Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN Contenido 1. OBJETO. ....................................................................................... 4 2. DESCRIPCIÓN CONTROLADOR. ................................................... 4 2.1 CONTROLADOR DE POTENCIA ACTIVA. .................................................... 5 2.1.1 Consigna de Curtailment........................................................................ 5 2.1.2 Control de rampa. .................................................................................. 5 2.2 CONTROLADOR DE POTENCIA REACTIVA. ................................................ 7 3. PROTECCIONES SOFTWARE ......................................................... 8 3.1 PROTECCIONES DE TENSIÓN AC (VRT). ................................................... 8 3.2 PROTECCIONES DE TENSIÓN EN EL POI. ................................................ 11 3.3 PROTECCIONES DE FRECUENCIA (FRT) .................................................. 14 3.4 PROTECCIONES DE CORRIENTE AC (CRT) .............................................. 17 3.5 PROTECCIONES V/I ASIMÉTRICAS. ........................................................ 17 3.6 FUNCIONAMIENTO FRENTE A FALTAS DE TENSIÓN TRANSITORIAS EN LA RED. 18 3.6.1 Protección frente a saltos de fase. ....................................................... 21 3.7 PROTECCIÓN ANTI-ISLA. ........................................................................ 22 3.8 PROTECCIÓN FRENTE A CORTOCIRCUITOS. .......................................... 22 3.9 PROTECCIÓNES V/I EN LA ETAPA DC. ..................................................... 22 3.10 PROTECCIÓNES DE TEMPERATURA Y HUMEDAD. ................................... 22 4. SATURACIONES SOFTWARE. ...................................................... 24 4.1 VALORES NOMINALES. ............................................................................ 24 4.1.1 Parámetros. .......................................................................................... 24 4.2 SATURACIONES DE P Y Q. ....................................................................... 25 4.2.1 Parámetros. .......................................................................................... 25 4.3 SATURACION POR SMAX. ......................................................................... 26 4.3.1 Parámetros. .......................................................................................... 27 4.4 SATURACION POR SMAX OUT. ................................................................... 28 4.4.1 Parámetros. .......................................................................................... 28 Page 1 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA 4.5 Reviewed by: JVN Approved by: JVN CURVA DE CAPABILIDAD. ....................................................................... 29 4.5.1 Parámetros. .......................................................................................... 29 4.6 DERATING POR TENSIÓN VDC. ............................................................... 30 4.6.1 Parámetros. .......................................................................................... 31 4.7 DERATING POR TEMPERATURA AMBIENTE. ........................................... 32 4.7.1 Parámetros. .......................................................................................... 32 4.8 SOBRECARGA. ......................................................................................... 34 4.8.1 Parámetros. .......................................................................................... 35 4.9 DERATING POR FLUJO DE CARGA DE VENTILACIÓN. ............................. 36 4.9.1 Parámetros. .......................................................................................... 36 4.10 CORRECCIÓN POR TENSIÓN VAC............................................................ 37 4.11 DERATING POR MODO ESPECIAL DE FUNCIONAMIENTO FALTAS DE SVC. 38 4.11.1 Parámetros. .................................................................................... 38 4.12 REGULACIÓN DE FRECUENCIA................................................................ 39 4.12.1 DESCRIPCIÓN. ............................................................................... 39 4.12.2 MODOS DE OPERACIÓN. ................................................................ 39 4.12.2.1 Histéresis .................................................................................................................. 40 4.12.2.2 Sin retorno. ............................................................................................................... 40 4.12.3 Parámetros. .................................................................................... 40 4.13 Q AT NIGHT................................................................................................. 41 4.13.1 Parámetros. .................................................................................... 42 Page 2 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN Índice de Figuras Figura 2.1: Diagrama de control de un convertidor GPT. ............................................................ 4 Figura 2.2: Ejemplo de actuación de curtailment. ...................................................................... 5 Figura 2.3: Ejemplo de actuación de controlador de rampa. ....................................................... 6 Figura 4.1: Zonas de operación protección tensión .................................................................... 9 Figura 4.2: Zonas de operación protección tensión frente al tiempo (VRT) ................................. 10 Figura 4.3: Zonas de operación protección tensión .................................................................. 12 Figura 4.4: Zonas de operación protección tensión frente al tiempo (VRT) ................................. 12 Figura 4.5. Zonas de operación protección frecuencia .............................................................. 15 Figura 4.6: Zonas de operación protección frecuencia frente al tiempo (FRT) ............................. 16 Figura 4.7. Zonas de funcionamiento de la protección de tensión (V) con la protección de huecos activada ............................................................................................................................... 18 Figura 4.8: Gráfica de un hueco de tensión ............................................................................. 20 Figura 4.9Voltage Ride-Through Requirements (Figure 1 PREPA MTR). ..................................... 21 Figura 5.1: Saturaciones de P y Q máximas del inversor........................................................... 25 Figura 5.2: Limitación por Smax. ............................................................................................ 26 Figura 5.3: Ejemplo de limitación por Smax por prioridad P o Q. ............................................... 27 Figura 5.4: Limitación por Smax. ............................................................................................ 28 Figura 5.5: PV500WD2 capability performance at 95ºF/35ºC. ................................................... 29 Figura 5.6: Sobretensión de IGBT por Vdc. ............................................................................. 30 Figura 5.7: Esquemáltico de circuito parásito ante una sobretensión. ........................................ 30 Figura 5.8: Curva de derating de Vdc. .................................................................................... 31 Figura 5.10: Curva lineal configurable de derating de temperatura. ........................................... 32 Figura 5.11: Definición de curva de sobrecarga. ...................................................................... 34 Figura 5.12: Aplicación del droop del flujo de carga. ................................................................ 36 Figura 5.13: Correción de S por tensión VAC. .......................................................................... 37 Figura 5.14: Curva de escalado de modo especial SVC. ............................................................ 38 Figura 5.15: Métodos de frequency response .......................................................................... 39 Figura 5.16: Secuencia de Q at night. ..................................................................................... 41 Índice de Tablas Tabla Tabla Tabla Tabla Tabla Tabla Tabla 4.1: Parámetros de la protección de tensión (VRT) ........................................................... 8 4.2: Parámetros de la protección de tensión (VRT) ......................................................... 11 4.3: Parámetros de la protección de tensión (FRT) ......................................................... 14 4.4: Parámetros de la protección de corriente. ............................................................... 17 4.5: Parámetros de la protección de asimetría de tensión. ............................................... 17 4.6. Parámetros de la protección de asimetría de corriente. ............................................. 17 4.8: Umbrales de error y alarma de temperatura y humedad. .......................................... 23 Page 3 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA 1. Reviewed by: JVN Approved by: JVN OBJETO. El objeto del presente documento es describir las principales funcionalidades y protecciones a nivel de software de la familia de inversores WD. 2. DESCRIPCIÓN CONTROLADOR. El diagrama de control de una máquina GPT WD se muestra en la Figura 2.1: PrefSP Pref’ Pmax Middle level Pref Pmin Id ref Pref sat lim calculation Hardware level Low level High level Irst RST/ DQ0 Idq Duty Control Current controller IGBT Drive System Vrst Vdc Qref sat lim calculation Iq ref Qmax QrefSP Qmin Qref Middle level Figura 2.1: Diagrama de control de un convertidor GPT. El controlador está dividido en 4 capas de control claramente diferenciadas: High level: Se encarga de gestionar y generar las referencias apropiadas de potencia activa y reactiva (Pref y Qref) para que la máquina realice las acciones requeridas. Middle level: El controlador de la capa media modifica las referencias en caso necesario en función de agentes externos, eléctricos o ambientales que puedan modificar la capabilidad del inversor. Por ejemplo, la actuación de huecos de tensión se produciría en el interior de esta capa. Low level: Este nivel incluye el bucle de control interno de corriente necesario para seguir las referencias impuestas. Hardware level: Se encarga de traducir las señales de control a los pulsos físicos del convertidor. En las próximas secciones se describe como se generan las referencias de potencia activa y reactiva del convertidor. Page 4 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA 2.1 Reviewed by: JVN Approved by: JVN CONTROLADOR DE POTENCIA ACTIVA. El equipo WD dispone de 3 modos de funcionamiento para fijar la referencia de potencia activa: Modo MPPT: Modo de control automático en el que el equipo está conectado a un campo de paneles y el equipo extrae la máxima potencia disponible. Modo manual Pref: Modo utilizado en sistemas de baterías o en plantas con MPPT externo. El equipo recibe una consigna externa de referencia de potencia activa que debe seguir. Modo manual Vdcref: El equipo recibe o tiene fijada una referencia de Vdc que debe mantener. Se regula la potencia activa para mantener la consigna de tensión. Modo utilizado en sistemas rectificadores y SVCs. Independientemente del modo de control, es posible modificar la potencia activa entregada utilizando las acciones de curtailment y control de rampa (la utilización de estas restricciones en el modo manual Vdcref puede provocar la inestabilización del sistema). 2.1.1 Consigna de Curtailment. Es posible enviar una referencia de saturación de potencia activa al equipo WD de forma remota. Esta referencia permite limitar al valor seleccionado la potencia activa entregada por el convertidor. El siguiente ejemplo muestra el comportamiento de una referencia de curtailment enviada a un sistema PVWD. En la gráfica se observa como la potencia entregada desciende cuando se envía una referencia de curtailment, a pesar de que la máquina podría generar más potencia. En un segundo evento, cuando cae la irradiancia, la potencia activa se queda por debajo del límite impuesto, ya que la potencia disponible es menor al límite impuesto. P generada P P disponible P curtailment 0 T Figura 2.2: Ejemplo de actuación de curtailment. 2.1.2 Control de rampa. También es posible configurar una rampa de cambio máximo de la referencia de potencia activa. Esta funcionalidad permite asegurar transiciones suavizadas en las reconexiones de planta. Page 5 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN Indicar que en sistemas PV, no siempre es posible limitar la velocidad de cambio de la potencia entregada. En los momentos de arranque, subida de irradiancia y regulación por curtailment siempre se podrá seguir el valor de rampa indicado. Sin embargo, ante una caída brusca de irradiancia, al no disponer de sistemas de almacenamiento en el convertidor, la caída de producción se producirá de forma instantánea (este problema se puede solucionar instalando sistemas BESS en la planta). La rampa se puede configurar en dos modos de funcionamiento: una rampa con un valor fijo sobre la potencia nominal de la máquina, o bien, una rampa en función del valor de la potencia actual de la máquina. El siguiente ejemplo muestra el comportamiento del controlador de rampa con un valor fijo en un sistema PVWD. En la gráfica se observa primero el arranque de la máquina y como la potencia sube linealmente de acuerdo a una rampa fijada por el usuario. En un segundo evento, ante un cambio en el valor de curtailment, la P evoluciona de nuevo bajando la potencia de acuerdo al valor de rampa. Finalmente, un tercer evento, en el que cae la P disponible, no es posible seguir la rampa y se produce una caída instantánea. P generada P P disponible P curtailment 0 T Figura 2.3: Ejemplo de actuación de controlador de rampa. Page 6 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA 2.2 Reviewed by: JVN Approved by: JVN CONTROLADOR DE POTENCIA REACTIVA. El equipo WD permite el seguimiento de una referencia de potencia reactiva. Existen varios modos de funcionamiento configurables en el equipo WD: Por defecto: El convertidor WD opera con un factor de potencia unitario. Manual: Se establece en la configuración una referencia de reactiva que siga el convertidor de forma automática. Referencia externa: El equipo WD atiende peticiones externas de seguimiento de referencias de Qref. El método y formato dependen de los opcionales de comunicaciones. QvsV: Modo de funcionamiento automático para la regulación de tensión mediante la inyección de potencia reactiva para cumplimiento de norma CEI 0.16 QvsPF&P: Modo de funcionamiento automático en función de Pref para cumplimiento de la norma CEI 0.16. El seguimiento de la referencia de potencia reactiva está condicionado a la generación de potencia activa del inversor. En caso que simultáneamente no puedan satisfacerse ambos requerimientos ha de establecerse un criterio de prioridad, y cometer el menor error posible en la otra magnitud. Es posible configurar el equipo WD para que prime la generación de potencia activa o el seguimiento de potencia reactiva (en sistemas SVCs ha de establecerse la prioridad de potencia activa para garantizar la estabilidad del sistema). Page 7 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA 3. Reviewed by: JVN Approved by: JVN PROTECCIONES SOFTWARE Las protecciones software del equipo permiten mediante la monitorización de señales del equipo controlar que el sistema permanezca dentro de los límites de operación del equipo. Ante una operación anómala se procederá a realizar una desconexión de forma controlada del equipo, o bien, ejercer acciones correctoras para el restablecimiento del equipo o la red. Nota: Los tiempos indicados en los siguientes apartados están referidos a los tiempos de actuación de las protecciones y en los que se detiene el funcionamiento del convertidor de potencia. 3.1 PROTECCIONES DE TENSIÓN AC (VRT). La protección Voltage Ride Through (VRT) determina el comportamiento del convertidor ante variaciones de tensiones en la red. Dicho comportamiento consiste en seguir conectado y operando durante un tiempo que dependerá del evento de tensión que se haya producido. Esta protección está siempre activa. Los límites y tiempos de actuación son totalmente configurables a través de software. Dichos parámetros figuran a continuación: Parámetros VacPeakV2 (p.u.) (*) VacPeakV1 (p.u.) (*) VacHighV2 (p.u.) VacHighV1 (p.u.) VRMSNom (Vrms ph-n) VacLowV1 (p.u.) VacLowV2 (p.u.) Tabla 3.1: Parámetros de la Tiempos Actuación 1 ms VacPeakT1 (us) VacHighT2 (ms) VacHighT1 (ms) -VacLowT1 (ms) VacLowT2 (ms) protección de tensión (VRT) Con esto se delimitan zonas de valores de tensión, y dependiendo en qué zona esté el valor de la tensión medido el tiempo de actuación será uno u otro: Zona 1: el WD sigue trabajando bajo las mismas condiciones de forma indefinida. Zona 2: el WD sigue trabajando bajo las mismas condiciones durante un tiempo máximo VacHighT1, momento en el cual el WD se desconecta de red. Zona 3: el WD sigue trabajando bajo las mismas condiciones durante un tiempo máximo VacLowT1, momento en el cual el WD se desconecta de red. Zona 4: el WD sigue trabajando bajo las mismas condiciones durante un tiempo máximo VacHighT2, momento en el cual el WD se desconecta de red. Zona 5: el WD sigue trabajando bajo las mismas condiciones durante un tiempo máximo VacLowT2, momento en el cual el WD se desconecta de red. Zona 6: el WD se desconecta de red en un tiempo máximo de VacPeakT1. Zona 7: el WD se desconecta de red de forma inmediata. Page 8 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN ZONA 7 ZONA 6 ZONA 4 ZONA 2 Vac Peak V2 Vac Peak V1 Vac High V2 Vac High V1 ZONA 1 ZONA 3 ZONA 5 V RMS Nom Vac Low V1 Vac Low V2 Figura 3.1: Zonas de operación protección tensión Otra forma de representar el comportamiento de esta protección sería graficar su evolución en el tiempo: Page 9 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN System Voltage VacPeakV2 VacPeakV1 VacHighV2 VacHighV1 V RMS Nom VacLowV1 VacLow2 0 VacLowT2 VacPeakT1 VacLowT1 VacHighT2 VacHighT1 Figura 3.2: Zonas de operación protección tensión frente al tiempo (VRT) De la gráfica anterior se puede obtener el tiempo que tardará el convertidor en desconectarse de la red dependiendo del evento de tensión que haya sucedido, para ello basta con entrar por el eje de ordenadas y trazar una horizontal hasta cortar a una de las líneas rojas. En resumen, esta protección está totalmente parametrizada, de tal forma que el WD pueda ser usado bajo distintas normativas. Nota (*): Los límites indicados con Peak se efectúan sobre las medidas instantáneas de tensión, no sobre las medidas RMS como el resto de límites indicados. Page 10 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA 3.2 Reviewed by: JVN Approved by: JVN PROTECCIONES DE TENSIÓN EN EL POI. Opcionalmente (paquete de parámetros opcional) es posible introducir en el WD una protección en función de la tensión presente en el POI, siempre y cuando esta se envíe de forma periódica por unas comunicaciones externas al inversor. El equipo sigue conectado y operando durante un tiempo que dependerá del evento de tensión que se haya producido en el POI. Esta protección puede estar siempre activa o no estar activa según se configure por parámetros. Los límites y tiempos de actuación son totalmente configurables a través de software. Dichos parámetros figuran a continuación: Parámetros VPOIHighV2 (p.u.) VPOIHighV1 (p.u.) VPOILowV1 (p.u.) VPOILowV2 (p.u.) Tabla 3.2: Parámetros de la Tiempos Actuación VPOIHighT2 (ms) VPOIHighT1 (ms) VPOILowT1 (ms) VPOILowT2 (ms) protección de tensión (VRT) Con esto se delimitan zonas de valores de tensión, y dependiendo en qué zona esté el valor de la tensión medido el tiempo de actuación será uno u otro: Zona 1: el WD sigue trabajando bajo las mismas condiciones de forma indefinida. Zona 2: el WD sigue trabajando bajo las mismas condiciones durante un tiempo máximo VPOIHighT1, momento en el cual el WD se desconecta de red. Zona 3: el WD sigue trabajando bajo las mismas condiciones durante un tiempo máximo VPOILowT1, momento en el cual el WD se desconecta de red. Zona 4: el WD sigue trabajando bajo las mismas condiciones durante un tiempo máximo VPOIHighT2, momento en el cual el WD se desconecta de red. Zona 5: el WD sigue trabajando bajo las mismas condiciones durante un tiempo máximo VPOILowT2, momento en el cual el WD se desconecta de red. Page 11 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN ZONA 4 ZONA 2 VPOI High V2 VPOI High V1 ZONA 1 ZONA 3 ZONA 5 V RMS Nom VPOI Low V1 VPOI Low V2 Figura 3.3: Zonas de operación protección tensión Otra forma de representar el comportamiento de esta protección sería graficar su evolución en el tiempo: System Voltage VPOIHighV2 VPOIHighV1 V RMS Nom VPOILowV1 VPOILow2 0 VPOILowT2 VPOILowT1 VPOIHighT2 VPOIHighT1 Figura 3.4: Zonas de operación protección tensión frente al tiempo (VRT) Page 12 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN De la gráfica anterior se puede obtener el tiempo que tardará el convertidor en desconectarse de la red dependiendo del evento de tensión que haya sucedido, para ello basta con entrar por el eje de ordenadas y trazar una horizontal hasta cortar a una de las líneas rojas. En resumen, esta protección está totalmente parametrizada, de tal forma que el WD pueda ser usado bajo distintas normativas. Nota: Esta protección debe ser activada expresamente y un elemento externo tiene que escribir en el registro Modbus reservado la tensión del POI (p.u.) a una tasa adecuada. Page 13 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA 3.3 Reviewed by: JVN Approved by: JVN PROTECCIONES DE FRECUENCIA (FRT) La protección Frequency Ride Through (FRT), determina el comportamiento ante variaciones de frecuencia de la tensión de la red, de tal forma que el convertidor seguirá conectado y operando un tiempo que dependerá del evento que haya sucedido en la red. Esta protección actúa ante cambios de frecuencia, estando parametrizada de forma similar a la protección de tensión. Parámetros fHighV3 (Hz) fHighV2 (Hz) fHighV1 (Hz) fNom (Hz) fLowV1 (Hz) fLowV2 (Hz) fLowV3 (Hz) Tabla 3.3: Parámetros de la Tiempos Actuación 1/fNom fHighT2 (ms) fhighT1 (ms) -fLowT1 (ms) fLowT2 (ms) 1/fNom protección de tensión (FRT) Con esto se delimitan zonas de valores de frecuencia, y dependiendo en qué zona esté el la frecuencia medida el tiempo de actuación será uno u otro: Zona 1: el WD sigue trabajando bajo las mismas condiciones de forma indefinida. Zona 2: el WD sigue trabajando bajo las mismas condiciones durante un tiempo fHighT1, momento en el cual el WD se desconecta de red. Zona 3: el WD sigue trabajando bajo las mismas condiciones durante un tiempo fLowT1, momento en el cual el WD se desconecta de red. Zona 4: el WD sigue trabajando bajo las mismas condiciones durante un tiempo fHighT2, momento en el cual el WD se desconecta de red. Zona 5: el WD sigue trabajando bajo las mismas condiciones durante un tiempo fLowT2, momento en el cual el WD se desconecta de red. Zona 6: el WD se desconecta de forma inmediata. Zona 7: el WD se desconecta de forma inmediata. valor de máximo máximo máximo máximo Page 14 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN ZONA 6 ZONA 4 fHighV3 fHighV2 ZONA 2 fHighV1 ZONA 1 ZONA 3 ZONA 5 ZONA 7 fNom fLowV1 fLowV2 fLowV3 Figura 3.5. Zonas de operación protección frecuencia Otra forma de representar el comportamiento de esta protección sería graficar su evolución en el tiempo: Page 15 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN Grid Frequency fHighV3 fHighV2 fHighV1 fNom fLowV1 fLowV2 fLowV3 < 160 ms fLowT2 fHighT2 fLowT1 fHighT1 Figura 3.6: Zonas de operación protección frecuencia frente al tiempo (FRT) De la gráfica anterior se puede obtener el tiempo que tardará el convertidor en desconectarse de la red dependiendo del evento de frecuencia que haya sucedido, para ello basta con entrar por el eje de ordenadas y trazar una horizontal hasta cortar a una de las líneas rojas. De nuevo nuestra protección de frecuencia nos permite adaptarnos a cualquier normativa. Page 16 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA 3.4 Reviewed by: JVN Approved by: JVN PROTECCIONES DE CORRIENTE AC (CRT) El WD dispone de una protección de pico de sobrecorriente. Si se sobrepasa el valor límite establecido por parámetros (IacPeakV1) en cualquiera de las fases durante más de 1ms, se generará un error y se llevará a cabo una desconexión del sistema. Para la detección de este error se considera la medida de corriente instantánea. Parámetros Iac Peak V1 (p.u.) Iac RMS Nom (A) Tabla 3.4: Parámetros de 3.5 Tiempos Actuación 1ms -la protección de corriente. PROTECCIONES V/I ASIMÉTRICAS. La protección asimétrica vigila la homogeneidad tanto en las tensiones como en las corrientes AC. Se establecerá un umbral de asimetría de tensión AC en p.u. por parámetros. Se establecen dos límites, un umbral temporizado por parámetros, y un límite de accionamiento instantáneo. Si los valores eficaces entre fases disciernen tal que se sobrepase el umbral, se producirá la desconexión del WD. Parámetros Tiempos Actuación AsimetríaV2 (p.u.) 1 ms AsimetríaV1 (p.u.) TacAsimV1 (ms) Tabla 3.5: Parámetros de la protección de asimetría de tensión. Así mismo, se establecerá un umbral de asimetría de corriente en p.u. por parámetros. Se establecen dos límites, un umbral temporizado por parámetros, y un límite de accionamiento instantáneo. Si los valores eficaces entre fases disciernen tal que se sobrepase el umbral, se producirá la desconexión del WD. Por otro lado, la protección sólo se activará si se sobrepasa un nivel de carga mínimo (Imin Asimetria). Parámetros Tiempos Actuación AsimetríaI2 (p.u.) 1 ms AsimetríaI1 (p.u.) TacAsimI1 (ms) Imin Asimetria (p.u.) -Tabla 3.6. Parámetros de la protección de asimetría de corriente. Page 17 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA 3.6 Reviewed by: JVN Approved by: JVN FUNCIONAMIENTO FRENTE A FALTAS DE TENSIÓN TRANSITORIAS EN LA RED. La protección de huecos de tensión engloba tanto situaciones en las que se producen subtensiones, Low Voltage Rode Through (LVRT), como cuando se producen sobretensiones, High Voltage Ride Through (HVRT). De nuevo son configurables por software. Tanto para HVRT como LVRT asimétricos el inversor permanece conectado a red cesando cualquier inyección de corriente. En cambio para el caso de LVRT y HVRT simétricos se puede elegir mediante software el algoritmo que rige el comportamiento durante el transcurso de la falta. El umbral de asimetría no es accesible por parámetros y actualmente está fijado en el 7 %. También se puede elegir mediante software el algoritmo que rige el comportamiento durante el transcurso del hueco. La siguiente figura delimita las distintas zonas de funcionamiento de las protecciones de tensión con la opción de huecos de tensión activada. ZONA 6 ZONA 4 V upper mod in VacHighV2 ZONA 2 VacHighV1 ZONA 1 ZONA 3 ZONA 5 V RMS Nom VacLowV1 VacLowV2 V mod in ZONA 7 Figura 3.7. Zonas de funcionamiento de la protección de tensión (V) con la protección de huecos activada Page 18 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN Como novedad se observa que se ha introducido los parámetros “V mod in” y “V upper mod out”, estos valores de tensión nos determinan la activación de la protección de huecos de tensión. Al ser estos valores parametrizables a través de software, el diagrama anterior puede ser modificado. En el caso de subtensiones si “V mod in” es mayor que “VacLowV2” la zona 5 pasaría a ser también zona de actuación de la protección frente a huecos, al igual que la zona 7. Sin embargo, en el caso de sobretensiones RMS y de pico los límites si siguen activos de forma paralela aun cuando el hueco está activo. Es posible activar solo la protección frente a faltas transitorias de subtensión y dejar desactivada la de sobretensión, de tal forma que el WD ante una subtensión menor que “V mod in” se comportará según la protección de huecos, y ante sobretensiones se comportará según lo descrito en el apartado 3.1 del presente documento. Para el modo de huecos de tensión existen distintos modos de funcionamiento configurables mediante software. Todos estos modos están referidos a faltas de tipo simétrico, para faltas asimétricas siempre se actuará en modo “inactive”: 1. Inactive: el WD durante zonas B y C deja de inyectar corriente activa (iP), y sólo inyecta una pequeña corriente reactiva (iQ) debida a los condensadores de filtrado. 2. Q max: el WD durante zonas B y C, para el caso de LVRT inyecta la máxima corriente reactiva (iQmax) que le permiten las curvas de capabilidad definidas y las condiciones bajo las que se encuentra operando el convertidor (Tª y Vdc), en cambio para HVRT inyecta la mitad de la intensidad inductiva máxima (iQmax/2) que le permiten las condiciones de operación del inversor. 3. Power factor: el WD durante zonas B y C el 95 % de la corriente activa (iP) y reactiva (iQ) que existía en momentos previos a la falta, de tal forma que se mantiene el factor de potencia que existía en el momento previo al hueco. 4. Droop: el WD durante zonas B y C inyecta Q, el valor de potencia reactiva a inyectar depende de la tensión que exista en bornas del WD. La corriente reactiva inyectada (IQ) será tal que se considerará la I reactiva previa al hueco (IQprevia), y sobre esta se añadirá el término de droop correspondiente. El término de droop vendrá dado por un factor de escalado por parámetros (Kdroop) por el valor de la profundidad del hueco (la profundidad se podrá configurar para que sea referida (Vin_droop) al valor nominal o a Vmod In). ( ) No se inyecta potencia activa P. 5. Droop Max P: el WD durante zonas B y C inyecta Q, el valor de potencia reactiva se calcula de acuerdo al modo droop. Se inyecta la máxima activa P posible hasta el valor previo al hueco, dando prioridad a la inyección de reactiva. Durante el transcurso del hueco y para todos los modos de funcionamiento existen varias zonas, durante las cuales el WD evoluciona su comportamiento. Todas estas zonas están temporizadas mediantes parámetros. Zona A: el WD deja de conmutar independientemente del modo de funcionamiento seleccionado Zona B: el WD se adapta al modo de funcionamiento seleccionado. Zona C: el WD sigue funcionando del mismo modo que lo hacía en zona B. Page 19 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN Zona D: el WD deja de inyectar corriente. Zona E: el WD retorna al punto de funcionamiento previo al hueco siguiendo una rampa lineal. El valor de la rampa es tal que se pasa de 0 a I nominal en el tiempo de duración de la zona E. En la siguiente imagen se observa cómo en el caso de que la tensión alcance el valor de Mod In, entra en funcionamiento la protección de hueco del WD. El valor de tensión mod Out es el valor a partir del cual el WD comienza a salir de la protección de hueco siguiendo las zonas establecidas mediante software. V Mod Out Mod In tA A tB B tC tD tE tF C D E F Time Figura 3.8: Gráfica de un hueco de tensión En conclusión, al ser todos los tiempos y valores de tensión, que delimitan las zonas, configurables mediante software, nuestro WD puede adaptarse a cualquier normativa con tan sólo una correcta configuración de los parámetros. Por ejemplo, podemos reseñar el cumplimiento del perfil prescrito en los Requerimientos Técnicos Mínimos exigidos por PREPA para la conexión a la red de Puerto Rico: Page 20 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN Figura 3.9Voltage Ride-Through Requirements (Figure 1 PREPA MTR). La protección de huevos de tensión para sobretensiones análogo y es igualmente parametrizable. tiene un funcionamiento totalmente Si bien el perfil máximo de subtensión es configurable, han de tenerse en cuenta de no sobrepasar los puntos límite de funcionamiento de la máquina. Para conocer los límites en cada caso, consultar con el fabricante. Por otro lado, el perfil máximo de sobretensión puede configurarse al tiempo deseado. Sin embargo, el valor límite debe estar en concordancia de no exceder la protección de pico de tensión AC del WD. 3.6.1 Protección frente a saltos de fase. Si se produce una situación anómala en el sistema debido a una variación brusca de la carga que genere un salto de fase en la tensión en bornas del WD, éste será capaz de detectarla y recuperarse automáticamente tras la falta, sin necesidad de efectuar una maniobra de desconexión. El tiempo de despeje de la falta puede ser configurable por parámetros. Page 21 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA 3.7 Reviewed by: JVN Approved by: JVN PROTECCIÓN ANTI-ISLA. Los WD están preparados con un método para detectar situaciones de isla en la red eléctrica. Si se detecta una situación de isla, se produce la desconexión automática del WD. Dispone de protecciones pasivas basadas en las protecciones de tensión y de frecuencia, y también incluye un método activo de detección activable por la parametrización del equipo. En función de los requerimientos de la instalación el método activo es habilitado o no. El método activo de AI implementado es del tipo de realimentación positiva. Es un algoritmo propietario de GPTech actualmente bajo revisión de patente. Se basa en la inyección de una perturbación de potencia reactiva para provocar una desviación en la frecuencia de la isla. El método se ha certificado para pruebas UL e IEC garantizando tiempos de detección inferiores a 1 segundo con factores de calidad de 1 y 2.5. Nota: Para más detalles consultar con el equipo de desarrollo de GPTech. 3.8 PROTECCIÓN FRENTE A CORTOCIRCUITOS. El equipo WD incopora un método Fast Peak Current Control (FPCC) propietario de GPTech para controlar transitorios de picos de corriente frente a faltas no esperadas en la red como por ejemplo cortocircuitos. El método se encuentra actualmente bajo revisión de patente. La funcionalidad del método es limitar cualquier pico de corriente no controlado debido a una falta súbita en la red, evitando daños y la desconexión del equipo. Nota: Para más detalles consultar con el equipo de desarrollo de GPTech. 3.9 PROTECCIÓNES V/I EN LA ETAPA DC. El equipo WD cuenta con dos protecciones en la etapa de entrada continua. Por un lado, se fija una tensión Dc máxima (Vdc Max) y una corriente DC máxima total (Idc Pico Max) y por rama (Idc R Pico Max). Si cualquiera de las dos magnitudes (Vdc o Idc) sufre un transitorio no controlado que excede más de 1ms los umbrales establecidos, se produce la desconexión de la máquina. 3.10 PROTECCIÓNES DE TEMPERATURA Y HUMEDAD. El equipo WD monitoriza varias medidas de temperatura y humedad en puntos clave de la máquina. Si la máquina llegase a operar por encima de los valores de funcionamiento especificados en el datasheet del equipo, provoca la desconexión del equipo para proteger la integridad del mismo y evitar daños. Todos los límites pueden ser configurables siempre y cuando se respeten los límites de funcionamiento del inversor. La siguiente tabla recoge los umbrales Page 22 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN configurables en la máquina (dependiendo el modelo de WD algunos de estos parámetros pudieran no estar disponibles): Parámetros T Bobina Alarma Descripción Umbral máximo de alarma de la temperatura de la inductancia T Bobina Error Umbral máximo de error de la temperatura de la inductancia T Stack Alarma Umbral máximo de alarma de la temperatura del radiador de ventilación de los stacks T Stack Error Umbral máximo de error de la temperatura del radiador de ventilación de los stacks Max Temp Amb Hab Umbral máximo de error de la temperatura ambiente interior del inversor Min Temp Amb Hab Umbral mínimo de error de la temperatura ambiente interior del inversor Max Temp Amb Vstck Umbral máximo de error de la temperatura ambiente exterior de ventilación del inversor Humedad Max Umbral máximo de error de la humedad ambiente Tabla 3.7: Umbrales de error y alarma de temperatura y humedad. Page 23 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN 4. SATURACIONES SOFTWARE. 4.1 VALORES NOMINALES. Approved by: JVN Se establecen una serie de valores nominales para definir el rango de operación nominal de la máquina y referenciar con respecto a estos el resto de parámetros del convertidor. Entre los valores definidos encontramos tensión AC y corriente AC. Muchos parámetros se establecen conforme a la potencia nominal del equipo. Sin embargo, la potencia nominal del equipo no se define por parámetros, y se especifica como 3*VRMSNom*IacRMSNom. 4.1.1 Parámetros. VRMS Nom: Tensión de red nominal RMS fase-neutro (V). IacRMS Nom: Corriente nominal de salida del satck RMS (A). Page 24 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA 4.2 Reviewed by: JVN Approved by: JVN SATURACIONES DE P Y Q. El equipo cuenta con unas saturaciones de potencia activa y reactiva máxima y mínima definidas por parámetros. Estos límites son absolutos y no se ven corregidos por ningún factor. Su función es aportar un rango de operación de seguridad y control al inversor, garantizando la operación dentro de estos límites incluso ante malfuncionamientos. En la Figura 4.1 se muestra el área de control permitida en el equipo (zona rayada). P (p.u.) PrefSatMax 0.00 PrefSatMin QrefSatMin 0.00 QrefSatMax Q (p.u.) Figura 4.1: Saturaciones de P y Q máximas del inversor. 4.2.1 Parámetros. PrefSatMax: Potencia activa máxima absoluta del convertidor (p.u.). PrefSatMin: Potencia activa mínima absoluta del convertidor (p.u.). QrefSatMax: Potencia reactiva máxima absoluta del convertidor (p.u.). QrefSatMin: Potencia reactiva mínima absoluta del convertidor (p.u.). Page 25 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA 4.3 Reviewed by: JVN Approved by: JVN SATURACION POR SMAX. Debido a la limitación de corriente de salida del stack del convertidor, se establece una potencia aparente máxima tal que se respete la magnitud límite de corriente. En la Figura 4.2 se muestra la limitación impuesta, dejando la zona rayada como la zona de operación válida. P (p.u.) SMax 0.00 -SMax -SMax 0.00 SMax Q (p.u.) Figura 4.2: Limitación por Smax. Esta limitación depende de dos valores, P y Q, por lo que en caso de que ambos no se puedan satisfacer simultáneamente ha de establecerse una prioridad para cumplir con uno de los dos en la medida de lo posible, y dejar el menor error posible en la otra medida. En la Figura 4.3 se muestra un ejemplo en el que se quiere llegar a Pdes y Qdes, que se salen del rango de Smax, teniendo prioridad P, quedarían las potencias dibujadas en azul, mientras para prioridad Q, quedarían los valores indicados en verde. Page 26 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN P (p.u.) Pdes 0.00 Qdes 0.00 Q (p.u.) Figura 4.3: Ejemplo de limitación por Smax por prioridad P o Q. 4.3.1 Parámetros. SMax: Potencia aparente máxima permitida (p.u.). Prioridad P-Q: Selección entre el tipo de prioridad que aplicar en el caso de saturación. Se puede seleccionar entre prioridad P y prioridad Q. Page 27 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN 4.4 SATURACION POR SMAX OUT. Debido a la limitación de corriente de salida del convertidor, se establece una potencia aparente máxima de salida. Esta saturación es similar a la Smax, pero considerando la salida del equipo, no solo la salida del stack. En la práctica, se trata del mismo tipo de limitación, pero en la potencia del convertidor hay que añadir la componente reactiva del filtro de salida. Esto puede llevar a saturaciones no detectadas con la protección de Smax en el borde capacitivo del campo de trabajo. En la Figura 4.2 se muestra la limitación impuesta, dejando la zona rayada como la zona de operación válida. P (p.u.) SMaxout SMax 0.00 -SMaxout -SMaxout 0.00 SMaxout Q (p.u.) Figura 4.4: Limitación por Smax. 4.4.1 Parámetros. SMaxout: Potencia aparente máxima permitida a la salida del equipo (p.u.). Page 28 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA 4.5 Reviewed by: JVN Approved by: JVN CURVA DE CAPABILIDAD. Es posible configurar el convertidor para que tenga en cuenta la limitación por capabilidad que pueda tener el convertidor. El objetivo es evitar que el convertidor entre en la zona de sobremodulación para llegar al punto de operación deseado y se produzca una situación de inestabilidad en el control o un THD excesivo. Esta limitación tiene su origen en la caída de tensión en la bobina AC del filtro de salida. Debido a esta componente puede ocurrir que la tensión a modular a la salida del stack sea demasiado grande, y se sature el controlador, entrando en la zona de saturación del controlador. Así, dependiendo del punto de operación, y de los parámetros físicos del convertidor se definen unas curvas que describen el límite de sobremodulación de la señal de control. Esta expresión para el caso de P es función de: Nota: Para más detalles consultar con el equipo de desarrollo de GPTech. Se podría extraer una función análoga para el caso de Q. Por ejemplo, en el equipo WD2, una de las posibles curvas de capabilidad del equipo para una tensión AC se muestra en la Figura 4.5. Figura 4.5: PV500WD2 capability performance at 95ºF/35ºC. Así mismo, es posible introducir un factor de corrección configurable por parámetros. Dicho factor introduce un offset restado sobre la tensión de DC medida, pudiendo acortar o expandir el rango de operación del equipo. 4.5.1 Parámetros. Capability: Configuración de la utilidad: activada o desactivada. Cap K: Offset aplicado sobre la tensión DC en el cálculo de la curva (V). Page 29 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA 4.6 Reviewed by: JVN Approved by: JVN DERATING POR TENSIÓN VDC. El objetivo de esta saturación es proteger el equipo cuando opera con tensiones de DC-Link altas. Al producirse un proceso de encendido o apagado de un IGBT de forma típica se produce un transitorio en el cambio de estado, con la generación de un pico de tensión. En la figura Figura 4.6 se muestra un ejemplo típico. Esta sobretensión tiene su origen físico en la componente inductiva que existe entre el IGBT y el DC-Link y la corriente del punto de operación. En la figura se puede ver también un esquemático del circuito resultante. Figura 4.6: Sobretensión de IGBT por Vdc. Figura 4.7: Esquemáltico de circuito parásito ante una sobretensión. Realizando una validación experimental del stack se puede determinar los valores de sobretensión para una determinada Vdc y un nivel de carga. Así, con la implementación de esta protección se pretende no sobrepasar los valores críticos de funcionamiento. Page 30 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN Para ello, se implementa una curva como la de la siguiente figura, en dónde la potencia aparente máxima disponible es corregida por un factor dado por dicha curva. Pmax (p.u.) 1.00 P2 P3 Vdc1 Vdc2 Vdc3 Vdc (V) Figura 4.8: Curva de derating de Vdc. Todos los puntos de esta curva son configurables, y la protección puede ser activada o desactivada por parámetros. 4.6.1 Parámetros. Limit P por Vdc: Configuración de la utilidad: activada o desactivada. Limite Vdc1: Tensión de inicio de aplicación del derating. Por debajo de esta tensión no se produce saturación (V) Limite Vdc2: Tensión a la que se especifica el segundo punto de la curva de derating, en la que se limita la P a P2 (V). Limite Vdc3: Tensión a la que se especifica el segundo punto de la curva de derating, en la que se limita la P a P3. A partir de esta tensión se deja constante el valor de P3 (V). Pot. Limite_2: Potencia a la que ha de saturarse el convertidor en Vdc2 (p.u.). Pot. Limite_3: Potencia a la que ha de saturarse el convertidor a partir de Vdc3 (p.u.). Page 31 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA 4.7 Reviewed by: JVN Approved by: JVN DERATING POR TEMPERATURA AMBIENTE. El objetivo de esta saturación es proteger al stack de potencia para que no opere a temperaturas demasiado altas. Debido a que no es posible monitorizar la temperatura de los IGBTs en un equipo de producción serie, hemos de basarnos en una caracterización previa que nos permita estimar las condiciones de trabajo del semiconductor. Gracias a la validación del equipo se han podido establecer puntos de trabajo máximos en función de la temperatura ambiente (la temperatura a la que se refrigeran los stacks) y la tensión de trabajo Vdc. Con esta funcionalidad es posible seleccionar la curva apropiada T Vs Vdc para los equipos WD1, o bien, definir una relación lineal de temperatura configurable por parámetros, como es posible para el caso del WD2 y WD3. Los puntos configurables quedarían de acuerdo a la siguiente figura: Pmax (p.u.) 1.00 P2 P3 T1 T2 T3 T (º) Figura 4.9: Curva lineal configurable de derating de temperatura. Por último, indicar que dependiendo el tipo de equipo, puede ser más representativa una u otro tipo de medida de temperatura. Por ello se permite seleccionar entre la temperatura ambiente del habitáculo, o la situada en el sistema de ventilación forzada de los stacks. 4.7.1 Parámetros. Temp Amb Der: Configuración de la utilidad. Se pueden establecer las siguientes opciones: OFF: Derating de temperatura desactivado. LIN TEMP: Curva lineal de temperatura configurable por parámetros. NO LIN: Tabla de valores de derating T/Vdc para equipos modalidad ILUMINA. TEMP/VDC PV: Tabla de valores de derating T/Vdc para equipos PVWD. TEMP/VDC SVC: Tabla de valores de derating T/Vdc para equipos SVCWD. Page 32 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN TEMP/VDC WDEnh: Tabla de valores de derating T/Vdc para equipos WDEnh. pp_Temp1: Temperatura de inicio de aplicación del derating. Por debajo de esta temperatura no se produce saturación (ºC) pp_Temp2: Temperatura a la que se especifica el segundo punto de la curva de derating, en la que se limita la P a P2 (ºC). pp_Temp3: Temperatura a la que se especifica el segundo punto de la curva de derating, en la que se limita la P a P3. A partir de esta temperatura se deja constante el valor de P3 (ºC). pp_Sac2: Potencia a la que ha de saturarse el convertidor en T2 (p.u.). pp_Sac3: Potencia a la que ha de saturarse el convertidor a partir de T3 (p.u.). Page 33 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA 4.8 Reviewed by: JVN Approved by: JVN SOBRECARGA. La funcionalidad de sobrecarga está implementada en todos los equipos, pero no todos ellos pueden habilitarla y funcionar en este estado. Nota: Para más detalles consultar con el equipo de desarrollo de GPTech. La utilidad de sobrecarga permite definir un régimen de operación transitorio por encima de las condiciones nominales de operación. Cumplida la condición de sobrecarga máxima, la máquina se limita a las condiciones nominales del equipo, saturando la corriente de salida al valor nominal. Se define por parámetros un perfil máximo de operación durante sobrecarga, definiendo dos puntos de operación y los tiempos asociados a los que se permite una sobrecarga de tal magnitud. En la Figura 2.1 se muestra un esquema de los valores. El primer punto describe el límite entre la sobrecarga denominada “permanente” y la sobrecarga “instantánea”. Y el segundo punto sirve para describir la tendencia en la sobrecarga permitida al subir la potencia. Así, mientras estemos por debajo del primer punto de operación definido, se podrá operar de forma indefinida, mientras que si se supera dicho umbral, solo se podrá permanecer un cierto periodo de tiempo. Pnom (p.u.) Pmax P2 P1 1.00 T2 T1 Time (s) Figura 4.10: Definición de curva de sobrecarga. El cálculo de la sobrecarga se hace de forma integral con el tiempo con el valor cuadrático de la corriente (para que sea proporcional al valor de la energía), almacenando el resultado en un índice diferente por cada fase del convertidor. El resultado se compara con la integral de los puntos definidos por parámetros. Cuando se sobrepasa el umbral, la condición de sobrecarga se activa (OVERLOAD_SAT = 100%) y se limita a la corriente nominal del convertidor. Si dicha limitación no se pudiese llevar a término por un malfuncionamiento, o unas condiciones anormales en la red (algún tipo de asimetría en la tensión de red), al sobrepasarse un segundo umbral (OVERLOAD_MAX = 500%) se producirá un error, generando la correspondiente parada del equipo. Page 34 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN Mientras la utilidad de sobrecarga está deshabilitada, tanto como cuando se ha cumplido la condición de sobrecarga máxima permitida, la máquina se limita a la potencia aparente nominal del equipo. Así mismo, se define una potencia aparente máxima instantánea, tal que no se permite sobrepasar este valor mientras está habilitada la sobrecarga. Tanto la potencia aparente nominal como la máxima son escaladas convenientemente por los factores de derating aplicables sobre la máquina. A su vez, los valores de sobrecarga son definidos para varios puntos de operación previos. Así, se puede configurar una sobrecarga mayor si el equipo estuvo funcionando a poca potencia de forma previa y está relativamente “frío”. En total se pueden definir 4 puntos de operación previos. Por último, la desactivación de la condición de sobrecarga se realiza con la interrelación de dos términos. Por un lado, si se activa la condición de sobrecarga, ésta no se vuelve a desactivar hasta que no ha transcurrido un cierto tiempo (configurable por parámetros) sin que el índice de sobrecarga sobrepase la condición de saturación. Por otro lado, el índice de sobrecarga disminuye con una pendiente constante definida previamente cuando no se alcanza el valor del primer punto definido de sobrecarga. 4.8.1 Parámetros. Overload: Configuración de la utilidad. Se puede establecer habilitada o deshabilitada. T_overload: Tiempo mínimo de activación de la saturación de sobrecarga (s). olPpre0: Primer punto de preload definido (p.u.). olPpre1: Segundo punto de preload definido (p.u.). olPpre2: Tercer punto de preload definido (p.u.). olPpre3: Cuarto punto de preload definido (p.u.). olPP1_0: Primer punto de la curva de sobrecarga para el preload 0 (p.u.). olPP1_1: Primer punto de la curva de sobrecarga para el preload 1 (p.u.). olPP1_2: Primer punto de la curva de sobrecarga para el preload 2 (p.u.). olPP1_3: Primer punto de la curva de sobrecarga para el preload 3 (p.u.). olPP2_0: Segundo punto de la curva de sobrecarga para el preload 0 (p.u.). olPP2_1: Segundo punto de la curva de sobrecarga para el preload 1 (p.u.). olPP2_2: Segundo punto de la curva de sobrecarga para el preload 2 (p.u.). olPP2_3: Segundo punto de la curva de sobrecarga para el preload 3 (p.u.). olPTime1_0: Tiempo asociado al primer punto de la curva de sobrecarga para el preload 0 (p.u.). olPTime1_1: Tiempo asociado al primer punto de la curva de sobrecarga para el preload 1 (p.u.). olPTime1_2: Tiempo asociado al primer punto de la curva de sobrecarga para el preload 2 (p.u.). olPTime1_3: Tiempo asociado al primer punto de la curva de sobrecarga para el preload 3 (p.u.). olPTime2_0: Tiempo asociado al segundo punto de la curva de sobrecarga para el preload 0 (s). olPTime2_1: Tiempo asociado al segundo punto de la curva de sobrecarga para el preload 1 (s). olPTime2_2: Tiempo asociado al segundo punto de la curva de sobrecarga para el preload 2 (s). olPTime2_3: Tiempo asociado al segundo punto de la curva de sobrecarga para el preload 3 (s). Page 35 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA 4.9 Reviewed by: JVN Approved by: JVN DERATING POR FLUJO DE CARGA DE VENTILACIÓN. El flujo de carga de la ventilación forzada usada en la refrigeración del equipo se ve afectada por la tensión que alimenta las turbinas del sistema de refrigeración. Las turbinas empleadas se alimentan directamente de la toma de baja a la salida AC del convertidor. Por lo tanto, en situaciones de subtensión, la magnitud resultante del flujo puede variar significativamente. Para modelar este efecto, y no sobrepasar la zona de operación segura del inversor, se define un factor de corrección de la saturación proporcional a la tensión mínima AC rms. Así, por debajo de un determinado umbral (configurable por parámetros), se aplica un factor de escalado de la potencia máxima respecto a un factor droop definido por parámetros. La Figura 4.11 muestra la curva del derating introducido por esta funcionalidad. DroopclAC (p.u.) Kdroop 0.00 V1 VAC (p.u.) Figura 4.11: Aplicación del droop del flujo de carga. Indicar que al contrario que pasa con otros factores de corrección, este factor no es multiplicativo con otros factores (Pmax*d1*d2) sino aditivo (Pmax*(d1*d2-d3)), por lo que siempre corrige la misma magnitud independientemente de que la máquina se encuentre limitada por otros factores. 4.9.1 Parámetros. derVacSel: Configuración de la utilidad. Se puede establecer habilitada o deshabilitada. kDerVac: Factor droop aplicado entre el valor de tensión mínimo RMS de una fase y el inicio de aplicación de la saturación (p.u.). derVacMinV: Tensión RMS de inicio de aplicación de la saturación (p.u.). Page 36 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN 4.10 CORRECCIÓN POR TENSIÓN VAC. Los equipos WD están dimensionados en corriente de salida AC. Sin embargo, las especificaciones de este tipo de equipos suele darse en potencia. Por lo tanto, aunque se provea la potencia deseada a la tensión nominal del equipo, es necesario escalarla en todo el rango de tensión AC de trabajo manteniendo constante la corriente de salida. Para evitar que ningún stack esté en una situación de sobrecarga, el factor de corrección se aplicará sobre la tensión RMS mínima. Indicar que se aplicará tanto para subtensiones como para sobretensiones, por lo que la potencia será mayor que la nominal en el caso de sobretensiones. Tanto en subtensiones como en sobretensiones el droop quedará limitado por los umbrales de error de tensión configurados. La Figura 4.12 muestra gráficamente la curva de corrección aplicada. DroopVAC (p.u.) vacRMSHigh2 1.00 vacRMSLow2 vacRMSLow2 1.00 vacRMSHigh2 VAC (p.u.) Figura 4.12: Correción de S por tensión VAC. Page 37 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN 4.11 DERATING POR MODO ESPECIAL DE FUNCIONAMIENTO FALTAS DE SVC. En plantas con varios tipos de convertidores, puede exigirse una acción conjunta de toda la planta ante faltas transitorias de tensión. Esta utilidad cubre el caso de requerimientos exigentes sobre convertidores SVC, dónde se pretende realizar una disminución suave de la inyección de reactiva durante la falta. La utilidad define un perfil de tensión en el que se escala la referencia de potencia reacitva, con el objetivo de una transición suave a la entrada en hueco. La Figura 4.13 muestra el perfil configurable por parámetros de la utilidad. Q (p.u.) Qref 0.00 P1 P2 Vac (p.u.) Figura 4.13: Curva de escalado de modo especial SVC. 4.11.1 Parámetros. SVC Dip: Configuración de la utilidad. Se puede establecer habilitada o deshabilitada. SVC P1: Valor del módulo de tensión en el que se empieza reducir la referencia de potencia reactiva (p.u.). SVC P2: Valor del módulo de tensión en el que se reduce a 0 la referencia de potencia reactiva (p.u.). Page 38 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN 4.12 REGULACIÓN DE FRECUENCIA. 4.12.1 DESCRIPCIÓN. La funcionalidad “frequency response” satura la referencia de potencia activa en función de la frecuencia medida de la red. Dicha utilidad limita la potencia instantánea de salida del inversor cuando la medida de frecuencia se sale del límite de frecuencia establecido. El término de droop calculado se aplica sobre la referencia de potencia previa al inicio de la condición de saturación. La funcionalidad puede ser activada y desactivada. Dispone de dos curvas de operación diferenciadas que pueden ser configurables por parámetros: Histéresis y sin retorno. En la Figura 4.14 se muestra la regulación de sobrefrecuencia. Figura 4.14: Métodos de frequency response La regulación frente a excursiones de subfrecuencia podrá realizarse complementándola con un controlador externo apropiado, como un PPC (Power Plant Controller). 4.12.2 MODOS DE OPERACIÓN. A continuación se explican los modos de operación para el caso de la regulación de sobrefrecuencia. Page 39 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA 4.12.2.1 Reviewed by: JVN Approved by: JVN Histéresis Si la frecuencia sube del umbral F1 (FR Freq Init), entonces el derating se activa. A partir de ese momento, el DSP calcula la diferencia entre la frecuencia f y F1 y con un factor de corrección droop (FR K droop) se corrige la saturación de la potencia activa de referencia. Si la frecuencia cae el derating mantiene su valor hasta que se supera la diferencia F2-F1. Si el restablecimiento de la frecuencia se mantiene, entonces el factor de corrección tiende a subir con la misma rampa con la que bajo, quitándose la restricción al alcanzar de nuevo el valor F2 (FR Freq End). Por el contrario, si durante la recuperación se produce una nueva excursión de sobrefrecuencia, entonces el factor de derating se congela, y si sube en exceso de nuevo la frecuencia, se vuelve a seguir la primera curva de bajada de potencia. Finalmente, se puede configurar un valor de derating mínimo a aplicar D2 (FR minDroop). 4.12.2.2 Sin retorno. Si la frecuencia sube de F1 (FR Freq Init) se active el derating. Entonces, el DSP calcula la diferencia entre f y F1 y aplicando el factor K del droop (FR K droop) se corrige la potencia activa de referencia. Cuando la frecuencia se recupere hacia valores más próximos a la frecuencia nominal de la red, se mantendrá el mínimo valor de derating alcanzado. Esta situación se mantendrá hasta que se vuelva a alcanzar el valor de frecuencia F2 (FR Freq End). Cuando la frecuencia se encuentra por debajo de F2 un determinado tiempo (FR tWaitRet), la recuperación comienza. La recuperación se realiza con la curva descrita entre F2 y F3 (FR Freq Ret). También existe una limitación temporal de recuperación mediante una rampa máxima de cambio (FR Ramp Ret). Esta rampa previene saltos bruscos si la transición entre F2 y F3 es demasiado abrupta. Si durante cualquier momento de la recuperación vuelve a darse una excursión en frecuencia, el valor de derating se mantiene hasta interseccionar con la curva de bajada, momento a partir del cual se vuelve a seguir dicha curva. Finalmente, se puede configurar un valor de derating mínimo a aplicar D2 (FR minDroop). 4.12.3 Parámetros. Mode: Modo de configuración del frequency response (local o por un element externo). Curve: Tipo de curva de frequency response a seguir. FreqInit: Frecuencia de activación de la regulación (Hz). FreqEnd: Frecuencia de desactivación de la regulación (Hz). FreqRet: Valor de fín de la rampa de recuperación del droop de regulación de frecuencia (Hz). KDroop: Rampa de potencia en function de la frecuencia (p.u./Hz). tWaitRet: Retraso antes de comenzar con la recuperación de la regulación de frecuencia (ds). minDroop: Mínimo droop permitido en la regulación (p.u.). rampRet: Máxima rampa de recuperación permitida (p.u./s). Page 40 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN 4.13 Q AT NIGHT. En plantas fotovoltaicas solo es posible mantener la producción mientras haya radiación solar. Por lo tanto, los inversores son apagados por la noche. Actualmente, los inversores solares no solo son utilizados para la producción de energía eléctrica, sino que su capacidad de inyección de potencia reactiva puede ayudar al operador de red a estabilizar la red eléctrica. Sin embargo, debido a que no es posible mantener la producción por la noche, no están disponibles para la inyección de potencia reactiva en este intervalo del día. Por eso, puede pedirse que aunque el inversor no produzca energía del campo fotovoltaico, se mantenga conectado y retenga una cierta tensión en el DC-Link que le permita mantener la producción de potencia reactiva. Sin embargo, mantener una tensión en el DC-Link por encima de la tensión de vacío del campo de paneles puede repercutir en averías sobre él. Por consiguiente, para mantener el convertidor conectado por la noche, es necesario realizar una desconexión del campo de paneles. Siguiendo el razonamiento de párrafos anteriores, se implementa la casuística de la Figura 4.15. Por último indicar que por parámetros solo se indica quien habilita la funcionalidad (siempre deshabilitada, activada por puerto serie 1 o 2, o bien, por puerto Anybus). La habilitación/deshabilitación llegará a través de un comando por la interfaz definida. Y solo cuando se den las condiciones para ello (falta de radiación), se procederá de forma automática a activar la funcionalidad. Figura 4.15: Secuencia de Q at night. Page 41 of 42 Proyecto: WD Documento: DESCRIPCIÓN DE FUNCIONALIDADES Y PROTECCIONES SW DE CONVERTIDORES DE LA FAMILIA WD Doc: WD_54_DES034 Rev: 01.0 Fecha: 15/10/2015 Compañía: GPTech Written by: JMCA Reviewed by: JVN Approved by: JVN 4.13.1 Parámetros. QatN mode: Modo de configuración para la habilitación (deshabilitado o habilitación de forma local, por puerto serie 1 o por puerto Anybus). Vdc ref QatN: Tensión de control Vdc de referencia mientras QatN esté activo (V). Time min QatN: Mínimo tiempo de permanencia con QatN activo, aunque se vuelvan a dar condiciones de radiación para el arranque (s). Vdc max QatN: Límite especial de error de Vdc alta mientras está QatN activo. Para proteger mejor, ya que el DC-Link tiene menos inercia que con un campo de paneles (V). Pref min QatN: Límite especial de saturación de Pref mínima mientras está QatN activo. Mientras se está produciendo energía este valor es positivo para evitar el consumo con baja radiación. Pero en QatN es forzosamente negativo, para aportar las pérdidas al DC-Link y mantener Vdc (W). Page 42 of 42
