ES2647017T3

ES2647017T3 - Suministro de tensión de excitación para generador síncrono usado en una turbina eólica, y procedimiento para arrancar una turbina eólica que tiene dicho suministro de tensión de excitación

Info

Publication number: ES2647017T3
Application number: ES07120763.3T
Authority: ES
Inventors: Thomas Edenfeld
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-11-16
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2017-12-18
Anticipated expiration: 2027-11-15
Also published as: CN101188395B; EP1928080B1; EP1928080A3; CN101188395A; EP1928080B2; US7514809B2; US20080136185A1; ES2647017T5; DK1928080T4; EP1928080A2; DK1928080T3

Abstract

Una turbina (100) eólica que comprende, un generador (130) síncrono que tiene un estátor (134) y un rotor (132), un enlace (140) de CA-CC-CA para acoplar dicho generador síncrono a una red, comprendiendo el enlace (140) de CA-CC-CA un enlace de CC; y un convertidor (148) de CC-CC conectado entre el enlace de CC y los enrollamientos de rotor del rotor (132); en la que el enlace de CC está conectado a través de dicho convertidor (148) de CC-CC al rotor (132) de dicho generador (130) síncrono para suministrar una tensión de excitación a un enrollamiento de rotor de dicho rotor (132).

Description

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DESCRIPCION

Suministro de tension de excitacion para generador smcrono usado en una turbina eolica, y procedimiento para arrancar una turbina eolica que tiene dicho suministro de tension de excitacion

La presente invencion se refiere al campo de las turbinas eolicas, en especial a las turbinas eolicas que tienen un generador smcrono excitado electricamente, y mas en particular al suministro de tension de excitacion de un generador smcrono de este tipo. Ademas, la presente invencion se refiere al procedimiento de arranque de una turbina eolica de este tipo.

Los generadores electricos smcronos tienen un rotor que se excita con corriente continua, normalmente a traves de anillos de deslizamiento. Se genera una tension alterna en los enrollamientos de estator por el campo giratorio del rotor. En disenos comunes, la tension de excitacion de rotor se toma de la red electrica y se suministra al rotor a traves de un circuito separado. Sin embargo, en los casos de baja tension de red o incluso fallo de la red, es decir, tension de red cero, la tension de excitacion ya no es suficiente para garantizar que el generador siga excitado. Por lo tanto, no se garantiza que el convertidor que realiza la conexion a la red pueda permanecer en lmea. En particular, si la tension decreciente de los enrollamientos de rotor se usa para alimentar el convertidor durante una tension de red baja o cero, solo puede mantenerse un suministro suficiente durante un breve penodo de tiempo, en funcion de la constante de tiempo del generador. Vease, por ejemplo, el documento US2004/0201221.

Otros disenos conocidos proponen el uso de una fuente de alimentacion ininterrumpida (UPS) para regular el circuito de excitacion del rotor. Debido a la UPS, puede suministrarse una tension de excitacion suficiente a los enrollamientos de rotor incluso durante penodos mas largos de tension de red baja o cero. Sin embargo, el uso de una UPS provoca costes adicionales, aumenta la cantidad de piezas que se deben mantener y aumenta el peso de la turbina.

En vista de lo anterior, se proporciona una turbina eolica que incluye un generador smcrono que tiene un estator y un rotor, un enlace de CA-CC-CA para acoplar dicho generador smcrono a una red, en la que el enlace de CC esta conectado al rotor de dicho generador smcrono para suministrar una tension de excitacion a un enrollamiento de rotor de dicho rotor.

Aspectos, ventajas y caractensticas adicionales de la presente invencion son evidentes a partir de las reivindicaciones dependientes, la descripcion y los dibujos adjuntos.

De acuerdo con un primer aspecto de la invencion, se proporciona una planta de energfa eolica, incluyendo la planta de energfa eolica un generador smcrono excitado electricamente que tiene un estator y unos enrollamientos de rotor, un enlace de CA-CC-CA para acoplar dicho generador smcrono a una red electrica, en la que el enlace de CC esta conectado a los enrollamientos de rotor de dicho generador smcrono para aplicar un tension de excitacion.

De acuerdo con el aspecto descrito anteriormente de la invencion, la tension de excitacion se suministra a los enrollamientos de rotor desde el enlace de CC. En otras palabras, la tension de enlace de CC del convertidor se usa para alimentar el circuito de excitacion del generador. Por lo tanto, el generador se mantiene en funcionamiento y puede recargar el enlace de CC. Esto permite que la turbina permanezca en lmea incluso durante penodos muy largos de tension de red baja o incluso de tension de red cero. Por lo tanto, la turbina puede soportar la red y compensar las perdidas electricas en el convertidor siempre que el rotor eolico de la turbina este girando. En consecuencia, se mejora considerablemente la capacidad de pasode la turbina para eventos de tension baja o cero. Ademas, no se requiere una UPS en la presente disposicion, ahorrando de este modo costes y esfuerzo de mantenimiento. Ademas, incluso el suministro de circuito de excitacion normal de la red puede omitirse ya que la fuente de alimentacion del enlace de CC es suficiente para el funcionamiento normal de la turbina.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invencion, se proporciona un circuito de tension de CC intermedio para una turbina eolica. El circuito de tension de CC intermedio incluye un inversor de CA-CC del lado del generador adaptado para acoplarse a los enrollamientos de estator de un generador smcrono de la turbina eolica, un inversor de CC-CA del lado de la red para acoplarse a una red electrica, un circuito que conecta dicho inversor de CA-CC del lado del generador y dicho inversor de CC-CA del lado de la red, y un convertidor de CC-CC adaptado para conectarse entre dicho circuito y los enrollamientos de rotor de dicho generador smcrono.

De acuerdo con un aspecto adicional de la presente invencion, se proporciona un procedimiento de arrancar una turbina eolica con un generador smcrono excitado electricamente. El procedimiento incluye las etapas de (a) abrir un contactor de red; (b) cerrar un contactor de derivacion para derivar un inversor de CC-CA del lado de la red de dicha turbina eolica; (c) cargar un enlace de CC de dicha turbina eolica; (d) suministrar una tension de excitacion a los enrollamientos de rotor de dicho generador smcrono, en el que dicha tension de excitacion se suministra desde el enlace de CC; y (e) abrir dicho conector de derivacion y cerrar dicho conector de red.

En los dibujos:

La figura 1 muestra una vista esquematica de una turbina eolica de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.

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La figura 2 muestra una vista esquematica de una turbina eolica de acuerdo con otra realizacion de la presente

invencion en una primera condicion.

La figura 3 muestra la turbina eolica de la figura 2 en una segunda condicion.

La figura 4 muestra la turbina eolica de la figura 2 en una tercera condicion.

La figura 5 muestra un diagrama de flujo de un procedimiento de acuerdo con una realizacion adicional de la

presente invencion.

La figura 6 muestra una vista esquematica de una turbina eolica de acuerdo con una realizacion adicional de la

presente invencion.

A continuacion, se hara referencia en detalle a las diversas realizaciones de la invencion, uno o mas ejemplos de las cuales se ilustran en las figuras. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicacion de la invencion, y no pretende ser una limitacion de la invencion. Por ejemplo, las caractensticas ilustradas o descritas como parte de una realizacion pueden usarse en o junto con otras realizaciones para producir otra realizacion mas. Se pretende que la presente invencion incluya tales modificaciones y variaciones.

La figura 1 muestra una vista esquematica de una turbina eolica de acuerdo con una realizacion de la presente invencion. En este caso, una turbina 100 eolica incluye un rotor 110 eolico que captura energfa cinetica del viento durante su funcionamiento y la convierte en energfa rotacional. El rotor 110 eolico esta acoplado a un arbol 120 de rotor al que se transfiere la energfa de rotacion. El arbol 120 de rotor esta acoplado al rotor 132 de un generador 130 electrico, o directamente o a traves de una caja de cambios (no mostrada). El generador 130 electrico es un generador smcrono que tiene un rotor 132 y un estator 134. Durante el funcionamiento, se suministra una tension de CC a los enrollamientos del rotor 132 para crear un campo de excitacion. La rotacion del rotor 132 induce una tension de CA en los enrollamientos del estator 134. Los enrollamientos de estator estan conectados a una red electrica a traves de un enlace 140 de CA-CC-CA y una conexion 150 de red.

El enlace 140 de CA-CC-CA incluye un inversor 142 de CA-CC del lado de la red que esta conectado a un inversor 144 de CC-CA del lado de la red a traves de un enlace de CC que incluye un condensador 146 de enlace de CC. Durante el funcionamiento de la turbina, el inversor 142 de CA-CC del lado del generador convierte la tension de CA generada por el generador 130 en una tension de CC. A continuacion, esta tension de CC se reconvierte por el inversor 144 del lado de la red en una tension de CA que tiene la frecuencia de red necesaria. Por lo tanto, la velocidad variable del rotor 110 eolico no interfiere con la frecuencia de red constante. Antes de la operacion del inversor 142 de CA-CC y del inversor 144 de CC-AC, el condensador 146 de enlace de CC esta cargado. Ademas, los expertos en la materia entenderan que el enlace de CC esta practicamente desacoplado de la red por el inversor 144 de CC-CA.

Ademas, el circuito 140 de tension de CC intermedio de acuerdo con una realizacion de la presente invencion incluye una conexion entre el rotor 132 del generador 130 y el enlace de CC. En particular, el enlace de CC esta conectado a los enrollamientos de rotor de tal manera que se exciten los enrollamientos de rotor. En la realizacion mostrada en la figura 1, un convertidor 148 de CC-CC esta conectado entre el enlace de CC y el rotor. Normalmente, el enlace de CC tiene una tension en el intervalo de aproximadamente 1000 voltios mientras que las tensiones de excitacion tfpicas para los enrollamientos de rotor son considerablemente mas pequenas. Una relacion de conversion tfpica del convertidor de CC-CC esta en el intervalo de aproximadamente 20:1 a 2:1, mas normalmente en el intervalo de aproximadamente 12:1 a 5:1. En otras palabras, la tension de excitacion tfpica de los enrollamientos de rotor es de unos pocos cientos de voltios. Debido al desacoplamiento virtual del enlace de CC de la red, la tension de enlace de CC cae solo alrededor de un 1 a un 10 %, normalmente alrededor de un 5 %, durante unos eventos de tension de red baja o de tension de red cero. Por lo tanto, la tension del enlace de CC es suficiente para mantener la tension de excitacion de los enrollamientos de rotor durante tales eventos de tension de red baja o de tension de red cero. De este modo, el generador 130 puede recargar el enlace de CC y compensar las perdidas de los inversores y convertidores siempre que el rotor 110 eolico este girando. Por consiguiente, una turbina eolica que incluye un circuito 140 de tension de Cc intermedio de acuerdo con una realizacion de la presente invencion tiene una capacidad de paso de baja tension o de tension cero mejorada para eventos de tension de red baja o cero, siempre que sean uno o mas segundos. Ademas, no se requiere una UPS en las realizaciones de acuerdo con la presente invencion, ahorrando de este modo costes y esfuerzo de mantenimiento. Ademas, incluso el suministro de circuito de excitacion normal de la red puede omitirse ya que la fuente de alimentacion del enlace de CC es suficiente para el funcionamiento normal de la turbina.

De acuerdo con una realizacion aun adicional de la presente invencion, el inversor 142 de CA-CC del lado del generador, el inversor 144 de CC-CA del lado de la red, y el convertidor 148 de CC-CC conectado entre el enlace de CC y los enrollamientos de rotor pueden integrarse en un solo componente como lo indica la caja de lmeas discontinuas en la figura 1. Por lo tanto, el numero de piezas puede reducirse aun mas. En particular, los expertos en la materia entenderan que los inversores 142, 144 y el convertidor 148 pueden realizarse mediante electronica de potencia como un IGBT.

En la realizacion anterior, el generador se ha descrito como un generador smcrono de anillo colector tfpico. Sin

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embargo, los expertos en la materia entenderan que la presente invencion tambien puede aplicarse a generadores con excitadores sin escobillas. Ya que la implementacion de la presente invencion en generadores con excitadores sin escobillas no presenta ningun problema espedfico para los expertos en la materia, la descripcion detallada de dicha realizacion se omite para evitar la redundancia.

La figura 2 muestra una vista esquematica de una turbina eolica de acuerdo con otra realizacion de la presente invencion. Ademas de la realizacion mostrada en la figura 1, la conexion 150 de red de la realizacion mostrada en la figura 2 incluye un conector 152 de red y un conector 154 de derivacion. El conector 152 de red se usa para conectar la turbina a la red electrica durante el funcionamiento. El conector 154 de derivacion esta conectado entre la red electrica y el enlace de CC, derivando de este modo el contactor 152 de red a traves de los diodos de volante libre del inversor 144 de CC-CA del lado de la red para cargar el enlace de CC.

A continuacion, se describe un procedimiento de arranque para una turbina eolica tal como se muestra en la figura 2 haciendo referencia a las figuras 2 a 5. En este caso, la figura 2 muestra la turbina 100 eolica de acuerdo con la realizacion en una primera condicion, las figuras 3 y 4 muestran la misma turbina 100 eolica en unas condiciones segunda y tercera, respectivamente. La figura 5 muestra un diagrama de flujo del procedimiento de acuerdo con una realizacion de la presente invencion. La figura 2 muestra la condicion de la turbina eolica cuando la turbina esta fuera de servicio, por ejemplo, despues de un tiempo de inactividad debido a trabajos de mantenimiento. La turbina 100 esta desconectada de la red electrica ya que se han abierto el conector 152 de red y el conector 154 de derivacion. En una siguiente etapa 502, el conector 154 de derivacion se cierra de tal manera que se establece una conexion entre el enlace 140 de CC y la red. Esta es la segunda condicion de la turbina 100 eolica mostrada en la figura 3. Sin embargo, el inversor 144 de CC-CA se deriva ya que el conector 152 de red todavfa esta en su estado abierto. Despues de cerrar el conector 154 de derivacion en la etapa 502, el enlace 140 de CC que incluye el condensador 146 de enlace de CC se carga en la etapa 503. Cuando la tension de enlace de CC alcanza un valor umbral, el convertidor 148 de CC-CC arranca a suministrar tension de CC a los enrollamientos de rotor del rotor 132 de generador en la etapa 504, generando de este modo un campo de excitacion para el generador 130 smcrono. Ahora, el generador 130 arranca a producir energfa electrica que se suministra al inversor 142 de CA-CC. Despues de que el sistema ha alcanzado el nivel de funcionamiento, se abre el contactor 154 de derivacion y el contactor 152 de red se cierra en la etapa 505. Esta es la tercera condicion de la turbina 100 eolica que se muestra en la figura 4. Por lo tanto, se ha logrado el arranque de la turbina 100 eolica. El procedimiento y la turbina eolica de acuerdo con las realizaciones de la presente invencion no requieren una conexion adicional entre la red y los enrollamientos de rotor para la puesta en marcha. Por lo tanto, la configuracion general de la turbina eolica, asf como el propio procedimiento, son de complejidad reducida en comparacion con los sistemas de turbina eolica de la tecnica anterior y/o los procedimientos de arranque que utilizan tales conexiones adicionales entre la red y el rotor.

De acuerdo con una realizacion adicional de la presente invencion, la etapa 504 del procedimiento para suministrar la tension de excitacion a los enrollamientos de rotor incluye la conversion de la normalmente alta tension de enlace de CC en una tension de excitacion normalmente inferior. En general, la conversion de la tension de enlace de CC en la tension de excitacion se realiza con una relacion de conversion en el intervalo de aproximadamente 20:1 a 2:1, mas normalmente en el intervalo de aproximadamente 12:1 a 5:1. De acuerdo con una realizacion tfpica adicional, el inversor 142 de CA-CC y el inversor 144 de CC-CA estan sincronizados antes de que la turbina eolica se conecte a la red, es decir, antes de la etapa 505.

La figura 6 muestra una vista esquematica de una turbina eolica de acuerdo con una realizacion adicional de la presente invencion. En este caso, los enrollamientos de estator del generador 130 estan conectados con un circuito 143 rectificador de puente, realizado normalmente por un puente de diodos. Normalmente, el circuito 143 rectificador de puente no requiere un IGBT y, por lo tanto, esta disponible a un precio inferior en comparacion con el inversor 142 de CA-CC. Sin embargo, el circuito 143 rectificador de puente no puede controlarse en la misma medida que el inversor 142. Ademas, el enlace de CC incluye un convertidor 145 elevador para aumentar la tension de enlace de CC. Ademas del condensador 146 de enlace de CC, un condensador 147 de enlace de CC adicional esta conectado normalmente entre el circuito 143 rectificador de puente y el convertidor 145 elevador. Como en las realizaciones descritas anteriormente, la tension de enlace de CC se usa para alimentar el circuito de excitacion del rotor 132 de generador a traves de un convertidor 148. Aunque la configuracion de la turbina 100 eolica es algo diferente de las realizaciones descritas anteriormente, el funcionamiento de la misma es basicamente como se ha descrito anteriormente, de tal manera que se omiten los detalles.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Una turbina (100) eolica que comprende,

un generador (130) smcrono que tiene un estator (134) y un rotor (132),

un enlace (140) de CA-CC-CA para acoplar dicho generador smcrono a una red, comprendiendo el enlace (140) de CA-CC-CA un enlace de CC; y

un convertidor (148) de CC-CC conectado entre el enlace de CC y los enrollamientos de rotor del rotor (132); en la que el enlace de CC esta conectado a traves de dicho convertidor (148) de CC-CC al rotor (132) de dicho generador (130) smcrono para suministrar una tension de excitacion a un enrollamiento de rotor de dicho rotor (132).
2. La turbina (100) eolica de acuerdo con la reivindicacion 1, en la que el generador (130) es un generador smcrono excitado electricamente.
3. La turbina (100) eolica de acuerdo con la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2, en la que dicho convertidor (148) de CC-CC tiene una relacion de conversion en el intervalo de aproximadamente 20:1 a 2:1.
4. La turbina (100) eolica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el enlace de CC proporciona una capacidad de paso de la tension de excitacion de rotor durante uno o mas segundos.
5. La turbina (100) eolica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el enlace de CC proporciona una capacidad de paso de la tension de excitacion de rotor para salidas de baja tension y de tension cero de una tension de red.
6. La turbina (100) eolica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la tension de enlace de CC cae un maximo de un 1 a un 10 % en comparacion con la tension de enlace de cC normal durante una salida de tension de red cero.
7. La turbina (100) eolica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el enlace de CC esta desacoplado de la red.
8. La turbina (100) eolica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende ademas un inversor (142) de CA-CC del lado del generador adaptado para acoplarse a los enrollamientos de estator del generador (130) smcrono de la turbina (100) eolica, y un inversor (144) de CC-CA del lado de la red adaptado para acoplarse a una red electrica, en la que el enlace de CC esta formado entre el inversor (142) de CA-CC del lado del generador y el inversor (144) de CC-CA del lado de la red.
9. La turbina (100) eolica de acuerdo con la reivindicacion 8, en la que el inversor (142) de CA-CC del lado del generador, el inversor (144) de CC-CA del lado de la red y un CC-CC (148) conectados entre el enlace de CC y los enrollamientos de rotor de dicho generador (130) smcrono estan integrados en un componente.
10. La turbina (100) eolica de acuerdo con las reivindicaciones 8 y 9, que comprende ademas un contactor (154) de derivacion para derivar el inversor (144) de CC-CA del lado de la red.
11. La turbina (100) eolica de acuerdo con las reivindicaciones 8 a 10, que comprende un circuito (146) que conecta dicho inversor (142) de CA-CC del lado del generador y dicho inversor (144) de CC-CA del lado de la red.
12. La turbina (100) eolica de acuerdo con la reivindicacion 11, en la que dicho convertidor (148) de CC-CC tiene una relacion de conversion en el intervalo de aproximadamente 20:1 a 2:1.
13. La turbina (100) eolica de acuerdo con la reivindicacion 11 o la reivindicacion 12, en la que una tension de enlace de CC cae un maximo de un 1 a un 10 % en comparacion con una tension de enlace de CC operacional durante una salida de tension de red cero.
14. La turbina (100) eolica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, que comprende ademas un contactor (152) de derivacion para derivar el inversor (144) de CC-CA del lado de la red.
15. Un procedimiento para arrancar una turbina (100) eolica con un generador (130) smcrono excitado electricamente, que comprende las etapas de:

(a) abrir (501) un contactor (152) de red;

(b) cerrar (502) un contactor (154) de derivacion para derivar un inversor (144) de CC-CA del lado de la red de dicha turbina (100) eolica;

(c) cargar (503) un enlace de CC de dicha turbina (100) eolica;

(d) suministrar (504) una tension de excitacion a los enrollamientos de rotor de dicho generador (130) smcrono convirtiendo una tension de enlace de CC en una tension de excitacion de generador, en el que dicha tension de excitacion se suministra desde el enlace de CC;

(e) abrir (505) dicho contactor (154) de derivacion y cerrar dicho conector de red.
16. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 15, en el que la conversion se realiza con una relacion de conversion en el intervalo de aproximadamente 20:1 a 2:1.
17. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15 y 16, en el que el inversor (144) de CC-CA del lado de la red se sincroniza con una frecuencia de red antes de la etapa (e).

5 18. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17, en el que un inversor (142) de

CA-CC del lado del generador se sincroniza con una frecuencia de red antes de la etapa (e).