ES2898769T3 - Sistema de potencia eléctrica y procedimiento de operación del mismo - Google Patents

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Robert Gregory Wagoner
Jun Zhu
Weng Li
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Abstract

Un sistema de potencia eléctrica (400) para su uso con un generador (402, 502) y que incluye al menos un conductor eléctrico (440, 540), comprendiendo además dicho sistema de potencia eléctrica (400): un convertidor de potencia eléctrica (422, 522) que incluye una parte de lado de generador (424, 524) acoplada a una parte de lado de línea (426, 526) a través de un enlace de CC (428, 528); un sistema de frenado dinámico (480, 580) acoplado a un bus de CC positivo (432, 532) y un bus de CC negativo (434, 534) a través de dicho enlace de CC (428, 528); en el que dicha parte de lado de línea (426, 526) comprende un dispositivo de conmutación (444, 544) acoplado al conductor eléctrico (440, 540) por medio de un dispositivo inductivo (442, 542), caracterizado por que dicho dispositivo de conmutación (444, 544) está configurado para abrirse y cerrarse con una pluralidad de frecuencias predeterminadas, y en el que unas pérdidas de potencia de dicho dispositivo inductivo (442, 542) son al menos parcialmente una función de la pluralidad de frecuencias predeterminadas; y por que el sistema de potencia eléctrica comprende además un controlador de frenado dinámico (215) acoplado a dicho dispositivo de conmutación (444, 544), estando dicho controlador de frenado dinámico (215) configurado para abrir y cerrar dicho dispositivo de conmutación (444, 544) con al menos una de las frecuencias predeterminadas para disipar potencia eléctrica del conductor eléctrico (440, 540) a una velocidad predeterminada, regulando las pérdidas de potencia de dicho dispositivo inductivo (442, 542) en función de las frecuencias predeterminadas.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de potencia eléctrica y procedimiento de operación del mismo
[0001] La materia objeto descrita en el presente documento se refiere en general al control de la operación de sistemas de potencia eléctrica y, más específicamente, a equipos y procedimientos para frenar dinámicamente convertidores de potencia.
[0002] El frenado es conocido, por ejemplo, para su uso con motores eléctricos. Véase, por ejemplo, el documento de Blaabjerg F et al., "Short Term Braking Capability During Power Interruptions for Integrated Matrix Converter-Motor Drives", IEEE Transactions on Power Electronics, Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, EE. UU., vol. 19, n.° 2, 1 de marzo de 2004, págs. 303-311, X011108578, ISSN 0885-8993, DOI: 10.1109/TPEL. 2004. 833453.
[0003] En general, una turbina eólica incluye un rotor que incluye un conjunto de buje rotatorio que tiene múltiples palas. Las palas transforman energía eólica en un par de rotación mecánico que acciona uno o más generadores por medio del rotor. Al menos algunas de las turbinas eólicas conocidas están físicamente anidadas de forma conjunta en una región geográfica común para formar un parque de turbinas eólicas. La operación a velocidad variable de la turbina eólica facilita una captación de energía mejorada en comparación con una operación a velocidad constante de la turbina eólica. Sin embargo, la operación a velocidad variable de la turbina eólica produce potencia eléctrica que tiene una tensión y/o frecuencia variables. Más específicamente, la frecuencia de la potencia eléctrica generada por la turbina eólica a velocidad variable es proporcional a la velocidad de rotación del rotor. Un convertidor de potencia puede estar acoplado entre el generador eléctrico de la turbina eólica y una red eléctrica. El convertidor de potencia recibe la potencia eléctrica desde el generador de turbina eólica y transmite electricidad que tiene una tensión y una frecuencia fijos para su posterior transmisión a la red eléctrica por medio de un transformador. El transformador puede estar acoplado a una pluralidad de convertidores de potencia asociados con el parque de turbinas eólicas.
[0004] Se conocen diversos convertidores de potencia para turbinas eólicas, por ejemplo, a partir del documento WO 2006/069569, y para una matriz fotovoltaica a partir del documento EP 2424 101.
[0005] La turbina eólica tal vez no pueda operar en determinados eventos de red que se producen corriente abajo del transformador, ya que los dispositivos de control de turbina eólica requieren un período de tiempo finito para detectar el evento y, a continuación, hacer ajustes en la operación de la turbina eólica para que surtan efecto después de detectar dicho evento de red. Por lo tanto, en el período intermedio, la turbina eólica puede sufrir desgaste y/o daños debido a determinados eventos de red. Dichos eventos de red incluyen fallos eléctricos que, en determinadas circunstancias, pueden inducir fluctuaciones de tensión de red que pueden incluir transitorios de tensión baja con fluctuaciones de tensión que se acercan a cero voltios. Al menos algunos dispositivos y sistemas protectores conocidos facilitan la operación ininterrumpida durante determinados eventos de red. Por ejemplo, para transitorios de red, tales como cortocircuitos, se puede producir una condición de tensión baja o cero en la red. En dichas condiciones, dichos dispositivos y sistemas protectores conocidos definen una capacidad de respuesta ante tensión baja y/o cero (LVRT y ZVRT, respectivamente). Dichas capacidades de LVRT/ZVRT facilitan la operación de los convertidores de potencia de las turbinas eólicas individuales y los parques de turbinas eólicas para transmitir potencia reactiva a la red eléctrica. Dicha inyección de potencia reactiva en la red facilita la estabilización de la tensión de red, mientras que unos dispositivos de aislamiento de red externos al parque eólico, tales como unos reconectadores automáticos, se abrirán y se volverán a cerrar para eliminar el fallo, mientras que las características de LVRT/ZVRT de las turbinas eólicas mantienen los generadores acoplados a la red eléctrica. Además, los transitorios naturales, por ejemplo, ráfagas de viento, también pueden inducir un pico en la generación de energía.
[0006] En dichas condiciones de transitorios, el convertidor de potencia disipa al menos parte de la energía almacenada en los mismos, así como la energía que todavía genera el generador que no ha dejado de estar en servicio. Algunos circuitos disipadores conocidos, es decir, unos circuitos de corte dinámico, asociados a convertidores de potencia incluyen al menos un dispositivo de conmutación rápida, por ejemplo, un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT), un tiristor de desactivación de puerta (GTO) o un rectificador controlado de silicio (SCR), en serie con un dispositivo resistivo. En el caso de una sobretensión en los buses de CC del convertidor de potencia debida a una energía almacenada incrementada, los dispositivos de conmutación del circuito disipativo se abrirán y cerrarán para transmitir corriente de CC al dispositivo resistivo, en el que la corriente eléctrica se disipa como energía térmica. Estos componentes adicionales incrementan el tamaño, peso y coste de los convertidores de potencia.
[0007] En las reivindicaciones adjuntas se definen diversos aspectos y modos de realización de la presente invención.
[0008] En los dibujos:
La FIG. 1 es un diagrama de bloques de un dispositivo informático de ejemplo que se puede usar para monitorizar y/o controlar la operación de una parte de un sistema de potencia eléctrica.
La FIG. 2 es un diagrama de bloques de una parte de un sistema de protección y control de un sistema de potencia eléctrica de ejemplo.
La FIG. 3 es una vista esquemática de una turbina eólica de ejemplo.
La FIG. 4 es una vista esquemática de un sistema de potencia eléctrica de ejemplo para un generador de inducción de doble alimentación (DFIG) que se puede usar con la turbina eólica mostrada en la FIG. 3.
La FIG. 5 es una vista esquemática de un sistema de potencia eléctrica alternativo de ejemplo que se puede usar con la turbina eólica mostrada en la FIG. 3.
[0009] Como se usa en el presente documento, se pretende que el término "pala" sea representativo de cualquier dispositivo que proporciona fuerza reactiva cuando está en movimiento en relación con un fluido circundante. Como se usa en el presente documento, se pretende que el término "turbina eólica" sea representativo de cualquier dispositivo que genera energía de rotación a partir de energía eólica y, más específicamente, convierta energía cinética del viento en energía mecánica. Como se usa en el presente documento, se pretende que el término "generador de turbina eólica" sea representativo de cualquier turbina eólica que genera potencia eléctrica a partir de energía de rotación generada a partir de energía eólica y, más específicamente, convierte en potencia eléctrica la energía mecánica convertida a partir de energía cinética del viento.
[0010] Como se usa en el presente documento, los términos "perturbación", "perturbación de red", "fallo", "fallo de sistema", "transitorio" y otros términos similares en general se refieren a cualquier evento que causa alteraciones en la señal de entrada de la red eléctrica. Por ejemplo, dichas perturbaciones pueden incluir impulsos, discontinuidades, fallos, interrupciones momentáneas, caídas/aumentos de tensión, distorsiones armónicas y parpadeos. En general, la señal de red es una señal trifásica que incluye componentes de secuencia que tienen frecuencias particulares. La señal trifásica incluye componentes de secuencia positiva, componentes de secuencia negativa y componentes de secuencia cero o neutra. Cada una de las componentes incluye información de frecuencia, información de fase e información de magnitud. Como una variedad de instalaciones generadoras aportan algo a la señal de red, y como se producen una variedad de fenómenos que incluyen eventos de transitorio, las componentes de secuencia pueden manifestar frecuencias armónicas o desfases, cualesquiera de estos pueden crear perturbaciones que pueden complicar la operación eficaz de los sistemas de control y/o disminuir otros aspectos del rendimiento de red.
[0011] Diversos efectos técnicos de los procedimientos y sistemas descritos en el presente documento pueden incluir al menos uno de: (a) proporcionar un freno dinámico virtual y usar componentes existentes para disipar potencia eléctrica de un sistema de potencia eléctrica; (b) disipar potencia eléctrica de un sistema de potencia eléctrica incrementando las pérdidas a través de unos inductores de lado de línea y unos dispositivos de conmutación de semiconductores de lado de línea regulando la frecuencia de la potencia eléctrica transmitida a través de los inductores y los dispositivos, en los que las pérdidas de potencia eléctrica se incrementan a medida que la frecuencia de conmutación se incrementa; y (c) proporcionar un freno dinámico virtual que coopera con al menos uno de un crowbar de CA tradicional, un crowbar de CA virtual y un freno dinámico de CC para mejorar una LVRT/ZVRT y un rendimiento de ráfaga de viento de un convertidor de potencia eólica cuando un sistema de potencia eléctrica asociado se está recuperando de un evento de LVRT/ZVRT/ráfaga de viento.
[0012] Los procedimientos y sistemas descritos en el presente documento facilitan la provisión de una funcionalidad operativa típicamente asociada con un freno dinámico para un sistema de potencia eléctrica usando los equipos existentes y sin añadir componentes adicionales asociados normalmente con el frenado dinámico. Específicamente, los procedimientos, aparatos y sistemas descritos en el presente documento facilitan la disipación de potencia eléctrica acumulada en un enlace de CC de un convertidor de potencia usando las características y capacidades del convertidor de potencia y un inductor del lado de línea. Más específicamente, los procedimientos y sistemas descritos en el presente documento facilitan la disipación de potencia eléctrica acumulada en un enlace de CC de un convertidor de potencia incrementando las pérdidas a través de inductores de lado de línea y dispositivos de conmutación de semiconductores de lado de línea regulando la frecuencia de la potencia eléctrica transmitida a través de los inductores y los dispositivos, en los que las pérdidas de potencia eléctrica se incrementan a medida que se incrementa la frecuencia de conmutación. Asimismo, específicamente, los procedimientos, aparatos y sistemas descritos en el presente documento facilitan la disipación de la potencia eléctrica acumulada en un enlace de CC de un convertidor de potencia al operar independientemente. Además, específicamente, los procedimientos y sistemas descritos en el presente documento facilitan la disipación de potencia eléctrica acumulada en un enlace de CC de un convertidor de potencia al cooperar con al menos uno de un crowbar de CA tradicional, un crowbar de CA virtual y un freno dinámico de CC para mejorar un rendimiento de LVRT/ZVRT/ráfaga de viento de un convertidor de potencia eólica cuando un sistema de potencia eléctrica asociado se está recuperando de un evento de LVRT/ZVRT/ráfaga de viento. Por lo tanto, los procedimientos y sistemas descritos en el presente documento facilitan la eliminación de una necesidad de hardware adicional y facilitan aún más la disminución del tamaño de los componentes en otros dispositivos de disipación de potencia eléctrica, disminuyendo de este modo los costes de construcción y los costes operativos y de mantenimiento.
[0013] Aunque en el presente documento se describen en general con respecto a una instalación de turbina eólica, los sistemas descritos en el presente documento son aplicables a cualquier tipo de sistema de generación eléctrica, incluyendo, por ejemplo, sistemas de generación de potencia solar, pilas de combustible, generadores geotérmicos, generadores de potencia hidroeléctrica y/u otros dispositivos que generan potencia a partir de fuentes de energía renovable y/o no renovable.
[0014] La FIG. 1 es un diagrama de bloques de un dispositivo informático de ejemplo 105 que se puede usar para monitorizar y/o controlar la operación de una parte de un sistema de potencia eléctrica (no mostrado en la FIG. 1). El dispositivo informático 105 incluye un dispositivo de memoria 110 y un procesador 115 acoplado funcionalmente al dispositivo de memoria 110 para ejecutar instrucciones. Como se usa en el presente documento, el término "procesador" incluye cualquier circuito programable adecuado, tal como, sin limitación, uno o más sistemas y microcontroladores, microprocesadores, una unidad de procesamiento central (CPU) de propósito general, unos circuitos de juego de instrucciones reducido (RISC), unos circuitos integrados específicos de la aplicación (ASIC), unos circuitos lógicos programables (PLC), unas matrices de puertas programables in situ (FPGA) y/o cualquier otro circuito que pueda ejecutar las funciones descritas en el presente documento. Los ejemplos anteriores son solo de ejemplo y, por tanto, no pretenden limitar de ninguna forma la definición y/o el significado del término “procesador”.
[0015] El procesador 115 puede incluir una o más unidades de procesamiento (por ejemplo, en una configuración de múltiples núcleos). En algunos modos de realización, las instrucciones ejecutables se almacenan en un dispositivo de memoria 110. El dispositivo informático 105 es configurable para realizar una o más operaciones descritas en el presente documento mediante el procesador de programación 115. Por ejemplo, el procesador 115 se puede programar codificando una operación como una o más instrucciones ejecutables y proporcionando las instrucciones ejecutables en el dispositivo de memoria 110.
[0016] Además, en el modo de realización de ejemplo, el dispositivo de memoria 110 es al menos un dispositivo acoplado al procesador 115 que permite el almacenamiento y la recuperación de información tal como instrucciones ejecutables por ordenador y datos, incluyendo, sin limitación, datos operativos, parámetros, consignas, valores umbral y/o cualquier otro dato que permita al dispositivo informático 105 operar como se describe en el presente documento. El dispositivo de memoria 110 puede incluir uno o más medios tangibles no transitorios legibles por ordenador, tales como, sin limitación, memoria de acceso aleatorio (RAM), memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM), memoria estática de acceso aleatorio (SRAM), un disco de estado sólido, un disco duro, memoria de solo lectura (ROM), ROM programable y borrable (EPROM), ROM programable y borrable eléctricamente (EEPROM) y/o memoria RAM no volátil (NVRAM). Los tipos de memoria anteriores son solo de ejemplo y, por tanto, no limitantes de los tipos de memoria utilizables para almacenamiento de un programa informático.
[0017] Además, como se usan en el presente documento, los términos "software" y "firmware" son intercambiables e incluyen cualquier programa informático almacenado en memoria para su ejecución mediante ordenadores personales, estaciones de trabajo, clientes y servidores.
[0018] El dispositivo de memoria 110 puede estar configurado para almacenar mediciones operativas que incluyen, sin limitación, lecturas de tensión y corriente de red eléctrica de potencia eléctrica (no mostradas en la FIG. 1), lecturas de tensión y corriente de subestación (no mostradas en la FIG. 1), lecturas de tensión y corriente localizadas a lo largo de un sistema de generación de potencia eléctrica (no mostradas en la FIG. 1), y/o cualquier otro tipo de datos. En algunos modos de realización, el procesador 115 suprime o "purga" datos del dispositivo de memoria 110 en base a la antigüedad de los datos. Por ejemplo, el procesador 115 puede sobrescribir datos previamente registrados y almacenados asociados con una hora y/o evento posterior. Además, o de forma alternativa, el procesador 115 puede suprimir datos que superan un intervalo de tiempo predeterminado. Asimismo, el dispositivo de memoria 110 incluye, sin limitación, suficientes datos, algoritmos e instrucciones para facilitar el control centralizado y distribuido de los sistemas de protección y control del sistema de potencia eléctrica (analizado más adelante).
[0019] En algunos modos de realización, el dispositivo informático 105 incluye una interfaz de presentación 120 acoplada al procesador 115. La interfaz de presentación 120 presenta información, tal como una interfaz de usuario y/o una alarma, a un usuario 125. En un modo de realización, la interfaz de presentación 120 incluye un adaptador de pantalla (no mostrado) que está acoplado a un dispositivo de pantalla (no mostrado), tal como un tubo de rayos catódicos (CRT), una pantalla de cristal líquido (LCD), una pantalla de LED orgánico (OLED) y/o una pantalla de "tinta electrónica". En algunos modos de realización, la interfaz de presentación 120 incluye uno o más dispositivos de pantalla. Además, o de forma alternativa, la interfaz de presentación 120 incluye un dispositivo de salida de audio (no mostrado) (por ejemplo, un adaptador de audio y/o un altavoz) y/o una impresora (no mostrada). En algunos modos de realización, la interfaz de presentación 120 presenta una alarma asociada con una máquina síncrona (no mostrada en la FIG. 1), por ejemplo, usando una interfaz persona-máquina (HMI) (no mostrada).
[0020] En algunos modos de realización, el dispositivo informático 105 incluye una interfaz de entrada de usuario 130. En el modo de realización de ejemplo, la interfaz de entrada de usuario 130 está acoplada al procesador 115 y recibe entradas del usuario 125. La interfaz de entrada de usuario 130 puede incluir, por ejemplo, un teclado, un dispositivo de puntero, un ratón, un lápiz, un panel sensible al tacto (por ejemplo, un panel táctil o una pantalla táctil) y/o una interfaz de entrada de audio (por ejemplo, que incluye un micrófono). Un solo componente, tal como una pantalla táctil, puede operar como dispositivo de pantalla de la interfaz de presentación 120 y como interfaz de entrada de usuario 130.
[0021] Una interfaz de comunicación 135 está acoplada al procesador 115 y está configurada para acoplarse en comunicación con uno o más de otros dispositivos, tales como un sensor u otro dispositivo informático 105, y para realizar operaciones de entrada y salida con respecto a dichos dispositivos. Por ejemplo, la interfaz de comunicación 135 puede incluir, sin limitación, un adaptador de red alámbrico, un adaptador de red inalámbrico, un adaptador de telecomunicaciones móviles, un adaptador de comunicación en serie y/o un adaptador de comunicación en paralelo. La interfaz de comunicación 135 puede recibir datos desde y/o transmitir datos a uno o más dispositivos remotos. Por ejemplo, una interfaz de comunicación 135 de un dispositivo informático 105 puede transmitir una alarma a la interfaz de comunicación 135 de otro dispositivo informático 105.
[0022] La interfaz de presentación 120 y/o la interfaz de comunicación 135 pueden proporcionar ambas información adecuada para su uso con los procedimientos descritos en el presente documento (por ejemplo, al usuario 125 u otro dispositivo). En consecuencia, la interfaz de presentación 120 y la interfaz de comunicación 135 se pueden denominar dispositivos de salida. De forma similar, la interfaz de entrada de usuario 130 y la interfaz de comunicación 135 pueden recibir información adecuada para su uso con los procedimientos descritos en el presente documento y se pueden denominar dispositivos de entrada.
[0023] La FIG. 2 es un diagrama de bloques de una parte de un sistema de protección y control de sistema de potencia eléctrica 200 de ejemplo que se puede usar para monitorizar y/o operar al menos una parte de un sistema de potencia eléctrica 205. El sistema de protección y control de sistema de potencia eléctrica 200 incluye un controlador de sistema de protección y control de sistema de potencia eléctrica 215 que puede estar acoplado a otros dispositivos 220 por medio de una red de comunicación 225. El controlador de sistema de protección y control 215 puede ser, sin limitación, un controlador centralizado a nivel de subestación, un controlador centralizado a nivel de turbina eólica y uno de una pluralidad de controladores distribuidos. Los modos de realización de la red 225 pueden incluir un acoplamiento operativo con, sin limitación, Internet, una red de área local (LAN), una red de área amplia (WAN), una LAN inalámbrica (WLAN) y/o una red privada virtual (VPN). Aunque a continuación se describen determinadas operaciones con respecto a unos dispositivos informáticos 105 particulares, se contempla que cualquier dispositivo informático 105 pueda realizar una o más de las operaciones descritas. Por ejemplo, el controlador 215 puede realizar todas las operaciones siguientes.
[0024] Haciendo referencia a las FIGS. 1 y 2, el controlador 215 es un dispositivo informático 105. En el modo de realización de ejemplo, el dispositivo informático 105 está acoplado a la red 225 por medio de la interfaz de comunicación 135. En un modo de realización alternativo, el controlador 215 está integrado en otros dispositivos 220. Como se usa en el presente documento, el término "ordenador" y términos asociados, por ejemplo, "dispositivo informático", no se limitan a circuitos integrados que en la técnica se denominan ordenador, sino que se refiere en términos generales a un microcontrolador, un microordenador, un controlador lógico programable (PLC), un circuito integrado específico de la aplicación y otros circuitos programables (ninguno mostrado en la FIG. 2), y estos términos se usan de manera intercambiable en el presente documento.
[0025] El controlador 215 interactúa con un primer operario 230 (por ejemplo, por medio de la interfaz de entrada de usuario 130 y/o la interfaz de presentación 120). En un modo de realización, el controlador 215 presenta información sobre el sistema de potencia eléctrica 205, tal como unas alarmas, al operario 230. Otros dispositivos 220 interactúan con un segundo operario 235 (por ejemplo, por medio de la interfaz de entrada de usuario 130 y/o la interfaz de presentación 120). Por ejemplo, otros dispositivos 220 presentan alarmas y/u otra información operativa al segundo operario 235. Como se usa en el presente documento, el término "operario" incluye a cualquier persona en cualquier calidad asociada con la operación y el mantenimiento del sistema de potencia eléctrica 205, incluyendo, sin limitación, personal de turno de operaciones, técnicos de mantenimiento y supervisores de sistema.
[0026] En el modo de realización de ejemplo, el sistema de protección y control 200 incluye uno o más sensores de monitorización 240. Los sensores de monitorización 240 recopilan mediciones operativas que incluyen, sin limitación, lecturas de tensión y corriente en todo el sistema de potencia eléctrica 205, incluyendo, sin limitación, lecturas de subestaciones y generadores de turbinas eólicas, y/o cualquier otro tipo de datos. Los sensores de monitorización 240 repetidamente (por ejemplo, periódicamente, continuamente y/o a petición) transmiten lecturas de medición operativa en el momento de la medición. El controlador 215 recibe y procesa las lecturas de medición operativa. Asimismo, el controlador 215 incluye, sin limitación, suficientes datos, algoritmos e instrucciones para facilitar una protección y un control centralizados y/o distribuidos del sistema de potencia eléctrica 205 (analizado más adelante).
[0027] Asimismo, en el modo de realización de ejemplo, el sistema de potencia eléctrica 205 incluye sensores de monitorización adicionales (no mostrados) similares a los sensores de monitorización 240 que recopilan mediciones de datos operativos asociados con el resto del sistema de potencia eléctrica 205 que incluyen, sin limitación, datos de dispositivos adicionales similares al controlador 215 y datos medioambientales, que incluyen, sin limitación, temperaturas externas locales. Dichos datos se transmiten por la red 225, y cualquier dispositivo que pueda acceder a la red 225, incluyendo, sin limitación, ordenadores de sobremesa, ordenadores portátiles y asistentes digitales personales (PDA) (ninguno mostrado) puede acceder a los mismos.
[0028] Los procedimientos descritos en el presente documento se pueden codificar como instrucciones ejecutables y algoritmos incorporados en un medio tangible no transitorio legible por ordenador que incluye, sin limitación, un dispositivo de almacenamiento y/o un dispositivo de memoria. Dichas instrucciones y algoritmos, cuando son ejecutados por un procesador, hacen que el procesador realice al menos una parte de los procedimientos descritos en el presente documento. Además, como se usa en el presente documento, el término "medios no transitorios legibles por ordenador " incluye todos los medios tangibles legibles por ordenador, tales como firmware, almacenamiento físico y virtual, CD-ROM, DVD y otra fuente digital tal como una red o Internet, así como medios digitales aún por desarrollar, con la única excepción de una señal transitoria de propagación.
[0029] La FIG. 3 es una vista esquemática de un generador de turbina eólica 300 de ejemplo. El generador de turbina eólica 300 es un dispositivo de generación de potencia eléctrica que incluye una góndola 302 que aloja un generador (no mostrado en la FIG. 3). La góndola 302 está montada en una torre 304 (se muestra una parte de la torre 304 en la FIG. 3). La torre 304 puede tener cualquier altura que facilite la operación del generador de turbina eólica 300 como se describe en el presente documento. El generador de turbina eólica 300 también incluye un rotor 306 que incluye tres palas de rotor 308 unidas a un buje rotatorio 310. De forma alternativa, el generador de turbina eólica 300 incluye cualquier número de palas 308 que facilita la operación del generador de turbina eólica 300 como se describe en el presente documento. En el modo de realización de ejemplo, el generador de turbina eólica 300 incluye una multiplicadora (no mostrada en la FIG. 3) acoplada de forma rotatoria al rotor 306 y el generador.
[0030] La FIG. 4 es una vista esquemática de un sistema de potencia eléctrica 400 de ejemplo para un generador de inducción de doble alimentación (DFIG) 402 que se puede usar con la turbina eólica 300. El sistema de potencia eléctrica 400 es un sistema trifásico y solo se muestra una fase para mayor claridad. En el modo de realización de ejemplo, el DFIG 402 incluye un estator de generador 404 que se extiende alrededor de un rotor de generador 406. El estator 404 está acoplado a un bus de estator 408. Un conmutador de sincronización de estator 410 acopla el bus de estator 408 a un bus de línea 412 cuando el conmutador 410 está cerrado. Un disyuntor de circuito de red 414 acopla el bus de línea 412 a un bus de transformador principal 416 cuando el disyuntor 414 está cerrado. El bus de transformador principal 416 está acoplado a un transformador principal 418 que acopla el sistema de potencia eléctrica 400 a una red eléctrica 420. El estator 404 genera, y el bus de estator 408 transmite, potencia eléctrica trifásica.
[0031] Asimismo, en el modo de realización de ejemplo, el sistema de potencia eléctrica 400 incluye un convertidor de potencia eléctrica 422. El convertidor de potencia eléctrica 422 incluye una parte de lado de generador 424 acoplada a una parte de lado de línea 426 a través de un enlace de corriente continua (CC) 428. El enlace de CC 428 incluye al menos un dispositivo capacitivo 430 acoplado a un bus de CC positivo 432 y un bus de CC negativo 434. La parte de lado de generador 424 está acoplada al rotor de generador 406 a través de un bus de rotor de CA 436 que incluye al menos un dispositivo inductivo 438. De forma similar, la parte de lado de línea 426 está acoplada al bus de línea 412 a través de un bus de línea de CA 440 que incluye al menos un dispositivo inductivo 442. El bus de rotor de CA 436 transmite potencia eléctrica trifásica hacia y desde el rotor de generador 406, y el bus de línea de CA 440 transmite potencia eléctrica trifásica hacia y desde el bus de línea 412.
[0032] Cada parte de lado de generador 424 y la parte de lado de línea 426 del convertidor de potencia eléctrica 422 incluye una pluralidad de dispositivos de conmutación de semiconductores 444 (solo se muestra un dispositivo de conmutación 444 en cada parte 424 y 426) acoplados entre sí en una disposición en serie para cada fase de potencia eléctrica que el convertidor de potencia eléctrica 422 recibe, convierte y transmite. En el modo de realización de ejemplo, los dispositivos de conmutación 444 son dispositivos semiconductores, por ejemplo, transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), que incluyen partes de base, emisor y colector (no mostradas) y un diodo 446 inverso o antiparalelo. De forma alternativa, los dispositivos de conmutación 444 son cualquier otro transistor adecuado o cualquier otro dispositivo de conmutación adecuado, incluyendo, sin limitación, tiristores de desactivación de puerta (GTO). De forma alternativa, la parte de lado de generador 424 y la parte de lado de línea 426 pueden incluir cualquier número adecuado de dispositivos de conmutación 444 dispuestos en cualquier configuración adecuada.
[0033] Además, en el modo de realización de ejemplo, el sistema de potencia eléctrica 400 incluye una pluralidad de dispositivos y sistemas protectores. Un circuito crowbar 450 está acoplado al bus de rotor de CA 436. El circuito crowbar 450 incluye una pluralidad de dispositivos de conmutación 452 acoplados en serie con un banco de resistencias 454. Los dispositivos de conmutación 452 son unos dispositivos de conmutación cualesquiera que permiten la operación del circuito crowbar 450 como se describe en el presente documento, incluyendo, sin limitación, unos GTO e IGBT. En operación, el circuito crowbar 450 cortocircuita el bus de rotor de CA 436 con el banco de resistencias 454 para desenergizar rápidamente la parte de lado de generador 424 del convertidor de potencia eléctrica 422.
[0034] Asimismo, el sistema de potencia eléctrica 400 incluye un sistema crowbar virtual 460 acoplado al bus de CC positivo 432 y al bus de CC negativo 434. El sistema crowbar virtual 460 incluye una parte de lado de generador 424 acoplada en serie con un banco de resistencias 452 a través de un dispositivo de aislamiento, por ejemplo, un disyuntor de circuito (no mostrado). En operación, el sistema crowbar virtual 460 cortocircuita el bus de rotor de CA 436 con el banco de resistencias 462 para desenergizar rápidamente la parte de lado de generador 424 del convertidor de potencia eléctrica 422.
[0035] Además, el sistema de potencia eléctrica 400 incluye un freno dinámico de CC 470 acoplado al bus de CC positivo 432 y al bus de CC negativo 434. El freno dinámico de CC 470 incluye al menos un dispositivo de conmutación 472 acoplado en serie con al menos una resistencia 474. El dispositivo de conmutación 472 es cualquier dispositivo de conmutación que permite la operación del freno dinámico de CC 470 como se describe en el presente documento, incluyendo, sin limitación, los GTO y los IGBT. En operación, el dispositivo de conmutación 472 acopla el bus de CC 432 y el bus de CC negativo 434 a la resistencia 474 para desenergizar rápidamente la parte de lado de generador 424 y la parte de lado de línea 426 del convertidor de potencia eléctrica 422. De forma alternativa, el sistema de potencia eléctrica 400 incluye cualquier combinación de circuito crowbar 450, sistema crowbar virtual 460 y freno dinámico de CC 470 que permite la operación del sistema 400 como se describe en el presente documento.
[0036] Además, en el modo de realización de ejemplo, el sistema de potencia eléctrica 400 incluye un controlador de sistema de protección y control de sistema de potencia eléctrica 215. El controlador 215 está acoplado a, y controla la operación de, los dispositivos de conmutación de semiconductores 444 en la parte de lado de generador 424 y la parte de lado de línea 426, los dispositivos de conmutación 452 y el dispositivo de conmutación 472. Por lo tanto, el controlador 215 controla la operación de la parte de lado de generador 424, la parte de lado de línea 426, el circuito crowbar 450, el sistema crowbar virtual 460 y el freno dinámico de CC 470.
[0037] Asimismo, en el modo de realización de ejemplo, el sistema de potencia eléctrica 400 incluye un sistema de frenado dinámico virtual 480. El sistema de frenado dinámico virtual 480 incluye la parte de lado de línea 426 del convertidor de potencia eléctrica 422, el dispositivo inductivo 442 y el controlador 215. Por lo tanto, el controlador 215 controla la operación de la parte de lado de línea 426 a través del control de los dispositivos de conmutación 444 en la misma. En el modo de realización de ejemplo, el controlador 215 es un controlador centralizado para la totalidad del sistema de protección y control de sistema de potencia eléctrica 200, que incluye, sin limitación, el sistema de frenado dinámico virtual 480. De forma alternativa, el controlador 215 es una parte de un sistema de control distribuido, en el que, en algunos modos de realización, el controlador 215 es un controlador de frenado dinámico virtual autónomo. Además, el sistema de frenado dinámico virtual 480 incluye al menos un sensor de monitorización 240 (mostrado en la FIG. 2) acoplado al dispositivo inductivo 442 y al controlador 215, en el que el sensor de monitorización 240 mide tensiones y corrientes asociadas con el dispositivo inductivo 442. Además, el sistema de frenado dinámico virtual 480 incluye al menos un sensor de monitorización 240 acoplado a un conductor eléctrico, es decir, el enlace de CC 428 y el controlador 215, en el que el sensor de monitorización 240 mide tensiones y corrientes en el enlace de CC 428.
[0038] La disipación de potencia eléctrica a través de los dispositivos de conmutación 444 y los diodos 446 de la parte de lado de línea 426 se facilita por, y es proporcional a, las pérdidas de conmutación de dichos dispositivos 444 y diodos 446. Las pérdidas de conmutación son una función de una frecuencia de conmutación de los dispositivos 444, es decir, a medida que se incrementa la frecuencia de conmutación, se incrementan las pérdidas de conmutación. Por lo tanto, la disipación de potencia eléctrica convirtiendo potencia eléctrica almacenada en potencia térmica se realiza a través de los dispositivos de conmutación 444 y los diodos 446. Un límite superior de la frecuencia de conmutación se determina al menos parcialmente en base a los valores nominales de temperatura de los dispositivos 444 y los diodos 446.
[0039] La disipación de potencia eléctrica a través de los dispositivos inductivos de lado de línea 442 y los buses de línea de CA 440 (solo uno de cada uno mostrado en la FIG. 4) está representado por el algoritmo:
Plnduclancia total = Pnúcleo P rCC P r c a + PMarginal (Ec. 1)
donde, P Inductancia total representa la pérdida de potencia total debido a la inductancia total de todos los dispositivos inductivos 442 y las propiedades inductivas del bus de línea de CA 440. PNúcleo representa las pérdidas de potencia de núcleo del bus de línea de CA 440 y los dispositivos inductivos 442 que son una función de variables que incluyen, sin limitación, la frecuencia y la tensión pico de la electricidad transmitida a través de los mismos. PNúcleo también es una función de características de estado estacionario que incluyen, sin limitación, las dimensiones físicas de los dispositivos inductivos 442, el material usado para fabricar los dispositivos inductivos 442 y el número de vueltas de los dispositivos inductivos 442.
[0040] Prcc representa las pérdidas de potencia debidas a las resistencias de CC del bus de línea 440 y los dispositivos inductivos 442.
[0041] Prca representa las pérdidas de potencia debidas a las resistencias de CA del bus de línea 440 y los dispositivos inductivos 442. Dichas resistencias de CA están basadas, al menos parcialmente, en el "efecto superficial" (“skin effect”) y el "efecto de proximidad" asociados con los conductores de CA. El efecto superficial se define como la tendencia de una corriente CA a distribuirse dentro de un conductor, siendo la densidad de corriente mayor cerca de la superficie del conductor y decreciente a medida que se incrementa la profundidad. A medida que se desplaza la corriente CA hacia las partes exteriores del conductor, se incrementa la resistencia aparente del conductor. El efecto de proximidad se define como la tendencia de los conductores cercanos a afectar a la densidad de corriente dentro de cada uno de los conductores en función de la intensidad de los campos electromagnéticos inducidos por cada uno.
Por ejemplo, para conductores adyacentes que transmiten corriente en la misma dirección, las corrientes se desviarán del conductor adyacente. Dicho desplazamiento típicamente da como resultado una concentración de la corriente en partes de los conductores que incrementa la resistencia de CA aparente del conductor. Tanto el efecto superficial como el efecto de proximidad son una función de la frecuencia de la electricidad transmitida a través del conductor. Por lo tanto, a medida que se incrementa la frecuencia, se incrementa la resistencia equivalente del conductor, y se incrementan las pérdidas I2R asociadas con el conductor.
[0042] PMarginal representa las pérdidas de potencia debidas a las reluctancias magnéticas de los entrehierros (no mostrados) entre las vueltas (no mostradas) de los dispositivos inductivos 442. Dichas reluctancias de entrehierro inducen un campo magnético abombado (“bulging”) o marginal (“fringing”) que incluye un flujo de fuga en cada entrehierro que induce una resistencia incrementada a la transmisión de corriente a través del mismo. La magnitud de dicho flujo de fuga es dependiente al menos parcialmente de la frecuencia de la corriente transmitida a través de los dispositivos inductivos 442. Por lo tanto, el incremento de la frecuencia de la corriente a través de los dispositivos inductivos 442 incrementa el flujo de fuga y las pérdidas de potencia del campo marginal.
[0043] En operación, la potencia eléctrica de CA trifásica sinusoidal generada por el estator 404 del DFIG 402 se transmite a la red eléctrica 420 a través del bus de estator 408, el conmutador de sincronización de estator 410, el bus de línea 412, el disyuntor de circuito de red 414, el bus de transformador principal 416 y el transformador principal 418.
[0044] Asimismo, en operación, las velocidades relativas entre el rotor de generador 406 y el estator de generador 404 determinan la operación del convertidor de potencia eléctrica 422. Para las circunstancias en las que el rotor de generador 406 está girando a una velocidad más lenta que la velocidad síncrona definida por el estator de generador 404, es decir, una velocidad subsíncrona, el convertidor de potencia eléctrica 422 excita el rotor de generador 406 con potencia reactiva transmitida desde la parte de lado de generador 424 a través del bus de rotor de CA 436. Parecerá entonces que el rotor de generador 406 esté girando a una velocidad síncrona con respecto al estator de generador 404, y el estator 404 generará la potencia eléctrica deseada, es decir, de frecuencia síncrona, que se transmite a la red eléctrica eléctrica 420 como se describe anteriormente.
[0045] Para las circunstancias en las que el rotor de generador 406 está girando a velocidad síncrona, el convertidor de potencia eléctrica 422 excita el rotor de generador 406 con potencia real transmitida desde la parte de lado de generador 424 a través del bus de rotor de CA 436. El estator de generador 404 genera potencia eléctrica a la frecuencia síncrona que se transmite a la red eléctrica 420 como se describe anteriormente.
[0046] Para las circunstancias en las que el rotor de generador 406 está girando a una velocidad más rápida que la velocidad síncrona, es decir, una velocidad supersíncrona, el convertidor de potencia eléctrica 422 excita el rotor de generador 406 con potencia reactiva transmitida desde la parte de lado de generador 424 a través del bus de rotor de CA 436 mientras que al mismo tiempo extrae potencia real desde el rotor de generador 406 a través del bus de rotor de CA 436 hasta la parte de lado de generador 424. Parecerá entonces que el rotor de generador 406 esté girando a una velocidad síncrona con respecto al estator de generador 404, y el estator 404 generará potencia eléctrica a la frecuencia síncrona que se transmite a la red eléctrica 420 como se describe anteriormente. La frecuencia de la potencia extraída del rotor de generador 406 se convertirá a la frecuencia síncrona a través del convertidor de potencia eléctrica 422 y la potencia eléctrica generada por el rotor se suma a la potencia generada por el estator.
[0047] Además, en operación, cuando el rotor de generador 406 está generando potencia eléctrica para su transmisión a la red 420, la parte de lado de línea 426 del convertidor de potencia eléctrica 422 se sincroniza con la frecuencia en el bus de línea 412, típicamente 60 Hertz (Hz) sustancialmente constantes. De forma alternativa, la frecuencia síncrona es cualquier frecuencia que permite la operación del sistema de potencia eléctrica 400 y del sistema de protección y control 200 como se describe en el presente documento, incluyendo, sin limitación, 50 Hz. Por lo tanto, los dispositivos de conmutación 444 de la parte de lado de línea 426 conmutan a una velocidad de conmutación que permite una frecuencia síncrona de 60 Hz.
[0048] Durante dicha operación en los modos subsíncrono, síncrono y supersíncrono, el controlador 215 usa uno o más medios de almacenamiento no transitorios legibles por ordenador que tienen instrucciones ejecutables por ordenador incorporadas en los mismos, en los que cuando son ejecutadas por el procesador 115 (mostrado en la FIG.
1), las instrucciones ejecutables por ordenador hacen que el procesador 115 opere los dispositivos de conmutación 444 de la parte de lado de línea 426 a una primera frecuencia predeterminada, por ejemplo, de 60 Hz, para convertir potencia de CC en potencia de CA para su transmisión a la red eléctrica 420. Así pues, el controlador 215 regula las propiedades inductivas y, por lo tanto, las pérdidas de potencia, de los dispositivos inductivos 442 y el bus de línea de CA 440 de modo que un valor predeterminado de corriente se transmite desde un conductor eléctrico, es decir, el bus de CC positivo 432 y el bus de CC negativo 434 del enlace de CC 428 a la red 420 en función de una tensión medida en el enlace de CC 428.
[0049] Además, en operación, el sistema de potencia eléctrica 400 puede experimentar perturbaciones eléctricas. Por ejemplo, sin limitación, el sistema de potencia eléctrica 400 puede experimentar una condición de sobretensión en el enlace de CC 428. Dichas condiciones de sobretensión pueden ser inducidas por eventos de fallo de red, por ejemplo, transitorios de capacidad de respuesta ante tensión baja (LVRT) y de capacidad de respuesta ante tensión cero (ZVRT). Junto con otras características de LVRT y ZVRT del sistema de protección y control 200 y el sistema de potencia eléctrica 400, el sistema de frenado dinámico virtual 480 se activa selectivamente en base al valor de tensión de CC en el enlace de CC 428. Específicamente, el controlador 215 usa uno o más medios de almacenamiento no transitorios legibles por ordenador que tienen instrucciones ejecutables por ordenador incorporadas en los mismos, en los que cuando son ejecutadas por el procesador 115, las instrucciones ejecutables por ordenador hacen que el procesador 115 opere los dispositivos de conmutación 444 en la parte de lado de línea 426 con al menos una segunda frecuencia predeterminada que es mayor que 60 Hz para convertir potencia de CC en potencia de CA para su transmisión a través de la parte de lado de línea 426 a los dispositivos inductivos 442 y al bus de línea de CA 440. Así pues, el controlador 215 regula las propiedades inductivas y, por lo tanto, las pérdidas de potencia, de los dispositivos inductivos 442 y el bus de línea de CA 440 de modo que se transmite un valor predeterminado de corriente desde un conductor eléctrico, es decir, el bus de CC positivo 432 y el bus de CC negativo 434 del enlace de CC 428 en función de una tensión medida en el enlace de CC 428. En lugar de la transmisión a la red 420, la frecuencia incrementada de corriente eléctrica generada por la parte de lado de línea 426 induce la disipación de potencia a través de los dispositivos inductivos 442 y el bus de línea de CA 440 a una velocidad predeterminada que está en función de las frecuencias de la potencia generada por la parte 426 y las propiedades inductivas de los dispositivos 442 y el bus 440, así como las propiedades de generación de calor de los dispositivos de conmutación 444 y los diodos 446.
[0050] La operación del sistema de frenado dinámico virtual 480 se puede acoplar con la operación del circuito crowbar 450, el sistema crowbar virtual 460 y el freno dinámico de CC 470, así como las características de LVRT y ZVRT del sistema de protección y control 200 y el sistema de potencia eléctrica 400. Dicha operación cooperativa facilita la medición y el control de los valores de tensión en el enlace de CC 428, el bus de línea de CA 440, la red 420 y la medición y el control de los valores de corriente transmitidos a través del bus de línea de CA 440.
[0051] La FIG. 5 es una vista esquemática de un sistema de potencia eléctrica alternativo de ejemplo 500 que se puede usar con la turbina eólica 300, en el que la turbina eólica 300 incluye una multiplicadora 501 acoplada de forma rotatoria a un eje de velocidad baja 503 y un eje de velocidad alta 505. Un generador 502 está acoplado de forma rotatoria al eje de velocidad alta 505. En el modo de realización de ejemplo, el generador 502 es cualquier tipo de generador que permite la operación del generador de turbina eólica 300 como se describe en el presente documento, incluyendo, sin limitación, un generador síncrono de imanes permanentes (PMG) y un generador síncrono excitado eléctricamente (EESG). La multiplicadora 501 aumenta una velocidad de rotación del eje de velocidad baja 503 para alcanzar una velocidad de rotación del eje de velocidad alta 505 que está más cerca de la velocidad síncrona.
[0052] Asimismo, en este modo de realización alternativo de ejemplo, el sistema de potencia eléctrica 500 es un sistema trifásico. El generador 502 incluye un estator de generador 504 que se extiende alrededor de un rotor de generador 506 que está acoplado de forma rotatoria al eje de velocidad alta 505. El estator 504 está acoplado a un bus de estator 508 a través de una pluralidad de dispositivos inductivos 507. El bus de estator 508 está acoplado a un convertidor de potencia eléctrica 522. El convertidor de potencia eléctrica 522 incluye una parte de lado de generador 524 acoplada al bus de estator 508. La parte de lado de generador 524 está acoplada a una parte de lado de línea 526 a través de un enlace de CC 528. El enlace de CC 528 incluye al menos un dispositivo capacitivo 530 acoplado a un bus de CC positivo 532 y un bus de CC negativo 534. La parte de lado de línea 526 está acoplada a un bus de línea de CA 540 que incluye al menos un dispositivo inductivo 542. El bus de estator 508 transmite potencia eléctrica trifásica a la parte de lado de generador 524 y el bus de línea de CA 540 transmite potencia eléctrica trifásica que abandona la parte de lado de línea 526.
[0053] Cada parte de lado de generador 524 y parte de lado de línea 526 del convertidor de potencia eléctrica 522 incluye una pluralidad de dispositivos de conmutación de semiconductores 544 acoplados entre sí en una disposición en serie para cada fase de potencia eléctrica que el convertidor de potencia eléctrica 522 recibe, convierte y transmite. En el modo de realización de ejemplo, los dispositivos de conmutación 544 son dispositivos semiconductores, por ejemplo, transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), que incluyen partes de base, emisor y colector (no mostradas) y un diodo 546 inverso o antiparalelo. De forma alternativa, los dispositivos de conmutación 544 son cualquier otro transistor adecuado o cualquier otro dispositivo de conmutación adecuado, incluyendo, sin limitación, tiristores de desactivación de puerta (GTO). De forma alternativa, la parte de lado de generador 524 y la parte de lado de línea 526 pueden incluir cualquier número adecuado de dispositivos de conmutación 544 dispuestos en cualquier configuración adecuada. Un conmutador de sincronización de estator 517 acopla el bus de línea de CA 540 a un transformador principal 518 que acopla el sistema de potencia eléctrica 500 a una red eléctrica 520 cuando el conmutador 517 está cerrado.
[0054] Además, en este modo de realización alternativo de ejemplo, el sistema de potencia eléctrica 500 incluye cualquier combinación de una pluralidad de dispositivos y sistemas protectores que permiten la operación del sistema 500 como se describe en el presente documento. Dichos dispositivos pueden incluir un circuito crowbar similar al circuito crowbar 450 (mostrado en la FIG. 4), un sistema crowbar virtual similar al sistema crowbar virtual 460 (mostrado en la FIG. 4) y un freno dinámico de CC similar al freno dinámico de CC 470 (mostrado en la FIG. 4).
[0055] Además, en este modo de realización alternativo de ejemplo, el sistema de potencia eléctrica 500 incluye un controlador de sistema de protección y control de sistema de potencia eléctrica 215. El controlador 215 está acoplado a, y controla la operación de, los dispositivos de conmutación de semiconductores 544 en la parte de lado de generador 524 y la parte de lado de línea 526. Por lo tanto, el controlador 215 controla la operación de la parte de lado de generador 524 y la parte de lado de línea 526.
[0056] Asimismo, en este modo de realización alternativo de ejemplo, el sistema de potencia eléctrica 500 incluye un sistema de frenado dinámico 580. El sistema de frenado dinámico 580 incluye la parte de lado de línea 526 del convertidor de potencia eléctrica 522, los dispositivos inductivos 542 y el controlador 215. Por lo tanto, el controlador 215 controla la operación de la parte de lado de línea 526 a través del control de los dispositivos de conmutación 544 en el mismo. En el modo de realización de ejemplo, el controlador 215 es un controlador centralizado para la totalidad del sistema de protección y control de sistema de potencia eléctrica 200. De forma alternativa, el controlador 215 es una parte de un sistema de control distribuido, en el que, en algunos modos de realización, el controlador 215 es un controlador de frenado dinámico autónomo. Además, el sistema de frenado dinámico 580 incluye al menos un sensor de monitorización 240 (mostrado en la FIG. 2) acoplado al dispositivo inductivo 542 y al controlador 215, en el que el sensor de monitorización 540 mide tensiones y corrientes asociadas con el dispositivo inductivo 542. Además, el sistema de frenado dinámico 580 incluye al menos un sensor de monitorización 240 acoplado a un conductor eléctrico, es decir, el enlace de CC 528 y el controlador 215, en el que el sensor de monitorización 240 mide tensiones y corrientes en el enlace de CC 528.
[0057] La disipación de potencia eléctrica a través del sistema de frenado dinámico virtual 580 es sustancialmente similar a la del sistema de frenado dinámico virtual 480 (mostrado en la FIG. 4).
[0058] En algunos modos de realización alternativos, se usa una combinación de dispositivos de generación de potencia eléctrica junto con, o en lugar de, el generador de turbina eólica 300. En al menos un modo de realización alternativo, el generador de turbina eólica 300 se reemplaza con paneles solares (no mostrados) acoplados para formar una o más matrices solares (“solar arrays”) (no mostradas) para facilitar la operación con una salida de potencia deseada con potencia de generación solar complementaria. Los paneles solares incluyen, en un modo de realización alternativo, uno o más de un panel fotovoltaico, un colector solar térmico o cualquier otro dispositivo que convierte energía solar en energía eléctrica. En dichos modos de realización alternativos, cada panel solar es un panel fotovoltaico que genera una potencia sustancialmente de corriente continua como resultado de la incidencia de energía solar en los paneles solares.
[0059] Asimismo, en dichos modos de realización alternativos, cada matriz solar está acoplada a un convertidor de potencia que es similar a al menos una parte del convertidor de potencia eléctrica 522 que convierte la potencia de CC en potencia de CA que se transmite a un transformador, similar al transformador principal 518 y, a continuación, posteriormente, a la red 520. Además, aunque en el presente documento se describen en general con respecto al generador de turbina eólica 300 y una instalación de matriz solar, los procedimientos y sistemas descritos en el presente documento son aplicables a cualquier tipo de sistema de generación eléctrica, con o sin un convertidor de potencia, incluyendo, por ejemplo, pilas de combustible, generadores de potencia térmica, generadores geotérmicos, generadores hidroeléctricos, generadores de diésel, generadores de gasolina y/o cualquier otro dispositivo que genere potencia a partir de fuentes de energía renovable y/o no renovable.
[0060] Anteriormente se han descrito en detalle unos modos de realización de ejemplo de un sistema de potencia eléctrica y unos procedimientos para operar el mismo. Los procedimientos y sistemas no están limitados a los modos de realización específicos descritos en el presente documento sino que, en su lugar, los componentes de los sistemas y/o las etapas de los procedimientos se pueden utilizar independientemente y por separado de otros componentes y/o etapas descritos en el presente documento. Por ejemplo, los convertidores de potencia, los sistemas de frenado dinámico virtual y los procedimientos también se pueden usar en combinación con otros aparatos y procedimientos de conversión de potencia, y no están limitados a su puesta en práctica solo con los sistemas de potencia eléctrica como se describen en el presente documento. En su lugar, el modo de realización de ejemplo se puede implementar y utilizar en conexión con muchas otras aplicaciones de conversión de potencia eléctrica.
[0061] Aunque las características específicas de diversos modos de realización de la invención se pueden mostrar en algunos dibujos y no en otros, esto solo se hace por comodidad. De acuerdo con los principios de la invención, se puede hacer referencia a y/o reivindicar cualquier característica de un dibujo en combinación con cualquier característica de cualquier otro dibujo.
[0062] 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, lo cual incluye la fabricación y el uso de cualquier dispositivo o sistema y la realización de cualquier procedimiento incorporado. El alcance patentable de la invención está definido por las reivindicaciones.
SISTEMA DE FRENADO DINÁMICO PARA UN SISTEMA DE POTENCIA ELÉCTRICA Y PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN DEL MISMO
[0063]
LISTA DE PARTES
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Claims (17)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de potencia eléctrica (400) para su uso con un generador (402, 502) y que incluye al menos un conductor eléctrico (440, 540), comprendiendo además dicho sistema de potencia eléctrica (400):
un convertidor de potencia eléctrica (422, 522) que incluye una parte de lado de generador (424, 524) acoplada a una parte de lado de línea (426, 526) a través de un enlace de Cc (428, 528);
un sistema de frenado dinámico (480, 580) acoplado a un bus de CC positivo (432, 532) y un bus de CC negativo (434, 534) a través de dicho enlace de CC (428, 528);
en el que dicha parte de lado de línea (426, 526) comprende un dispositivo de conmutación (444, 544) acoplado al conductor eléctrico (440, 540) por medio de un dispositivo inductivo (442, 542), caracterizado por que
dicho dispositivo de conmutación (444, 544) está configurado para abrirse y cerrarse con una pluralidad de frecuencias predeterminadas, y en el que unas pérdidas de potencia de dicho dispositivo inductivo (442, 542) son al menos parcialmente una función de la pluralidad de frecuencias predeterminadas; y por que el sistema de potencia eléctrica comprende además
un controlador de frenado dinámico (215) acoplado a dicho dispositivo de conmutación (444, 544), estando dicho controlador de frenado dinámico (215) configurado para abrir y cerrar dicho dispositivo de conmutación (444, 544) con al menos una de las frecuencias predeterminadas para disipar potencia eléctrica del conductor eléctrico (440, 540) a una velocidad predeterminada, regulando las pérdidas de potencia de dicho dispositivo inductivo (442, 542) en función de las frecuencias predeterminadas.
2. El sistema de potencia eléctrica (400) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo de conmutación (444, 544) comprende un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT).
3. El sistema de potencia eléctrica (400) de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que dicho controlador de frenado dinámico (215) comprende:
al menos un procesador (115); y
al menos un medio de almacenamiento no transitorio legible por ordenador acoplado a dicho procesador (115), teniendo dicho medio de almacenamiento no transitorio legible por ordenador instrucciones ejecutables por ordenador incorporadas en el mismo, en el que cuando son ejecutadas por dicho procesador (115), dicho procesador (115 ) opera dicho dispositivo de conmutación (444, 544) a las frecuencias predeterminadas dispuestas para regular unas pérdidas de potencia de dicho dispositivo inductivo (442, 542) y disipar potencia eléctrica del conductor eléctrico (440, 540) a la velocidad predeterminada.
4. El sistema de potencia eléctrica (400) de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que dicho controlador de frenado dinámico (215) comprende:
al menos un procesador (115); y
al menos un medio de almacenamiento no transitorio legible por ordenador acoplado a dicho procesador (115), teniendo dicho medio de almacenamiento no transitorio legible por ordenador instrucciones ejecutables por ordenador incorporadas en el mismo, en el que cuando son ejecutadas por dicho procesador (115), las instrucciones ejecutables por ordenador hacen que dicho procesador (115) opere dicho dispositivo de conmutación (444) para transmitir potencia eléctrica a través de dicho dispositivo inductivo (442):
a una primera frecuencia predeterminada para convertir potencia de corriente continua (CC) en potencia de corriente alterna (CA) para su transmisión a una red eléctrica (520); y
una segunda frecuencia predeterminada dispuesta para regular las pérdidas de potencia de dicho dispositivo inductivo (442, 542) y disipar potencia eléctrica del conductor eléctrico (440, 540) a la velocidad predeterminada, en el que la segunda frecuencia es mayor que la primera frecuencia.
5. El sistema de potencia eléctrica (400) de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, que comprende además una pluralidad de sensores de monitorización (240) que comprenden:
al menos un sensor de monitorización (240) acoplado a dicho dispositivo inductivo (442, 542) y dicho controlador de frenado dinámico (215), estando dicho sensor de monitorización (240) configurado para medir al menos una de una tensión y una corriente en dicho dispositivo inductivo ( 442, 542); y
al menos un sensor de monitorización (240) acoplado al conductor eléctrico (440, 540) y dicho controlador de frenado dinámico (215), estando dicho sensor de monitorización (240) configurado para medir al menos una de una tensión y una corriente en el conductor eléctrico ( 440, 540).
6. El sistema de potencia eléctrica (400) de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, que comprende además:
un bus de corriente alterna (CA) (436) que tiene pérdidas de potencia que son al menos parcialmente una función de una frecuencia de potencia eléctrica transmitida a través del mismo;
otro dispositivo de conmutación (444) acoplado a cada uno de dicho bus de CC positivo (432) y dicho bus de CA (436), estando dicho dispositivo de conmutación (444) configurado para abrirse y cerrarse con una pluralidad de frecuencias predeterminadas.
7. El sistema de potencia eléctrica (400) de acuerdo con la reivindicación 6, que comprende además otro dispositivo inductivo (438) conectado entre dicho bus de CA (436) y dicho otro dispositivo de conmutación (444).
8. El sistema de potencia eléctrica (400) de acuerdo con la reivindicación 7, que comprende además un circuito crowbar (450) conectado a dicho otro dispositivo inductivo (438) y dicho otro dispositivo de conmutación (444).
9. El sistema de potencia eléctrica (400) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en el que el otro dispositivo de conmutación (444) está comprendido dentro de la parte de lado de generador (424) del convertidor de potencia eléctrica (422).
10. El sistema de potencia eléctrica (400) de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, que incluye además un freno dinámico de CC (470) que comprende al menos un dispositivo de conmutación (472) acoplado en serie con al menos una resistencia (474).
11. Un procedimiento para controlar un sistema de potencia eléctrica (400) de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, comprendiendo dicho procedimiento:
operar el dispositivo de conmutación (444, 544) a una primera frecuencia;
monitorizar al menos una condición eléctrica del sistema de potencia eléctrica (400); y
operar el dispositivo de conmutación (444, 544) a una segunda frecuencia que es diferente de la primera frecuencia en función de un valor de la condición eléctrica monitorizada, regulando de este modo unas pérdidas de potencia del dispositivo inductivo (442, 542) y disipando potencia eléctrica a través del dispositivo de conmutación (444, 544) y el dispositivo inductivo (442, 542) a una velocidad predeterminada.
12. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11, en el que operar el dispositivo de conmutación (444, 544) a una segunda frecuencia que es diferente de la primera frecuencia comprende mantener el generador (402, 502) en servicio.
13. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 12, en el que mantener el generador (402, 502) en servicio comprende operar el dispositivo de conmutación (444, 544) para proporcionar al menos uno de: operación de al menos una característica de capacidad de respuesta ante tensión baja (LVRT); operación de al menos una característica de capacidad de respuesta ante tensión cero (ZVRT); operación de al menos un sistema crowbar (460); y operación de un freno dinámico de corriente continua (CC) (470).
14. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, en el que monitorizar una condición eléctrica del sistema de potencia eléctrica (400) comprende al menos uno de:
medir valores de tensión de un bus de CC (432, 434, 532, 534) del convertidor de potencia eléctrica (422, 522); medir valores de tensión del uno o más dispositivos inductivos (442, 438, 507, 542);
medir valores de tensión de una red eléctrica (420, 520); y
medir valores de corriente transmitidos a través del uno o más dispositivos inductivos (442, 438, 507, 542).
15. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 14, que comprende además hacer operar el dispositivo de conmutación (444, 544) a la segunda frecuencia, transmitiendo de este modo un valor de corriente predeterminado a través del dispositivo inductivo (442, 542) en función de la tensión medida en el bus de CC (432, 434, 532, 534).
16. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, en el que operar el dispositivo de conmutación (444, 544) a una primera frecuencia comprende transmitir potencia eléctrica a través del dispositivo inductivo (442, 542) a una primera frecuencia predeterminada para convertir potencia de CC en potencia de corriente alterna (CA) para su transmisión a la red eléctrica (420, 520).
17. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 16, en el que operar el dispositivo de conmutación (444, 544) a una segunda frecuencia que es diferente de la primera frecuencia comprende incrementar la frecuencia de potencia eléctrica transmitida a través del dispositivo inductivo (442, 542).
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