Una revisión del control de limitación de corriente de inversores formadores de red bajo perturbaciones simétricas

    Los inversores formadores de red (GFM) se reconocen como una solución viable para aumentar la penetración de energías renovables en los sistemas de energía eléctrica a gran escala. Sin embargo, son físicamente diferentes de los generadores síncronos en términos de capacidad de sobrecorriente. Para proteger los dispositivos semiconductores de potencia y apoyar la red eléctrica bajo severas perturbaciones simétricas, los sistemas de control GFM deben ser capaces de cumplir con los siguientes requisitos: limitación de la magnitud de corriente, contribución de corriente de falla y capacidad de recuperación de fallas. Se informan varios métodos de control de limitación de corriente en la literatura para cumplir estos objetivos, incluyendo limitadores de corriente, impedancia virtual y limitadores de voltaje. Este artículo presenta un resumen de esos métodos. Se señalan los desafíos emergentes que necesitan ser abordados, incluyendo sobrecorriente temporal, ángulo de vector de corriente de salida no especificado, saturación de corriente indeseada y sobretensión transitoria.

1.Introducción.

    El comportamiento de fuente de tensión de los inversores GFM hace que sus corrientes de salida dependan altamente de las condiciones del sistema externo. Ante grandes perturbaciones, como caídas de tensión o saltos de fase en el punto de conexión común (PCC), los generadores síncronos pueden, en general, suministrar 5-7 p.u. de sobrecorriente [8], mientras que los inversores basados en semiconductores solo pueden manejar 1.2-2 p.u. de sobrecorriente típicamente, lo que les impide mantener el perfil de tensión como en la operación normal. Los limitadores de corriente suelen hacer que el inversor se comporte como una fuente de corriente durante las condiciones de sobrecorriente, lo que puede facilitar la regulación del ángulo del vector de corriente de salida para cumplir con el requisito de contribución de corriente de falla. En comparación, los métodos de impedancia virtual y los limitadores de voltaje pueden mantener el comportamiento de fuente de tensión del inversor GFM en cierta medida durante las severas perturbaciones, lo que puede permitir una recuperación automática de la falla. Este artículo revisa esos métodos e identifica los desafíos emergentes que necesitan ser abordados, incluyendo sobrecorriente temporal, ángulo de vector de corriente de salida no especificado, saturación de corriente indeseada y sobretensión transitoria.

2.   Fundamentos de los Métodos de Control de Limitación de Corriente.

    La siguiente figura muestra un modelo de circuito simplificado de un inversor GFM conectado a la red. El inversor GFM consta de una fuente de tensión interna ve y una impedancia de salida equivalente. La impedancia del filtro se incluirá en Ze, si no se utiliza un control de bucle interno. Cuando se utiliza un control de bucle interno, la impedancia del filtro no se incluirá en Ze.

3.   Limitador de Corriente.

     Basándose en cómo se calcula la referencia de corriente saturada i¯ref, se utilizan comúnmente tres limitadores de corriente para los inversores GFM, incluyendo el limitador instantáneo, el limitador de magnitud y el limitador basado en prioridad. La ilustración de un limitador instantáneo se muestra en la Figura (a), que utiliza una función de saturación elemento por elemento para lograr una referencia de corriente saturada i¯ref. La ilustración de un limitador de magnitud se da en la Figura (b), que solo disminuye la magnitud de la referencia de corriente original iref. El ángulo de i¯ref mantiene el mismo que el de iref. La Figura (c) muestra el principio del limitador basado en prioridad, que no solo disminuye la magnitud de iref, sino que también prioriza su ángulo a un valor específico ϕI. Nótese que ϕI es un ángulo definido por el usuario que representa la diferencia de ángulo entre i¯ref y el eje d orientado a θ.θ.

4.  Impedancia Virtual.

    El método de impedancia virtual que modifica directamente la referencia de modulación de tensión y el método de admitancia virtual con un bucle de control de corriente de seguimiento rápido pueden lograr un buen rendimiento de limitación de corriente cuando ocurren severas perturbaciones. En comparación, el método de impedancia virtual con control de bucle interno logra la limitación de corriente basándose en la hipótesis de que la referencia de tensión vref puede ser rastreada rápidamente por el bucle de control de tensión. Dado que el ancho de banda del bucle de control de tensión es relativamente bajo, se puede observar sobrecorriente temporal. Para abordar este problema, se presentan métodos híbridos de limitación de corriente que combinan la impedancia virtual con el limitador de corriente basado en prioridad y el limitador de magnitud de corriente.

5. Limitador de Voltaje.

    Los limitadores de voltaje tienen como objetivo reducir directamente la diferencia de tensión ∥vPWM−vt∥ para que sea menor que ∥Zf∥IM, lo que modifica la referencia de tensión generada por el control de bucle externo para lograr la limitación de la magnitud de corriente. Este método es una solución sugerida ya que no requiere impedancia virtual adaptable que puede inestabilizar el sistema bajo ciertas condiciones. Para los limitadores de voltaje, el bucle de control interno es comúnmente transparente, es decir, vPWM=vref. Posteriormente, se puede expresar un diagrama de circuito equivalente de este método de limitación de corriente.