BRPI0318500B1 - método para operar um conversor de frequência de um gerador - Google Patents

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Abstract

"método para operar um conversor de freqüencia de um gerador". o método descreve a operação de um conversor de freqüência de um gerador, em particular de uma turbina de energia, no caso de uma queda substancial na tensão da grade, sendo que o conversor de freqüência (10) compreende um conversor ac/dc (20) a ser conectado ao gerador (14), um conversor dc/ac (22) a ser conectado à grade de tensão (18), e um circuito de ligação dc (24) para conectar o conversor ac/dc (20) ao conversor dc/ac (22). o método compreende as etapas de reduzir a tensão de saída do circuito de ligação dc (24) para aumentar a corrente de saída do conversor dc/ac (22) e/ou reduzir a freqüência operacional das chaves eletrônicas (28) do conversor dc/ac (22) para aumentar a corrente de saída do conversor dc/ac (22).

Description

“MÉTODO PARA OPERAR UM CONVERSOR DE FREQUÊNCIA DE UM GERADOR” Campo da Invenção [001] A presente invenção se refere à operação de conversores de energia para a alimentação de energia elétrica a uma rede de energia e, em particular, a um conversor de frequência de um gerador de uma turbina de energia eólica.
Estado Da Arte Relacionado [002] A energia elétrica nas redes públicas de energia é fornecida por diversas fortes de energia as quais convertem a energia mecânica em energia elétrica. As principais fontes de energia de suporte às redes públicas são as plantas de energia por queima de carvão e as usinas nucleares. Diversos outros tipos de fontes de energia, em particular as plantas de energia a base de fontes regeneráveis, tais como as plantas à base de energia solar, as usinas hidroelétricas ou as turbinas de energia eólica, também contribuem para sustentar as redes públicas de energia.
[003] No passado, no caso de uma queda significativa na tensão da rede nas redes públicas de energia, era necessário que em tal caso as turbinas eólicas fossem automaticamente desligadas. Contudo, devido ao aumento do número de turbinas eólicas de energia, torna-se cada vez mais importante que estas turbinas suportem a rede pública de energia no caso de uma substancial queda na tensão da rede de energia, [004] Contudo, e devido ao estresse térmico aplicado nos componentes eletrônicos do conversor de energia de um gerador que converte a energia mecânica em energia elétrica, o aumento da saída de corrente do conversor no caso de uma queda na tensão da rede de energia é crítico e limitado.
[005] Desta forma, é um objeto da presente invenção aumentar a corrente de saída de um gerador em particular de uma turbina de energia eólica no caso de uma substancial queda na tensão da rede de energia. Síntese Da Invenção [006] De acordo com a invenção, é fornecido um método para operar um conversor de frequência de um gerador, em particular de uma turbina de energia, no caso de uma queda substancial na tensão da rede de energia, sendo que o conversor de frequência compreende um conversor CA/CC a ser conectado ao gerador, um conversor CC/CA a ser conectado à rede de tensão, e um circuito de ligação CG para conectar o conversor CA/CC ao conversor CC/CA, o método compreendendo as etapas de: - reduzir a tensão de saída do circuito de ligação CC para aumentar a corrente de saída do conversor CC/CA e/ou - reduzir a frequência operacional das chaves eletrônicas do conversor CC/CA para aumentar a corrente de saída do conversor CC/CA.
[007] A solução proposta pela presente invenção para resolver o problema supra citado se refere a um aumento da corrente a ser fornecida para a rede pública de energia no evento de uma queda substancial na tensão da rede de energia.
[008] De acordo com um primeiro aspecto da invenção, a aumento da corrente de saída do conversor CC/CA, isto é, da frequência do conversor, e realizada através da redução da tensão de saída do circuito de ligação CC do conversor de frequência, a tensão de saída sendo a tensão operacional para o conversor CC/CA do conversor de frequência. Por meio da redução na tensão de saída do circuito de ligação CC é possível aumentar a corrente que flui através das chaves eletrônicas (tipicamente transistores) do conversor CC/CA sem aumentar as perdas de energia nas chaves eletrônicas, o que ocorre sob as condições normais de operação do conversor de frequência. Em particular, as chaves eletrônicas incluem transistores (p. ex., módulos IGBT), como é em geral conhecido pelos peritos na arte.
[009] De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, a frequência de chaveamento das chaves eletrônicas do conversor CC/CA é reduzida resultando em um aumento na corrente de saída do conversor CC/CA fornecida para a rede de energia. Também, e de acordo com este aspecto da presente invenção, quando ocorre uma queda substancial da tensão na rede de energia, substancialmente não existem mudanças nas perdas de energia nas chaves eletrônicas, as quais são dadas pelas condições normais de operação do conversor de frequência.
[010] De acordo com um outro aspecto da presente invenção, as etapas supra descritas, através das quais são reduzidas à tensão de saída e a frequência operacional, podem ocorrer simultaneamente.
[011] Em outra forma de realização, a tensão de saída do circuito de ligação CC pode ser reduzida através da redução da tensão de saída do circuito de ligação CC dentro do próprio circuito de ligação CC, isto é, através da ativação de divisores de tensão ou de similares. Ainda uma outra solução se refere ao controle do intervalo de tempo para o qual as chaves eletrônicas do conversor CA/CC se encontram em seu estado ligado. Nominalmente, dependendo do estado operacional (ligado ou desligado) das chaves eletrônicas, (tipicamente tíristores), pode ser controlada a tensão de saída do conversor CA/CC. Quanto menor é o intervalo de tempo para o estado ligado das chaves eletrônicas do conversor CA/CC, menor é a tensão de saída do conversor CA/CC.
[012] De acordo com outro aspecto da presente invenção, a etapa de redução supra descrita ou ao menos uma das etapas de redução é realizada quando, por um pequeno período de tempo (de milissegundos a segundos), a tensão da rede de energia é reduzida. O nível de redução na tensão para iniciar ao menos uma das etapas de redução depende do projeto dos componentes. A etapa de redução ou ao menos uma das etapas de redução é terminada quando, por um pequeno período de tempo (de milissegundos a segundos), a tensão normal da rede de energia é novamente aumentada até um certo nível (próximo do valor normal).
Breve Descrição Dos Desenhos [013] Uma descrição completa e compreensiva da presente invenção, incluindo a melhor forma de realização desta, dirigida a um perito na arte, é apresentada mais em particular no restante da presente descrição, incluindo referência ao desenho que a acompanha, o qual mostra, de forma esquemática, o circuito do conversor de frequência disposto entre um gerador e uma rede de energia.
Descricão De Uma Forma Preferida De Realização [014] Será ora feita referência em detalhes às várias formas de realização da invenção e a um ou mais exemplos, os quais estão ilustrados nos desenhos.
[015] Cada exemplo é fornecido a título de esclarecimento da invenção, e não pretende ser uma limitação da invenção. Por exemplo, as características ilustradas ou descritas como partes de uma forma de realização podem ser usadas nas, ou em conjunto com as, outras formas de realização para gerar uma outra forma de realização. Deve ser entendido que a presente invenção inclui tais modificações e variações, [016] Na figura é mostrado o circuito de um conversor de frequência 10, conforme empregado para fornecer energia elétrica a uma rede de energia. O conversor de frequência é disposto entre a saída 12 de um gerador 14 de uma turbina eólica de energia (não mostrada) e a entrada 16 de uma rede de energia 18.
[017] O conversor de frequência 10 íncluí três estágios principais, nominalmente um estágio de entrada, um estágio intermediário e um estágio de saída. O estágio de entrada é configurado como um conversor CA/CC 20, enquanto que o estágio de saída íncluí um conversor CC/CA 22. Estes dois conversores 20, 22 estão conectados por meio de um estágio intermediário, o qual é configurado como um circuito de ligação CC 24.
[018] Nesta forma de realização, tanto o conversor CA/CC 20 quanto o conversor CC/CA 22 tipicamente incluem elementos de potência na forma de semicondutores eletrônicos. Contudo, outros elementos eletrônicos ou elétricos também são possíveis de serem empregados. Em particular, e nesta forma de realização, o conversor CA/CC 20 inclui seis tíristores 25 controlados por uma unidade de controle 26, a qual por sua vez é controlada na dependência dos parâmetros operacionais da corrente na turbina de energia eólica e nas condições ambientais. Como uma alternativa, podem ser empregados diodos no lugar dos tíristores 25. Como aqui mostrado, o conversor CC/CA 22 inclui seis tíristores 28, os quais também são controlados pela unidade de controle 26. Podem ser empregados vários tipos de transistores, de acordo com a presente invenção, para os conversores de energia elétrica, tais como os módulos IGBT. Como também é conhecido pelos peritos na arte, os conversores CC/CA 22 incluem um dispositivo de filtragem na sua extremidade de saída, o qual inclui três indutores 30 nesta forma de realização.
[019] O circuito de ligação CC 24 normalmente inclui ao menos um filtro para a corrente CC de ligação, o qual pode ser configurado como indutores de filtro da ligação CC (não mostrados). Ainda mais, o circuito de ligação CC inclui um dispositivo de armazenagem de energia elétrica 32, o qual pode ser, por exemplo, um banco de capacitores, uma batería, um super capacitor ou algum componente similar.
[020] As quedas na tensão da rede de energia podem ser detectadas por meio de um sensor de tensão da rede de energia 34 conectado na unidade de controle 26. De forma similar, a tensão de saída do gerador 14 pode ser detectada pelo sensor de tensão do estator 36, também conectado à unidade de controle 26.
[021] No caso de uma queda na tensão da rede de energia, é necessário que o gerador 14 da turbina de energia eólica seja capaz de suportar a rede de energia, de tal forma que a energia elétrica necessária seja gerada a fornecida para a rede de energia 18. Existem duas soluções de acordo com a invenção, as quais podem ser usadas para aumentar a energia elétrica fornecida para a rede de energia no caso de uma queda na tensão da rede de energia. A primeira solução, de acordo com a presente invenção, se refere à redução da tensão de saída Vz do circuito de ligação CC 24, o que pode ser conseguido, por exemplo, através do controle apropriado do conversor CA/CC 20. Para atuar desta forma, os tiristores 25 do conversor CA/CC 20 necessitam ser controlados de acordo com as mudanças de fase do estator do gerador 14. Além disto, a frequência do estator deve ser detectada ou determinada. De acordo com estes parâmetros, o controle dos tiristores 25 é corrigido de tal forma a reduzir a tensão de saída Vz do circuito de ligação CC 24.
[022] Devida a redução na tensão de saída Vz do circuito de ligação CC 24, no caso de uma queda na tensão da rede de energia, a corrente de saída lc do conversor CC/CA 22 pode ser aumentada sem alterar as perdas de potência nos transistores 28, de tal forma que estas perdas de potência são substancialmente mantidas as mesmas quando comparadas com as das condições normais de operação.
[023] A seguir é dado um exemplo mostrando um aumento na corrente no caso de uma queda na tensão da rede de energia.
[024] Assumindo que sob condições normais, para o controlador de frequência 10 são dados os seguintes parâmetros. A tensão de saída Vt do circuito de ligação CC 24 é 600 V e a corrente de saída Ic é de 1600 A, A temperatura permitida de um transistor 28 é de 125 °C e 0 ciclo de trabalho de um transistor 28 é 1. A perda de energia E0I1 quando do chaveamento de um transistor 28 é de 210 mWs, as perdas de energia Eotf quando do desligamento de um transistor 28 is de 260 mWs, e as perdas de energia Erec durante o intervalo no qual o transistor 28 é desligado é de 115 mWs. Deve ser percebido que estes parâmetros são meramente exemplificativos e que são possíveis variações de acordo.
[025] Assumindo ainda que a frequência de chaveamento f é de 2500 1/s, as perdas de energia baseadas em Eon, Ε0«, e em Erec assim como a perda de energia Psw durante o estado ligado do transistor 28 são os seguintes: (intervalo estado Lig)/ (intervalo estado Lig + Des) [026J Assumindo ainda que a tensão de saída Vz do circuito de ligação CC 24 é reduzida para 30 % e assumindo ainda que Pon, P0(1, e Prêc são substancialmente reduzidos na mesma porcentagem, a soma total destas perdas de potência é como segue: [027J De forma a não exceder as perdas de potência encontradas na condição normal de operação, a corrente de saída lc pode ser aumentada de aproximadamente cerca de 30 % a até lc = 2100 A (para 2407,5 W).
[028] Deve ser percebido que o percentual de aumento da tensão máxima de saída lc depende do tipo de transistor 28 usado.
[029] Outra medida para aumentar a tensão de saída lc no caso de uma queda na tensão da rede de energia é a de reduzir a frequência de chaveamento f para o transistor 28. Nomínalmente, quando os transistores 28 são ligados por um pequeno período de tempo, quando é mantida a corrente inalterada, as perdas de energia são reduzidas. Desta forma, se as perdas de energia podem ser deixadas inalteradas, a corrente pode ser aumentada.
[030] A seguir será dado um exemplo baseado nos parâmetros supra indicados para este cenário.
[031] Assumindo que a frequência de chaveamento f é reduzida de 2500 1/s para 500 1/s, podem ser obtidas as seguintes equações: - 292,5 W
Psw - Vce * lc * (intervalo estado Lig)/ (intervalo estado Lig + Des) = 1920 W
[032J Portanto, e para obter a mesma perda geral de potência quando no caso de uma operação normal, a corrente de saída lc pode ser aumentada até [033] Apesar da invenção ter sido descrita e ilustrada com referência a específicas formas de realização ilustrativas desta, não deve ser entendido que a invenção deva ser limitada àquelas formas de realização ilustrativas. Os peritos na arte irão reconhecer que podem ser feitas variações e modificações sem escapar do escopo verdadeiro da invenção, conforme definido pelas reivindicações que seguem. Deve portanto ser entendido como inclusas dentro da invenção tas variações e modificações, conforme estas recaiam dentro do escopo das reivindicações em anexo e dos equivalentes desta- REIVINDICAÇÕES

Claims (6)

1. Método para operar um conversor de frequência de um gerador, em particular de uma turbina de energia, no caso de uma queda substancia! na tensão da rede de energia, sendo que o conversor de frequência (10) compreende um conversor CÂ/CC (20) a ser conectado ao gerador (14), um conversor CC/CA (22) a ser conectado à rede de energia (18), e um circuito de ligação CC (24) para conectar o conversor CA/CC (20) ao conversor CC/CA (22), o método caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: - reduzir a tensão de saída do circuito de ligação CC (24) para aumentar a corrente de saída do conversor CC/CA (22) e/ou - reduzir a frequência operacional das chaves eletrônicas (28) do conversor CC/CA (22) para aumentar a corrente de saída do conversor CC/CA (22).
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato no qual a etapa de reduzir, ou ao menos uma das etapas de reduzir, é realizada quando, por poucos segundos, a tensão da rede de energia é reduzida até ao menos cerca de 10% de seu valor normal e sendo que a etapa de reduzir, ou ao menos uma das etapas de reduzir, é terminada quando, por poucos segundos, a tensão da rede de energia é novamente aumentada até ao menos cerca de 80% de seu valor normal.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato no qual a etapa de reduzir, ou a menos uma das etapas de reduzir, é realizada quando, por poucos segundos, a tensão da rede de energia é reduzida até ao menos cerca de 20% de seu valor normal e sendo que a etapa de reduzir, ou ao menos uma das etapas de reduzir, é terminada quando, por poucos segundos, a tensão da rede de energia é novamente aumentada até ao menos cerca de 90% de seu valor normal.
4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato no qual a etapa de reduzir a tensão de saída do circuito de ligação CC (24) compreende controlar o intervalo de tempo entre uma intersecção da tensão de saída de uma fase do gerador (14) com uma operação de uma chave eletrônica (25) do conversor CA/CC (20),
5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato no qual a etapa de reduzir a tensão de saída do circuito de ligação CC (24) compreende reduzir o intervalo de largura de pulso da chave eletrônica (25) do conversor CA/CC (20).
6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato no qual a redução na tensão de saída do circuito de ligação CC (24) e/ou a redução na frequência operacional do conversor CC/CA (22) é/são realizada com um fluxo de corrente aumentado sem uma alteração substancial nas perdas de energia nas chaves eletrônicas (28) do conversor CC/CA (22).
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