ES2881231T3 - Sistema y procedimiento para la optimización de un generador de inducción de doble alimentación y doble puente (DFIG) - Google Patents

Abstract

Un sistema generador de inducción de doble alimentación, que comprende: un generador de inducción de doble alimentación (120) que tiene un estátor que incluye devanados de estátor y un rotor (106) que incluye devanados de rotor; y un convertidor (186) acoplado a dichos devanados de rotor, comprendiendo el convertidor una pluralidad de puentes conductores de corriente (202, 204) configurados para acoplar dichos devanados de rotor de dicho generador de inducción de doble alimentación (120) a una red eléctrica (184), en el que dicha pluralidad de puentes conductores de corriente (202, 204) comprende al menos un puente conductor de corriente controlado (202) y al menos un puente conductor de corriente no controlado (204).

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema y procedimiento para la optimización de un generador de inducción de doble alimentación y doble puente (DfIG)

[0001] La presente materia objeto se refiere, en general, al campo de los generadores de inducción de doble alimentación (DFIG) y, más en particular, a procedimientos y aparatos para optimizar convertidores de potencia para dichos generadores.

[0002] Los nuevos generadores de inducción de doble alimentación (DFIG) de tres megavatios (MW) en desarrollo por el titular de la presente materia objeto incorporan los primeros convertidores de DFIG, en los que se ha hecho necesario hacer funcionar múltiples puentes de potencia en paralelo. Para diseñar un convertidor de potencia con bajo coste y alta fiabilidad, anteriormente era necesario conectar puentes de transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) en paralelo y equilibrar el intercambio de corriente en módulos de IGBT paralelos. Un sistema de este tipo se ilustra en las figuras 1 y 2. Con el fin de poner en contexto las enseñanzas de la presente invención, a continuación se analiza una revisión de los aspectos de componentes para generar electricidad usando una turbina eólica. Véanse también los documentos DE 3005 156, JP 2008 125310 y WO 2013/071975.

[0003] Haciendo referencia a la FIG. 1, se muestra un modo de realización ejemplar de aspectos de un sistema de turbina eólica 100. En este modo de realización, un rotor 106 incluye una pluralidad de palas de rotor 108 acopladas a un buje giratorio 110. El buje 110 está acoplado a una multiplicadora opcional 118 que, a su vez, está acoplada a un generador 120. De acuerdo con la presente divulgación, el generador 120 es un generador de inducción de doble alimentación (DFIG) 120.

[0004] El DFIG 120 está típicamente acoplado a un bus de estátor 154 y a un componente de conversión de potencia 162 por medio de un bus de rotor 156. El bus de estátor 154 proporciona una salida de potencia trifásica desde un estátor (no ilustrado por separado) del DFIG 120, y el bus de rotor 156 proporciona una salida de potencia trifásica desde un rotor (no ilustrado por separado) del DFIG 120. Con referencia particular al componente de conversión de potencia 162, el DFIG 120 está acoplado por medio del bus de rotor 156 a un convertidor en el lado de rotor 166. El convertidor en el lado de rotor 166 está acoplado a un convertidor en el lado de línea 168, que a su vez está acoplado a un bus en el lado de línea 188. En configuraciones ejemplares, el convertidor en el lado de rotor 166 y el convertidor en el lado de línea 168 están configurados para un modo de funcionamiento normal en una disposición de modulación de ancho de pulso (PWM) trifásica de dos niveles usando dispositivos de conmutación de transistor bipolar de puerta aislada (IGBT), como se ilustra en la Fig. 2. El convertidor en el lado de rotor 166 y el convertidor en el lado de línea 168 están acoplados por medio de un enlace de CC 136 a través del cual está el condensador de enlace de CC 138.

[0005] El componente de conversión de potencia 162 también incluye un controlador 174 para controlar el funcionamiento del convertidor en el lado de rotor 166 y del convertidor en el lado de línea 168. Cabe destacar que el controlador 174, en modos de realización típicos, está configurado como una interfaz entre el componente de conversión de potencia 162 y un sistema de control 176.

[0006] En configuraciones típicas, se pueden incluir diversos contactores de línea y disyuntores, incluido, por ejemplo, un disyuntor de red 182, para aislar los diversos componentes según sea necesario para el funcionamiento normal del DFIG 120 durante la conexión y desconexión de la red eléctrica 184. Un disyuntor de sistema 178 acopla el bus de sistema 160 al transformador 180, que está conectado a la red eléctrica 184 por medio del disyuntor de red 182.

[0007] En funcionamiento, la potencia generada en el DFIG 120 por el rotor giratorio 106 se proporciona por medio de una ruta doble a la red eléctrica 184. Las rutas dobles están definidas por el bus de estátor 154 y el bus de rotor 156. En el lado del bus de rotor 156, la potencia de corriente alterna (CA) trifásica sinusoidal se convierte en potencia de corriente continua (CC) mediante el componente de conversión de potencia 162. La potencia convertida del componente de conversión de potencia 162 se combina con la potencia del estátor del DFIG 120 para proporcionar una potencia trifásica que tiene una frecuencia que se mantiene sustancialmente constante, por ejemplo, a un nivel de CA de sesenta hercios. El componente de conversión de potencia 162 compensa o ajusta la frecuencia de la potencia trifásica del rotor del DFIG 120 para cambios.

[0008] Como se conoce en la técnica, diversos disyuntores y conmutadores dentro del sistema de turbina eólica 100, incluido el disyuntor de red 182, el disyuntor de sistema 178, el conmutador de sincronización de estátor 158, el disyuntor de convertidor 186 y el contactor de línea 172 están configurados para conectar o desconectar buses correspondientes, por ejemplo cuando el flujo de corriente es excesivo y puede dañar los componentes del sistema de turbina eólica 100 o por otras consideraciones operativas. También se pueden proporcionar componentes de protección adicionales (no mostrados).

[0009] Cabe destacar que el sistema de turbina eólica 100 genera potencia como se conoce en la técnica y puede modificarse para funcionar en conexión con diferentes sistemas de potencia, etc. También debe reconocerse que los aspectos del sistema de turbina eólica 100 analizados en el presente documento son meramente ilustrativos y no limitantes del mismo.

[0010] En diversos modos de realización, el componente de conversión de potencia 162 recibe señales de control desde, por ejemplo, el sistema de control 176 por medio del controlador 174. Las señales de control se basan, entre otras cosas, en condiciones detectadas o características de funcionamiento del sistema de turbina eólica 100. Normalmente, las señales de control proporcionan el control del funcionamiento del componente de conversión de potencia 162. Por ejemplo, la realimentación en forma de velocidad detectada del DFIG 120 se puede usar para controlar la conversión de la potencia de salida del bus de rotor 156 para mantener una fuente de alimentación trifásica adecuada y equilibrada. El sistema de control 174 también puede usar otra realimentación de otros sensores para controlar el componente de conversión de potencia 162, incluyendo, por ejemplo, los voltajes del bus de rotor y estátor y realimentaciones de corriente. Usando las diversas formas de 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 disyuntor de sistema.

[0011] Con referencia a la figura 2, el sistema de convertidor de potencia utiliza un convertidor de DFIG 200 con dos puentes en H paralelos 202, 204 en cada fase del lado de rotor como se muestra en la figura 2, en el que los dos puentes paralelos 202, 204 están acoplados conjuntamente con inductores de salida 212, 214. Como se sabe, los dispositivos de derivación de rotor 216, 218 se emplean para supervisar el flujo de corriente I^rotor a través de sus respectivos inductores 212, 214 como parte del sistema de control (no ilustrado por separado). El coste y la fiabilidad de un sistema de este tipo son una preocupación debido a la cantidad de componentes adicionales.

[0012] Los DFIG se han usado junto con las turbinas eólicas para el control de potencia reactiva en respuesta a fluctuaciones en la velocidad del viento. Además, algunos sistemas de turbina eólica se han configurado para utilizar convertidores de potencia para ajustar sus salidas para que coincidan con la frecuencia de red. Sin embargo, dichas técnicas reactivas no proporcionan un procedimiento para mantener una frecuencia de salida seleccionada durante las modificaciones de la velocidad de la turbina, por ejemplo para aumentar la eficacia, tal como durante la reducción de potencia de la turbina o modificaciones de la velocidad de la turbina, por ejemplo en respuesta a demandas de potencia.

[0013] Se conoce en la técnica usar un único sistema de DFIG y modular la salida de potencia y de la frecuencia de dicha unidad de generación de potencia acoplada a una red eléctrica. Con un sistema de DFIG de este tipo, la velocidad de la turbina se puede modificar sin alterar la frecuencia de salida del generador. Estos sistemas de DFIG acoplan un solo DFIG a una turbina y un convertidor de modo que el convertidor compensa las variaciones en la frecuencia de salida del DFIG causadas por los cambios de velocidad de las turbinas. En dichos sistemas, la compensación se proporciona variando la excitación del rotor del generador para controlar la frecuencia de salida del estátor para que coincida con la frecuencia de red.

[0014] Si bien los sistemas de DFIG individuales son efectivos para controlar la frecuencia de salida, dichos sistemas solo pueden proporcionar, en general, hasta aproximadamente 3 megavatios de potencia, lo cual es insuficiente para funcionar a una escala de servicios públicos, por ejemplo, en el intervalo de 100 a 500 megavatios. Los sistemas de DFIG individuales tienen una capacidad de generación de potencia limitada debido a las limitaciones de fabricación con respecto al tamaño y régimen nominal de los componentes de máquina, en particular el eje de DFIG, el rotor y los anillos colectores. Además, estos sistemas de DFIG individuales son difíciles de implementar debido al alto régimen nominal de un convertidor de DFIG de escala completa, que necesariamente sería del 10 % al 20 % del régimen nominal del generador. Por último, los sistemas de DFIG individuales no proporcionan un funcionamiento en modo degradado, por lo que el fallo de un componente de sistema, por ejemplo, un convertidor, apaga todo el sistema.

[0015] En vista de estos problemas conocidos, sería ventajoso, por lo tanto, proporcionar un sistema y procedimiento para controlar la salida de potencia y la frecuencia para un generador de velocidad variable a una escala de servicios públicos al tiempo que se reduce el tamaño, el régimen nominal y el esfuerzo de los componentes.

[0016] La presente invención está definida por las reivindicaciones independientes 1 y 8. Modos de realización preferentes se divulgan en las reivindicaciones 2 a 7 y 9 a 13. Se divulga un sistema para mejorar la fiabilidad en un generador de inducción de doble alimentación (DFIG). En un modo de realización particular, el sistema incluye un generador de inducción de doble alimentación que tiene un estátor que incluye devanados de estátor y un rotor que incluye devanados de rotor. Se obtiene una fiabilidad mejorada proporcionando un convertidor en el lado de rotor acoplado a los devanados de rotor, en el que el convertidor en el lado de rotor incluye una pluralidad de puentes conductores de corriente configurados para acoplar los devanados de rotor del generador de inducción de doble alimentación a una red eléctrica. En este modo de realización, la pluralidad de puentes conductores de corriente incluye al menos un puente conductor de corriente controlado y al menos un puente conductor de corriente no controlado. En determinados modos de realización, el puente conductor de corriente controlado incluye un par de transistores y el puente conductor de corriente no controlado incluye un par de diodos. En otros modos de realización, el puente conductor de corriente controlado puede incluir un par de transistores bipolares de puerta aislada.

[0017] Los modos de realización de sistema también pueden incluir al menos un dispositivo de medición de corriente acoplado a la pluralidad de puentes conductores de corriente. En determinados modos de realización, el dispositivo de medición de corriente puede acoplarse a cada uno de la pluralidad de puentes conductores de corriente. En otros modos de realización más, al menos un inductor de salida está acoplado a la pluralidad de puentes conductores de corriente. Por ejemplo, se puede acoplar un inductor de salida a cada uno de la pluralidad de puentes conductores de corriente.

[0018] Se divulgan convertidores para su uso con un generador de inducción de doble alimentación (DFIG) para acoplar los devanados de rotor del DFIG a una red eléctrica. En modos de realización seleccionados, el puente conductor de corriente controlado incluye un par de transistores, en particular, un par de transistores IGBT, y el puente conductor de corriente no controlado incluye un par de diodos.

[0019] En modos de realización particulares, el convertidor puede incluir al menos un dispositivo de medición de corriente acoplado a cada uno de la pluralidad de puentes conductores de corriente y, de forma alternativa, puede proporcionarse al menos un inductor de salida acoplado a cada uno de la pluralidad de puentes conductores de corriente. En algunos modos de realización, el al menos un inductor de salida está acoplado a cada uno de la pluralidad de puentes conductores de corriente.

[0020] Se divulgan procedimientos para hacer funcionar un generador de inducción de doble alimentación (DFIG). De acuerdo con dichos procedimientos, se aplica corriente a cada uno de una pluralidad de devanados de rotor de un DFIG a través de una pluralidad de puentes conductores de corriente, que incluyen al menos un puente conductor de corriente controlado y al menos un puente conductor de corriente no controlado. En algunos modos de realización del procedimiento, el puente conductor de corriente controlado incluye un par de transistores, en particular, un par de transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), y el puente conductor de corriente no controlado incluye un par de diodos.

[0021] El procedimiento también permite la aplicación de corriente a cada uno de la pluralidad de devanados de rotor a través de al menos un dispositivo de medición de corriente acoplado a cada uno de la pluralidad de puentes conductores de corriente. Dicho procedimiento también puede proporcionar el acoplamiento del al menos un dispositivo de medición de corriente a cada uno de la pluralidad de puentes conductores de corriente. El procedimiento también puede permitir la aplicación de corriente a cada uno de la pluralidad de devanados de rotor a través de al menos un inductor de salida acoplado a cada uno de la pluralidad de puentes conductores de corriente. En modos de realización seleccionados, el al menos un inductor de salida puede acoplarse a cada uno de la pluralidad de puentes conductores de corriente.

[0022] Se divulgan procedimientos y sistemas para optimizar un convertidor de potencia con puentes de potencia paralelos en un sistema de turbina eólica de DFIG, lo que da como resultado una reducción significativa de costes, así como una mejora significativa de la fiabilidad.

[0023] A continuación se describirán diversos aspectos y modos de realización de la presente invención en relación con los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 representa aspectos de un sistema de control ejemplar para una turbina eólica;

la figura 2 representa aspectos de un convertidor CC-CA de rotor empleado anteriormente que incorpora un par de puentes de IGBT paralelos;

la figura 3 ilustra un primer modo de realización de la presente materia objeto que incorpora una configuración de puente de diodos;

la figura 4 ilustra un modo de realización alternativo del sistema de la figura 3 de acuerdo con la presente materia objeto;

la figura 5 ilustra un modo de realización alternativo adicional del sistema de la figura 3 de acuerdo con la presente materia objeto; y

la figura 6 ilustra un diagrama de flujo que representa un procedimiento ejemplar para energizar los devanados de rotor de DFIG de acuerdo con la presente materia objeto.

[0024] El uso repetido de caracteres de referencia a lo largo de la presente memoria descriptiva y los dibujos adjuntos está destinado a representar características o elementos iguales o análogos de la invención.

[0025] Como se analiza anteriormente, la presente materia objeto se refiere, en particular, a procedimientos y aparatos para optimizar convertidores de potencia para su uso con generadores de inducción de doble alimentación.

[0026] A continuación se hará referencia en detalle a modos de realización de la invención, uno o más ejemplos de los cuales se ilustran en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la invención, no como limitación de la invención. De hecho, será evidente para los expertos en la técnica que se pueden realizar diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance o el espíritu de la invención. Por ejemplo, las características ilustradas o descritas como parte de un modo de realización se pueden usar con otro modo de realización para proporcionar otro modo de realización más. Por tanto, se pretende que la presente invención cubra dichas modificaciones y variaciones que entran dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas y sus equivalentes.

[0027] Con referencia inicial a la figura 3, se ilustra un modo de realización ejemplar de un convertidor en el lado de rotor de DFIG 300 construido de acuerdo con la presente materia objeto. Se observará que, de acuerdo con la presente materia objeto, uno de los puentes de IGBT, así como su circuito de accionamiento asociado, del par de puentes 202, 204 ilustrados en la figura 2, ha sido reemplazado en su totalidad por un puente de rotor 304 correspondiente a un par de diodos dejando el puente de rotor 302 y su accionador de puerta asociado 323 construidos como se describió previamente con respecto al sistema de la figura 2. En este modo de realización, los inductores de salida 312, 314 y los dispositivos de derivación de rotor 316, 318 permanecen. De acuerdo con la presente materia objeto, dicha simplificación de circuito es posible porque el puente de rotor 304 se hace funcionar en un modo de regeneración a velocidades de generador supersíncronas, y es a estas velocidades de generador supersíncronas en las que el sistema produce la mayor potencia. En el modo de regeneración, los diodos transportan la mayor parte de la corriente y los IGBT hacen muy poco trabajo. Por lo tanto, en los puntos de funcionamiento del sistema donde se requiere la corriente más alta, son los diodos del puente de rotor 304 los que hacen la mayor parte del trabajo.

[0028] A medida que la velocidad del generador desciende a velocidades síncronas y subsíncronas, se permite que el sistema de turbina eólica proporcione una potencia de salida reducida. Además, a medida que la velocidad del generador desciende a velocidades síncronas y subsíncronas, el factor de potencia cambia, de modo que los IGBT del puente de rotor sin cambios 302 tienen que hacer más trabajo que los diodos. Dado que la potencia de salida se reduce, un solo puente de IGBT puede transportar la corriente requerida, si tiene el tamaño adecuado y se ajusta a los requisitos del generador y del sistema.

[0029] La figura 4 muestra un modo de realización alternativo de un convertidor en el lado de rotor de DFIG 400. En este modo de realización, se ha eliminado la derivación de rotor 318 del modo de realización de la figura 3. Como no hay control de la corriente que fluye a través del inductor 414, no es necesario detectar dicha corriente. De esta manera, la eliminación de la derivación de rotor 318 reduce aún más el coste del sistema. Como en modos de realización anteriores, el derivación de rotor 416 y el inductor de salida 412 permanecen.

[0030] La figura 5 muestra un modo de realización alternativa adicional de un convertidor en el lado de rotor de DFIG 500 construido de acuerdo con la presente materia objeto. En este modo de realización, el puente de IGBT 502 y su accionador de puerta de IGBT asociado 523 se mantienen junto con el inductor de salida 512 y la derivación de rotor 516, pero el inductor de salida 414 (figura 4) proporcionado anteriormente también se retira y la salida del puente 504 se acopla a través de la derivación de rotor 516 al inductor 512. En esta configuración se emplea el número mínimo de componentes para lograr el menor coste del sistema y la máxima fiabilidad.

[0031] Como resultará evidente a partir de la descripción anterior, la presente materia objeto proporciona una serie de ventajas sobre las configuraciones de controlador anteriores. Una ventaja reside en la reducción significativa del coste lograda al eliminar los accionadores de puerta y los IGBT requeridos previamente por un segundo puente. De manera similar, la presente materia objeto proporciona un sistema convertidor más confiable porque elimina esos mismos componentes. Finalmente, el software de control usado para hacer funcionar los accionadores de puerta de IGBT 323, 423, 523 se puede simplificar eliminando los controles de equilibrado de corriente y, como ya no se requiere el equilibrado de corriente, los componentes involucrados en la medición de corriente, por ejemplo, la derivación de rotor 318 (figura 3), también puede eliminarse, lo que da lugar a ahorros adicionales.

[0032] Con referencia a la presente figura 6, se ilustra un diagrama de flujo 600 que representa un procedimiento ejemplar para energizar los devanados de rotor de DFIG de acuerdo con la presente materia objeto. Como puede observarse, en la etapa 602 se puede aplicar corriente a devanados seleccionados del rotor de DFIG desde un convertidor en el lado de rotor. De acuerdo con la presente materia objeto, en la etapa 604 se controla una fuente seleccionada de las fuentes de corriente para los devanados de rotor, mientras que en la etapa 606 no se controla la corriente aplicada a un (segundo) devanado alternativo. Como se ha descrito previamente, la corriente controlada puede proporcionarse por medio de un puente de corriente de transistor, en particular, un puente de transistor IGBT. De manera similar, como se señaló anteriormente, se puede aplicar corriente no controlada por medio de un puente de diodos.

[0033] Si bien la presente materia objeto se ha descrito en detalle con respecto a modos de realización específicos de la misma, se apreciará que los expertos en la técnica, tras entender lo expuesto previamente, pueden producir fácilmente alteraciones, variaciones y equivalentes de dichos modos de realización.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema generador de inducción de doble alimentación, que comprende:

un generador de inducción de doble alimentación (120) que tiene un estátor que incluye devanados de estátor y un rotor (106) que incluye devanados de rotor; y

un convertidor (186) acoplado a dichos devanados de rotor, comprendiendo el convertidor una pluralidad de puentes conductores de corriente (202, 204) configurados para acoplar dichos devanados de rotor de dicho generador de inducción de doble alimentación (120) a una red eléctrica (184),

en el que dicha pluralidad de puentes conductores de corriente (202, 204) comprende al menos un puente conductor de corriente controlado (202) y al menos un puente conductor de corriente no controlado (204).

2. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho al menos un puente conductor de corriente controlado (202) comprende un par de transistores y dicho al menos un puente conductor de corriente no controlado (204) comprende un par de diodos.

3. El sistema de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que dicho al menos un puente conductor de corriente controlado (202) comprende un par de transistores bipolares de puerta aislada.

4. El sistema de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, que comprende además:

al menos un dispositivo de medición de corriente acoplado a cada uno de dicha pluralidad de puentes conductores de corriente (202, 204).

5. El sistema de acuerdo con la reivindicación 4, en el que dicho al menos un dispositivo de medición de corriente está acoplado a cada uno de dicha pluralidad de puentes conductores de corriente (202, 204).

6. El sistema de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, que comprende además:

al menos un inductor de salida (212, 214) acoplado a cada uno de dicha pluralidad de puentes conductores de corriente (202, 204).

7. El sistema de acuerdo con la reivindicación 6, en el que dicho al menos un inductor de salida (212, 214) está acoplado a cada uno de dicha pluralidad de puentes conductores de corriente (202, 204).

8. Uso de un convertidor (186) que comprende una pluralidad de puentes conductores de corriente (202, 204), en el que dicha pluralidad de puentes conductores de corriente (202, 204) comprende al menos un puente conductor de corriente controlado (202) y al menos un puente conductor de corriente no controlado (204), con un generador de inducción de doble alimentación (DFIG) (120), incluyendo dicho DFIG (120) una pluralidad de devanados de rotor, que comprende:

aplicar (602) corriente a cada uno de dicha pluralidad de devanados de rotor a través de dicha pluralidad de puentes conductores de corriente (202, 204).

9. Uso de acuerdo con la reivindicación 8, en el que dicho al menos un puente conductor de corriente controlado (202, 204) comprende un par de transistores y dicho al menos un puente conductor de corriente no controlado comprende un par de diodos.

10. Uso de acuerdo con la reivindicación 8 o la reivindicación 9, en el que dicho al menos un puente conductor de corriente controlado comprende un par de transistores bipolares de puerta aislada.

11. Uso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, que comprende además: aplicar corriente a cada uno de dicha pluralidad de devanados de rotor a través de al menos un dispositivo de medición de corriente acoplado a cada uno de dicha pluralidad de puentes conductores de corriente (202, 204).

12. Uso de acuerdo con la reivindicación 11, en el que dicho al menos un dispositivo de medición de corriente está acoplado a cada uno de dicha pluralidad de puentes conductores de corriente (202, 204).

13. Uso como en cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, que comprende además:

aplicar corriente a cada uno de dicha pluralidad de devanados de rotor a través de al menos un inductor de salida (212, 214) acoplado a cada uno de dicha pluralidad de puentes conductores de corriente (202, 204); y

en el que dicho al menos un inductor de salida (212, 214) está acoplado a cada uno de dicha pluralidad de puentes conductores de corriente.