ES2640217T3 - Rectificador de modo dual, sistema y procedimiento - Google Patents

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    • H02P2101/15—Special adaptation of control arrangements for generators for wind-driven turbines

Abstract

Un sistema (10) para la generación de una potencia de salida a una carga, comprendiendo el sistema: una turbina (12) eólica; un generador (14) acoplado a la turbina (12) eólica y configurado para la generación de una potencia de salida de frecuencia variable; y caracterizado porque comprende un rectificador (16) de modo dual acoplado al generador (14) y configurado para conmutarse entre un modo pasivo y un modo activo, comprendiendo el rectificador (16) de modo dual: un rectificador (40) pasivo acoplado a bornes de salida del generador (14) y configurado para operación en el modo pasivo; en el que el rectificador (40) pasivo se configura para proporcionar potencia a la carga cuando el generador (14) está operando a, o por encima de, una segunda velocidad; y un convertidor (42) activo acoplado a tomas de devanados del generador (14) y configurado para operación en el modo activo, en el que el convertidor (42) activo se configura para proporcionar potencia activa a la carga cuando el generador (14) está operando a, o por debajo de, una primera velocidad; en el que el rectificador (16) de modo dual se configura para el suministro de potencia a una carga.

Description

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DESCRIPCION
Rectificador de modo dual, sistema y procedimiento
La invencion se refiere generalmente a sistemas de potencia y mas espedficamente a un procedimiento y sistema para un rectificador de modo dual.
Muchos dispositivos, tales como sistemas de suministro de potencia, operan en potencia extrafda de generadores. El generador, a su vez, extrae potencia desde sistemas tales como turbinas eolicas, motores accionados por gas o diesel, turbinas o cualquier otro sistema de accionamiento adecuado. La salida del generador habitualmente es una potencia de salida de frecuencia variable.
Tfpicamente, se usan rectificadores para convertir la potencia de salida de frecuencia variable a una potencia de salida de frecuencia fija. Convertidores se usan a continuacion para convertir la potencia de salida de frecuencia fija a una potencia de salida de frecuencia deseada, que se proporciona a continuacion a diversas cargas tales como red. En otras aplicaciones, tales como motores, se disenan convertidores de potencia para extraer potencia de una red y proporcionar la potencia al motor.
La rectificacion puede ser de dos tipos a saber rectificacion pasiva o rectificacion activa. Rectificacion pasiva se realiza usando puentes de diodos. Rectificadores pasivos entregan potencia desde una fuente activa con alta eficiencia, pero no proporcionan control sobre la potencia extrafda de la fuente. Ademas, la rectificacion pasiva introduce armonicos en la corriente de lado ac, que provoca armonicos de par indeseables cuando la fuente activa es un generador o distorsiones inaceptables cuando la fuente activa es la red electrica.
Ekanayake J.B. et al, IEE Proceedings: Generation, Transmission and Distribution, vol. 142, N.° 2, marzo 1995 describe un sistema de potencia electrico en el que principios operativos y construccion se disponen de tal forma que el uso de tecnicas de modulacion de eliminacion selectiva de armonicos (SHEM) se usan para minimizar armonicos.
Rectificadores activos, por otra parte, pueden controlarse ya que se implementan usando conmutadores. Un problema con rectificadores activos es el coste asociado. Ademas, rectificadores activos operan a una menor eficiencia debido a perdidas causadas por la accion de conmutacion de los dispositivos de semiconductores.
En muchas aplicaciones, se requieren generadores de baja velocidad y par alto. Tales generadores son mas grandes en tamano que generadores que funcionan a velocidades mayores. El tamano del generador tambien aumenta si se opera en factor de potencia menor. El tamano mayor del generador a su vez aumenta el coste sustancialmente. Ya que la tecnica anterior se conoce adicionalmente del documento US5642021 un procedimiento y sistema para la maximizacion de salida de un alternador en un vetnculo de automocion.
Por lo tanto, lo que se desea es un sistema rectificador que opera en un factor de potencia alto y alta eficiencia mientras que minimiza el coste y el tamano del sistema rectificador.
En un primer aspecto de la presente invencion se proporciona sistema para la generacion de una potencia de salida a una carga, el sistema que comprende: una turbina eolica, un generador acoplado a la turbina eolica y configurado para la generacion de una potencia de salida de frecuencia variable; y un rectificador de modo dual acoplado al generador y configurado para conmutarse entre un modo pasivo y un modo activo. El rectificador de modo dual comprende un rectificador pasivo acoplado a bornes de salida del generador y configurado para operacion en el modo pasivo y un convertidor activo acoplado a tomas de devanados del generador y configurado para operacion en el modo activo. El convertidor activo se configura para proporcionar potencia activa cuando el generador esta operando a o por debajo de una primera velocidad y el rectificador pasivo se configura para proporcionar potencia cuando el generador esta operando a o por encima de una segunda velocidad. El rectificador de modo dual se configura para el suministro de potencia a una carga.
En un aspecto adicional, se proporciona un procedimiento para la generacion de una potencia de salida a una carga. El procedimiento comprende generar, mediante un generador acoplado a una turbina eolica, una potencia de salida de frecuencia variable y rectificar, mediante un rectificador de modo dual acoplado al generador, la potencia de salida de frecuencia variable a dc, que puede invertirse, a potencia de salida. La etapa de rectificacion comprende operar en un modo activo cuando la potencia de salida esta por debajo de un primer valor umbral y operar en un modo pasivo cuando la potencia de salida esta por encima de un segundo valor umbral.
La invencion se describira ahora en mayor detalle, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos, en las que:-
la Figura 1 es un diagrama de bloques de una realizacion de un sistema de potencia implementado segun un aspecto de la invencion;
la Figura 2 es un diagrama de bloques que ilustra una manera en la que un rectificador de potencia dual se acopla a un generador segun un aspecto de la invencion;
la Figura 3 es un diagrama de circuito que ilustra los diversos componentes de una realizacion de un rectificador de modo dual; y
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la Figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra un procedimiento por el que puede entregarse potencia a una carga.
En una realizacion de la invencion se proporciona un sistema 10 de potencia para el suministro de una carga de potencia como se muestra en la Figura 1. El sistema de potencia comprende una turbina 12 eolica, generador 14, rectificador 16 de modo dual, circuitena 18 de control, sistema 20 de convertidor y transformador 21. Cada componente del sistema de potencia se describe en detalle adicional a continuacion.
Una turbina 12 eolica se configura para la conversion de energfa eolica en energfa mecanica. Energfa eolica se captura mediante la rotacion de las palas de la turbina eolica. Las puntas de las palas viajan a una velocidad que oscila habitualmente desde aproximadamente 50 metros por segundo (m/s) hasta aproximadamente 70 m/s. La potencia mecanica generada por las palas se transfiere a un sistema de transmision (no mostrado), que habitualmente tiene una entrada de 20-50 rotaciones por minuto (rpm) desde un eje de baja velocidad unido a la pala y una salida de 1000-1800 rpm (puede ser mayor para una red de 60 Hz) para un eje de alta velocidad que se acopla al generador 14. En otra realizacion, la potencia mecanica generada por la pala se transfiere directamente al generador.
Continuando con la Figura 1, el generador 14 comprende un rotor y un estator (no mostrado), respectivamente, y se configura para la generacion de una potencia de salida de frecuencia variable. El rotor habitualmente comprende elementos magneticos / electromagneticos y se configura para proporcionar un campo electromagnetico. El rotor se acopla a un eje que esta en movimiento debido al movimiento rotacional de la turbina eolica. Debido al movimiento del rotor, el campo electromagnetico se corta y se produce una correspondiente corriente alterna en el estator. La corriente alterna se proporciona al rectificador 16 de modo dual. En una realizacion espedfica, el generador es un generador smcrono.
El rectificador 16 de modo dual se configura para conmutarse entre un modo pasivo y un modo activo. El rectificador de modo dual comprende un rectificador pasivo acoplado a bornes de salida del generador y configurado para operacion en el modo pasivo y un convertidor activo acoplado a tomas de devanados del generador y configurado para operacion en el modo activo. La operacion del rectificador de modo dual se describe en mas detalle con referencia a la Figura 2. El rectificador de modo dual se configura para el suministro de potencia desde el generador hasta el sistema 20 de convertidor.
Continuando con la Figura 1, la circuitena 18 de control detecta una velocidad de operacion del generador 14 y se configura para la conmutacion del rectificador de modo dual a un modo activo o modo pasivo a base de la velocidad detectada de operacion. La circuitena de control se configura para provocar que el convertidor activo proporcione potencia activa al sistema 20 de convertidor cuando el generador esta operando a o por debajo de una primera velocidad. Tambien, la circuitena de control se configura adicionalmente para provocar que el rectificador pasivo proporcione potencia cuando el generador esta operando a o por encima de una segunda velocidad.
El sistema 20 de convertidor se configura para la conversion de la potencia de salida de frecuencia variable recibida desde el generador 14 a una potencia de salida de frecuencia constante. Tfpicamente, la frecuencia constante oscila entre 49-60 Hercios. La potencia de salida de frecuencia constante se proporciona al transformador 22. El transformador 22 aumenta la potencia de salida de frecuencia constante hasta un nivel deseable. Se proporciona la potencia aumentada a la carga. Ejemplos de carga incluyen red, motor, cargas resistivas, etc.
Como se ha descrito anteriormente, el rectificador 16 de modo dual se configura para proporcionar potencia al generador 20. La Figura 2 ilustra un diagrama de bloques de una realizacion del generador 14 y rectificador 16 de modo dual. Cada componente se describe en detalle adicional a continuacion.
El generador 14 comprende tres devanados de fase 22, 24 y 26 respectivamente. Los bornes de salida del generador son 28, 30 y 32 respectivamente. El generador 14 adicionalmente tiene tomas de devanados a saber 34, 36 y 38 respectivamente. Los bornes de salida del generador, es decir, 28, 30 y 32 se acoplan al rectificador 40 pasivo. Las tomas 34, 36 y 38 de los devanados se acoplan a convertidor 42 activo. El condensador 44 de conexion DC se usa para el acoplamiento del rectificador pasivo y el convertidor activo. La tension a traves del condensador se mantiene en un valor constante. El valor constante vana a base de diversos parametros tales como una fase del generador, la tension en bornes del generador, etc. En una realizacion, el valor constante oscila desde 1 kV hasta 6 KV. La relacion de transformacion de las tomas a los devanados se determina a base de la tension de conexion dc, el mdice de modulacion maximo del convertidor activo y las caractensticas de velocidad de potencia de la fuerza motriz de generador.
El rectificador de modo dual comprende el rectificador 40 pasivo y convertidor 42 activo.
El rectificador pasivo se configura para operacion en el modo pasivo y el convertidor activo acoplado a tomas de devanados del generador y configurado para operacion en el modo activo. En la realizacion ilustrada, el rectificador pasivo se implementa usando un puente de diodos como se muestra en la Figura 3. Puente de diodos comprende una pluralidad de diodos 46 como se muestra en la Figura 3.
El convertidor activo se implementa usando conmutadores 48 como se ilustra en la Figura 3. En la realizacion ilustrada, conmutadores 48 se implementan usando transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). La manera en la
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que el rectificador de modo dual opera se describe en detalle adicional a continuacion.
Cuando la turbina 12 eolica se pone en marcha, el generador 14 opera en una primera velocidad. Como resultado, la tension de salida del generador es menor que la tension a traves del condensador 44 provocando que el rectificador pasivo sea polarizado inversamente. El rectificador de modo dual recibe senales de la circuitena 18 de control para provocar que el rectificador de modo dual opere en un modo activo. En el modo activo, el convertidor activo es operacional y proporciona potencia a la carga a traves del sistema de convertidor. El rectificador de modo dual opera en modo activo cuando el generador esta operando a o por debajo de la primera velocidad. En una realizacion, la primera velocidad oscila desde aproximadamente 0,75 por unidad hasta 0,8 por unidad.
Cuando la turbina eolica gana velocidad, hay un correspondiente aumento en la velocidad de generador. Como resultado, la tension de salida del generador es mayor que la tension a traves del condensador 44. El rectificador de modo dual recibe senales de la circuitena 18 de control para provocar que el rectificador de modo dual opere en un modo pasivo cuando el generador esta operando a o por encima de una segunda velocidad. En una realizacion, la segunda velocidad oscila desde aproximadamente 0,80 por unidad hasta aproximadamente 0,85 por unidad. La mayor tension de generador provoca que el rectificador pasivo sea polarizado directamente. El rectificador de modo dual ahora proporciona potencia al sistema convertidor a traves del rectificador pasivo cuando el generador esta operando a o por encima de la segunda velocidad. En una realizacion, la segunda velocidad es mayor que la primera velocidad. En una realizacion alternativa, la segunda velocidad es igual a la primera velocidad.
La primera velocidad y la segunda velocidad se seleccionan a base de la contra emf del generador y de tal forma que se minimiza la corriente en el convertidor activo. En una realizacion, cuando el generador esta operando a velocidades bajas, el factor de potencia interno se controla en unidad, lo que permite operacion de par maximo por amperio del generador. Como se ha descrito anteriormente, los diodos del rectificador pasivo son polarizados inversamente durante velocidad baja y la potencia activa se transfiere a traves del convertidor activo.
Como el generador opera a velocidades mayores, los diodos del rectificador pasivo son polarizados directamente y la circuitena de control provoca que el rectificador pasivo entregue potencia a la carga. En una realizacion, cuando el rectificador de modo dual opera en el modo pasivo, el convertidor activo entrega una corriente reactiva en los devanados del generador para regular la tension de salida del generador. Controlar la tension de salida del generador a un nivel deseado garantiza que los diodos del rectificador pasivo sean polarizados directamente, por lo tanto, entregando la potencia a la carga. El generador opera en un factor de potencia de avance con respecto a la tension de salida y un factor de potencia de retraso con respecto a la contra emf. En una realizacion adicional, el convertidor activo se configura adicionalmente para inyectar corrientes armonicas en fase y frecuencia apropiadas para cancelar eficazmente las corrientes armonicas introducidas mediante el rectificador pasivo en el devanado del generador.
La Figura 4 es un diagrama de flujo que describe un procedimiento por el que la potencia puede suministrarse a una carga. Cada etapa se describe en detalle adicional a continuacion. En la etapa 50, se genera una potencia de salida de frecuencia variable. En una realizacion, se usa un generador acoplado a una turbina para la generacion de la potencia de salida de frecuencia variable. En una realizacion adicional, el generador es un generador smcrono y la turbina comprende una turbina eolica.
En la etapa 52, la potencia de salida de frecuencia variable se compara con al menos un valor umbral. Si la frecuencia variable es menor que el valor umbral, la potencia de salida de frecuencia variable se rectifica en un modo activo como se muestra en etapa 54. En una realizacion mas espedfica, para rectificacion activa el valor umbral comprende un primer valor umbral. Si la frecuencia variable es mayor que el valor umbral, la potencia de salida de frecuencia variable se rectifica en un modo pasivo como se muestra en etapa 56. En una realizacion mas espedfica, para rectificacion pasiva el valor umbral comprende un segundo valor umbral que puede ser el mismo que o diferente del primer valor umbral.
En una realizacion, el procedimiento comprende adicionalmente inducir una corriente reactiva en un generador cuando la potencia de salida esta por encima del valor umbral. La corriente reactiva se usa para regular la tension de salida del generador. En una realizacion adicional, el procedimiento comprende adicionalmente minimizar corrientes armonicas netas en el generador para reducir pulsaciones de par.
La invencion anteriormente descrita tiene muchas ventajas que incluyen la habilitacion de control de par maximo por amperio del generador en el intervalo de velocidad baja y operacion de tension en bornes constante en el intervalo de velocidad alta. La corriente y factor de potencia de generador se optimiza en todo el intervalo permitiendo la optimizacion del tamano, coste y peso de generador. Ademas, el convertidor activo tambien actua como un compensador armonico permitiendo por lo tanto que el generador opere con rizado de par bajo y perdidas armonicas bajas en todo el intervalo de operacion. Usando el rectificador pasivo para entregar potencia a la carga mientras el generador esta operando a velocidades altas, el rectificador de modo dual tiene una eficiencia mayor en comparacion con el uso de rectificador activo en la region de velocidad alta. Tambien, el coste total se reduce debido a reduccion del convertidor activo tasado a aproximadamente un 40-60 %.

Claims (8)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un sistema (10) para la generacion de una potencia de salida a una carga, comprendiendo el sistema:
    una turbina (12) eolica;
    un generador (14) acoplado a la turbina (12) eolica y configurado para la generacion de una potencia de salida de frecuencia variable; y caracterizado porque comprende un rectificador (16) de modo dual acoplado al generador (14) y configurado para conmutarse entre un modo pasivo y un modo activo, comprendiendo el rectificador (16) de modo dual:
    un rectificador (40) pasivo acoplado a bornes de salida del generador (14) y configurado para operacion en el modo pasivo; en el que el rectificador (40) pasivo se configura para proporcionar potencia a la carga cuando el generador (14) esta operando a, o por encima de, una segunda velocidad; y
    un convertidor (42) activo acoplado a tomas de devanados del generador (14) y configurado para operacion en el modo activo, en el que el convertidor (42) activo se configura para proporcionar potencia activa a la carga cuando el generador (14) esta operando a, o por debajo de, una primera velocidad; en el que el rectificador (16) de modo dual se configura para el suministro de potencia a una carga.
  2. 2. El sistema de la reivindicacion 1, en el que una circuitena (18) de control acoplada al rectificador (16) de modo dual se configura para provocar que el convertidor (42) activo induzca una corriente reactiva en el generador cuando el generador esta operando a, o por encima de, la segunda velocidad.
  3. 3. El sistema de la reivindicacion 1, en el que el convertidor (42) activo se configura adicionalmente para inyectar corrientes armonicas para cancelar corrientes armonicas introducidas mediante el rectificador pasivo en el devanado del generador.
  4. 4. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, comprendiendo ademas circuitena (18) de control configurada para provocar que el convertidor (42) activo proporcione potencia activa cuando el generador (14) esta operando a o por debajo de una primera velocidad y adicionalmente configurada para provocar que el rectificador pasivo proporcione potencia cuando el generador esta operando a, o por encima de, una segunda velocidad.
  5. 5. El sistema de la reivindicacion 4, en el que cuando la circuitena (18) de control se configura para provocar que el convertidor (42) activo induzca una corriente reactiva en el generador cuando el generador (14) esta operando a, o por encima de, la segunda velocidad; la corriente reactiva se usa para la regulacion de una tension de salida del generador.
  6. 6. El sistema segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la carga es la red electrica.
  7. 7. El sistema segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el generador es un generador de velocidad baja, par alto.
  8. 8. Un procedimiento para la generacion de una potencia de salida a una carga, comprendiendo el procedimiento:
    generar, mediante un generador (14) acoplado a una turbina (12) eolica, una potencia de salida de frecuencia variable; y
    rectificar, mediante un rectificador (16) de modo dual acoplado al generador (14), la potencia de salida de
    frecuencia variable a potencia de salida; en el que la rectificacion comprende
    operar en un modo activo cuando la potencia de salida esta por debajo de un primer valor umbral, y
    operar en un modo pasivo cuando la potencia de salida esta por encima de un segundo valor umbral; y
    controlar un rectificador pasivo del rectificador (16) de modo dual para operacion cuando la potencia de salida
    esta por encima del segundo valor umbral, y controlar un convertidor activo del rectificador (16) de modo dual
    para operacion cuando la potencia de salida esta por debajo del primer valor umbral.
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