ES2710311T3 - Métodos y sistemas para reducir el impacto de un cortocircuito de generador en una turbina eólica - Google Patents

Abstract

Método de reducción de un impacto de un evento de cortocircuito desequilibrado en una turbina eólica (100), incluyendo la turbina eólica (100) un generador de imán permanente polifásico (240) que tiene una pluralidad de patas de fase, un convertidor (250) que convierte la potencia eléctrica producida por el generador (240) para usarla en una red de distribución de potencia, y un interruptor de cortocircuito (230) entre el generador (240) y el convertidor (250), incluyendo el interruptor de cortocircuito (230) una pluralidad de interruptores (232, 234, 236) cada uno de los cuales está acoplado entre un par diferente de las patas de fase, comprendiendo el método: detectar (610) un evento de cortocircuito desequilibrado (310) en el generador (240) de la turbina eólica (100); y en respuesta a la detección del evento de cortocircuito desequilibrado, controlar unos seleccionados de los interruptores (232, 234, 236) con el fin de cortocircuitar (630) unas respectivas de las patas de fase del generador en el interruptor de cortocircuito (230) para crear un cortocircuito equilibrado en el generador (240).

Description

DESCRIPCION

Metodos y sistemas para reducir el impacto de un cortocircuito de generador en una turbina eolica

Campo de la invencion

La presente invencion se refiere de manera general a metodos y a sistemas para reducir el impacto de un arco o cortocircuito de generador en un generador de turbina eolica (WTG) (tambien denominado en el presente documento “turbina eolica”), y en particular a metodos y a sistemas para reducir danos debidos a oscilaciones transitorias de par de torsion del generador despues de producirse un cortocircuito en el generador.

Antecedentes de la invencion

El uso de un generador smcrono de iman permanente en el tren de transmision de una turbina eolica presenta algunas ventajas en comparacion con otros tipos de generadores usados mas comunmente en turbinas eolicas. Estas ventajas incluyen, entre otras cosas, alta eficiencia, menos perdidas en el rotor del generador (que es una parte diffcil de enfriar), ausencia de anillos colectores y sus problemas asociados, y mejor rendimiento de capacidad de respuesta ante baja tension.

Sin embargo, cuando se produce un evento de cortocircuito, tal como un arco, en el generador o en el convertidor durante el funcionamiento normal, un generador smcrono de iman permanente continuara generando tension de estator mientras el generador este girando ya que los imanes permanentes en el rotor continuaran produciendo un campo magnetico. Por tanto, en tales condiciones se produce corriente de cortocircuito y debe gestionarse adecuadamente para evitar danos en la turbina eolica.

Pueden producirse diferentes tipos de eventos de cortocircuito y pueden gestionarse de diferentes maneras para reducir el impacto sobre la turbina eolica. Por ejemplo, en una configuracion de convertidor de potencia y generador polifasico, un fallo de convertidor de potencia aparecera en la mayona de los casos como un cortocircuito trifasico en el generador. Un cortocircuito trifasico en el generador provoca una oscilacion transitoria de par de torsion seguida por una descarga casi completa del tren motriz. Una descarga de este tipo provoca niveles de carga mecanica no deseados en la turbina eolica. Para reducir el impacto de un evento de cortocircuito de este tipo, la turbina eolica puede tener medios para desconectar el convertidor del generador y para aplicar posteriormente una carga resistiva pasiva, que servira para reintroducir un par de torsion de carga determinado en el tren motriz.

Otro evento de cortocircuito, que aparece de manera algo poco frecuente, es un cortocircuito trifasico en el interior de un generador trifasico. Este tipo de evento de cortocircuito tambien provoca una oscilacion transitoria de par de torsion seguida por una descarga casi completa del tren motriz. Desde un punto de vista electrico, no pueden tomarse medidas, tales como la aplicacion de una carga resistiva pasiva, para contrarrestar esta descarga no deseada del tren motriz.

Un tercer tipo de evento de cortocircuito es un cortocircuito desequilibrado en el generador de una turbina eolica. Cuando se produce, por ejemplo, un cortocircuito bifasico (que es un tipo de cortocircuito desequilibrado) en el generador, aparece una oscilacion transitoria de par de torsion seguida por una oscilacion estacionaria de par de torsion con un contenido de frecuencia determinado por la velocidad del generador. Una contramedida que puede tomarse en respuesta a un cortocircuito desequilibrado en el generador es apagar la turbina eolica (es decir, detener la turbina eolica). Sin embargo, como se muestra, por ejemplo, en las figuras 8, 9 y 10, la oscilacion del tren motriz pasana a traves de un intervalo de frecuencia muy amplio dando como resultado un alto riesgo de excitar resonancias en el tren motriz y en la cimentacion de la turbina. Ademas, al igual que con el evento de cortocircuito trifasico, la aplicacion de una carga resistiva no tendna ningun efecto sustancial sobre las oscilaciones del par de torsion.

La figura 7 muestra un descenso en rampa de velocidad controlado del generador en una turbina eolica cuando se apaga debido a un cortocircuito bifasico en un devanado del generador. La figura 8 muestra un grafico de una respuesta de par de torsion de ejemplo del generador asociada con el perfil de descenso en rampa de velocidad en la figura 7, pero sin aplicacion de la carga resistiva. El grafico incluye dos curvas, una primera calculada mediante un modelo dinamico, y una segunda calculada mediante un sencillo enfoque analftico. Las figuras 9 y 10 muestran diferentes vistas ampliadas del grafico en la figura 8. Como se muestra en las figuras 9 y 10, la oscilacion de par de torsion contiene un amplio intervalo de armonicos.

La figura 11 muestra un grafico de una respuesta de par de torsion de ejemplo del generador asociada con el perfil de descenso en rampa de velocidad mostrado en la figura 1, pero en este grafico se ha aplicado la carga resistiva. Las figuras 12 y 13 muestran diferentes vistas ampliadas del grafico en la figura 11. Como se muestra en las figuras 12 y 13, las oscilaciones de par de torsion contienen un amplio intervalo de armonicos independientemente del hecho de que se ha aplicado una carga resistiva. Por tanto, las oscilaciones de par de torsion debidas a un cortocircuito bifasico son igual de graves que sin la carga resistiva.

“Synchronous Machine Drive Response to Symmetrical and Asymmetrical Short Circuit Faults” de Welchko et al.

(IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 18, n.° 2, junio de 2003) describe oscilaciones de par de torsion de larga duracion y alta amplitud aplicadas a una maquina smcrona de iman permanente interior (IPM) debidas a un fallo de un interruptor de inversor de un accionamiento de velocidad ajustable que suministra corriente a la maquina de IPM. El fallo del interruptor de inversor da como resultado un cortocircuito asimetrico en los terminales de la maquina de IPM. Welchko et al. proponen cerrar interruptores adicionales en el accionamiento de velocidad ajustable para crear un fallo de cortocircuito equilibrado, lo que reduce los niveles potencialmente daninos de las oscilaciones de par de torsion. Sin embargo, este enfoque tiene el inconveniente de introducir altos niveles de corriente en componentes del accionamiento de velocidad ajustable que pueden no estar clasificados para altas corrientes. El mismo problema se produce cuando se usa la maquina de IPM como generador en vez de como motor y se usa un convertidor en lugar del accionamiento de velocidad ajustable.

Con frecuencia en el presente documento se hace referencia a que un cortocircuito o evento de cortocircuito se produce “en” un generador. Sin embargo, la ubicacion de una conexion electricamente conductora no intencionada (por ejemplo, un arco) que hace que se produzca un cortocircuito en el generador puede ser externa a un alojamiento del generador. Por ejemplo, puede producirse una conexion electrica no intencionada en cualquiera de varios lugares externos al alojamiento de generador (por ejemplo, entre los cables que transportan potencia producida por el generador a un convertidor, entre conductores electricos dentro del convertidor, entre conductores en una terminacion compleja de cable o en un dispositivo, tal como un disyuntor o un dispositivo de proteccion de tension) pero puede tener sustancialmente el mismo efecto de cortocircuito que una conexion electrica no intencionada que se produce en el interior del alojamiento de generador. Por tanto, una conexion electrica no intencionada que se produce o bien dentro o bien fuera del alojamiento de generador crea un cortocircuito en el generador si uno o mas elementos conductores en el generador estan en un circuito electricamente conductor (es decir, un cortocircuito) que incluye la conexion electrica no intencionada.

A modo de antecedentes adicionales, el documento EP2372860 describe un circuito de proteccion para una maquina electrica en el que conductores entre un generador y un convertidor de potencia estan acoplados a un terminal comun mediante contactores respectivos. En el caso de una corriente de fallo en el circuito o el convertidor de potencia, pueden hacerse funcionar los contactores para acoplar los conductores al terminal comun.

La presente invencion se define en las reivindicaciones independientes.

Sumario de la invencion

Segun un primer aspecto, la invencion proporciona un metodo de reduccion de un impacto de un evento de cortocircuito desequilibrado que se produce en un generador de iman permanente polifasico de una turbina eolica, teniendo el generador una pluralidad de patas de fase. El generador tambien incluye un convertidor que convierte potencia electrica producida por el generador para usarla en una red de distribucion de potencia, y un punto de interruptor entre el generador y el convertidor. El punto de interruptor incluye una pluralidad de interruptores, cada uno de los cuales esta acoplado entre un par diferente de patas de fase. Segun el metodo, se detecta un evento de cortocircuito desequilibrado en el generador de la turbina eolica, y, en respuesta a la deteccion del evento de cortocircuito desequilibrado, se controlan unos seleccionados de los interruptores con el fin de cortocircuitar al menos una de las patas de fase del generador en el punto de interruptor para crear un cortocircuito equilibrado en el generador.

Haciendo esto, la respuesta de par de torsion del generador se altera ventajosamente para evitar oscilaciones de par de torsion de alta amplitud que se producinan de otro modo como resultado del evento de cortocircuito desequilibrado.

En otra realizacion del metodo segun el primer aspecto de la invencion, el evento de cortocircuito desequilibrado detectado es al menos uno de un evento de cortocircuito bifasico, un evento de cortocircuito monofasico a masa, y un evento de cortocircuito multifasico a masa.

En otra realizacion del metodo segun el primer aspecto de la invencion, el metodo incluye etapas adicionales. Por ejemplo, en primer lugar se detecta un fallo de tension. A continuacion, se acopla una carga resistiva a una salida del generador en respuesta a la deteccion del fallo de tension. Segun esta realizacion, detectar el cortocircuito desequilibrado incluye determinar que el fallo de tension detectado esta provocado por el evento de cortocircuito desequilibrado en el generador. Ademas, cortocircuitar la al menos una fase del generador incluye cortocircuitar la carga resistiva.

Segun un segundo aspecto, la invencion proporciona una turbina eolica con una proteccion frente a cortocircuito desequilibrado. La turbina eolica incluye un rotor que incluye una o mas palas que hacen que el rotor rote en respuesta a fuerzas eolicas y un generador de iman permanente polifasico que tiene una pluralidad de patas de fase, y que recibe una entrada de par de torsion desde el rotor y produce una potencia electrica multifasica. La turbina eolica segun el segundo aspecto de la invencion tambien incluye un convertidor configurado para recibir la potencia electrica producida por el generador y convertir la potencia electrica para usarla en una red de distribucion de potencia. Un interruptor de cortocircuito se dispone entre el generador y el convertidor y esta configurado para crear un cortocircuito equilibrado en el generador cuando se activa, en el que el interruptor de cortocircuito comprende una pluralidad de interruptores, y en el que cada uno de la pluralidad de interruptores esta acoplado entre un par diferente de patas de fase del generador para cortocircuitar de forma selectiva dichas patas de fase. La turbina eolica incluye ademas uno o mas sensores que proporcionan informacion indicativa de un evento de cortocircuito desequilibrado y un controlador que recibe datos del uno o mas sensores para detectar el evento de cortocircuito desequilibrado en el generador de la turbina eolica. El controlador tambien provoca que unos seleccionados de los interruptores de cortocircuito cortocircuiten unas respectivas de las patas de fase para crear un cortocircuito equilibrado en el generador en respuesta a la deteccion del evento de cortocircuito desequilibrado. Por consiguiente, la respuesta de par de torsion del generador se altera ventajosamente para evitar oscilaciones de par de torsion de alta amplitud que se producinan de otro modo como resultado del evento de cortocircuito desequilibrado.

En otra realizacion del metodo segun el segundo aspecto de la invencion, el evento de cortocircuito desequilibrado detectado es al menos uno de un evento de cortocircuito bifasico, un evento de cortocircuito monofasico a masa, y un evento de cortocircuito multifasico a masa.

En otra realizacion del metodo segun el segundo aspecto de la invencion, la turbina eolica incluye ademas una carga resistiva configurada para acoplarse selectivamente al generador para consumir la electricidad producida por el generador cuando se produce un fallo. Ademas, el controlador esta configurado adicionalmente para detectar un fallo de tension y acoplar la carga resistiva al generador en respuesta a la deteccion del fallo de tension y determinar que el fallo de tension detectado esta provocado por el evento de cortocircuito desequilibrado. El cortocircuito equilibrado creado por el interruptor de cortocircuito puede provocar un cortocircuito a traves de la carga resistiva. Breve descripcion de los dibujos

La invencion se entendera mejor con referencia a la descripcion detallada cuando se considera junto con los ejemplos no limitativos y los dibujos adjuntos.

La figura 1 muestra una estructura general de una turbina eolica.

La figura 2 muestra un diagrama de cuadros funcional del interior de una porcion de gondola de la turbina eolica en la figura 1.

La figura 3 muestra una vista detallada de un generador y un interruptor de cortocircuito en la porcion de gondola de la turbina eolica en un primer momento.

La figura 4 muestra una vista detallada del generador y del interruptor de cortocircuito en un segundo momento. La figura 5 muestra un grafico que ilustra la respuesta de par de torsion del generador despues de un evento de cortocircuito desequilibrado, segun una realizacion de la invencion.

La figura 6 muestra un diagrama de flujo que representa un metodo de ejemplo para reducir un impacto del evento de cortocircuito desequilibrado en el generador.

La figura 7 muestra un perfil de descenso en rampa de velocidad de ejemplo cuando se produce un evento de cortocircuito bifasico.

La figura 8 muestra una respuesta de par de torsion de ejemplo del generador cuando se aplica una carga resistiva durante el perfil de descenso en rampa de velocidad de la figura 7.

La figura 9 muestra una primera vista ampliada del grafico mostrado en la figura 8.

La figura 10 muestra una segunda vista ampliada del grafico mostrado en la figura 8.

La figura 11 muestra una respuesta de par de torsion de ejemplo del generador cuando no se aplica una carga resistiva durante el perfil de descenso en rampa de velocidad de la figura 7.

La figura 12 muestra una primera vista ampliada del grafico mostrado en la figura 11.

La figura 13 muestra una segunda vista ampliada del grafico mostrado en la figura 11.

Descripcion detallada de la invencion

Lo siguiente es una descripcion detallada de realizaciones de la invencion representadas en los dibujos adjuntos. Las realizaciones son ejemplos y se presentan en un detalle tal como para comunicar claramente la invencion. Sin embargo, no se pretende que la cantidad de detalle ofrecida limite las variaciones previstas de las realizaciones; sino por el contrario, la intencion es cubrir todas las modificaciones, equivalentes y alternativas que se encuentren dentro del espmtu y alcance de la presente invencion como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Ademas, en diversas realizaciones la invencion proporciona numerosas ventajas con respecto a la tecnica anterior. Sin embargo, aunque realizaciones de la invencion pueden lograr ventajas con respecto a otras posibles soluciones y/o con respecto a la tecnica anterior, el hecho de si se logra o no una ventaja particular mediante una realizacion dada no es limitativo de la invencion. Por tanto, los siguientes aspectos, caractensticas, realizaciones y ventajas son meramente ilustrativos y no se consideran elementos o limitaciones de las reivindicaciones adjuntas excepto cuando se mencionen expKcitamente en una(s) reivindicacion/reivindicaciones. Asimismo, la referencia a “la invencion” no se interpretara como una generalizacion de cualquier objeto inventivo dado a conocer en el presente documento y no se considerara como un elemento o limitacion de las reivindicaciones adjuntas, excepto cuando se mencione explfcitamente en una(s) reivindicacion/reivindicaciones.

Los metodos y los sistemas de ejemplo descritos en el presente documento pueden usarse en una turbina eolica para reducir las oscilaciones de par de torsion no deseadas creadas por arcos o cortocircuitos desequilibrados en un generador de la turbina eolica. Segun una realizacion, se implementa un disyuntor trifasico en un convertidor del lado de red de distribucion de la turbina eolica y, cuando se detecta un cortocircuito desequilibrado, se activa el disyuntor trifasico para emular un cortocircuito trifasico equilibrado.

La figura 1 ilustra un generador de turbina eolica (WTG) de ejemplo (tambien denominado en el presente documento “turbina eolica”) 100 segun una realizacion. Como se ilustra en la figura 1, el WTG 100 incluye una torre 110, una gondola 120 y un rotor 130. En una realizacion, el WTG 100 puede ser una turbina eolica instalada en tierra. Sin embargo, las realizaciones de la invencion no se limitan solo a la turbina eolica instalada en tierra. En realizaciones alternativas, la turbina eolica 100 puede ser una turbina eolica en alta mar ubicada sobre una masa de agua tal como, por ejemplo, un lago, un oceano o similar. La torre 110 de una turbina eolica en alta mar de este tipo se instala o bien en el fondo del mar o bien en plataformas estabilizadas en o sobre el nivel del mar.

La torre 110 del WTG 100 puede estar configurada para elevar la gondola 120 y el rotor 130 hasta una altura en la que el rotor 130 puede recibir un flujo de aire fuerte, menos turbulento y generalmente sin obstrucciones. La altura de la torre 110 puede ser cualquier altura razonable, y debe considerar la longitud de las palas de turbina eolica que se extienden desde el rotor 130. La torre 110 puede fabricarse de cualquier tipo de material, por ejemplo, acero, hormigon o similar. En algunas realizaciones la torre 110 puede fabricarse de un material monolttico. Sin embargo, en realizaciones alternativas, la torre 110 puede incluir una pluralidad de secciones. En algunas realizaciones de la invencion, la torre 110 puede ser una torre de celosfa. Por consiguiente, la torre 110 puede incluir perfiles de acero soldados.

El rotor 130 puede incluir un buje de rotor (denominado a continuacion en el presente documento simplemente el “buje”) 132 y al menos una pala 140 (en la figura 1 se muestran tres palas 140 de este tipo). El buje de rotor 132 puede estar configurado para acoplar la al menos una pala 140 a un arbol (no mostrado). En una realizacion, las palas 140 pueden tener un perfil aerodinamico tal que, a velocidades del viento predefinidas, las palas 140 experimentan una sustentacion, haciendo asf que las palas roten radialmente alrededor del buje. El buje 132 puede comprender ademas mecanismos (no mostrados) para ajustar el paso de la pala 140 para aumentar o reducir la cantidad de energfa eolica captada por la pala 140. El ajuste de paso ajusta el angulo al que el viento incide en la pala 140. Sin embargo, en determinadas realizaciones los mecanismos de ajuste de paso pueden omitirse y, como consecuencia, el paso de la palas 140 no puede ajustarse tales realizaciones.

El buje 132 rota normalmente alrededor de un eje sustancialmente horizontal a lo largo de un arbol de accionamiento (no mostrado) que se extiende desde el buje 132 a la gondola 120. El arbol de accionamiento esta habitualmente acoplado a uno o mas componentes en la gondola 120, que estan configurados para convertir la energfa de rotacion del arbol en energfa electrica.

Aunque el WTG 100 mostrado en la figura 1 tiene tres palas 140, debe observarse que un WTG puede tener un numero diferente de palas. Es habitual encontrar WTG que tienen de dos a cuatro palas. El WTG 100 mostrado en la figura 1 es una turbina eolica de eje horizontal (HAWT) ya que el rotor 130 rota alrededor de un eje horizontal. Debe observarse que el rotor 130 puede rotar alrededor de un eje vertical. Un WTG de este tipo cuyo rotor rota alrededor del eje vertical se conoce como turbina eolica de eje vertical (VAWT). Las realizaciones de WTG descritas a continuacion no se limitan a HAWT que tienen 3 palas. Pueden implementarse como HAWT y VAWT, que tienen cualquier numero de palas 140 en el rotor 130.

En la gondola 120 estan ubicados uno o mas controladores 160 usados para controlar diversos aspectos del WTG 100 (tambien denominados en el presente documento “el controlador” por brevedad). Por ejemplo, el uno o mas controladores 160 reciben datos de los diversos sensores y controlan aspectos tales como la velocidad de rotor, el angulo de paso de pala, el nivel de salida de potencia, etc. Ademas, el uno o mas controladores 160 pueden incluir o tener acceso a uno o mas dispositivos de memoria en los que se almacenan datos de referencia, tales como tablas de consulta, datos de modelos de clima y parques eolicos, y similares. Al menos algunos del uno o mas controladores 160 tambien pueden estar ubicados fuera de la gondola 120, tal como en la torre 110 o en otra estructura cerca del WTG 100. El uno o mas controladores 160 pueden implementarse usando conjuntos de circuitos que incluyen hardware, software codificado en medios legibles por ordenador incluyendo medios programables y no programables, o cualquier combinacion de los anteriores.

La figura 2 es una ilustracion esquematica que muestra los componentes ubicados en el interior de la gondola 120 para el WTG mostrado en la figura 1. El rotor 130 esta conectado en la parte delantera de la gondola 120 a un arbol de accionamiento de baja velocidad principal, que se recibe en una caja de engranajes 220. La caja de engranajes 220 esta conectada, a su vez, a un generador electrico 240 a traves de un arbol de accionamiento de alta velocidad secundario. El generador 240 es un generador polifasico que recibe una entrada de par de torsion desde el rotor 130 y produce electricidad multifasica en multiples salidas, correspondiendo cada salida a una fase diferente. En el funcionamiento normal, la electricidad producida por el generador 240 se pasa a un convertidor de potencia electrico 250 y posteriormente a una salida 260 para su conexion a la red de distribucion o la red de distribucion electrica local. Sin embargo, en el caso de un cortocircuito desequilibrado un punto de interruptor entre el generador 240 y el convertidor 250 puede crear un cortocircuito equilibrado para reducir las oscilaciones de par de torsion que resultanan de otro modo del cortocircuito desequilibrado. El punto de interruptor puede implementarse como un interruptor de cortocircuito 230, como se muestra. En una realizacion de ejemplo el generador 240 es un generador smcrono de iman permanente. Sin embargo, pueden usarse en su lugar otros tipos de generadores polifasicos. Ademas, en una realizacion, el convertidor 250 es un convertidor a escala completa, pero puede usarse en su lugar un convertidor que realiza solo una conversion parcial de la potencia generada.

El controlador 160 del WTG 100 determina y proporciona un nivel de referencia de paso a un actuador de paso 280 y determina y proporciona al convertidor 250 un nivel de referencia de potencia que designa un nivel de potencia que va a producirse por el generador 240. Estos niveles de referencia se determinan mediante algoritmos de control internos y/o tablas en el controlador 160.

El valor de referencia de paso es el angulo que se requiere que formen las palas de rotor con respecto al viento incidente, y el valor se ajusta para reflejar los cambios en la velocidad del viento incidente. El angulo de paso de las palas afecta a la velocidad de punta de las palas de la turbina giratoria, y es la funcion del actuador de paso 202 controlar de forma constante las palas segun el angulo de paso recibido desde el controlador 160. El ajuste constante en las palas de rotor del angulo de paso garantiza o bien que la turbina eolica genera una potencia optima o bien que, cuando la velocidad del viento es demasiado alta, puede reducirse la potencia nominal de la turbina eolica para entrar en un modo seguro.

Debe observarse que la ilustracion mostrada en la figura 2 representa solo una de muchas realizaciones de ejemplo que se contemplan. Por ejemplo, en otra realizacion de ejemplo, puede omitirse la caja de engranajes 220. Tales realizaciones se denominan realizaciones de turbina eolica de accionamiento directo o sin engranajes. Ademas, o alternativamente, el generador 240 puede disenarse o controlarse de modo que su salida se encuentra a la frecuencia de la red de distribucion y el convertidor 250 puede omitirse o sustituirse por otro componente que realiza funciones secundarias, tales como control de potencia reactiva y/o acondicionamiento de senales.

La figura 3 muestra una vista detallada del generador 220 y el interruptor de cortocircuito 230 cuando se produce un evento de cortocircuito bifasico en el generador. (Un evento de cortocircuito bifasico es solo un ejemplo de un evento de cortocircuito desequilibrado que puede detectarse y mitigarse. Otros eventos de cortocircuitos desequilibrados incluyen un evento de cortocircuito monofasico a masa y un evento de cortocircuito multifasico a masa.) El controlador 160 no identifica inmediatamente un fallo como equilibrado o desequilibrado. Por tanto, la figura 4 muestra otra vista detallada del generador 220 y del convertidor 250 un momento despues, despues de que se haya identificado el fallo como un evento de cortocircuito bifasico y el controlador 160 haya ordenado al interruptor de cortocircuito 230 crear un cortocircuito equilibrado en el generador.

En la realizacion de ejemplo mostrada en las figuras 3 y 4, el interruptor de cortocircuito 230 incluye una pluralidad de interruptores 232, 234 y 236. Los interruptores 232, 234 y 236 pueden incluir interruptores de tiristor, tales como interruptores de tiristor conmutado por compuerta integrada (IGCT) y/o pueden incluir otros interruptores de un tipo que esta clasificado para alta potencia. Cada uno de los interruptores esta acoplado entre un par diferente de patas de fase del generador 220 para cortocircuitar de forma selectiva las patas de fase y crear un cortocircuito equilibrado en el generador. En una realizacion cada uno de los interruptores 232, 234, 236 puede controlarse de forma individual de modo que, si se desea, solo uno (o solo dos) de los interruptores esta(n) cerrado(s) mientras los otros permanecen abiertos, mientras en otras realizaciones los interruptores se activan y desactivan simultaneamente, por ejemplo, mediante un interruptor unidireccional. Ademas, debido a que solo se necesitan dos interruptores para cortocircuitar el conjunto de tres salidas juntas, en determinadas realizaciones puede omitirse uno de los interruptores 232, 234, 236. Sin embargo, para garantizar la reduccion de corrientes transitorias pueden utilizarse en su lugar tres interruptores, como se muestra. Ademas, en la realizacion de ejemplo mostrada, el generador 220 es un generador trifasico con tres conductores de salida, portando cada conductor de salida una senal de potencia electrica con una fase diferente de las otras. Sin embargo, se contemplan otras realizaciones, tales como un generador con mas de tres fases y, en tales realizaciones, el interruptor de cortocircuito 230 puede tener un numero correspondientemente mayor de interruptores.

Cuando se produce un cortocircuito desequilibrado, como se representa graficamente mediante la flecha 310, el controlador 160 identificara inicialmente el cortocircuito desequilibrado como un fallo de tension general (por ejemplo, por medio de sensores acoplados para detectar niveles de tension en la red de distribucion), sin identificar si el fallo se ha producido en la red de distribucion, en el generador o en otro lugar. El controlador 160 iniciara inmediatamente (por ejemplo, aproximadamente 120 ms despues de producirse el fallo) un apagado de la turbina eolica, por ejemplo, haciendo que el convertidor 250 se desconecte de la red de distribucion, aplicando una carga resistiva, haciendo que las palas 140 del rotor 130 ajusten el paso fuera del viento, y tomando cualquier otra medida que facilite un apagado de la turbina eolica 100. Como consecuencia, la velocidad del generador seguira generalmente un perfil en rampa de velocidad tal como el mostrado en la figura 7.

En un segundo momento mostrado en la figura 4 (por ejemplo, aproximadamente 1 segundo despues de que la turbina eolica inicie el apagado), el controlador 160 identifica que el fallo es un cortocircuito bifasico y cortocircuita al menos una fase del generador para crear un cortocircuito equilibrado (representado graficamente en la figura 4 mediante la flecha 410) en el generador. El cortocircuito equilibrado hace que al menos parte de la corriente producida por el generador 220 evite la carga resistiva, que esta dentro del, o acoplada directa o indirectamente al, convertidor 250. El cortocircuito equilibrado puede crearse activando uno o mas de los interruptores 232, 234, 236 en el interruptor de cortocircuito 230. Como resultado del cortocircuito equilibrado creado mediante el interruptor de cortocircuito 230, la respuesta de par de torsion del generador 220 se vuelve igual a una respuesta de par de torsion de cortocircuito trifasico normal y se evitan oscilaciones de par de torsion de alta amplitud asociadas con el evento de cortocircuito bifasico. La figura 5 muestra una respuesta de par de torsion del generador 220 como resultado del procedimiento de fijacion de cortocircuito trifasico descrito anteriormente.

El controlador 160 puede identificar el fallo como un cortocircuito desequilibrado de diferentes maneras. Por ejemplo, se puede usar un desequilibrio sustancial del flujo de corriente a traves de la carga resistiva y/o los niveles de tension en el enlace de CC para indicar que es probable que se haya producido un evento de cortocircuito desequilibrado. Tales condiciones pueden detectarse usando sensores de tension y/o corriente (no mostrados) que monitorizan las salidas del generador 220. Ademas, un sensor de velocidad del generador y acelerometros en la turbina eolica tambien pueden proporcionar informacion que es indicativa de un cortocircuito desequilibrado.

En una realizacion, el cortocircuito equilibrado se crea inmediatamente despues de la deteccion del cortocircuito desequilibrado para evitar cualquier posible dano debido a oscilaciones de par de torsion. Sin embargo, en otra realizacion, el cortocircuito equilibrado se crea gradualmente.

La transicion gradual a un cortocircuito equilibrado se realiza, por ejemplo, activando y desactivando los interruptores en el interruptor de cortocircuito 230 repetidamente en una sucesion rapida (por ejemplo, a una frecuencia de hasta 2 kHz) durante un breve periodo de tiempo (por ejemplo, desde 0,1 segundos hasta 10 segundos). Ademas, para hacer que la transicion a un cortocircuito equilibrado sea gradual y con un lfmite controlado de consumo de potencia de cortocircuito, puede usarse un ciclo de trabajo de conexion/desconexion ajustable en el que la porcion activada del ciclo de trabajo (es decir, la porcion que hace que se cierre un interruptor de cortocircuito) es inicialmente mucho mas corta que la porcion desactivada y cambia gradualmente a lo largo de un periodo de tiempo (por ejemplo, desde 0,1 segundos hasta 10 segundos) para llegar a ser mucho mas larga que la porcion desactivada. El ciclo de trabajo se ajusta para garantizar la transicion gradual de cortocircuito desequilibrado a cortocircuito trifasico equilibrado y tambien para evitar superar una zona de funcionamiento segura de los interruptores en el interruptor de cortocircuito 230. Para facilitar la transicion gradual a un cortocircuito equilibrado (o por otras razones) los interruptores 232, 234 y 236 usados en el interruptor de cortocircuito 230 pueden ser de un tipo que facilita la conmutacion de alta velocidad. Por ejemplo, uno o mas de los interruptores 232, 234 y 236 pueden ser interruptores de transistor bipolar de compuerta aislada (IGBT) o algun otro tipo de interruptor activado por compuerta.

La figura 6 muestra un metodo 600 de ejemplo para controlar una turbina eolica, tal como la turbina eolica 100. El metodo 600 incluye una primera etapa 610 en la que se detecta un fallo de tension. En la turbina eolica 100 de ejemplo descrita anteriormente, el controlador 160 puede llevar a cabo la etapa 610 junto con sensores (no mostrados) que detectan niveles de tension en una salida de la turbina eolica 100. A continuacion, en la etapa 620, se acopla una carga resistiva a una salida del generador en respuesta a la deteccion del fallo de tension. Por ejemplo, en la turbina eolica 100, el controlador 160 puede provocar que se cierre un interruptor en el convertidor 250 para derivar corriente a la carga resistiva en respuesta a la deteccion del fallo de tension. En la etapa siguiente, la etapa 630, se determina que el fallo de tension detectado esta provocado por un evento de cortocircuito desequilibrado en el generador. El evento de cortocircuito desequilibrado detectado puede ser un evento de cortocircuito bifasico, un evento de cortocircuito monofasico a masa o un evento de cortocircuito multifasico a masa. En la turbina eolica 100, el controlador 160 puede determinar que el fallo de tension esta provocado por un cortocircuito desequilibrado, por ejemplo, tomando lecturas de un sensor de corriente acoplado a la carga resistiva y determinando que los niveles de corriente a traves de la carga resistiva 320 estan desequilibrados.

En la etapa final mostrada, la etapa 640, se cortocircuita la carga resistiva para crear un cortocircuito equilibrado en el generador. Por ejemplo, el controlador 160 puede provocar que el interruptor de cortocircuito 230 cortocircuite al menos una fase del generador 220. En una realizacion de ejemplo, esto se puede lograrse haciendo que el interruptor de cortocircuito 230 cortocircuite una trayectoria de circuito entre la al menos una fase y al menos otra fase en las salidas del generador. Ademas, el cortocircuito equilibrado puede crearse gradualmente, por ejemplo, aplicando y eliminando un cortocircuito entre cada pata de fase del interruptor de cortocircuito 230 repetidamente en una sucesion rapida y, opcionalmente, usando un ciclo de trabajo de activacion/desactivacion ajustable que realiza la transicion de principalmente desactivado (circuito abierto) a principalmente activado (cortocircuito).

El metodo anterior 600 es solo un metodo de ejemplo que se contempla. De hecho, en otros metodos de ejemplo, determinadas etapas del metodo 600 pueden omitirse o sustituirse por otras etapas. Ademas o alternativamente, pueden anadirse etapas adicionales al metodo de ejemplo 600. Por ejemplo, pueden realizarse etapas adicionales asociadas con el control de paso de pala en respuesta a la deteccion de un fallo de tension.

Como se ha demostrado anteriormente, se pueden usar los metodos y sistemas de ejemplo descritos en el presente documento para reducir el impacto de un cortocircuito desequilibrado en un generador de una turbina eolica para que no sea peor que el impacto de un cortocircuito equilibrado en el generador.

Claims (8)

REIVINDICACIONES

1. Metodo de reduccion de un impacto de un evento de cortocircuito desequilibrado en una turbina eolica (100), incluyendo la turbina eolica (100) un generador de iman permanente polifasico (240) que tiene una pluralidad de patas de fase, un convertidor (250) que convierte la potencia electrica producida por el generador (240) para usarla en una red de distribucion de potencia, y un interruptor de cortocircuito (230) entre el generador (240) y el convertidor (250), incluyendo el interruptor de cortocircuito (230) una pluralidad de interruptores (232, 234, 236) cada uno de los cuales esta acoplado entre un par diferente de las patas de fase, comprendiendo el metodo:

detectar (610) un evento de cortocircuito desequilibrado (310) en el generador (240) de la turbina eolica (100); y

en respuesta a la deteccion del evento de cortocircuito desequilibrado, controlar unos seleccionados de los interruptores (232, 234, 236) con el fin de cortocircuitar (630) unas respectivas de las patas de fase del generador en el interruptor de cortocircuito (230) para crear un cortocircuito equilibrado en el generador (240).

2. Metodo segun la reivindicacion 1, en el que el evento de cortocircuito desequilibrado detectado es al menos uno de un evento de cortocircuito bifasico, un evento de cortocircuito monofasico a masa, y un evento de cortocircuito multifasico a masa.

3. Metodo segun la reivindicacion 1, que comprende ademas:

detectar (610) un fallo de tension; y

acoplar (620) una carga resistiva a una salida del generador (240) en respuesta a la deteccion del fallo de tension,

en el que detectar el cortocircuito desequilibrado incluye determinar (630) que el fallo de tension detectado esta provocado por el evento de cortocircuito desequilibrado en el generador (240), y

en el que cortocircuitar (630) la al menos una fase del generador incluye cortocircuitar la carga resistiva.

4. Metodo segun la reivindicacion 1, en el que cortocircuitar la al menos una fase del generador incluye cortocircuitar una trayectoria de circuito en el punto de interruptor (230) entre la al menos una fase y al menos otra fase.

5. Metodo segun la reivindicacion 1, en el que cortocircuitar la al menos una fase del generador para crear el cortocircuito equilibrado se realiza gradualmente aplicando y eliminando el cortocircuito repetidamente en una sucesion rapida.

6. Turbina eolica (100) con proteccion frente a cortocircuito desequilibrado, comprendiendo la turbina eolica:

un rotor (130) que incluye una o mas palas (140) que hacen que el rotor (130) rote en respuesta a fuerzas eolicas;

un generador de iman permanente polifasico (240) que tiene una pluralidad de patas de fase, y que recibe una entrada de par de torsion desde el rotor (130) y produce potencia electrica multifasica;

un convertidor (250) configurado para recibir la potencia electrica producida por el generador (240) y para convertir la potencia electrica para usarla en una red de distribucion de potencia;

un interruptor de cortocircuito (230) dispuesto entre el generador y el convertidor y configurado para crear un cortocircuito equilibrado en el generador cuando se activa, en la que el interruptor de cortocircuito (230) comprende una pluralidad de interruptores (232, 234, 236), y en la que cada uno de la pluralidad de interruptores (232, 234, 236) esta acoplado entre un par diferente de patas de fase del generador (240) para cortocircuitar de forma selectiva dichas patas de fase;

uno o mas sensores que proporcionan informacion indicativa de un evento de cortocircuito desequilibrado; y un controlador configurado para recibir datos del uno o mas sensores para detectar el evento de cortocircuito desequilibrado (310) y, en respuesta a la deteccion del cortocircuito desequilibrado, configurado para hacer que unos seleccionados de los interruptores de cortocircuito (232, 234, 236) cortocircuiten unas respectivas de las patas de fase para crear un cortocircuito equilibrado en el generador (240).

7. Turbina eolica segun la reivindicacion 6, en la que el evento de cortocircuito desequilibrado detectado es al menos uno de un evento de cortocircuito bifasico, un evento de cortocircuito monofasico a masa, y un evento de cortocircuito multifasico a masa.

8. Turbina eolica segun la reivindicacion 6, que comprende ademas:

una carga resistiva configurada para acoplarse selectivamente al generador para consumir la electricidad producida por el generador cuando se produce un fallo,

en la que el controlador esta configurado ademas para:

detectar un fallo de tension y acoplar la carga resistiva al generador (240) en respuesta a la deteccion del fallo de tension; y

determinar que el fallo de tension detectado esta provocado por el evento de cortocircuito desequilibrado,

en la que el cortocircuito equilibrado creado por el interruptor de cortocircuito provoca un cortocircuito a traves de la carga resistiva.