ES2824579A1 - Estructura de conexion de aerogeneradores - Google Patents
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Abstract
Estructura de conexión de aerogeneradores que comprende 6n módulos dispuestos en topología MMC, dotada de tres columnas que establecen tres fases, que comprenden una conexión serie de dos ramas cada una con dos inductancias y un mismo número de módulos n. Cada módulo n cuenta con una turbina eólica y un generador eléctrico (WT) de un aerogenerador, que está conectado a un convertidor de corriente alterna a corriente continua (AC/DC) trifásico, y éste a un SM para formar 6n módulos WT+AC/DC+SM en total. Integra los aerogeneradores en la estructura de un MMC, que se encarga de obtener la forma de onda senoidal de salida y de elevar la tensión hasta el valor necesario para la conexión a la red. Elimina los convertidores DC/AC y los transformadores elevadores de cada aerogenerador. Se aplica a parques eólicos y a aerogeneradores de pequeño tamaño para, por ejemplo, aplicaciones urbanas.
Description
DESCRIPCIÓN
Estructura de conexión de aerogeneradores
Objeto y campo técnico de la invención
La presente invención se aplica en el campo de la electrónica de potencia, preferentemente en alta potencia aunque también puede aplicarse en baja y media potencia, más concretamente en sector de la técnica dedicado a los convertidores electrónicos para aplicaciones de generación eólica.
El objeto de la invención consiste en reducir el número de componentes de la estructura de conexión de aerogeneradores y por tanto la reducción de su precio.
Antecedentes de la invención
Tradicionalmente los parques eólicos (Fig. 1) están formados por aerogeneradores que unen sus conexiones eléctricas en la parte de media tensión, justo antes del transformador de conexión con la red eléctrica, que en este caso es un transformador de media a alta tensión al tratarse de un campo de aerogenradores con gran número de turbinas de alta potencia. Cada aerogenerador está formado por una turbina eólica, un generador, un doble convertidor AC/DC/AC (back-to-back) y un transformador elevador de baja a media tensión. Las salidas de todos los aerogeneradores en media tensión se unen en la entrada del transformador elevador de media a alta tensión para realizar su conexión a la red, como se describe en el documento Venkata Yaramasu, Bin Wu, Paresh C. Sen, Samir Kouro, and Mehdi Narimani. High-Power Wind Energy Conversion Systems: State-of-the-Art and Emerging Technologies. Proceedings of the IEEE | Vol. 103, No. 5, May 2015.
Por otro lado, es conocido el uso del convertidor modular multinivel (MMC, del inglés ‘Multilevel Modular Converter’) (Fig. 2) que tiene una topología modular que presenta las ventajas de la distribución del almacenamiento de energía, escalabilidad, frecuencia de conmutación elevada, y posibilidad de eliminar filtros y transformador. Está formado por módulos de conmutación (SM, del inglés ‘Switchign Module’) con distintos tipos de topologías como, por ejemplo, semi puente (HB, del inglés ‘Half Bridge’). Precisa de un elevado número de semiconductores y drívers, además de almacenar más energía que en los convertidores de dos o tres niveles convencionales. Por ejemplo, el documento de
patente US 2016/0336751 A1 presenta una topología MMC para HVDC (High Voltage Direct Current) con seis puentes y tres fases; mientras que el documento de patente CN 10,217,0140 A presenta un método para iniciar la operación de este tipo de dispositivos. La aplicación principal del MMC es la transmisión de energía en corriente continua de alta tensión (HVDC, del inglés ‘High Voltage Direct Current’). Además, los MMC pueden aplicarse a accionamiento de motores, compensadores estáticos síncronos (STATCOM, del inglés ‘Static Synchronous Compensator’), convertidores back-to-back, y convertidores matriciales, entre otros.
Se ha publicado una topología basada en MMC (Fig. 3) que incluye un panel solar en cada SM para formar cada módulo de potencia (PM, del inglés ‘Power Module’). Cada PM se controla para seguir el punto de máxima potencia de cada panel solar, evitando que, en casos de sombreado, los paneles en serie disminuyan su producción. De esta forma, la tensión de cada panel solar es un poco distinta lo que hace necesaria la presencia de módulos redundantes (RM, del inglés ‘Redundant Module’) en cada rama para equilibrar las tensiones. Concretamente esta publicación, se refiere al documento Fei Rong, Xichang Gong, y Shoudao Huang. A Novel Grid-Connected PV System Based on MMC to Get the Maximum Power Under Partial Shading Conditions. IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 32, no. 6, pp. 4320-4333, June 2017.
Se han empleado MMCs en parques eólicos marinos conectados a tierra mediante enlaces HVDC. En el lado del mar se encuentra un MMC que pasa de corriente alterna de alta tensión a corriente continua de alta tensión, que se recibe en el lado de tierra mediante otro MMC que hace la conversión contraria, es decir de corriente continua de alta tensión a corriente alterna de alta tensión (Fig. 4). Por lo tanto, la única diferencia de esta configuración respecto de la Fig. 1 es la presencia de los MMC que permiten realizar la transmisión HVDC por el mar. El número de convertidores y de transformadores es el mismo que en el caso de la organización conocida en el estado del arte (Fig. 1).
De acuerdo con todo lo anterior el estado actual de la técnica de la integración de aerogeneradores supone el empleo de un elevado número de convertidores electrónicos y transformadores. Suponiendo un número m de aerogeneradores, se necesitan 2m convertidores trifásicos de baja tensión, m transformadores de baja a media tensión y un transformador de media a alta tensión. La presente invención integra las turbinas de un parque eólico en la estructura del convertidor MMC, reduciendo el número de elementos a los siguientes: m convertidores trifásicos de baja tensión, m SMs de baja tensión y un
transformador de media a alta tensión.
Como ha sido comentado, la configuración de parques eólicos marinos conectados a tierra mediante transmisión HVDC y MMC (Fig. 4), es totalmente distinta a la presente invención, pues en la primera (estado del arte), a parte de necesitar un mayor número de elementos, localmente cada conjunto aerogenerador+AC/DC/AC+transformador produce media tensión de corriente alterna, mientras que en la invención cada conjunto aerogenerador+AC/DC+SM produce corriente continua de baja tensión, obteniéndose la corriente alterna de media tensión al sumar muchas tensiones continuas de baja tensión para formar escalones. Otra diferencia importante es que en el estado del arte el MMC tiene una topología como la de la Fig. 2 donde cada modulo está formado por componentes electrónicos y un condensador, mientras que en la invención cada módulo incluye un aerogenerador y un convertidor. En definitiva la invención proporciona una nueva estructura que en absoluto resulta evidente a la vista del estado de la técnica.
Descripción de la invención
La presente invención soluciona los problemas anteriormente indicados, reduciendo el número de convertidores y eliminando los transformadores elevadores que se emplean previamente al transformador requerido para realizar la conexión a la red. Es aplicable a parques de aerogeneradores de alta potencia y también puede aplicarse en grupos de aerogeneradores de media y baja potencia para, por ejemplo, aplicaciones urbanas.
La invención consiste en una estructura de conexión de aerogeneradores de un parque eólico (Fig. 5) que incluye cada aerogenerador en un SM de un MMC. Se generan unos nuevos módulos, denominados WT+AC/DC+SM (del inglés ‘Wind Turbine’), que incluyen la turbina eólica, el generador, un convertidor AC/DC y un SM. El SM puede tener topología medio puente (HB), puente completo (FB), u otras topologías empleadas para reducir cortocircuitos de corriente continua como pueden ser topología con submódulo de doble fijación, topología con un tiristor en la entrada del SM, y topología con dos tiristores en la entrada del SM. Cada uno de estos módulos WT+AC/DC+SM sustituye al SM de un MMC.
Como ha sido señalado, la invención es completamente diferente de la configuración conocida para parques eólicos marinos (Fig. 4), en la que el MMC realiza la conversión entre corriente alterna y corriente continua de alta tensión, y los aerogeneradores, convertidores y transformadores no forman parte del MMC ni de sus módulos. En la invención (Fig. 5) todo el parque eólico se conecta formando un convertidor multinivel formado por módulos
WT+AC/DC+SM, mientras que en la Fig. 4 la energía de cada turbina se convierte en corriente alterna de media tensión a la salida de su transformador de baja a media tensión. En la Fig. 5 cada turbina suministra energía en forma de corriente continua en cada módulo WT+AC/DC+SM, y los módulos se conectan en serie para modular la tensión de corriente alterna de salida, lo que permite simplificar la estructura y reducir considerablemente el número de elementos empleados, según fue descrito.
Los aerogeneradores de la estructura de la invención, se organizan en tres columnas o fases, cada columna en dos ramas (superior e inferior) y dos inductancias, y cada rama está formada por n módulos WT+AC/DC+SM, que proporcionan en su salida una corriente continua, de manera que el punto medio de cada una de las tres columnas es un borne en el que se suman todas las corrientes continuas formando escalones que establecen la salida de corriente alterna del conjunto del sistema de aerogeneradores, y que se conecta a una fase del primario del transformador elevador empleado para realizar la conexión a la red eléctrica (línea de transporte de alta tensión, o línea de distribución de media o de baja tensión). La tensión de corriente alterna del primario del trasformador se obtiene mediante la conmutación de los SM por medio de algún algoritmo conocido en el estado del arte; cuando hay pocos módulos se empleará una modulación de media-alta frecuencia (Fig. 6) y cuando hay muchos módulos se puede generar las tensiones senoidales mediante escalones (Fig. 7), como por ejemplo se describe en el documento de Fernando Martinez-Rodrigo, Dionisio Ramirez, Alexis B. Rey-Boue, Santiago de Pablo y Luis Carlos Herrero-de Lucas, referente a un Modular Multilevel Converters: Control and Applications. Energies 2017, 10, 1709.
El convertidor AC/DC de cada módulo WT+AC/DC+SM se encarga de controlar dos variables. La primera variable es la velocidad de giro de la turbina, a través del control de par que presenta el generador eléctri
producir la máxima potencia. La segunda variable es la tensión de la parte de corriente continua que se establece en el valor nominal del convertidor y permanece constante.
Cuando se incluye un número elevado n de módulos WT+AC/DC+SM en serie, la tensión se puede elevar hasta media tensión. Por ejemplo, si la tensión en corriente continua de cada módulo es vSM=1000V y el número de aerogeneradores por rama es de n=16, entonces la tensión de corriente continua es VDC=vSM-n=1000-16=16000V, y, por tanto, la tensión fase a neutro de pico es aproximadamente VDC/2=8000V y la tensión fase a fase eficaz es aproximadamente 8000^3/2 = 9800F.
En el caso anterior (tensión en corriente continua de cada módulo sea vSm =1000V) pero se emplee un número bajo de turbinas que proporcione una salida en cada una de las columnas de la topología MMC, una tensión comprendida entre 2 kv y 30 kv, la conexión a la red de los módulos WT+AC/DC+SM se realizará a la línea de distribución de media tensión, mediante un transformador de media a media tensión.
En el caso en el que se emplen turbinas de baja potencia y el número de ellas sea elevado, proporcionando una tensión comprendida entre 300 v y 2 kv, cada módulo WT+AC/DC+SM se conectará a la red mediante un transformador de baja a media tensión, y si el número de turbinas es bajo, proporcionando una tensión menor de 300 v se empleará un transformador de baja a baja tensión.
Por lo tanto en cualquiera de los anteriores casos, la invención elimina los transformadores previos al transformador de conexión a la red.
Descripción de las figuras
Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, y para complementar esta descripción, se acompañan como parte integrante de la misma las siguientes figuras, cuyo carácter es ilustrativo y no limitativo:
La Figura 1 muestra la forma habitual de conexión de un parque eólico, conocido en el estado de la técnica. Cada aerogenerador se conecta a un doble convertidor AC/DC, y posteriormente a un transformador elevador de baja a media tenisón. El lado de media tensión de todos los transformadores se conecta, y se conecta a su vez a la entrada del transformador de media a alta tensión.
La Figura 2 muestra un esquema de un MMC trifásico, de n SM por rama, conocido en el estado de la técnica. Además presenta un ejemplo de implementación de un SM del MMC, en configuración de semi-puente, conocida en el estado de la técnica.
La Figura 3 muestra un MMC fotovoltaico, conocido en el estado de la técnica. A diferencia del MMC normal, no tiene conexión a un bus de corriente continua. Tiene dos tipos de módulos, el PM donde está incluido el panel fotovoltaico y el RM empleado para compensar diferencias de tensiones entre fases.
La Figura 4 muestra un parque eólico marino conectado a tierra mediante transmisión HVDC, conocido en el estado de la técnica. La organización del parque es igual que la Figura 1 hasta el bus de corriente alterna de alta tensión, donde se sitúa un MMC para obtener la corriente continua de alta tensión, que se transmite por cables submarinos hasta la estación terrestre, que vuelve a convertir en corriente alterna para conectar a la red de transporte.
La Figura 5 muestra los elementos utilizados por una realización preferente de la presente invención. La estructura general es igual que la del MMC convencional de la figura 2, pero cada SM se ha convertido en un bloque, WT+AC/DC+SM, que incluye la turbina eólica, el generador, un convertidor AC/DC trifásico y un SM con topología HB. La salida en corriente alterna, voa, vob y voc, se conecta al transformador elevador de media a alta tensión.
La Fig. 6 muestra un ejemplo de la forma de onda de la tensión trifásica de salida en media tensión, voa, vob y voc, cuando dicha tensión se genera mediante modulación. En este caso el número de bloques WT+AC/DC+SM por rama es 5.
La Fig. 7 muestra un ejemplo de la forma de onda de la tensión trifásica de salida en media tensión, voa, vob y voc, cuando dicha tensión se genera mediante escalones, sin modulación. En este caso el número de bloques WT+AC/DC+SM por rama es 14.
La Tabla 1 muestra un ejemplo del valor instantáneo de la tensión de salida, voa, vob y voc, en función del número de módulos en estado ON en las ramas superior e inferior, nup, nlow, en un caso en el que se emplean 5 módulos WT+AC/DC+SM por rama.
Realización preferente de la invención
La realización preferente de la invención es la conexión de un parque eólico a la red eléctrica de media/alta tensión, aunque no se descartan otras formas de realización como un grupo de pequeños aerogeneradores en una aplicación urbana de baja tensión.
En la realización preferente, un grupo de aerogeneradores se conectan según se indica en la Fig. 5. Cada aerogenerador está integrado en un módulo WT+AC/DC+SM formado por un aerogenerador, un generador eléctrico, un convertidor AC/DC y un módulo de conmutación SM que puede tener topología medio puente (HB), puente completo (FB) u otra. Varios módulos se unen en serie para formar una rama. Dos ramas y dos inductancias se unen en
serie para formar una columna o fase. Mediante tres columnas se construye la topología completa.
El parque eólico se conecta a un trasformador para elevar la tensión hasta el valor de la línea de distribución (baja o media tensión), o de transporte (alta tensión). La forma de onda senoidal trifásica de la tensión a la entrada del transformador se genera, según el estado del arte, mediante la conmutación de los transistores de los módulos de conmutación
El SM con topología HB (Fig. 5) está formado por dos IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), dos diodos y un condensador. El SM está en estado ON cuando T1 está en ON y T2 está en OFF, mientras que el SM está en OFF cuando T 1 está en OFF y T2 está en ON. Cuando el SM está en ON, la tensión del SM vSM es la misma que la del condensador C, mientras que cuando el SM está en OFF la tensión del SM vSM es cero. De acuerdo con el estado ON/OFF del SM y la dirección de la corriente del SM iSM, la corriente iSM circula por el condensador produciendo su carga/descarga, o no circula por el condensador que mantiene su tensión constante.
El condensador de cada SM mantiene una tensión igual a la tensión total de corriente continua VDc dividido por el número n de SM por rama, vSM= VDc/n. Para que la suma de las tensiones de las dos ramas (superior e inferior) de una fase sea igual a la tensión total en continua VDC, la suma del número de módulos en estado ON de la rama superior nup y de la rama inferior nlow debe ser igual a n, nup+nlow=n.
La ecuación que relaciona las tensiones en CC y en CA se puede obtener mediante la rama superior o la rama inferior:
^DC , d í Up a
" o a ------2----------------" ' ‘ r a - í - d T
^DC d i lowa
" o a ~ " " lo w a " L "
d t
Las tensiónes de la rama superior vupa e inferior vlowa dependen del estado de conducción, 1 ó 0, de cada SM, Supak y Slowak, y de la tensión de cada condensador, vCupak y vClowak, siendo:
Vupa 
S upak VCupak
La salida de cada fase en corriente alterna, voa, vob y voc, puede tomar n+1 valores diferentes; por ejemplo, si el número de SMs por rama es n=5, el número de niveles de la tensión de corriente alterna es 6 y sus valores se pueden ver en la tabla 2.
Claims (4)
1. Estructura de conexión de aerogeneradores, que comprende n módulos dipuestos según una topología MMC (convertidor modular multinivel) que está dotada de una configuración de tres columnas, cada una de las cuales determina una fase, y está formada por una conexión serie de dos ramas, cada una de las cuales comprende n módulos y una inductancia; caracterizada por que cada módulo n comprende un generador eléctrico y una turbina eólica (WT) de un aerogenerador, que está conectada a un convertidor de corriente alterna a corriente continua (AC/DC) trifásico, y éste a un SM (Módulo de conmutación) para formar 6n módulos WT+AC/DC+SM; estando la salida de cada fase del MMC conectada a la red eléctrica de distribución o transporte mediante un transformador.
2. Estructura de conexión según la reivindicación 1 en la que el SM comprende una configuración de redución de cortocircuitos de corriente continua seleccionada entre una topología HB (Half Bridge), una topología FB-SM (Full Bridege-Switchign Module’), una topología de submódulo de doble fijación, una topología con un tiristor en la entrada del SM, y una topología con dos tiristores en la entrada del SM.
3. Estructura de conexión según las reivindicaciones 1 y 2 en la que el convertidor AC/DC es un inversor trifásico de dos o más niveles.
4. Estructura de conexión según las reivindicaciones 1 y 2 en la que el convertidor AC/DC es un rectificador más un convertidor DC/DC.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BA2A | Patent application published |
Ref document number: 2824579 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20210512 |
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Effective date: 20210827 |