Técnicas de detección y control de faltas para convertidores de potencia de sistemas de generación distribuida

Abstract

Electric power is typically produced at a wide range of generation plants. In particular, the renewable energies are a specific electric power generation type. Due to its nature, this technology is possible only where the appropriate conditions happen. Currently, the growth on renewable energies technology development has led to an increment in its penetration factor. Therefore, the electric power grid classic concept with big centralized generation plants is not valid anymore. Moreover, the electric power grids worldwide are changing their centralized models to distributed generation models. By the way, improvement on the renewable energies development has led to a significant growth on the new plants size. Previous cited two factors have obliged to the utility grid to modify the international legislation, adding new minimum technical requirements for the new scenario. The link between the renewable energy plants and the electric power grid usually is done with electronic power converters; therefore they are in charge to comply with the current legislation. Some of the most important requirements are those related to the plant behaviour against several types of grid faults. The objective of this work is the development of power converters control techniques to improve the units response against the specified minimum technical requirements defined in the international legislation. In one hand, due to renewable energy plants usually are near the consumption centres, the detection of possible islanding cases is very important in these plants. An islanding case happens when a part of the electric grid is disconnected, and the resulting subgrid remains energized because the working conditions do not change significantly. Therefore, a new anti-islanding method has been developed to improve significantly the unit response compared with others presented in the literature. Between the advantages of the new method are: it works under any operation set-point; adds fewer perturbations to the system than others; its non-detection-zone is null; and it has a good clearing time behaviour for all islanding cases. On the other hand, the power converters control against transient voltage faults has been described widely in the literature. Most part of research efforts in this phenomenon is centred on the control during the fault itself. However, the beginning of the transient voltage fault usually is faster than the control system frequency, so a possible instability case could happened. As a result, an unexpected output peak current up the security thresholds would be produced. According to this difficulty, a new method has been developed to prevent and control that the output current security thresholds are not reached, avoiding breakdowns and not desired disconnections.

La generación de energía en la red eléctrica está compuesta por un amplio rango de plantas de generación de diverso tamaño y naturaleza. En particular, un tipo de generación de energía eléctrica es el relacionado con las energías renovables. Debido a la naturaleza de este tipo de tecnología, las plantas se ubican dónde solo dónde se den las condiciones para ello. Actualmente, el desarrollo de las tecnologías asociadas a las energías renovables ha provocado un aumento considerablemente de su índice de penetración, por lo que ya no es válida la concepción clásica de la red eléctrica. Por lo tanto, las redes eléctricas a nivel mundial están cambiando su modelo hacia uno con un tipo de generación más distribuida. Por otro lado, la mejora en las tecnologías empleadas, está permitiendo un aumento significativo del tamaño de las nuevas plantas construidas. Los dos factores indicados anteriormente han provocado la necesidad en los operadores de red de modificar la legislación internacional, incluyendo nuevos requisitos mínimos técnicos que cumplir para contemplar el nuevo escenario. En las plantas de energía renovable, el enlace entre la planta de generación y la red eléctrica suele realizarse a través de convertidores de electrónica de potencia, por lo que son éstos, en última instancia, los responsables de cumplir la legislación vigente. Una parte muy importante dentro de los requisitos son los referentes al comportamiento de la planta frente a diversos tipos de faltas en la red. El objetivo de este trabajo ha sido el desarrollo de técnicas de detección y control sobre convertidores de potencia que ayuden a mejorar la respuesta de los equipos para cumplir mejor con los requisitos mínimos técnicos impuestos. Por un lado, debido a la proximidad de las plantas de energía renovable cerca a los centros de consumo, provoca que sea muy importante el control en estas plantas de posibles situaciones de islanding. Por lo tanto, se ha desarrollado una nueva técnica anti-islanding que mejora significativamente las prestaciones frente a otras presentes en la literatura. Entre las ventajas del nuevo método están que se puede aplicar en cualquier punto de trabajo, introduce menores perturbaciones al sistema, su zona de no detección es nula, y conserva un buen tiempo de detección de situaciones de islanding. Por otro lado, el control de convertidores de potencia frente a faltas de tensión ha sido tratado ampliamente en la literatura. Gran parte de la investigación en este campo está centrada en el control durante la falta en sí misma. Sin embargo, el transitorio en el inicio de la falta suele ser mucho más rápido que la frecuencia de control del sistema, lo que puede llevar a una posible situación de inestabilidad en la que la máquina observe un pico de corriente por encima de los límites de seguridad permitidos. Atendiendo a esta problemática, se ha desarrollado un nuevo método que vigile y controle que no se alcancen los valores de seguridad límite establecidos, evitando posibles averías y desconexiones.