04 mayo 2012

Guía para aprender a proteger sistemas de generación distribuida basados en inversores (4ª PARTE)


Ver 3ª PARTE

Dispositivos PE

Los dispositivos PE son dispositivos eléctricos individuales que se encienden y apagan de una forma controlada para regular el caudal de electricidad. Hay varios tipos de dispositivos PE con propiedades específicas. Estos incluyen:



  • Diodos: Un diodo es un dispositivo PE de dos terminales que puede conducir la corriente en una dirección y bloquear el voltaje en la dirección inversa. El diodo típicamente se usa en circuitos en los que se requiere flujo de corriente unidireccional. Los diodos exhiben un coeficiente de temperatura negativa, que les hace difícil trabajar en paralelo cuando se requieren niveles de corriente más altos.
  • Tiristores: Los tiristores tienen unas capacidades de manejo mayores – incluyendo niveles de transmisión de alto voltaje (115 kV) – de todos los dispositivos semiconductores. Los tiristores actúan como un diodo con señal de control de puerta que inicia un cambio en el estado de conducción es parcial hacia adelante. Los tiristores tienen una frecuencia de conmutación más baja que otros dispositivos modernos en orden de magnitud.
  • Transistores  bipolares de puerta aislada: Los sistemas PE de hoy dependen de este tipo de conmutación. Los IGBTs controlan el flujo de potencia en la conmutación por el voltaje de puerta y pueden conmutar a alta frecuencia. Típicamente están disponibles en sistemas de distribución de 3 kW y más altos. La frecuencia de conmutación es más baja que la de los transistores de efecto de campo metal – óxido – semiconductor pero órdenes de magnitud más rápidas que los tiristores. Los inversores IGBT tienen capacidades limitadas para suministrar corrientes de fallo. Cuando los controles del inversor detectan algo equivocado, se cierran inmediatamente
  • Transmisor de efecto de campo meta-óxido-semiconductor (MOSFET). El MOSFET es un interruptor controlable de voltaje de puerta. Usualmente encontrados en sistemas de baja potencia y bajo voltaje (< 500 V),  MOSFET son capaces de las frecuencias de conmutación más altas – una característica que es deseada cuando la cantidad de materiales magnéticos en un circuito son minimizados. Al contrario que los tiristores, MOSFETs pueden comenzar y parar la conducción incluso con la aplicación de un voltaje constante. Esto les hace altamente útiles en aplicaciones de suministro de potencia en modo de conmutación en las que la potencia DC se convierte a otra magnitud o a AC. Pero por su naturaleza, MOSFETs tienen grandes pérdidas de conducción a altos voltajes, lo cual los hace no competitivos con otros tipos de dispositivos en sistemas de alta potencia. También, por la naturaleza de su construcción, MOSFETs permite corrientes inversas no controladas (e ineficientes) para fluir cuando se aplica un potencia inversa. Esta característica es debida a su “diodo de cuerpo” y usualmente es considerada por muchos fabricantes. MOSFETs tiene un coeficiente de temperatura positivo, haciéndoles relativamente trabajar en paralelo.

Aplicaciones

Hay una gran variedad de aplicaciones PE que se usan para convertir la electricidad de una forma a otra para controlar el flujo de electricidad. Estas incluyen:

  • Rectificadores AC-DC: Proporcionan control del voltaje DC de una fuente no AC no controlada o tal como microturbina, variador de frecuencia variable, o turbina eólica de generador de magnetismo permanente.
  • Convertidores DC-DC: Casi siempre encontramos estos convertidores en aplicaciones de renovables a baterías. Tienen un voltaje de entrada no regulado, no controlado y abastecen a una aplicación de carga específica. Los convertidores DC-DC se encuentran en sistemas de carga de baterías fotovoltaicas.
  • Inversores DC-AC: regulan el suministro AC desde la entrada DC. Se encuentran en aplicaciones de potencia AC estacionarias además de sistemas DER conectados a red.
·   Los interruptores de estado sólido tienen el potencial de estandarizar y en gran medida simplifican la instalación de las tecnologías DER conectadas a la red y pueden ser claves para la modernización de la red. Los interruptores de estado sólido reemplazan SF6, aire, aceite e interruptores con conmutación de semiconductor. Proporcionan velocidades de conmutación mucho más rápida junto con sensores y controles avanzados que pueden ser usados para eliminar las contribuciones de corriente de fallo, haciendo así despreciable la coordinación DER.

Características del fallo de los inversores basados en DER

Los inversores no se comportan igual en las máquinas síncronas o de inducción. Los inversores no tienen un componente de masa rotatoria; por lo tanto, no desarrollan inercia para transportar corrientes de fallo basadas en unas características electromagnéticas. Los inversores electrónicos de potencia tienen un decaimiento de la envolvente mucho más rápido para las corrientes de fallo debido a que a los dispositivos les faltan características predominantemente inductivas que son asociadas con las máquinas rotatorias. Estas características dictan las constantes de tiempo implicadas con el circuito. Los inversores también pueden controlarse como las máquinas rotatorias debido a que pueden programarse variando la longitud de tiempo que se tarda en responder a las condiciones de fallo. Esto tendrá impacto en las características de la corriente de fallo del inversor.

La interface del inversor entre el DER y la conexión a red puede usar un esquema de control de voltaje o un esquema de control de corriente. El DC conecta el condensador entre el convertidor DC/AC y la unidad DER mantiene el voltaje casi constante durante las condiciones transitorias. El esquema de control de voltaje tiene un exceso de corriente inicial más alto, mientras que el esquema de control de corriente tiene un incremento mucho más lento y decrece a valores en estado estacionario. La contribución del fallo será más alto durante el periodo transitorio (ej. los primeros 5 – 10 ciclos) si el DER está bajo el esquema de control de voltaje.

Existe potencial para cortar los sistemas de interface de PE para orquestar topologías con conmutadores de semiconductor de subciclo rápido de forma que se mitigan las consecuencias negativas de los sistemas DER. Para determinar las características de corriente de cortocircuito de un inversor, se llevarán a cabo ensayos. Estos ensayos son usados para desarrollar modelos de inversores DER que pueden usarse en modelos de distribución.

Bibliografía:
  • Understanding Fault Characteristics of Inverter-Based Distributed Energy Resources. National Renewable Energy Laboratory

Palabras clave:

DER (Distributed Energy Resources), electrical distribution system (EDS), Insulated gate bipolar transistors (IGBTs)
Publicar un comentario