Convertidor sincronizador - Synchronverter

Figura 1. Un diagrama simple del entorno de funcionamiento del convertidor sincronizado

Los inversores sincrónicos o generadores síncronos virtuales son inversores que imitan a los generadores síncronos (SG) para proporcionar "inercia sintética" para los servicios auxiliares en los sistemas de energía eléctrica . La inercia es una propiedad de los generadores síncronos estándar asociada con la masa física giratoria del sistema que gira a una frecuencia proporcional a la electricidad que se genera. La inercia tiene implicaciones para la estabilidad de la red, ya que se requiere trabajo para alterar la energía cinética de la masa física giratoria y, por lo tanto, se opone a los cambios en la frecuencia de la red. La generación basada en inversores carece inherentemente de esta propiedad, ya que la forma de onda se crea artificialmente a través de la electrónica de potencia.

Fondo

Los inversores estándar son elementos de muy baja inercia . Durante los períodos transitorios, que en su mayoría se deben a fallas o cambios bruscos de carga , siguen los cambios rápidamente y pueden causar un peor estado, pero los generadores síncronos tienen una inercia notable que puede mantener su estabilidad.

La red está diseñada para operar a una frecuencia específica . Cuando el suministro y la demanda de energía eléctrica están perfectamente equilibrados, la frecuencia de la red se mantendrá en su frecuencia nominal. Sin embargo, cualquier desequilibrio en la oferta y la demanda conducirá a una desviación de esta frecuencia nominal. Es estándar que la generación de electricidad y la demanda no estén perfectamente equilibradas; sin embargo, el desequilibrio está estrictamente controlado de modo que la frecuencia de la red permanece dentro de una pequeña banda de ± 0,05  Hz. La masa giratoria de un generador síncrono actúa como una especie de banco de energía cinética para que la red contrarreste los cambios de frecuencia (puede proporcionar o absorber energía de la red) provocada por un desequilibrio entre el suministro y la demanda de energía eléctrica, en forma de energía cinética. energía acelerando o desacelerando. El cambio de energía cinética es proporcional al cambio de frecuencia. Debido a que se necesita trabajo para acelerar o ralentizar la masa giratoria, esta inercia amortigua los efectos de los desequilibrios de potencia activa y, por lo tanto, la frecuencia. Debido a que la generación basada en inversores carece inherentemente de inercia, una mayor penetración de la generación de energía renovable basada en inversores podría poner en peligro la confiabilidad del sistema eléctrico .

Además, la variabilidad de las fuentes de energía renovable (FER), principalmente en relación con la energía fotovoltaica (PV) y la energía eólica, podría amplificar este problema al crear períodos transitorios más frecuentes de desequilibrio energético. Teóricamente, la generación basada en inversores podría controlarse para responder a los desequilibrios de frecuencia alterando su par eléctrico (salida de potencia activa). La inercia sintética se define como la "contribución controlada del par eléctrico de una unidad que es proporcional a la tasa de cambio de frecuencia (RoCoF) en los terminales de la unidad". Sin embargo, para tener la capacidad de reaccionar a este RoCoF, los generadores participantes deberían operar a niveles por debajo de su producción máxima, por lo que una parte de su producción se reserva para esta respuesta en particular. Además, la variabilidad inherente de la producción limita la capacidad de los generadores para proporcionar inercia sintética. Este requisito de una fuente de alimentación confiable y de acción rápida hace que el almacenamiento de energía basado en inversores sea un mejor candidato para proporcionar inercia sintética.

Historia

Hydro-Québec comenzó a requerir inercia sintética en 2005 como el primer operador de red. Para contrarrestar la caída de frecuencia , el operador de la red exige un aumento de potencia temporal del 6% combinando la electrónica de potencia con la inercia rotacional de un rotor de turbina eólica . Requisitos similares entraron en vigor en Europa en 2016 y Australia en 2020.

Modelo Synchronverter

Figura 2. Parte de potencia de un convertidor sincronizado
Figura 3. El modelo por fase de un SG conectado a un bus infinito

La estructura del Synchronverter se puede dividir en dos partes: parte de potencia (ver figura 2) y parte electrónica. La parte de potencia es la ruta de transferencia y transformación de energía, incluido el puente, el circuito de filtro, la línea de potencia, etc. La parte electrónica se refiere a las unidades de medición y control, incluidos los sensores y el procesador de señales digitales (DSP).

El punto importante en el modelado del convertidor sincronizado es asegurarse de que tenga un comportamiento dinámico similar al del generador sincrónico (ver figura 3). Este modelo se clasifica en modelos de 2 hasta 7 órdenes, debido a su complejidad. Sin embargo, el modelo de 3 órdenes se usa ampliamente debido al compromiso adecuado entre precisión y complejidad.

donde y son componentes de los ejes dq del voltaje terminal.

Mientras que el voltaje y la corriente del terminal sincronizador satisfacen estas ecuaciones, el convertidor sincronizado puede verse como un generador sincrónico. Esto permite reemplazarlo por un modelo de generador síncrono y resolver los problemas fácilmente.

Estrategia de control

Figura 4. Estructuras de control típicas para un inversor de potencia conectado a la red. (A) Cuando se controla como suministro de voltaje. (B) Cuando se controla como suministro de corriente.

Como se muestra en la figura 3, cuando el inversor se controla como fuente de tensión, consta de una unidad de sincronización para sincronizar con la red y un bucle de potencia para regular la potencia real y la potencia reactiva intercambiada con la red. La unidad de sincronización a menudo necesita proporcionar frecuencia y amplitud. Pero cuando el inversor se controla como fuente de corriente, a menudo se requiere que la unidad de sincronización proporcione solo la fase de la red, por lo que es mucho más fácil controlarla como fuente de corriente.

Figura 5. Estructura de control compacta para un inversor conectado a la red.

Dado que un generador síncrono está intrínsecamente sincronizado con la red, es posible integrar la función de sincronización en el controlador de potencia sin unidad de sincronización. Esto da como resultado una unidad de control compacta, como se muestra en la figura 4.

Aplicaciones

PV

Figura 6. Parte de potencia del convertidor sincronizado trifásico.

Como se mencionó anteriormente, los convertidores síncronos pueden tratarse como generadores síncronos, lo que facilita el control de la fuente, por lo que debe usarse ampliamente en fuentes de energía primaria fotovoltaica (PSA).

HVDC

Turbina eólica

Microrred de CC

También se sugiere el uso de Synchronverter en microrredes porque las fuentes de CC se pueden coordinar junto con la frecuencia del voltaje de CA, sin ninguna red de comunicación.

Ver también

Referencias