ES2595374T3

ES2595374T3 - Método para controlar un convertidor de potencia en un generador de turbina eólica

Info

Publication number: ES2595374T3
Application number: ES10766365.0T
Authority: ES
Inventors: Yin BO; Heng DENG; Kim B. Larsen; Lars Helle; Mogens Lau
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2009-09-24
Filing date: 2010-09-20
Publication date: 2016-12-29
Anticipated expiration: 2030-09-20
Also published as: EP2481139B1; US20130010505A1; US9252601B2; EP2481139A2; WO2011037537A2; WO2011037537A3

Abstract

Método para controlar un convertidor de potencia (28) en un generador de turbina eólica (10), estando el convertidor de potencia (28) conectado a una red eléctrica (36), comprendiendo el método: obtener una tensión de línea de corriente alterna (CA) (Uabc) en un punto de conexión entre el convertidor de potencia (28) y la red eléctrica (36), obtener una frecuencia (ωred) de la red eléctrica (36) basándose en la tensión de línea de CA (Uabc), adaptar dinámicamente la tensión de línea de CA (Uabc) a la frecuencia (ωred) de la red eléctrica (36), generar una señal de referencia basándose al menos en la tensión de línea de CA adaptada a la frecuencia, y determinar una señal de control de convertidor (Vα, Vß) para controlar el convertidor de potencia (28) basándose en la señal de referencia y la frecuencia de red (ωred) con el fin de generar una potencia a la frecuencia (ωred) de la red eléctrica (36).

Description

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DESCRIPCION

Metodo para controlar un convertidor de potencia en un generador de turbina eolica Campo tecnico

La presente invencion se refiere a un metodo de control de un convertidor de potencia en un generador de turbina eolica, mas espedficamente a un metodo de control de un convertidor de potencia en un generador de turbina eolica que esta conectado a una red de transmision de energfa electrica.

Antecedentes de la invencion

Las turbinas eolicas se usan para convertir energfa eolica en energfa electrica de una manera sostenible y respetuosa con el medio ambiente. El uso de turbinas eolicas esta ganando una amplia aceptacion en su papel de proporcionar energfa alternativa, y la capacidad instalada de la generacion de potencia mediante turbinas eolicas ha aumentado drasticamente a lo largo de la ultima decada.

Como tal, estan realizandose esfuerzos para endurecer los requisitos de red electrica, con el fin de normalizar las diferentes normas de diferentes fabricantes y permitir que los generadores de turbinas eolicas funcionen como sistemas de generacion de potencia convencional, por ejemplo centrales de petroleo y gas, centrales hidroelectricas, centrales nucleares, etc. En diversos pafses, las normas del codigo de red se han revisado y han exigido que se cumplan requisitos mas rigurosos.

Dentro de tales normas de codigo de red se encuentran los requisitos de funcionamiento en presencia de tensiones de secuencia negativa y funcionamiento dentro de un amplio intervalo de frecuencia. Por ejemplo, algunas localidades proporcionan una norma de funcionamiento continuo dentro de una tension de secuencia negativa del 3%, es decir la turbina eolica debe poder resistir una tension de secuencia negativa maxima del 3% en la red antes de la conexion. Ademas, los codigos de red de la mayona de los pafses exigen el funcionamiento del sistema de generacion de potencia dentro de un intervalo de frecuencias alrededor de la frecuencia fundamental de funcionamiento de la red electrica.

Pueden surgir tensiones de secuencia negativa a partir de desequilibrios de tension de un sistema. En una red electrica con un sistema sinusoidal equilibrado, las tres tensiones de lmea-neutro tienen igual magnitud y sus fases estan desplazadas unas de otras 120 grados. Se dice que cualquier diferencia que exista en las tres magnitudes de tension y/o un desplazamiento en la separacion de fase con respecto a 120 grados da lugar a un suministro desequilibrado. Las posibles causas de un sistema desequilibrado son quizas impedancias diferentes de lmeas de transmision y distribucion trifasicas, o muchos otros posibles motivos.

Entonces puede descomponerse un sistema desequilibrado en tensiones de secuencia positiva y tensiones de secuencia negativa. Las tensiones de secuencia positiva estan asociadas con un campo que rota en sentido positivo, mientras que las tensiones de secuencia negativa estan asociadas con un campo que rota en sentido negativo. Se conoce que una tension de suministro desequilibrada que consiste en componentes de secuencia tanto positiva como negativa dara normalmente lugar a una variacion de tension de enlace de CC al doble de la frecuencia de lmea si la corriente de red solo tiene componentes de secuencia positiva. La presencia de fluctuaciones en la tension de enlace de CC afectara a la eficacia del control en el convertidor del lado de la maquina. Ademas, esto puede conducir a su vez a asimetna y distorsion en las corrientes de red lo cual puede dar lugar a problemas de incumplimiento del codigo de red.

Con respecto a la variacion de frecuencia, la frecuencia instantanea en cualquier momento puede variar un pequeno porcentaje en cualquier sentido con respecto a la frecuencia fundamental, que se define como o bien 50 Hz o bien 60 Hz dependiendo del pafs de instalacion. Habitualmente, en caso de sobreproduccion en una red la frecuencia de red aumenta, y en caso de subproduccion la frecuencia de red disminuye. Para pafses con redes electricas que funcionan a una frecuencia fundamental de 50 Hz, la mayona de los codigos de red requieren un funcionamiento de la frecuencia de red dentro de un intervalo de 47-53 Hz. Para pafses con redes electricas que funcionan a una frecuencia fundamental de 60 Hz, la mayona de los codigos de red requieren un funcionamiento de la frecuencia de red dentro de un intervalo de 57-61,7 Hz. En este caso, si los componentes dentro de WTG no estan bien disenados, pueden danarse al funcionar a un intervalo de frecuencia distinto del deseado. Por otro lado, si se disena el control de corriente para el funcionamiento a una determinada frecuencia, puede no lograr un buen rendimiento cuando funciona a otras frecuencias.

Se han propuesto diversas implementaciones para hacer funcionar sistemas de energfa para que funcionen en presencia de tensiones de secuencia negativa, pero las soluciones actualmente conocidas son relativamente complicadas.

Por ejemplo, el documento US 6052.297 describe un aparato de conversion de potencia para controlar la corriente del convertidor de potencia en un marco d-q de rotacion smcrona (SRF) de secuencia positiva y un marco d-q smcrono de secuencia negativa para compensar las tensiones de secuencia positiva y las tensiones de secuencia negativa, respectivamente. No hay ninguna ensenanza de adaptacion a una frecuencia de red variable. Tal como se

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ensena en esta publicacion, con el fin de lograr un buen rendimiento en una situacion de este tipo mediante control de corriente, deben implementarse cuatro controladores PI para regular las corrientes de secuencia positiva en SRF de secuencia positiva y las corrientes de secuencia negativa en SRF de secuencia negativa por separado. Sin embargo, un esquema de este tipo requerira cuatro controladores PI de corriente separados, ademas de elementos de alimentacion directa y de desacoplamiento. Esto conduce a una complejidad no deseada. Ademas de la complejidad, se requiere emplear filtros de extraccion de componentes de secuencia que perjudican los margenes de estabilidad y anchos de banda de regulador globales.

El documento US 2002/0030365 describe un sistema integrado para el control completo de un sistema de generacion de potencia electrica que usa control de maquina de estado que tiene estados de control particularmente definidos y transiciones de estado de control permitidas. Pueden usarse varios de estos estados de control junto con una tecnica de proteccion frente a interrupcion del servicio que compensa una interrupcion del servicio controlando de manera predictiva el sistema para desconectar el sistema de la lmea y volver a conectar el sistema a la lmea cuando se restablece el servicio. El documento US 2002/0030365 describe ademas una tecnica de sincronizacion de lmea que sincroniza la potencia generada con la potencia en la red cuando vuelve a conectarse a la lmea. La tecnica de sincronizacion de lmea limita la tasa de sincronizacion para permitir tensiones transitorias no deseadas. La tecnica de sincronizacion de lmea funciona o bien en un modo autonomo en el que la frecuencia de lmea se sintetiza o bien en un modo conectado que detecta la frecuencia de red y sincroniza la potencia generada con respecto a esta frecuencia de red detectada. El sistema tambien incluye un control de factor de potencia mediante la tecnica de sincronizacion de lmea o mediante una tecnica de control de factor de potencia alternativa.

R. Teodorescu, et al. “Proportional-resonant controllers and filters for grid-connected voltage-source converters”, IEE Proceedings Electric Power Applications, vol. 153, n.° 5, septiembre de 2006, paginas 750 - 762, describe controladores proporcionales-resonantes (PR) y filtros y su idoneidad para el control de la corriente/tension de convertidores conectados a la red.

El documento WO 03/038970 describe tecnicas para detectar un estado de isla en un sistema que incluye un nodo que esta operativamente acoplado a una fuente de potencia primaria y al menos una fuente de generacion de potencia distribuida. Se incluye un pulso de corriente en la salida de una fuente de potencia distribuida, en el que la tension de red se monitoriza en el nodo para determinar si se produce alternacion relacionada con el pulso. Si la red esta presente, no se manifestara ninguna alteracion relacionada con el pulso. Si la red esta averiada, entonces se manifestara una alteracion relacionada con el pulso. Se usa la deteccion de la alteracion relacionada con el pulso para indicar la deteccion de isla.

Por tanto, un objeto de la presente invencion es proporcionar un metodo y un sistema para controlar un convertidor de potencia en un generador de turbina eolica que es menos complejo que el que se conoce, asf como para satisfacer uno o mas de los requisitos de red recien proporcionados tal como se describio anteriormente.

Sumario de la invencion

Segun un primer aspecto de la invencion, se proporciona un metodo para controlar un convertidor de potencia en un generador de turbina eolica segun la reivindicacion 1.

Proporcionar un metodo de este tipo permite que el generador de turbina eolica funcione segun la red electrica a la que esta conectado, cuya frecuencia fundamental puede fluctuar de acuerdo con cargas variables. Tener una capacidad de este tipo garantiza que el generador de turbina eolica permanece conectado y continua proporcionando potencia a una frecuencia igual a la de la red electrica conectada. Ademas, el metodo descrito anteriormente se implementa facilmente, tal como se describira en las realizaciones a continuacion, y no implica demasiada complejidad ni la introduccion de componentes de hardware adicionales que puedan afectar al rendimiento del sistema.

Segun otra realizacion de la presente invencion, la determinacion de la senal de control de convertidor se lleva a cabo en un marco de coordenadas estacionario. Con una tension de red asimetrica, las magnitudes y fases de la corriente de lmea se ajustan de tal manera que se transfiere potencia instantanea constante al lado de corriente continua (CC). Segun la teona de componentes simetricas, esto dara como resultado corrientes de lmea de corriente alterna desequilibradas (definidas a continuacion en el presente documento como CA para senales sinusoidales) que tienen componentes de secuencia tanto positiva como negativa.

Tradicionalmente, con el fin de lograr un buen rendimiento en una situacion de este tipo mediante control de corriente, deben implementarse cuatro controladores PI para regular corrientes de secuencia positiva en marco de rotacion smcrona (SRF) de secuencia positiva y corrientes de secuencia negativa en SRF de secuencia negativa por separado, por ejemplo, control de corriente doble (vease el documento US 6.052.297 anteriormente mencionado como ejemplo). Tal como se menciono anteriormente, esto conduce a una complejidad no deseada y a la adicion innecesaria de componentes, que no son necesarios cuando se determina la senal en un marco de coordenadas estacionario.

En una realizacion de la invencion, la senal de referencia comprende senales de CA. Se observa que las componentes de secuencia tanto positiva como negativa se convierten en terminos de CA de 50/60 Hz en el marco

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de coordenadas estacionario de referencia. Si las corrientes se controlan en el marco estacionario, el control se convierte en un problema de rastreo de CA en funcionamiento con suministro desequilibrado. Solo se requieren dos controladores de corriente y tampoco se necesita la extraccion de componentes de secuencia. Por tanto, resulta ventajoso desarrollar un controlador de CA de alto rendimiento en el marco estacionario que puede lograr un error en estado estacionario nulo al rastrear las corrientes de entrada segun las formas de onda de frecuencia deseadas.

Segun una realizacion, no se lleva a cabo ninguna transformacion de coordenadas durante la etapa de determinacion de la senal de control de convertidor a partir de la senal de referencia y la frecuencia de red. Por tanto, las senales en el controlador de CA se controlan en el marco estacionario, y se evitan unidades de separacion de secuencia en el bucle de realimentacion de corriente, lo cual mejora el margen de estabilidad del control de corriente.

En una realizacion de la invencion, la unidad de control de corriente CA es un controlador de corriente P + resonante con una frecuencia de resonancia variable. Un controlador de corriente P + resonante tradicional solo puede proporcionar una ganancia infinita / alta para una frecuencia previamente establecida. El funcionamiento de un controlador de corriente P + resonante tradicional con frecuencia de red variable deteriorara el rendimiento del control. Un controlador de corriente P + resonante con una frecuencia de resonancia variable tiene la capacidad de eliminar completamente un error de un parametro alterno siempre que el parametro alterne con una frecuencia proxima a la frecuencia central. Por tanto, se elimina la necesidad de realizar la transformacion en un marco de rotacion.

Segun una realizacion de la invencion, la senal de referencia comprende una senal de error generada basandose en una diferencia entre una referencia de corriente y una corriente Ca real obtenida en el punto de conexion entre el convertidor de potencia y la red electrica. La senal de error se minimiza preferiblemente de tal manera que la corriente de red se suministra segun se requiera. Se usa control de corriente debido a la regulacion de corriente continua y a la facil proteccion frente a sobrecorriente.

Segun otra realizacion, la referencia de corriente se determina basandose en una referencia activa y una referencia reactiva. La referencia activa y referencia reactiva proporcionan un requisito de la potencia activa y reactiva que debe suministrarse a la red electrica.

Segun una realizacion, la referencia activa se genera usando un controlador de realimentacion, por ejemplo un controlador proporcional-integral (PI) con una senal de entrada basada en una diferencia entre una funcion de una tension de CC de referencia y una funcion de una tension de CC real. En una realizacion adicional, el controlador de realimentacion comprende un controlador PI. Usar un controlador PI proporciona un control de realimentacion que permite que el error en estado estacionario sea nulo, es decir la senal de referencia coincide con la tension de CC de referencia requerida.

Segun una realizacion, la referencia activa es una referencia de potencia activa o una referencia de corriente activa.

En una realizacion de la presente invencion, se determinan componentes de secuencia positiva y componentes de secuencia negativa de la tension de lmea de CA. Obtener y usar la frecuencia de red proporciona a la turbina eolica capacidad de adaptacion de frecuencia, es decir funcionamiento dentro de una estrecha fluctuacion de frecuencias. Agrupar los requisitos de funcionamiento de identificar las tensiones de secuencia positiva y negativa y la estimacion de frecuencia permite normalizar el flujo de control.

Segun una realizacion de la invencion, las componentes de secuencia positiva y negativa se usan en la generacion de una senal de referencia, por ejemplo, una referencia de corriente. En una realizacion adicional, la referencia de corriente se genera en un marco de coordenadas estacionario. Esto reduce la necesidad de una compleja transformacion de coordenadas.

En otra realizacion, las componentes de secuencia positiva y de secuencia negativa se determinan usando un integrador y la frecuencia de red se genera usando un bucle enganchado en fase (PLL). En una realizacion, las componentes de secuencia positiva y de secuencia negativa se determinan con un integrador generalizado de segundo orden doble para la generacion de senales de cuadratura.

En una realizacion de la invencion, la senal de control de convertidor se pasa a un modulo de modulacion de ancho de pulso (PWM) antes de proporcionarse al convertidor de potencia.

Segun un segundo aspecto de la invencion, se proporciona un generador de turbina eolica segun la reivindicacion 14.

Breve descripcion de los dibujos

La figura 1 ilustra una topologfa general de un sistema electrico en un generador de turbina eolica a escala completa.

La figura 2 ilustra un esquema de control de convertidor del lado de red segun una realizacion de la invencion.

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La figura 3 ilustra una unidad de sincronizacion de red de la figura 2.

La figura 4A ilustra esquematicamente un controlador P + resonante.

La figura 4B muestra un grafico de Bode de un controlador P + resonante.

La figura 5 ilustra esquematicamente un controlador P + resonante de la figura 2.

Descripcion detallada

La figura 1 ilustra una topologfa general de un sistema electrico en un generador de turbina eolica 10 a escala completa. Debe observarse que la invencion no se limita a un sistema a escala completa, y puede implementarse de manera similar en sistemas de alimentacion doble o cualquier otra clase de sistema electrico para generadores de turbinas eolicas en otras realizaciones.

La turbina eolica 10 comprende un arbol de accionamiento 12 conectado a una o mas palas ajustables 14. Puede usarse cualquier numero de palas 14, pero normalmente se usan tres palas 14. La turbina eolica 10 puede hacerse rotar en un eje sustancialmente horizontal para permitir que las palas 14 se orienten contra o en sentido contrario al viento. El paso de las pala 14 tambien puede ajustarse para aumentar o reducir la cantidad de energfa eolica captada por la pala 14. La regulacion del paso ajusta el angulo al cual impacta el viento contra las palas 14. El arbol de accionamiento 12 esta conectado a un rotor de un generador 18 por medio de una caja de engranajes 16. El generador 18 puede ser un generador smcrono de alimentacion individual o doble, un generador de imanes permanentes, un generador de induccion o cualquier otro tipo de generador que comprende un bobinado de estator. La caja de engranajes box 16, si esta presente, incrementa la baja velocidad de rotacion del arbol de accionamiento 12 hasta una velocidad mayor mas adecuada para el generador 16. La velocidad de rotacion del arbol de accionamiento 12 esta normalmente en el intervalo de 10-20 revoluciones por minuto. Normalmente la velocidad de rotacion del rotor del generador 18 es significativamente superior. La velocidad de rotacion optima del rotor del generador 18 depende de las caractensticas internas y tipo del generador 18 y puede variar segun el numero de polos del generador 18. Tambien es posible omitir la caja de engranajes 16 usando un generador de multiples polos 18 apropiado adecuado para una velocidad de rotacion lenta. En este caso, el arbol de accionamiento esta directamente acoplado al generador 18.

Para permitir una velocidad variable del arbol de accionamiento 12, se dispone un convertidor de CA-CA 22 entre los terminales de salida 20 del generador 18 y los terminales de entrada de red A. El convertidor 22 comprende un convertidor conectado a estator 24 que funciona como rectificador con modulacion de ancho de pulso (PWM) activo que comprende seis conmutadores electronicos S1, S2, S3, S1', S2', S3'. El convertidor conectado a estator 24 rectifica la potencia de CA del generador a potencia de CC, que a su vez alimenta a un enlace de CC 26. El enlace de CC 26 incluye un condensador 38. El condensador 38 se usa para suavizar la potencia de CC en el enlace de CC 26. El enlace de CC 26 alimenta potencia de CC al convertidor conectado a red o del lado de red 28 que funciona como inversor. El convertidor del lado de red 28 tambien comprende seis conmutadores electronicos S1”, S2”, S3”, S1”', S2”', S3'”. Debe observarse que puede estar presente cualquier numero de conmutadores dentro de los convertidores 24, 28, tal como se conoce bien en la tecnica.

Una unidad de control 29 controla los conmutadores electronicos individuales en los convertidores 24, 28. Tal como se ilustra en la figura 1, la unidad de control 29 obtiene medidas como entradas a partir de los terminales de salida de generador 20 asf como los terminales de entrada de red A, y controla el convertidor conectado a estator 24 y el convertidor del lado de red 28 usando modulacion de ancho de pulso. La unidad de control 29 puede ser un controlador de potencia con capacidad de procesamiento, tal como ordenadores, microprocesadores, microcontroladores, placas de procesamiento de senales digitales (DSP), circuitos integrados de aplicacion espedfica (ASIC) o muchos otros.

Los conmutadores electronicos S1, S2, S3, S1', S2', S3', S1”, S2”, S3”, S1”', S2”', S3'” pueden comprender conmutadores de semiconductor de potencia tales como, por ejemplo, transistores con efecto de campo de semiconductor de oxido de metal (MOSFET), tiristores de apagado por compuerta (GTO), transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT), transistores de union bipolar (BJT), o tiristores. Por tanto, el convertidor del lado de red 28 puede usarse para proporcionar potencia a la red electrica 36. La unidad de control 29 puede conectarse a una unidad de medicion 30 que mide la corriente y tension a partir de los terminales de entrada de red A. Una bobina de choque de red 32 o alternativamente impedancia de convertidor puede disponerse entre el convertidor del lado de red 28 y los terminales de entrada de red A. La bobina de choque de red 32 puede comprender una inductancia de convertidor L y una resistencia de convertidor R. Los terminales de entrada de red A pueden estar conectados a la red o bien directamente o bien a traves de un transformador 34. La frecuencia nominal de la red es o bien a 50Hz o bien a 60Hz dependiendo del pafs de instalacion de la turbina eolica.

Tal como se menciono anteriormente, un problema en el control de la generacion de potencia electrica de un generador de turbina eolica es la capacidad para adaptarse a la red electrica a la que esta conectado, es decir, debe haber sincronizacion entre las senales de potencia del generador de turbina eolica y la red electrica, con el fin de permanecer conectado de manera activa en condiciones de funcionamiento genericas.

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La figura 2 ilustra una unidad de control que implementa un esquema de control de convertidor del lado de red segun una realizacion de la invencion. Debe observarse que la unidad de control 29 tambien incluye funciones de control para controlar otros componentes en el generador de turbina eolica, ademas del convertidor del lado de red. El esquema de control implementado en la unidad de control 29 recibe como entradas la tension en los terminales de entrada de red A, que son tensiones de lmea, Uabc, y en el enlace de CC, Vcc, y proporciona senales de control al convertidor del lado de red 28 tras la modulacion PWM.

El esquema de control de convertidor del lado de red tiene dos bucles de control. Un primer bucle de control, implementado por el controlador de tension de CC 42, es para regular la tension de CC a su valor previamente establecido. La salida del controlador de tension de enlace de CC es la referencia de potencia activa o amplitud de la referencia de corriente activa. Un segundo bucle de control, implementado por el controlador de corriente CA 46, controla la corriente en un marco estacionario. La referencia de potencia activa/amplitud de la referencia de corriente activa se regula mediante el segundo bucle de control de tal manera que puede lograrse el equilibrio de potencia entre el convertidor del lado de la maquina y el convertidor del lado de red, lo cual da a su vez como resultado regulacion de tension de enlace de CC.

En esta realizacion de la invencion, una unidad de sincronizacion de red 40 proporciona las componentes de tension

UK UP un

de secuencia positiva y negativa ° ’ P’ a’ P’ basandose en la tension de linea Uabc, y un controlador de tension de CC 42 proporciona la referencia de potencia activa P* basandose en la tension de enlace de CC Vcc. Una unidad de generacion de referencia de corriente 44 recibe las componentes de tension de secuencia positiva y negativa y la referencia de potencia activa como entradas y genera una referencia de corriente en un marco

r r

estacionario a-p, a’ P' Un controlador de corriente CA 46 recibe a continuacion la referencia de corriente para proporcionar una tension de control Va, Vp, que despues se alimenta a un modulador PWM 48 para controlar el convertidor de CC/CA del lado de red 28 en consecuencia.

La figura 3 ilustra la unidad de sincronizacion de red 40 segun una realizacion de la presente invencion. La unidad de sincronizacion de red 40 incluye un detector de componente de secuencia de tension 52, que comprende principalmente una unidad de integrador generalizado de segundo orden doble para la generacion de senales de

up up

cuadratura (DSOGI-QSG) 56 en la que se generan componentes de secuencia positiva y negativa ° ’ P‘ u- u"

“ ’ P’ en un marco de coordenadas estacionario a-p, y un estimador de frecuencia de red 54 que comprende una configuracion de bucle enganchado en fase (PLL) que funciona en un marco de rotacion smcrona (SRF).

La unidad de sincronizacion de red 40 tambien comprende un modulo de transformacion a-p 58 para transformar la tension de lmea trifasica Uabc del marco natural al marco estacionario a-p. La tension de lmea trifasica Uabc se obtiene mediante la unidad de medicion 30 que mide la corriente y tension en terminales de entrada de red A de la turbina eolica 10. Lo anterior puede aplicarse de manera similar a la medicion de corrientes de lmea mediante la unidad de medicion 30.

La matriz de transformacion del modulo de transformacion a-p 58 puede expresarse usando la expresion:

imagen1

en la que ua y up son las componentes de tension del marco estacionario a-p y ua, ub y u son las componentes de tension trifasica en el marco natural.

Despues se pasa la referencia de tension de lmea a-p, Ua y Up, al detector de componente de secuencia de tension 52. Despues la unidad DSOGI-QSG 56 filtra y obtiene una version con un desplazamiento de 90° con respecto a las tensiones en el marco a-p. Despues se introducen estas senales de la unidad DSOGI-QSG 56 en un calculador de secuencia positiva 60 y la tension de secuencia positiva instantanea en el marco estacionario a-p puede expresarse usando la siguiente ecuacion:

imagen2

donde q es un operador de desplazamiento de fase en el dominio temporal que obtiene la forma de onda de fase de cuadratura (retardo de 90°) de la forma de onda en fase original.

Las salidas desplazadas procedentes de la unidad DSOGI-QSG 56 tambien se proporcionan a un calculador de

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secuencia negativa 62 que proporciona la componente de tension de secuencia negativa en el marco a-p expresada usando la siguiente ecuacion:

imagen3

Con el fin de garantizar que el detector de componente de secuencia de tension 52 da lugar a resultados precisos con variaciones de frecuencia de red, se implementa un sistema de bucle cerrado que permite una adaptacion apropiada de la frecuencia de resonancia del detector a las condiciones de red reales. Esto tambien satisface el funcionamiento de la turbina eolica 10 con variaciones de frecuencia. Por tanto, se proporciona un estimador de frecuencia de red 54, que puede comprender un PLL de SRF para la deteccion de frecuencia de red y posterior adaptacion de frecuencia de resonancia DSOGI-QSG. Antes de proporcionar la tension de secuencia positiva a partir del calculador de secuencia positiva 60 al estimador de frecuencia de red 54, en primer lugar se traslada la tension de secuencia positiva del marco estacionario a-p al marco de referencia con rotacion d-q mediante un modulo de transformacion d-q 64, que se proporciona mediante la siguiente expresion:

cos#'’ sin#'' -sin 0P cos 0P

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Dentro del estimador de frecuencia de red 54, el bucle de realimentacion (que proporciona 0P’ al modulo de transformacion d-q 64) regula la componente q a cero, controla la posicion angular del marco de referencia d-q, y obtiene la frecuencia de red Wred.

La frecuencia de red Wred se proporciona como salida de la unidad de sincronizacion de red 40. La frecuencia de red Wred tambien se usa por un bucle de realimentacion externo para adaptar dinamicamente la frecuencia de resonancia de la unidad de DSOGI-QSG 56. Por tanto, la unidad de sincronizacion de red 40 descrita en la figura 3 proporciona una solucion sencilla y eficaz para obtener las tensiones de secuencia positiva y negativa y la frecuencia de red Wred.

Volviendo a la figura 2, se proporciona el controlador de tension de CC 42 para regular la tension de enlace de CC Vcc con el fin de actuar como referencia. Esto puede lograrse controlando o bien Vcc o bien V^c. Por tanto, puede

usarse f(Vcc) para representar Vcc o V^c (o cualquier otra funcion de Vcc). Dado que el valor de la tension de enlace

de CC se muestra como referencia en corriente continua, puede usarse un controlador PI convencional para regular

la tension de enlace de CC f(Vcc) basandose en una tension de enlace de CC deseada

imagen4

donde f (Vc*c)

corresponde a la misma funcion que actua sobre Vcc. La salida del bucle de control de CC es la referencia de potencia activa P*. Los controladores PI se conocen bien en la tecnica y no se desarrollaran en esta divulgacion. El diseno de los parametros de PI se basa en el requisito del bucle de control de CC/bucle de potencia. La referencia de la tension de enlace de CC tiene habitualmente un valor previamente establecido y puede proceder del controlador de paso (no mostrado) de la turbina eolica, mediante un canal de comunicaciones adecuado.

En esta realizacion, tambien se proporciona una referencia de potencia reactiva Q*. Puede haber muchas maneras de definir una referencia de potencia reactiva, tambien conocida de otro modo como punto de ajuste de potencia reactiva. Es posible decidir si la turbina debe funcionar a una referencia de potencia reactiva fijada o si debe establecerse dinamicamente segun una referencia de factor de potencia. La turbina eolica tambien puede configurarse para cuando la potencia reactiva tiene una prioridad con respecto a la potencia activa. La referencia de potencia reactiva tambien puede ser una salida del control de potencia reactiva de la central electrica. El control de potencia reactiva descrito anteriormente se usa normalmente para mantener un factor de potencia constante a lo largo del funcionamiento de un grupo de turbinas. En este caso, el control de potencia reactiva y el grupo de turbinas se gestionaran por un sistema de gestion de carga central, que actualiza la referencia de potencia reactiva a las turbinas.

Alternativamente, en lugar de proporcionar la referencia de potencia activa, tambien puede proporcionarse la referencia de corriente activa. Por tanto, en este caso se proporcionara una referencia de corriente reactiva en lugar de la referencia de potencia reactiva. Por conveniencia, las entradas proporcionadas a la unidad de generacion de referencia de corriente 44 son la referencia activa P*, que comprende la referencia de potencia activa o la referencia de corriente activa, y la referencia reactiva Q*, que comprende la referencia de potencia reactiva o la referencia de corriente reactiva.

Tal como se indico anteriormente, se desea que la turbina eolica 10 funcione en determinadas condiciones de red. Esto requiere entender las condiciones de red y las caractensticas de turbina eolica de corriente en un determinado momento. Esto se proporciona, segun la realizacion, al menos mediante el uso de la unidad de sincronizacion de red

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40 y el controlador de tension de CC 42. Las componentes de tension positiva y negativa resultantes de la unidad de

up up u" u"

sincronizacion de red 40, “ ’ P* a ’ P’ y la referenda activa P* resultante del controlador de tension de CC

42, se proporcionan posteriormente como entradas, junto con la referencia reactiva Q*, a la unidad de generacion de referencia de corriente 44. Esto es para proporcionar una senal de referencia para el funcionamiento del convertidor del lado de red 28, es decir para hacer funcionar la turbina eolica 10 en las condiciones de red.

En una realizacion, la referencia de corriente se lleva a cabo en el marco estacionario a-p. Por tanto, puede evitarse una compleja transformacion de coordenadas (por ejemplo transformacion al marco de rotacion d-q).

La referencia de corriente puede expresarse de la siguiente manera:

imagen5

donde la referencia de corriente activa es

imagen6

y la referencia de potencia reactiva es

k\ =

y donde

2 P ,2-0

---------------------------------------------------------------=_________________— _______________

H(up)2-(un)2]' 2 3 [(up)2-(un)2]

v* = fa?+(<*$? , u"=^(u"a?+(u"f?

La referencia de corriente se facilita de tal manera que la potencia extrafda de la turbina eolica 10 es constante para una velocidad de viento fijada y la corriente extrafda de la turbina eolica es sinusoidal pero desequilibrada.

Con la referencia de corriente anterior, la potencia activa instantanea es

imagen7

y

Por tanto, se transfiere una potencia activa constante al lado de red. La potencia reactiva instantanea es

imagen8

Para cada una de las referencias de corriente, Ia* y Ip*, despues se proporciona una senal de error restando la corriente real Ia y Ip de las mismas, usando unidades de suma 66. Las corrientes reales, Ia y Ip, pueden obtenerse a partir de lecturas de las corrientes de lmea trifasicas realizadas por la unidad de medicion 30, y despues sometidas a

5

10

15

20

25

30

35

40

45

una transformacion al marco estacionario a-p, similar a lo realizado para las corrientes de lmea tal como se describio anteriormente.

Despues se alimenta cada una de las senales de error al controlador de corriente CA 46, que proporciona en consecuencia senales de control de convertidor Va y Vp a un controlador de PWM 48 para generar senales de compuerta para el control del convertidor del lado de red 28. El controlador de corriente CA 46 tambien recibe como entradas las senales de tension real ua y up, asf como la frecuencia de red estimada wred. El controlador de PWM 48 funciona de una manera bien conocida por el experto en la tecnica y no se describira con gran detalle. El controlador de PWM 48 controla los conmutadores del convertidor del lado de red 28. El convertidor del lado de red 28 comprende un par de conmutadores para cada fase, que se controlan de una manera complementaria, por ejemplo segun un esquema de modulacion de ancho de pulso de vector espacial (SVPWM), que se conoce bien en la tecnica.

Volviendo al controlador de corriente CA 46, con tensiones de red asimetricas, las magnitudes y la fase de corriente de red tendran que ajustarse de tal manera que se transfiera la potencia instantanea requerida. Segun la teona de componentes simetricas, esto dara como resultado corrientes de lmea CA desequilibradas que tienen componentes de secuencia tanto positiva como negativa. Un simple control de PI no puede proporcionar un buen rendimiento para regulacion de corriente desequilibrada. Merece la pena indicar que las componentes de secuencia tanto positiva como negativa se convierten en terminos de CA a una frecuencia fijada en el marco de referencia a-p estacionario.

Segun una realizacion de la presente invencion, se proporciona un control de corriente proporcional (P) + resonante (P+RCC) con un esquema de control de frecuencia de resonancia ajustable como controlador de corriente CA 46. Generalmente, un controlador P + resonante tiene una parte proporcional y una parte resonante. La parte resonante contribuye a la salida unicamente para frecuencias en la proximidad de una frecuencia central, que en una realizacion se establece para que corresponda con la frecuencia de la red electrica.

El controlador P + resonante tiene la capacidad de eliminar completamente un error en un parametro alterno siempre que el parametro alterne con una frecuencia proxima a la frecuencia central. Por tanto, se elimina la necesidad de realizar la transformacion en un marco de rotacion. En vez de eso, el control puede aplicarse directamente en una corriente trifasica o una transformacion bifasica (por ejemplo, estacionaria a-p).

Generalmente, un controlador P + resonante, que se usa como ejemplo en este caso, puede presentarse tal como se ilustra esquematicamente en la figura 4A. En la figura 4B se ilustra un grafico de Bode para el controlador. El controlador tiene una parte proporcional 68 y una parte resonante 70. La parte resonante 70 contribuye a la salida unicamente para frecuencias en la proximidad de una frecuencia central o frecuencia de resonancia, wre, que en la presente divulgacion corresponde a la frecuencia de la corriente de red. Puede observarse que la disposicion esquematica del controlador P + resonante en la figura 4A es una implementacion teorica, ya que una implementacion practica requiere alguna forma de amortiguacion. La funcion de transferencia de un controlador P + resonante ideal puede definirse como:

Hca(s) — Kp +

KjS

s2+<nil

(8)

donde Kp y Ki son ganancias de controlador y es la frecuencia de resonancia.

La funcion de transferencia de un controlador P + resonante, habiendo tenido en cuenta la amortiguacion, puede definirse por tanto de la siguiente manera:

Hac(s) — +

2Ki^cs

s2+2ucs+uj:(

(9)

donde u>c es el factor de amortiguacion.

Este controlador tiene la capacidad de eliminar completamente un error tambien en un parametro alterno siempre que el parametro alterne con una frecuencia proxima a wre. Por tanto, puede eliminarse la necesidad de realizar la transformacion en un marco de rotacion. En vez de eso, puede aplicarse control directamente en una corriente trifasica o una transformacion bifasica de la misma. Al mismo tiempo, el parametro de frecuencia de resonancia se alimenta al controlador. Kp y Ki pueden ser constantes o pueden variar segun la frecuencia de resonancia para lograr propiedades dinamicas diferentes.

Mediante transformacion bilineal, la version discreta del controlador en la ec. (9) se muestra en la ec. (10).

Hac(z') — Hac(s')\j_ 2z-!

Ts z+1

r2z2+r1z+r0 _ r2+rxz 1+r0z 2

z2+c1z+c0 l+c1z~1+c0z~2

donde los coeficientes de controlador discreto se facilitan en la ec. (11):

5

10

15

20

25

2<d -2

ci =-

v T y

2

T

v As y

+ 2o,

v T y

+ o

red

c0 =

f 2 " l Ts y: 2 -20c r 2 ] V Ts j + 0led

f 2 ] l Ts J: 2 + 2oc f 2 " 1 Ts J 9 + 0red

2o.

r2 —

T

v y

v T y

K

+ 2o

v T y

+ o

red

■2o.

r0 =

v T y

K

v T y

+ 2o

v T y

(ii)

+ o

2

red

2

ri = 0

Haciendo referencia a la figura 5, el controlador de corriente CA 46 se representa esquematicamente en una realizacion con controladores P + resonantes. El controlador de corriente CA 46 comprende 2 controladores P+RCC 72 para determinar las componentes a y p de la tension de control. Cada controlador P+RCC recibe una senal de error 74 que se obtiene restando las corrientes reales Ia y Ip de las referencias de corriente la* y Ip* usando unidades de suma 66. Puede observarse que cada controlador P+rCc 72 tiene sus propias partes proporcionales 68 y partes resonantes 70 y funciona con la funcion de transferencia tal como se definio anteriormente en la ecuacion (9). La frecuencia de red wred se proporciona al controlador de corriente CA 46 a partir de la unidad de sincronizacion de red 40, y se usa como frecuencia central para el funcionamiento (wre). Las tensiones de lmea ua y up tambien se proporcionan al controlador de corriente CA 46 como entradas de alimentacion directa y se anaden a las senales resultantes usando unidades de suma 66 para proporcionar las tensiones de control Va y Vp que posteriormente se alimentan a un modulador PWM 48 para controlar el convertidor del lado de red 28 en consecuencia.

En realizaciones alternativas de la presente invencion, puede haber otras implementaciones del controlador de corriente CA 46. Por ejemplo, puede usarse un esquema de control de corriente repetitivo digital que se ha adaptado para ajustar segun la variacion de frecuencia. Otra implementacion puede ser un control de estructura variable integral que tiene una superficie de conmutacion aumentada integral (de tipo PI). Alternativamente, puede usarse un controlador de corriente hnbrido basado en control de aprendizaje iterativo como controlador de corriente CA 46.

Debe observarse que ademas de las realizaciones a modo de ejemplo de la invencion mostradas en los dibujos adjuntos, la invencion puede realizarse de diferentes formas y no debe interpretarse como limitada a las realizaciones expuestas en el presente documento. En vez de eso, estas realizaciones se proporcionan de modo que esta divulgacion sea exhaustiva y completa, y transmita completamente el concepto de la invencion a los expertos en la tecnica. El alcance de la invencion viene indicado por tanto por las reivindicaciones adjuntas y por tanto se pretende que todos los cambios que entren dentro del significado y alcance de equivalencia de las reivindicaciones queden abarcados.

Ademas, las realizaciones descritas en el contexto del metodo descrito son validas de manera analoga para el aparato.

Claims

5

10
2.

15 3.
4.

20 5.
6.

25
7.
8.

30 9.
10.

35 11.
12.

40 13.
14.

45

REIVINDICACIONES

Metodo para controlar un convertidor de potencia (28) en un generador de turbina eolica (10), estando el convertidor de potencia (28) conectado a una red electrica (36), comprendiendo el metodo:

obtener una tension de lmea de corriente alterna (CA) (Uabc) en un punto de conexion entre el convertidor de potencia (28) y la red electrica (36),

obtener una frecuencia (wred) de la red electrica (36) basandose en la tension de lmea de CA (Uabc),

adaptar dinamicamente la tension de lmea de CA (Uabc) a la frecuencia (wred) de la red electrica (36),

generar una senal de referencia basandose al menos en la tension de lmea de CA adaptada a la frecuencia, y

determinar una senal de control de convertidor (Va, Vp) para controlar el convertidor de potencia (28) basandose en la senal de referencia y la frecuencia de red (wred) con el fin de generar una potencia a la frecuencia (wred) de la red electrica (36).

Metodo segun la reivindicacion 1, en el que la determinacion de la senal de control de convertidor (Va, Vp) se lleva a cabo en un marco de coordenadas estacionario.

Metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que no se lleva a cabo ninguna transformacion de coordenadas durante la etapa de determinar la senal de control de convertidor (Va, Vp) a partir de la senal de referencia y la frecuencia de red (wred).

Metodo segun la reivindicacion 3, en el que la senal de control de convertidor (Va, Vp) se proporciona mediante un controlador de corriente P + resonante (72) con frecuencia de resonancia variable.

Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la senal de referencia comprende una senal de error (74) generada basandose en una diferencia entre una referencia de corriente (Ia*, Ip*) y una corriente CA real (Ia, Ip) obtenida en el punto de conexion entre el convertidor de potencia (28) y la red electrica (36).

Metodo segun la reivindicacion 5, en el que la referencia de corriente (Ia*, Ip*) se determina basandose en una referencia activa (P*) y una referencia reactiva (Q*).

Metodo segun la reivindicacion 6, en el que la referencia activa (P*) se genera usando un controlador de realimentacion con una senal de entrada basada en una diferencia entre una funcion de una tension de CC de referencia (f (y*)) y una funcion de una tension de CC real (f(V'cc)).

Metodo segun la reivindicacion 7, en el que el controlador de realimentacion es un controlador PI.

Metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende ademas determinar

componentes de secuencia positiva y componentes de secuencia negativa de la

tension de lmea de CA (Uabc).

Metodo segun la reivindicacion 9, en el que las componentes de secuencia positiva y negativa

se usan en la generacion de la senal de referencia.

Metodo segun la reivindicacion 10, en el que la referencia de corriente (Ia*, Ip*) se genera en un marco de coordenadas estacionario.

imagen1

Metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones 9-11, en el que las componentes de secuencia

positiva y de secuencia negativa ,vaiujs) se determinan usando un integrador y la frecuencia de

red (Wred) se genera usando un bucle enganchado en fase (PLL).

Metodo segun la reivindicacion 12, en el que las componentes de secuencia positiva y negativa

se determinan con un integrador generalizado de segundo orden doble para la generacion de senales de cuadratura.

imagen2

Generador de turbina eolica (10), que comprende:

un generador electrico (18),

un convertidor de potencia (28), estando el convertidor de potencia (28) conectado entre el generador

5

10

electrico (18) y una red electrica (36), y

una unidad de control (29) para controlar el convertidor de potencia (28), comprendiendo la unidad de control (29):

una unidad de medicion (30) para obtener una tension de lmea de corriente alterna (CA) (Uabc) en un punto de conexion entre el convertidor de potencia (28) y la red electrica (36),

una unidad de sincronizacion de red (40) para obtener una frecuencia (wred) de la red electrica (36) basandose en la tension de lmea de CA (Uabc) y adaptar dinamicamente la tension de lmea de CA (Uabc) a la frecuencia (wred) de la red electrica,

una unidad de generacion de referencia de corriente (44) para generar una senal de referencia basandose al menos en la tension de lmea de CA (Uabc), y

una unidad de control de corriente CA (46) para determinar una senal de control de convertidor (Va, Vp) basandose en la senal de referencia y la frecuencia (wred) para controlar el convertidor de potencia (28).