Fast detection method for AC short-circuit faults in shipboard power systems based on decoupled double synchronous rotating frame

Resumen Técnico: Método de detección rápida para fallas de cortocircuito en CA en sistemas de potencia de a bordo basados en el Marco de Referencia Rotativo Doble Desacoplado

Planteamiento del Problema
Los sistemas de potencia de a bordo están evolucionando hacia microredes aisladas con capacidad limitada y baja inercia, integrando cada vez más fuentes de energía renovables como la fotovoltaica y el almacenamiento de energía. En este entorno, el inversor conectado a la red trifásico de dos niveles es una interfaz crítica. Sin embargo, los métodos tradicionales de detección de fallas por cortocircuito, que dependen de magnitudes eléctricas de frecuencia-potencia en estado estacionario (como los valores RMS), sufren de velocidades de operación lentas y una capacidad de anti-interferencia débil. Estas limitaciones dificultan el cumplimiento de los requisitos de rapidez necesarios para prevenir daños en los equipos, fallas en cascada y la pérdida total de potencia en los sistemas modernos de a bordo, particularmente dadas las complejas condiciones transitorias introducidas por la propulsión y las cargas diarias.

Metodología
El artículo propone un método de detección rápida de fallas de cortocircuito en CA basado en el Marco de Referencia Rotativo Doble Desacoplado (DDSRF). La metodología procede a través de los siguientes pasos:

1. Modelado del Sistema y Análisis de Fallas: Se establece un modelo de circuito equivalente de un inversor trifásico conectado a la red. Los autores analizan las características de respuesta a fallas tanto para fallas simétricas como asimétricas. A diferencia de los sistemas tradicionales donde las fallas asimétricas afectan principalmente a la fase fallida, la estrategia de control de desacoplamiento de ejes d y q del inversor provoca que las amplitudes de corriente trifásica aumenten sincrónicamente independientemente de la simetría de la falla.
2. Construcción de Vectores de Voltaje: Se utiliza el DDSRF para construir dos sistemas de coordenadas rotativos sincrónicos con direcciones de rotación opuestas. Esto permite la separación precisa de los componentes de secuencia positiva y negativa de voltaje, incluso bajo condiciones de red desbalanceadas.
3. Construcción de la Variable de Estado de Falla (FSV): Se define una Variable de Estado de Falla (FSV) para integrar las características de secuencia positiva y negativa. La FSV es un vector escalar variante en el tiempo normalizado que se calcula como la diferencia entre la relación de corriente normalizada y la relación de voltaje normalizada:
   $$FSV = k_f \frac{i_m}{I_{pv}} - \frac{u_m}{U_N}$$
   Donde $i_m$ y $u_m$ son las amplitudes instantáneas de corriente y voltaje, $I_{pv}$ y $U_N$ son los valores nominales, y $k_f$ es un coeficiente de compensación.
4. Criterio de Detección: Bajo operación normal o perturbaciones de no falla (por ejemplo, fluctuaciones fotovoltaicas), la FSV permanece cerca de cero. Durante una falla de cortocircuito en CA, el voltaje cae y la corriente aumenta bruscamente, lo que hace que la FSV se eleve significativamente por encima de cero. Se establece un umbral ($FSV_{ac} = 0.15$) para distinguir las fallas de las perturbaciones.

Contribuciones Clave

• Métrica de Detección Novedosa: La introducción de la Variable de Estado de Falla (FSV), que fusiona las características de secuencia positiva y negativa en un solo valor escalar, permitiendo una detección rápida sin necesidad de un análisis fase por fase.
• Aplicación del Marco de Referencia Rotativo Doble Desacoplado: La aplicación del DDSRF específicamente para la detección de fallas en inversores de a bordo, aprovechando su capacidad para desacoplar los componentes de secuencia para manejar eficazmente tanto fallas simétricas como asimétricas.
• Robustez ante Perturbaciones: El método está diseñado para ser insensible a perturbaciones comunes de no falla, como las fluctuaciones de la salida fotovoltaica y el arranque de motores, que suelen activar falsos positivos en los métodos tradicionales basados en RMS.

Resultos Experimentales
El método fue validado utilizando un prototipo experimental de un inversor conectado a la red trifásico de dos niveles de 1 kW y modelos de simulación.

• Velocidad de Detección: El método propuesto logró tiempos de detección de menos de 2 ms para varios tipos de fallas. Específicamente, se registraron retrasos de detección de 0.34 ms para cortocircuitos trifásicos, 1.61 ms para fallas de tierra monofásicas, y tan bajos como 0.05 ms para fallas de tierra bifásicas y cortocircuitos bifásicos.
• Comparación con Métodos Tradicionales: Comparado con el método tradicional de Raíz Cuadrática Media (RMS), el método FSV propuesto demostró una mejora de velocidad de más del 50% (y hasta un orden de magnitud en algunos casos). Por ejemplo, el método RMS tardó hasta 22.4 ms en detectar un cortocircuito monofásico, mientras que el método FSV tomó 1.61 ms.
• Estabilidad y Robustez: El método mantuvo un desempeño estable a través de diferentes ángulos de fase inicial de la falla. Además, bajo perturbaciones de no falla (cambios de intensidad de luz simulados y arranque de motores), la fluctuación de la FSV se mantuvo muy por debajo del umbral de detección (fluctuación máxima de 0.07), confirmando que no ocurrieron juicios erróneos.

Significado
El artículo afirma que este método proporciona un medio técnico efectivo para la detección rápida de fallas en sistemas de potencia de a bordo. Al lograr una detección a nivel de microsegundos (con retrasos mínimos de 0.05 ms), el método ofrece una base de identificación extremadamente temprana para interruptores de circuito de estado sólido y limitadores de corriente rápidos. Esta capacidad permite el aislamiento de la falla antes de que la corriente de cortocircuito alcance su pico, evitando así caídas de voltaje de gran área que podrían desconectar cargas críticas como motores de propulsión y radares de alta potencia. En última instancia, el enfoque pretende mejorar significamente la capacidad de operación continua y los niveles de autorrecuperación de los sistemas de potencia de a bordo, particularmente en configuraciones compleicas de microredes híbridas AC/DC o de corriente continua (DC).