ES2823759T3 - Procedimiento y aparato para generar energía en una turbina eólica - Google Patents

Abstract

Un convertidor de potencia (220) para una turbina eólica (100), comprendiendo dicho convertidor de potencia: una colección (336, 338) de dispositivos de conmutación (206, 276); y un módulo de control (314) que comprende un dispositivo de amortiguamiento de corriente (410), dicho módulo de control (314) configurado para: controlar un comportamiento de conmutación de dicha colección de dispositivos de conmutación (336, 338); y recibir una corriente que tiene una componente de primera frecuencia y una componente de segunda frecuencia diferente del componente de primera frecuencia de la turbina eólica (100), dicho dispositivo de amortiguamiento de corriente (410) configurado para reducir una amplitud de la componente de primera frecuencia y para mantener sustancialmente una amplitud de la componente de segunda frecuencia, donde la componente de primera frecuencia es subsíncrona con respecto a la componente de segunda frecuencia.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento y aparato para generar energía en una turbina eólica

[0001] La materia objeto descrita en el presente documento se refiere, en general, a turbinas eólicas y, más en particular, a un procedimiento y aparato para generar energía en una turbina eólica.

[0002] En general, una turbina eólica incluye un rotor que incluye un ensamblado de buje giratorio que tiene múltiples palas. Las palas transforman la energía eólica en un par de rotación mecánico que acciona uno o más generadores por medio del rotor. Los generadores a veces, pero no siempre, están acoplados de manera giratoria al rotor a través de una multiplicadora. La multiplicadora aumenta la velocidad de rotación inherentemente baja del rotor para que el generador convierta de manera eficaz la energía mecánica de rotación en energía eléctrica, que se alimenta a una red de suministro por medio de, al menos, una conexión eléctrica. También existen turbinas eólicas de accionamiento directo sin engranajes. El rotor, el generador, la multiplicadora y otros componentes se montan típicamente dentro de un alojamiento, o góndola, que se sitúa en la parte superior de una torre.

[0003] Algunas configuraciones de turbinas eólicas incluyen generadores de inducción de doble alimentación (DFIG, también conocidos como generadores asíncronos de doble alimentación). Dichas configuraciones también pueden incluir convertidores de potencia que se usan para convertir una frecuencia de energía eléctrica generada en una frecuencia sustancialmente similar a la frecuencia de una red de suministro. Además, dichos convertidores, junto con el DFIG, también transmiten energía eléctrica entre la red de suministro y el generador, además de transmitir la energía de excitación del generador a un rotor bobinado del generador desde una de las conexiones a la red de suministro eléctrico. De forma alternativa, algunas configuraciones de turbina eólica incluyen, sin limitación, tipos alternativos de generadores de inducción, generadores síncronos de imanes permanentes (PM), generadores síncronos excitados eléctricamente y generadores de reluctancia conmutada. Estas configuraciones alternativas también pueden incluir convertidores de potencia que se utilizan para convertir las frecuencias como se describe anteriormente y transmitir energía eléctrica entre la red de suministro y el generador.

[0004] Al menos algunas redes de suministro eléctrico conocidas incluyen una o más líneas de transmisión compensadas en serie. Estas líneas de transmisión a menudo crean corrientes de resonancia subsíncronas que pueden estar ligeramente amortiguadas. Cuando al menos algunas turbinas eólicas conocidas están acopladas eléctricamente a dichas líneas de transmisión, las turbinas eólicas reducen el amortiguamiento de las corrientes subsíncronas. De este modo, las corrientes subsíncronas pueden aumentar en amplitud y pueden provocar que suceda un fallo o "disparo" y hacer que la turbina eólica quede inoperativa. Además, dichas corrientes subsíncronas pueden dañar o acortar de otro modo la vida útil de uno o más componentes de la turbina eólica y/o de la red de suministro eléctrico.

[0005] Además, el documento US 6472 775 B1 describe un sistema de realimentación armónica caracterizado por: un transformador trifásico a bifásico configurado para convertir una corriente de frecuencia fundamental de salida de un sistema de energía distribuido y para convertir la corriente de frecuencia fundamental de salida de una corriente trifásica a una corriente de referencia estacionaria bifásica; un transformador de frecuencia armónica configurado para convertir la corriente de referencia estacionaria bifásica en una corriente de referencia síncrona, teniendo dicho transformador de frecuencia armónica una frecuencia de trama de referencia síncrona objetivo basada en una corriente armónica de referencia de la corriente de frecuencia fundamental de salida; al menos un dispositivo de filtro configurado para eliminar componentes predeterminadas de la corriente de referencia síncrona proporcionar una corriente de realimentación armónica; un componente de suma para comparar la corriente de realimentación armónica con la corriente armónica de referencia y para proporcionar una corriente de error armónica para accionar el sistema de energía distribuido para producir la corriente de salida.

[0006] En consecuencia, se proporciona la presente invención, definida por las reivindicaciones adjuntas.

[0007] A continuación se describirán diversos aspectos y modos de realización de la presente invención en relación con las figuras adjuntas, en los que:

La figura 1 es una vista en perspectiva de una parte de una turbina eólica ejemplar.

La figura 2 es una vista esquemática de un sistema eléctrico y de control ejemplar que se puede usar con la turbina eólica mostrada en la figura 1.

La figura 3 es un diagrama de bloques de un sistema de conversión de potencia ejemplar que se puede usar con el sistema eléctrico y de control mostrado en la figura 2.

La figura 4 es un diagrama de bloques de un módulo de control de convertidor de rotor ejemplar que se puede usar con el sistema de conversión de potencia mostrado en la figura 3.

La figura 5 es un diagrama de bloques de un dispositivo de amortiguamiento de corriente ejemplar que se puede usar con el módulo de control de convertidor de rotor mostrado en la figura 4.

La figura 6 es una simulación de un sistema de conversión de potencia alternativo que se puede usar con el sistema eléctrico y de control mostrado en la figura 2.

La figura 7 es una simulación del sistema de conversión de potencia mostrado en la figura 3.

[0008] La figura 1 es una vista en perspectiva de una parte de una turbina eólica ejemplar 100. La turbina eólica 100 incluye una góndola 102 que aloja un generador (no mostrado en la figura 1). La góndola 102 está montada en una torre 104 (una parte de la torre 104 se muestra en la figura 1). La torre 104 puede tener cualquier altura adecuada que facilite el funcionamiento de la turbina eólica 100 como se describe en el presente documento. La turbina eólica 100 también incluye un rotor 106 que incluye tres palas 108 unidas a un buje giratorio 110. De forma alternativa, la turbina eólica 100 incluye cualquier número de palas 108 que faciliten el funcionamiento de la turbina eólica 100 como se describe en el presente documento. En el modo de realización ejemplar, la turbina eólica 100 incluye una multiplicadora (no mostrada en la figura 1) acoplada de forma operativa al rotor 106 y un generador (no mostrado en la figura 1).

[0009] La figura 2 es una vista esquemática de un sistema eléctrico y de control 200 ejemplar que se puede usar con la turbina eólica 100. El rotor 106 incluye palas 108 acopladas al buje 110. El rotor 106 también incluye un eje lento 112 acoplado de manera giratoria al buje 110. El eje lento 112 está acoplado a una multiplicadora elevadora 114 que está configurada para aumentar la velocidad de rotación del eje lento 112 y transferir esa velocidad a un eje rápido 116. En el modo de realización ejemplar, la multiplicadora 114 tiene una relación de aumento de aproximadamente 70:1. Por ejemplo, el eje lento 112 que gira a aproximadamente 20 revoluciones por minuto (rpm) acoplado a la multiplicadora 114 con una relación de aumento de aproximadamente 70:1 genera una velocidad para el eje rápido 116 de aproximadamente 1400 rpm. De forma alternativa, la multiplicadora 114 tiene cualquier relación de aumento que facilite el funcionamiento de la turbina eólica 100 como se describe en el presente documento. Como otra alternativa, la turbina eólica 100 incluye un generador de accionamiento directo que está acoplado de manera giratoria al rotor 106 sin ninguna multiplicadora intermedia.

[0010] El eje rápido 116 está acoplado de forma giratoria al generador 118. En el modo de realización ejemplar, el generador 118 es un generador de rotor bobinado, trifásico, de inducción de doble alimentación (asíncrono) (DFIG) que incluye un estátor de generador 120 acoplado magnéticamente a un rotor de generador 122. En un modo de realización alternativo, el rotor de generador 122 incluye una pluralidad de imanes permanentes en lugar de devanados de rotor.

[0011] El sistema eléctrico y de control 200 incluye un controlador de turbina 202. El controlador de turbina 202 incluye al menos un procesador y una memoria, al menos un canal de entrada de procesador, al menos un canal de salida de procesador, y puede incluir al menos un ordenador (no se muestra ninguno en la figura 2). Como se usa en el presente documento, el término "ordenador" no se limita a circuitos integrados a los que se hace referencia en la técnica como ordenador, sino que se refiere, en términos generales, a un procesador, un microcontrolador, un microordenador, un controlador lógico programable (PLC), un circuito integrado específico de la aplicación y otros circuitos programables (ninguno mostrado en la figura 2), y estos términos se usan indistintamente en el presente documento. En el modo de realización ejemplar, la memoria puede incluir, pero no se limita a, un medio legible por ordenador, tal como una memoria de acceso aleatorio (RAM) (no se muestra ninguno en la figura 2). De forma alternativa, también se pueden utilizar uno o más dispositivos de almacenamiento, tales como un disquete, una memoria de solo lectura en disco compacto (CD-ROM), un disco magneto-óptico (MOD) y/o un disco versátil digital (DVD) (ninguno mostrado en la figura 2). Además, en el modo de realización ejemplar, canales de entrada adicionales (no mostrados en la figura 2) pueden ser, pero no se limitan a, periféricos de ordenador asociados a una interfaz de operador, tal como un ratón y un teclado (no se muestran en la figura 2). Además, en el modo de realización ejemplar, canales de salida adicionales pueden incluir, pero no se limitan a, un monitor de interfaz de operador (no mostrado en la figura 2).

[0012] Los procesadores para el controlador de turbina 202 procesan información transmitida desde una pluralidad de dispositivos eléctricos y electrónicos que pueden incluir, pero no se limitan a, transductores de tensión y de corriente. La RAM y/o los dispositivos de almacenamiento almacenan y transfieren información e instrucciones para ser ejecutadas por el procesador. También se pueden usar RAM y/o dispositivos de almacenamiento para almacenar y proporcionar variables temporales, información e instrucciones estáticas (es decir, que no cambian) u otra información intermedia a los procesadores durante la ejecución de instrucciones por parte de los procesadores. Las instrucciones que se ejecutan incluyen, pero no se limitan a, algoritmos residentes de conversión y/o de comparación. La ejecución de secuencias de instrucciones no se limita a ninguna combinación específica de circuitos de hardware e instrucciones de software.

[0013] El estátor de generador 120 está acoplado eléctricamente a un conmutador de sincronización de estátor 206 por medio de un bus de estátor 208. En un modo de realización ejemplar, para facilitar la configuración DFIG, el rotor de generador 122 está acoplado eléctricamente a un ensamblado de conversión de potencia bidireccional 210 por medio de un bus de rotor 212. De forma alternativa, el rotor de generador 122 está acoplado eléctricamente al bus de rotor 212 por medio de cualquier otro dispositivo que facilite el funcionamiento del sistema eléctrico y de control 200 como se describe en el presente documento. Como otra alternativa, el sistema eléctrico y de control 200 está configurado como un sistema de conversión de potencia completa (no mostrado) conocido en la técnica, en el que un ensamblado de conversión de potencia completa (no mostrado en la figura 2), que es similar en diseño y funcionamiento al ensamblado de conversión de potencia 210, está acoplado eléctricamente al estátor de generador 120, y dicho ensamblado de conversión de potencia completa facilita la canalización de la energía eléctrica entre el estátor de generador 120 y una red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213. En el modo de realización ejemplar, el bus de estátor 208 transmite potencia trifásica desde el estátor de generador 120 al conmutador de sincronización de estátor 206. El bus de rotor 212 transmite potencia trifásica desde el rotor de generador 122 al ensamblado de conversión de potencia 210. En el modo de realización ejemplar, el conmutador de sincronización de estátor 206 está acoplado eléctricamente a un interruptor automático de transformador principal 214 por medio de un bus de sistema 216. En un modo de realización alternativo se usan uno o más fusibles (no mostrados) en lugar del interruptor automático de transformador principal 214. En otro modo de realización, no se utilizan ni fusibles ni el interruptor automático de transformador principal 214.

[0014] El ensamblado de conversión de potencia 210 incluye un filtro de rotor 218 que está acoplado eléctricamente al rotor de generador 122 por medio del bus de rotor 212. Un bus de filtro de rotor 219 acopla eléctricamente el filtro de rotor 218 a un convertidor de potencia 220 en el lado de rotor, y el convertidor de potencia 220 en el lado de rotor está acoplado eléctricamente a un convertidor de potencia 222 en el lado de línea. El convertidor de potencia 220 en el lado de rotor y el convertidor de potencia 222 en el lado de línea son puentes de convertidor de potencia que incluyen semiconductores de potencia (no mostrados). En el modo de realización ejemplar, el convertidor de potencia 220 en el lado de rotor y el convertidor de potencia 222 en el lado de línea están configurados en una configuración trifásica de modulación por anchura de impulsos (PWM) que incluye dispositivos de conmutación de transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) (no mostrados en la figura 2) que funcionan como se conoce en la técnica. De forma alternativa, el convertidor de potencia 220 en el lado de rotor y el convertidor de potencia 222 en el lado de línea tienen cualquier configuración que utilice cualquier dispositivo de conmutación que facilite el funcionamiento del sistema eléctrico y de control 200 como se describe en el presente documento. El ensamblado de conversión de potencia 210 está acoplado en comunicación electrónica de datos con el controlador de turbina 202 para controlar el funcionamiento del convertidor de potencia 220 en el lado de rotor y del convertidor de potencia 222 en el lado de línea.

[0015] En el modo de realización ejemplar, un bus de convertidor de potencia 223 en el lado de línea acopla eléctricamente el convertidor de potencia 222 en el lado de línea a un filtro de línea 224. Además, un bus de línea 225 acopla eléctricamente el filtro de línea 224 a un contáctor de línea 226. Además, el contáctor de línea 226 está acoplado eléctricamente a un interruptor automático de conversión 228 por medio de un bus de interruptor automático de conversión 230. Además, el interruptor automático de conversión 228 está acoplado eléctricamente al interruptor automático de transformador principal 214 por medio del bus de sistema 216 y un bus de conexión 232. De forma alternativa, el filtro de línea 224 está acoplado eléctricamente al bus de sistema 216 directamente por medio del bus de conexión 232, donde cualquier esquema de protección (no mostrado) está configurado para tener en cuenta la eliminación del contáctor de línea 226 y el interruptor automático de conversión 228 del sistema eléctrico y de control 200. El interruptor automático de transformador principal 214 está acoplado eléctricamente a un transformador principal de energía eléctrica 234 a través de un bus 236 en el lado de generador. El transformador principal 234 está acoplado eléctricamente a un interruptor automático de red 238 por medio un bus 240 en el lado de interruptor automático. El interruptor automático de red 238 está conectado a la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213 por medio de un bus de red 242. En un modo de realización alternativo, el transformador principal 234 está acoplado eléctricamente a uno o más fusibles (no mostrados), en lugar de al interruptor automático de red 238, por medio del bus 240 en el lado de interruptor automático. En otro modo de realización, no se utilizan ni fusibles ni el interruptor automático de red 238, sino que el transformador principal 234 está acoplado a la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213 por medio del bus 240 en el lado de interruptor automático y del bus de red 242.

[0016] En el modo de realización ejemplar, el convertidor de potencia 220 en el lado de rotor está acoplado en comunicación eléctrica con el convertidor de potencia 222 en el lado de línea por medio de un único enlace de corriente continua (CC) 244. De forma alternativa, el convertidor de potencia 220 en el lado de rotor y el convertidor de potencia 222 en el lado de línea están acoplados eléctricamente por medio de enlaces de CC individuales e independientes (no mostrados en la figura 2). El enlace de CC 244 incluye un carril positivo 246, un carril negativo 248 y al menos un condensador 250 acoplado entre el carril positivo 246 y el carril negativo 248. De forma alternativa, el condensador 250 incluye uno o más condensadores configurados en serie o en paralelo entre el carril positivo 246 y el carril negativo 248.

[0017] El controlador de turbina 202 está configurado para recibir una pluralidad de señales de medición de tensión y de corriente eléctrica desde un primer conjunto de sensores de tensión y de corriente eléctrica 252. Además, el controlador de turbina 202 está configurado para supervisar y controlar al menos algunas de las variables operativas asociadas a la turbina eólica 100. En el modo de realización ejemplar, cada uno de los tres sensores de tensión y de corriente eléctrica 252 está acoplado eléctricamente a cada una de las tres fases del bus de red 242. De forma alternativa, los sensores de tensión y de corriente eléctrica 252 están acoplados eléctricamente al bus de sistema 216. Como otra alternativa, los sensores de tensión y de corriente eléctrica 252 están acoplados eléctricamente a cualquier parte del sistema eléctrico y de control 200 que facilite el funcionamiento del sistema eléctrico y de control 200 como se describe en el presente documento. Como otra alternativa más, el controlador de turbina 202 está configurado para recibir cualquier número de señales de medición de tensión y corriente eléctrica desde cualquier número de sensores de tensión y de corriente eléctrica 252, incluyendo, pero sin limitarse a, una señal de medición de tensión y de corriente eléctrica de un transductor.

[0018] Como se muestra en la figura 2, el sistema eléctrico y de control 200 también incluye un controlador de convertidor 262 que está configurado para recibir una pluralidad de señales de medición de tensión y de corriente eléctrica desde un segundo conjunto de sensores de tensión y de corriente eléctrica 254 acoplados en comunicación electrónica de datos al bus de estátor 208, un tercer conjunto de señales de medición de tensión y de corriente eléctrica desde un tercer conjunto de sensores de tensión y de corriente eléctrica 256 acoplados en comunicación electrónica de datos al bus de rotor 212, y un cuarto conjunto de señales de medición de tensión y de corriente eléctrica desde un cuarto conjunto de sensores de tensión y de corriente eléctrica 264 acoplados en comunicación electrónica de datos al bus de interruptor automático de conversión 230. El segundo conjunto de sensores de tensión y de corriente eléctrica 254 es sustancialmente similar al primer conjunto de sensores de tensión y de corriente eléctrica 252, y el cuarto conjunto de sensores de tensión y de corriente eléctrica 264 es sustancialmente similar al tercer conjunto de sensores de tensión y de corriente eléctrica 256. El controlador de convertidor 262 es sustancialmente similar al controlador de turbina 202 y está acoplado en comunicación eléctrica de datos al controlador de turbina 202. Además, en el modo de realización ejemplar, el controlador de convertidor 262 está físicamente integrado dentro del ensamblado de conversión de potencia 210. De forma alternativa, el controlador de convertidor 262 tiene cualquier configuración que facilite el funcionamiento del sistema eléctrico y de control 200 como se describe en el presente documento.

[0019] En el modo de realización ejemplar, la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213 incluye una o más líneas de transmisión 270 (solo se muestra una para mayor claridad) que están acopladas al bus de red 242 por medio de un acoplamiento de red 272. Las líneas de transmisión 270 y/o la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213 incluyen uno o más elementos de compensación en serie 274, tales como uno o más condensadores, para facilitar la reducción de las pérdidas de potencia reactiva en las líneas de transmisión 270. Como se describe en el presente documento, los elementos de compensación en serie 274 pueden crear una o más resonancias subsíncronas en la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213. Las líneas de transmisión 270 y/o la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213 también incluyen uno o más conmutadores 276 acoplados a cada elemento de compensación en serie 274. Los conmutadores 276 acoplan y desacoplan elementos de compensación en serie 274 hacia y desde la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213, respectivamente, según se desee. Más específicamente, los conmutadores 276 se abren para acoplar elementos de compensación en serie 274 a la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213, y los conmutadores 276 se cierran para desacoplar elementos de compensación en serie 274 de la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213. La red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213 está acoplada de forma operativa a una o más cargas 278 para proporcionar energía a las cargas 278.

[0020] Durante el funcionamiento, el viento incide en las palas 108 y las palas 108 transforman la energía eólica en un par de rotación mecánico que acciona de manera giratoria el eje lento 112 por medio del buje 110. El eje lento 112 acciona la multiplicadora 114 que, posteriormente, aumenta la baja velocidad de rotación del eje lento 112 para accionar el eje rápido 116 con una mayor velocidad de rotación. El eje rápido 116 acciona de manera giratoria el rotor de generador 122. El rotor de generador 122 induce un campo magnético giratorio y se induce una tensión dentro del estátor de generador 120 que está acoplado magnéticamente al rotor de generador 122. El generador 118 convierte la energía mecánica rotativa en una señal de energía eléctrica de corriente alterna (CA) trifásica sinusoidal en el estátor de generador 120. La energía eléctrica asociada se transmite al transformador principal 234 por medio del bus de estátor 208, el conmutador de sincronización de estátor 206, el bus de sistema 216, el interruptor automático de transformador principal 214 y el bus 236 en el lado de generador. El transformador principal 234 aumenta la amplitud de tensión de la energía eléctrica y la energía eléctrica transformada se transmite además a la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213 por medio del bus 240 en el lado de interruptor automático, el conmutador de red 238 y el bus de red 242.

[0021] En el modo de realización ejemplar, se proporciona una segunda vía de transmisión de energía eléctrica. La energía de CA eléctrica, trifásica, sinusoidal, se genera en el rotor de generador 122 y se transmite al ensamblado de conversión de potencia 210 por medio del bus de rotor 212. Dentro del ensamblado de conversión de potencia 210, la potencia eléctrica se transmite al filtro de rotor 218, donde la potencia eléctrica se modifica para la tasa de cambio de la tensión de salida asociada al convertidor de potencia 220 en el lado de rotor. El convertidor de potencia 220 en el lado de rotor actúa como un rectificador y rectifica la potencia de CA trifásica sinusoidal en potencia de CC. La potencia de CC se transmite al enlace de CC 244. El condensador 250 facilita la mitigación de las variaciones de amplitud de tensión del enlace de CC 244 al facilitar la mitigación de una ondulación de CC asociada a la rectificación de CA.

[0022] La potencia de CC se transmite posteriormente desde el enlace de CC 244 al convertidor de potencia 222 en el lado de línea, donde el convertidor de potencia 222 en el lado de línea actúa como un inversor configurado para convertir la potencia eléctrica de CC del enlace de CC 244 en potencia eléctrica de CA trifásica sinusoidal con tensiones, corrientes y frecuencias predeterminadas. Esta conversión se supervisa y controla por medio del controlador de convertidor 262. La potencia de CA convertida se transmite desde el convertidor de potencia 222 en el lado de línea al bus de sistema 216 por medio del bus de convertidor de potencia 223 en el lado de línea y el bus de línea 225, el contáctor de línea 226, el bus de interruptor automático de conversión 230, el interruptor automático de conversión 228 y el bus de conexión 232. El filtro de línea 224 compensa o ajusta las corrientes armónicas en la potencia eléctrica transmitida desde el convertidor de potencia 222 en el lado de línea. El conmutador de sincronización de estátor 206 está configurado para cerrarse para facilitar la conexión de la potencia trifásica del estátor de generador 120 con la potencia trifásica del ensamblado de conversión de potencia 210.

[0023] El interruptor automático de conversión 228, el interruptor automático de transformador principal 214 y el interruptor automático de red 238 están configurados para desconectar buses correspondientes, por ejemplo, cuando el flujo de corriente es excesivo y puede dañar los componentes del sistema eléctrico y de control 200. También se proporcionan componentes de protección adicionales, incluido el contáctor de línea 226, que pueden controlarse para formar una desconexión abriendo un conmutador (no mostrado en la figura 2) correspondiente a cada una de las líneas del bus de línea 225.

[0024] El ensamblado de conversión de potencia 210 compensa o ajusta la frecuencia de la potencia trifásica del rotor de generador 122 para cambios, por ejemplo, en la velocidad del viento en el buje 110 y las palas 108. Por lo tanto, de esta manera, la frecuencia mecánica y la frecuencia eléctrica del rotor se desacoplan de la frecuencia del estátor.

[0025] En algunas condiciones, las características bidireccionales del ensamblado de conversión de potencia 210, y específicamente, las características bidireccionales del convertidor de potencia 220 en el lado de rotor y del convertidor de potencia 222 en el lado de línea, facilitan la realimentación de al menos parte de la potencia eléctrica generada en rotor de generador 122. Más específicamente, la energía eléctrica se transmite desde el bus de sistema 216 al bus de conexión 232 y, posteriormente, a través del interruptor automático de conversión 228 y el bus de interruptor automático de conversión 230 al ensamblado de conversión de potencia 210. En el ensamblado de conversión de potencia 210, la potencia eléctrica se transmite a través del contáctor de línea 226, el bus de línea 225 y el bus de convertidor de potencia 223 en el lado de línea al convertidor de potencia 222 en el lado de línea. El convertidor de potencia 222 en el lado de línea actúa como un rectificador y rectifica la potencia de CA trifásica sinusoidal en potencia de CC. La potencia de CC se transmite al enlace de Cc 244. El condensador 250 facilita la mitigación de las variaciones de amplitud de tensión del enlace de CC 244 al facilitar la mitigación de una ondulación de CC asociada, en ocasiones, a la rectificación de CA trifásica.

[0026] La potencia de CC se transmite posteriormente desde el enlace de CC 244 al convertidor de potencia 220 en el lado de rotor, donde el convertidor de potencia 220 en el lado de línea actúa como un inversor configurado para convertir la potencia eléctrica de CC transmitida desde el enlace de CC 244 en una potencia eléctrica de CA trifásica sinusoidal con tensiones, corrientes y frecuencias predeterminadas. Esta conversión se supervisa y controla por medio del controlador de convertidor 262. La potencia de CA convertida se transmite desde el convertidor de potencia 220 en el lado de rotor al filtro de rotor 218 por medio del bus de filtro de rotor 219 y, posteriormente, se transmite al rotor de generador 122 por medio del bus de rotor 212, facilitando así un funcionamiento subsíncrono.

[0027] El ensamblado de conversión de potencia 210 está configurado para recibir señales de control desde el controlador de turbina 202. Las señales de control se basan en condiciones detectadas o características de funcionamiento de la turbina eólica 100 y del sistema eléctrico y de control 200, recibidas por el controlador de turbina 202 y usadas para controlar el funcionamiento del ensamblado de conversión de potencia 210. La realimentación de los sensores puede ser utilizada por el sistema eléctrico y de control 200 para controlar el ensamblado de conversión de potencia 210 por medio del controlador de convertidor 262, incluyendo, por ejemplo, tensiones o realimentaciones de corriente del bus de interruptor automático de conversión 230, el bus del estátor y el bus del rotor por medio del segundo conjunto de sensores de tensión y de corriente eléctrica 254, el tercer conjunto de sensores de tensión y corriente eléctrica 256 y el cuarto conjunto de sensores de tensión y de corriente eléctrica 264. Usando esta información de realimentación y, por ejemplo, señales de control de conmutación, pueden generarse de cualquier manera conocida señales de control de conmutador de sincronización de estátor y señales de control (disparo) de interruptor automático de sistema. Por ejemplo, en lo que respecta a un transitorio de tensión de red con características predeterminadas, el controlador de convertidor 262 impedirá sustancialmente, al menos de manera temporal, que los IGBT sean conductores en el convertidor de potencia 222 en el lado de línea. Tal suspensión del funcionamiento del convertidor de potencia 222 en el lado de línea mitigará sustancialmente la energía eléctrica que se canaliza a través del ensamblado de conversión de potencia 210 hasta aproximadamente cero.

[0028] La figura 3 muestra un sistema de conversión de potencia 300 ejemplar que se puede usar con el sistema eléctrico y de control 200 (mostrado en la figura 2). En el modo de realización ejemplar, el sistema de conversión de potencia 300 incluye un convertidor de potencia 220 en el lado de rotor y un convertidor de potencia 222 en el lado de línea. El sistema de conversión de potencia 300 también incluye un regulador de par 302, un regulador de potencia reactiva 304, un bucle de enganche de fase de sincronización (PLL) 306 y un regulador de tensión de CC 308.

[0029] El regulador de par 302 transmite una primera señal de comando de corriente de rotor 312 al convertidor de potencia 220 en el lado de rotor y, más específicamente, a un módulo de control de convertidor de rotor 314. La primera señal de comando de corriente de rotor 312 se usa para ajustar una corriente de rotor en base a una señal de comando de par de generador deseada 316 recibida desde el controlador de turbina 202 (mostrado en la figura 2). El regulador de potencia reactiva 304 recibe una señal de comando de potencia reactiva y de tensión de estátor 318 desde el controlador de turbina 202 y transmite una segunda señal de comando de corriente de rotor 320 al módulo de control de convertidor de rotor 314. La segunda señal de comando de corriente de rotor 320 se usa para controlar un factor de potencia del generador 118 (mostrado en la figura 2) ajustando una relación de potencia real a potencia reactiva del generador 118. En el modo de realización ejemplar, el regulador de par 302 y el regulador de potencia reactiva 304 están alojados dentro del controlador de convertidor 262 (mostrado en la figura 2). En un modo de realización alternativo, el regulador de par 302 y/o el regulador de potencia reactiva 304 pueden alojarse dentro de otro controlador adecuado, tal como el controlador de turbina 202.

[0030] El PLL de sincronización 306 recibe una señal de realimentación de posición de rotor 322 desde un sensor de posición de rotor (no mostrado) y una señal de realimentación de tensión de estátor 324 desde el segundo conjunto de sensores de tensión y de corriente eléctrica 254 (mostrado en la figura 2). El PLL de sincronización 306 determina una señal de ángulo de transformación 326 y una señal de ángulo de referencia 328 que se utilizan para transformar tensiones de rotor y corrientes de rotor entre dos o más tramas de referencia de señales, tales como una trama de referencia basada en el tiempo y una trama de referencia basada en fasores. En un modo de realización, la señal de ángulo de transformación 326 y la señal de ángulo de referencia 328 se usan para transformar tensiones de rotor y corrientes de rotor en uno o más fasores que incluyen componentes X e Y de las tensiones de rotor y/o las corrientes de rotor. Como se usa en el presente documento, una componente X se refiere a una componente real de un fasor, y una componente Y se refiere a una componente imaginaria de un fasor. La señal de ángulo de transformación 326 y la señal de ángulo de referencia 328 se transmiten al módulo de control de convertidor de rotor 314 y a un módulo de control de convertidor de línea 330 que está situado dentro del convertidor de potencia 222 en el lado de línea. El regulador de tensión de CC 308 recibe una señal de referencia de tensión de CC 332 que se establece, por ejemplo, durante la puesta en servicio de la turbina eólica, y transmite una señal de comando de corriente de línea 334 al módulo de control de convertidor de línea 330. La señal de comando de corriente de línea 334 se usa para ajustar una tensión de CC del enlace de CC 244 (mostrado en la figura 2).

[0031] El módulo de control de convertidor de rotor 314 está acoplado a una colección de conmutación de convertidor de rotor 336, y el módulo de control de convertidor de línea 330 está acoplado a una colección de conmutación de convertidor de línea 338. En el modo de realización ejemplar, tanto la colección de conmutación de convertidor de rotor 336 como la colección de conmutación de convertidor de línea 338 incluyen una pluralidad de dispositivos de conmutación IGBT (no mostrados). De forma alternativa, la colección de conmutación de convertidor de rotor 336 y/o la colección de conmutación de convertidor de línea 338 incluyen cualquier dispositivo de conmutación adecuado que permita que el convertidor de potencia 220 en el lado de rotor y el convertidor de potencia 222 en el lado de línea funcionen como se describe en el presente documento. En el modo de realización ejemplar, el módulo de control de convertidor de rotor 314 y el módulo de control de convertidor de línea 330 usan modulación por anchura de impulsos para controlar un ciclo de trabajo de una señal de control de conmutador de convertidor de rotor 340 y de una señal de control de conmutador de convertidor de línea 342, respectivamente. La señal de control de conmutador de convertidor de rotor 340 controla un comportamiento de conmutación de la colección de conmutación de convertidor de rotor 336, y la señal de control de conmutador de convertidor de línea 342 controla un comportamiento de conmutación de la colección de conmutación de convertidor de línea 338. De este modo, la colección de conmutación de convertidor de rotor 336 y la colección de conmutación de convertidor de línea 338 se controlan para producir una o más características deseadas de tensión y/o corriente de rotor y/o estátor.

[0032] Aunque no se muestra en la figura 3, uno o más componentes de control del sistema de conversión de potencia 300 reciben una o más señales de realimentación para facilitar el mantenimiento del funcionamiento adecuado del sistema de conversión de potencia 300. Dichas señales de realimentación incluyen, sin limitación, una señal de tensión de CC, una señal de corriente de rotor trifásica (tal como del tercer conjunto de sensores de tensión y de corriente eléctrica 256), una señal de corriente de estátor trifásica (tal como del segundo conjunto de sensores de tensión y de corriente eléctrica 254), una señal de corriente de línea trifásica (tal como del cuarto conjunto de sensores de tensión y de corriente eléctrica 264), una señal de tensión de estátor trifásica (tal como del segundo conjunto de sensores de tensión y de corriente eléctrica 254), y/o una señal de posición del rotor.

[0033] La figura 4 muestra esquemáticamente el módulo de control de convertidor de rotor 314 que puede usarse con el sistema de conversión de potencia 300 (mostrado en la figura 3). En el modo de realización ejemplar, el módulo de control de convertidor de rotor 314 incluye un módulo de transformación de corriente 402, un módulo de alimentación anticipada de impedancia 404, un módulo de regulador 406, un módulo de transformación de tensión 408 y un dispositivo de amortiguamiento de corriente 410.

[0034] El módulo de transformación de corriente 402 recibe una señal de realimentación de corriente 412 que incluye mediciones de corriente del tercer conjunto de sensores de corriente eléctrica 256 (mostrado en la figura 2) de cada fase del bus de rotor 212 (mostrado en la figura 2). En el modo de realización ejemplar, la señal de realimentación de corriente 412 incluye uno o más componentes de corriente de la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213 por medio del sistema de conversión de potencia 300 y/o por medio del generador 118 (mostrado en la figura 2). En un modo de realización, una o más componentes de corriente pueden incluir, por ejemplo, una o más componentes de frecuencia de corriente subsíncronas y/o una o más componentes de frecuencia de red que se ajustan sustancialmente a una frecuencia de la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213. El módulo de transformación de corriente 402 recibe una señal de ángulo de transformación 326 y transforma las corrientes instantáneas trifásicas de la señal de realimentación de corriente 412 en una trama de referencia basada en fasores. El módulo de transformación de corriente 402 transmite un fasor de realimentación de corriente 414 a un comparador de realimentación de corriente 416. El comparador de realimentación de corriente 416 recibe un fasor de comando de corriente 418, que incluye una primera señal de comando de corriente de rotor 312 y una segunda señal de comando de corriente de rotor 320 (ambas mostradas en la figura 2), y calcula una diferencia entre el fasor de realimentación de corriente 414 y el fasor de comando de corriente 418. El comparador de realimentación de corriente 416 transmite la diferencia resultante como un fasor de error de corriente 420 al módulo regulador 406 y al dispositivo de amortiguamiento de corriente 410.

[0035] El módulo regulador 406 recibe el fasor de error de corriente 420 y realiza una regulación de realimentación proporcional-integral para ajustar una salida del módulo de regulador 406 para facilitar la reducción de un error del fasor de error de corriente 420 a sustancialmente 0. El módulo regulador 406 transmite un fasor de salida de regulador resultante 422, que es una señal de fasor de tensión, a un sumador de regulador 424.

[0036] El módulo de alimentación anticipada de impedancia 404 recibe un fasor de comando de corriente 418 y una señal de frecuencia de deslizamiento 426. El módulo de alimentación anticipada de impedancia 404 calcula una amplitud de un fasor de comando de alimentación anticipada 428 como una señal de fasor de tensión de alimentación anticipada para complementar una regulación de corriente de bucle cerrado del módulo regulador 406.

[0037] En el modo de realización ejemplar, el dispositivo de amortiguamiento de corriente 410 recibe el fasor de error de corriente 420 y facilita la reducción de una amplitud de una o más componentes de frecuencia de corriente representadas por el fasor de error de corriente 420. En el modo de realización ejemplar, la una o más componentes de frecuencia de corriente son subsíncronas con respecto a una frecuencia de corriente de la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213 (mostrada en la figura 2). Como se usa en el presente documento, el término "subsíncrono/a" se refiere a una frecuencia que es menor que una frecuencia de referencia y, en determinados modos de realización, a una frecuencia que es menor que la frecuencia de la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213. El dispositivo de amortiguamiento de corriente 410 transmite un fasor de control de amortiguamiento resultante 434, que es una señal de fasor de tensión, al sumador de regulador 424.

[0038] El sumador de regulador 424 combina un fasor de salida de regulador 422, el fasor de comando de alimentación anticipada 428 y un fasor de control de amortiguamiento 434, y transmite un fasor de comando de tensión resultante 430 al módulo de transformación de tensión 408. El módulo de transformación de tensión 408 transforma el fasor de comando de tensión 430 en una trama de referencia basada en el tiempo usando la señal de ángulo de transformación 326, y proporciona una señal de comando de tensión sinusoidal trifásica resultante 432. La señal de comando de tensión 432 es modulada por un módulo de modulación por anchura de impulsos (PWM) 436. El módulo PWM 436 transmite la señal de control de conmutador de convertidor de rotor 340 a la colección de conmutación de convertidor de rotor 336 (mostrada en la figura 2) para controlar una operación de conmutación, tal como un ciclo de trabajo, de los dispositivos de conmutación en la colección de conmutación de convertidor de rotor 336.

[0039] La figura 5 muestra esquemáticamente una parte del dispositivo de amortiguamiento de corriente 410 que puede usarse con el módulo de control de convertidor de rotor 314 (mostrado en la figura 3). En el modo de realización ejemplar, el dispositivo de amortiguamiento de corriente 410 incluye un módulo integrador 502, un módulo de transformación de entrada 504, uno o más módulos reguladores de control de amortiguamiento subsíncrono (SSDC) 506 y un módulo de transformación de salida 508. El módulo integrador 502 recibe una señal de frecuencia subsíncrona predeterminada 510 que, en un modo de realización, representa una o más frecuencias de corriente subsíncronas predeterminadas que se van a amortiguar. La señal de frecuencia subsíncrona 510 se selecciona como una frecuencia de una trama de referencia a través de la cual el módulo regulador SSDC 506 actúa sobre la frecuencia subsíncrona de la resonancia de red. En un modo de realización, la trama de referencia puede tener una frecuencia sustancialmente cero, de modo que una frecuencia de una o más señales que entren en el módulo regulador SSDC 506 será igual a una frecuencia de señales vistas desde una trama de referencia estacionaria. En otro modo de realización, la trama de referencia se puede seleccionar para que gire cerca de una frecuencia anticipada de la resonancia de red subsíncrona. La selección de la señal de frecuencia subsíncrona 510 apropiada depende del resto del sistema en el que está incorporado el dispositivo de amortiguamiento de corriente 410, y se realiza durante los estudios de diseño para ajustar la característica de amortiguamiento subsíncrona del sistema.

[0040] El módulo integrador 502 integra la señal de frecuencia subsíncrona 510 y transmite una señal de ángulo subsíncrona resultante 512 a un comparador de ángulos de referencia 514. El comparador de ángulos de referencia 514 calcula una diferencia entre la señal de ángulo subsíncrona 512 y la señal de ángulo de referencia 328, y proporciona una señal de ángulo de referencia subsíncrona resultante 516 al módulo de transformación de entrada 504 y a un sumador de orientación subsíncrono 518.

[0041] El módulo de transformación de entrada 504 recibe el fasor de error de corriente 420 y realiza una transformación del fasor de error de corriente 420 usando la señal de ángulo de referencia subsíncrona 516. Más específicamente, el módulo de transformación de entrada 504 transforma el fasor de error de corriente 420 en una trama de referencia giratoria que incluye dos componentes, a y p, utilizando las siguientes ecuaciones:

u ~ x * eos 0 y * sin 0 [Ec. 1)

ft = x * -sin 0 -i' y * eos 9 [Ec.2}

donde x es una componente real del fasor de error de corriente 420, y es una componente imaginaria del fasor de error de corriente 420, y 0 es la señal de ángulo de referencia subsíncrona 516. La trama de referencia giratoria que incluye a y p gira sustancialmente a la frecuencia de la frecuencia de corriente subsíncrona. El módulo de transformación de entrada 504 transmite una señal de transformación de error de corriente 520 que incluye a y p al módulo regulador SSDC 506. La señal de transformación de error de corriente 520 incluye una componente de frecuencia que es sustancialmente idéntica a la frecuencia de corriente subsíncrona. En el modo de realización ejemplar, el módulo regulador SSDC 506 incluye, y/o está configurado para realizar, una función de transferencia proporcional-integral. De forma alternativa, el módulo regulador SSDC 506 incluye cualquier función de transferencia adecuada u otro algoritmo que permita al dispositivo de amortiguamiento de corriente 410 funcionar como se describe en el presente documento. El módulo regulador SSDC 506 integra y agrega una ganancia a la señal de transformación de error de corriente 520. El módulo regulador SSDC 506 transmite una señal de transformación de amortiguamiento subsíncrona de corriente resultante 522 al módulo de transformación de salida 508. La señal de transformación de amortiguamiento subsíncrona 522 incluye una componente de frecuencia que es sustancialmente idéntica a la frecuencia de corriente subsíncrona.

[0042] El sumador de orientación subsíncrono 518 combina la señal de ángulo de referencia subsíncrona 516 con una señal de referencia de ajuste de orientación 524, y transmite una señal de orientación de salida resultante 526 al módulo de transformación de salida 508. La selección de la señal de referencia de ajuste de orientación 524 depende del resto del sistema en el que está incorporado el dispositivo de amortiguamiento de corriente 410, y se realiza durante los estudios de diseño para ajustar la característica de amortiguamiento subsíncrona del sistema. La señal de orientación de salida 526 se usa para ajustar la orientación de un fasor de salida generado por el módulo de transformación de salida 508. El módulo de transformación de salida 508 transforma la señal de transformación de amortiguamiento subsíncrona de corriente 522 en una trama de referencia basada en fasores, de una manera sustancialmente inversa a la realizada por el módulo de transformación de entrada 504. De este modo, una inversa de la Ec. 1 se realiza en una componente a de la señal de transformación de amortiguamiento subsíncrona 522, y una inversa de la Ec. 2 se realiza en una componente p de la señal de transformación de amortiguamiento subsíncrona 522. El módulo de transformación de salida 508 genera un fasor de control de amortiguamiento resultante 434 como se muestra en la figura 4. El fasor de control de amortiguamiento 434 incluye una componente de frecuencia que es sustancialmente idéntica a una diferencia entre la frecuencia de la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213 y la frecuencia de corriente subsíncrona.

[0043] La figura 6 es una simulación 600 de un sistema de conversión de potencia alternativo (no mostrado). El sistema de conversión de potencia alternativo es sustancialmente similar al sistema de conversión de potencia 300 (mostrado en la figura 3), y se utilizan números de referencia similares para representar componentes similares, excepto que el sistema de conversión de potencia alternativo no incluye el dispositivo de amortiguamiento de corriente 410 (mostrado en la figura 4). La simulación 600 incluye un gráfico de tensión de red 602, un gráfico de corriente de estátor 604, un gráfico de corriente de rotor 606, un gráfico de fasor de corriente de rotor 608 y un gráfico de fasor SSDC 610. Aunque el sistema de energía alternativo no incluye el dispositivo de amortiguamiento de corriente 410, el gráfico de fasor SSDC 610 se proporciona para ofrecer una visión completa.

[0044] La simulación 600 incluye un evento de conmutación 612 que involucra la apertura del conmutador 276 (mostrado en la figura 2). Aunque la figura 6 ilustra que el evento de conmutación 612 se produce a los 0,5 segundos, el evento de conmutación 612 puede producirse en cualquier momento adecuado. Antes de que se produzca el evento de conmutación 612, el conmutador 276 está cerrado y el elemento de compensación en serie 274 (mostrado en la figura 2) está desacoplado de la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213 (mostrado en la figura 2). Cuando se produce el evento de conmutación 612, el conmutador 276 se abre y el elemento de compensación en serie 274 se acopla a la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213.

Cuando el elemento de compensación en serie 274 está acoplado a la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213, el elemento de compensación en serie 274 crea un circuito resonante con la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213 y/o con el sistema eléctrico y de control 200 (mostrado en la figura 2). De este modo se crean una o más frecuencias subsíncronas en la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213 y/o en el sistema eléctrico y de control 200. La figura 6 ilustra una frecuencia subsíncrona de aproximadamente 25 Hz que se crea en el sistema de conversión de potencia alternativo. Sin embargo, las frecuencias subsíncronas pueden incluir cualquier frecuencia que sea inferior a la frecuencia de la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213.

[0045] Un experto en la técnica reconocerá que la frecuencia de una traza en la simulación 600 puede obtenerse contando una pluralidad de picos de la traza y dividiendo el número de picos por el período de tiempo entre el primer pico y el último pico contados. Sin embargo, la simulación 600 se proporciona para ilustrar las relaciones de amplitud y frecuencia de señales representadas por las trazas de los gráficos, en lugar de mostrar valores discretos de las amplitudes y/o frecuencias de las señales.

[0046] El gráfico de tensión de red 602 incluye una traza 614 que representa una fase única de una tensión de red, tal como una tensión medida en el bus de red 242 (mostrado en la figura 2). Como se muestra en la figura 6, antes de que se produzca el evento de conmutación 612, la tensión de red oscila a una frecuencia de estado sustancialmente estable de aproximadamente 60 Hercios (Hz) con una amplitud de estado sustancialmente estable. De forma alternativa, la tensión de red puede oscilar a una frecuencia de estado sustancialmente estable de aproximadamente 50 Hz, o a cualquier frecuencia adecuada. Después de producirse el evento de conmutación 612, el elemento de compensación en serie 274 introduce una frecuencia de tensión subsíncrona en el bus de red 242 que altera una frecuencia de tensión y una amplitud de tensión del bus de red 242. De este modo, después de producirse el evento de conmutación 612, una traza 615 representa una combinación de la tensión del bus de red 242 y la frecuencia de tensión subsíncrona.

[0047] El gráfico de corriente de estátor 604 incluye una traza 616 que representa una fase única de una corriente del estátor de generador 120 (mostrado en la figura 2) que se mide, por ejemplo, por el segundo conjunto de sensores de tensión y de corriente eléctrica 254 (mostrado en la figura 2). Como se muestra en la figura 6, antes de que ocurra el evento de conmutación 612, la corriente del estátor de generador 120 oscila a una frecuencia de estado sustancialmente estable de aproximadamente 60 Hz con una amplitud de estado sustancialmente estable. De forma alternativa, la corriente del estátor de generador 120 puede oscilar a una frecuencia de estado sustancialmente estable de aproximadamente 50 Hz, o a cualquier frecuencia adecuada. Después de producirse el evento de conmutación 612, el elemento de compensación en serie 274 introduce una frecuencia de corriente subsíncrona en el estátor de generador 120 que altera la frecuencia de corriente y la amplitud de corriente del estátor de generador 120. De este modo, después de producirse el evento de conmutación 612, una traza 617 representa una combinación de la corriente del estátor de generador 120 y de la frecuencia de corriente subsíncrona.

[0048] El gráfico de corriente de rotor 606 incluye una traza 618 que representa una sola fase de una corriente (también etiquetada en la figura 4 como señal de realimentación de corriente 412) del rotor de generador 122 (mostrado en la figura 2) que se mide, por ejemplo, por el tercer conjunto de sensores de tensión y de corriente eléctrica 256 (mostrados en la figura 2). Como se muestra en la figura 6, antes de que se produzca el evento de conmutación 612, la corriente del rotor de generador 122 puede oscilar a una frecuencia de estado sustancialmente estable de aproximadamente 12 Hz con una amplitud de estado sustancialmente estable. La frecuencia de corriente del rotor de generador 122, también conocida como frecuencia de deslizamiento, depende de la velocidad de rotación del rotor 106 (mostrado en la figura 2), así como de otras condiciones de funcionamiento de la turbina eólica 100. Como tal, la corriente del rotor de generador 122 puede oscilar a cualquier frecuencia adecuada. Después de producirse el evento de conmutación 612, el elemento de compensación en serie 274 introduce una frecuencia de corriente subsíncrona en el rotor de generador 122 que altera la frecuencia de corriente y la amplitud de corriente del rotor de generador 122. De este modo, después de producirse el evento de conmutación 612, una traza 619 representa una combinación de la corriente del rotor de generador 122 y de la frecuencia de corriente subsíncrona.

[0049] El gráfico de fasor de corriente de rotor 608 incluye una primera traza 620 y una segunda traza 621 que representan una componente X y una componente de Y, respectivamente, de un fasor de corriente de rotor, tal como el fasor de realimentación de corriente 414 (mostrado en la figura 4). Como se muestra en la figura 6, antes de producirse el evento de conmutación 612, la componente X y la componente Y del fasor de realimentación de corriente 414 se mantienen en niveles con un estado sustancialmente estable. Después de producirse el evento de conmutación 612, una tercera traza 622 y una cuarta traza 623 representan la componente X y la componente Y, respectivamente, del fasor de realimentación de corriente 414. La componente X y la componente Y del fasor de realimentación de corriente 414 oscilan a una frecuencia que es igual a la frecuencia de la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213 menos una frecuencia de corriente subsíncrona introducida por el elemento de compensación en serie 274. Aunque la figura 6 muestra una frecuencia de oscilación de la componente X y la componente Y del fasor de realimentación de corriente 414 como de aproximadamente 35 Hz, la frecuencia de oscilación puede ser cualquier frecuencia adecuada determinada por la frecuencia de la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213 y la frecuencia de corriente subsíncrona introducida por el elemento de compensación en serie 274.

[0050] El gráfico de fasor SSDC 610 incluye una primera traza 624 y una segunda traza 625 que representan una componente X y una componente de Y, respectivamente, de un fasor de control de amortiguamiento, tal como el fasor de control de amortiguamiento 434 (mostrado en la figura 4). Una tercera traza 626 y una cuarta traza 627 representan la componente X y la componente Y, respectivamente, del fasor de control de amortiguamiento 434 después de producirse el evento de conmutación 612. Sin embargo, puesto que el sistema de conversión de potencia alternativo no incluye el dispositivo de amortiguamiento de corriente 410, la primera traza 624, la segunda traza 625, la tercera traza 626 y la cuarta traza 627 del gráfico de fasor SSDC 610 representan una amplitud sustancialmente 0.

[0051] La figura 7 es una simulación 700 del sistema de conversión de potencia 300 (mostrado en la figura 3) que incluye el dispositivo de amortiguamiento de corriente 410 (mostrado en la figura 4). La simulación 700 incluye componentes sustancialmente similares a la simulación 600, y se usan números de referencia similares para representar componentes similares. De este modo, la simulación 700 incluye un gráfico de tensión de red 602, un gráfico de corriente de estátor 604, un gráfico de corriente de rotor 606, un gráfico de fasor de corriente de rotor 608 y un gráfico de fasor SSDC 610.

[0052] La simulación 700 ilustra un comportamiento similar del gráfico de tensión de red 602, del gráfico de corriente de estátor 604, del gráfico de corriente de rotor 606 y del gráfico de fasor de corriente de rotor 608 como en la simulación 600, excepto que se puede ver un amortiguamiento de la corriente subsíncrona mostrada en la figura 6 después de producirse el evento de conmutación 612.

[0053] El gráfico de fasor SSDC 610 incluye la primera traza 624 y una segunda traza 625 que representan una componente X y una componente Y, respectivamente, del fasor de control de amortiguamiento 434 (mostrado en la figura 4) antes de producirse el evento de conmutación 612, y una tercera traza 626 y una cuarta traza 627 que representan la componente X y la componente Y, respectivamente, del fasor de control de amortiguamiento 434 después de producirse el evento de conmutación 612. Como se muestra en la figura 7, antes de producirse el evento de conmutación 612, la componente X y la componente Y del fasor de control de amortiguamiento 434 se mantienen en niveles con un estado sustancialmente estable. Después de producirse el evento de conmutación 612, la componente X y la componente Y del fasor de control de amortiguamiento 434 exhiben amplitudes decrecientes a medida que avanza el tiempo, hasta que la componente X y la componente Y se estabilizan en una amplitud sustancialmente 0.

[0054] Una operación del módulo regulador SSDC 506 hace que las resonancias subsíncronas en el sistema eléctrico y de control 200 se amortigüen rápidamente, permitiendo así un funcionamiento continuo con un riesgo reducido de daño en los componentes del sistema eléctrico y de control 200. Además, el módulo regulador SSDC 506 y el dispositivo de amortiguamiento de corriente 410 facilitan la reducción de una amplitud de una o más componentes de frecuencia de corriente subsíncronas mientras mantienen sustancialmente una amplitud de la frecuencia de la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213. Una operación del módulo regulador SSDC 506 y del dispositivo de amortiguamiento de corriente 410 facilita el ajuste de una tensión del rotor de generador 120 para reducir una amplitud de una o más oscilaciones introducidas por el elemento de compensación en serie 274. El módulo regulador SSDC 506 y el dispositivo de amortiguamiento de corriente 410 presentan una característica de resistencia positiva a la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213 que reduce las componentes de frecuencia subsíncronas en el sistema eléctrico y de control 200 y/o la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213. En un modo de realización, la frecuencia de la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213 es de aproximadamente 60 Hz. De forma alternativa, la frecuencia de la red de transmisión y distribución de energía eléctrica 213 es de aproximadamente 50 Hz, o cualquier frecuencia adecuada.

[0055] Los modos de realización descritos anteriormente facilitan la provisión de un convertidor de potencia eficaz y rentable. El convertidor de potencia amortigua, o reduce las oscilaciones de, las corrientes subsíncronas que pueden estar presentes en el convertidor de potencia y/o en una red de suministro eléctrico. De este modo, la turbina eólica descrita en el presente documento puede acoplarse a la red de suministro eléctrico mientras se minimizan los daños en la turbina eólica y/o en uno o más componentes de la red de suministro eléctrico que pueden resultar de resonancias de corriente subsíncrona no amortiguadas de otro modo. Más específicamente, los modos de realización descritos en el presente documento permiten acoplar una turbina eólica con un generador de inducción de doble alimentación a una red de suministro eléctrico que incluye una o más líneas de transmisión compensadas en serie.

[0056] Modos de realización ejemplares de una turbina eólica, un convertidor de potencia y procedimientos de conversión de potencia se han descrito anteriormente en detalle. Los procedimientos, la turbina eólica y el convertidor de potencia no se limitan a los modos de realización específicos descritos en el presente documento sino que, en cambio, los componentes de la turbina eólica, los componentes del convertidor de potencia y/o las etapas de los procedimientos se pueden utilizar de forma independiente y separada de otros componentes y/o etapas descritos en el presente documento. Por ejemplo, el convertidor de potencia y los procedimientos también se pueden usar en combinación con otros procedimientos y sistemas de energía de turbina eólica, y no se limitan a llevarse a la práctica solo con el sistema de energía descrito en el presente documento. Más bien, el modo de realización ejemplar se puede implementar y utilizar en conexión con otras muchas aplicaciones de turbinas eólicas o sistemas de energía.

[0057] Aunque características específicas de diversos modos de realización de la invención pueden mostrarse en algunas figuras y no en otras, esto es sólo por conveniencia. De acuerdo con los principios de la invención, cualquier característica de una figura puede ser referida y/o reivindicada en combinación con cualquier característica de cualquier otra figura.

[0058] Esta descripción escrita usa ejemplos para divulgar la invención, incluyendo el modo preferente, y también para permitir que cualquier experto en la técnica ponga en práctica la invención, incluyendo la fabricación y el uso de cualquier dispositivo o sistema y la realización de cualquier procedimiento incorporado. El alcance patentable de la invención se define por las reivindicaciones y puede incluir otros ejemplos concebidos por los expertos en la técnica. Dichos otros ejemplos pretenden estar dentro del alcance de las reivindicaciones si tienen elementos estructurales que no difieren del lenguaje literal de las reivindicaciones, o si incluyen elementos estructurales equivalentes con diferencias insustanciales del lenguaje literal de las reivindicaciones.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Un convertidor de potencia (220) para una turbina eólica (100), comprendiendo dicho convertidor de potencia:

una colección (336, 338) de dispositivos de conmutación (206, 276); y

un módulo de control (314) que comprende un dispositivo de amortiguamiento de corriente (410), dicho módulo de control (314) configurado para:

controlar un comportamiento de conmutación de dicha colección de dispositivos de conmutación (336, 338); y

recibir una corriente que tiene una componente de primera frecuencia y una componente de segunda frecuencia diferente del componente de primera frecuencia de la turbina eólica (100), dicho dispositivo de amortiguamiento de corriente (410) configurado para reducir una amplitud de la componente de primera frecuencia y para mantener sustancialmente una amplitud de la componente de segunda frecuencia, donde la componente de primera frecuencia es subsíncrona con respecto a la componente de segunda frecuencia.

2. Un convertidor de potencia (220) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la componente de segunda frecuencia es sustancialmente igual a una frecuencia de una red de suministro eléctrico (213).

3. Un convertidor de potencia (220) de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que dicho dispositivo de amortiguamiento de corriente (410) está configurado para realizar una función de transferencia proporcional-integral.

4. Un convertidor de potencia (220) de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que dicho módulo de control (314) está configurado además para controlar un ciclo de trabajo de dicha colección de dispositivos de conmutación (206, 276).

5. Un convertidor de potencia (220) de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que el módulo de control (314) comprende: el dispositivo de amortiguamiento de corriente (410) configurado para:

recibir una corriente que tiene la componente de primera frecuencia;

transformar la corriente usando una trama de referencia basada en fasores;

reducir una amplitud de la componente de primera frecuencia a sustancialmente cero; y

transformar la corriente usando una trama de referencia basada en el tiempo.

6. Un convertidor de potencia (220) de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que el dispositivo de amortiguamiento de corriente (410) está configurado además para recibir la corriente desde un generador (118) de una turbina eólica (100).

7. Un convertidor de potencia (220) de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que el módulo de control (314) comprende:

un módulo de alimentación anticipada de impedancia (404); y

un módulo regulador (406).

8. Un convertidor de potencia (220) de acuerdo con la reivindicación 7, en el que cada uno de dicho módulo de alimentación anticipada de impedancia (404), dicho módulo regulador (406) y dicho dispositivo de amortiguamiento de corriente (410) están configurados para proporcionar una señal de fasores de tensión a un sumador de regulador (424) configurado para sumar los fasores de tensión.

9. Una turbina eólica (100), que comprende:

un generador (118); y

un convertidor de potencia (220) acoplado de forma operativa a dicho generador (118), dicho convertidor de potencia (220) como se define en cualquier reivindicación precedente.

10. Un procedimiento para convertir potencia, comprendiendo dicho procedimiento:

acoplar un convertidor de potencia (220) a un generador (118);

acoplar un módulo de control (314) al convertidor de potencia (220), incluyendo el módulo de control (314) un dispositivo de amortiguamiento de corriente (410);

recibir desde el generador (118) una corriente que tiene un componente de primera frecuencia y una segunda componente de frecuencia diferente de la componente de primera frecuencia; y

configurar el dispositivo de amortiguamiento de corriente (410) para reducir una amplitud de la componente de primera frecuencia y para mantener sustancialmente una amplitud de la componente de segunda frecuencia,

en el que la componente de primera frecuencia es subsíncrona con respecto a la componente de segunda frecuencia.

11. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, en el que la componente de segunda frecuencia es sustancialmente igual a una frecuencia de una red de suministro eléctrico (213).

12. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 11, que comprende además configurar el dispositivo de amortiguamiento de corriente (410) para realizar una función de transferencia proporcional-integral.