ES2378964A1 - Método para operar un convertidor de un generador eólico. - Google Patents
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Abstract
Método para operar un convertidor de un generador eólico.Método para operar un convertidor de potencia lado red (105) de un aerogenerador en situaciones en las que su capacidad de evacuación de potencia se ve superada.La invención comprende: calcular la capacidad de evacuación de potencia del convertidor lado red (SPcof_red); obtener la potencia no evacuable por el convertidor lado red a la red, mediante la comparación de la potencia procedente del bus de continua con la capacidad de evacuación de potencia del convertidor lado red (SPcof_red) calculada; y desviar la·potencia no evacuable a la red a una carga controlada (201).
Description
Método para operar un convertidor de un
generador eólico.
La presente invención se refiere a un método
para operar un convertidor de potencia lado red de un aerogenerador
en situaciones en las que su capacidad de evacuación de potencia se
ve superada.
En los últimos años el número de aerogeneradores
y parques eólicos conectados a la red eléctrica ha aumentado de
forma notable. Por este motivo, se ha incrementado el nivel de
exigencia de estas máquinas, especificando una serie de requisitos
de actuación que mejoren el comportamiento del aerogenerador
evitando esfuerzos mecánicos y obteniendo una rápida respuesta ante
perturbaciones en la red.
La invención propuesta se centra en el modo de
operación de un convertidor de potencia de un aerogenerador, en
concreto en el convertidor lado red. Se entiende por 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 y/o estatóricas de
tal manera que permita entregar energía a la red eléctrica,
funcionando a velocidad variable o fija. 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, donde AC es
corriente alterna y DC corriente continua) o cualquier otra
topología que realice la funcionalidad comentada.
En determinadas situaciones, el convertidor lado
red necesita evacuar más potencia que la potencia nominal de diseño.
Si un convertidor lado red se dimensiona para la máxima potencia
solicitada en el rango de operación del aerogenerador, el diseño
resultante sería innecesariamente grande, resultando un diseño poco
óptimo que vendría determinado por la necesidad de dar respuesta en
momentos puntuales. Por ejemplo, esta situación se presenta en
ocasiones poco frecuentes como es el caso de sobrevelocidades
extremas que actualmente exigen un sobredimensionamiento del
convertidor lado red para evacuar la potencia rotórica.
Por otro lado, operar una carga de forma
controlada (i.e. una resistencia) para evacuar potencia de un bus de
continua de un convertidor de potencia se lleva haciendo desde hace
décadas, por ejemplo en variadores de velocidad. En la figura 2 se
representa esta solución que forma parte del estado de la técnica
(Fuente: Power electronics: converters, applications, and design,
Ned Mohan, Ed. John Wiley & Sons, 1989, Página 421, Figura
14-20 (a)).
Utilizando como base esta tecnología conocida,
en la patente US7102247 se presenta un circuito formado por una
carga controlada cuya finalidad es actuar ante huecos de red,
permitiendo la desactivación temporal del convertidor lado
máquina.
Para conseguir los objetivos y resolver los
inconvenientes anteriormente indicados, la presente invención
describe un método para operar la carga controlada de un
aerogenerador que permite reducir el dimensionado del convertidor
lado red, haciendo que éste no tenga que hacer frente a los
sobrerrequerimientos de potencia puntuales.
Estos sobrerrequerimientos de potencia puntuales
son especialmente importantes ante ráfagas de viento. En estas
situaciones extremas, la respuesta del sistema es mejorada al
solicitarle al convertidor de potencia un mayor par de frenado. La
invención propuesta permite aumentar el par de frenado sin necesidad
de sobredimensionar el convertidor lado red.
El método propuesto en la invención permite la
continuidad de la operación del aerogenerador aún en condiciones en
las que la capacidad de evacuación de potencia del convertidor lado
red se ve temporalmente reducida o no es capaz de evacuar la
potencia requerida, tales como por ejemplo, condiciones anómalas de
red, sobrecalentamiento en los semiconductores, excursiones de
velocidad, condiciones atmosféricas extremas, fallos en el sistema
de refrigeración, y cualquier otra condición.
La invención propuesta es válida para
aerogeneradores que al menos comprenden un convertidor de potencia
que incluye:
- -
- al menos un convertidor electrónico conectado al rotor del generador,
- -
- al menos un convertidor electrónico, capaz de suministrar o evacuar la potencia que dicho rotor del generador consume o genera,
- -
- al menos un bus de continua,
En una realización preferida, una carga
controlada está conectada al bus de continua, tal y como se ha
descrito en el estado de la técnica anteriormente citado.
Esta invención se aplica a cualquier topología
de convertidor de potencia que incluya un bus de continua, como por
ejemplo, un aerogenerador doblemente alimentado.
Se entiende por aerogenerador doblemente
alimentado aquellas 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. El
convertidor de potencia es el encargado de gestionar la energía de
los devanados rotóricos.
En la invención se propone un método de
operación de un convertidor de potencia eólico que comprende las
siguientes etapas:
- -
- Calcular la capacidad de evacuación de potencia del convertidor lado red.
- -
- Obtener la potencia no evacuable por el convertidor lado red a la red, mediante la comparación de la potencia procedente del bus de continua con la capacidad de evacuación de potencia del convertidor lado red calculada.
- -
- Desviar la potencia no evacuable a la red a una carga controlada.
En una realización preferida, el cálculo de la
capacidad de evacuación del convertidor lado red se realiza a partir
de la capacidad nominal y de al menos una variable previamente
medida. Como ejemplo de variables cabe citar las siguientes: la
temperatura del radiador, condiciones de red, el estado correcto o
anómalo de los componentes del convertidor, la temperatura de los
componentes del filtro de red, la tensión del bus de continua, la
prioridad de generación de potencia reactiva. Estas variables pueden
ser consideradas de forma individual o conjunta.
En otra realización preferida del método, las
variables medidas se introducen en una tabla de la que, para cada
una de las variables medidas, se obtiene un coeficiente de reducción
de la potencia nominal. El método propuesto comprende seleccionar el
mínimo de los coeficientes de reducción, y aplicarlo a la potencia
nominal del convertidor de potencia.
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 del estado de la
técnica de un aerogenerador con una topología doblemente
alimentada.
Figura 2: muestra una representación general del
estado de la técnica de una resistencia controlada.
Figura 3: muestra una realización preferida de
una implementación del método descrito en esta invención.
Seguidamente se realiza una descripción de
ejemplos de la invención, citando referencias de las figuras.
En la figura 1 se representa una topología de
aerogenerador doblemente alimentado que forma parte del estado de la
técnica actual. Los principales elementos de esta topología son las
palas del aerogenerador (101), la multiplicadora (102), el generador
eléctrico (107), el convertidor de potencia (103), el convertidor de
potencia lado red (105), el bus de continua (106) y la red eléctrica
(104).
En la figura 2 se representa una resistencia
controlada (201) dentro del convertidor de potencia (103), que
también forma parte del estado de la técnica.
La figura 3 representa una realización preferida
del método de la invención. En primer lugar se mide la tensión del
bus (Vbus_med) y se compara (305) con la tensión nominal (SP_Vbus),
e introduciendo la diferencia en un regulador denominado regulador
del bus de continua (301), se calcula la potencia necesaria a
evacuar del bus de continua (SP_P).
Por otro lado, se miden una serie de variables
(304) para realizar el cálculo de la capacidad de evacuación del
convertidor lado red (SPcof_red), y se introduce cada una de las
variables medidas (304) en una tabla. Se obtiene un coeficiente de
reducción de la potencia nominal para cada variable (304), de manera
que la salida de cada tabla es el tanto por ciento de la potencia
nominal que se puede evacuar en función de la variable medida. Se
selecciona la mínima de estas salidas, dicha salida se multiplica
por la potencia nominal, resultando la capacidad evacuable máxima
(SPcof_red). Ejemplos de variables medidas son temperatura del
radiador de los semiconductores, condiciones de red, estado de los
componentes del convertidor, temperatura de los componentes del
filtro de red, tensión del bus de continua, prioridad de generación
de potencia reactiva.
La potencia necesaria a evacuar del bus de
continua (SP_P) y la capacidad de evacuación del convertidor lado
red (SPcof_red) se comparan (306) y de esta comparación se obtiene
la potencia que no es capaz de evacuar el convertidor lado red a la
red, es decir, la potencia a transferir a la carga controlada
(SPcarga). En otro bloque (302) se calcula la potencia que se envía
al convertidor lado red (SPconv_red), seleccionando el mínimo entre
la potencia necesaria a evacuar del bus de continua (SP_P) y la
capacidad de evacuación del convertidor lado red (SPcof_red).
Claims (5)
1. Método para operar un convertidor de un
generador eólico doblemente alimentado que incluye una carga
controlada, y que comprende:
- -
- calcular la capacidad de evacuación del convertidor lado red,
- -
- obtener la potencia no evacuable por el convertidor lado red a la red, mediante la comparación de la potencia procedente del bus de continua con la capacidad de evacuación del convertidor lado red calculada,
- -
- desviar la potencia no evacuable a la red a una carga controlada.
2. El método de la reivindicación 1 en el que el
cálculo de la capacidad de evacuación del convertidor lado red se
realiza a partir de la capacidad nominal y de al menos una variable
previamente medida.
3. El método de la reivindicación 2 en el que
las variables medidas están seleccionadas entre la temperatura del
radiador de los semiconductores, condiciones de red, el estado de
los componentes del convertidor, temperatura de los componentes del
filtro de red, tensión del bus de continua, prioridad de generación
de potencia reactiva, y combinación de ellas.
4. El método de la reivindicación 1 en el que la
potencia no evacuable se obtiene de la diferencia entre la salida de
un regulador de tensión del bus de continua y la capacidad de
evacuación de potencia calculada del convertidor lado red.
5. El método de la reivindicación 2 en el que
cada variable medida se introduce en una tabla y se obtiene un
coeficiente de reducción de la potencia nominal de cada variable,
seleccionando el mínimo de los coeficientes de reducción, y
aplicándolo a la potencia nominal del convertidor para obtener la
capacidad de evacuación del convertidor lado red.
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