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Artículo Calidad de Calidad de–Corriente Eléctrica Corriente Eléctrica

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Necesidad de las PLL (Phase Locked Loop) en los sistemas eléctricos modernos

Héctor Rivas, Joan Bergas, Antoni Sudrià, Joaquim López Universidad Nacional Experimental del Táchira – San Cristóbal Venezuela (UNET) Universidad Politécnica de Cataluña – Barcelona España (UPC) Centro de Innovación Tecnológica en Convertidores Estáticos y Accionamientos – Barcelona España (CITCEA)

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INDICE 1

INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 2

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PLL EN LA GENERACIÓN ELÉCTRICA ................................................................... 2

3

PLL EN EL CONSUMO ELÉCTRICO ......................................................................... 6

4

RESPUESTAS DE LAS PLL ANTE PERTURBACIONES ELÉCTRICAS................. 7

5

CONCLUSIONES ........................................................................................................ 9

1 Introducción Se desea con este artículo dar a conocer al lector la necesidad, dentro de los sistemas eléctricos modernos, de contar con algoritmos capaces de hacer interactuar de manera correcta todas las partes que conforman el sistema, específicamente la generación y el correcto consumo de la energía. Se describirá brevemente porque son necesarias las PLL's (Phase Locked Loop) en los sistemas de generación actuales. Posteriormente se describe de manera muy intutiva el concepto de algoritmo de PLL. A continuación se expondrá la necesidad de las PLL en las cargas capaces de interactuar con el sistema eléctrico cargas activas. Adicionalmente se muestra un pequeño análisis del efecto de las perturbaciones sobre los algoritmos de PLL, específicamente sobre el algoritmo de detección de pasos por cero. Finalmente se extraen algunas conclusiones del análisis realizado.

2 PLL en la Generación Eléctrica En el sistema eléctrico español, según se puede recoger del "Balance Energético de España 2007", la generación de electricidad a partir de combustibles fósiles (Gas Natural, Petróleo y Carbón) y Energía Nuclear representó el 80.2% de la energía eléctrica total generada. Los nuevos cambios en las legislaciones han introducido en el sistema eléctrico fuentes alternativas de energía cuyo impacto ambiental es menor, específicamente Energía Eólica, Solar Térmica, Fotovoltaica y Biocarburantes, representando estas energías renovables el 19.8% restante de la energía eléctrica consumida.

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Figura 1. Generación en Alterna Todas estas técnicas para generar energía eléctrica, a excepción de la fotovoltaica, tiene en común el principio físico empleado para la generación, que consiste en una espira girando dentro de un campo magnético, ver figura 1. De este principio de generación se obtiene una señal de tensión que varía en el tiempo de manera senoidal periódica. En el caso de la generación fotovoltaica, la señal eléctrica de tensión que se obtiene es, considerando condiciones constantes en la incidencia de la radiación solar y periodos de tiempo cortos, una línea recta. Para poder aprovechar dentro de un sistema eléctrico comercial la energía producida se deben emplear módulos de interruptores semiconductores de potencia (Onduladores) que transformen en una señal senoidal la tensión que se obtiene de los paneles solares. La estructura general de conexionado se puede observar en la figura 2.

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Figura 2. Fotovoltaica conectada a la red Es necesario que las cuotas de energía generadas a partir de todas las fuentes primarias puedan interactuar de manera correcta y sincronizada, es decir, todas las señales senoidales generadas tengan los mismos valores de amplitud, frecuencia y fase. Los generadores deben ser conectados en paralelo para que cada uno de ellos aporte la cantidad de energía capaz de generar al sistema. En el instante de la interconexión de un generador a la red, de no estar sincronizado correctamente, se corre el riesgo de hacer circular corriente limitada únicamente por la impedancia del propio generador y del elemento de conexionado. Tal como se puede observar en la figura 3(b), es importante que las dos señales de tensión tengan el mismo valor de amplitud y frecuencia eléctrica. Por otra parte, y más importante aún es el hecho de que las dos señales (tensión de red y tensión generada) tengan la misma fase φ=0. De no ser así, existirá en todo instante de tiempo una diferencia de potencial ΔV que hará circular corrientes hacia uno u otro generador, adquiriendo uno de los generadores comportamiento de carga, tal como lo ilustra la figura 3(a).

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a) Generadores en paralelo

b) Desfase entre señales

Figura 3. Peligro al conectar 2 generadores en paralelo De aquí nace la necesidad de contar con un algoritmo capaz de indicar en todo instante de tiempo el valor de fase de la señal senoidal generada. Este algoritmo es conocido por sus siglas en ingles como algoritmo de PLL (Phase Locked Loop). Desde el punto de vista gráfico la salida de un algoritmo de PLL puede ser observado en la figura 4. En rojo se muestra la señal de tensión expresada en P.U. y en azul el ángulo de fase de la señal senoidal que varía desde 0 a 2π. Los sistemas de control que actúan sobre los generadores deben ser capaces de sincronizar todos los ángulos de fase de las señales a interconectar.

Figura 4. Respuesta del algoritmo de PLL

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3 PLL en el consumo eléctrico El avance de la electrónica de potencia en los últimos años ha permitido que las cargas puedan ser interactivas con el sistema. En la actualidad, se puede hablar de rectificadores activos, filtros activos, compensadores de reactiva o compensadores del factor de potencia sin temer a caer en meros análisis teóricos. Estos tipos de cargas son conocidas como cargas activas. La electrónica de potencia ha permitido integrar a los sistemas eléctricos cargas a las que se les puede controlar en todo instante de tiempo la fase con respecto a una referencia específica. En la figura 5 se observa una estructura de carga activa monofásica. Si se logra controlar el desfase entre la corriente I y la tensión Vs, esta estructura puede funcionar como cualquiera de las cargas activas mencionadas anteriormente. Adicionalmente, este desfase permite controlar la dirección del flujo de la potencia en el sistema, por lo que se podría consumir energía de la red pero, por otra parte se podría inyectar la energía almacenada en los condensadores.

Figura 5. Estructura de carga activa monofásica Para poder realizar estos controles en necesario conocer en todo instante de tiempo el ángulo de fase de las señales de tensión y corriente y de allí la necesidad de contar con algoritmos de PLL.

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4 Respuestas de las PLL ante perturbaciones eléctricas A manera de ejemplo, se puede analizar la respuesta del algoritmo que emplea los cruces por cero de la señal senoidal para generar su ángulo de fase. Básicamente, este algoritmo arranca un contador cada vez que detecta un cruce por cero de la señal senoidal en flanco ascendente, y al detectar un nuevo paso hace un reset del contador. La susceptibilidad de este algoritmo a perturbaciones de alta frecuencia lo hace inaplicable en sistemas eléctricos industriales, ya que como se puede observar en la figura 6 (b), en cada paso por cero se observaran varios "pasos por cero falsos" producidos por las perturbaciones de alta frecuencia.

a) PLL de cruce por cero sin perturbaciones

b) PLL de cruce por cero con perturbaciones

Figura 6. PLL de cruce por cero Al igual que las perturbaciones de alta frecuencia, incrementos en la tasa de distorsión armónica hacen que la PLL de pasos por cero tenga un mal funcionamiento. Como se puede observar en la figura 7, al existir componentes frecuenciales de orden superior se corre el riesgo de observar varios pasos por cero de la señal. Específicamente en este ejemplo, la señal posee un THD del 45% en el 11avo armónico.

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Figura 7. PLL de pasos por cero con incrementos del THD Otro tipo de perturbación presente en los sistemas eléctricos que afecta la PLL de pasos por cero es la conocida como falla tipo Notch. Esta falla se caracteriza por una disminución de manera abrupta del valor de tensión por un periodo de tiempo muy corto, por el orden de unos pocos μs, para retomar posteriormente su valor original. En esta disminución abrupta, la tensión puede alcanzar valores muy próximos a cero, e incluso valores de polaridad contraria a la que originalmente tenía, motivando que la PLL detecte nuevamente "pasos por cero falsos". En la figura 8 se puede observar la tensión de entrada con perturbación tipo Notch y la respuesta de la PLL

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Figura 8. PLL de pasos por cero con presencia de Notch Como posible solución a estos continuos problemas de perturbaciones de alta frecuencia se podría pensar en emplear filtros pasa bajo. La naturaleza de la respuesta en frecuencia de los filtros pasa bajo comunes hace que esta posibilidad sea descartada. Los filtros introducen retardos en la señal filtrada, lo que haría que la esencia del algoritmo de PLL se perdiera, ya que el ángulo se generaría a partir de una señal que posee un retraso con respecto a la señal real del sistema.

5 Conclusiones Del análisis anterior se puede extraer la necesidad inminente de que, en los sistemas eléctricos actuales, se pueda contar con un algoritmo capaz de indicar en todo instante de tiempo el valor del ángulo de fase de las señales eléctricas del sistema. Este algoritmo es el de la PLL. Tanto en la generación como en el consumo, la interacción correcta de estas etapas son cada día más dependientes de las PLL's. Estos algoritmos deben tener como características fundamentales una velocidad de respuesta acorde con las frecuencias eléctricas del sistema y adicionalmente ser inmunes a las perturbaciones que actualmente afectan las redes eléctricas comerciales. Profundizar en el desarrollo de algoritmos que puedan responder correctamente a las crecientes expectativas generadas en cuanto a velocidad e inmunidad a perturbaciones debe ser uno de los nortes a fijar por parte de las instituciones que se encargan de hacer investigación en el área de la electrónica de potencia.

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