ES2565029T3 - Procedimiento de operación de un convertidor de frecuencia de un generador - Google Patents

Procedimiento de operación de un convertidor de frecuencia de un generador Download PDF

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ES2565029T3 ES03750550.0T ES03750550T ES2565029T3 ES 2565029 T3 ES2565029 T3 ES 2565029T3 ES 03750550 T ES03750550 T ES 03750550T ES 2565029 T3 ES2565029 T3 ES 2565029T3
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Abstract

Un procedimiento de operación de un convertidor de frecuencia de un generador, en particular de una turbina de energía eólica, en el evento de una caída sustancial de la tensión de la red, en el que el convertidor (10) de frecuencia comprende un convertidor (20) de CA/CC, para ser conectado al generador (14), un convertidor (22) de CC/CA para conectarse a la red (18) de tensión, y un circuito (24) de enlace de CC para conectar el convertidor (20) de CA/CC al convertidor (22) de CC/CA, caracterizado el procedimiento por comprender la etapa de - reducir una tensión de salida del circuito (24) de enlace de CC para aumentar una corriente de salida del convertidor (22) de CC/CA y/o - reducir la frecuencia de operación de los conmutadores (28) electrónicos del convertidor (22) de CC/CA para aumentar la corriente de salida del convertidor (22) de CC/CA.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento de operacion de un convertidor de frecuencia de un generador Antecedentes de la invencion Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a la operacion de los convertidores de alimentacion para suministrar alimentacion electrica a una red y, en particular, a un convertidor de frecuencia de un generador de una turbina de energfa eolica.
Tecnica anterior relacionada
La alimentacion electrica en las redes electricas publicas se suministra por diversas fuentes de energfa que convierten la energfa mecanica en ene^a electrica. Las principales fuentes de energfa que soportan las redes electricas publicas son las centrales electricas de carbon y las centrales electricas nucleares. Varios otros tipos de fuentes de energfa, en particular las centrales electricas de energfa regenerativa, como las plantas de energfa solar, las plantas de energfa por agua o las turbinas de energfa eolica, tambien contribuyen a soportar la red electrica publica.
En el pasado, en el caso de una cafda significativa de la tension de red en una red electrica publica, se requena que en tal caso las turbinas de energfa eolica se apagasen de manera automatica. Sin embargo, debido al aumento del numero de turbinas de energfa eolica, se vuelve mas y mas importante que estas turbinas soporten la red electrica publica en el caso de una cafda sustancial de la tension de red. Sin embargo, debido a los esfuerzos termicos aplicados a los componentes electronicos del convertidor de frecuencia de un generador que convierte la energfa mecanica en energfa electrica, es crftico y limitado aumentar la corriente de salida del convertidor en caso de una cafda de tension de la red.
El documento US 2003/0126060 analiza un sistema, un procedimiento y un programa de ordenador para mejorar el valor comercial de la alimentacion electrica producida a partir de una instalacion de produccion de energfa renovable en la que se emplea un procedimiento para gestionar una cartera de inversion de las unidades de alimentacion de primera calidad.
En consecuencia, es un objeto de la presente invencion aumentar la corriente de salida de un generador, en particular, de una turbina de energfa eolica en el caso de una cafda sustancial de la tension de red.
Sumario de la invencion
De acuerdo con la invencion, se proporciona un procedimiento para operar un convertidor de frecuencia de un generador, en particular, de una turbina de energfa eolica, en el caso de una cafda sustancial de la tension de red, en el que el convertidor de frecuencia incluye un convertidor de CA/CC, para conectarse al generador, un convertidor de CC/CA para conectarse a la red de tension, y un circuito de enlace de CC para conectar el convertidor de CA/CC al convertidor de CC/CA, incluyendo el procedimiento la etapa de
- reducir una tension de salida del circuito de enlace de CC para aumentar una corriente de salida del convertidor de CC/CA y/o
- reducir la frecuencia de operacion de los conmutadores electronicos del convertidor de CC/CA para aumentar la corriente de salida del convertidor de CC/CA.
La solucion propuesta por la presente invencion para resolver el objeto mencionado anteriormente se refiere a un aumento de la corriente a suministrar en la red electrica publica en el caso de una cafda sustancial de la tension de red. De acuerdo con un primer aspecto de la invencion, el aumento de la corriente de salida del convertidor de CC/CA, es decir, del convertidor de frecuencia, se realiza reduciendo la tension de salida del circuito de enlace de CC del convertidor de frecuencia, siendo la tension de salida la tension de operacion para el convertidor de CC/CA del convertidor de frecuencia. Por medio de la reduccion de la tension de salida del circuito de enlace de CC, es posible aumentar la corriente que fluye a traves de los conmutadores electronicos (normalmente unos transistores) del convertidor de CC/CA sin aumentar las perdidas de energfa de los conmutadores electronicos que se producen en condiciones normales de operacion del convertidor de frecuencia. En particular, los conmutadores electronicos incluyen unos transistores, (por ejemplo, unos modulos IGBT) como se conoce, en general, por los expertos en la materia.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invencion, se reduce la frecuencia de conmutacion de los conmutadores electronicos del convertidor de Cc/CA dando como resultado un aumento de la corriente de salida del convertidor de CC/CA suministrada a la red electrica. Tambien, de acuerdo con este aspecto de la invencion, cuando se produce una cafda sustancial de la tension de red, no hay sustancialmente cambios de las perdidas de energfa en los conmutadores electronicos que se producen en condiciones normales de operacion del convertidor de frecuencia.
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De acuerdo con un aspecto adicional de la presente invencion, las etapas descritas anteriormente pueden ocurrir de manera simultanea con lo que se reducen la tension de salida y la frecuencia de operacion.
En otra realizacion, la tension de salida del circuito de enlace de CC puede reducirse reduciendo la tension de salida del circuito de enlace de CC dentro del propio circuito de enlace de CC, es decir, activando los divisores de tension o similares. Sin embargo, otro enfoque ventajoso se refiere al control del intervalo de tiempo para el que los conmutadores electronicos del convertidor de CA/CC estan en su estado de encendidos. Concretamente, en funcion del estado de operacion (encendido o apagado) de los conmutadores electronicos, (normalmente unos tiristores), puede controlarse la tension de salida del convertidor de CA/CC. Cuanto mas corto sea el intervalo de tiempo para el estado de encendido de los conmutadores electronicos del convertidor de CA/CC, menor sera la tension de salida del convertidor de CA/CC.
De acuerdo con otro aspecto de la presente invencion, la etapa de reduccion descrita anteriormente o al menos una de las etapas de reduccion se realiza cuando, durante un corto periodo tiempo (de ms hasta s), se reduce la tension de red. El nivel de disminucion de tension para iniciar al menos una de las etapas de reduccion depende del diseno de los componentes. La etapa de reduccion o al menos una de las etapas de reduccion se termina cuando, durante un corto periodo tiempo (de ms hasta s), se aumenta de nuevo la tension de red normal hasta un cierto nivel (cerca del valor nominal).
Breve descripcion de los dibujos
Una divulgacion completa y permisiva la de la presente invencion; que incluye el mejor modo de la misma, para un experto en la materia, se expone mas espedficamente en el resto de la memoria descriptiva, incluyendo la referencia al dibujo adjunto que muestra esquematicamente la circuitena del convertidor de frecuencia dispuesto entre un generador y una red electrica.
Descripcion de una realizacion de referencia
A continuacion, se hara referencia en detalle a las diversas realizaciones de la invencion, uno o mas ejemplos que se ilustran en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicacion de la invencion, y no se entiende como una limitacion de la invencion.
En el dibujo, se muestra la circuitena de un convertidor 10 de frecuencia que se usa para proporcionar alimentacion electrica a una red electrica. El convertidor de frecuencia esta dispuesto entre la salida 12 de un generador 14 de una turbina de energfa eolica (no mostrada) y la entrada 16 de una red 18 electrica.
El convertidor 10 de frecuencia incluye tres etapas principales, concretamente, una etapa de entrada, una etapa intermedia, y una etapa de salida. La etapa de entrada esta configurada como un convertidor 20 de CA/CC, mientras que la etapa de salida incluye un convertidor 22 de CC/CA. Estos dos convertidores 20,22 estan conectados por la etapa intermedia que esta configurada como un circuito 24 de enlace de CC.
En esta realizacion, el convertidor 20 de CA/CC y el convertidor 22 de CC/CA normalmente incluyen ambos unos elementos de alimentacion de semiconductores electronicos. Sin embargo, tambien pueden usarse otros elementos electronicos o electricos. En particular, en esta realizacion, el convertidor 20 de CA/CC incluye seis tiristores 25 controlados por una unidad 26 de control, que a su vez se controla en funcion de los parametros de operacion actuales de la turbina de energfa eolica y las condiciones ambientales. Como una alternativa, pueden usarse unos diodos en lugar de los tiristores 25. Como se muestra en el presente documento, el convertidor 22 de CC/CA incluye seis transistores 28, que tambien se controlan por la unidad 26 de control. Diversos tipos de transistores pueden usarse de acuerdo con la presente invencion para los convertidores de alimentacion electricos, tales como los modulos IGBT. Como tambien se conoce por los expertos en la materia, el convertidor 22 de CC/CA incluye un dispositivo de filtrado en su extremo de salida, que en esta realizacion incluye tres inductores 30.
El circuito 24 de enlace de CC incluye normalmente al menos un filtro para la corriente de enlace de CC que puede configurarse como unos estranguladores de enlace de CC (no mostrados). Por otra parte, el circuito de enlace de CC incluye un dispositivo 32 de almacenamiento de energfa electrica que puede ser, por ejemplo, una batena de condensadores, una batena, un super-condensador o similares.
Las cafdas tension de la red pueden detectarse por medio de un sensor 34 de tension de red conectado a la unidad 26 de control. De una manera similar, la tension de salida del generador 14 puede detectarse por un sensor de tension de estator 36 tambien conectado a la unidad 26 de control.
En el caso de una cafda de tension de red, es necesario que el generador 14 de una turbina de energfa eolica sea capaz de soportar la red de tal manera que se genere y se suministre a la red 18 la alimentacion electrica necesaria. Hay dos enfoques de acuerdo con la invencion que pueden usarse para aumentar la alimentacion electrica suministrada a la red en el caso de una cafda de tension de red. El primer enfoque de acuerdo con la presente invencion se refiere a la reduccion de la tension Vz de salida del circuito 24 de enlace de CC, que puede lograrse, por ejemplo, controlando en consecuencia el convertidor 20 de CA/CC. Para hacerlo, los tiristores 25 del convertidor 20 de CA/CC necesitan controlarse de acuerdo con los cambios de fase del estator del generador 14. Ademas, debe
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detectarse o determinate la frecuencia del estator. De acuerdo con estos parametros, el control de los tiristores 25 se modifica con el fin de reducir la tension Vz de salida del circuito 24 de enlace de CC.
Debido a la reduccion de la tension Vz de salida del circuito 24 de enlace de CC, en el caso de una cafda de tension de red, la corriente Ic de salida del convertidor 22 de CC/CA puede aumentarse sin cambiar las perdidas de alimentacion en los transistores 28 de tal manera que estas perdidas de alimentacion se dejan sustancialmente sin cambios en comparacion con las condiciones en una operacion normal.
A continuacion, se proporciona un ejemplo que muestra un aumento de la corriente en el caso de una cafda de tension de red.
Suponiendo que, en condiciones normales, se proporcionan los siguientes parametros al convertidor 10 de frecuencia. La tension Vz de salida del circuito 24 de enlace de CC es 600 V y la corriente Ic de salida es 1600 A. La temperatura admisible de un transistor 28 es 125 °C y el ciclo de trabajo de los transistores 28 es 1. Las perdidas Eencendido de ene^a cuando esta conmutandose a encendido un transistor 28 son 210 mW, las perdidas Eapagado de energfa cuando esta conmutandose a apagado un transistor 28 son 260 mW y las perdidas Erec de energfa durante el intervalo en el que un transistor 28 se conmuta a apagado son 115 mW. Debena observarse que estos parametros son simplemente ejemplos y que en consecuencia son posibles unas variaciones.
Suponiendo ademas que la frecuencia f de conmutacion es de 2500 1/s, las perdidas de potencia basandose en Eencendido, Eapagado, y Erec, asf como la perdida Psw de potencia durante el estado de encendido de un transistor 28 son las siguientes:
P
encendido
+ P
apagado
+ P re
(Eencendido + Eapagado + Erec) f
= (0,210 Ws + 0,260 Ws + 0,115 Ws) * 2500 1/s
= 0,585 Ws * 2500 1/s
= 1462,5 W
Psw = Vce * lc * (intervalo de estado encendido) / (intervalo de estado encendido +
apagado)
= 2,4 V * 1600 A * 1/2 =1920W
P = P encendido + P apagado + Pre
+ P
sw
= 3382,5 W
Suponiendo ademas que la tension Vz de salida del circuito 24 de enlace de CC se reduce un 30 % y suponiendo ademas que Pencendido, Papagado y Prec se reducen sustancialmente en el mismo porcentaje, la suma total de estas perdidas de potencia es de la siguiente manera:
Pencendido + Papagado + Prec = 1/3 * 1462,5 W
= 487,5 W
P = 1920 W + 487,5 W = 2407,5 W
Con el fin de no superar las perdidas de potencia como en las condiciones de operacion normales, puede aumentarse la corriente Icde salida en aproximadamente un 30 % hasta
Ic = 2100 A (por 2407,5 W).
Debena observarse que el porcentaje del aumento de la tension Ic de salida maxima es independiente del tipo de transistor 28 usado.
Otra medida para aumentar la tension Ic de salida en el caso de una cafda de tension de red es reducir la frecuencia f de conmutacion de los transistores 28. Concretamente, cuando los transistores 28 se conmutan a encendidos durante un penodo de tiempo mas corto, cuando se mantiene la corriente sin cambios, las perdidas de energfa se reducen. En consecuencia, si las perdidas de energfa pueden dejarse sin cambios, puede aumentarse la corriente.
A continuacion, se proporcionara un ejemplo basado en los parametros mencionados anteriormente para este escenario.
Suponiendo que la frecuencia f de conmutacion se reduce de 2500 1/s a 500 1/s, pueden obtenerse las siguientes ecuaciones:
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P
encendido
+ p
apagado
+ Prec
Psw
P
_ (Eencendido + Eapagado + Erec) f
= (0,210 Ws + 0,260 Ws + 0,115 Ws) * 500 1/s = 0,585 Ws * 500 1/s = 292,5 W
= Vce * lc * (intervalo de estado encendido) / (intervalo de estado encendido + apagado)
= 2,4 V * 16000 A * 1/2 =1920W
= 1920 W + 292,5 W = 2212,5 W
Por lo tanto, para obtener las mismas perdidas de potencia globales, como en el caso de operacion normal, la corriente Ic de salida, puede aumentarse hasta
Ic = 2200 A (para 2212,5 W).

Claims (5)

  1. 5
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    15
    20
    25
    REIVINDICACIONES
    1. Un procedimiento de operacion de un convertidor de frecuencia de un generador, en particular de una turbina de ene^a eolica, en el evento de una cafda sustancial de la tension de la red, en el que el convertidor (10) de frecuencia comprende un convertidor (20) de CA/CC, para ser conectado al generador (14), un convertidor (22) de CC/CA para conectarse a la red (18) de tension, y un circuito (24) de enlace de CC para conectar el convertidor (20) de CA/Cc al convertidor (22) de CC/CA, caracterizado el procedimiento por comprender la etapa de
    - reducir una tension de salida del circuito (24) de enlace de CC para aumentar una corriente de salida del convertidor (22) de CC/CA y/o
    - reducir la frecuencia de operacion de los conmutadores (28) electronicos del convertidor (22) de CC/CA para aumentar la corriente de salida del convertidor (22) de CC/CA.
  2. 2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la etapa de reduccion o al menos una de las etapas de reduccion se realiza cuando, durante unos pocos segundos, la tension de red se reduce en al menos un 10 % de su valor normal y en el que la etapa de reduccion de al menos una de las etapas de reduccion se termina cuando, durante unos pocos segundos, la tension de red normal se aumenta en al menos un 80 % de su valor normal.
  3. 3. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la etapa de reduccion o al menos una de las etapas de reduccion se realiza cuando, durante unos pocos segundos, la tension de red se reduce en al menos un 20 % de su valor normal y en el que la etapa de reduccion de al menos una de las etapas de reduccion se termina cuando, durante unos segundos, la tension de red normal se aumenta en al menos un 90 % de su valor normal.
  4. 4. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la etapa de reduccion de la tension de salida del circuito (24) de enlace de CC comprende reducir el intervalo de anchura de pulso del conmutador (25) electronico del convertidor (20) de CA/CC.
  5. 5. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la reduccion de la tension de salida del circuito (24) de enlace de CC y/o la reduccion de la frecuencia de operacion del convertidor (22) de CC/CA se realiza/realizan de tal manera que una corriente aumentada fluye sin un cambio sustancial de las perdidas de energfa en los conmutadores (28) electronicos del convertidor (22) de CC/CA.
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