ES2402219T3 - Sistema de regulación de baja tensión para una turbina eólica de velocidad variable que tiene una máquina excitadora y un convertidor de potencia no conectado a la red - Google Patents
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Abstract
Un método de funcionamiento de una turbina eólica Un método de funcionamiento de una turbina eólica de velocidad variable que comprende: convertir enede velocidad variable que comprende: convertir energía eólica en potencia mecánica mediante un rotorrgía eólica en potencia mecánica mediante un rotor para hacer girar un grupo propulsor; convertir la para hacer girar un grupo propulsor; convertir la potencia mecánica en potencia eléctrica mediante potencia mecánica en potencia eléctrica mediante un generador de doble alimentación (DFIG) acopladoun generador de doble alimentación (DFIG) acopladoal grupo propulsor; usar una máquina excitadora acal grupo propulsor; usar una máquina excitadora acoplada al grupo propulsor y al sistema de conversioplada al grupo propulsor y al sistema de conversión de potencia aislado de la redde potencia, para ón de potencia aislado de la redde potencia, para recibir la potencia generada por un rotor del DFIGrecibir la potencia generada por un rotor del DFIG o para proporcionar la potencia requerida por elr o para proporcionar la potencia requerida por elrotor del DFIG; caracterizado por transferir energíotor del DFIG; caracterizado por transferir energía eléctrica del rotor del DFIG a energía mecánica a eléctrica del rotor del DFIG a energía mecánica en el grupo propulsor, medianteel sistema de conveen el grupo propulsor, medianteel sistema de conversión de potencia y la máquina excitadora en respursión de potencia y la máquina excitadora en respuesta a una situación de baja tensión en la red. esta a una situación de baja tensión en la red.
Description
Sistema de regulación de baja tensión para una turbina eólica de velocidad variable que tiene una máquina excitadora y un convertidor de potencia no conectado a la red
Antecedentes del invento.
5 Campo del invento.
Los métodos y aparatos compatibles con la presente invención se refieren al campo de las turbinas eólicas de velocidad variable, y más particularmente a una turbina eólica de velocidad variable que comprende un generador de inducción de doble alimentación (DFIG), una máquina excitadora, un convertidor estático intermedio no conectado a la red y un sistema de control para mantener el generador de inducción de doble alimentación conectado a la red
10 durante una situación de baja tensión, y a un método para ponerlos en práctica.
Descripción de la técnica relacionada.
En los últimos pocos años en todo el mundo se ha incrementado la generación de energía eólica. Por este motivo las compañías de regulación de la red han modificado las especificaciones de conexión a la red de las turbinas eólicas con el fin de evitar la desconexión de una turbina eólica de la red en una situación de baja tensión o en la
15 ocurrencia de algún tipo de perturbación en la red. Por lo tanto, son necesarias otras exigencias para las turbinas eólicas con respecto a su contribución a la estabilidad de la red cuando se producen perturbaciones en la tensión.
Normalmente, cuando se produce un fallo en la red en un sistema de doble alimentación, la protección de sobreintensidad del convertidor desconecta el convertidor. Esta protección se activa debido a que la intensidad del rotor no puede ser regulada por el convertidor del lado del rotor debido al cortocircuito que se produce en el lado del 20 estator del generador de doble alimentación. No obstante, esta inhabilitación de la conmutación no es suficiente para proteger el sistema debido a que la intensidad del rotor fluye a través de los diodos del convertidor hacia el circuito del Bus de CC, que aumenta la tensión del Bus de CC. Esta sobretensión podría dañar los componentes del convertidor. Por este motivo el rotor es cortocircuitado y el estator del generador es desconectado de la red. Este tipo de control ha sido puesto en práctica hasta hace poco en sistemas de turbinas eólicas de doble alimentación.
25 Sin embargo, el crecimiento de la producción de energía eólica está obligando a la creación de nuevas especificaciones de los códigos de red a fin de que la generación de energía eólica se adapte a estas nuevas exigencias. Estas exigencias están enfocadas hacia dos puntos principales: la no desconexión de la turbina eólica de la red y la contribución de la turbina eólica a la estabilidad de la red.
Se han propuesto muchas soluciones por los diferentes fabricantes de turbinas eólicas con el fin de satisfacer las 30 exigencias de los nuevos códigos de red. Algunas de estas soluciones se describen en los siguientes documentos:
- -
- US 6.921.985: Este documento muestra un diagrama de bloques en el que el inversor está acoplado a la red. Un elemento externo al convertidor tal como un circuito de protección está acoplado con la salida del rotor del generador. Este circuito de protección funciona para derivar la intensidad del rotor del generador con el fin de proteger el convertidor de potencia cuando se produce un fallo en la red y para mantener el sistema conectado
35 a la red.
- -
- US 2006/016388 A1: Este documento muestra un diagrama de bloques en el que el inversor está acoplado a la red. Un elemento externo al convertidor, tal como un circuito de protección, está conectado al rotor del generador. Este circuito de protección se usa para desacoplar eléctricamente el convertidor de los bobinados del rotor cuando se produce una situación de baja tensión.
40 - US 7.102.247: Este documento muestra dos diagramas de bloques con diferentes configuraciones. Los dos muestran un convertidor conectado a la red (V1, V2 y V3). Dos elementos externos están conectados con el fin de mantener la conexión del sistema a la red cuando se produce un fallo en la red. En este documento se muestra un circuito de protección con una resistencia y se incluyen algunos elementos extra en el sistema del BUS. Estos elementos adicionales se activan cuando se produce un fallo en la red.
45 - WO 2004/098261: Este documento muestra un diagrama de bloques en donde un convertidor está conectado a la red. Este documento muestra el circuito de protección conectado al sistema del BUS. Este circuito de protección se activa cuando aumenta la tensión en el BUS después de una situación de baja tensión.
Sin embargo, cada solución propuesta y descrita en estos documentos y en otros, tales como los WO2004/040748A1 o WO2004/070936A1, tienen una característica común: todas las soluciones incluyen unos 50 convertidores electrónicos de potencia conectados directamente a la red. Esta característica es la causa de un problema muy importante cuando en la red se produce una tensión momentánea. Como se explicará, este convertidor en el lado de la red tiene una limitación funcional cuando se produce un fallo, debido a que el convertidor en el lado de la red va a funcionar con una tensión en la red reducida (que depende del fallo en la red), de modo que se reduce su capacidad de evacuación de energía. Actualmente, cuando se produce un fallo en la red, la energía de 55 desmagnetización del generador es enviada al BUS y, debido a la limitación del convertidor en el lado de la red,
aumenta la tensión en el BUS, lo que podría dañar los componentes del convertidor. Por este motivo estas soluciones incluyen algunos elementos extra conectados principalmente al rotor o al sistema del BUS. Estos elementos extra absorben la energía de desmagnetización del generador cuando se produce un fallo en la red con el fin de mantener la turbina eólica conectada a la red y, de este modo, satisfacen las especificaciones del nuevo código de la red. Todos estos elementos están normalmente formados a partir de una combinación de elementos pasivos, como resistencias, y elementos activos tales como conmutadores.
En soluciones de este tipo cada perturbación o fluctuación que se produce en la red afecta directamente al convertidor en el lado de la red, de modo que su limitación de intensidad implica que el funcionamiento de la turbina eólica durante un fallo en la red no está completamente optimizado.
Compendio de la invención.
La presente invención se refiere a un método de acuerdo con la reivindicación 1. Las realizaciones a título de ejemplo de la presente invención aquí descritas resuelven las anteriores desventajas y otras desventajas no descritas antes. También, la presente invención no es necesaria para superar las desventajas antes descritas, y una realización a título de ejemplo de la presente invención puede no solucionar cualquiera de los problemas antes descritos. En consecuencia, en las realizaciones a título de ejemplo aquí descritas el funcionamiento de las turbinas eólicas durante los fallos en la red se optimiza debido a que no hay electrónica de potencia conectada a la red. El sistema presente con una máquina excitadora garantiza que el convertidor en el lado del excitador trabaje en todo momento con una tensión estable.
Se proporciona un método de control para mantener el generador de doble alimentación conectado a la red cuando se produce un fallo en la red. Las realizaciones a título de ejemplo aquí descritas están basadas en la topología descrita en la solicitud de patente de EEUU nº 11/477.593. El método descrito aquí no requiere elementos extra y usa una máquina excitadora para convertir la energía eléctrica (debida a la desmagnetización del generador) en energía mecánica.
El documento “Evaluation of electrical systems for offshore windfarms” Bauer, P.; De Hean, S.W.H.; Meyl, C.R.; Pierik, J.T.G.; Industry Applications Conference, 2000. El Conference Record of the 2000 IEEE 1416-1423 vol. 3, 08 October 2000 describe un inventario de sistemas eléctricos en turbinas eólicas. En una primera parte discute los tipos de generadores e incluye una reluctancia variable, de doble alimentación sin escobillas, una caja de engranajes superpuesta y opciones de hipocicloide. En una segunda parte se centra en la transmisión de la potencia eléctrica a tierra. Se discuten los diseños novedosos y se presenta una evaluación económica preliminar. Se eligen unos criterios de evaluación para clasificar estos sistemas.
El documento “Modelling and simulation of an autonomous variable speed micro hydropower station”. A. Ansel and
B.R. Robyns Mathematics and Computers in Simulation, Volumen 71, Números 4-6, 19 Junio 2006, Páginas 320332, “Modelling and Simulation of Electric Machines, Converters and Systems”, presenta la modelización de una microestación de energía hidráulica autónoma de velocidad variable. Está compuesta por un generador de inducción de doble alimentación unido mecánica y eléctricamente a una máquina síncrona de imanes permanentes que puede recuperar o suministrar la falta de potencia y que alimenta el DFIG con su potencia reactiva de magnetización que lleva a la eliminación del condensador clásico. El modelo se basa en un procedimiento clásico, basado en una representación de Park, y en una representación microscópica energética (EMR). En esta primera parte desarrolla los principios del modelo y subraya la complementariedad de ambos procedimientos. A continuación se describe la estrategia de control en el caso de suministro de cargas pasivas. Finalmente, se muestran y se comentan algunos resultados de la simulación.
El documento WO2004/070936 se refiere a un método y a un aparato para controlar un generador de turbina eólica conectado a la red de potencia durante los fallos en la red. Durante los fallos en la red los bobinados del estator del generador de la turbina eólica se desconectan de la red de potencia y las impedancias para disipar al menos una parte de la potencia generada por la turbina eólica durante el fallo en la red son conectadas a los bobinados del estator. De este modo se puede mantener una cierta magnetización del generador, y después de la eliminación de la situación de fallo en la red el generador es sincronizado con la red de potencia y las impedancias son desconectadas y los bobinados del estator son vueltos a conectar a la red de potencia. De este modo es posible mantener el generador de la turbina eólica al menos parcialmente magnetizado durante los fallos en la red y por lo tanto preparado para suministrar potencia a la red de potencia tan pronto como se ha restablecido la tensión en la red después del fallo.
Además, aquí se describe un sistema que usa una máquina excitadora como suministro de potencia para generar diferentes suministros estables.
De acuerdo con otro aspecto de la presente invención se ha provisto un método para el funcionamiento de una turbina eólica de velocidad variable, que comprende:
convertir la energía eólica en potencia mecánica mediante un rotor para hacer girar un grupo propulsor;
convertir la potencia mecánica en potencia eléctrica mediante un generador de inducción de doble alimentación (DFIG) acoplado al grupo propulsor;
usar una máquina excitadora acoplada al grupo propulsor y un sistema de conversión de potencia aislado de la red de potencia para recibir la potencia generada por un rotor del DFIG o para proporcionar la potencia requerida por el rotor del DFIG;
caracterizado por transferir energía eléctrica del rotor del DFIG a energía mecánica en el grupo propulsor mediante el sistema de conversión de potencia y la máquina excitadora en respuesta a una situación de baja tensión en la red.
De acuerdo con esta topología, la electrónica de potencia no está conectada a la red. Por lo tanto, la potencia sólo se suministra a la red a través del estator del generador de inducción de doble alimentación, y las perturbaciones de la tensión no afectan directamente al convertidor en el lado del excitador.
De acuerdo con este aspecto, la energía de desmagnetización del generador es recirculada mediante la electrónica de potencia y es convertida en potencia mecánica mediante la máquina excitadora cuando se produce un fallo en la red. La máquina excitadora transforma la energía eléctrica en energía cinética durante una situación de baja tensión. De este modo, la unidad de control dirige los dos convertidores electrónicos de potencia, controlando las intensidades del rotor en un lado de los convertidores y las intensidades en el otro lado de los convertidores, que fijan que las intensidades del rotor fluyan hacia la máquina excitadora durante una situación de baja tensión y que conviertan esta energía en energía cinética.
Otro aspecto facilita que el convertidor en el lado de la máquina excitadora funcione en todo momento con una tensión estable para que toda la capacidad de potencia del convertidor se mantenga durante las perturbaciones de la tensión. Por el contrario, la mayoría de las últimas soluciones tienen un convertidor en el lado de la red con una capacidad de potencia que está limitada a la tensión residual de la red. Por lo tanto, dentro de la presente invención el funcionamiento de la turbina eólica de velocidad variable puede mejorarse considerablemente durante las perturbaciones de la tensión.
Un ejemplo comparativo es usar la tensión de la máquina excitadora como un suministro de potencia para proporcionar potencia a los diferentes elementos de la turbina eólica de velocidad variable una vez que el sistema alcanza una velocidad mínima. Una característica de este sistema consiste en que tal suministro de potencia es totalmente independiente de la red. Por lo tanto, las perturbaciones que se producen en la red no afectan a este suministro de potencia.
Se ha de entender que tanto la anterior descripción general como la descripción detallada que sigue son a título de ejemplo y solamente explicativas y no restrictivas de la invención, la cual está definida por las reivindicaciones.
Breve descripción de los dibujos.
La invención y su modo de funcionamiento se comprenderán más fácilmente a partir de la descripción detallada que sigue considerada con los dibujos incorporados en los que números de referencia iguales corresponden a elementos iguales.
Figura 1: Ilustra un diagrama de circuitos de una turbina eólica de velocidad variable que tiene una máquina excitadora y un convertidor de potencia que no está conectado a la red, de acuerdo con una realización a título de ejemplo.
Figura 2: Ilustra una puesta en práctica de un diagrama de circuitos de una turbina eólica de velocidad variable que tiene una topología convencional en donde un convertidor de potencia está conectado a la red.
Figura 3: Ilustra el circuito eléctrico equivalente de una máquina asíncrona.
Figura 4: Ilustra un diagrama de bloques de una realización a título de ejemplo del Controlador de la Máquina Excitadora.
Figura 5: Ilustra un diagrama de bloques de un ejemplo comparativo de la Máquina Excitadora usada como suministro de potencia.
Figura 6: Es un gráfico de un perfil de tensión típico para ser cumplido y requerido por algunos códigos de conexión a la red.
Figura 7: Es un gráfico de un ejemplo de la Tensión del Estator del generador de inducción de doble alimentación de una realización a título de ejemplo durante un fallo en la red.
Figura 8: Es un gráfico de un ejemplo de las intensidades del rotor, del estator, y del excitador durante un fallo en la red.
Descripción detallada.
A continuación se describe una turbina eólica de velocidad variable y su modo de control cuando se producen perturbaciones en la red. Se hará referencia a varios dibujos solamente como ilustración para una mejor comprensión de la descripción. Además, en la descripción se usarán los mismos números de referencia al referirse a la misma o iguales piezas.
En la Figura 1 se muestra ampliamente el sistema generador de la turbina eólica de velocidad variable. En esta realización a título de ejemplo el sistema de velocidad variable comprende uno o más álabes del rotor (101) y una cabeza del rotor que está conectada a un grupo propulsor. El grupo propulsor comprende principalmente un eje de la turbina (102), una caja de engranajes (103), un eje del rotor (104), y un generador de inducción de doble alimentación (105). El estator del generador de inducción de doble alimentación (110) puede ser conectado a la red usando uno o más contactores o interruptores de circuito (115). El sistema comprende también una máquina excitadora (112) tal como una máquina asíncrona, una máquina de CC, una máquina síncrona (por ejemplo, de imanes permanentes), o una máquina eléctrica reversible que funciona como un motor o como un generador, la cual está acoplada mecánicamente al grupo propulsor. Como se muestra en la Figura 1, la máquina excitadora (112) puede estar acoplada al grupo propulsor por medio de un eje (113) conectado en un extremo a la máquina excitadora y conectado en el otro extremo al rotor del DFIG (110, 111). La máquina excitadora también está conectada a dos convertidores de potencia electrónicos activos (122, 125) unidos por un Bus de unión en CC (124) (es decir, un convertidor secundario) con uno de los conectados en el lado de CA al circuito del rotor del generador de inducción de doble alimentación, y el otro lado de CA conectado a la máquina excitadora (112).
Alternativamente, un cicloconvertidor, un convertidor matricial o cualquier otro tipo de convertidor bidireccional puede ser conectado en lugar de un convertidor secundario. Una unidad de control del convertidor (CCU) (100) realiza la regulación de potencia del generador de inducción de doble alimentación y de la máquina excitadora. El sistema comprende unos filtros tales como un filtro dV/dt (120) que está conectado al circuito del rotor del generador de inducción de doble alimentación con el fin de protegerlo contra las variaciones de tensión bruscas producidas por los conmutadores activos del convertidor de potencia electrónico. También, está conectado un filtro dV/dt (127) entre el convertidor de potencia electrónico y la máquina excitadora.
Un aspecto adicional de esta realización a título de ejemplo es que no existe un convertidor de potencia conectado a la red. En la Figura 2 se muestra un sistema de inducción clásico de doble alimentación. El convertidor de potencia
(201) está conectado a la red, de manera que le afectan las fluctuaciones de la red. En lugar de ello, en la presente realización el convertidor de potencia (125) está conectado a la máquina excitadora, de modo que así puede trabajar con una tensión estable, totalmente independiente de la tensión de la red.
Otra realización a título de ejemplo de la presente invención proporciona un método que puede ser usado cuando en la red se produce un fallo de la red. En tal caso las intensidades del estator, las intensidades del rotor y la tensión del rotor muestran una primera transición cuya duración y magnitud depende de los parámetros eléctricos de la máquina R’s (301), Ls (302), L’r (303), Rr/s (304), Lm (305), Rc (307). En la Figura 3 se muestra un circuito eléctrico equivalente de una máquina asíncrona que incluye los siguientes parámetros eléctricos: la impedancia de la red y el perfil de la perturbación de la tensión: velocidad de deriva, profundidad e instante. Así, en esta realización a título de ejemplo de la presente invención, durante esta primera transición la máquina excitadora convierte la energía eléctrica debida a la desmagnetización del generador en energía mecánica.
Cuando se produce un caso de baja tensión, la rama de magnetización (305) de la máquina asíncrona (110) va a tratar a mantener el flujo en la máquina. Este flujo no puede cambiar instantáneamente, por lo que aparecerá como una tensión diferencial (309) entre la tensión de la red (308) y la tensión de magnetización (307) en la máquina. Esta tensión (309) es proporcional al flujo y a la velocidad de giro. Esta tensión diferencial (309) generará una sobrecorriente en el estator, solamente limitada por la inductancia de fuga (302) del estator y la resistencia del estator (301). Debido a la relación entre el estator y el rotor, más bien similar a la relación entre el primario y el secundario en un transformador, el efecto de la transición en las intensidades del estator también aparece en las intensidades del rotor.
En el caso de un generador de doble alimentación el rotor del generador está eléctricamente conectado a un convertidor de potencia electrónico. Así, las intensidades del rotor durante esta transición, debidas a la desmagnetización del generador, fluyen desde el rotor al Sistema del Bus en CC a través del convertidor de potencia electrónico. En las soluciones convencionales el convertidor del lado de la red no es capaz de evacuar esta energía debido a que la tensión residual de la red es reducida, de modo que aumenta la tensión de CC y se pueden dañar los elementos de potencia electrónicos.
Para resolver el problema mencionado, las diferentes soluciones propuestas requieren algunos sistemas extra para absorber esta transición de energía debido a la limitación impuesta de tener un segundo convertidor de potencia electrónico conectado a la red. Las patentes anteriormente mencionadas US6.921.985, US2006/016388A1, US7.102.247, WO2004/098261 exponen soluciones diferentes. No obstante, estas configuraciones tienen una capacidad de evacuación de energía muy reducida. Por este motivo, cuando se produce una situación de baja tensión esta energía tiene que ser disipada en elementos pasivos porque de otro modo el sistema del Bus en CC y
los conmutadores del convertidor pueden dañarse. Estos elementos podrían tener unas topologías diferentes y podrían ser conectados al rotor o al sistema del Bus en CC.
Funcionamiento con fallo en la red.
Además, en esta realización a título de ejemplo cuando se produce una situación de baja tensión, el funcionamiento tiene dos procesos. Estos procesos pueden producirse al mismo tiempo, pero se explicarán separadamente para una mejor comprensión:
- -
- Primer proceso: La transferencia de energía entre el circuito del rotor y el sistema cinético mecánico a través del sistema del convertidor y la máquina excitadora.
- -
- Segundo proceso: Hacer que el sistema pase a condiciones nominales con el fin de generar las intensidades y potencia de acuerdo con las diferentes necesidades.
Primer proceso:
En esta realización a título de ejemplo no existe limitación como en otras soluciones. El convertidor (125) en el lado del excitador mantiene su capacidad de evacuación de energía debido a que la tensión en los terminales (129) de la máquina excitadora son mantenidos estables o al menos en un intervalo de banda de trabajo. Esta tensión depende principalmente de la velocidad, de modo que la estabilidad esté garantizada por la inercia del grupo propulsor, por lo que las eventuales fluctuaciones de la velocidad cuando se produce una situación de baja tensión no necesitan ser importantes con el fin de cambiar drásticamente la tensión.
En una realización a título de ejemplo la energía debida a la desmagnetización del generador de doble alimentación
(110) durante la situación de baja tensión fluye a través de los convertidores (122, 125) y la máquina excitadora (112), y es convertida en energía mecánica. Por lo tanto, toda la energía es transferida al grupo propulsor. Cuando se produce una situación de baja tensión, debida a una sobretensión generada en el rotor (111), las intensidades del rotor (121) fluyen al sistema del Bus en CC (124) a través del convertidor (122, 202) del lado del rotor. Con el fin de recuperar esta primera transición en el menor tiempo posible, el convertidor (125) en el lado del excitador podría trabajar a su máxima capacidad de intensidad, que mantiene la tensión del Bus controlada en todo momento. Este límite de la intensidad es calculado por la unidad de control principal que se encarga de las condiciones de trabajo operativo. Cuando la tensión (129) del excitador se mantiene en una situación estable, el convertidor (125) tiene una gran capacidad para la evacuación de energía. Esta energía es enviada al excitador, el cual la almacenará como energía cinética. Por lo tanto, la disposición de esta capacidad máxima permite que esta primera transición se reduzca a algunos milisegundos.
Cuando en la red se produce un fallo de la red, como se muestra en la Figura 6, la cual muestra un perfil típico de un fallo en la red, las intensidades (801), (802), (803) del convertidor en el lado del estator, del rotor y del excitador presentan una evolución eléctrica, que se muestra en la Figura 8. En esta figura se puede ver cómo las intensidades fluyen del rotor a la máquina excitadora. El convertidor en el lado del excitador funciona a su capacidad de intensidad máxima durante los aproximadamente 50 milisegundos con el fin de evacuar toda la energía debida a la desmagnetización del generador. La unidad de control principal hace que el convertidor (125) trabaje a su intensidad máxima. El tiempo que trabaja a esta intensidad puede ser variado dependiendo de la característica del fallo de baja tensión y de los parámetros eléctricos del sistema.
La oscilación que aparece en las intensidades corresponde a la frecuencia de giro mecánica del generador. La intensidad (803) del convertidor en el lado del excitador se aproxima a cero una vez que el generador está completamente desmagnetizado. También, al mismo tiempo que se produce la situación de baja tensión, el convertidor en el lado del rotor trata de generar la intensidad reactiva nominal de acuerdo con una especificación típica. De este modo los valores medios finales de las intensidades del estator y del rotor corresponden a las intensidades nominales del sistema. Las oscilaciones son amortiguadas por control como se explicará más tarde. El efecto de esta generación de intensidad reactiva puede verse en la Figura 7, en donde se muestra la tensión del estator. En aproximadamente los primeros 25 milisegundos la tensión del estator desciende al 50% y, debido a la estrategia de soporte de la red, a la generación de intensidad reactiva, la tensión del estator asciende al 65% con respecto al valor nominal. Se ha explicado una estrategia de soporte de la red mediante el suministro de intensidad reactiva a la red, si bien se podrían adoptar otras estrategias de control durante el suceso en la red.
En una realización a título de ejemplo, el convertidor (125) en el lado del excitador es controlado por la unidad de control principal (100) que regula cómo se evacua la energía a la máquina excitadora controlando los conmutadores activos del convertidor de potencia electrónico. La Figura 4 muestra cómo se controlan los conmutadores del convertidor de potencia (125). Con el fin de evacuar esta energía muy rápidamente por el sistema de control se usa en la unidad de control principal una detección mediante un algoritmo de baja tensión y el cálculo de la intensidad instantánea máxima disponible por los conmutadores, fijado por el regulador (407) del Bus de CC. Este algoritmo de baja tensión se basa en las intensidades medidas del estator y del rotor. La unidad de control principal (100) fija la intensidad máxima que se puede suministrar a los conmutadores del convertidor (125) basándose en el límite de la temperatura del semiconductor, en la frecuencia de conmutación y en otros parámetros. En una realización a título de ejemplo la frecuencia de conmutación podría ser variable. Así, el regulador (407) del Bus de CC fija un Sp_IEq
que es la intensidad real que ha de transferirse a la máquina excitadora (112). En una realización a título de ejemplo este Sp_IEq es la intensidad máxima disponible por el convertidor (125).
En una realización a título de ejemplo la unidad de control principal (100) fija el tiempo en que el convertidor (125) en el lado del excitador está trabajando a su intensidad máxima. En una realización a título de ejemplo este tiempo se fija y podría ser fijado y calculado por la unidad de control principal. En una realización a título de ejemplo este tiempo podría ser variable y va a depender de las variables del sistema:
Av_Ubus, intensidad del rotor (121) e intensidad del estator (118) y otras variables. En una realización a título de ejemplo se cumplen los siguientes criterios:
- -
- Av_Ubus lt; Porcentaje de la Tensión de Bus máxima;
- -
- Intensidad del rotor (121) lt; Porcentaje de la intensidad máxima del rotor;
- -
- Intensidad del estator (118) lt; Porcentaje de la intensidad máxima del estator.
Segundo proceso:
Un efecto generado en un generador de doble alimentación cuando se produce un fallo en la red es la oscilación que aparece en las intensidades. Esta oscilación corresponde a la frecuencia de giro del generador. Cuando se produce un fallo en la red el flujo en el estator no gira, de modo que es visto por el rotor como un vector que gira inversamente. Es importante reducir esta oscilación, o al menos compensarla, mediante algunos mecanismos de control aplicados dentro de los bucles de control.
Las ecuaciones de la máquina asíncrona desarrolladas en un sistema de referencia giratorio de dos ejes depende de la intensidad del rotor y de los parámetros eléctricos de los sistemas.
En consecuencia, el sistema del rotor dependerá de las intensidades del rotor en un lado y de la intensidad de magnetización con una dependencia de la frecuencia de la velocidad del rotor en el otro lado.
De este modo, cuando se produce un fallo en la red los bucles de regulación de la intensidad deben detectar estas oscilaciones durante el fallo con el fin de mantener el sistema controlado. Una vez que el sistema de control detecta estas oscilaciones debe tratar de reducir estas oscilaciones para minimizar el tiempo de esta transición y para llevar el sistema a las condiciones requeridas por la normativa diferente.
En una realización a título de ejemplo este segundo proceso podría comenzar algunos milisegundos después del comienzo del primer proceso. La unidad de control principal decide cuándo debe comenzar este segundo proceso.
Durante este segundo proceso se pueden tener en cuenta diferentes estrategias.
En una realización a título de ejemplo se puede usar una estrategia de soporte de la red que suministra a la red una intensidad reactiva o una potencia reactiva.
En otra realización a título de ejemplo se puede usar una estrategia de soporte de la red que suministra una intensidad real o una intensidad real a la red.
En otra realización a título de ejemplo se puede usar una estrategia de control mixta, en donde se puede suministrar a la red una intensidad reactiva o una potencia reactiva.
Sistema 4.2 EMPS.
Una información adicional relacionada con un ejemplo comparativo es el uso de la máquina excitadora (112) como un suministro de potencia para generar diferentes suministros estables. La tensión (129) generada por el excitador depende de la velocidad de giro, de modo que cuando el sistema alcanza una cierta velocidad la tensión generada por el generador excitador es suficiente para generar los suministros de potencia (502), (508) requeridos por el sistema, que se muestran en la Figura 5.
En un ejemplo comparativo ilustrado en la Figura 5 el sistema tiene dos sistemas CA/CC (503) (502) con base en los semiconductores que generan dos diferentes suministros de tensión en CC. Algunos diodos (509) (510) están situados en la salida de CC con el fin de desacoplar las dos fuentes de tensión (sistemas CA/CC (502) (503)). El sistema (502) generará una tensión V2 y el sistema (503) generará una tensión V1. Por lo tanto, el suministro de tensión en CC será igual al mayor de V1 y V2. Usualmente V1 es ligeramente mayor que V2.
Desde el suministro de tensión en CC se pueden conectar varios sistemas de suministro de potencia con el fin de generar los suministros auxiliares independientes requeridos por el sistema. Estos sistemas auxiliares de suministro de potencia son CC/CC (507) o CC/CA (505) y tienen su base en semiconductores, elementos pasivos y en otros elementos eléctricos.
En un ejemplo comparativo se podrían colocar algunos conmutadores o contactores (504) (506) en la entrada de los sistemas CC/CC o CC/CA con el fin de aislar cada sistema.
En un ejemplo comparativo el proceso de suministro de potencia auxiliar tiene diferentes pasos:
- -
- El conmutador o contactor 501 está cerrado, de modo que el suministro de potencia principal viene de la
5 red. El sistema CC/CA (502) genera un nivel de tensión V2 de modo que se generen los suministros de potencia auxiliares cuando los contactores (504) (506) están cerrados. Antes de que el generador alcance un valor de la velocidad fijado, el valor speed_1, la fuente de los suministros de potencia auxiliares son generados desde la red. El conmutador o contactor (501) estará siempre cerrado mientras que la velocidad del generador sea inferior al valor speed_1.
10 - Una vez que la velocidad del generador alcanza el valor speed_1 el sistema CA/CC (503) genera una tensión V2 suficiente para tener una tensión en CC para generar los diferentes suministros de tensión auxiliares, entonces se abre el contactor (501) del conmutador. La tensión auxiliar se genera desde los sistemas CA/CC (503) en tanto que la velocidad del generador es mayor que el valor speed_1.
En un ejemplo comparativo, con el fin de mejorar la redundancia del sistema de suministro de potencia, el 15 conmutador o contactor 501 puede mantenerse cerrado.
Las realizaciones a título de ejemplo deberían ser considerados como descriptivos y no limitativos. La invención no está definida por la descripción detallada de la invención sino por las reivindicaciones anejas.
Claims (9)
- REIVINDICACIONES1. Un método de funcionamiento de una turbina eólica de velocidad variable que comprende:convertir energía eólica en potencia mecánica mediante un rotor para hacer girar un grupo propulsor;convertir la potencia mecánica en potencia eléctrica mediante un generador de doble alimentación (DFIG) acoplado 5 al grupo propulsor;usar una máquina excitadora acoplada al grupo propulsor y al sistema de conversión de potencia aislado de la red de potencia, para recibir la potencia generada por un rotor del DFIG o para proporcionar la potencia requerida por el rotor del DFIG;caracterizado por transferir energía eléctrica del rotor del DFIG a energía mecánica en el grupo propulsor, mediante 10 el sistema de conversión de potencia y la máquina excitadora en respuesta a una situación de baja tensión en la red.
-
- 2.
- El método definido en la reivindicación 1, que además comprende ajustar las intensidades del rotor con el fin de generar las intensidades del estator deseadas para cumplir las exigencias de conexión a la red.
-
- 3.
- El método definido en la reivindicación 2, en donde las intensidades del rotor se ajustan con el fin de suministrar una intensidad reactiva a la red durante una situación de baja tensión.
15 4. El método definido en la reivindicación 2, en donde las intensidades del rotor se ajustan con el fin de suministrar una intensidad real a la red durante la situación de baja tensión. - 5. El método definido en la reivindicación 2, en donde las intensidades del rotor se ajustan con el fin de suministrar una mezcla de intensidad real y reactiva a la red durante la situación de baja tensión.
- 6. El método definido en la reivindicación 2, en donde las intensidades del rotor se ajustan con el fin de suministrar 20 una potencia reactiva a la red durante la situación de baja tensión.
-
- 7.
- El método definido en la reivindicación 2, en donde las intensidades del rotor se ajustan con el fin de suministrar una potencia real a la red durante la situación de baja tensión.
-
- 8.
- El método definido en la reivindicación 2, en donde las intensidades del rotor se ajustan con el fin de suministrar una mezcla de potencia real y reactiva a la red durante la situación de baja tensión.
25 9. Un método de funcionamiento de un sistema de conversión de potencia definido en la reivindicación 1, en donde las frecuencias de conmutación pueden ajustarse y modificarse dinámicamente. - 10. El método definido en la reivindicación 6, en donde una frecuencia de conmutación de un convertidor en el lado del excitador del sistema de conversión de potencia puede ajustarse y modificarse dinámicamente.
- 11. El método definido en la reivindicación 6, en donde una frecuencia de conmutación de un convertidor en el lado 30 del rotor del sistema de conversión de potencia puede ajustarse y modificarse dinámicamente.
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