BRPI0722025A2

BRPI0722025A2 - Gerador de turbina eólica

Info

Publication number: BRPI0722025A2
Application number: BRPI0722025-1A
Authority: BR
Inventors: Shinji Arinaga; Takatoshi Matsushita; Tsuyoshi Wakasa; Masaaki Shibata; Akira Yasugi
Original assignee: Mitsubishi Heavy Ind Ltd
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2014-03-25
Also published as: KR101134960B1; CA2697236A1; AU2007362451A1; US8222758B2; AU2007362451B2; CN101809837B; EP2221934A4; KR20100049112A; US20100213712A1; CN101809837A; JP4801779B2; JPWO2009078075A1; EP2221934A1; WO2009078075A1; CA2697236C

Description

"GERADOR DE TURBINA EÓLICA" Campo Técnico

A presente invenção refere-se a um gerador de turbina eólica.

Antecedentes da Técnica

No controle de operação de turbina eólica, é feita uma operação em que, caso a voltagem do sistema seja reduzia, devido à ocorrência de falha de energia, ou semelhante, a conexão entre uma turbina eólica e um sistema elétrico imediatamente desligado para evitar dano a um gerador de energia, etc, ocasionado por sobrecarga. Por outro lado, por exemplo, caso ocorra um evento de baixa tensão como o demonstrado em um padrão de redução de tensão exigido por LVRT (passagem rápida na baixa tensão), a conexão entre a turbina eóli- tü e o sistema elétrico precisa ser mantido para continuar operando a turbina eólica.

Citação de Patente 1:

Patente dos Estados Unidos n°. 6921985

Apresentação da Invenção

Quando ocorre uma queda de voltagem maior que no evento de baixa voltagem su- pracitada, existe uma possibilidade de que a corrente no gerador elétrico tome-se excessiva e que um interruptor do circuito que fica disposto no sistema elétrico conectando o gerador elétrico e o sistema de energia dispare antes que seja detectada uma redução na voltagem do sistema.

Caso o interruptor do circuito seja disparado, um operário precisa deslocar-se até a turbina eólica e fechar manualmente o interruptor do circuito para reiniciar. Portanto, existe um problema pelo fato de ser necessário um tempo considerável para reiniciar, reduzindo a velocidade da operação.

A presente invenção foi realizada para solucionar o problema supracitado sendo um objeto da mesma obter um gerador de turbina eólica que possa melhorar a velocidade de operação.

De modo a solucionar o problema supracitado, a presente invenção emprega as seguintes soluções.

A presente invenção propicia um gerador de turbina eólica incluindo, um gerador elétrico; um primeiro disjuntor proporcionado em uma linha de força motriz conectando o gerador elétrico a um sistema elétrico e um segundo disjuntor proporcionado na linha de força motriz entre o gerador elétrico e o primeiro disjuntor, podendo ser aberto e fechado por controle remoto, pelo que o segundo disjuntor possui uma capacidade de resistência de cor- rente que permite a corrente fluir em um evento de baixa voltagem e a resistência da corren- te com um valor igual ou menor do que o valor da corrente nominal pela determinação tér- mica do gerador elétrico,, e, em que o primeiro disjuntor possui uma capacidade de resis- tência de corrente, que é superior à capacidade de resistência da corrente do segundo dis- juntor; sendo que a resistência da corrente tem um valor igual ou menor do que o valor da corrente nominal pelo ajuste térmico do gerador elétrico.

Conforme descrito acima, o segundo disjuntor e o primeiro disjuntor têm capacida- des de resistência de corrente que podem suportar a ocorrência de sobrecarga ocasionada 5 por uma queda da voltagem, devido a um evento doe baixa voltagem. Portanto, eles não disparam mesmo quando ocorre um evento de baixa voltagem, tornando possível manter-se o estado de conexão do gerador elétrico e do sistema elétrico. Quando a corrente maior do que a sobrecarga no evento de baixa voltagem flui, o segundo disjuntor é disparado antes do primeiro disjuntor, de modo que possa ser evitado o disparo do primeiro disjuntor. O se- 40 gundo disjuntor pode ser aberto e fechado por controle remoto, ele é facilmente ligado mesmo após ser disparado.

A superioridade da capacidade de resistência de corrente do primeiro disjuntor so- bre a capacidade de resistência da corrente do segundo disjuntor significa por exemplo, que,

o valor da corrente permissível do primeiro disjuntor é ajustada para ser maior do que o va- Ior da corrente permissível do segundo disjuntor.

No gerador de turbina eólica supracitado, o segundo disjuntor pode ser empregado para conectar o gerador elétrico ao sistema elétrico, quando for satisfeita uma condição de arranque.

No gerador de turbina eólica supracitada, o evento de baixa voltagem, trata-se de um evento em que uma voltagem esteja em 0 V por um período de cem milisegundos ou mais e menos que vários cem milisegundos, e a recuperação de uma queda de voltagem exija vários segundos.

Por exemplo, o evento de baixa voltagem demonstra um padrão de redução de vol- tagem exigido por LVRT.

De acordo com a presente invenção, é oferecida uma vantagem no fato de que a

velocidade de operação pode ser incrementada.

Descrição Resumida dos Desenhos

A figura 1 é uma vista ilustrando a configuração geral de um gerador de turbina eó- lica de acordo com uma modalidade da presente invenção.

A figura 2 é um diagrama mostrando, de modo mais específico, a configuração do

gerador de turbina eólica mostrado na Figura 1.

A figura 3 é um diagrama de bloco mostrando uma configuração exemplar de um gerador elétrico e seus arredores.

A figura 4 é um diagrama mostrando um padrão de redução da voltagem exemplar exigido por LVRT.

A figura 5 é um diagrama mostrando um resultado da análise obtida quando a vol- tagem de energia útil do gerador elétrico, por ocasião de ocorrência do padrão de redução de voltagem mostrado na Figura 4 é analisada no estado simulado.

A figura 6 é um diagrama mostrando um resultado da análise obtida quando a cor- rente de energia útil do gerador elétrico, por ocasião de ocorrência do padrão de redução de voltagem mostrado na Figura 4, é analisada no estado simulado.

A figura 7 é um diagrama mostrando a relação da corrente de energia útil do gera-

dor elétrico mostrado na Figura 6 com respeito à corrente nominal, sendo o eixo do tempo expandido.

A figura 8 é um diagrama mostrando um exemplo de relação de ajuste térmico entre um contator magnético, um interruptor de circuito e um gerador elétrico de acordo com a modalidade da presente invenção.

Explicação Referencial:

1 - gerador de turbina eólica

5 - gerador elétrico

30 - interruptor de circuito 40 - contator magnético

Melhor Modo de Realizar a Invenção

Um gerador de turbina eólica de acordo com uma modalidade da presente invenção será descrito abaixo com referência aos desenhos.

A figura 1 é um diagrama de bloco mostrando a configuração geral do gerador de 20 turbina eólica de acordo com esta modalidade. Como ilustrado na Figura 1, o gerador de turbina eólica 1 inclui uma torre 2 e uma nacela 3 localizada na extremidade superior da tor- re 2. A nacela 3 pode girar no modo de guinada sendo orientada numa direção desejada por um mecanismo de giro da nacela 4. A nacela 3 inclui um gerador elétrico 5 e uma engrena- gem 6. Um rotor do gerador elétrico 5 é fixado a um rotor de turbina eólica 7 via engrenagem 25 6.

O rotor da turbina eólica 7 inclui pás 8 e um cubo 9 que apóia as pás 8. AS pás 8 são proporcionadas de modo tal que, seu passo angular é variável. De modo específico, como se vê na Figura 2 o cubo 9 acomoda um cilindro hidráulico 11 que aciona as pás 8 e uma válvula de reforço 12 que fornece pressão hidráulica ao cilindro 11. A pressão hidráuli- 30 ca fornecida ao cilindro hidráulico 11 é controlada pelo grau de abertura da válvula de refor- ço 12, e assim, as pás 8 são controladas para ter um desejado passo angular.

Referindo-se novamente à Figura 1, a nacela 3 inclui ainda uma um catavento 10. O catavento 10 mede a velocidade do vento e a direção do vento. A nacela 3 é girada de acordo com a velocidade do vento e a direção do vento medida pelo catavento 10.

A figura 3; é um diagrama de bloco mostrando uma configuração exemplar do ge-

rador elétrico 5 e seus anexos. O gerador elétrico 5 desta modalidade está configurado de modo que, a energia elétrica gerada pelo gerador de energia 5 pode ser produzida para um sistema elétrico 13 de um enrolamento do estator e de um enrolamento do rotor, de modo específico, o enrolamento do estator doa gerador elétrico 5 está ligado diretamente ao sis- tema de energia 13 e o enrolamento do rotor do mesmo está ligado ao sistema de energia 13 através de um conversor CA-CD-CA 17 O conversor de CA-CD-CA 17 inclui um retificador ativo 14, um condutor 15 e um

inversor 16 convertendo a energia de corrente alternada recebida do enrolamento do rotor para energia de corrente alternada adequada para a freqüência do sistema elétrico 13. O retificador ativo 14 converte a energia de corrente alternada gerada pelo enrolamento de rotor para a energia de corrente direta e produz energia de corrente direta para o condutor 10 de CD 15. O inversor 16 converte a energia de corrente direta recebida pelo condutor de CD 15 para energia de corrente alternada tendo igual freqüência daquela do sistema de energia 13 e produz energia de corrente alternada.

O conversor de CA-CD-CA 17 também possui uma função de converter energia de corrente alternada recebida do sistema elétrico 13 para energia de corrente alternada ade- 15 quada para a freqüência do enrolamento do rotor, sendo usado também para excitar o enro- lamento de rotor dependendo das condições de operação do gerador da turbina eólica 1. Neste caso, o inversor 16 converte energia de corrente alternada em energia de corrente direta e produz energia de corrente direta para o condutor de CD 15. O retificador ativo 14 converte a energia de corrente direta recebida através do condutor de CD 15 para energia 20 de corrente alternada adequada para a freqüência do enrolamento do rotor e fornece a e- nergia de corrente alternada para o enrolamento do rotor do gerador elétrico 5. '

Um sensor de voltagem/corrente 20 é proporcionado em uma linha de energia u- nindo o gerador elétrico 5 ao sistema de energia 13 e mede uma voltagem V de saída e uma corrente I de saída do gerador elétrico 5.

Uma unidade de controle de motor de conversor 21 controla o estado liga-

do/desligado dos transistores elétricos do retificador ativo 14 e o inversor 16, de modo a controlar a saída de energia P ativa e energia Q reativa em resposta a um comando P* de energia ativa e um comando Q* de energia reativa. De modo específico, a unidade de con- trole de direção do conversor 21 calcula a energia P ativa e energia Q reativa da voltagem V 30 de saída e corrente I de saída medidas pelo sensor de voltagem/corrente 20. Além disso, a unidade de controle que aciona o conversor 21 desempenha o controle de PWM, em res- posta à diferença entre a energia ativa Pea energia específica pelo comando P* de energia ativa e a diferença entre a energia Q reativa e a energia especificada pelo comando Q* de energia reativa para gerar um sinal PWM fornecendo o sinal PWM gerado ao retificador ati- 35 vo 14 e inversor 16. Deste modo, a energia ativa P e energia reativa Q são controladas.

Uma unidade de controle de passo controla um ângulo de passo β das pás 8, em resposta a um comando β* de passo, enviado de uma unidade de controle principal 19. O ângulo do passo β das pás 8 é controlado, de modo a combinar-se com o comando de pas- so β*.

Uma unidade de controle de guinada 23 controla o mecanismo de giro da nacela 4 em resposta a um comando de guinada enviado da unidade de controle principal 19. A na- cela 3 é direcionada numa direção instruída pelo comando de desvio.

Um conversor de CA/CD 24 está ligado à linha de força motriz num lado a jusante do sensor de voltagem/corrente supracitado.

O conversor de CA/CD 24 gera energia de corrente direta oriunda da energia de corrente alternada recebida do sistema elétrico 13 através da linha elétrica e fornece energia de corrente direta para um sistema de controle do gerador de turbina eólica 1, em particular para a válvula de reforço 12 (ver a Figura 2) usada para controlar o ângulo de passo β das pás 8, a unidade de controla principal 19, e a unidade de controle de passo 22.

De modo a fornecer de modo estável, a energia de corrente direta para a válvula de reforço 12 (Ver a figura 2) a unidade de controle principal 19 e a unidade de controle de passo 22, o gerador de turbina eólica 1 é fornecido com um sistema de energia ininterrupta

26 incluindo um carregador de bateria 27 e uma bateria de emergência 28.

Como um exemplo, mesmo se uma grade voltagem V do sistema fosse reduzida, devido às exigências de LVRT, um estado em que o gerador de energia 5 é ligado ao siste- ma elétrico 13 precisa ser mantido. Para este fim, mesmo se a voltagem do sistema elétrico 13 fosse reduzida, faz-se necessário controlar adequadamente o ângulo do passo das pás

8, mantendo assim, um desejado número de rotações do gerador de energia 5. A fim de satisfazer essa demanda, quando a grade de voltagem V do sistema é reduzida até uma voltagem predeterminada, o ininterrupto sistema elétrico 26 é ligado por um disjuntor 25 à válvula de reforço 12, a unidade de controle principal 19 e a unidade de controle de passo 25 22, sendo a energia fornecida da bateria de emergência 28 para a válvula de reforço 12, unidade de controle principal 19 e unidade de controle de passo 22. Assim, mantém-se o controle do ângulo do passo das pás 8 . A bateria de emergência 28 é ligada ao carregador de bateria 27. O carregador de bateria 27 carrega a bateria de emergência 28 pela energia de corrente direta fornecida do conversor CA/CD 24.

Um interruptor de circuito (primeiro disjuntor) 30 é fornecido na linha de força que

liga o gerador de força 5 ao sistema elétrico 13. De modo específico, o interruptor de circuito 30 é fornecido em uma posição mais próxima do sistema elétrico 13 dentre todos os compo- nentes incluídos na turbina eólica.

Um contator magnético (segundo disjuntor) 40 é fornecido na linha de força entre o gerador de força 5 e o e interruptor de circuito 0. De modo específico, o contator magnético 40 é fornecido em um local mais próximo do sistema elétrico 13 dentre todos os componen- tes incluídos na turbina eólica. O interruptor de circuito 30 e o contator magnético 40 estão dispostos em um painel de circuitos de interconexão (não mostrado) disposto em uma parte inferior da torre 2.

O contator magnético 40 é um disjuntor empregado para conectar o gerador de e- nergia 5 ao sistema elétrico 13 quando a energia útil do gerador de força 5 satisfaz uma condição de partida, podendo ser aberto e fechado por controle remoto.

O interruptor de circuito 30 é um relé proporcionado para evitar dano ao gerador de energia 5, e outros danos ocasionados por sobrecarga, não podendo ser controlado remo- tamente. Portanto, uma vez disparado, um operador precisa fechá-lo manualmente.

A seguir, as capacidades de resistência da corrente do interruptor de circuito 30 e do contator magnético 40, que são características da presente invenção, serão descrias com referência dos desenhos.

O contator magnético 40 possui uma capacidade de resistência de corrente permi- tindo o fluxo de corrente em um evento de baixa voltagem e que resista a corrente com um valor igual ou menor do que um valor da corrente nominal pelo ajuste térmico do gerador de 15 energia 5. O interruptor de circuito 30 possui uma capacidade de resistência de corrente superior à capacidade de resistência da corrente do contator magnético 40 e que resiste a corrente tendo um valor igual ou menor do que o valor da corrente nominal pelo ajuste tér- mico do gerador de energia 5.

Em um evento de baixa voltagem, a voltagem torna-se de OV durante um período de cem milisegundos ou mais e menos que vários cem milisegundos, e a recuperação da queda de voltagem requer vários segundos, por exemplo. Exemplos deste evento de baixa voltagem inclui, por exemplo, o padrão de redução de voltagem exigido por LVRT.

A figura 4 mostra um exemplo de padrão de redução de voltagem exigida por LVRT. No padrão de redução de voltagem mostrado na Figura 4, a grade V da voltagem do 25 sistema primeiro, cai instantaneamente a 0V, sendo este estado mantido por 150 milisegun- dos, a voltagem então recupera-se gradualmente, e a grade V da voltagem do sistema recu- pera-se após aproximadamente 4 segundos, da queda instantânea de voltagem. Uma análi- se simulada foi feita para descobrir como a voltagem de energia útil Vea corrente I de e- nergia útil do gerador de energia 5 muda quando a grade V da voltagem do sistema altera 30 com descrito acima.

Os resultados disto são mostrados nas Figuras 5 e 6. A figura 5 mostra uma mu- dança na voltagem de energia útil V do gerador de energia 5 e a Figura 6 mostra uma alte- ração na corrente I de energia útil do gerador de energia 5. A voltagem V de energia útil do gerador de energia 5 mostrada na Figura 5 indica, aproximadamente a mesma mudança da 35 grade V de voltagem do sistema apresentado na Figura 4. A corrente I de energia útil do gerador de energia 5 mostrada na Figura 6 torna-se instantaneamente, uma sobrecarga, quando a grade V da voltagem do sistema cai instantaneamente, a seguir flutua em torno da corrente nominal, e estabiliza-se quando são decorridos aproximadamente vários cem mili- segundos após a grade V de voltagem do sistema recuperar-se.

A figura 7 mostra a relação da corrente I de energia útil do gerador de energia 5 mostrado na Figura 6 com relação à corrente regulada, sendo o eixo do tempo (eixo horizon- 5 tal) expandido. A figura 7 mostra o valor da corrente em um modo escalonado devido ao valor efetivo da corrente I de energia útil do gerador de energia 5 ser calculado a cada 1/60 segundos. Como se vê na Figura 7, entende-se que, até aproximadamente 5,5 vezes a cor- rente flua durante 1/60 segundos, quando ocorre um evento de baixa voltagem com o pa- drão de redução de voltagem mostrado na Figura 4.

Portanto, de modo a lidar com o padrão de redução de voltagem mostrado na Figu-

ra 4, o contator magnético 40 precisa ter uma capacidade de resistência de correnté^que não ocasione o disparo, mesmo quando uma sobrecarga pelo menos 5,5 vezes a especifi- cada esteja fluindo.

O padrão de redução de voltagem para um evento de baixa voltagem mostrado na Figura 4 é simplesmente um exemplo, e o contator magnético 40 precisa ter uma capacida- de de resistência de voltagem que supere todos os padrões de redução de voltagem exigi- dos por LVRT.

A seguir, a Figura 8 mostra um exemplo da relação de ajuste térmico entre o conta- tor magnético, o interruptor de circuito e o gerador de energia. Na Figura 8 o eixo horizontal indica a relação de amplitude com relação à corrente nominal do gerador de energia 5 e o eixo vertical indica o tempo permissível.

Como se vê na Figura 8, corrente máxima permissível do contator magnético 40 é ajustada mais baixa do que aquela do interruptor de circuito 30, e as correntes máximas permissíveis do interruptor de circuito 3 e do contator magnético 40 são ajustadas dentro de suas faixas de ajuste térmico.

Como acima, de acordo com o gerador 1 de turbina eólica, desta modalidade, visto

o contator magnético 40 e o interruptor de circuito 30 terem capacidades de resistir corren- tes que podem suportar a ocorrência de sobrecarga da corrente ocasionada por uma queda na voltagem, devido a um evento de baixa voltagem, eles não são disparados, mesmo quando ocorre um evento de baixa voltagem, tornando possível assim, manter o estado de ligação do gerador de energia 5 e do sistema elétrico 13.

Quando a corrente maior do que o fluxo de sobrecarga na ocorrência de um evento de baixa voltagem flui, o contator magnético 40 é disparado antes do interruptor de circuito 30, de modo que, o disparo do interruptor de circuito 30 possa ser evitado. No presente, vis- 35 to o contator magnético 40 poder ser aberto e fechado por controle remoto, ele é facilmente ligado, mesmo após um disparo do mesmo. Portanto, mesmo quando a corrente maior do que a da sobrecarga flui na ocorrência de um evento de baixa voltagem fluir, é possível ini- ciar o gerador de turbina eólica 1, simplesmente fechando por controle remoto o contator magnético 40 novamente. Em outras palavras, para reiniciar o gerador de turbina eólica 1, é possível liberar um operador do problema de ter que deslocar-se para a turbina eólica e fe- char, manualmente o interruptor de circuito 30.

Portanto, é possível regular, imediatamente, o gerador de turbina eólica 1 pronto

para reiniciar, melhorando a velocidade de operação.

A modalidade da presente invenção foi descrita em detalhe com referência às figu- ras; contudo, as configurações especificas não estão limitadas a esta modalidade, sendo que alterações na realização também estão incluídas sem se afastar do escopo da presente invenção.

Claims

1.Gerador de turbina eólica, CARACTERIZADO por compreender: um gerador elétrico; um primeiro disjuntor proporcionado em uma linha de força motriz conectando o gerador elétrico a um sistema elétrico; e um segundo disjuntor proporcionado na linha de força motriz entre o gerador elé- trico e o primeiro disjuntor, podendo ser aberto e fechado por controle remoto; em que o segundo disjuntor possui uma capacidade de resistência de corrente su- perior à capacidade de resistência da corrente do segundo disjuntor; e que resistem a cor- rentes com um valor igual ou menor do que o valor da corrente nominal pelo ajuste térmico do gerador elétrico.

2. Gerador de turbina eólica de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato do segundo disjuntor ser empregado para ligar o gerador elétrico a um sistema elétrico quando for satisfeita uma condição de partida.

3. Gerador de turbina eólica de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato do evento de baixa voltagem ser um evento em que uma vol- tagem fica em 0 V durante um período de cem milisegundos ou mais e menor do que vários cem milisegundos, sendo que a recuperação da queda de voltagem necessita de vários se- gundos.

4. Gerador de turbina eólica, de acordo com a reivindicação 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato do evento de baixa voltagem demonstrar uma redução no pa- drão de voltagem exigida por LVRT.