ES2855175T3 - Kit para una estación eólica, y método - Google Patents

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Abstract

Kit y método para una estación eólica que comprende una turbina eólica de velocidad fija con un generador acoplado a una red mediante un dispositivo de acoplamiento para que la turbina trabaje a una frecuencia fija igual a la frecuencia de la red. El kit (100) está adaptado para ser acoplado entre el generador (10) de la turbina eólica (1) y la red(2), reemplazando al menos el dispositivo de acoplamiento, convirtiendo el kit (100) la turbina eólica de velocidad fija en una turbina eólica de velocidad variable.

Description

DESCRIPCIÓN
Kit para una estación eólica, y método
SECTOR DE LA TECNICA
La presente invención se relaciona con un kit para una estación eólica, y más concretamente con un kit para una estación eólica que comprende una turbina eólica de velocidad fija.
ESTADO ANTERIOR DE LA TÉCNICA
En los últimos años el número de turbinas eólicas y granjas eólicas conectadas a la red eléctrica ha experimentado un notable ascenso. Las primeras turbinas eólicas instaladas eran turbinas eólicas de velocidad fija que se acoplaban a la red eléctrica. Dichas turbinas eólicas incluyen un generador 310 con su estator acoplado a la red 302, y algunos subsistemas adicionales para permitir que la turbina 1 trabaje en las condiciones requeridas por los operadores de la red, tales como un dispositivo de compensación de potencia reactiva (normalmente bancos de condensadores 390) y/o un arrancador 380 suave (“soft starter’), tal y como se muestra a modo de ejemplo en la figura 1. Los primeros, bancos de condensadores 390, se necesitan para proporcionar la potencia reactiva que consume el generador para su magnetización. El segundo, el arrancador 380, es necesario para activar la turbina eólica, debido a que el generador no puede ser acoplado directamente a la red. En vez de un arrancador 380 se puede emplear otro dispositivo de acoplamiento que cumpla la misma función. La velocidad de giro de la turbina eólica debe ser la que se corresponde con la frecuencia de la tensión de la red, y cuando se alcanza dicha condición, la turbina eólica es acoplada a la red 302 mediante el arrancador 380, que permite el control de la corriente de arranque. Los bancos de condensadores 390 y el arrancador 380 pueden ser controlados o supervisados por un PLC (Programmable Logic Controller).
Una turbina eólica de velocidad fija puede incluir además subsistemas adicionales 370 tales como una caja de engranajes, un control de un generador de jaula de ardillas, un sistema de control de paso de pala, y/o un sistema de control de la orientación de la turbina por ejemplo, tal y como se muestra en la figura 2, que pueden ser controlados o supervisados también por un PLC.
Una desventaja de las turbinas eólicas de velocidad fija es que la inercia y la rigidez de los sistemas de transmisión mecánicos (caja de engranajes, etc.) podrían causar vibraciones que son excitadas por turbulencias o cambios bruscos de viento, y debido a la imposibilidad de trabajar a velocidades variables, estas vibraciones son transmitidas a la red eléctrica como fluctuaciones eléctricas. Una manera de disminuir estas oscilaciones es proveer a la turbina eólica de la capacidad para trabajar en rangos más amplios de velocidad, consiguiendo un acoplamiento más flexible entre el generador y la red eléctrica. De esta manera es posible absorber las ráfagas de viento, reducir los golpes de par y enviar una energía más estable a la red. Alternativamente (o adicionalmente) las partes mecánicas de las turbinas eólicas pueden ser diseñadas para soportar vibraciones (hasta un nivel determinado), y si se alcanza dicho nivel de vibraciones la turbina eólica es desconectada de la red.
Además, actualmente los requerimientos técnicos que se aplican a las turbinas eólicas se están convirtiendo más y más demandantes en campos como la conexión a la red y la calidad de energía. Un claro ejemplo de esta tendencia hacia sistemas más eficientes y fiables es el vertiginoso incremento de los requerimientos del código de red en términos de faltas de red (“Fault Ride Through’’ - FRT), contenido armónico (calidad de energía) y la generación de potencia activa y reactiva en régimen permanente. Diferentes códigos de red internacionales están requiriendo condiciones de operación más y más demandantes. Las turbinas eólicas de velocidad fija requieren la instalación de equipos extra para poder mantener la producción energética y cumplir los requerimientos de generación de potencia reactiva mientras la red falla. Para solventar este inconveniente algunos sistemas de velocidad fija han sido provistos de diferentes tipos de dispositivos para cumplir los requerimientos FRT sin desconectar la turbina eólica de la red, y para asegurar los requerimientos de inyección de corriente reactiva.
Otro inconveniente de las turbinas eólicas de velocidad fija es que, debido a que la frecuencia del generador tiene que ser igual a la frecuencia de la red, dicha turbina eólica es acoplada a la red sólo cuando se alcanza esta condición, afectando este hecho a la disponibilidad de la turbina eólica de velocidad fija, y por tanto a su eficiencia. En el documento US2013/134709 se divulga un conjunto para actualizar la turbina eólica de velocidad fija a una turbina eólica de velocidad variable.
En el documento EP1426616A1 se divulga una estación de energía eólica que comprende una turbina eólica de velocidad fija. La estación comprende un equipamiento extra (un kit de actualización) que comprende un dispositivo convertidor conectado entre el generador y la red para actuar sobre el generador con una corriente del generador de frecuencia variable diferente a la frecuencia de la red en un rango de potencia de viento por debajo del 50% de la potencia nominal del generador. Una vez alcanzado el 50% de la potencia nominal, el kit de actualización es desacoplado y el generador está conectado directamente a la red.
EXPOSICIÓN DE LA INVENCIÓN
El objeto de la invención es el de proporcionar un kit para una estación eólica que comprende una turbina eólica de velocidad fija acoplada a la red por medio de un dispositivo de acoplamiento, y un método para convertir la turbina eólica de velocidad fija en una turbina eólica de velocidad variable.
La estación eólica comprende una turbina eólica de velocidad fija con un generador que se acopla a la red por medio de un dispositivo de acoplamiento para trabajar a una frecuencia fija, siendo dicha frecuencia fija igual a la frecuencia de la red. El generador comprende un estator y un rotor, y la frecuencia del generador está directamente relacionada con la velocidad de rotación del rotor, dependiendo dicha velocidad de giro de la velocidad del viento que actúa sobre la turbina eólica.
Un primer aspecto de la invención se refiere a un kit adaptado para ser acoplado entre el generador de la turbina eólica y la red, reemplazando al menos el dispositivo de acoplamiento, convirtiendo dicho kit la turbina eólica de velocidad fija en una turbina eólica de velocidad variable, de tal manera que el generador permanece acoplado a la red y suministra energía a dicha red independientemente de la frecuencia de trabajo del generador que depende de las condiciones del viento (en las condiciones de viento en las que una turbina eólica de velocidad variable puede trabajar, normalmente entre aproximadamente 4m/s y aproximadamente 25m/s), aumentándose así la disponibilidad de dicha turbina eólica.
El kit comprende además un convertidor de potencia back-to-back acoplable entre el generador y la red, comprendiendo el convertidor de potencia un convertidor del lado de máquina, un convertidor del lado de red y una conexión de tensión continua entre ambos convertidores. El kit comprende además un controlador para controlar el convertidor de potencia, y un punto de conexión para recibir al menos un parámetro del generador de la turbina, estando el punto de conexión comunicado con el controlador. El controlador está configurado para actuar sobre el convertidor de potencia para adaptar el par resistente a aplicar en función de dicho parámetro, para convertir la turbina eólica en una turbina eólica de velocidad variable.
Al contrario de lo que ocurre en el estado de la técnica, en donde para incrementar la disponibilidad de una turbina eólica se instala un equipamiento extra (un kit de actualización) en la estación para ayudar a dicha turbina eólica en los momentos en los que la frecuencia del generador es diferente a la frecuencia de la red, el kit de la invención ha sido diseñado para reemplazar al menos el dispositivo de acoplamiento. De esta manera, la invención propone convertir dicha turbina eólica de velocidad fija en una turbina eólica de velocidad variable, obteniéndose las ventajas de una turbina eólica de velocidad variable frente a una turbina eólica de velocidad fija, en vez de provocar la desconexión de la red de la turbina eólica de velocidad fija cuando la frecuencia del generador es diferente a la frecuencia de la red (en particular en rangos de potencia de viento por debajo de la potencia nominal del generador asociada). Además, como el kit convierte la turbina eólica de velocidad fija en una turbina eólica de velocidad variable no es necesario incorporar equipamiento extra, que implicaría un aumento de costes, para cumplir los requisitos FRT y para aumentar el eficiencia y disponibilidad de la turbina.
Un segundo aspecto de la invención se refiere a un método para convertir una turbina eólica de velocidad fija en una turbina eólica de velocidad variable, en el que se reemplaza el dispositivo de acoplamiento con un kit como el del primer aspecto de la invención. De esta manera, la turbina eólica comprende las ventajas de una turbina eólica de velocidad variable de una manera sencilla.
Estas y otras ventajas y características de la invención se harán evidentes a la vista de las figuras y de la descripción detallada de la invención.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La figura 1 muestra esquemáticamente una estación eólica convencional que comprende una turbina eólica de velocidad fija, un arrancador y un dispositivo de compensación de potencia reactiva.
La figura 2 muestra la estación eólica de la figura 1, incluyendo además subsistemas para controlar el paso de pala y/o la orientación de la turbina.
La figura 3 muestra una realización del kit de la invención instalado en una estación eólica que comprende una turbina eólica, acoplado entre la turbina eólica y una red.
La figura 4 muestra una realización del kit de la invención instalado en una estación eólica que comprende una turbina eólica y subsistemas para controlar el paso de pala y/o la orientación de la turbina, acoplado entre la turbina eólica y una red.
La figura 5 muestra la asociación del par resistente con la velocidad de giro del rotor del generador de una turbina eólica.
EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
El kit 100 de la invención está adaptado para una estación eólica que comprende una turbina eólica 1 de velocidad fija para ser acoplada a una red 2 por medio de un dispositivo de acoplamiento tal como un arrancador por ejemplo. La turbina eólica 1 comprende un generador 10 con un rotor 12 y un estator 11 para ser acoplado a la red 2 mediante el dispositivo de acoplamiento, para trabajar a una frecuencia fija igual a la frecuencia de dicha red 2. La frecuencia del generador 10 está directamente relacionada con la velocidad de rotación del rotor 12, dependiendo dicha velocidad de giro de la velocidad del viento que actúa sobre la turbina eólica 1.
El kit 100 de la invención reemplaza al menos el dispositivo de acoplamiento, y se acopla ente el generador 10 de la turbina eólica 1 y la red 2 tal y como se muestra por ejemplo en las figuras 3 y 4. Así, la turbina eólica de velocidad fija se convierte en una turbina eólica de velocidad variable, obteniéndose al menos las ventajas que tienen las turbinas eólicas de velocidad variable frente a las turbinas eólicas de velocidad fija. Por ejemplo:
- Las ráfagas de viento no producen golpes de par en el sistema mecánico de la turbina eólica 1, incrementándose la vida útil de las mismas. La energía resultante de las ráfagas se almacena como inercia mecánica de la turbina creando una “elasticidad” que reduce las pulsaciones de par, y se eliminan las variaciones de potencia eléctrica.
- Permite cumplir requerimientos del código de red más fácilmente, el cual tiende hacia sistemas más eficientes y fiables en términos de FRT, contenido armónico (calidad de energía suministrada a la red 2) y la generación de potencia activa y reactiva en régimen permanente.
Además no se necesitan dispositivos de compensación de potencia reactiva (normalmente banco de condensadores) para suministrar la potencia reactiva que consume el generador 10 para su magnetización. De esta manera, en las turbinas eólicas de velocidad fija que comprenden dispositivos de compensación de potencia reactiva también se pueden eliminar dichos dispositivos de compensación de potencia reactiva, reemplazando el kit 100 el dispositivo de acoplamiento y los dispositivos de compensación de potencia reactiva.
El kit 100 comprende un convertidor de potencia 3, del tipo conocido como back-to-back, entre el generador 10 y la red 2, un controlador 4 para controlar el convertidor de potencia 3 y un punto de conexión 51 para recibir al menos un parámetro del generador 10, estando el punto de conexión 51 comunicado con el controlador 4 de tal manera que el controlador 4 controla el convertidor de potencia 3 en función de dicho parámetro. Preferentemente dicho parámetro es la velocidad de giro del rotor 12 del generador 10.
El controlador 4 controla el convertidor de potencia 3 autónomamente, de tal manera que el kit 100 puede ser acoplado a una turbina eólica de velocidad fija de cualquier topología (incluyendo diferentes subsistemas y/o estructuras de control) para convertirla en una turbina eólica de velocidad variable, sin la necesidad de realizar modificaciones adicionales en la turbina 1 para conseguirlo (es suficiente con desmontar el dispositivo de acoplamiento, y los dispositivos de compensación de potencia reactiva si los hubiere, y con acoplar el kit 100).
El controlador 4 está configurado para actuar sobre el convertidor de potencia 3 para adaptar el par resistente a aplicar a la turbina 1 en función de dicho parámetro, para absorber la máxima energía del viento, de tal manera que la turbina eólica 1 puede trabajar como una turbina eólica de velocidad variable. Debido al viento que actúa sobre la turbina 1, el generador 10 de la turbina 1 (el rotor 12) gira a una velocidad determinada que depende de la velocidad del viento, generando el generador 10 el llamado par motor durante dicho giro, de tal manera que si se aumenta el par motor la turbina 1 (el generador 10) se acelera, y si dicho par motor disminuye la turbina 1 (el generador 10) se frena.
La presencia de un par resistente en una turbina eólica de velocidad variable ya es conocida. Dicho par resistente depende de la corriente a través del rotor 12 y/o del estator 11 del generador 10 (del campo electromagnético generado por dicho generador 10 cuando gira), y está asociado al par motor según la siguiente ecuación:
Cm - Cr = J(dw/dt),
en donde:
- Cm: par motor,
- Cr: par resistente,
- J: Inercia (constante que depende del eje de accionamiento de la turbina eólica),
w: velocidad de giro del rotor 12.
Así, un cambio en el par motor implica también un cambio en el par resistente.
Con el kit 100 de la invención acoplado a la turbina 1, cuando la velocidad del viento cambia la velocidad de giro de la turbina 1 también cambia, cambiándose en consecuencia el par motor. El controlador 4 está configurado para actuar sobre el convertidor de potencia 3 en función de la velocidad de giro de la turbina 1 (de la velocidad de giro del rotor 12 del generador 10) para cambiar el par resistente de tal manera que se obtenga la mayor absorción de energía del viento.
De esta manera, el controlador 4 está configurado para calcular la ley que relaciona el par resistente con la velocidad del generador 10 de la turbina eólica 1 a la que está conectado dicho convertidor de potencia 3, asociando dicha ley el par resistente con la velocidad de giro del rotor 12 del generador 10 de la turbina 1 (esta asociación es conocida en el sector). Cada turbina eólica 1 comprende su propia ley que relaciona el par resistente con la velocidad, de tal manera que dicha información se almacena previamente en el kit 100, en particular en una memoria (no representada en las figuras) de dicho kit 100. Preferentemente la memoria es una memoria interna del controlador 4.
De acuerdo con dicha ley que asocia el par resistente con la velocidad de giro del rotor 12 del generador 10 de la turbina 1, a cada velocidad de giro le corresponde un par resistente óptimo que permite absorber la máxima energía del viento, y el controlador 4 está configurado para actuar sobre el convertidor de potencia 3 para ajustar el par resistente para conseguir el par resistente óptimo en cada momento.
La ley par resistente versus variación de velocidad se representa normalmente con una curva como la mostrada a modo de ejemplo en la figura 5, en donde:
- Ps = Potencia de estator (potencia que puede absorber la turbina eólica 1),
- O = velocidad de giro del rotor 12 del generador 10,
- On = velocidad de giro nominal del rotor 12 del generador 10,
- C = curva que representa el par resistente óptimo en cada situación, y
- Pw = potencia extraíble del viento para cada velocidad de viento en función de la velocidad de giro.
A través de esta curva se puede asociar el par resistente con la velocidad de giro de la turbina 1 (el par resistente óptimo para cada velocidad de giro de la turbina 1), calculando así el controlador 4 la ley que relaciona el par resistente con la velocidad de giro del generador 10 de la turbina eólica 1. Así, el controlador 4, actúa sobre el convertidor de potencia 3 de tal manera que el par resistente sigue dicha curva a medida que la velocidad de giro de la turbina 1 cambia.
El convertidor de potencia 3 comprende un convertidor del lado de máquina 30, un convertidor del lado de red 31 y una conexión de tensión continua 32 entre ambos convertidores 30 y 31. En una primera realización de la invención mostrada a modo de ejemplo en las figuras 3 y 4, el convertidor del lado de máquina 30 está conectado al estator 11 del generador 10 y el convertidor del lado de red 31 está conectado a la red 2. Esta configuración se conoce también como full-converter. En una segunda realización de la invención no mostrada en las figuras, el convertidor del lado de máquina 30 está conectado al rotor 12 del generador 10 y el convertidor del lado de red 31 está conectado a la red 2. Esta configuración se conoce también como generador asíncrono de doble alimentación (DFIG).
El convertidor de potencia 3 está configurado para actuar sobre el generador 10 en todos los rangos operativos de viento, pudiendo el controlador 4 controlar dicho convertidor de potencia 3 en tales condiciones. En otras palabras, el convertidor de potencia 3 está configurado para actuar sobre el generador 10 en todas aquellas condiciones de viento en las que una turbina eólica de velocidad variable convencional puede trabajar. Dichas condiciones son, normalmente, entre aproximadamente una velocidad de viento de 4m/s y aproximadamente una velocidad de viento de 25m/s.
El controlador 4 del kit 100 está también configurado para calcular las consignas de la potencia activa o par resistente y de potencia reactiva del generador 10 de la turbina eólica 1, en función de las condiciones del viento (en particular de la velocidad de rotación del rotor 12 recibida), y para usar dichas consignas para controlar el convertidor de potencia 3.
El kit 100 puede comprender además una conexión de entrada (no representada en las figuras) para recibir las consignas desde un segundo controlador externo (no representado en las figuras), como por ejemplo el factor de potencia requerido, y una conexión de salida (no representada en las figuras) para transmitir señales de estado al segundo controlador, tales como estado de operación (emergencia, en marcha, pausado, etc.), la potencia activa y reactiva generada, la temperatura, la velocidad del viento u otras. El segundo controlador se puede corresponder con un PLC presente en la propia estación, o con un controlador remoto a la estación.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Kit para una estación eólica, comprendiendo la estación eólica una turbina eólica de velocidad fija con un generador acoplado a una red mediante un dispositivo de acoplamiento para que la turbina trabaje a una frecuencia fija igual a la frecuencia de la red, caracterizado porque el kit (100) está adaptado para ser acoplado entre el generador (10) de la turbina eólica (1) y la red (2), reemplazando al menos el dispositivo de acoplamiento, convirtiendo el kit (100) la turbina eólica de velocidad fija en una turbina eólica de velocidad variable, comprendiendo el kit (100) un convertidor de potencia (3) back-to-back acoplable entre el generador (10) y la red (2), comprendiendo el convertidor de potencia (3) un convertidor del lado de máquina (30), un convertidor del lado de red (31) y una conexión de tensión continua (32) entre ambos convertidores (30, 31), comprendiendo además el kit (100) un controlador (4) para controlar el convertidor de potencia (3), y un punto de conexión (51) para recibir al menos un parámetro del generador (10) de la turbina (1), estando el punto de conexión (51) comunicado con el controlador (4) y estando el controlador (4) configurado para actuar sobre el convertidor de potencia (3) para adaptar el par resistente a aplicar en función de dicho parámetro, para convertir la turbina eólica en una turbina eólica de velocidad variable.
2. Kit según la reivindicación 1, en donde el controlador (4) está configurado para actuar sobre el convertidor de potencia (3) en función de la velocidad de giro del rotor (12) del generador (10) de la turbina (1) para cambiar el par resistente.
3. Kit según la reivindicación 2, en donde el controlador (4) está configurado para controlar el convertidor de potencia (3) autónomamente, estando configurado dicho controlador (4) para calcular la ley de par resistente versus variaciones de velocidad de giro del rotor (12) del generador (10) de la turbina eólica (1) a la que está conectado dicho convertidor de potencia (3), asociando dicha ley el par resistente con la velocidad de giro del rotor (12) del generador (10) de la turbina (1).
4. Kit según la reivindicación 3, en donde el controlador (4) está configurado para actuar sobre el convertidor de potencia (3) en función de la velocidad de giro del rotor (12) del generador (10) de la turbina (1) y de la ley de par resistente versus variaciones de velocidad de giro de dicho rotor (12) para cambiar el par resistente, para igualar dicho par resistente a un par resistente óptimo asociado a la velocidad de giro del rotor (12) y obtenido a partir de dicha ley, obteniéndose la máxima absorción de energía del viento en cada momento independientemente de los cambios de velocidad del viento.
5. Kit según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, que comprende una memoria donde se almacena la relación entre el par y la velocidad de giro del rotor (12) del generador (10) de la turbina eólica (1).
6. Kit según la reivindicación 5, en donde la memoria es una memoria interna del controlador (4).
7. Kit según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el convertidor del lado máquina (30) del convertidor de potencia (3) está conectado a un estator (11) del generador (10) y el convertidor del lado de red (31) está conectado a la red (2).
8. Kit según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el convertidor del lado máquina (30) del convertidor de potencia (3) está conectado a un rotor (12) del generador (10) y el convertidor del lado de red (31) está conectado a la red (2).
9. Kit según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde el convertidor de potencia (3) está configurado para actuar sobre el generador (10) en todos los rangos operativos del viento.
10. Kit según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende una conexión de entrada para recibir las consignas de al menos la potencia activa, el par y la potencia reactiva para el generador (10) de la turbina eólica (1) desde un segundo controlador externo.
11. Kit según la reivindicación 10, que comprende una conexión de salida para transmitir señales de estado al segundo controlador.
12. Método para convertir una turbina eólica de velocidad fija en una turbina eólica de velocidad variable, comprendiendo la turbina eólica de velocidad fija un generador que se acopla a la red mediante un dispositivo de acoplamiento para que la turbina trabaje a una frecuencia fija igual a la frecuencia de la red (2), comprendiendo el método la etapa de reemplazar al menos el dispositivo de acoplamiento con un kit (100) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
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