ES2747846T3 - Aerogenerador con rango de tensión ampliado - Google Patents

Abstract

Aerogenerador con un rotor eólico (12), con un generador (14) accionado por el mismo para la generación de energía eléctrica, y con una línea de conexión para el suministro de la energía eléctrica a una red (9), en su caso, través de un transformador de instalación (2), previéndose un expansor de tensión (3) que amplía el rango de tensión del aerogenerador por medio de una fuente de tensión adicional, caracterizado por que el expansor de tensión (3) comprende un transformador pequeño propio (30), con un devanado primario y un devanado secundario (31, 32), y un mecanismo de conmutación (33), presentando el transformador pequeño (30) una fracción de la potencia nominal del aerogenerador e insertándose en bucle con el devanado secundario (32) en la línea de conexión (17), y conectándose el mecanismo de conmutación (33) al devanado primario (31) del transformador pequeño (30) y controlándose el mismo de manera sea posible una conmutación multietapa, comprendiendo el mecanismo de conmutación (33) varios conmutadores (35, 36, 35', 36', 37) que se asignan respectivamente a una etapa, aportándose al mecanismo de conmutación (33), a través de una conexión (34), una tensión adaptada a la red (9) con respecto a su posición de frecuencia y de fase.

Description

DESCRIPCIÓN

Aerogenerador con rango de tensión ampliado

La invención se refiere a un aerogenerador con un rotor eólico, con un generador accionado por el mismo para la generación de energía eléctrica y con una línea de conexión para el suministro de la energía eléctrica.

En el transcurso de la expansión progresiva y del aumento simultáneo de la capacidad productiva, los parques eólicos se construyen preferiblemente en lugares donde predominan unas buenas condiciones de viento, especialmente en las costas, en el mar o en regiones montañosas. En muchos casos se trata de zonas con una infraestructura inadecuada, especialmente parques eólicos marinos (los así llamados parques eólicos Offshore), en los que, por regla general, no existe ninguna infraestructura. Por consiguiente, se requieren vías de suministro relativamente largas para llegar a los consumidores o alcanzar redes de distribución eficientes. Por este motivo, en los parques eólicos de mayor potencia se producen a menudo desviaciones de tensión. Los operadores de redes han reaccionado en consecuencia y cada vez exigen a los aerogeneradores más medidas para conseguir una mayor rigidez dieléctrica en comparación con las desviaciones de la tensión nominal, debiéndose proporcionar esta rigidez dieléctrica también en el caso de un funcionamiento con un factor de potencia que difiere de cos phi = 1.

Para aumentar el rango de tensión de los aerogeneradores, se conoce la posibilidad de dotarlos de un transformador con tomas. En este caso, por medio de un conmutador se puede modificar la relación de transmisión del transformador, de manera que el aerogenerador se adapte de este modo a las diferentes tensiones de la red prevista delante. Esto permite abarcar un rango de tensión relativamente amplio, pero los tiempos de conmutación de estos cambiadores de tomas son relativamente largos (hasta el rango de minutos), lo que se considera demasiado lento. Además, los cambiadores de tomas son propensos al desgaste. Para evitar este problema, se puede prever en principio una solución basada en elementos semiconductores. Sin embargo, esto tiene el inconveniente de que los elementos semiconductores deben dimensionarse extremadamente grandes, por lo que resultan costosos, dado que transmiten toda la potencia. Para los modernos aerogeneradores de alta potencia en el rango de los megavatios, esto es prácticamente imposible.

Por el documento WO 2007/006565 A2 se conoce un aerogenerador configurado para, en caso de sobretensión en la red, utilizar las reservas de corriente existentes para aumentar la potencia. No se revela nada relacionado con el aumento del rango de tensión. Los dispositivos clásicos para el cambio de tensión con transformadores elevadores de tensión son objeto del documento CH 176 137 A. Los transformadores elevadores de tensión son monofásicos. No obstante, en este caso los transformadores elevadores de tensión se alimentan desde la propia fase. No se revela una fuente de tensión adicional. Por lo tanto, en caso de una subtensión, la tensión puesta a disposición por el transformador elevador de tensión también disminuye, lo que resulta contraproducente para una estabilización. En un contexto totalmente diferente, en concreto, en relación con el consumidor, se conocen diversas medidas para la estabilización de la tensión. En este caso se puede prever un transformador elevador de tensión conmutado (DE 4429 884 A1), pero los conmutadores deben asumir toda la potencia, por lo que el principio sólo resulta adecuado para consumidores con una potencia más bien reducida. Lo mismo ocurre con los transformadores elevadores de tensión de un transformador de distribución de la red local de 230 V (DE 102010 015276 A1) que se conectan y desconectan según sea necesario, debiendo también aquí las unidades de conmutación conducir toda la potencia (consumo normal).

También se conoce la posibilidad de unir un punto de conexión de un parque eólico con varios aerogeneradores a una red de transmisión a través de una línea de acoplamiento común, insertándose en bucle en esta línea de acoplamiento común un transformador elevador de tensión con su devanado secundario (EP 2573 895 A1). A un devanado primario del transformador elevador de tensión se conecta, a través de un mecanismo de conmutación, un convertidor alimentado por una batería. El convertidor y la batería forman juntos un elemento de almacenamiento de energía configurado para absorber el exceso de energía eléctrica y, a la inversa, (especialmente en caso de falta de viento) para complementar la energía eléctrica que falta en la batería. Aquí la energía se alimenta al punto de conexión del parque eólico para su estabilización. No se revela una ampliación del rango de tensión del aerogenerador.

Partiendo del último estado de la técnica citado, la invención se basa en la tarea de ampliar un aerogenerador con respecto a su rango de tensión, debiéndose conseguir tiempos de conmutación más rápidos con poco esfuerzo. La solución según la invención radica en las características de las reivindicaciones independientes. Las variantes perfeccionadas son objeto de las reivindicaciones dependientes.

La invención se basa en la idea de proporcionar, por medio de un expansor de tensión que se compone de un transformador pequeño adicional con un mecanismo de conmutación, una ampliación del rango de tensión en el que el aerogenerador pueda funcionar. Mediante el mecanismo de conmutación, el transformador pequeño se conecta en varias etapas, obteniéndose un desplazamiento de tensión más o menos grande o diferente en dependencia de la conmutación de las etapas. El transformador pequeño presenta una fracción de la potencia nominal del aerogenerador. Dado que, según la invención, el transformador pequeño se inserta en bucle en la línea de conexión entre el aerogenerador y la red, éste puede de este modo aumentar la tensión del aerogenerador, induciendo una tensión adicional del mismo signo a la tensión suministrada por el aerogenerador, o reduciendo la misma mediante la inducción de una tensión de signo inverso al aerogenerador.

Una característica especial de la invención consiste en que, gracias a su disposición a lo largo de la línea de conexión, es suficiente un transformador cuya potencia pueda ser considerablemente menor que la potencia del aerogenerador. Por este motivo, el transformador se denomina "transformador pequeño". El tamaño de este transformador pequeño sólo depende de la cresta de tensión deseada del expansor de tensión. Si, por ejemplo, es suficiente una expansión del 10% con respecto al valor nominal, el transformador pequeño también necesita presentar solamente una potencia de aproximadamente el 10% de la potencia nominal del aerogenerador. Con la disposición según la invención no sólo resulta una ampliación multietapa y, por consiguiente, adaptada del rango de tensión del aerogenerador, sino que esto se consigue de un modo sorprendentemente económico, concretamente con un expansor de tensión cuyo transformador pequeño sólo necesita tener una fracción de la potencia nominal del aerogenerador. De este modo se puede conseguir una ampliación considerable del rango de tensión del aerogenerador con muy poco esfuerzo adicional.

A continuación se explican algunos de los términos utilizados:

Por un transformador pequeño se entiende un transformador autoalimentado adicional que se inserta en bucle en la línea de conexión, por una parte, entre el aerogenerador o su transformador y, por otra parte, un punto de conexión a la red en el aerogenerador.

En el caso del punto de conexión a la red se puede tratar de un punto de conexión del aerogenerador a una red interna del parque o de un punto de transferencia a una red de transmisión de energía de nivel superior.

Por multietapa se entiende un escalonamiento tanto unipolar, como también bipolar. Esto significa que multietapa puede ser tanto un escalonamiento en el sentido de 1, 2, 3,.... como también un escalonamiento en el sentido de -1,0, 1.

Resulta especialmente preferible que el control multietapa del devanado primario del transformador pequeño se lleve a cabo con una polarización diferente. Esto permite no sólo ampliar el rango de tensión del aerogenerador hacia arriba a tensiones mayores mediante el expansor de tensión, sino también hacia abajo a tensiones menores. También es conveniente prever una etapa cero.

A fin de conseguir un mayor rango de ajuste para el expansor de tensión, se disponen en la línea de conexión preferiblemente varios transformadores pequeños en serie. De este modo, es posible proporcionar un mayor número de etapas de acuerdo con el número de transformadores pequeños, de manera que, por una parte, se pueda realizar un ajuste del rango de tensión en un rango mayor mediante un expansor de tensión, pero siendo posible, por otra parte, un escalonamiento más preciso y, por consiguiente, una adaptación a las condiciones respectivas. Aquí, los transformadores pequeños pueden diseñarse respectivamente de forma similar para que generen la misma tensión adicional. En tal caso, sólo se requiere un tipo de transformadores pequeños y, en su caso, mecanismos de conmutación, lo que simplifica el almacenamiento y la fabricación. Para que éstos se puedan conmutar opcionalmente, con preferencia se prevé respectivamente un mecanismo de conmutación propio para los transformadores pequeños. Ventajosamente, los mecanismos de conmutación se realizan de manera que presenten como elementos de conmutación dispositivos protectores de potencia y/o tiristores. Así se puede conseguir un circuito robusto y al mismo tiempo también rápido, preferiblemente en un rango de tiempo de conmutación de como máximo 0,1 seg. Sin embargo, no debe descartarse la posibilidad de configurar los transformadores pequeños con diferentes tamaños, de manera que generen tensiones de diferentes magnitudes. Así, una combinación puede cubrir un rango de tensión aún mayor; por ejemplo, en el caso de una disposición de tres transformadores pequeños en el sentido de 1:2:4, se pueden proporcionar ocho niveles de tensión diferentes de 0-7 para el expansor de tensión.

Un transformador pequeño según la presente invención se caracteriza por que sólo se dimensiona para una potencia que es significativamente menor que la potencia nominal del aerogenerador. Por los motivos ya explicados, esto es totalmente suficiente para que el expansor de tensión pueda lograr un aumento correspondiente del rango de tensión del aerogenerador. Así se evitan costes elevados y requisitos de espacio de instalación innecesarios debidos a un sobredimensionamiento. El transformador pequeño presenta preferiblemente una potencia que es como máximo % de la potencia nominal del aerogenerador. Con una configuración según la invención tan pequeña del transformador pequeño, no sólo se consigue un ahorro considerable de los costes, sino que también se minimiza el espacio requerido para la instalación o la refrigeración del transformador pequeño. Para el expansor de tensión según la invención es suficiente un mínimo de esfuerzo adicional, tanto en relación con los costes, como también en relación con los requisitos de espacio de instalación. Por lo tanto, el expansor de tensión según la invención resulta especialmente adecuado para el reequipamiento de aerogeneradores o parques eólicos disponibles, lo que es de gran importancia con respecto al gran número de parques eólicos existentes. En el caso de la invención ha dado un buen resultado una configuración de la potencia del transformador pequeño dependiente de la tensión adicional que proporciona el expansor de tensión. Preferiblemente, la potencia del transformador pequeño se dimensiona proporcionalmente a la tensión adicional, por lo que la tensión adicional está relacionada con la tensión nominal. Por ejemplo, para conseguir una tensión adicional de una décima parte de la tensión nominal, la potencia del transformador pequeño se configura convenientemente para como máximo una décima parte de la potencia nominal del aerogenerador. Esto significa que para un aerogenerador con una potencia nominal de 3 MW, únicamente se necesita un transformador configurado sólo para una potencia de 0,3 MW.

Convenientemente, el expansor de tensión se configura de manera que pueda desconectarse de la línea de conexión con su transformador pequeño a través de contactores. Así, cuando el expansor de tensión no es necesario durante el funcionamiento normal a tensiones del orden de la tensión nominal, es posible conseguir que el expansor de tensión sea ineficaz, por lo que se reducen las pérdidas, especialmente las pérdidas de transmisión a través del transformador pequeño. Aunque, de todos modos, estas pérdidas son sólo pequeñas debido a las ya reducidas dimensiones del transformador pequeño según la invención, el hecho de evitar estas pequeñas pérdidas también significa un aumento del rendimiento del aerogenerador.

A fin de evitar, en el caso del control multietapa según la invención del transformador pequeño del expansor de tensión, una situación en la que el transformador pequeño quede libre de carga durante la conmutación, aunque sólo sea de forma momentánea, se prevé preferiblemente una etapa de carga separada. Ésta garantiza que siempre se aplique una carga al transformador pequeño, incluso en el caso de una conmutación. Así se contrarresta el riesgo de picos de tensión altos inadmisibles durante la conmutación.

El expansor de tensión se diseña de manera que el transformador pequeño se combine con el transformador de la instalación. Preferiblemente, el transformador pequeño se realiza como un componente propio (en su caso intercambiable), cuya conexión eléctrica se inserta en bucle en el transformador de la instalación. Resulta especialmente preferible un diseño en el que la fuente de tensión adicional formada por el transformador pequeño se conecta al transformador de la instalación por el lado de alta tensión. Esto se lleva a cabo preferiblemente en un nivel de media tensión, concretamente de manera que el transformador pequeño se conecte dentro de un devanado de media tensión del transformador de la instalación. Alternativamente se puede prever también que el transformador pequeño se conecte por el lado de media tensión a un punto neutro del transformador de la instalación. Ambas formas de realización ofrecen la ventaja de que el transformador pequeño se configura de manera que se combine con el lado de media tensión. Así no sólo se ahorra espacio de instalación, sino que también significa una protección eficaz contra cortocircuitos del transformador pequeño sin medidas estructurales adicionales, dado que la protección contra cortocircuitos ya está garantizada por el devanado de media tensión del transformador de la instalación.

Una realización preferida del transformador pequeño consiste en un transformador de dispersión que presenta una tensión de cortocircuito uk de al menos 0,10, preferiblemente de al menos 0,15. En este caso resulta ventajoso que el devanado primario del transformador pequeño se enrolle sobre el devanado secundario. Se han obtenido resultados especialmente satisfactorios dotando el transformador de dispersión de bobinas planas que se disponen preferiblemente en los brazos separados del núcleo del transformador, en especial del transformador de la instalación, y/o que se configuran como nervios en el núcleo del transformador. Para el núcleo se utilizan preferiblemente chapas para imanes con una curva característica de saturación dura. Además, las bobinas se disponen convenientemente de manera que no formen ningún transformador de aire. De este modo se evita un acoplamiento magnético no deseado.

Convenientemente se prevé que el mecanismo de conmutación del expansor de tensión se active en función de la tensión y/o de la potencia reactiva. Ha resultado especialmente eficaz una activación del mecanismo de conmutación en dependencia de ambos parámetros. Preferiblemente se prevé para ello un regulador para la tensión y/o la potencia reactiva que, como magnitud controlada, registra la tensión y/o la potencia reactiva en la línea de conexión. Resulta ventajoso registrar estos datos en un lado alejado del aerogenerador, es decir, en el lado de la red, con respecto al expansor de tensión según la invención. De este modo se consigue un alto nivel de precisión en el ajuste del rango de tensión ampliado deseado. Para evitar interacciones no deseadas entre el mecanismo de conmutación del expansor de tensión según la invención y los dispositivos reguladores de tensión existentes, especialmente del aerogenerador como tal o de un parque eólico, se prevé convenientemente aplicar un estado de conmutación del mecanismo de conmutación del expansor de tensión a un regulador como éste existente y, en concreto, especialmente a un control previo de magnitudes perturbadoras. De este modo se consigue que, en caso de activación del mecanismo de conmutación, el regulador ya esté previamente ajustado a un nivel de tensión modificado, por lo que no es necesario compensarlo. Así se contrarresta el riesgo de que el regulador ya existente funcione contra la ampliación del rango de tensión por medio del expansor de tensión según la invención.

La invención se extiende además a un parque eólico con varios aerogeneradores conectados a una red de parque conectada a su vez a una red de transmisión a través de una línea de acoplamiento, previéndose un expansor de tensión central que, según la invención, garantiza la ampliación del rango de tensión del parque eólico en su conjunto por medio de una fuente de tensión adicional y de un mecanismo de conmutación como el antes descrito. Con esta finalidad se prevé convenientemente un regulador de parque para la tensión y/o la potencia reactiva que registra como magnitud controlada la tensión o la potencia reactiva en la línea de acoplamiento y la compensa mediante el expansor de tensión central. Preferiblemente, este registro se realiza en el lado del expansor de tensión alejado del parque, es decir, en el lado de la red de transmisión. En relación con una descripción más detallada y con la configuración de variantes perfeccionadas ventajosas, se hace referencia a la descripción anterior que se aplica análogamente.

Preferiblemente se aplica un estado de conmutación del mecanismo de conmutación del expansor de tensión central a un control previo de magnitudes perturbadoras del regulador del parque. Así se consigue un comportamiento de conmutación silencioso, de manera que una regulación de tensión ya existente del parque eólico funcione de forma armoniosa con el expansor de tensión central según la invención.

El parque eólico presenta preferiblemente uno o varios aerogeneradores que disponen de un expansor de tensión como el antes descrito. De este modo se optimizan aún más el rango de tensión y el rango de ajuste.

La invención se explica a continuación más detalladamente con referencia al dibujo adjunto, en el que se representan ejemplos de realización ventajosos de la invención. Se muestra en la:

Figura 1 un ejemplo de realización para un aerogenerador según la invención;

Figura 2 una vista del circuito del aerogenerador representado en la figura 1 con un expansor de tensión;

Figura 3 una vista detallada de un mecanismo de conmutación del expansor de tensión;

Figura 4 un circuito según un segundo ejemplo de realización de la invención con un expansor de tensión de dos etapas;

Figura 5 un ejemplo de realización para un transformador de instalación con un transformador pequeño del expansor de tensión en un montaje combinado;

Figura 6 otro ejemplo de realización del transformador de instalación con una disposición diferente del transformador pequeño en el nivel de media tensión;

Figura 7 otro ejemplo de realización con una disposición del transformador pequeño en un nivel de baja tensión del transformador de instalación;

Figura 8 otro ejemplo de realización con una disposición diferente del transformador pequeño en el lado de baja tensión del transformador de instalación;

Figura 9 un diagrama de la estructura de regulación en un parque eólico con aerogeneradores según la invención; Figura 10 detalles referentes al control para un dispositivo según la figura 9;

Figura 11 un diagrama de curva característica para el funcionamiento del aerogenerador con el modulador de tensión según la invención; y

Figura 12 una representación seccionada de un transformador de dispersión.

El aerogenerador, representado en la figura 1 y dotado en su totalidad del número de referencia 1, comprende una góndola 11 en el extremo superior de la torre 10 dispuesta de forma giratoria en una torre 10 en dirección acimutal. La góndola 11 presenta, por uno de sus lados frontales, un rotor eólico 12 apoyado con posibilidad de giro con palas de rotor 13. El mismo acciona a través de un eje (no representado) un generador 14 con un convertidor 15 para la generación de energía eléctrica que se aporta, a través de una línea 17 con un transformador de instalación 2 del aerogenerador, a una red interna del parque 9. El funcionamiento del aerogenerador 1 se supervisa por medio de un sistema de control 8 dispuesto en la góndola 11. A través de líneas de comunicación no representadas, este sistema de control se conecta a un parque maestro 7 y/o a dispositivos de control de nivel superior (no representados), especialmente al operador de red.

El aerogenerador 1 suministra la energía eléctrica a un nivel de baja tensión que suele ser del orden de 600-1000 V. Sin embargo, para la transmisión, y esto también se aplica a la transmisión a través de la red interna del parque 9, se requieren normalmente tensiones más altas, concretamente en el rango de media tensión, por ejemplo, 20 kV. Con esta finalidad, el transformador de instalación 2 se prevé en o dentro del aerogenerador 1. La tensión en la red interna del parque 9 puede fluctuar y el aerogenerador 1 debe seguir la fluctuación de la tensión de forma correspondiente a través de su transformador 2. Además, el aerogenerador debe proporcionar potencia reactiva a demanda, ya sea como potencia reactiva inductiva o capacitiva. En principio, los aerogeneradores conocidos 1 pueden proporcionar dicha potencia, pero no siempre en todo el rango de tensión requerido. Según la invención, para ampliar el rango de tensión utilizable para el aerogenerador 1, un expansor de tensión 3 se inserta en bucle en la línea de conexión 17 del aerogenerador 1 a la red 9. En el ejemplo de realización representado en la figura 1, éste se encuentra en el lado de media tensión del transformador 2, es decir, entre el transformador 2 y la red 9. Sin embargo, también podría disponerse en el lado de baja tensión del transformador 2, es decir, entre el aerogenerador 1 y el transformador 2. El rango de tensión del expansor 3 sirve para ampliar el rango de tensión del aerogenerador 1 en la red 9, a fin de cumplir los requisitos más estrictos de los operadores de la red con respecto a la resistencia de los aerogeneradores frente a las fluctuaciones de la tensión al mismo tiempo que se proporciona la potencia reactiva.

El expansor de tensión 3 comprende un transformador pequeño 30 con un devanado primario 31, así como un devanado secundario 32 y un mecanismo de conmutación 33. El devanado secundario 32 se inserta en bucle en la línea de conexión 17 entre el aerogenerador 1 y la red 9, y concretamente en el ejemplo de realización representado en las figuras 1 y 2 (como se ha mencionado anteriormente), en el lado de la red, es decir, en el nivel de media tensión. El devanado primario 31 se conecta al mecanismo de conmutación 33 que lo alimenta con energía eléctrica, aportándose la energía eléctrica al mecanismo de conmutación 33 a través de una conexión 34. La alimentación de la conexión 34 puede proceder de la red 9, del propio aerogenerador 1 o de cualquier otra fuente, por lo que, en tal caso, esta fuente debe adaptarse, según la invención, a la tensión presente en la red con respecto a su posición de frecuencia y de fase.

El diseño y el funcionamiento del mecanismo de conmutación se explican más detalladamente por medio del ejemplo de realización representado en la figura 3. Se muestra un mecanismo de conmutación 33 de tres etapas con las etapas de conmutación MENOS, CERO y MÁS. En la etapa de conmutación MÁS, el expansor de tensión 3 conecta una tensión adicional para el transformador pequeño 3, de manera que aumente la tensión total del aerogenerador 1. A la inversa, en la posición MENOS, la tensión suministrada por el aerogenerador 1 se reduce en una cantidad correspondiente. En la posición CERO no se produce ningún cambio. La cantidad de tensión U2 aplicada adicionalmente por el transformador pequeño 30 está determinada por la relación de transmisión entre la bobina primaria 31 y la bobina secundaria 32. La bobina primaria 31 es solicitada con una tensión U1 por el mecanismo de conmutación 33 que a su vez obtiene su energía eléctrica de un transformador de alimentación 4 conectado a su conexión de alimentación 34 que a su vez es alimentado por el propio aerogenerador 1 con una tensión U3 a través de la línea de alimentación 17 (para una mayor claridad, la alimentación no se representa en la figura 3).

Para el control del devanado primario 31 en las tres etapas diferentes MENOS, CERO y MÁS se prevén pares de conmutadores 35, 36, así como 35', 36' y 37. Para la etapa de conmutación MÁS, el par de conmutadores 35, 36 conmuta, mientras que el par de conmutadores 35', 36', así como el conmutador 37 están abiertos. En este caso, la tensión U3 aplicada a la conexión de alimentación 34 se suministra con la misma polaridad del mecanismo de conmutación 33 al devanado primario 31. Dependiendo de la relación de transmisión entre el devanado primario 31 y el devanado secundario 32, el transformador pequeño 30 aporta de forma correspondiente una tensión adicional U2 a la línea de conexión 17. En la etapa para MENOS, el par de conmutadores 35', 36' está cerrado, mientras que el par de conmutadores 35, 36, así como el conmutador 37 están abiertos. En este caso, la tensión de alimentación U3 no modificada en la conexión de alimentación 34 se envía al devanado primario 31 con una polaridad inversa (-U1). Por consiguiente, el transformador pequeño en su devanado secundario 32 aporta una tensión -U2 a la línea de conexión 17. En la posición CERO, el conmutador 37 está cerrado, mientras que los pares de conmutadores 35, 36, así como 35', 36' están abiertos. De este modo, el devanado primario 31 se cierra brevemente por medio del conmutador 37. Esto significa que el mecanismo de conmutación 33 no aplica ninguna tensión al devanado primario 31. Por lo tanto, el transformador pequeño 30 tampoco aporta adicionalmente ninguna tensión a la línea de alimentación 17. En función de la posición de los conmutadores en el mecanismo de conmutación 33 y en el transformador pequeño 30, el transformador pequeño 30 aporta adicionalmente a la línea de conexión 17 del aerogenerador una tensión positiva U2, una tensión negativa -U2 o ninguna tensión (U=0). Dependiendo de la posición del conmutador, el rango de tensión se puede incrementar, disminuir o dejar constante.

Para garantizar que el devanado primario 31 esté siempre dotado de una carga, incluso en caso de conmutación de las etapas, se activa una etapa de carga 5. La etapa de carga 5 comprende un conmutador de activación 50, así como una resistencia de carga 51. Al conmutar las etapas, el conmutador de accionamiento 50 se cierra antes de activarse los pares de conmutadores 35, 36 o 35', 36' o el conmutador 37, por lo que la resistencia 51 se conmuta como carga para el devanado primario 31. A continuación, los pares de conmutadores 35, 36, así como 35', 36' o el conmutador 37 se pueden activar sin que el devanado primario 31 se descargue o se interrumpa su circuito eléctrico. Después de alcanzar el nuevo estado de conmutación del mecanismo de conmutación 33, el conmutador de activación 50 se abre de nuevo y la resistencia de carga 51 se desacopla.

En la figura 4 se representa otro ejemplo de realización que se diferencia del representado en la figura 3 fundamentalmente en que se prevé un transformador pequeño 30' con un segundo par de bobinas primarias y secundarias 31', 32'. El mecanismo de conmutación 33' también se modifica de forma correspondiente. De este modo, la tensión adicional añadida por el expansor de tensión 3 se puede variar en cinco etapas. Esto permite un ajuste más amplio o más preciso.

En los ejemplos de realización representados hasta ahora, el transformador pequeño 30, 30' del expansor de tensión se realiza como un elemento separado. Sin embargo, esto no es necesario. Puede resultar conveniente integrar el transformador pequeño en el transformador de la instalación 2 del aerogenerador 1. En la figura 5 se representa un primer ejemplo de realización por medio de un diagrama trifásico. El transformador 2 presenta el grupo de conmutación Dyn5. En la mitad izquierda de la figura se disponen los devanados primarios 21 a los que se conecta el aerogenerador 1. Los devanados secundarios se disponen en el centro y en la zona derecha, realizándose los devanados secundarios en dos piezas con las dos piezas 22, 22'. En la zona entre las dos piezas 22, 22' de los devanados secundarios se disponen en cada conductor de fase dos bobinas secundarias 32, 32' del transformador pequeño 30' del expansor de tensión. Así no sólo resulta una forma constructiva más compacta, sino que al mismo tiempo también se consigue una mayor seguridad propia del transformador pequeño. Esto se debe a que las corrientes de cortocircuito en caso de fallas externas están limitadas por las impedancias de los devanados secundarios 22, 22' existentes en ambos lados.

En la figura 6 se representa otro ejemplo de realización alternativo por medio de un transformador del grupo de conmutación YNd7yn0. En el lado de baja tensión representado a la izquierda, el transformador presenta un devanado primario 21 para cada conductor de fase. En el lado de media tensión representado en el centro a la derecha, el transformador también presenta para cada conductor de fase un devanado secundario 22 que se conecta a través de un punto neutro 24. Entre las bobinas secundarias 22 y el punto neutro 24 se disponen en cada conductor de fase dos bobinas secundarias 32, 32' del transformador pequeño 30'. El transformador presenta además un devanado de compensación 25. Al igual que en el ejemplo de realización representado en la figura 5, en este ejemplo de realización se consigue una integración de las bobinas secundarias 22, 22' del transformador pequeño 30' en el transformador de la instalación 2. También resulta una protección contra cortocircuitos para el transformador pequeño gracias a las impedancias del transformador de la instalación 2.

En la figura 7 se representa un concepto de circuito alternativo, utilizando de nuevo el ejemplo de un transformador del grupo de conmutación Dyn5. En este caso, el transformador pequeño 30' se conecta en el lado de baja tensión (representado en la figura a la izquierda). El transformador presenta devanados primarios 21 en el lado de baja tensión y devanados secundarios 22 en el lado de media tensión. Entre los devanados primarios 21 y el aerogenerador 1 que los alimenta se disponen en cada conductor de fase dos devanados secundarios 32, 32' del transformador pequeño 30'. Este ejemplo de realización con un transformador de dos devanados con un devanado primario y un devanado secundario para cada fase puede ampliarse en un transformador de tres devanados con dos devanados primarios y un devanado secundario para cada fase. En la figura 8 se representa un ejemplo de realización de este tipo con un transformador del grupo de conmutación Dyn5yn5. Aquí se prevén dos juegos de devanados primarios 21, 23 que se encuentran a diferentes niveles de tensión de, por ejemplo, 660 V y 950 V. Esto permite hacer funcionar el estator del generador 14 del aerogenerador 1, que transmite una gran parte de la potencia, con un nivel de tensión más alto que el rotor del generador 14 que sólo transmite una parte más pequeña de la potencia. Dado que tanto para el devanado primario 21, como también para el devanado primario adicional 23 se prevé respectivamente un conjunto propio de bobinas secundarias 32, 32' y 34, 34' del transformador pequeño 30', en esta forma de realización también es posible conseguir una ampliación del rango de tensión según la invención.

En la figura 9 se representa la acción combinada, por una parte, del expansor de tensión 3 y, por otra parte, de la regulación de tensión en un parque eólico con varios aerogeneradores 1. En la figura de la izquierda se representa el aerogenerador 1 que, a través de su transformador de instalación 2 con un expansor de tensión 3 dispuesto en el mismo, suministra energía eléctrica a una red interna del parque 9 a la que se conectan otros aerogeneradores (no representados en la figura 9). La red interna del parque 9 se conecta además a un transformador de alta tensión 2* para el suministro de energía eléctrica a una red de transmisión a gran distancia 99. También se prevé un expansor de tensión 3* para el transformador de alta tensión 2*.

Para cada uno de los aerogeneradores se puede prever una regulación de tensión que forma parte componente del control 8 del aerogenerador. El mismo presenta una entrada 80 para los valores reales de la tensión y una entrada 81 para los valores teóricos correspondientes. Los valores reales se miden por medio de sensores 83 para la tensión y la corriente. En el ejemplo de realización representado, los sensores se disponen en el lado de baja tensión del transformador de instalación 2. También se puede prever alternativamente una disposición de los sensores en el lado de media tensión del transformador de instalación 2 como sensores 83'.

El parque eólico presenta además en su parque maestro 7 una regulación de tensión para todo el parque eólico. También tiene dos entradas, una entrada 70 para valores reales, así como una entrada 71 para los valores teóricos. Los valores reales para la tensión y la corriente en el parque eólico se registran mediante sensores de tensión y corriente 73 dispuestos en el lado de media tensión del transformador de alta tensión 2*. En lugar de esta disposición, también se puede prever alternativamente disponer los sensores 73' en el lado de alta tensión del transformador de alta tensión 2*.

En caso de fluctuaciones de la tensión en la red de transmisión 99 o en la red interna del parque 9, también se producen fluctuaciones correspondientes en el otro lado de los transformadores 2, 2*. Dado que en el transformador de instalación 2 se dispone un expansor de tensión 3 y que en el transformador de alta tensión 2* también se dispone otro expansor de tensión central 3*, la tensión en el respectivo lado primario de los transformadores 2, 2* también varía si se activan el expansor de tensión 3 conectado al transformador de la instalación 2 o el expansor de tensión central 3* conectado al transformador del parque 2*. Por consiguiente, la tensión adicional aplicada por los mismos se modifica de forma escalonada. En el caso de los sensores 73, 83 dispuestos en el lado primario, esto da lugar a cambios repentinos. La regulación de tensión 7, 8 detectaría estas variaciones e intentaría corregirlas. Sin embargo, esto no resulta deseable, dado que la conexión de la tensión se ha llevado a cabo por medio del expansor de tensión 3, 3*, a fin de ampliar el rango de tensión. Este proceso no debe contrarrestarse con una contramedida correspondiente de la regulación de tensión integrada 7 del aerogenerador o del parque eólico.

Para evitarlo, se lleva a cabo convenientemente un control previo, concretamente en forma de una unidad de conexión adicional de magnitudes perturbadoras 6. A la unidad de conexión adicional de magnitudes perturbadoras 6, así como a la regulación de tensión 8, se les aplican señales para los valores reales y también para los valores teóricos en las entradas correspondientes 60, 61. A partir de aquí, por medio de la unidad de conexión adicional de magnitudes perturbadoras 6 se determina un valor de corrección que se aplica a una entrada para la conexión adicional de magnitudes perturbadoras 86 del regulador 8. La unidad de conexión adicional de magnitudes perturbadoras 6 presenta preferiblemente un elemento diferencial 62 que determina una desviación de tensión entre la tensión real en la entrada 60 y la tensión teórica en la entrada 61. El valor de tensión diferencial resultante AU se aplica a un elemento de curva característica 63 que determina un valor para una corriente reactiva a ajustar en dependencia de un campo de trabajo previsto 18 del aerogenerador según la desviación de tensión. El módulo de curva característica 63 emite este valor, aplicándose el mismo a la entrada para la conexión adicional de magnitudes perturbadoras 86 del regulador de tensión 8 del aerogenerador 1. Para el regulador de tensión 7 del parque maestro se puede prever un circuito correspondiente.

El efecto del expansor de tensión según la invención se representa en la figura 11. Aquí se muestra un ejemplo de una serie de requisitos definidos por un operador de red, en concreto, la potencia reactiva capacitiva o inductiva y el rango de tensión que el aerogenerador debe ser capaz de suministrar (representados por una línea gruesa discontinua 98). En la abscisa se muestra la potencia reactiva y en la ordenada el rango de tensión requerido para la potencia reactiva respectiva. En comparación con este requisito del operador de red, se representa un campo de trabajo 18 del aerogenerador 1 (con una línea continua) según el ejemplo de realización de la invención. Se puede ver que el campo de trabajo 18 rodeado por la línea continua no cubre completamente el campo de requisitos definido por la línea discontinua 98. Esto significa que el aerogenerador 1 en su forma inicial no es suficiente para cumplir los requisitos definidos por la zona trazada a rayas 98. Por lo tanto, el rango de subtensión en el cuadrante inferior izquierdo no puede mantenerse suficientemente y, además, el rango de sobretensión no está suficientemente cubierto con potencia reactiva capacitiva ni inductiva.

Si el aerogenerador 1, por ejemplo, funciona en el cuadrante inferior izquierdo, es decir, con baja tensión y el requisito de una potencia reactiva capacitiva, el expansor de tensión 3 se conecta con el paso de conmutación MENOS. Así se reduce la tensión del aerogenerador en la tensión U2 (en este caso negativa) aplicada por el expansor de tensión, con lo que el límite inferior de tensión se desplaza hacia abajo por la zona sombreada. Se puede ver que el aerogenerador 1 puede mantener el rango de subtensión requerido.

En el rango de sobretensión se aplica lo mismo al rango capacitivo (véase cuadrante superior izquierdo). Aquí, el aerogenerador 1 tampoco puede generar la sobretensión necesaria si se requiere potencia reactiva capacitiva (la línea discontinua según los requisitos 98 está por encima del campo de trabajo nativo 18 del aerogenerador 1). Según la invención, el expansor de tensión 3 se conmuta, si es necesario, a la posición MÁS en este cuadrante por medio del mecanismo de conmutación 33, de manera que se añada la tensión adicional U2 (en este caso positiva). De este modo, el rango de tensión se desplaza de forma correspondiente hacia arriba, tal y como se visualiza en la zona sombreada en el cuadrante superior izquierdo.

El mismo se desplaza de forma análoga en el cuadrante superior derecho. Sin embargo, se puede ver que la adición de una etapa, como se representa en la zona oblicuamente sombreada, no es suficiente para cumplir los requisitos planteados por la línea gruesa discontinua 98. Aquí es donde interviene la propiedad multietapa según la invención, en el sentido de que se desbloquean etapas adicionales. La tensión adicional aumenta en consecuencia, de manera que, mediante la conexión adicional de dos etapas o, si hay una mayor necesidad de potencia reactiva inductiva, incluso mediante la adición de tres etapas, el rango de tensión del aerogenerador se amplíe hasta tal punto hacia arriba (véase la zona de sombreado transversal) que finalmente se cumplan los requisitos.

En la figura 12 se muestra una representación seccionada de un transformador de dispersión como una posible forma de realización del transformador pequeño 30. El transformador de dispersión comprende un núcleo 39 compuesto de chapas para imanes con una curva característica de saturación dura, en el que se enrolla en primer lugar un devanado secundario 32 y a continuación sobre éste un devanado primario 31. El desarrollo de magnetización resultante y la energía almacenada en el campo magnético entre la bobina secundaria 32 y la bobina primaria 31 se representan esquemáticamente en el diagrama en la mitad inferior de la figura. De este modo se provoca una limitación de corriente en caso de cortocircuito, especialmente con respecto al mecanismo de conmutación. Se entiende que dicha limitación también se puede conseguir con otras formas constructivas.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Aerogenerador con un rotor eólico (12), con un generador (14) accionado por el mismo para la generación de energía eléctrica, y con una línea de conexión para el suministro de la energía eléctrica a una red (9), en su caso, través de un transformador de instalación (2), previéndose un expansor de tensión (3) que amplía el rango de tensión del aerogenerador por medio de una fuente de tensión adicional, caracterizado por que el expansor de tensión (3) comprende un transformador pequeño propio (30), con un devanado primario y un devanado secundario (31, 32), y un mecanismo de conmutación (33), presentando el transformador pequeño (30) una fracción de la potencia nominal del aerogenerador e insertándose en bucle con el devanado secundario (32) en la línea de conexión (17), y conectándose el mecanismo de conmutación (33) al devanado primario (31) del transformador pequeño (30) y controlándose el mismo de manera sea posible una conmutación multietapa, comprendiendo el mecanismo de conmutación (33) varios conmutadores (35, 36, 35', 36', 37) que se asignan respectivamente a una etapa, aportándose al mecanismo de conmutación (33), a través de una conexión (34), una tensión adaptada a la red (9) con respecto a su posición de frecuencia y de fase.

2. Aerogenerador según la reivindicación 1, caracterizado por que el control multietapa del devanado primario (31) del transformador pequeño (30) se realiza mediante el mecanismo de conmutación (33) con una polarización diferente, presentando el mecanismo de conmutación (33) preferiblemente una etapa de carga (5) que, en caso de conmutación, se conecta adicionalmente, de manera que el transformador pequeño (30) siempre esté conectado a una carga.

3. Aerogenerador según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que en la línea de conexión (17) se disponen en serie varios transformadores pequeños (30, 30'), previéndose preferiblemente para cada uno de ellos un mecanismo de conmutación propio (33).

4. Aerogenerador según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el transformador pequeño (30) tiene una potencia que es como máximo % de la potencia nominal del aerogenerador (1).

5. Aerogenerador según la reivindicación 4, caracterizado por que la potencia del transformador pequeño (30) se dimensiona de manera que sea proporcional a la tensión adicional, preferiblemente que sea de como máximo una décima parte de la potencia nominal del aerogenerador con una tensión adicional equivalente a una décima parte de la tensión nominal.

6. Aerogenerador según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el expansor de tensión (3) se puede desconectar de la línea de conexión (17) mediante contactores.

7. Aerogenerador según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el expansor de tensión (3) se conecta por el lado de alta tensión a un transformador de instalación (2) y, en concreto, especialmente en el plano de media tensión.

8. Aerogenerador según la reivindicación 7, caracterizado por que el transformador pequeño (30) se conecta dentro de un devanado de media tensión (22) del transformador de instalación (2) o por el lado de media tensión en un punto neutro del transformador de instalación (2).

9. Aerogenerador según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el transformador pequeño (30) se realiza como un transformador de dispersión que presenta una tensión de cortocircuito uk de al menos 0,10, preferiblemente de al menos 0,15.

10. Aerogenerador según la reivindicación 9, caracterizado por que el transformador de dispersión presenta chapas para imanes con una curva característica de saturación dura, enrollándose preferiblemente el devanado primario (31) del transformador pequeño (30) sobre su devanado secundario (32).

11. Aerogenerador según una de las reivindicaciones 9 a 10, caracterizado por que el transformador de dispersión está dotado de bobinas planas dispuestas preferiblemente en brazos separados de un núcleo de transformador y/o configuradas como nervios en el núcleo de transformador.

12. Aerogenerador según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el mecanismo de conmutación (33) se activa en dependencia de la tensión y/o de la potencia reactiva, previéndose preferiblemente un regulador (8) para la tensión y/o para la potencia reactiva que registra como magnitud controlada la tensión y/o la potencia reactiva en la línea de conexión, preferiblemente en el lado del expansor de tensión (3) alejado del aerogenerador.

13. Aerogenerador según la reivindicación 12, caracterizado por que el expansor de tensión (3) interactúa con un control previo de magnitudes perturbadoras (6) para el regulador (8).

14. Parque eólico con varios aerogeneradores (1, 1') preferiblemente según una de las reivindicaciones 1 a 13, que están conectados a una red del parque (9) conectada a una red de transmisión (99) a través de una línea de acoplamiento (18), previéndose un expansor de tensión central (3*) que amplía el rango de tensión del parque eólico por medio de una fuente de tensión adicional, caracterizado por que la fuente de tensión adicional comprende un transformador pequeño (30'), con un devanado primario (31') y con un devanado secundario (32'), y un mecanismo de conmutación (33') y presentando el transformador pequeño (30') una fracción de la potencia nominal de los distintos aerogeneradores e insertándose en bucle con el devanado secundario (32') en la línea de acoplamiento (18), y uniéndose el mecanismo de conmutación (33) al devanado primario (31') del transformador pequeño (30') y controlándolo de manera que sea posible una conmutación multietapa, comprendiendo el mecanismo de conmutación (33) varios conmutadores (35, 36, 35', 36', 37) asignados respectivamente a una etapa, aportándose al mecanismo de conmutación (33'), a través de una conexión (34), una tensión adaptada a la red del parque (9) con respecto a su posición de frecuencia y de fase.

15. Parque eólico según la reivindicación 14, caracterizado por que se prevé un regulador de parque (7) para la tensión y/o para la potencia reactiva que registra como magnitud controlada la tensión y/o la potencia reactiva en la línea de acoplamiento (18), preferiblemente en el lado del expansor de tensión (3*) alejado del parque, interactuando más preferiblemente el expansor de tensión (3*) con un control previo de magnitudes perturbadoras para un regulador de parque (7).