ES2345758A2 - Sostenimiento durante perturbaciones de alta tension. - Google Patents
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Abstract
Sostenimiento durante perturbaciones de baja tensión.<br /><br />Un sistema para conectar un aerogenerador a una red de compañía eléctrica incluye un primer convertidor de energía que convierte una corriente alterna procedente del aerogenerador en una corriente continua y suministra una intensidad controlada de corriente reactiva al aerogenerador. El sistema también incluye un segundo convertidor de energía, conectado en serie con el primer convertidor, que convierte la corriente continua procedente del primer convertidor de energía en una corriente alterna de lado de línea y suministra una intensidad controlada de corriente a la red de compañía eléctrica. Un elemento de disipación de potencia está acoplado a los convertidores de energía primero y segundo para disipar potencia desde el primer convertidor de energía.
Description
Sostenimiento durante perturbaciones de baja
tensión.
Esta solicitud se refiere a aerogeneradores.
La energía eólica ha emergido como la fuente de
energía de crecimiento más rápido, ofreciendo una alternativa
limpia, renovable y ecológica a los suministros de energía basados
en combustibles fósiles.
Con la velocidad de crecimiento actual, la
conversión de la energía eólica es proyectada para producir más de
117.000 MW en el año 2.009, reclamando el 1,25% aproximadamente de
la generación global de electricidad. Además de su papel tradicional
en dar servicio a residencias rurales en áreas aisladas de la red
eléctrica, los aerogeneradores son instalados ahora crecientemente
en granjas eólicas a gran escala (por ejemplo, multimegavatio) e
integradas en redes de energía eléctrica que pueden suministrar
electricidad a consumidores por toda la nación.
El comportamiento funcional de un aerogenerador
conectado a la red eléctrica puede ser influido por muchos factores
tales como las fluctuaciones de tensión en la red eléctrica. Por
ejemplo, un cortocircuito en la red eléctrica puede producir una
calda brusca de tensión, lo que reduce la resistencia eficaz al
movimiento en el aerogenerador y puede causar que tanto la turbina
como el generador aceleren rápidamente. Para garantizar el
funcionamiento seguro, algunos aerogeneradores han sido diseñados
para desconectarse de la línea (o sea, desconectar de la red
eléctrica y parar) tan pronto como la tensión de red cae por debajo
de un nivel prescrito (por ejemplo, 85% de la tensión nominal).
Después de la eliminación de avería, estos aerogeneradores entran en
un ciclo de rearranque que puede durar varios minutos antes de
reanudar la transmisión de energía a la red.
Durante ese periodo fuera de línea, la pérdida
de generación de potencia puede afectar a la estabilidad de las
redes de compañías eléctricas a las que están conectados los
aerogeneradores. A medida que el número de plantas/granjas eólicas
integradas en la red eléctrica continúa creciendo, las agencias
reguladoras en muchos países han comenzado a adoptar normas
estrictas de interconexión que exigen que los aerogeneradores
grandes permanezcan en línea durante perturbaciones y continúen
funcionando durante un periodo prolongado (un proceso denominado
"sostenimiento durante perturbaciones de baja tensión"
("LVRT: low-voltage ride through")).
Entre las diversas normas de interconexión, el
Reglamento Español de Líneas de Alta Tensión, por ejemplo, exige que
los aerogeneradores sean capaces de sostener
("ride-through") la tensión de línea en el 20%
del nivel de régimen durante al menos 500 ms. La Figura 1A muestra
un ejemplo de transitorios de tensión cuando ocurre un suceso de
baja tensión. En este caso, después de una depresión inicial de 500
ms, la tensión de línea empieza a recuperarse y dentro de 15
segundos ha vuelto al 95% de la nominal. Durante todo este periodo
de baja tensión (\approx15s), el Reglamento Español de Líneas de
Alta Tensión exige que los aerogeneradores continúen funcionando y
suministrando corriente eléctrica en intensidades controladas para
ayudar a estabilizar la red eléctrica. La Figura IB muestra el
comportamiento exigido de corriente eléctrica medido por la relación
de la intensidad de la corriente reactiva a la de la corriente total
(I_{reactiva}/I_{total}) en función de la tensión de línea.
Obsérvese que otros países pueden tener reglamentos diferentes
sobre los comportamientos de corriente y tensión de aerogeneradores
conectados a la red eléctrica en respuesta a perturbaciones de baja
tensión.
En un aspecto de la invención, se proporciona un
sistema para conectar un aerogenerador a una red de compañía
eléctrica. Un primer convertidor de energía convierte una corriente
alterna procedente del aerogenerador en una corriente continua y
suministra una intensidad controlada de corriente reactiva al
aerogenerador. Un segundo convertidor de energía, conectado en
serie con el primer convertidor, convierte la corriente continua
procedente del primer convertidor de energía en una corriente
alterna de lado de línea y suministra una intensidad controlada de
corriente eléctrica a la red de compañía eléctrica. Un elemento de
disipación de potencia está acoplado a los convertidores de energía
primero y segundo para disipar potencia desde el primer convertidor
de energía.
Realizaciones de este aspecto de la invención
pueden incluir uno o más de las características siguientes.
La intensidad de corriente suministrada a la red
de compañía eléctrica satisface un criterio predeterminado asociado
con un estado de tensión de la red de compañía eléctrica. El
criterio predeterminado puede incluir que cuando la tensión de la
red de compañía eléctrica cae por debajo de un umbral
predeterminado, la intensidad de corriente reactiva suministrada a
la red de compañía eléctrica es al menos el doble que la intensidad
de la corriente activa suministrada a la red de compañía
eléctrica.
Los convertidores de energía primero y segundo
están conectados por medio de un bus de corriente continua. Un
condensador está acoplado al bus de corriente continua. Reactancias
primera y segunda de filtro de corriente alterna pueden estar
acopladas a los convertidores de energía primero y segundo,
respectivamente. El elemento de disipación de potencia puede
incluir un resistor. El resistor puede incluir un resistor de
frenado dinámico. Un dispositivo interruptor controlable puede
estar acoplado al resistor para regular la corriente eléctrica que
pasa a través del resistor. Una unidad de corrección de factor de
potencia puede estar provista para ajustar el factor de potencia de
la energía eléctrica suministrada a la red de compañía eléctrica. La
unidad de corrección de factor de potencia puede incluir un
condensador controlable que puede ser conectado y desconectado por
señales eléctricas.
En otro aspecto general de la invención, un
sistema de control es provisto para controlar una interconexión
entre un aerogenerador y una red de compañía eléctrica. Cuando
ocurre un suceso de baja tensión, el sistema de control abre
eléctricamente un primer trayecto de la interconexión. Un segundo
trayecto de la interconexión es controlado durante un suceso de baja
tensión para suministrar una primera corriente adecuada para
mantener el funcionamiento del aerogenerador y una segunda
corriente que tiene una característica predeterminada asociada con
el funcionamiento de la red de compañía eléctrica.
Realizaciones de este aspecto de la invención
pueden incluir una o más de las características siguientes.
El sistema de control puede determinar que ha
ocurrido un suceso de baja tensión basado en un estado de tensión
asociado con la red de compañía eléctrica o, alternativamente, en
un estado de corriente asociado con el aerogenerador, o una
combinación de estos dos métodos.
La primera corriente incluye una componente de
corriente reactiva suficiente para mantener la excitación del
aerogenerador. La segunda corriente incluye una componente de
corriente activa y una componente de corriente reactiva. Durante el
suceso de baja tensión, la segunda corriente es controlada de modo
que la intensidad de la componente de corriente reactiva es al menos
el doble que la intensidad de la componente de corriente activa.
El primer trayecto incluye una unidad de
interruptor controlable por señales externas, y puede incluir
además un circuito de conmutación forzada configurado para
proporcionar una señal de conmutación a la unidad de interruptor.
El segundo trayecto incluye un primer convertidor de energía para
convertir la energía de corriente alterna procedente del
aerogenerador en energía de corriente continua y para suministrar
la primera corriente. Un segundo convertidor de de energía está
conectado en serie con el primer convertidor para convertir la
energía de corriente continua procedente del primer convertidor en
energía de corriente alterna de lado de línea y para suministrar la
segunda corriente. Un elemento de disipación de potencia está
acoplado a los convertidores de energía primero y segundo para
disipar potencia desde el primer convertidor de energía. El elemento
de disipación de potencia puede incluir un resistor y un dispositivo
interruptor controlable acoplado al resistor, configurado para
regular la corriente que pasa a través del resistor. Un condensador
está acoplado a los convertidores de energía primero y segundo.
El sistema de control puede controlar además una
unidad de corrección de factor de potencia para ajustar el factor de
potencia de la energía eléctrica suministrada a la red de compañía
eléctrica. La unidad de corrección de factor de potencia puede
incluir un condensador controlable que puede ser conectado y
desconectado por señales eléctri-
cas.
cas.
Entre otras ventajas y características, se
proporciona un sistema para conectar un aerogenerador a una red de
compañía eléctrica. Durante funcionamientos normales, la energía
eléctrica generada por el aerogenerador puede ser suministrada a la
red de compañía eléctrica con factor de potencia próximo a la unidad
y pérdida de potencia despreciable en el sistema de sostenimiento
durante perturbaciones de baja tensión (LVRT) (por ejemplo, menos
que el 0,3%). Cuando averías en la red causan que la tensión de
línea caiga, el sistema mantiene tensiones casi nominales en los
terminales del generador y proporciona impedancia suficiente al
generador. Como resultado, el aerogenerador continúa funcionando sin
experimentar impactos de baja tensión (por ejemplo, exceso de
velocidad). Las cantidades de potencias activa y reactiva
suministradas a la red también pueden ser controladas basadas en los
estados de tensión. Por ejemplo, cuando se desee, potencia reactiva
puede ser inyectada en la red eléctrica en cantidades suficientes
(por ejemplo, al menos el doble de la cantidad de potencia activa)
para ayudar a estabilizar la red de compañía eléctrica en un suceso
principal de baja tensión. En algunos casos, la selección apropiada
de la electrónica de potencia y el diseño de circuitos también puede
reducir el tiempo de respuesta del sistema a las averías.
Otras características y ventajas de la invención
son evidentes a partir de la descripción siguiente y a partir de las
reivindicaciones.
\vskip1.000000\baselineskip
Las Figuras 1A y 1B ilustran algunos aspectos de
las exigencias de sostenimiento durante perturbaciones de baja
tensión (LVRT) en el Reglamento Español de Líneas de Alta
Tensión.
Las Figuras 2A y 2B proporcionan una visión
general y una implementación ejemplar de un sistema de generación de
energía eólica con capacidad de LVRT, respectivamente.
La Figura 3 es un organigrama que ilustra un
esquema de control del sistema de generación de energía eólica.
Las Figuras 4A a 4D son ejemplos de
funcionamientos en estado permanente y transitorios de una
implementación del sistema de generación de energía eólica.
Refiriéndose a la Figura 2A, un sistema 200 de
generación de energía eólica con capacidad de LVRT incluye un rotor
202 (por ejemplo, una hélice de baja velocidad) que impulsa un
aerogenerador 204 para convertir la energía eólica en energía
eléctrica en forma de corriente alterna. A través de un sistema 208
de interconexión, la energía de corriente alterna es suministrada a
un transformados 242 que, elevando la tensión alterna, transmite la
energía a una red eléctrica local 244.
El sistema 208 de interconexión incluye una
unidad 210 de interruptor y una unidad 220 de conversión en
oposición, que proporcionan trayectos primero y segundo 211 y 221,
respectivamente, entre el generador 204 y el transformador 242.
Generalmente, la unidad 210 de interruptor puede ser conectada
(cerrada) o desconectada (abierta) eléctricamente por señales
externas (por ejemplo, señales de control) para permitir o bloquear
el paso de corriente en el primer trayecto 211. La unidad 210 de
interruptor puede ser un solo interruptor electrónico de potencia
(por ejemplo, un tiristor) o un circuito que funciona esencialmente
como un interruptor eléctrico que tiene al menos dos estados de
impedancia distinta. Preferiblemente, cuando es conectada, la unidad
210 de interruptor presenta impedancia despreciable a la corriente
eléctrica generada por el generador 204, minimizando de tal modo la
pérdida posible de potencia durante la transmisión.
Cuando la red eléctrica está funcionando en
condiciones normales (por ejemplo, la fluctuación de tensión
permanece dentro del \pm 10% de la nominal), la unidad 210 de
interruptor está cerrada, permitiendo que la energía procedente del
generador sea transmitida por el primer trayecto 211 al
transformador 246 con capacidad plena. Cuando ocurre un suceso de
baja tensión (por ejemplo, la tensión de red eléctrica cae por
debajo del 90% de la nominal), la unidad 210 de interruptor es
abierta rápidamente para bloquear el primer trayecto 211.
Subsiguientemente, la salida plena del generador es suministrada a
través del segundo trayecto 221a la unidad 220 de conversión en
oposición. Cuando la tensión de red cae significativamente, por
ejemplo, a un quinto de su valor nominal (o sea, el 20%), cinco
veces la corriente nominal circulará para que la red eléctrica
absorba la potencia antes de disminución generada por el
aerogenerador. Para impedir que los componentes en el sistema de
aerogenerador sean sobrecargados durante el suceso de baja tensión,
la unidad 220 de conversión en oposición suministra potencia en
cantidades controladas basada en las condiciones de tensión.
Preferiblemente, la unidad 220 de conversión en oposición también
suministra la corriente reactiva necesaria para excitar el generador
204 de modo que el generador continúa funcionando y generando
energía sin ser afectado por la calda de tensión. Otras funciones de
la unidad de conversión en oposición incluyen unos medios para
absorber o disipar la potencia en exceso procedente del
aerogenerador que no puede ser absorbida por la red eléctrica y,
opcionalmente, suministrar corriente reactiva a la red eléctrica
para ayudar en la recuperación de tensión después de la avería, lo
que es descrito con más detalle a continuación.
En algunos ejemplos, un controlador maestro 270
es proporcionado en el sistema 208 de interconexión para controlar
la transmisión de energía entre el generador y la red eléctrica.
Preferiblemente, el controlador maestro 270 es capaz de detectar
averías de baja tensión (como será descrito con más detalle a
continuación) y actuar en estas averías para coordinar y controlar
los funcionamientos de las unidades de interruptor 210 y de
conversión 220 para proporcionar características de LVRT de este
sistema de generación de energía. La implementación y la lógica del
controlador maestro 270 serán descritas con más detalle en el
contexto de un sistema de interconexión ejemplar proporcionado a
continuación.
Refiriéndose a la Figura 2B, se proporciona una
implementación ejemplar del sistema 208 de interconexión mostrado en
la Figura 2A. Cada una de la unidad 210 de interruptor, la unidad
220 de conversión en oposición, el controlador maestro 270 y una
unidad opcional 234 de corrección de factor de potencia es descrita
en las secciones siguientes.
La unidad 210 de interruptor incluye un
interruptor estático 212 que consta de dos dispositivos
interruptores semiconductores controlables, aquí los tiristores
212a y 212b. Cuando está cerrado, el par de tiristores conduce
corriente alterna en semiciclos alternativos, permitiendo la salida
plena del generador a través del primer trayecto 211 con calda de
tensión casi nula. Preferiblemente, los tiristores 212a y 212b son
seleccionados para estar "sobre-dimensionados"
(o sea, intensidad es de régimen de corriente mayores que las
necesarias) para minimizar el consumo de potencia en estado
conectado.
En condiciones de baja tensión, para abrir el
interruptor estático 212, esperar normalmente que la corriente sea
nula ("cruce por valor cero") es necesario para disponer los
tiristores en su estado desconectado. Si el interruptor estático 212
fuera a desconectar naturalmente debido a una corriente alterna de
línea (por ejemplo, una salida de 50 Hz del generador), un retardo
de tiempo de hasta 10 ms puede ocurrir antes de que la corriente de
50 Hz alcance un cruce por valor cero. Este retardo de tiempo puede
ser desventajoso para un sistema de generación de energía eólica que
está diseñado para ajustarse rápidamente a condiciones de avería
(por ejemplo, del orden de milisegundos). Por tanto, se
proporcionan unos medios de conmutación forzada de los tiristores.
En un método, la unidad 210 de interruptor tiene un circuito
incorporado 214 de conmutación forzada al que están conectados los
tiristores. Cuando una señal de control es recibida por el circuito
214 de conmutación forzada, el circuito de generación genera un
impulso de corriente de magnitud suficiente con una magnitud que
genera un cruce por valor cero de la corriente con los tiristores.
Mediante conmutación forzada, el interruptor estático 212 puede ser
desconectado rápidamente para ayudar a reducir el tiempo de
respuesta del sistema y mejorar el comportamiento funcional
transitorio.
Alternativamente, los convertidores 222 y 224 en
oposición pueden ser controlados para generar también un impulso de
corriente de conmutación en los tiristores de interruptor estático
212.
La unidad 220 de conversión en oposición incluye
un convertidor 222 de corriente alterna (CA)/corriente continua (CC)
de lado de generador y, un convertidor 224 de corriente continua
(CC)/corriente alterna (CA) de lado de línea conectados en serie por
un bus 225 de corriente continua (CC). También acoplados al bus 225
de CC están uno o varios condensadores 226 de bus de CC, que
soportan una tensión V_{dc} de bus de CC, y un dispositivo 228 de
disipación de potencia capaz de disipar potencia activa. El
dispositivo 228 de disipación de potencia puede incluir, por
ejemplo, un resistor (por ejemplo, un resistor de frenado dinámico)
para disipar potencia activa, y un dispositivo interruptor
controlable que controla la intensidad de corriente que pasa a
través del resistor. En algunos ejemplos, reactancias de filtro de
CA (no mostrados) para reducir armónicos y distorsión indeseados en
señales de CA también son provistas en ambos lados de generador y
línea.
Cuando la tensión de red eléctrica cae,
disminuye la magnitud de potencia activa que puede ser transferida
con seguridad a la red eléctrica sin sobrecargar los componentes
del aerogenerador. Cuando el generador 204 continúa funcionando, la
unidad 220 de conversión en oposición recibe toda la potencia de
salida del generador mientras deja pasar solo una cantidad segura de
potencia a la red eléctrica. La potencia activa en exceso de la
cantidad segura es disipada por el dispositivo 228 de disipación de
potencia. Como resultado, el sistema 200 de generación de energía
puede sostener durante (ride through) caldas fuertes de tensión sin
1) enviar grandes intensidades de corriente a través del
transformador 242 (lo que puede dañar potencialmente al
transformador y disparar el aerogenerador en sobrecorriente, o 2)
aumentar la velocidad del aerogenerador (lo que puede disparar
potencialmente el generador en velocidad excesiva).
En algunas situaciones donde se desee alimentar
potencia reactiva a la red 244 de compañía eléctrica para ayudar a
estabilizar la red en avería, el convertidor 224 de lado- de línea
está configurado para suministrar no solo potencia activa sino
también potencia reactiva en cantidades controladas (por ejemplo,
potencia reactiva al menos doble que la potencia activa) a la red
eléctrica 244. La relación exacta de la potencia reactiva a la
potencia activa puede ser dispuesta o impuesta arbitrariamente por
exigencias aplicables de interconexión de red (por ejemplo, el
Reglamento Español de Líneas de Alta Tensión). Para algunos
aerogeneradores (por ejemplo, generadores de inducción) que
necesitan potencia reactiva para establecer y sostener sus campos
eléctrico y magnético, el convertidor 222 de lado de generador
también suministra la corriente reactiva necesaria para mantener los
generadores excitados y funcionando a velocidad constate durante
sucesos de baja tensión mientras absorbe simultáneamente la salida
de potencia activa del generador.
Para algunos aerogeneradores (por ejemplo,
generadores de inducción) que necesitan potencia reactiva para
establecer y sostener sus campos eléctrico y magnético, el
convertidor 222 de lado de generador también suministra la corriente
reactiva necesaria para mantener los generadores excitados y
funcionando a velocidad constante durante sucesos de baja tensión
mientras que absorbe simultáneamente la salida de potencia activa
del generador. En estos tipos de generadores, sin que la corriente
reactiva sea aplicada en estados de baja tensión, el generador ve
par resistente reducido y empieza a acelerar rápidamente, lo que
puede dañar el aerogenerador.
En algunos sistemas de generación de energía
eólica, una unidad 234 de corrección de factor de potencia es
acoplada opcionalmente al terminal 232 de lado de línea para mejorar
el factor de potencia de la electricidad suministrada a las redes de
compañías eléctricas. Generalmente, en un sistema de corriente
alterna donde están presentes tanto potencia activa como potencia
reactiva, el factor de potencia es un número adimensional entre 0 y
1 que representa la relación de la potencia activa a la potencia
total (también denominada potencia aparente). Un factor de potencia
de cero indica que la circulación de energía en el circuito es
completamente reactiva y la energía almacenada en la carga vuelve a
la fuente en cada ciclo, mientras que un factor de potencia de uno
indica que la circulación de energía es completamente activa y por
tanto es unidireccional desde la fuente a la carga. En condiciones
normales, es generalmente deseable hacer funcionar los sistemas de
generación de energía en un factor de potencia próximo a la unidad
para suministrar energía de gran rendimiento a las redes de
compañías eléctricas.
En el sistema 200 de generación de energía
eólica, la unidad 232 de corrección de factor de potencia incluye
un grupo de condensadores que pueden ser conectados y desconectados
individualmente por medio de contactores (por ejemplo, interruptores
controlados eléctricamente). Durante el funcionamiento normal, estos
condensadores suministran potencia reactiva en cantidades ajustables
(por ejemplo, dependiendo del número de condensadores conectados)
para ayudar a conseguir el factor de potencia próximo a la unidad
(por ejemplo, mayor que 0,9) en puntos de conexión de red eléctrica.
Esta unidad 232 de corrección de factor de potencia puede ser
provista como parte de un sistema de turbina eólica existente, el
sistema 208 de interconexión o una combinación de ambas.
El controlador maestro 270 está acoplado a cada
uno del interruptor estático 212, el circuito 214 de conmutación
forzada, la unidad 220 de conversión en oposición y posiblemente a
otros componentes en el sistema 208 de interconexión. El controlador
maestro 270 supervisa el funcionamiento del sistema y controla la
transmisión de energía entre el generador y la red eléctrica basado
en diversas condiciones de la red eléctrica.
Refiriéndose a la Figura 3, la lógica y las
funciones del controlador maestro 270 son ilustradas brevemente en
un organigrama 300. Generalmente, el controlador maestro usa señales
de realimentación procedentes de sensores múltiples (por ejemplo,
sensores de corriente/tensión de lado de línea y lado de generador)
para monitorizar la dinámica de corriente/tensión para determinar
estados del sistema. Si el sistema está funcionando en estado
permanente (paso 310), o sea, la tensión de red aparece dentro de
\pm 10% de la nominal, el controlador maestro funciona para
mantener el estado conectado de la unidad 210 de interruptor e
inhabilitar/desconectar la unidad 220 de conversión en oposición.
Como resultado, la energía es transmitida al transformador solo a
través del primer trayecto 211.
Las averías de línea, incluyendo tanto averías
desequilibradas como caldas bruscas de tensión, pueden ser
detectadas por el controlador maestro al detectar anomalías de
tensión o corriente. En muchos sistemas, una avería de línea es
seguida frecuentemente por una corriente de generador que supera un
nivel instantáneo prefijado (por ejemplo, 120% de la nominal
dependiendo de la configuración del sistema), o una tensión de línea
que cae por debajo de un umbral prefijado (por ejemplo, 90% de la
nominal). Al detectar cualquiera de los sucesos, el controlador
maestro desconecta inmediatamente la unidad de interruptor (paso
330) e inicia un sostenimiento durante perturbación de baja tensión
(paso 340).
Un modo de desconectar la unidad 210 de
interruptor es ordenar al circuito 214 de conmutación forzada que
genere un impulso de corriente de conmutación de anchura definida
para desconectar el tiristor (212a o 212b) que está en su estado
conductor. La polaridad de impulso puede ser determinada en función
de la polaridad de corriente del generador. Un modo alternativo de
desconectar la unidad de interruptor usa el convertidor de lado de
generador y/o lado de línea. Corriente es inyectada por el
convertidor en dirección inversa a la corriente existente en los
tiristores, creando de tal modo cruce por corriente nula que
polariza los tiristores al estado desconectado. En algunos sistemas,
tener un convertidor en cada lado de la unidad de interruptor ayuda
a compensar los efectos de impedancia de fuente que contribuyen
frecuentemente al retardo en el tiempo de respuesta de los
tiristores (o sea, impedancia de línea que limita la velocidad de
cambio en la corriente de conmutación). Este proceso de conmutación
puede ocurrir simultáneamente en todas las tres fases del sistema de
sostenimiento durante perturbaciones de baja tensión (LVRT) con
independencia de cuantas fases de línea están averiadas.
Una vez que la unidad 210 de interruptor está
desconectada, el controlador maestro 270 controla el funcionamiento
de la unidad 220 de conversión en oposición para proporcionar
capacidad de LVRT. Aquí, la salida deseada de la unidad 220 de
conversión puede variar dependiendo del diseño del sistema de
acuerdo con normas especificas de conexión de red eléctrica. Por
ejemplo, para cumplir las exigencias en el Reglamento Español de
Líneas de Alta Tensión, el controlador maestro 270 regula la unidad
220 de conversión de modo que: 1) el convertidor 222 de lado de
generador recibo potencia del generador y suministra potencia
reactiva para mantener el generador excitado y girando a velocidad
constante, y 2) el convertidor 224 de lado de línea suministra una
cantidad segura de potencia activa a la red eléctrica 244 e inyecta
potencia reactiva suficiente para ayudar a estabilizar la red
eléctrica. La potencia de generador en exceso de la cantidad que
puede ser absorbida con seguridad por la red 244 es disipada por el
dispositivo 228 de disipación de potencia que consume potencia en
respuesta a una tensión regulada de bus de CC, o puede ser
controlada directamente equiparando la potencia disipada con la
potencia en exceso del generador. Opcionalmente, el controlador
maestro 270 también controla la unidad 234 de corrección de factor
de potencia para proporcionar potencia reactiva en cantidades
adecuadas para mejorar el factor de potencia en puntos de conexión
de la red eléctrica.
Después de la eliminación de la avería, la
tensión de red empieza a recuperarse. Cuando la tensión detectada
de línea ha vuelto casi a su nivel anterior a la avería (por
ejemplo, más del 90%), el convertidor 222 de lado de generador
sincroniza la tensión y la fase del generador con las de la red
(paso 360) y la unidad 210 de interruptor es conectada rápidamente
(paso 370). Con la unidad 220 de conversión en oposición
desconectada nuevamente del generador, el sistema vuelve al
funcionamiento en estado permanente (paso 310), alimentando energía
del generador a través del primer trayecto 211 al transformador
242.
Las Figuras 4A a 4D ilustran además como un
sistema de interconexión funciona para suministrar energía eléctrica
satisfactoria a redes de compañías eléctricas en modos que están de
acuerdo con el Reglamento Español de Redes de Alta Tensión. El
comportamiento funcional del circuito durante cada una de varias
etapas, incluyendo un estado permanente y estados transitorios
múltiples después de un suceso de baja tensión, es descrito con
detalle a continuación.
Refiriéndose a la Figura 4A, el sistema 200 de
generación de energía eólica está funcionando en estado permanente
con tensión de lado de línea en casi el 100% de nivel de régimen. En
este caso, 706 kW de potencia activa producida por el aerogenerador
204 es suministrada totalmente a través de la unidad 212 de
interruptor al transformador 242, con menos del 0,3% de pérdida de
energía. No pasa ninguna energía a través del convertidor 222 de
lado de generador, del convertidor 224 de lado de línea o del
dispositivo de disipación de potencia (por ejemplo, un resistor
227). La unidad de corrección de factor de potencia (por ejemplo,
un conjunto de condensadores 233) suministra unos 250 kVAR de
potencia reactiva para excitar el aerogenerador 204. Con salida
reactiva neta nula en el terminal 236, electricidad está siendo
suministrada a la red con un factor de potencia unidad.
Refiriéndose ahora a la Figura 4B, cuando un
fallo de red causa que la tensión de lado de línea caiga al 20% de
los niveles de régimen, la unidad 212 de interruptor es desconectada
rápidamente (por ejemplo, por conmutación forzada) para desconectar
el generador 204 de la línea 232 de corriente alterna.
Subsiguientemente, el convertidor 222 de lado del generador es
controlado para que absorba potencia activa procedente del
generador 204 para impedir que la turbina almacene potencia y
alcance velocidad excesiva. Como el convertidor 222 suministra ahora
la corriente excitadora reactiva (que era suministrada anteriormente
por la unidad 233 de corrección de factor de potencia, la red de
compañía eléctrica o una combinación de ambas), el generador
continúa siendo excitado. Al mismo tiempo, la tensión de lado del
generador es mantenida por el convertidor 222 en el nivel próximo
al de régimen (aunque la tensión de línea ha caldo al 20%).
Una vez que potencia activa empieza a circular
al interior del convertidor 222 de lado de generador y al bus 225 de
CC, la tensión de bus de CC empieza a aumentar. En respuesta, el
convertidor 224 de lado de línea empieza a funcionar para
suministrar tanto corriente activa como reactiva a la línea 232 de
CA. En este ejemplo, la intensidad de corriente activa y corriente
reactiva transferida por el convertidor 224 de lado de línea es
controlada tal que la potencia reactiva es doble que la potencia
activa (por ejemplo, 134 kVAR y 67 kW, respectivamente) y la
corriente total no supera significativamente la intensidad del
régimen del transformador 242 de turbina. Como solo una porción
pequeña de la potencia generada (67 kW de 706 kW) es transferida a
la línea 232 de corriente alterna, la energía aumenta en el bus 225
de corriente continua. Esta potencia en exceso (unos 639 kW) es
disipada en el resistor 227, por ejemplo, modulando el ciclo de
servicio de un dispositivo interruptor 229 al que está acoplado el
resistor 227.
En la línea 232 de corriente alterna, la salida
neta del convertidor 224 de lado de línea incluye 280A de corriente
activa y 560A de corriente reactiva. Junto con la corriente reactiva
reducida suministrada por la unidad 233 de corrección de factor de
potencia (en el 20% de la tensión de línea, la unidad de corrección
suministra el 20% de la corriente de régimen), la corriente total
suministrada al transformador 242 es 663A. Esta intensidad de
corriente total representa solo el 106% del valor de régimen del
transformador (bastante dentro de la capacidad del transformador),
con la relación I_{reactiva}/I_{total} de 0,907.
Refiriéndose ahora a la Figura 4C, cuando la
tensión de línea empieza a recuperarse de la avería, aumenta la
cantidad de potencia activa que puede ser transferida a la red y
desciende la cantidad de potencia a ser disipada en el resistor 227.
Por ejemplo, con tensión de línea en el 60% del nivel anterior a la
avería, el convertidor 224 de lado de línea transfiere unos 201 kW
de potencia activa a la línea 232 de corriente alterna, y la
potencia disipada por el resistor 227 es reducida a 505 kW.
Incluyendo la contribución de la unidad 233 de corrección de factor
de potencia, la corriente neta suministrada al transformador aumenta
ahora a 740A (o sea, el 118% de la corriente de régimen del
transformador). La relación I_{rectiva}/I_{total} de la
corriente neta es 0,926.
Refiriéndose ahora a la Figura 4D, una vez que
la tensión de lado de línea se recupera hasta cerca del nivel de
régimen (por ejemplo, por encima del 95%), la unidad 212 de
interruptor es conectada después de que el convertidor de lado de
generador sincroniza la tensión y la fase del generador con las de
la red. Cuando potencia activa procedente de la turbina reanuda la
circulación a través de la unidad 212 de interruptor a la línea 232
de corriente alterna, tanto el convertidor 222 de lado de generador
como el convertidor 224 de lado de línea dejan de transferir
potencia activa. El resistor 227 ya no disipa potencia.
Subsiguientemente, el sistema 208 de interconexión vuelve a
funcionar en estado permanente (como se muestra previamente en la
Figura 4A). En algunos casos, antes de volver al estado permanente,
el convertidor 224 de lado de línea puede continuar suministrando
corriente reactiva durante un período prolongado (por ejemplo, 150
ms) a no ser que la tensión de línea supere un nivel predeterminado
(por ejemplo, 110% del nominal). Preferiblemente, este suministro
adicional de corriente respectiva proporciona soporte de tensión
después de la avería que puede ser deseado en algunos sistemas
después de un suceso principal de baja tensión.
En esta solicitud, aunque algunos ejemplos son
proporcionados principalmente en el contexto de un sistema diseñado
para satisfacer el Reglamento Español de Líneas de Alta Tensión, el
enfoque descrito anteriormente puede ser aplicado generalmente en
muchos sistemas de generación de energía para proporcionar
comportamientos de averías en estado permanente y transitorio que
satisfacen las exigencias de una o varias normas de interconexión
de red eléctrica. Además, de proporcionar sostenimiento durante
perturbaciones de baja tensión (LVRT), los sistemas de
interconexión descritos en las Figuras 2A y 2B también pueden ser
modificados para permitir que los aerogeneradores continúen
funcionando y suministrando electricidad a la red eléctrica en otras
condiciones de averías Además, la electrónica de potencia usada en
estos sistemas puede ser acoplada convenientemente a una variedad
extensa de aerogeneradores (por ejemplo, generadores de inducción
de jaula de ardilla, generadores de inducción de alimentación doble
y generadores sincrónicos) que funcionan a velocidad constante o
modos de velocidad variable.
Puede haber muchas alternativas a los tiristores
usados en el interruptor estático. Por ejemplo, tiristores capaces
de desconectar por control por puerta (en lugar de corriente nula)
pueden ser acoplados en uso con el controlador maestro que esta
configurado para suministrar tales señales de control por puerta.
Ejemplos de tiristores de control por puerta incluyen tiristores de
desconexión por puerta y tiristores conmutados por puerta integrada.
También hay dispositivos de estado sólido que no son tiristores
(por ejemplo, transistores) que podrían ser usados para el
interruptor estático.
Las averías de línea pueden ser detectadas por
el controlador maestro al detectar corriente de generador que supera
un nivel instantáneo prefijado o tensión de línea que cae por debajo
de un umbral prefijado. Alternativamente, el controlador maestro
puede monitorizar la velocidad de cambio de la tensión y/o la
corriente de línea junto con umbrales absolutos como un medio para
detectar un suceso de disminución de tensión.
En el caso de disminuciones pequeñas de tensión,
también es posible dejar el interruptor estático cerrado mientras se
ordena a uno o ambos convertidores extraer potencia reactiva
capacitiva. Esta reactancia capacitiva puede interaccionar con
impedancia existente de transformador y fuente para ayudar a
conseguir una elevación de tensión.
En algunas aplicaciones, durante sucesos de baja
tensión, el convertidor de lado de línea es controlado para
proporcionar compensación de potencia extrayendo corriente reactiva
que tiene amplitud doble que la corriente activa. En algunas otras
aplicaciones, el convertidor de lado de línea puede en cambio
extraer corriente activa nula mientras suministra corriente
reactiva capacitiva de una intensidad arbitraria (hasta el limite
de sobrecarga del convertidor). Además, ambos convertidores de lado
de línea y lado de generador pueden funcionar en un modo de
"sobrecarga" para reducir coste. Hacer funcionar convertidores
en el denominado modo de "sobrecarga" es descrito en el
documento U.S. 6.577, 108 que se concedió el 10 de junio de 2.003 y
cuya exposición es incorporada en esto por referencia.
Durante operaciones normales del aerogenerador,
uno o ambos de los convertidores pueden ser activados para
proporcionar corrección adicional de factor de potencia. Por
ejemplo, en los casos donde las unidades de corrección de factor de
potencia del aerogenerador solo son capaces de mejorar el factor de
potencia a 0,95 retrasado (inductivo), esta corrección adicional de
factor de potencia desde el (los) convertidor(es) puede
elevar potencialmente el factor de potencia a 1,0, o incluso a un
factor de potencia adelantado (capacitivo) cuando se desee.
Ha de comprenderse que la descripción anterior
está destinada a ilustrar y no a limitar el alcance de la invención
que es definido por el alcance de las reivindicaciones adjuntas.
Otras realizaciones están dentro del alcance de las reivindicaciones
siguientes.
Claims (34)
1. Un sistema para conectar un aerogenerador a
una red de compañía eléctrica, comprendiendo el sistema:
un primer trayecto que incluye un interruptor
eléctricamente controlable, siendo abierto el interruptor
eléctricamente controlable cuando ocurre un suceso de baja tensión;
y
un segundo trayecto en paralelo con el primer
trayecto, estando el segundo trayecto configurado para suministrar,
durante el suceso de baja tensión, una primera corriente adecuada
para mantener el funcionamiento del aerogenerador y una segunda
corriente que tiene una componente reactiva con una característica
predeterminada asociada con un estado de tensión de la red de
compañía eléctrica.
\vskip1.000000\baselineskip
2. El sistema de la reivindicación 1, en el que
el interruptor eléctricamente controlable está acoplado a un
circuito de conmutación forzada, estando el circuito de conmutación
forzada configurado para proporcionar una señal de conmutación para
abrir el interruptor eléctricamente controlable cuando ocurre el
suceso de baja tensión.
3. El sistema de la reivindicación 1, en el que
el interruptor eléctricamente controlable incluye un par de
tiristores antiparalelos.
4. El sistema de la reivindicación 1, en el que,
cuando el estado de tensión de la red de compañía eléctrica
satisface un intervalo normal, el interruptor eléctricamente
controlable es cerrado para circunvalar el segundo trayecto.
5. El sistema de la reivindicación 1, en el que
el primer trayecto incluye una unidad de interruptor controlable
por señales externas.
6. El sistema de la reivindicación 5,
comprendiendo además un circuito de conmutación forzada configurado
para suministrar una señal de conmutación a la unidad de
interruptor.
7. El sistema de la reivindicación 1,
comprendiendo además una unidad de corrección de factor de potencia
para ajustar un factor de potencia de la energía eléctrica
suministrada a la red de la compañía eléctrica.
8. El sistema de la reivindicación 7, en el que
la unidad de corrección de factor de potencia comprende además un
condensador controlable configurado para ser conectado y
desconectado por señales eléctricas.
9. El sistema de la reivindicación 1, en el que
el segundo trayecto comprende:
un primer convertidor de energía para convertir
una corriente alterna procedente del aerogenerador en una corriente
continua y para suministrar una intensidad controlada de corriente
reactiva al aerogenerador;
un segundo convertidor de energía conectado en
serie con el primer convertidor para convertir la corriente continua
procedente del primer convertidor de energía en una corriente
alterna de lado de línea y para suministrar una intensidad
controlada de corriente reactiva a la red de compañía eléctrica
durante un suceso de baja tensión; y
un elemento de disipación de potencia acoplado a
los convertidores de energía primero y segundo para disipar potencia
desde el primer convertidor de energía.
\vskip1.000000\baselineskip
10. El sistema de la reivindicación 9, en el que
la intensidad controlada de corriente reactiva suministrada a la red
de compañía eléctrica satisface un criterio predeterminado asociado
con un estado de tensión de la red de compañía eléctrica.
11. El sistema de la reivindicación 10, en el
que el criterio predeterminado incluye que cuando la tensión de la
red de compañía eléctrica cae por debajo de un umbral
predeterminado,, la intensidad de corriente reactiva suministrada a
la red de compañía eléctrica es al menos el doble que la intensidad
de corriente activa suministrada a la red de compañía eléctrica.
12. El sistema de la reivindicación 9, en el que
los convertidores de energía primero y segundo están conectados por
vía de un bus de corriente continua.
13. El sistema de la reivindicación 12, que
comprende además un condensador acoplado al bus de corriente
continua.
14. El sistema de la reivindicación 9, en el que
el elemento de disipación de potencia comprende un resistor.
15. El sistema de la reivindicación 14, en el
que el elemento de disipación de potencia incluye además un
dispositivo interruptor controlable acoplado al resistor,
configurado para regular la corriente que pasa a través del
resistor.
16. El sistema de la reivindicación 9, que
comprende además reactancias primera y segunda de filtro de
corriente alterna acopladas a los convertidores de energía primero y
segundo, respectivamente.
17. El sistema de la reivindicación 9, que
comprende además una unidad de corrección de factor de potencia
configurada para ajustar el factor de potencia de la energía
eléctrica suministrada a la red de compañía eléctrica.
18. El sistema de la reivindicación 17, en el
que la unidad de corrección de factor de potencia incluye al menos
un condensador controlable que puede ser conectado y desconectado
por señales eléctricas.
19. El sistema de la reivindicación 9, en el que
el segundo trayecto incluye un condensador acoplado a los
convertidores de energía primero y segundo.
20. El sistema de la reivindicación 9, en el que
el elemento de disipación de potencia incluye un resistor y un
dispositivo interruptor controlable acoplado al resistor para
regular la corriente que pasa por el resistor.
21. Un sistema de control para controlar una
interconexión entre un aerogenerador y una red de compañía
eléctrica, estando el sistema de control configurado para:
abrir eléctricamente un primer trayecto de la
interconexión cuando ocurre un suceso de baja tensión, y
controlar un segundo trayecto de la
interconexión durante el suceso de baja tensión para suministrar una
primera corriente adecuada para mantener el funcionamiento del
aerogenerador y una segunda corriente que tiene una componente
reactiva con una característica predeterminada asociada con el
funcionamiento de la red de compañía eléctri-
ca.
ca.
\vskip1.000000\baselineskip
22. El sistema de control de la reivindicación
21, configurado además para determinar que ha ocurrido un suceso de
baja tensión basado en un estado de tensión asociado con la red de
compañía eléctrica.
23. El sistema de control de la reivindicación
21, configurado además para determinar que ha ocurrido un suceso de
baja tensión basado en un estado de corriente asociado con el
aerogenerador.
24. El sistema de control de la reivindicación
21, configurado además para suministrar señales externas para
controlar una unidad de interruptor en el primer trayecto.
25. El sistema de control de la reivindicación
24, configurado además para causar que un circuito de conmutación
forzada en el primer trayecto suministre una señal de conmutación a
la unidad de interruptor.
26. El sistema de control de la reivindicación
21, configurado además para controlar:
un primer convertidor de energía en el segundo
trayecto para convertir una corriente alterna procedente del
aerogenerador en una corriente continua y para suministrar la
primera corriente; y
un segundo convertidor de energía conectado en
serie con el primer convertidor para convertir la corriente continua
procedente del primer convertidor de energía en
una corriente alterna de lado de línea y para
suministrar la segunda corriente;
en el que el control de los convertidores de
energía primero y segundo proporciona control sobre la potencia
disipada por un elemento de disipación de potencia acoplado a los
convertidores de energía primero y segundo.
\vskip1.000000\baselineskip
27. El sistema de control de la reivindicación
26, configurado además para controlar la tensión entre terminales de
un condensador acoplado a los convertidores de energía primero y
segundo.
28. El sistema de control de la reivindicación
26, configurado además para controlar un dispositivo interruptor
controlable acoplado a un resistor para regular la corriente que
pasa por el resistor.
29. El sistema de control de la reivindicación
21, configurado además para causar un que la primera corriente
incluya una componente de corriente reactiva suficiente para
mantener una excitación del aerogenerador.
30. El sistema de control de la reivindicación
21, configurado además para causar que la segunda corriente incluya
una componente de corriente activa y la componente de corriente
reactiva.
31. El sistema de control de la reivindicación
30, configurado además para controlar la segunda corriente durante
el suceso de baja tensión de modo que la intensidad de la componente
de corriente reactiva es al menos doble que la intensidad de la
componente de corriente activa.
32. El sistema de control de la reivindicación
21, configurado además para controlar una unidad de corrección de
factor de potencia para ajustar el factor de potencia de la energía
eléctrica suministrada a la red de compañía eléctrica.
33. El sistema de control de la reivindicación
32, configurado además para causar que un condensador controlable en
la unidad de corrección de factor de potencia sea conectado y
desconectado por señales eléctricas.
34. El sistema de control de la reivindicación
26, configurado además para causar que los convertidores de energía
primero y segundo suministren un impulso de corriente de
conmutación a la unidad de interruptor.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200850076A ES2345758R (es) | 2008-07-02 | 2008-07-02 | Sostenimiento durante perturbaciones de baja tension. |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| ES200850076A ES2345758R (es) | 2008-07-02 | 2008-07-02 | Sostenimiento durante perturbaciones de baja tension. |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2345758A2 true ES2345758A2 (es) | 2010-09-30 |
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| ES (1) | ES2345758R (es) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103701149A (zh) * | 2013-12-20 | 2014-04-02 | 浙江海得新能源有限公司 | 一种风力发电机电网故障穿越装置及其方法 |
| CN107147141A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-09-08 | 北京金风科创风电设备有限公司 | 风力发电机组的逆变器控制方法和装置 |
-
2008
- 2008-07-02 ES ES200850076A patent/ES2345758R/es active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN107147141B (zh) * | 2017-04-20 | 2021-01-26 | 北京金风科创风电设备有限公司 | 风力发电机组的逆变器控制方法和装置 |
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