWM

ma=1,07 ma=1

t(s) Generador doblemente alimentado

19

Saturación de la onda moduladora.

Armónicos (ma) 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

ma=1 ma=1,04 ma=1,09 ma=1,16 2

60

120

180

h

Espectro armónico de la tensión para varios valores de Ma.

Generador doblemente alimentado

Modulación Vectorial El mínimo número de conmutaciones del inversor se obtiene aplicando…

2 . Ts

Sector 1

S1 S3

Sector 2

S1

S5 S3 S5

r r r r r r v sa vsb v NULO vsb v sa v NULO NOTA PRÁCTICA

Sector 3

S1 S3 S5

Sector 4

S1 S3

Sector 5

S1

S5

PWM0 XOR

PWM1

S3 S5

PWM S1

Ti

Sector 6

Ti+1

S1 S3 S5

PWM 0 y PWM 1 generadoras de los pulsos de disparo de S1 en un período de muestreo

t0

ta

tb

t7 t7

tb

ta

t0

Impulsos de encendido de los semiconductores S1, S3 y S5

Generador doblemente alimentado

20

va(t) ~ vb(t)

Modulación Vectorial

Rs

ia(t)

~

Xs

ib(t)

UDC

vc(t)

~

vcon a(t) n

fs: compromiso entre precisión y pérdidas

* mf es el cociente entre la frecuencia de conmutación fs y la UL UL frecuencia de componente fundamental de la onda de salida, f1.

(V)

(V)

Para evitar la aparición de componentes subarmónicas en la tensión

de salida : mf es entero (mod. Síncrona; los armónicos de las ondas de salida se concentran en bandas centradas en torno a mf y sus múltiplos ) * se elige mf múltiplo de tres e impar, ya que en un sistema equilibrado los armónicos múltiplos de tres son homopolares. t(s) t(s)

Generador doblemente alimentado

Convergencia Convergencia de UL a Onda Cuadrada Ampliación de ma

UL (V)

t(s)

Generador doblemente alimentado

21

¿Cómo reducir la distorsión de las corrientes?

Modulación vectorial

con fs > 2 kHz

UL

UDC

(V)

t(s)

fs múltiplo de 3 e impar (3kHz)

* q

u

0,10000 0,08000 0,06000 0,04000 0,02000 0,00000

Modulación

vectorial

R

PCC

1 23 45 67 89 111 133 155 177

Inductancias de filtrado ia

X

ud*

60

orden 40 Norma CEI 61000-3-2 IEEE-519

[CEI 61000-3-2] [IEEE-519] Normativas reguladoras de los niveles de emisión de armónicos de corriente

Generador doblemente alimentado

Obtención de las referencias giratorias Control del inversor: medida de la posición de la red mediante un comparador Máximo de ua Paso por cero de ubc

+5 V V Entrada

100 k

+ _

V Salida

Generador doblemente alimentado

22