Algoritmos de detección de fase para sincronización y control de frecuencia de Central Micro Hidráulica Plug & Play

Abstract

Los sistemas de generación distribuida basados en fuentes renovables han experimentado un fuerte desarrollo a nivel mundial, con Alemania, Dinamarca, Japón y Estados Unidos como líderes en este campo. La sincronización de este tipo de fuentes a la red de suministro eléctrico es uno de los aspectos más importantes. La detección de la componente de secuencia positiva de la tensión a frecuencia fundamental es esencial para el control de la generación distribuida y de sistemas de almacenamiento. Considerando el contexto descrito, el objetivo general del presente trabajo es la elección de un algoritmo para la estimación de ángulo de fase en función del desempeño demostrado frente a distintas perturbaciones típicas de la red de distribución para su implementación en la Central Micro Hidráulica Plug & Play, correspondiente a un proyecto de desarrollo del Centro de Energía de la Universidad de Chile. Los métodos estudiados se basan en la técnica Phase Locked-Loop (PLL). La técnica PLL se puede definir como un método que permite la obtención de una señal de salida de igual frecuencia y fase a partir de una señal de entrada. El criterio de selección supone la simulación de distintos tipos de perturbaciones tales como distorsión armónica e interarmónica, alzas y caídas de tensión y saltos de frecuencia, entre otros. El funcionamiento de los algoritmos se prueba a nivel de simulación y a nivel experimental en la Central Micro Hidráulica Plug & Play con el fin de verificar su desempeño en condiciones reales de operación. Con el propósito de mejorar la respuesta dinámica de los algoritmos, se implementa, a nivel de simulación, una mejora del centro de frecuencia del esquema básico de PLL. De este modo se obtienen métodos que combinan un buen seguimiento de ángulo de fase y una buena velocidad de respuesta ante variaciones de la frecuencia de la red. Del trabajo realizado se desprende que las perturbaciones que combinan saltos de fase y desbalances de la magnitud de la tensión son más severas que aquellas que implican distorsión de la forma de onda o únicamente desbalances, los cuales se consideran menos graves; la diferencia entre el error de estimación en uno u otro caso puede ascender sobre los 5°. Los métodos de detección de ángulo de fase presentan un compromiso entre la dinámica y la precisión de seguimiento del ángulo de fase; dándose el caso de un error de estimación de 180° frente a saltos de frecuencia. Se concluye que los algoritmos basados en filtros presentan un mejor desempeño que aquellos basados en la componente de secuencia positiva de la tensión de la red de suministro, con diferencias entre sus errores de seguimiento acumulado de hasta 200 veces en el caso de sags de tensión y de hasta 6 veces frente a contenido armónico. El mejor método estudiado se basa en el uso de un observador y obtiene resultados ligeramente mejores que los presentados por los métodos basados en filtros. El conocimiento previo de las características del sistema es vital para la correcta sintonización de los métodos, pues determina el desempeño de los algoritmos. Se concluye que los métodos basados en PLL son una herramienta eficaz para la detección del ángulo de fase ante perturbaciones típicas de la red eléctrica de distribución. Adicionalmente, con el fin destacar más aún su utilidad, se simula el uso del PLL para la detección de operación en isla. Como trabajo futuro, entre otras cosas, se propone: la implementación experimental de centro de frecuencia variable y del mecanismo de detección de aislamiento, y la evaluación de los métodos frente a perturbaciones combinadas.