ES2233979T3 - Procedimiento y apparato convertidor asincrono para la generacion de energia hidroelectrica con turbina de velocidad variable. - Google Patents
Procedimiento y apparato convertidor asincrono para la generacion de energia hidroelectrica con turbina de velocidad variable.Info
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Abstract
Un procedimiento de transmisión de potencia eléctrica desde una unidad (70) de turbina hidráulica a un sistema de utilización eléctrica (72), este procedimiento comprende: obtención de una señal (hmeas) indicativa de la carga hidrostática (24); que comprende el uso de una señal indicativa de carga hidrostática para controlar la velocidad y la posición de la compuerta de una unidad (70) de turbina hidráulica de velocidad variable para que rinda un nivel de potencia requerido (P0, P00) al sistema de utilización eléctrica, caracterizado por el control de la velocidad del rotor de un convertidor rotativo asíncrono (50) conectado entre la unidad de la turbina hidráulica y el sistema de utilización eléctrica (72), en respuesta a la señal indicativa de carga hidrostática.
Description
Procedimiento y aparato convertidor asíncrono
para la generación de energía hidroeléctrica con turbina de
velocidad variable.
Esta invención se refiere a la generación de
energía hidroeléctrica y específicamente al procedimiento y equipos
para mejorar el rendimiento de un sistema de generación de energía
hidroeléctrica.
En la generación de potencia eléctrica por medio
de turbinas hidráulicas, las unidades de turbinas hidráulicas están
ubicadas dentro de la presa, con corriente de agua (por ejemplo de
río o lago) a través del embalse, usada para propulsar (por ejemplo
rotar) la unidad de la turbina hidráulica. Así accionada, la unidad
de turbina hidráulica tiene una velocidad del eje proporcional a la
frecuencia de la salida de la potencia eléctrica producida por la
unidad de turbina hidráulica. Generalmente la unidad de turbina
hidráulica es una máquina síncrona, lo cual significa que la
velocidad promedio de una operación normal de una unidad de turbina
hidráulica es exactamente proporcional a la frecuencia del sistema
de utilización eléctrica al cual está conectado.
La generación de potencia eléctrica usando
turbinas hidráulicas presenta cuestiones técnicas y
medioambientales complejas. Por ejemplo, si una unidad de turbina
hidráulica se opera a una velocidad constante, se pueden manifestar
varios problemas. Por ejemplo, la turbina puede cavitar a cargas
altas y bajas (por ejemplo, velocidades altas y bajas del flujo de
agua). Adicionalmente, las variaciones de presión creadas por el
recinto donde se aloja la turbina de una unidad de turbina
hidráulica pueden dañar a los peces que pasan a través de la
turbina. Por otra parte, las unidades de turbinas hidráulicas
operadas a una velocidad constante tienen numerosas limitaciones,
que incluyen capacidad limitada para afectar la frecuencia del
sistema de potencia, ajuste de potencia activa lenta, menor
eficiencia de la turbina respecto de la óptima y una gama operativa
de potencia activa restringida (la cual limita posteriormente el
sistema de potencia, la carga hidrostática y los rangos de
flujo).
Dado que una unidad de turbina hidráulica es una
máquina síncrona, la disminución de la velocidad del eje de la
turbina también reduce la frecuencia síncrona de la salida. Una
reducción en la frecuencia síncrona de salida de la unidad de
turbina hidráulica es inaceptable cuando la salida de la unidad de
la turbina hidráulica es acoplada directamente a la red general de
tendido eléctrico.
Varios esfuerzos se han puesto en marcha para
alcanzar una turbina hidráulica de velocidad variable. De acuerdo a
un trabajo escrito por Goto y otros, "Control de la
estabilización del sistema de potencia por medio de estaciones de
potencia de almacenamiento por bombeo con velocidad ajustable
usando señales estabilizadoras", simposio de CIGRE, Tokio 1995,
el turbina hidráulica más importante se modifica para aplicar una
corriente de frecuencia variable al campo que oscila por medio de
un sistema de excitación de tipo convertidor de ciclo.
La Patente U.S. 4,743,827 de Shiozaki y
colaboradores revela una turbina hidráulica de velocidad variable
en la cual el control se lleva a cabo usando las medidas de
potencia y velocidad de la turbina hidráulica principal en una
configuración de bucle cerrada. La operación de bucle cerrado
presenta, por ejemplo, consideraciones de estabilidad dinámica (al
menos en el límite de un período corto de tiempo luego de un pedido
de cambio de potencia).
Un procedimiento de transmisión de potencia
eléctrica desde una unidad de turbina hidráulica hacia un sistema
de utilización eléctrica de acuerdo con el preámbulo de la
reivindicación 1 se da a conocer en
US-A-4,694,189. Un convertidor
rotatorio para ejecutar una conversión de frecuencia entre la salida
eléctrica de la máquina tipo síncrona y la frecuencia de un sistema
de abastecimiento eléctrica se revela en
DE-A-3443428.
Lo que se necesita, por lo tanto, es un sistema
de turbina hidráulica de velocidad variable, el cual sea eficiente
y estable.
De acuerdo con la presente invención, se provee
un procedimiento de transmisión de potencia eléctrica desde una
unidad de turbina hidráulica hacia un sistema de utilización
eléctrica de acuerdo con la reivindicación 1.
En una forma de realización, el controlador usa
una señal indicativa de carga hidrostática (h_{meas}) para
controlar la velocidad de rotación del convertidor (y
consecuentemente la de la unidad de la turbina hidráulica), la
posición de la compuerta de la unidad de la turbina hidráulica para
producir el nivel de potencia de salida requerido del convertidor
al sistema de abastecimiento.
En otra forma de realización, el controlador
también incluye un control automático en tiempo real el cual usa
una señal indicativa de frecuencia de transmisión ca al sistema de
abastecimiento eléctrico para controlar el nivel de potencia
eléctrica de salida del convertidor rotatorio.
El control de la velocidad de una unidad de
turbina hidráulica de velocidad variable incluye el uso de la señal
indicativa de carga hidrostática para acceder a una memoria
actualizable en la que la información se almacena en el Gráfico
Hidráulico Hill. Para este fin, se provee una representación de un
actualizador de Gráficos Hill.
Lo precedente y otros objetos, características y
ventajas de la invención serán evidentes desde las siguientes
descripciones más detalladas de las representaciones preferidas
como se ilustran en los dibujos que se acompañan en las que los
caracteres referenciados se refieren a las mismas partes a través de
diferentes vistas. Los dibujos no necesariamente están a escala, en
cambio el énfasis se ha puesto en la ilustración de los principios
de la invención.
La Figura 1A es una vista esquemática de un
sistema de turbina / generador hidráulico de acuerdo a la primera
forma de realización de la invención.
La Figura 1B es una vista esquemática de un
sistema de turbina / generador hidráulico de acuerdo a una segunda
forma de realización de la invención.
La Figura 1C es una vista esquemática de un
sistema de turbina / generador hidráulico de acuerdo a una tercera
forma de realización de la invención.
La Figura 2 es una vista esquemática de un
convertidor asíncrono de acuerdo a una forma de realización de la
invención.
La figura 4 es un gráfico Hill utilizado para
explicar los principios de operación del sistema de turbina /
generador hidráulico de la invención.
La Figura 5 es un diagrama esquemático de
funciones realizadas por un controlador predictivo incluido en un
sistema de control del sistema hidráulico turbina / generador de la
invención.
La Figura 6A y la Figura 6 B son gráficos que
reflejan tablas almacenadas en un controlador predictivo el cual se
usa para generar señal de salida \omega_{0} y posición de
compuerta o comando secuenciado de compuerta.
La Figura A muestra un sistema hidráulico de
turbina - generador 20 de acuerdo a una primera forma de
realización de la invención. El sistema 20 se sitúa en una presa 22
la cual embalsa el agua del cuerpo de carga hidrostática 24. El
transductor 25 de carga hidrostática está montado sobre o próximo a
la presa 22 con el fin de asegurar una altura "h" de carga
hidrostática 24. De forma convencional, la presa 22 tiene un tubo
de carga 26 a través del cual dicha agua (desde el cuerpo de carga
hidrostática 24) se encauza a la cámara de la turbina 28. El tubo
de succión 30 conecta la salida de la cámara de la turbina 28 con el
cuerpo de agua de descarga 32.
El sistema 20 incluye a la turbina 40, al sistema
de control 42 A, el generador hidráulico 44 y el convertidor
asíncrono 50. La turbina 40 se sitúa en la cámara de la turbina 28
de modo convencional y tiene un eje de salida 60 el cual provee
flujo de energía mecánica al generador 44. La turbina 40 tiene un
controlador 41 del álabe del distribuidor, el cual controla el
posicionamiento de un mecanismo del álabe del distribuidor incluido
en la turbina 40, no ilustrado.
El suministro 62 de la energía del generador
(también conocido como excitador del campo generador) suministra
corriente de campo a las líneas 64 al generador hidráulico 44. De
modo convencional el suministro generador de energía 62 recibe su
energía de entrada en las líneas 66 y una señal de entrada del
excitador en la línea 67.
Como se nombró aquí, la turbina 40 y el generador
hidráulico 44 comprenden una unidad (70) de turbina hidráulica. Más
aun, en vista de que esta operación se explica más adelante en este
documento el convertidor asíncrono 50 también se conoce como una
interfase que acopla la unidad 70 de turbina hidráulica a un
Sistema de Alimentación CA como una compañía eléctrica o un sistema
de utilización 72. En el sistema de utilización 72, la potencia
eléctrica puede variar y está en un rango de frecuencia eléctrica
predeterminado. Una señal de requisitos de la compañía eléctrica
por el suministro (transportada a 73 desde el panel de control 74)
es indicativo de un nivel de potencia P_{0} comúnmente requerido
por el sistema de utilización 72.
Como se muestra en al Figura 1A el sistema de
control 42 A incluye al controlador predictivo 76. La orden de
energía o señal de nivel de energía P_{0} proveniente desde el
panel de control 74 se aplica como una primera entrada al
controlador predictivo 76. Una segunda señal de entrada al
controlador predictivo 76 es la señal h_{meas} aplicada desde el
transductor de carga hidrostática 25. La primera salida del
controlador predictivo 76 es un comando de posición de salida el
cual se aplica en la línea 90 al controlador 41 del álabe del
distribuidor. Una segunda señal de salida es la \omega_{ga} del
controlador predictivo 76, indicativa de la velocidad rotacional
deseada de la unidad (70) de turbina hidráulica (siendo
\omega_{0} la velocidad rotacional real de la unidad (70) de la
turbina hidráulica), se aplica al convertidor asíncrono 50 de
manera indicada más detalladamente más adelante.
La Figura 4 muestra el convencional "Gráfico
Hill" de un tipo bien conocido previamente en la materia y el
cual es útil para el entendimiento de las funciones de los
controladores predictivos mostrados en este trabajo. El eje
independiente (horizontal) del Gráfico Hill es proporcional a la
velocidad \omega_{gen} del generador hidráulico 44 e inversamente
proporcional a la raíz cuadrada de la altura de agua "h" (como
determina el transductor de carga hidrostática 25). El eje
dependiente (vertical) es la potencia de salida del generador, cada
trazo en el dibujo en el Gráfico Hill de la Figura 4 representa una
posición diferente de la compuerta subsidiaria como son regulados
por el controlador 41 del álabe del distribuidor. Para cada
posición de compuerta y medición de carga hidrostática, hay un
valor óptimo de velocidad para maximizar la potencia.
La Figura 5 ilustra funciones desarrolladas por
el controlador predictivo 76. Como se indicó previamente, el
controlador predictivo 76 recibe la señal h_{meas} de medida de
carga hidrostática desde el transductor de carga hidrostática 25 y
la señal P_{0} (por ejemplo desde el panel 74). Usando estas dos
señales de entrada, el controlador predictivo 76 busca en una
primera tabla de consulta 94 para obtener un valor "orden de
compuerta" para usar como el comando de posición de compuerta
para aplicar en la línea 90 al controlador 41 del álabe del
distribuidor y toma en cuenta una segunda tabla de consulta 95 para
obtener la señal de velocidad rotacional \omega_{ga} deseada para
aplicarla en la línea 92 y para usarla en le manejo del convertidor
asíncrono 50.
La persona especialista en este tema entenderá,
que en una forma de realización, el controlador predictivo 76
comprende un procesador con tablas de consulta 94 y 95 las cuales
son almacenadas en memorias como una o más memorias sólo de
lecturas (ROMs).
El comando de posición de compuerta se aplica en
la línea 90 al controlador 41 del álabe del distribuidor. La
persona especialista en este tema entiende cómo el controlador 41
del álabe del distribuidor funciona para controlar el
posicionamiento del mecanismo del álabe del distribuidor incluido en
la turbina 40.
La señal de salida \omega_{ga} aplicada en la
línea 92 a partir de un controlador predictivo 76 hasta un
convertidor asíncrono 50 es la velocidad pedida del generador 44.
En respuesta a la señal de salida \omega_{ga} el convertidor
asíncrono 50 ac produce un voltaje de la frecuencia requerida. Dado
que el generador 44 es una máquina del tipo síncrono, la velocidad
del generador 44 será exactamente proporcional a la frecuencia CA
de las líneas de 3 fases 10. De este modo, conectar el orden de
frecuencia del convertidor asíncrono 50 para su conexión a las
líneas de 3 fases 10 es suficiente para implementar la regulación
de velocidad del generador hidráulico 44 (es decir que no es
necesario medir la velocidad del eje del generador hidráulico 44 en
la forma de realización de la figura 1A).
La forma de realización de la figura 13 difiere
de la forma de realización de la Figura 1A en que tiene un sistema
de control 42B en vez de un sistema de control 42A.
Particularmente, el sistema de control 42B incluye un transductor de
potencia 78 y un actualizador de Gráficos Hill 84 además de un
controlador predictivo 76. El transductor 78 monitorea la potencia
en las líneas de 3 fases que conectan a un convertidor asíncrono 50
a un sistema de utilización (compañía eléctrica) 72 de corriente
alterna CA y produce una salida P_{meas} al actualizador de
Gráficos Hill 84.
El actualizador de Gráficos Hill 84 actualiza los
valores registrados en las tablas de consulta 94 y 95 (ver la
Figura 6A y Figura 6B) basadas en las mediciones en línea. A este
respecto, el actualizador Hill 84 usa la señal de salida de
potencia medida del convertidor asíncrono 50 (señal P_{meas}), así
como las señales de salida (en las líneas 90 y 92) desde el
controlador predictivo 76 h_{meas} del transductor 25 de carga
hidrostática, para revisar la información del grafico de Hill que
es almacenada en las tablas 94 y 95 basada en la información
histórica real del suministro hidroeléctrico.
De esta manera, el actualizador de gráficos Hill
84 está conectado para recibir la señal P_{meas} de la potencia
medida desde el transductor de potencia 78, así como el comando de
posición de compuerta producida en la línea 90 desde el controlador
predictivo 76, la señal producida de la línea 92 del controlador
predictivo 76, y la señal h_{meas} producida a partir del
trasductor 25 de carga hidrostática. El actualizador de gráficos
Hill 84 produce, para el controlador predictivo 76 datos
actualizados como se indica por una línea marcada
"refinamiento".
La forma de realización de la Figura 1C difiere
de la forma de realización de la Figura 1A por tener un sistema de
control 42C más que un sistema de control 42A. En particular el
sistema de control 42C incluye (además de un controlador predictivo
76) un regulador que comprende un controlador 82 de frecuencia CA y
un adicionador 88.
En la forma de realización de la Figura 1C el
controlador de frecuencia 82 recibe una señal f_{ca} desde el
convertidor asíncrono 50 de la manera descripta más adelante,
siendo esa señal f_{ca} indicativa de la frecuencia de
transmisión CA de las líneas trifásicas que conectan el convertidor
asíncrono 50 a un sistema de utilización 72 de energía CA (una
compañía eléctrica). La señal de salida \DeltaP_{0} proveniente
desde el controlador de frecuencia CA 82 se aplica a una primera
(adicional) terminal de entrada del adicionador 88. Una segunda
terminal de ingreso adicional del adicionador 88 esta conectada para
recibir la señal de energía pedida (denominada P_{00} en la forma
de realización de la Figura 1C) del panel de control 74. El
adicionador 88 produce una señal P_{0} la cual es aplicada como
una primera salida para el controlador predictivo 76 y la que, en
la forma de realización de la Figura 1C sirve como el valor P_{0}
en la Figura 5 y en la Figura 6A y en la Figura 6B.
Como en la forma de realización anterior la
segunda señal de entrada para el control 76 de la figura 1C es la
señal h_{meas} aplicada a partir del trasductor 25 de la carga
hidrostática. Una primera señal de salida del controlador
predictivo 76 es un comando de posición de compuerta que se aplica a
la línea 90 al controlador 41 del álabe del distribuidor. Una
segunda salida del controlador 76 la de Figura 1C (es decir la
señal \omega_{ga}) se aplica en la línea 92 a un convertidor
asíncrono 50.
Debe entenderse que los rasgos de la presentación
de la figura 1B y Figura 1C son combinables en otra forma de
realización ulterior. De este modo incluyendo tanto la
actualización del gráfico de Hill y el control de frecuencia CA en
una única forma de realización.
La Figura 2 muestra un convertidor asíncrono 50
que incluye un transformador de frecuencia variable 102 y un
sistema de control. El sistema de control incluye una unidad de
alta velocidad 108; un transductor de frecuencia 80 y un
adicionador 86. Como se describe con más detalle más abajo como
referencia a la Figura 3 el transformador de frecuencia variable
102 está conectado por líneas trifásicas RA, RB y RC a un generador
hidráulico 44 y por la líneas trifásicas SA, SB y SC al sistema de
utilización 72. Estos corresponden a las líneas trifásicas
caracterizadas como 10 y 11 respectivamente en las Figuras 1A, 1B y
1C.
Como se muestra en la Figura 2 el transformador
rotativo de frecuencia variable 102 incluye tanto un conjunto de
transformador rotativo 105 y una unidad de control de torque 106
(también conocido como la sección de conducción del rotor). Los
detalles del conjunto del transformador rotativo 105 y la unidad de
control de torque 106 son descritas abajo con más detalle.
El transductor 80 monitorea la frecuencia ca en
las líneas trifásicas 11 que conectan el convertidor asíncrono 50
con un sistema de utilización de energía CA 72 (una compañía
eléctrica) y produce la señal f_{ca} a una terminal de ingreso
negativo del adicionador 86 (y a un controlador 82 de frecuencia CA
en la forma de realización de la Figura 1C). El adicionador 86
recibe la señal de velocidad rotativa requerida para la máquina
hidráulica 44 (señal \omega_{ga} en la línea 92) y produce la
señal \omega_{0} a un controlador de alta velocidad 108. Una
señal de salida \omega_{0} del adicionador 86, es decir,
\omega_{0} = \omega_{ga} - f_{ca} es indicativa de la
velocidad rotativa deseada del convertidor asíncrono 50 y de
acuerdo con ella se aplica al convertidor asíncrono 50.
Como se mostró también en la Figura 2, la unidad
de control de alta velocidad 108 recibe una señal \omega del
transductor de velocidad 111. La unidad de control de alta
velocidad 108 recibe la señal \omega_{a} (del controlador
predictivo 76 a través del adicionador 86) y produce una señal de
conducción T_{a} hacia una unidad de control de torque 106.
El conjunto de transformador rotatorio 105
incluye a la vez un subconjunto de rotor y un estator. El
subconjunto del rotor incluye anillos colectores (también conocido
como anillos deslizantes) y la sección de jaula del rotor. Las
líneas trifásicas RA, RB y RC provenientes del generador hidráulico
44 están conectadas con las líneas trifásicas de los anillos
colectores SA, SB y SC que conducen al sistema del utilización 72
están conectadas con el estator. El subconjunto del rotor tiene el
transductor de velocidad 111 montado próximo a ello para generar la
señal de velocidad angular \omega_{r}, indicativa de la velocidad
angular del rotor.
Como es entendido por la persona experta en el
tema, en la forma de realización ilustrativa el conjunto del
transformador rotativo 105 está rodeado por una cobertura de dos
capas con correas de fase de sesenta grados. Debe entenderse que la
invención no está limitada a un sistema de correa envolvente de fase
de sesenta grados, sino que los principios de la invención son
aplicables a los conjuntos de transformadores rotativos de fase dos
y mayores.
El conjunto del rotor es capaz de girar entorno a
su eje en ambos sentidos de las agujas del reloj, tanto en la
dirección horaria como en la antihoraria. La rotación del conjunto
del rotor está afectada por una sección de conducción del rotor
106.
La sección de conducción del rotor 106 se muestra
simbólicamente en la Figura 2 como una sección cilíndrica montada
sobre un conjunto de rotor 110. De esta manera, la sección de
conducción del rotor 106 de la Figura 2 generalmente ilustra varios
tipos diferentes y alternativos de mecanismos de conducción para
causar la rotación del conjunto del rotor 110. En algunas
ilustraciones, la sección de conducción del rotor 106 incluye un
actuador y algún tipo de sistema articulado (por ejemplo un
mecanismo con engranaje o acoplamiento) lo que sirve de interfase
con el conjunto del rotor 110. Por ejemplo, en una ilustración la
sección de conexión del rotor 106 comprende un arreglo de conducción
con engranaje tipo oruga. En otras representaciones, la sección de
conducción del rotor 106 comprende un actuador como un motor punto
a punto actuando a través de un engranaje radial (por ejemplo
engranaje spur), un arreglo de conducción directa, un actuador
hidráulico que gire un engranaje sobre el conjunto del rotor 110 o
un actuador neumático que haga girar un engranaje en el conjunto de
rotor 110. En otras formas de realización, la función de la unidad
de control de torque es llevada a cabo proveyendo dos conjuntos de
bobinado tanto para el rotor como para el estator del conjunto de
transformador rotativo 105, un primer conjunto de bobinado sobre el
rotor y el estator tienen un diferente número de polos (por ejemplo
2 polos) diferente a un segundo conjunto de bobinado en el rotor y
el estator (por ejemplo 4 o más polos).
En la operación, un operador setea la señal de
orden de energía de entrada (señal P_{0} en la forma de
realización de la Figura 1 A y 1B; la señal P_{00} en la forma de
realización de la Figura 1C) de acuerdo con un requerimiento de
energía predeterminado del sistema de utilización 72. La puesta de
la señal de entrada de la orden de energía (P_{0} o P_{00} según
sea el caso) puede ser llevada a cabo ajustando un botón o
ingresando datos al panel de control operativo o a la estación de
trabajo operativa 74 para generar la señal indicativa de la
potencia ordenada.
El controlador de alta velocidad 108 recibe tanto
la señal de la velocidad angular deseada o requerida \omega_{0},
como una señal de velocidad angular medida \omega_{r}. La señal
de velocidad angular requerida \omega_{0} es generada por el
controlador predictivo 76 usando una información basa en el Gráfico
Hill. La señal \omega_{0} de velocidad angular medida se obtiene
del transductor de velocidad 111. El controlador de alta velocidad
108 genera una señal de conducción (también conocida como la señal
de orden de torque T_{0}) en la línea 134 de modo que
\omega_{r} rápidamente se iguala con \omega_{0}. Las personas
especializadas en el tema saben cómo operar los conductores de
motor convencional como por ejemplo el controlador de velocidad 108
para usar la señales \omega_{0} y \omega_{r} para generar la
señal de
\hbox{conducción T _{0} .}
De este modo el controlador de alta velocidad 108
trabaja para ajustar la señal T_{0} de conducción en la línea 134
hacia el control de unidad de torque 106 de tal modo que la
velocidad real \omega_{r} del conjunto del rotor 110 sigue la
velocidad pedida \omega_{0}. El ancho de banda del bucle cerrado
del controlador de velocidad rápida 108 debería exceder la más alta
frecuencia oscilatoria natural del conjunto del rotor, incluyendo
la reacción a la red de transmisión a la que se integra y es
generalmente menos de 100 radianes/seg. Generalmente, los modos
naturales de oscilación irán variando desde unos 3 rad/seg hasta 50
rad/seg y son habitualmente menos que 30 rad/seg. En conexión con
el ancho de banda (velocidad de respuesta) del controlador de alta
velocidad 108, en la forma de realización ilustrada, un retraso de
fase desde el cambio de la velocidad \omega_{0} solicitada hasta
la velocidad real \omega_{r} del conjunto del rotor es menor que
90 grados para los disturbios sinusoidales. Asegurar este ancho de
banda de respuesta a su vez asegurará que todos esos modos
naturales de oscilación tendrán una disminución de la amplitud de
ondas (damping) beneficioso proveniente del sistema de control.
La magnitud de la señal de conducción T_{0} en
la línea 134 es usada por la sección de conducción del rotor 106
para aumentar o disminuir la velocidad del conjunto del rotor 110
para conseguir la velocidad deseada de la máquina hidráulica
44.
La señal T_{0} de conducción en la línea 134 se
aplica al amplificador de control de torque. Se suministra energía
al amplificador de control de torque mediante una fuente de poder
de control de torque por medio del cual usando una señal de
conducción T_{0} en la línea de amplificador de control de torque
134 se producen señales trifásicas a la unidad de control de torque
106.
El posicionamiento angular \theta_{r} del
conjunto de rotor 110 correspondiente al estator 112 también se
muestra en la Figura 3, entendiéndose en la práctica convencional
que \theta_{r} es cero cuando RA+ se alinea exactamente con
SA+.
El regulador automático de tiempo real para el
convertidor asíncrono 50, llevado a cabo por el controlador de
frecuencia ca 82 y el adicionador 88, provee un ajuste automático
de la señal de salida P_{00} de la orden de energía que depende
de los requisitos en tiempo real actuales del Sistema de energía CA
72. Por ejemplo, si un Sistema de Energía CA 72 no estuviera
recibiendo en algún momento suficiente energía a pesar de la señal
de pedido de energía P_{00}, la frecuencia de las líneas 11
disminuirían y tal disminución estaría monitorizada por el
transductor de frecuencia 80 y compensado por el controlador
predictivo 76 en respuesta a la señal P_{0}, de tal manera que
resultaría un mayor nivel de energía que el es evocado por la señal
P_{00}. A la inversa, si se suministrara demasiada energía al
sistema de energía CA 72, la frecuencia en las líneas 11 aumentaría
y tal aumento sería sensado por el transductor de frecuencia 80 y
compensado por el controlador predictivo 76, de tal modo que
resultaría un nivel de energía menor que aquel evocado por la señal
P_{00}.
En la forma de realización de la Figura 1C, la
señal P_{0} hacia el controlador predictivo 76 indica el nivel de
energía requerida, en vez de la señal de energía pedida P_{00}
(P_{0} es una modificación de P_{00} como se explicó más
arriba).
De esta manera, la presente invención logra
velocidades variables en el generador principal 44 con el bobinado
de campo de corriente directa convencional, variando la frecuencia
de la corriente ca que fluye en el estator del generador principal
desviando de la frecuencia nominal del sistema de energía 72 por
una cantidad necesaria para conseguir la variación de velocidad
deseada (por ejemplo, 55 Hz rendirían una velocidad del 110% en un
generador nominalmente operado a 50 Hz). Más aún, esta invención
consigue su objetivo de óptima eficiencia hidráulica mediante la
medida de carga hidrostática y la frecuencia del sistema de
transmisión ca solamente, con un bucle abierto basado en un
"gráfico Hidráulico Hill" computado fuera de línea.
Como otra ventaja, la frecuencia del sistema de
energía se controla midiendo la frecuencia del sistema de
transmisión ca y ajustando la orden de energía a la función del
control principal. La disminución de la amplitud de ondas de las
oscilaciones del sistema de energía también es provista por el
controlador de alta velocidad 108.
El convertidor 50 puede, de este modo, ser
fácilmente agregado para mejorar los suministros de los gerenadores
hidráulicos. Los límites de la ajustabilidad de velocidad de cada
servicio de generador hidráulico dependerán de los esfuerzos
mecánicos y la habilidad de los otros componentes del sistema para
llevar a cabo sus funciones. Por lo menos un generador en cualquier
complejo de presas dado, puede ser equipado con el convertidor 50,
o en algunos sitios seleccionados de la presa a lo largo del río
que requieran un control extra de capacidad.
Más aún, el convertidor 50 provee una herramienta
significativa a las autoridades de energía que manejan los recursos
hídricos. Mediante el desacople de la velocidad de flujo (a través
de la turbina) con la demanda de energía, los niveles de agua
pueden ser ajustados precisamente sin pérdida de energía. Tal
ajuste exacto incluye la capacidad de ajuste para condiciones de
inundación y/o sequía y diferentes regiones del mismo río.
El convertidor 50 también maneja el tema del
control de almacenaje bombeado. El almacenamiento hidroeléctrico
bombeado generalmente involucra un sistema de dos reservorios, un
reservorio está en una posición más alta y el otro reservorio está
en una posición más baja. El agua es bombeada al reservorio más
elevado, almacenando su energía potencial hasta que los suministros
encuentren condiciones de demanda pico extraordinarias. El agua
entonces es soltada a través de la turbina hidráulica para
satisfacer esta demanda pico. El drenaje extremo del reservorio
superior como se da en la demanda pico requiere bombeo (fuera de la
hora pico) de reposición de agua del reservorio más bajo hacia el
más alto. Durante las condiciones de bajo reservorio, el convertidor
50 provee la ventaja de respuesta rápida y velocidad operativa
reducida. Administrando con velocidad ligeramente más lenta y
usando un margen de reserva menor, las autoridades de energía
pueden optimizar la conservación del agua a la vez que mantienen
una velocidad de respuesta de carga igual a la velocidad de egreso
de agua por la compuerta.
Los beneficios de la presente invención incluyen
un menor impacto ambiental (salvando peces, minimizando la erosión,
etc.) y un mejor control del nivel de agua, particularmente en
sistema de multi cuencas. Este control mejora la utilidad del
suministro de agua tanto para los aspectos recreacionales como los
agrícolas, como el riego.
Claims (11)
1. Un procedimiento de transmisión de potencia
eléctrica desde una unidad (70) de turbina hidráulica a un sistema
de utilización eléctrica (72), este procedimiento comprende:
obtención de una señal (h_{meas}) indicativa de
la carga hidrostática (24); que comprende
el uso de una señal indicativa de carga
hidrostática para controlar la velocidad y la posición de la
compuerta de una unidad (70) de turbina hidráulica de velocidad
variable para que rinda un nivel de potencia requerido (P_{0},
P_{00}) al sistema de utilización eléctrica, caracterizado
por
el control de la velocidad del rotor de un
convertidor rotativo asíncrono (50) conectado entre la unidad de la
turbina hidráulica y el sistema de utilización eléctrica (72), en
respuesta a la señal indicativa de carga hidrostática.
2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el
que el control de la velocidad de la unidad (70) de turbina
hidráulica de velocidad variable involucra el uso de la señal
indicativa de carga hidrostática (24) para acceder a una memoria en
la que es almacenada la información del Gráfico Hidráulico Hill.
3. El procedimiento de la reivindicación 2, que
además comprende la actualización de la memoria en la que se
almacena la información del Gráfico Hidráulico Hill.
4. El procedimiento de la reivindicación 1, que
además comprende:
la obtención de una señal (f_{ca}) que indica
la frecuencia de transmisión ca al sistema de utilización eléctrica
(72); y
también usar una señal que indica la frecuencia
de transmisión ca al sistema de utilización eléctrica (72) para
controlar el nivel de potencia de salida de la unidad (70) de
turbina hidráulica de velocidad variable.
5. Una interfase (50) para acoplar una unidad
(70) de turbina hidráulica a una planta eléctrica (72), teniendo la
turbina hidráulica (76) un generador hidráulico (44) para generar
potencia eléctrica de salida de la turbina hidráulica, la cual es
transmitida vía interfase a la planta eléctrica (72), interfase que
está caracterizada por:
un convertidor rotativo (102) para ser acoplado a
la unidad (70) de turbina hidráulica para recibir la potencia
eléctrica de salida de la turbina hidráulica generada por la unidad
(70) de la turbina hidráulica y a través del cual la potencia
eléctrica de salida de la turbina hidráulica se aplica a la planta
eléctrica (72);
un controlador (108, 80, 86) el cual opera el
convertidor rotativo de tal manera que el nivel de potencia
eléctrica de salida solicitado (P_{0}, P_{00} ) se obtiene de
la unidad de la turbina hidráulica por la planta eléctrica, usando
el controlador (108, 80, 86) una señal (h_{meas}) indicativa de
la carga hidrostática (24) para controlar la posición de la
compuerta y la velocidad de la unidad de la turbina hidráulica para
producir el nivel de potencia eléctrica de salida que se solicitó a
la planta eléctrica (72).
6. La interfase de la reivindicación 5, en la que
el convertidor rotativo (102) está acoplado a la turbina hidráulica
de tal modo que la frecuencia ca del convertidor rotativo (102) es
proporcional a la velocidad rotacional de la unidad (70) de la
turbina hidráulica.
7. La interfase de la reivindicación 5 ó 6, en la
que el controlador incluye un procesador (76) que usa la señal
h_{meas} indicativa de la carga hidrostática (24) para acceder a
la memoria (94, 95) en la cual es almacenada la información del
Gráfico Hidráulico Hill.
8. La interfase de la reivindicación 7, que
comprende además un actualizador de Gráficos Hill (84) para
actualizar los valores almacenados en la memoria (94,95) dentro de
la cual es almacenada la información del Gráfico Hidráulico
Hill.
9. La interfase de la reivindicación 5, en la que
el controlador también usa una señal (f_{ca}) indicativa de la
frecuencia de transmisión ca a la planta eléctrica (72) para
controlar la potencia de salida del convertidor rotativo (102) para
producir el nivel de potencia eléctrica de salida solicitado a la
planta eléctrica (72).
10. La interfase de la reivindicación 5, en la
que el convertidor rotativo (102) comprende:
uno de entre un rotor y un estator conectado para
recibir la potencia eléctrica de salida de la turbina
hidráulica;
el otro de entre el rotor y el estator conectado
de tal manera que la potencia eléctrica de salida del convertidor
es extraída del mismo;
un actuador (106) para que haga girar el rotor;
y
en la cual el controlador responde a la señal
(h_{meas}) que indica la carga hidrostática (24) para controlar
el actuador (106) por medio de lo cual el rotor gira
bidireccionalmente a una velocidad variable.
11. Una interfase (50) para acoplar a la unidad
(70) de turbina hidráulica a una planta eléctrica (72), teniendo
esta unidad de turbina hidráulica un generador hidráulico (44) para
generar potencia eléctrica de salida de la turbina hidráulica, la
cual es transmitida vía la interfase a la planta eléctrica (72),
siendo las características de esta interfase:
un convertidor rotativo (102) para ser acoplado a
la unidad de la turbina hidráulica (72) y que transmite potencia
eléctrica a la planta eléctrica (70), comprendiendo el convertidor
rotativo (102):
un rotor y un estator, uno, de entre el rotor y
el estator, será acoplado a la unidad (70) de turbina hidráulica y
el otro, de entre el rotor y el estator, será acoplado a la planta
eléctrica (72); y
a un controlador (108, 80, 86) el cual usa la
frecuencia ca de la potencia eléctrica de salida para generar una
señal que controla la velocidad rotacional del rotor relativa al
estator, este controlador comprende:
un transductor de frecuencia (80) el cual
monitorea la frecuencia ca de la planta eléctrica (72) y genera una
señal (f_{ca}) indicativa de la misma; y
medios (108, 86) para usar la señal (f_{ca})
generada por el transductor de frecuencia para modificar una señal
(T_{ga}) indicativa de la velocidad rotativa requerida de la
unidad (70) de turbina hidráulica, los medios para modificar la
señal produciendo una señal modificada (T_{0}) para usar en el
control de la velocidad rotacional del rotor con relación al
estator.
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