ES2938197T3

ES2938197T3 - Red de suministro de energía eléctrica

Info

Publication number: ES2938197T3
Application number: ES19157422T
Authority: ES
Inventors: Karsten Handt; Sebastian Nielebock; Markus Pfeifer; Jens Weidauer
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2019-02-15
Filing date: 2019-02-15
Publication date: 2023-04-05
Anticipated expiration: 2039-02-15
Also published as: CN113439373A; US20220123551A1; WO2020165216A1; EP3696929B1; FI3696929T3; US11626727B2; CN113439373B; EP3696929A1; DK3696929T3

Abstract

La invención se refiere a una red de suministro de energía que comprende una línea bus (1) con una impedancia de línea para la distribución de energía. Además, la red de suministro de energía comprende una serie de convertidores de potencia electrónicos (10, 20, 30) con una capacidad de conmutación respectiva (11, 21, 31), cuya capacidad de almacenamiento se selecciona de tal manera que el convertidor de potencia electrónico asociado (10, 20, 30) está garantizado y se controla un aumento de tensión en caso de conmutación. Se proporciona al menos un acumulador de energía (50), que puede conectarse selectivamente a la línea de bus (1) por medio de un dispositivo de conmutación (40) controlado por una unidad informática (60), (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Red de suministro de energía eléctrica

La presente invención hace referencia a una red de suministro de energía eléctrica que comprende una línea de bus con una impedancia de línea para la distribución de energía eléctrica y una serie de convertidores electrónicos de potencia con una respectiva capacitancia de conmutación.

Las redes de suministro de energía se utilizan para suministrar energía a plantas y edificios industriales. Una gran parte de los componentes eléctricos, ya sean generadores de energía, consumidores de energía o acumuladores de energía, están conectados a la línea de bus de la red de suministro de energía con la interposición de un convertidor electrónico de potencia asociado (así denominado como convertidor de potencia).

Los convertidores electrónicos de potencia generalmente presentan un circuito intermedio de tensión con una capacitancia de circuito intermedio, que conforma un sistema de oscilación junto con la impedancia de línea de la línea de bus de la red de suministro de energía. La capacitancia del circuito intermedio contenida en el circuito intermedio de tensión debe, por un lado, asumir una función de almacenamiento de energía cuando se produce un fallo en la red/sistema. Por otro lado, se utiliza para suavizar la tensión de modo tal que la regulación del convertidor electrónico de potencia asociado funcione de forma fiable.

Debido a la necesidad de asumir el almacenamiento de energía eléctrica en caso de falla, los convertidores electrónicos de potencia de una red de suministro de energía conocidos del estado de la técnica se diseñan con una capacitancia de almacenamiento de tal tamaño que les permite salvar un corte de energía de varios milisegundos a una carga nominal predeterminada. La capacitancia de almacenamiento varía según la clase de rendimiento y puede suponer varios |jF en la red. Con longitudes de línea de la línea de bus en el rango de unos pocos metros a unos 100 metros, se alcanzan frecuencias de resonancia en el rango de Hertz de tres dígitos al rango de Kilohercio de un dígito. Las resonancias en el rango de frecuencias mencionado pueden ser excitadas por diversas operaciones de conmutación, como la conexión o desconexión de componentes eléctricos de la red de suministro de energía, o debido a cambios dinámicos del valor objetivo.

Uno de los objetivos al diseñar una red de suministro de energía consiste en definir la frecuencia de resonancia en un rango definido, preferentemente en el rango de kilohercios de dos o tres dígitos, de modo que los ciclos de carga en la red de suministro de energía no provoquen oscilaciones. Sin embargo, debido a la necesidad de dimensionar la capacitancia del circuito intermedio de un respectivo convertidor de potencia electrónico de tal manera que sea posible el almacenamiento de energía en caso de falla, la frecuencia de resonancia se desplaza hacia abajo de manera no deseada.

Los convertidores electrónicos de potencia actualmente disponibles limitan así la extensión máxima de la red de suministro de energía, en particular de la línea de bus, al tiempo que limitan la capacitancia máxima de almacenamiento de la capacitancia del circuito intermedio para poder implementar una regulación independiente y estable de los convertidores electrónicos de potencia individuales.

Cuando la red de suministro de energía es estática, como ocurre, por ejemplo, con redes aisladas, también se puede realizar previamente una simulación del sistema para obtener información sobre la estabilidad de la red de suministro de energía y su parametrización.

La solicitud WO2017/066985A1 revela una red de suministro de energía que presenta una línea de bus y un convertidor electrónico de potencia conectado a ella. En la alimentación del bus está previsto un acumulador de energía que se puede conectar para suprimir las oscilaciones no deseadas.

El objeto de la presente invención consiste en proporcionar una red de suministro de energía en la cual la frecuencia de resonancia sea lo más alta posible para evitar la excitación de oscilaciones.

Dicho objeto se resuelve mediante una red de suministro de energía con las características de la reivindicación 1. De las reivindicaciones relacionadas resultan las configuraciones ventajosas.

Se propone una red de suministro de energía eléctrica que comprende una línea de bus con una impedancia de línea para la distribución de energía eléctrica y una serie de convertidores electrónicos de potencia con una respectiva capacitancia de conmutación. La capacitancia de almacenamiento (es decir, el volumen) de una respectiva capacitancia de conmutación se selecciona de tal manera que se garantice la regulación del convertidor electrónico de potencia asociado durante el funcionamiento de la red de suministro de energía y se controle el exceso de tensión en caso de una conmutación. Además, la red de suministro de energía comprende al menos un acumulador de energía eléctrica que se puede conectar de manera selectiva a la línea de bus mediante el control de un dispositivo de conmutación con una unidad informática; en donde la capacitancia de almacenamiento del acumulador de energía es significativamente mayor que la capacitancia de almacenamiento de una respectiva capacitancia de conmutación.

Al separar las funciones individuales del circuito intermedio de tensión, se puede garantizar una optimización de la red de suministro de energía, en particular, una red de tensión continua, es decir, una red de suministro de energía cuya línea de bus está sometida a una tensión continua (CC). Para ello, los convertidores electrónicos de potencia reciben una capacitancia mínima de entrada/salida en forma de capacitancia de conmutación, lo que minimiza una ondulación de tensión hasta tal punto que durante la conmutación se ejecuta una regulación y se controla el aumento de tensión. La funcionalidad del acumulador de energía se implementa a través del acumulador de energía que se puede conectar y regular de forma selectiva en la línea de bus. Además de proporcionar energía en caso de corte de corriente o almacenamiento intermedio de energía de rotación en caso de retroalimentación, este dispositivo de almacenamiento de energía puede estabilizar la red de suministro de energía en forma de filtro activo. De esta manera resulta posible aumentar la frecuencia de resonancia de la red de suministro de energía manteniendo al mínimo las capacitancias de conmutación que sirven como capacitancias del circuito intermedio. Resulta posible reducir las energías de error, ya que estas son absorbidas por el acumulador de energía, que se puede conectar selectivamente a la línea de bus a través de un dispositivo de conmutación controlable. En particular, también resulta posible proporcionar un filtrado activo de las oscilaciones de tensión inyectando activamente corrientes en oposición de fase a la oscilación. Otra ventaja del procedimiento propuesto conforme a la invención consiste en que el contenido de energía del acumulador de energía se puede aprovechar por completo ya que el dispositivo de conmutación controlable en forma de un convertidor elevador/reductor puede utilizar otro rango de tensión del acumulador de energía. En comparación con una capacitancia de circuito intermedio de un tamaño convencional en un respectivo convertidor electrónico de potencia, ya que la tensión del circuito intermedio está acoplada a la tensión de la red. En otras palabras, se puede utilizar una oscilación de tensión mayor. Alternativamente, se puede utilizar un acumulador de energía de menores dimensiones para poder utilizar la funcionalidad que se ha obtenido hasta ahora.

De este modo se proporciona un filtro activo con un circuito intermedio activo en una red de suministro de energía configurada especialmente como red de tensión continua.

Como acumulador de energía se puede utilizar un condensador, una batería, un supercondensador (por sus siglas en inglés EDLC a veces también llamado ultracondensador) o una batería inercial. En principio, cualquier tipo de acumulador de energía que sea capaz de absorber o entregar corrientes elevadas en poco tiempo puede ser considerado como acumulador de energía.

Una realización según la invención prevé que la capacitancia de almacenamiento de la capacitancia de conmutación de un respectivo convertidor electrónico de potencia se encuentre entre los 10 |^jF y 100 |^jF, en particular, que sea de 10 j F. Según la invención, la capacitancia de almacenamiento del acumulador de energía es superior a un j F, en particular superior, a 10 ^jF.

De acuerdo con la invención, el dispositivo de conmutación es un convertidor electrónico de potencia, en particular, un convertidor elevador o un convertidor reductor. El dispositivo de conmutación también se puede realizar como un convertidor aislado de conmutación dura o suave tal como un DAB, SRC, cambio de fase y similares. El acumulador de energía está conectado a la salida del dispositivo de conmutación o del convertidor electrónico de potencia y a través de uno y el otro se puede conectar a la línea de bus mediante el control de la unidad informática. De esta manera, el dispositivo de conmutación, que puede ser controlado por la unidad informática, no solo puede equilibrar la energía ya sea transfiriendo energía a la línea de bus o absorbiéndola, sino que también filtra activamente las oscilaciones de tensión.

También resulta ventajoso cuando el dispositivo de conmutación comprende una unidad limitadora de corriente para limitar la potencia de cortocircuito. La limitación de corriente se consigue, en particular, mediante el funcionamiento controlado por corriente del convertidor electrónico, por ejemplo, del convertidor elevador.

También resulta ventajoso cuando el dispositivo de conmutación comprende una unidad de filtrado de oscilaciones de tensión. La unidad de filtrado para oscilaciones de tensión puede ser proporcionada por el propio diseño del dispositivo de conmutación o se puede implementar mediante componentes adicionales.

Otra configuración ventajosa prevé que el dispositivo de conmutación pueda ser controlado por la unidad informática de tal manera que desde el acumulador de energía se puede liberar una cantidad predeterminada de energía a la línea de bus. Alternativa o adicionalmente, el dispositivo de conmutación también puede ser controlado por la unidad informática de tal manera que el acumulador de energía pueda absorber una cantidad predeterminada de energía de la línea de bus.

También resulta conveniente cuando el dispositivo de conmutación está diseñado de tal manera que el acumulador de energía está aislado galvánicamente o conectado galvánicamente con la línea de bus. El aislamiento galvánico se puede implementar, por ejemplo, mediante un transformador.

Además, resulta conveniente cuando ante una pluralidad de acumuladores de energía, estos están distribuidos espacialmente y conectados a la línea de bus a través de dispositivos de conmutación asociados.

A continuación, la presente invención se explica en detalle de acuerdo con un ejemplo de ejecución representado en el dibujo. Las figuras muestran:

Figura 1: una representación esquemática de un ejemplo de una red de suministro de energía conocida del estado de la técnica.

Figura 2: una representación esquemática de un ejemplo de una red de suministro de energía diseñada según la presente invención.

La figura 1 muestra una representación esquemática de un ejemplo de una red de suministro de energía conocida del estado de la técnica. En la siguiente descripción, se supone que la red de suministro de energía es una red de tensión continua.

La red de suministro de energía mostrada en la figura 1 comprende una línea de bus 1, por ejemplo, en forma de un embarrado de corriente continua. La línea de bus 1 puede presentar una longitud de unos pocos metros hasta varios 100 metros. A la línea bus 1 se conectan una serie de componentes que no se muestran con más detalle, en donde los componentes pueden tratarse de componentes generadores de energía, componentes consumidores de energía o componentes acumuladores de energía. Cada uno de los componentes está conectado a la línea de bus 1, por ejemplo, a través de un convertidor electrónico de potencia asociado 10, 20, 30. Según el componente, el convertidor electrónico de potencia consiste en un convertidor CC/CC, un convertidor CC/CA o un convertidor CA/CC.

Cada uno de los convertidores electrónicos de potencia 10, 20, 30, también denominados convertidores de potencia, comprende un condensador de circuito intermedio 11, 21, 31 representado a modo de ejemplo. Junto con una impedancia de línea (números de referencia 2, 3, 4 en los respectivos ramales de la línea de bus 1) y las resistencias de línea 5, 6, 7, que también se muestran como ejemplos, las capacitancias del circuito intermedio 11, 21, 31 conforman un sistema oscilante. En el ejemplo de ejecución mostrado en la figura 1, los condensadores de circuito intermedio 11, 21, 31, además de suavizar la tensión, tienen la función de almacenar energía eléctrica en caso de falla. Para ello, las capacitancias de almacenamiento de las capacitancias de circuito intermedio 11, 21, 31 de los convertidores electrónicos de potencia 10, 20, 30 de diseño convencional están diseñadas de tal manera que la capacitancia de almacenamiento les permite salvar un corte de energía de varios ms en una carga nominal predeterminada.

En la red, las capacitancias del circuito intermedio 11, 21, 31 pueden asumir varios |jF. Con longitudes de línea de la línea de autobús 1 en el rango de uno a varios 100 metros, se logran frecuencias de resonancia en el rango de Hertz de tres dígitos y de Kilohercio de un dígito. Dichas resonancias pueden excitarse mediante múltiples operaciones de conmutación, por ejemplo, la conexión o desconexión de componentes eléctricos conectados a los convertidores electrónicos de potencia 10, 20, 30, o mediante saltos dinámicos en los valores objetivos.

Debido a que la excitación de las resonancias no es deseable, se propone la red de suministro de energía mostrada en más detalle en la figura 2 y se describe a continuación, la cual permite diseñar la frecuencia de resonancia en dicha red de suministro de energía lo más alta posible y así evitar una activación de vibraciones inducida por la carga en la red de suministro de energía.

La red de suministro de energía propuesta según la invención se basa en la consideración de que cuanto mayores sean las capacitancias de circuito intermedio de los convertidores electrónicos de potencia, indeseablemente, menor será la frecuencia de resonancia. Sin embargo, debido a que, como se ha descrito, están dimensionadas en función del almacenamiento de energía eléctrica necesario en caso de falla en el pasado no se podía evitar una caída de las frecuencias de resonancia.

La red de suministro de energía según la figura 2 comprende un acumulador de energía 50 además de la red de suministro de energía mostrada en la figura 1 y conocida por el estado de la técnica. El acumulador de energía 50 puede consistir en un condensador, una batería, un supercondensador o una batería inercial. El acumulador de energía 50 se puede conectar selectivamente con la línea de bus 1 mediante el control de un dispositivo de conmutación 40 a través de una unidad informática 60.

Debido a la presencia del acumulador de energía adicional 50, las capacitancias de almacenamiento de los condensadores de circuito intermedio 11, 21, 31 de los convertidores electrónicos de potencia 10, 20, 30 pueden reducirse considerablemente en comparación con la disposición conocida del estado de la técnica. Las capacitancias del circuito intermedio se presentan así como capacitancias de conmutación 11, 21, 31, cuya capacitancia de almacenamiento se selecciona de tal manera que el convertidor electrónico de potencia asociado 10, 20, 30 se regule durante el funcionamiento de la red de suministro de energía y se controle un aumento de tensión durante la conmutación. Por el contrario, la capacitancia de almacenamiento del acumulador de energía 50 es significativamente mayor que la capacitancia de almacenamiento de una respectiva capacitancia de conmutación 11, 21, 31.

En la práctica, conforme a la invención es conveniente que la capacitancia de almacenamiento de las capacitancias de conmutación 11, 21, 31 se encuentre entre los 10 |jF y los 100 |jF, en particular, entre 10 |jF y 50 |jF. Según la invención, la capacitancia de almacenamiento del acumulador de energía 50 es de 1 jiF, en particular, de 10 jiF o más.

El dispositivo de conmutación 40 está diseñado como un convertidor electrónico de potencia, por ejemplo, como un convertidor elevador. Cuando el dispositivo de conmutación está diseñado de una de las formas mencionadas, entonces comprende una unidad de limitación de corriente en la cual los elementos de conmutación electrónicos de semiconductores de potencia previstos en cada caso son controlados de manera adecuada a través de la unidad informática 60.

Aunque en el ejemplo de ejecución representado en la figura 2 sólo se proporciona un acumulador de energía 50, cuando la línea de bus 1 es lo suficientemente larga también se pueden conectar múltiples acumuladores de energía a la línea de bus distribuidos espacialmente. En este caso, cada acumulador de energía está conectado a la línea de bus 1 a través de un dispositivo de conmutación asociado, que puede ser controlado por una unidad informática única o respectivamente asociada. También es posible conectar el dispositivo de conmutación 40 a la línea de bus 1 con aislación galvánica, por ejemplo, con la interposición de un transformador.

Al proporcionar un acumulador de energía 50 por separado, resulta sencillo lograr el objetivo de proporcionar la frecuencia de resonancia en un rango alto, en particular, en el rango de kilohercios. Cuanto mayor sea la frecuencia de resonancia, menor será la probabilidad de que la red de suministro de energía eléctrica oscile durante los ciclos de carga.

Al separar las funciones individuales del circuito intermedio de un respectivo convertidor electrónico de potencia 10, 20, 30, se puede lograr una optimización de la red de suministro de energía. Para ello, los condensadores del circuito intermedio 11, 21, 31 reciben una capacitancia mínima de entrada/salida, que se denomina capacitancia de conmutación, y que está dimensionada de tal manera que una ondulación de tensión se minimiza hasta el punto que funcione una regulación asociada. Además, el dimensionado es suficiente como para controlar un aumento de tensión durante la conmutación. Por el contrario, la funcionalidad del acumulador de energía se implementa a través del acumulador de energía 50 conmutable. En el suministro de energía en caso de fallo de la red o en el almacenamiento intermedio de energía de rotación en caso de retroalimentación, el dispositivo de conmutación 40 asume la tarea de estabilizar la red de suministro de energía en forma de filtro activo.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Red de suministro de energía que comprende:

- una línea de bus (1) con una impedancia de línea para la distribución de energía;

- una serie de convertidores electrónicos de potencia (10, 20, 30) con una respectiva capacitancia de conmutación (11, 21, 31); y

- al menos un acumulador de energía (50) que se puede conectar selectivamente a la línea de bus (1) mediante el control de un dispositivo de conmutación (40) a través de una unidad informática (60), caracterizada porque

la capacitancia de almacenamiento de los convertidores electrónicos de potencia se selecciona de forma tal que, durante el funcionamiento de la red de suministro de energía, se garantice la regulación del convertidor electrónico de potencia asociado y, en caso de conmutación, se controle un rebasamiento de la tensión, y de modo que la capacitancia de almacenamiento del acumulador de energía sea sustancialmente mayor a la capacitancia de almacenamiento de una respectiva capacitancia de conmutación;

porque la capacitancia de almacenamiento de la capacitancia de conmutación (11, 21, 31) alcanza entre 10 y 100 |^jF, en particular, de 10 a 50 |^jF; la capacitancia de almacenamiento del acumulador de energía (50) es superior a 1 j F, en particular, de 10 j F y el dispositivo de conmutación (40) consiste en un convertidor electrónico de potencia, en particular, un convertidor elevador/reductor, un convertidor aislado de conmutación dura o suave.

2. Red de suministro de energía según la reivindicación 1, en la cual el, al menos un, acumulador de energía (50) consiste en un condensador, una batería, un supercondensador o una batería inercial.

3. Red de suministro de energía según una de las reivindicaciones precedentes, en la cual el dispositivo de conmutación (40) comprende una unidad limitadora de corriente para limitar la potencia de cortocircuito.

4. Red de suministro de energía según una de las reivindicaciones precedentes, en la cual el dispositivo de conmutación (40) comprende una unidad de filtrado de oscilaciones de tensión.

5. Red de suministro de energía según una de las reivindicaciones precedentes, en la cual el dispositivo de conmutación (40) puede ser controlado por la unidad informática (60) de tal manera que desde el acumulador de energía (50) se puede liberar una cantidad predeterminada de energía a la línea de bus (1).

6. Red de suministro de energía según una de las reivindicaciones precedentes, en la cual el dispositivo de conmutación (40) está diseñado de tal manera que el acumulador de energía (50) está aislado galvánicamente o conectado galvánicamente con la línea de bus (1).

7. Red de suministro de energía según una de las reivindicaciones precedentes, en la cual con una pluralidad de acumuladores de energía (50), estos están distribuidos espacialmente y conectados a la línea de bus (1) a través de dispositivos de conmutación asociados (40).