ES2327487A1 - Sistema y metodo de operacion asincrona aplicable a un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (dfig). - Google Patents
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Abstract
Sistema y método de operación asíncrona aplicable a un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG). Incluye al menos un generador (104) asíncrono de rotor bobinado; al menos un convertidor de potencia (102) con capacidad de controlar las corrientes rotóricas de dicho generador (104) en amplitud, frecuencia y fase; se caracteriza por comprender desconectar el rotor del generador DFIG (104) aislándolo del convertidor de potencia (102), cortocircuitar el rotor del generador DFIG (104) y efectuar la operación de la turbina eólica con el rotor del generador (104) cortocircuitado y aislado del convertidor de potencia (102), para posibilitar la operación del generador de la turbina eólica en modo de generación asíncrona. Permite la continuidad de la operación del aerogenerador en modo asíncrono, en caso de falta de operatividad del modo doblemente alimentado DFIG.
Description
Sistema y método de operación asíncrona
aplicable a un aerogenerador del tipo doblemente alimentado
(DFIG).
La invención es aplicable a turbinas eólicas y
más particularmente en turbinas con generadores doblemente
alimentados. La presente invención tiene por objeto permitir la
continuidad de la operación del aerogenerador en modo asíncrono, en
caso de falta de operatividad del modo doblemente alimentado DFIG
(Doubly Fed Induction Generator). Dicha dualidad de modos de
operación aumenta en gran medida la disponibilidad de la turbina
eólica.
En los inicios de la energía eólica, la mayor
parte de las turbinas eólicas estaban equipadas con generadores
asíncronos de jaula de ardilla. Estas turbinas funcionaban a
velocidad de giro prácticamente constante, lo que implicaba menor
eficiencia en la conversión de la energía al viento y mayores
esfuerzos mecánicos en el aerogenerador. En la década de los 90
aparecieron las turbinas eólicas de velocidad variable que están
equipadas con generadores asíncronos de rotor bobinado cuyo rotor
está alimentado a través de un convertidor de potencia, a este tipo
de generador se le conoce como del tipo doblemente alimentado
(DFIG), ya que precisan de un convertidor de potencia encargado de
inyectar a los devanados rotóricos corrientes con la frecuencia,
amplitud y fase apropiadas. Esta topología presenta la ventaja de
mayor eficiencia energética y menores esfuerzos mecánicos por lo
que se ha convertido en una de las topologías dominantes.
La presente invención se aplica a turbinas
eólicas DFIG con la novedad de que permite, bajo determinadas
circunstancias, la operación de la turbina como un generador
asíncrono, lo que redunda en una mayor disponibilidad de la
turbina.
A medida que la capacidad eólica instalada y la
potencia unitaria de las turbinas eólicas aumenta, se hace más
importante asegurar la disponibilidad y fiabilidad de este tipo de
generación eléctrica.
Adicionalmente la naturaleza inherentemente
distribuida de la energía eólica provoca que no siempre se puedan
asegurar tiempos de reacción y reparación de anomalías, tan breves
como sería deseable. Este caso se pone especialmente de manifiesto
en las turbinas eólicas marinas (offshore) en las que por distintas
causas la accesibilidad puede verse reducida.
La presente invención alivia la problemática
anterior al proporcionar tolerancia ante anomalías en el
convertidor de potencia y otros sistemas de forma que permite una
dualidad en modos de operación.
En el estado del arte actual encontramos
invenciones cuya finalidad es igualmente evitar la pérdida de
disponibilidad en las turbinas eólicas debida a fallos de
funcionamiento en los componentes, o protegerlos cuando puedan
llegar a producirse condiciones críticas de funcionamiento en las
que peligre la integridad de los propios componentes (por ejemplo,
del convertidor de potencia).
La patente US20060214428A1 (Jens Altemark, et
al., Repower Systems AG) describe un método para poner en
paralelo sistemas de manera que ante un fallo de uno de ellos los
demás puedan seguir funcionando evitando así la parada de la
turbina eólica.
La patente EP1768223A2 (José I. Llorente, et
al., Gamesa Innovation & Technology, S.L. Unipersonal)
describe una topología de convertidores de potencia colocados en
paralelo y que atacan a diferentes bobinados del generador cuyo
objeto es aumentar la eficiencia de la conversión y tolerar el
fallo de alguno de los convertidores de potencia.
La patente US20060227578A1 (Rajib Data, et
al., General Electric Company) describe una pluralidad de
convertidores colocados en paralelo y cuya salida se compone en un
transformador con varios devanados. Esta topología, al igual que
las anteriores, aumenta la tolerancia ante fallos del convertidor
mediante el empleo de una pluralidad de convertidores.
La patente US20070024059A1 (John Douglas D'Atre,
et al. General Electric Company) de General Electric
describe la posibilidad de activar los semiconductores del
convertidor de potencia en un modo de cortocircuito, de forma que
se impide el paso de energía a través del convertidor evitando, por
ejemplo, un flujo excesivo de potencia que pudiera llegar a
dañarlo. No obstante, esta invención no permite la operación de la
turbina en caso de no tener operativo el convertidor. Dicha
situación puede producirse por ejemplo si fallan los
semiconductores de la electrónica de potencia o si falla la
electrónica de control del convertidor.
La presente invención evita colocar
convertidores de potencia redundantes en paralelo y asegura un modo
de operación alternativo, independiente del convertidor de
potencia y subsistemas asociados al mismo.
Para conseguir los objetivos y resolver los
inconvenientes anteriormente indicados, la invención consiste en un
nuevo método de operación de una turbina eólica con generador
doblemente alimentado que permite la operación de dicha turbina en
un modo alternativo de generación asíncrona, por ejemplo
permitiendo que la turbina eólica pueda llegar a funcionar aún en
el caso de que el convertidor de potencia a ella asociada, no pueda
ser operado adecuadamente o, porque se desee ponerlo fuera de
servicio (por ejemplo, mantenimiento del equipo). De esta forma se
puede obtener un gran aumento de la disponibilidad de la turbina
eólica.
Un aerogenerador que incluye un generador
doblemente alimentado, en modo de operación normal (modo DFIG,
Doubly Fed Induction Generator), necesita de un convertidor de
potencia conectado al rotor del generador. Se entiende como
convertidor de potencia cualquier topología que emplee electrónica
de potencia y el control asociado. Dichos elementos constituyen una
unidad funcional encargada de controlar las magnitudes rotóricas,
tales como las corrientes, de tal manera que permita trabajar a la
turbina acoplada a la red y con velocidad variable en el eje. El
convertidor de potencia puede ser una topología formada por uno o
varios back-to-back (conversiones de
AC - DC - AC reversibles, a través de un bus de continua) o
cualquier otra topología.
Actualmente, aquellos fallos en el aerogenerador
que provocan un comportamiento anómalo del convertidor de
potencia, implican, en la mayoría de los casos, que se interrumpa
la generación de energía hasta que sea solventado el fallo, ya que
el convertidor de potencia no puede ser operado correctamente.
Esta invención, describe un sistema y método de
operación que permite reanudar la generación de energía aún con el
convertidor de potencia no operativo. La presente invención es
independiente de la topología del convertidor de potencia que
controla el generador DFIG.
El método de operación comprende la desconexión
del rotor del generador DFIG aislándolo del convertidor de
potencia, cortocircuitar el rotor del generador DFIG (bien
directamente o bien a través de elementos activos, pasivos o una
combinación de ambos) y efectuar la operación de la turbina eólica
con el rotor del generador cortocircuitado y aislado del
convertidor de potencia. Por lo tanto, en este caso, la turbina
está operada en modo generador asíncrono.
Para ello la invención propuesta comprende
elementos de maniobra que aíslan el rotor del generador respecto
del convertidor de potencia y elementos de maniobra y
cortocircuito que cortocircuitan el rotor del generador,
permitiendo la operación del generador (DFIG) de la turbina eólica
en modo asíncrono. De esta manera, aún en caso de fallo del
convertidor de potencia, la turbina eólica podrá seguir estando
operativa.
En consecuencia para implantar el método
anterior, el sistema incluye, además de los elementos necesarios
para el control del aerogenerador en modo DFIG:
- -
- Elementos de maniobra para aislar el rotor del generador del convertidor de potencia.
- -
- Elementos de maniobra y cortocircuito para cortocircuitar el rotor del generador, que están constituidos por una pluralidad de elementos activos o pasivos. Entendiendo por elementos activos aquellos que se pueden maniobrar de manera automática (tales como, contactores, interruptores de estado sólido) y por elementos pasivos aquellos que no se pueden maniobrar (por ejemplo, resistencias, inductancias, capacidades).
Además de los elementos anteriores en una
realización preferida de la invención, se incluyen medios para
reducir el pico de corriente asociado al acoplamiento de un
generador asíncrono (rotor cortocircuitado), sistemas activos como
arrancadores suaves (soft starter), elementos pasivos o una
combinación de ambos.
La esencia del método anteriormente descrito se
complementa con el uso de los elementos que se han incorporado en
la invención. En consecuencia el método de operación comprende las
siguientes fases:
- -
- Detectar las condiciones de entrada al modo de generación asíncrono (por ejemplo, condiciones anómalas de funcionamiento del convertidor de potencia).
- -
- Desconectar, si previamente está conectado, el estátor del generador de la red y actuar sobre los elementos de maniobra para desconectar, si previamente está conectado, el rotor del generador respecto del convertidor de potencia.
- -
- Actuar sobre los elementos de maniobra y cortocircuito para cortocircuitar el rotor del generador.
- -
- Operar el generador en modo de generación asíncrono permitiendo su acoplamiento a la red y la generación de potencia, mediante las adaptaciones convencionales necesarias para el modo de generación asíncrono (por ejemplo, ajustes de regulación, consignas, límites de corriente, etc.)
- -
- Detectar las condiciones de entrada al modo de generación DFIG y activar dicho modo cuando se cumplan las mismas.
El método anteriormente descrito se puede
ejecutar mediante elementos de maniobra tanto dependientes como
independientes del convertidor.
A continuación para facilitar una mejor
comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante
de la misma, se acompañan una serie de figuras en las que con
carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto
de la invención.
Figura 1.- Muestra un esquema general de
funcionamiento de acuerdo a una realización preferida de la
presente invención.
Figura 2.- Muestra un diagrama de bloques
funcional de acuerdo a un método preferente de la invención.
A continuación se realiza una descripción de la
invención basada en las figuras anteriormente comentadas.
En una turbina eólica con un generador del tipo
doblemente alimentado (104), es necesario el uso de un convertidor
de potencia (102) para permitir el acoplamiento del aerogenerador a
la red eléctrica (103) a velocidad variable. El generador (104) es
del tipo generador de inducción de rotor bobinado cuyos devanados
son accesibles al convertidor de potencia (102), a través de
anillos rozantes, lo que permite que el convertidor de potencia
(102) alimente el rotor del generador (de aquí recibe el nombre de
máquina doblemente alimentada, DFIG en inglés).
En la configuración del estado del arte actual,
los elementos de maniobra son un interruptor (107) que permite
desconectar el convertidor de potencia (102) de la red eléctrica
(103), y un interruptor (105) para conectar y desconectar el
estátor de la red eléctrica (103). Los elementos de maniobra (105 y
107) pueden ser contactores, conmutadores, magnetotérmicos,
etc.
El controlador del aerogenerador (109), se
encarga de supervisar y actuar sobre todos los subsistemas que
componen el aerogenerador, tales como, el grupo hidráulico, sistema
de pitch, sistema de orientación del aerogenerador (yaw), sistemas
de supervisión de condiciones atmosféricas y de red eléctrica,
controlador del convertidor de potencia (110), etc.
En el modo de operación DFIG de un
aerogenerador, el convertidor de potencia (102) se encarga de
inyectar al rotor del generador (104), corrientes tales que
permiten la generación de energía a velocidad variable.
En la invención se introducen un conjunto de
elementos de maniobra (108 y 113), entre el rotor del generador y
el convertidor de potencia (102). Dichos elementos, en una
realización preferida, son externos al convertidor de potencia
(102) y operados por el controlador del aerogenerador (109), junto
con el resto de los subsistemas anteriormente mencionados. En otra
realización los elementos de maniobra (108 y 113) son controlados
por el controlador del convertidor de potencia (110) o por una
combinación de ambos controladores (109 y 110).
El sistema de operación asíncrona referido puede
ser también un dispositivo o un aparato.
El método de operación en una realización
preferida incluye:
- -
- Detectar (201) las condiciones de entrada al modo de generación asíncrono (por ejemplo, condiciones anómalas de funcionamiento del convertidor de potencia).
- -
- Desconectar (202), si previamente está conectado, el estátor del generador (104) de la red (103) actuando sobre el elemento de maniobra (105) y desconexión, si previamente está conectado, del rotor del generador del convertidor de potencia (102) actuando sobre el elemento de maniobra (113).
- -
- Actuar (203) sobre los elementos de maniobra (108) y cortocircuito (106) para cortocircuitar el rotor del generador (104).
- -
- Operar (204) el generador (104) en modo de generación asíncrono permitiendo su acoplamiento a la red (103) y la generación de potencia, realizando las adaptaciones convencionales necesarias para el modo de generación asíncrono (por ejemplo, ajustes de regulación, consignas, límites de corriente, acoplamiento a la red, etc.)
- -
- Detectar (205) las condiciones de entrada al modo de generación DFIG y activar dicho modo cuando se cumplan las mismas.
En una realización preferida de la invención, se
entiende como condiciones de entrada al modo de generación
asíncrono condiciones anómalas de funcionamiento del convertidor de
potencia (102). Adicionalmente este modo de generación puede ser
seleccionado por ejemplo mediante telemando, en labores de
mantenimiento, en modo de funcionamiento manual, cuando se quiera
comprobar el generador, etc. Estas condiciones se pueden detectar
tanto estando la turbina en operación como en modo de espera
(stand-by).
El cortocircuito del rotor del generador DFIG
(104) es posible hacerlo mediante un cortocircuito franco o a
través de otros elementos tales como resistencias, inductancias,
condensadores, tiristores, IGBTs, diodos, o cualquier combinación
de los elementos anteriores. En una realización, los elementos de
cortocircuito pueden llegar a tener capacidad de control de la
corriente rotórica. En cualquier caso el generador se encuentra en
el modo de generación asíncrono.
Cuando una turbina eólica funciona en el modo de
generación asíncrona, su comportamiento tanto mecánico como
eléctrico es diferente al de un aerogenerador del tipo doblemente
alimentado (DFIG). Por este motivo, los parámetros de regulación de
la turbina (por ejemplo, control de velocidad mediante ángulo de
pitch), se adaptarán a las condiciones de funcionamiento propias de
un generador asíncrono directamente conectado a la red (103).
Estas condiciones se caracterizan porque el deslizamiento eléctrico
va ligado a la potencia producida. Este comportamiento es diferente
al de un aerogenerador doblemente alimentado (DFIG) donde la
potencia producida no es directamente dependiente de la velocidad.
Por este mismo motivo, puede ser necesario cambiar los límites
máximos de operación, los ajustes de los reguladores, las consignas
de operación o el taraje de las protecciones, entre otros.
Otra diferencia a tener en consideración es la
conexión del generador a la red. Los generadores DFIG pueden ser
magnetizados antes de acoplar. Un generador operando en el modo de
generación asíncrono no permite la premagnetización a través del
circuito rotórico. Por este motivo, es conveniente incluir un
elemento (112) que evite en el acoplamiento del estátor a la red el
pico de corriente característico del acoplamiento de los
generadores asíncronos.
Claims (16)
1. Método de operación asíncrona aplicable a un
aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG) que incluye al
menos un generador asíncrono de rotor bobinado; al menos un
convertidor de potencia con capacidad de controlar las corrientes
rotóricas de dicho generador en amplitud, frecuencia y fase;
caracterizado porque comprende desconectar el rotor del
generador DFIG aislándolo del convertidor de potencia,
cortocircuitar el rotor del generador DFIG y efectuar la operación
de la turbina eólica con el rotor del generador cortocircuitado y
aislado del convertidor de potencia, para posibilitar la operación
del generador de la turbina eólica en modo de generación
asíncrona.
asíncrona.
2. Método de operación asíncrona aplicable a un
aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG) según
reivindicación 1, caracterizado porque el método comprende
las siguientes fases:
- -
- detectar condiciones de entrada al modo de generación asíncrona,
- -
- desconectar, si previamente está conectado, el estátor del generador de la red y actuar sobre unos elementos de maniobra para desconectar, si previamente está conectado, el rotor del generador del convertidor de potencia.
- -
- actuar sobre unos elementos de maniobra y cortocircuito, para cortocircuitar el rotor del generador,
- -
- operar el generador en modo de generación asíncrono para permitir su acoplamiento a la red y la generación de potencia, realizando las adaptaciones convencionales necesarias para el modo de generación asíncrono,
- -
- detectar de las condiciones de entrada al modo de generación DFIG y activación de dicho modo cuando se cumplan las mismas.
3. Método de operación asíncrona aplicable a un
aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG), según
reivindicación 2, caracterizado porque las condiciones de
entrada al modo de generación asíncrono comprenden la detección de
fallo del convertidor de potencia.
4. Método de operación asíncrona aplicable a un
aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG), según
reivindicación 2, caracterizado porque las condiciones de
entrada al modo de generación asíncrono comprenden la detección de
anomalías externas al convertidor de potencia que impidan la
generación de potencia en el modo de operación DFIG.
5. Método de operación asíncrona aplicable a un
aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG), según
reivindicación 1, caracterizado porque comprende
cortocircuitar el rotor del generador para tener capacidad de
control de la corriente retórica.
6. Método de operación asíncrona aplicable a un
aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG), según
reivindicación 1, caracterizado porque comprende reducir el
pico de corriente que resulta al acoplar a la red un generador
asíncrono.
7. Método de operación asíncrona aplicable a un
aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG), según
reivindicación 1, caracterizado porque comprende adaptar el
funcionamiento del aerogenerador al modo asíncrono después de salir
del modo DFIG.
8. Sistema de operación asíncrona aplicable a un
aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG), que incluye
al menos un generador asíncrono de rotor bobinado; al menos un
convertidor de potencia con capacidad de controlar las corrientes
rotóricas de dicho generador en amplitud, frecuencia y fase,
elementos de maniobra para conectar y desconectar el estátor del
generador respecto de la red eléctrica;
caracterizado porque comprende:
- -
- elementos de maniobra para aislar el rotor del generador del convertidor de potencia,
- -
- elementos de maniobra y cortocircuito para cortocircuitar el rotor del generador constituidos por una pluralidad de elementos seleccionados entre elementos activos, elementos pasivos y combinación de los mismos.
9. Sistema de operación asíncrona aplicable a un
aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG) según
reivindicación 8, caracterizado porque los elementos de
maniobra que aíslan el rotor del generador del convertidor de
potencia y los elementos de maniobra y cortocircuito que
cortocircuitan el rotor del generador son independientes del
convertidor de potencia.
10. Sistema de operación asíncrona aplicable a
un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG) según
reivindicación 8, caracterizado porque los elementos de
maniobra que aíslan el rotor del generador del convertidor de
potencia y los elementos de maniobra y cortocircuito que
cortocircuitan el rotor del generador son dependientes del
convertidor de potencia.
11. Sistema de operación asíncrona aplicable a
un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG) según
reivindicación 8, caracterizado porque los elementos de
maniobra y cortocircuito del rotor, comprenden elementos de
cortocircuito constituidos por elementos pasivos.
12. Sistema de operación asíncrona aplicable a
un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG) según
reivindicación 11, caracterizado porque los elementos
pasivos son seleccionados entre resistencias, inductancias y
capacidades, y combinación de ellos.
13. Sistema de operación asíncrona aplicable a
un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG), según
reivindicación 8, caracterizado porque los elementos de
maniobra y cortocircuito del rotor están constituidos por elementos
activos y pasivos.
14. Sistema de operación asíncrona aplicable a
un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG), según
reivindicación 13, caracterizado porque los elementos
activos son seleccionados entre diodos, transistores, tiristores,
otros semiconductores controlables y combinación de ellos.
15. Sistema de operación asíncrona aplicable a
un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG), según
reivindicación 13, caracterizado porque los elementos
activos y pasivos tienen capacidad de control de la corriente
rotórica.
16. Sistema de operación asíncrona aplicable a
un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG), según
reivindicación 8, caracterizado porque comprende medios para
reducir el pico de corriente al acoplar a la red un generador
asíncrono.
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