ES2902411T3 - Sistema de control de pitch de turbina eólica - Google Patents
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Abstract
Un sistema de control de pitch (30) para una turbina eólica (10), el sistema de control de pitch (30) comprende: un motor (102); una fuente de potencia de red (110) configurada para suministrar potencia eléctrica al motor (102); una pluralidad de componentes de conmutación (120, 122, 124) configurados para controlar la corriente suministrada al motor (102); y un componente auxiliar de conmutación acoplado eléctricamente entre la fuente de potencia de red (110) y al menos una parte de la pluralidad de componentes de conmutación (120, 122, 124), el componente auxiliar de conmutación configurado para abrirse cuando una tensión de red de la fuente de potencia de red (110) supera un primer umbral de tensión, el componente auxiliar de conmutación configurado para cerrarse cuando la tensión de red cae por debajo de un segundo umbral de tensión; en el que la fuente de potencia de red (110) incluye un primer terminal y un segundo terminal, la pluralidad de componentes de conmutación (120, 122, 124) incluye un primer conjunto de componentes de conmutación acoplados eléctricamente al primer terminal y un segundo conjunto de componentes de conmutación acoplados eléctricamente al segundo terminal, y en el que el primer conjunto de componentes de conmutación está acoplado eléctricamente al primer terminal a través de un enlace de CC, estando el componente auxiliar de conmutación acoplado eléctricamente entre la fuente de potencia de red (110) y el enlace de CC.
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema de control de pitch de turbina eólica
[0001] La presente materia se refiere en general a turbinas eólicas y, más concretamente, a un sistema de control del pitch de turbina eólica que está configurado para proteger los diversos componentes del sistema de transitorios de alta tensión.
[0002] Un sistema de control del pitch se utiliza normalmente para ajustar el pitch de una o más palas de rotor de una turbina eólica. Como se entiende generalmente, el sistema de control de pitch puede incluir un motor que está configurado para girar una pala de rotor a un ángulo de pitch deseado para ajustar una cantidad de energía eólica capturada por la pala.
[0003] Los sistemas de control de pitch conocidos suelen utilizar un motor de corriente continua (CC) con un devanado de campo en serie para el pitch de las palas. Tales motores de CC pueden incluir una resistencia de freno dinámico (“dynamic braking”) para facilitar la absorción del exceso de energía generado por el motor de CC durante las condiciones de frenado del motor. Además, para invertir el sentido de giro del motor de CC, se incluyen diodos de rectificación en el sistema de control de pitch. Estas resistencias de freno dinámico y los diodos de rectificación pueden añadir coste y complejidad a los sistemas de control de pitch conocidos y pueden producir pérdidas de energía dentro del sistema de control de pitch. Además, el devanado de campo en serie del motor de CC suele compartir una corriente con el inducido del motor de CC, que puede aumentarse o reducirse para ajustar el funcionamiento del motor de CC. Sin embargo, debido a la corriente común entre el inducido y el devanado, un ajuste de la corriente del inducido afectará también a la corriente del devanado. Por lo tanto, el control independiente del inducido y del devanado del motor de CC puede no ser posible. Véanse, por ejemplo, los documentos DE 102010016 105, DE 102010060380 y US 2010/0135791.
[0004] Normalmente, la potencia eléctrica se suministra al motor de CC y a los demás componentes eléctricos del sistema de control de pitch a través de una red eléctrica. Como resultado, cuando la red eléctrica experimenta un evento o transitorio de alto voltaje, el sistema de control de pitch puede estar sujeto a voltajes que exceden el voltaje nominal de la red. Dichos transitorios de alta tensión pueden provocar daños en el motor de Cc y/o en otros componentes eléctricos del sistema de control de pitch, en particular cuando el transitorio de tensión se prolonga en el tiempo y/o cuando la tensión de la red supera ampliamente la tensión nominal de la red.
[0005] En consecuencia, un sistema de control de pitch mejorado que sea capaz de acomodar los transitorios de alto voltaje sería bien recibido en la tecnología.
[0006] Diversos aspectos y ventajas de la invención se expondrán en parte en la siguiente descripción, o pueden resultar claros a partir de la descripción, o pueden aprenderse mediante la práctica de la invención.
[0007] La presente invención se define por las reivindicaciones adjuntas.
[0008] Varias características, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor con referencia a la siguiente descripción y a las reivindicaciones adjuntas. Los dibujos adjuntos, que se incorporan a esta descripción y forman parte de ella, ilustran realizaciones de la invención y, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la misma. En los dibujos:
La FIG. 1 ilustra una vista lateral en perspectiva de una realización de una turbina eólica;
La FIG. 2 ilustra un diagrama de bloques de una realización de un sistema de control de turbinas eólicas que puede utilizarse con la turbina eólica mostrada en la FIG. 1; y
La FIG. 3 ilustra un diagrama esquemático de una realización de un sistema de control de pitch que puede utilizarse con la turbina eólica mostrada en la FIG. 1.
[0009] A continuación se hará referencia en detalle a realizaciones de la invención, uno o más ejemplos de las cuales se ilustran en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la invención, no de limitación de la misma. De hecho, será evidente para los expertos en la materia que se pueden realizar diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance de la misma. Por ejemplo, las características ilustradas o descritas como parte de una realización pueden utilizarse con otra realización para obtener otra realización más. Por lo tanto, se pretende que la presente invención abarque las modificaciones y variaciones que entren en el ámbito de las reivindicaciones adjuntas.
[0010] En general, la presente materia está dirigida a un sistema de control de pitch para una turbina eólica. El sistema de control de pitch puede incluir un motor que tiene un inducido y un devanado. El motor puede estar configurado para recibir una primera corriente a través del inducido y una segunda corriente a través del devanado. Además, el sistema de control de pitch puede incluir una pluralidad de componentes de conmutación configurados
para controlar la primera corriente independientemente de la segunda mientras el sistema de control de pitch recibe potencia de una red eléctrica. El sistema de control de pitch también puede incluir un componente de conmutación auxiliar configurado para conectar/desconectar el sistema de la red de suministro eléctrico con el fin de evitar daños en los componentes debido a las tensiones excesivas de la red que se producen durante los transitorios de alta tensión. Por ejemplo, el componente de conmutación auxiliar puede estar configurado para abrirse (desconectando así el sistema de control de pitch de la red eléctrica) cuando la tensión de red supera un umbral de tensión predeterminado. Sin embargo, una vez que la tensión de la red cae por debajo de este umbral de tensión (o de un umbral de tensión diferente), el componente de conmutación auxiliar puede cerrarse para volver a conectar el sistema de control de pitch a la red eléctrica.
[0011] Refiriéndonos ahora a los dibujos, la FIG. 1 ilustra una vista lateral en perspectiva de una realización de una turbina eólica 10. Como se muestra, la turbina eólica 10 incluye generalmente una torre 12, una góndola 14 montada en la torre 12, y un rotor 16 acoplado a la góndola 14. El rotor 16 incluye un buje giratorio 18 y al menos una pala del rotor 20 acoplada y que se extiende hacia el exterior desde el buje 18. Por ejemplo, en la realización ilustrada, el rotor 16 incluye tres palas de rotor 20. Sin embargo, en una realización alternativa, el rotor 16 puede incluir más o menos de tres palas 20. Cada pala del rotor 20 puede estar espaciada alrededor del buje 18 para facilitar la rotación del rotor 16 y permitir que la energía cinética se transfiera del viento a energía mecánica utilizable y, posteriormente, a energía eléctrica. Por ejemplo, el buje 18 puede estar acoplado de forma rotativa a un generador eléctrico (no mostrado) colocado dentro de la góndola 14 para permitir la producción de energía eléctrica.
[0012] Refiriéndonos ahora a la FIG. 2, se ilustra un diagrama esquemático de una realización de un sistema de control 30 de una turbina eólica que puede utilizarse para controlar el funcionamiento de una turbina eólica 10 (FIG.
1) de acuerdo con aspectos de la presente materia. En general, el sistema de control 30 puede estar acoplado comunicativamente a varios componentes situados dentro del buje 18, las palas del rotor 20, la góndola 14 y/o la torre 12. Como se muestra en la FIG. 2, en varias realizaciones, el sistema de control 30 puede incluir un controlador de pitch 40 y al menos un accionamiento de pitch 42 situado en el buje 16 o dentro de él. Como se entiende generalmente, el controlador de pitch 40 puede estar configurado para controlar el ángulo de pitch de las palas del rotor 20 (es decir, un ángulo que determina una perspectiva de cada pala 22 con respecto a la dirección del viento) controlando el funcionamiento de los accionamientos de pitch 42. Específicamente, en una realización, el controlador de pitch 40 puede estar configurado para girar cada pala 20 alrededor de su eje longitudinal transmitiendo órdenes de pitch adecuadas al respectivo accionamiento de pitch 42 de la pala. Además, como se describirá más adelante, el controlador de pitch 40 puede estar acoplado comunicativamente a un controlador de turbina eólica 60 del sistema de control 30 a través de una red de comunicación adecuada 50.
[0013] En una realización, el controlador de pitch 40 puede comprender un controlador lógico programable (PLC). En una realización alternativa, el controlador de pitch 40 puede comprender un microprocesador, un microcontrolador, una matriz de puertas programables en campo (FPGA) o cualquier otro circuito programable que permita al controlador de pitch 40 operar como se describe en el presente documento. Tal y como se utiliza en el presente documento, el término "control" incluye, pero no se limita a, la emisión de órdenes que se implementan ejerciendo la vigilancia y supervisión de, y/o dirigiendo el funcionamiento de, uno o más componentes del sujeto. El término "control" también puede incluir un control de tipo regulación (por ejemplo, una regulación de bucle de retroalimentación).
[0014] Como se ha indicado anteriormente, los accionamientos de pitch 42 pueden estar configurados para recibir una o más órdenes de pitch desde el controlador de pitch 40 y, en respuesta a dichas órdenes, girar las palas del rotor 18 a una posición y/o ángulo de pitch deseado. En varias realizaciones, los accionamientos de pitch 42 pueden estar configurados para hacer girar las palas del rotor 18 utilizando cualquier medio adecuado, como un medio hidráulico, eléctrico y/o accionado por engranajes. Por ejemplo, en una realización particular, cada accionamiento de pitch 42 puede incluir un motor de pitch configurado para girar un piñón de accionamiento acoplado de forma rotativa con un rodamiento de pitch (no mostrado) de las palas del rotor 20.
[0015] También pueden colocarse otros componentes en el buje 18 o dentro de él. Por ejemplo, una fuente de potencia de reserva de buje 44 puede colocarse dentro del buje 16 para proporcionar potencia de reserva al controlador de pitch 40 y a los accionamientos de pitch 42. La fuente de potencia de reserva de buje 44 puede comprender, por ejemplo, una batería, un dispositivo de almacenamiento de energía magnética, uno o más condensadores y/o cualquier otra fuente de potencia adecuada. Además, el buje 18 puede incluir uno o más sensores de buje 48 configurados para supervisar uno o más parámetros de funcionamiento del buje 18, como la velocidad de rotación y/o las cargas inducidas en el buje 18.
[0016] Además, como se muestra en la FIG. 2, el sistema de control 30 puede incluir también una pluralidad de sensores de pala 46, estando al menos un sensor de pala 46 posicionado de forma operativa sobre o dentro de cada pala del rotor 20. En varias realizaciones, los sensores de pala 46 pueden estar configurados para controlar uno o más parámetros de funcionamiento de las palas del rotor 20, como la velocidad de rotación de y/o las cargas inducidas a cada pala 20. Además, en una realización, los sensores de las palas 46 pueden estar acoplados
comunicativamente al controlador de pitch 40 para permitir que las mediciones proporcionadas por los sensores 46 se transmitan al controlador 40.
[0017] Refiriéndose aún a la FIG. 2, en varias realizaciones, la góndola 14 puede incluir una multiplicadora 52, un freno 54, un generador 56, una batería 58 y un controlador de góndola 62. Sin embargo, en una realización alternativa, la góndola 14 puede no incluir una multiplicadora 52. Como se entiende generalmente, la multiplicadora 52 puede estar configurada para aumentar la rotación de un eje del rotor principal (no mostrado) accionado por el rotor 16, induciendo así una mayor cantidad de energía de rotación al generador 56. El freno 54 puede estar configurado para proporcionar potencia de parada de emergencia al generador 56 y/o a la turbina eólica 10 en caso de avería o cualquier otra condición de error. Además, el generador 56 puede estar configurado para transformar la energía rotacional del eje del rotor principal en energía eléctrica. Por lo tanto, debe apreciarse que el generador 56 puede comprender en general cualquier generador adecuado conocido en la técnica que permita que la turbina eólica 10 funcione como se describe en el presente documento. Por ejemplo, en una realización, el generador 56 puede comprender un generador de inducción de rotor devanado, como un generador de inducción doblemente alimentado. Además, de forma similar a la fuente de potencia de reserva de buje 44 descrita anteriormente, la batería 58 puede estar configurada generalmente para proporcionar potencia eléctrica de reserva a los diversos componentes alojados dentro de la góndola 14 y/o la torre 12.
[0018] El controlador de góndola 62 puede estar generalmente configurado para controlar el funcionamiento de los diversos componentes alojados dentro de la góndola 14, como la multiplicadora 52, el freno 54, el generador 56, y/o la batería 58. Además, en varias realizaciones, el controlador de góndola 62 puede estar acoplado comunicativamente al controlador de pitch 40 y al controlador de turbina eólica 60 a través de la red de comunicación 50. En concreto, como se muestra en la FIG. 2, el controlador de góndola 62 puede estar acoplado al controlador de pitch 40 a través de una red de góndola-buje 66 y al controlador de turbina eólica 60 a través de una red de góndola-torre 68.
[0019] Como se ha indicado anteriormente, el sistema de control 30 puede incluir también un controlador de turbina eólica 60. Como se muestra en la FIG. 2, el controlador de turbina eólica 60 puede estar dispuesto dentro de la torre 12. Sin embargo, en otras realizaciones, el controlador de turbina eólica 60 puede estar dispuesto en cualquier otro lugar adecuado, como dentro de la góndola 14 o en un lugar separado de la turbina eólica 10. En general, el controlador de turbina eólica 60 puede funcionar como controlador principal de la turbina eólica 10 y, por tanto, puede estar configurado para controlar los demás controladores de la turbina eólica 10, como el controlador de pitch 40 y el controlador de góndola 62. Además, el controlador de turbina eólica 60 puede estar configurado para comunicarse con otras turbinas eólicas (no mostradas) y/o con un sistema de gestión del parque eólico (no mostrado) y/o realizar la gestión de errores y la optimización del funcionamiento. Además, el controlador de turbina eólica 60 también puede estar configurado para ejecutar un programa SCADA (de supervisión, control y adquisición de datos).
[0020] Debe apreciarse que el controlador de turbina eólica 60 puede comprender generalmente un ordenador o cualquier otro procesador adecuado que pueda programarse para ejecutar algoritmos de control. Tal y como se utiliza en este documento, el término "procesador" incluye, sin limitación, cualquier sistema programable, incluidos los sistemas y microcontroladores, los circuitos de conjunto de instrucciones reducidas (RISC), los circuitos integrados de aplicación específica (ASIC), los circuitos lógicos programables (PLC) y cualquier otro circuito capaz de ejecutar las funciones descritas en este documento.
[0021] Como se ha indicado anteriormente, los diversos controladores del sistema de control 30 pueden estar acoplados comunicativamente a través de una red de comunicación 50. Como se muestra en la FIG. 2, la red de comunicación 50 puede incluir en general una red góndola-buje 66 y una red góndola-torre 68. Así, el controlador de pitch 40 puede estar acoplado al controlador de turbina eólica 60 a través de la red góndola-buje 66 y de la red góndola-torre 68, mientras que el controlador de góndola 62 puede estar acoplado al controlador de turbina eólica 60 a través de la red góndola-torre 68.
[0022] En una realización, la red góndola-buje 66 puede utilizar una conexión de colector ("slip ring”) para transmitir señales a través de un protocolo de comunicación en serie u otro protocolo de comunicación adecuado, como el protocolo de banda ancha sobre línea de potencia (BPL). En una realización alternativa, la red góndola-buje 66 puede incluir cualquier otra conexión que permita a la red 66 funcionar como se describe en el presente documento. Del mismo modo, en una realización, la red góndola-torre 68 puede incluir una o varias conexiones como una red de área local Ethernet (LAN), una LAN inalámbrica, un bus de red de área de control (CAN), una conexión de fibra óptica o cualquier otra conexión de comunicación (todas ellas no mostradas) que permita a la red góndola-torre 68 funcionar como se describe en el presente documento.
[0023] Refiriéndonos ahora a la FIG. 3, se ilustra un diagrama esquemático de una realización de un sistema de control de pitch 100 que puede utilizarse con, o en lugar de, los accionamientos de pitch 42 (FIG. 2) para modificar el pitch de las palas de rotor 18 de la turbina eólica 10 (FIG. 1) de acuerdo con aspectos de la presente materia. Como se muestra en la FIG. 3, el sistema de control de pitch 100 puede incluir un motor 102 que tiene un inducido 104 y un devanado 106. Como se describe en el presente documento, el motor 102 puede comprender
generalmente un motor de CC. Sin embargo, debe apreciarse que el motor 102 puede, alternativamente, comprender un motor de CA.
[0024] En la realización ilustrada, el sistema de control de pitch 100 puede estar configurado para recibir potencia eléctrica de una fuente de potencia de batería 108 y de una fuente de potencia de red 110 (por ejemplo, una red eléctrica). La fuente de potencia de batería 108 puede comprender generalmente una o más baterías, condensadores, y/o cualquier dispositivo de almacenamiento de energía adecuado que permita al sistema de control de pitch 100 funcionar como se describe en el presente documento. La fuente de potencia de red 110 puede, en una realización, estar acoplada a una salida rectificada de una red eléctrica de corriente alterna (CA). Alternativamente, la fuente de potencia de red 110 puede estar acoplada a cualquier fuente de potencia de corriente continua (CC) o de corriente alterna rectificada adecuada que permita que el sistema de control de pitch 100 funcione como se describe en el presente documento.
[0025] En varias realizaciones, la fuente de potencia de batería 108 y la fuente de potencia de red 110 pueden estar configuradas para proporcionar sustancialmente potencia de CC al sistema de control de pitch 100 y, específicamente, al motor 102. Como se muestra en la FIG. 3, la fuente de potencia de batería 108 puede estar acoplada de forma conmutable al motor 102 a través de uno o más contactores de batería 112 y la fuente de potencia de red 110 puede estar acoplada de forma conmutable al motor 102 a través de uno o más contactores de red 114. Los contactores de batería 112 pueden abrirse o cerrarse para desacoplar o acoplar eléctricamente, respectivamente, la fuente de potencia de batería 108 y el motor 102. Del mismo modo, los contactores de red 114 pueden abrirse o cerrarse para desacoplar o acoplar eléctricamente, respectivamente, la fuente de potencia de red 110 y el motor 102. Así, en varias realizaciones, los contactores de la batería 112 y los contactores de la red 114 pueden controlarse de manera que sólo una de las fuentes de potencia de batería 108 y de la red 110 esté conectada al motor 102 y lo alimente en un momento dado. Debe apreciarse que los contactores de la batería 112 y/o los contactores de la red 114 pueden incluir uno o más contactores, relés u otros componentes adecuados que permitan que el sistema de control de pitch 100 funcione como se describe en el presente documento.
[0026] Además, como se muestra en la FIG. 3, el sistema de control de pitch 100 puede incluir también una pluralidad de componentes de conmutación 116 y al menos un condensador 118. El condensador 118 puede estar configurado para facilitar el suavizado de la tensión procedente de la fuente de potencia de red 110, y también puede facilitar el suministro de una corriente de alta frecuencia a los componentes de conmutación 116. Los componentes de conmutación 116 pueden estar configurados, en general, para facilitar el control del funcionamiento del motor 102, por ejemplo, controlando la corriente del inducido 104 y/o del devanado 106. En varias realizaciones, los componentes de conmutación 116 pueden estar acoplados al motor 102 cuando la fuente de potencia de red 110 alimenta el sistema de control de pitch 100 (es decir, cuando los contactores de la red 114 están cerrados y los contactores de la batería 112 están abiertos). Alternativamente, cuando los contactores de red 114 están abiertos y los contactores de batería 112 están cerrados, los componentes de conmutación 116 pueden estar sustancialmente aislados eléctricamente del motor 102 y el motor 102 puede ser controlado y alimentado sustancialmente por la fuente de batería 108.
[0027] Como se muestra en la FIG. 3, en varias realizaciones, los componentes de conmutación 116 pueden incluir un primer conmutador 120, un segundo conmutador 122, un tercer conmutador 124, un cuarto conmutador 126, un quinto conmutador 128 y un sexto conmutador 130. El primer conmutador 120, el tercer conmutador 124 y el quinto conmutador 128 pueden estar acoplados a un primer terminal 134 de la fuente de red 110 a través de un enlace de CC 132. El segundo conmutador 122, el cuarto conmutador 126 y el sexto conmutador 130 pueden estar acoplados a un segundo terminal 136 de la fuente de red 110. En una realización, los componentes de conmutación 116 pueden comprender transistores de efecto de campo metal-óxido semiconductor (MOSFET). En una realización alternativa, los componentes de conmutación 116 pueden comprender transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), transistores de unión bipolar (BJT) o cualquier dispositivo de conmutación adecuado que permita al sistema de control de pitch 100 funcionar como se describe en el presente documento.
[0028] En varias realizaciones, el primer conmutador 120 y el segundo 122 pueden estar acoplados entre sí en un nodo común 138 y pueden estar acoplados en paralelo con la fuente de potencia de red 110. Además, el nodo común 138 de los conmutadores primero y segundo 120, 122 puede estar acoplado a un primer terminal 144 del inducido 104. Del mismo modo, el tercer conmutador 124 y el cuarto 126 pueden estar acoplados entre sí en un nodo común 140 y pueden estar acoplados en paralelo con la fuente de potencia de red 110. El nodo común 140 de los conmutadores tercero y cuarto 124, 126 puede estar acoplado a un segundo terminal 146 del inducido 104. Además, el quinto conmutador 128 y el sexto conmutador 130 pueden estar acoplados entre sí en un nodo común 142 y pueden estar acoplados en paralelo con la fuente de potencia de red 110. El nodo común 142 de los conmutadores quinto y sexto 128, 130 puede estar acoplado a un primer terminal 148 del devanado 106.
[0029] Además, un primer terminal 152 de la fuente de batería 108 puede estar acoplado al primer terminal 144 del inducido 104. Un segundo terminal 150 del devanado 106 puede estar acoplado a los conmutadores segundo, cuarto y sexto 122, 126130, al segundo terminal 136 de la fuente de potencia de red 110, y a un segundo terminal 154 de la fuente de potencia de batería 108.
[0030] El condensador 118 puede estar acoplado en paralelo con la fuente de potencia de red 110 y, más concretamente, acoplado al primer terminal 134 de la fuente de potencia de red 110 a través del enlace de Cc 132 y al segundo terminal 136 de la fuente de potencia de red 110. En varias realizaciones, un sensor de tensión 156 puede estar configurado para medir la tensión a través del condensador 118 y un sensor de corriente 158 puede estar configurado para medir la corriente transmitida entre el primer terminal 148 del devanado 106 y el nodo común 142 de los conmutadores quinto y sexto 128, 130.
[0031] Además, en varias realizaciones, el controlador de pitch 40 (FIG. 2) puede estar acoplado operativamente al sistema de control de pitch 100. Así, cuando el sistema de control de pitch 100 está alimentado por la fuente de potencia de red 110, el controlador de pitch 40 puede facilitar el control del funcionamiento del sistema de control de pitch 100 y, más concretamente, del funcionamiento del motor 102, como se describe con más detalle a continuación. En una realización, el controlador de pitch 40 puede estar configurado para recibir mediciones de tensión del sensor de tensión 156 y de corriente del sensor de corriente 158. El controlador de pitch 40 puede entonces ajustar una o más características de conmutación (por ejemplo, un ciclo de trabajo) de los componentes de conmutación 116 basándose en las mediciones de tensión y/o corriente recibidas.
[0032] Durante el funcionamiento, los contactores de red 114 pueden estar cerrados y los contactores de batería 112 pueden estar abiertos de manera que la fuente de potencia de red 110 proporcione potencia al sistema de control de pitch 100. Más concretamente, en una realización, el primer conmutador 120, el segundo conmutador 122, el tercer conmutador 124 y el cuarto conmutador 126 pueden transmitir corriente CC desde la fuente de potencia de red 110 al inducido 104, mientras que los conmutadores quinto y sexto 128, 130 pueden transmitir corriente CC desde la fuente de potencia de red 110 al devanado 106. De este modo, el inducido 104 y el devanado 106 pueden ser controlados y alimentados por separado mientras la fuente de potencia de red 110 alimenta el sistema de control de pitch 100.
[0033] Como se ha indicado anteriormente, el controlador de pitch 40 puede estar configurado para controlar un ciclo de trabajo de cada componente de conmutación 116. Más concretamente, el controlador de pitch 40 puede ajustar el ciclo de trabajo de cada componente de conmutación 116 para controlar una cantidad de corriente transportada a través de cada componente de conmutación 116 al motor 102. Para proporcionar más corriente al inducido 104, el controlador de pitch 40 puede aumentar el ciclo de trabajo del primer conmutador 120 o del tercer conmutador 124. Además, el controlador de pitch 40 puede operar el primer conmutador 120 y el segundo 122 en ciclos de trabajo alternos, el tercer conmutador 124 y el cuarto 126 en ciclos de trabajo alternos, y el quinto conmutador 128 y el sexto 130 en ciclos de trabajo alternos. Tal y como se utiliza en este documento, "alternando" o "alternar" se refiere a abrir y cerrar un conmutador en un momento opuesto al de otro conmutador, de manera que cuando un conmutador está abierto, el otro está cerrado, y viceversa. Como tal, los conmutadores alternos tienen ciclos de trabajo que son sustancialmente inversos entre sí.
[0034] Cuando el motor 102 deba ser accionado en el sentido de las agujas del reloj, el controlador de pitch 40 puede estar configurado para abrir el tercer conmutador 124, cerrar el cuarto conmutador 126 y hacer funcionar los conmutadores primero y segundo 120, 122 en ciclos de trabajo alternativos. Además, el controlador de pitch 40 puede aumentar el ciclo de trabajo del primer conmutador 120 para aumentar una velocidad de rotación del motor 102, y disminuir el ciclo de trabajo del primer conmutador 120 para reducir la velocidad de rotación del motor 102. De este modo, para conseguir una velocidad de giro máxima del motor 102 en el sentido de las agujas del reloj, el controlador de pitch 40 puede operar el primer conmutador 120 en un ciclo de trabajo de aproximadamente el 100%, y para conseguir un estado sustancialmente estacionario del motor 102, el controlador de pitch 40 puede operar el primer conmutador 120 en un ciclo de trabajo de aproximadamente el 0%.
[0035] Cuando el motor 102 deba invertirse (es decir, accionarse en sentido contrario a las agujas del reloj), el controlador de pitch 40 puede estar configurado para abrir el primer conmutador 120, cerrar el segundo conmutador 122 y accionar los terceros conmutadores 124, 126 en ciclos de trabajo alternativos. Además, el controlador de pitch 40 puede aumentar el ciclo de trabajo del tercer conmutador 124 para aumentar una velocidad de rotación del motor 102 y puede disminuir el ciclo de trabajo del tercer conmutador 124 para disminuir la velocidad de rotación del motor 102. De este modo, para conseguir una velocidad de giro máxima del motor 102 en el sentido contrario a las agujas del reloj, el controlador de pitch 40 puede operar el tercer conmutador 124 en un ciclo de trabajo de aproximadamente el 100%, y para conseguir un estado sustancialmente estacionario del motor 102, el controlador de pitch 40 puede operar el tercer conmutador 124 en un ciclo de trabajo de aproximadamente el 0%.
[0036] El controlador de pitch 40 también puede accionar el quinto conmutador 128 y el sexto conmutador 130 para controlar una corriente a través del devanado 106. De este modo, la fuente de potencia de red 110 y los componentes de conmutación 116 pueden facilitar el suministro de corrientes controladas por separado al inducido 104 y al devanado 106, de modo que el motor 102 funcione como un motor de CC de excitación separada. El motor 102 puede generar un exceso de energía, o energía regenerativa, dentro del sistema de control de pitch 100, como por ejemplo durante una operación de frenado del motor. Si hay un exceso de energía en el sistema de control de pitch 100, el controlador de pitch 40 puede dirigir el exceso de energía al devanado 106 de manera que éste absorba al menos una parte del exceso de energía. Más concretamente, si la tensión medida por el sensor de
tensión 156 se eleva por encima de un umbral determinado por el controlador de pitch 40, éste puede cerrar el quinto conmutador 128 para dirigir la energía al devanado 106. El controlador de pitch 40 también puede hacer funcionar el quinto conmutador 128 en un ciclo de trabajo entre aproximadamente el 0% y el 100% para dirigir una parte del exceso de energía al devanado 106. Alternativamente, el controlador de pitch 40 puede accionar el quinto conmutador 128 en un ciclo de trabajo de aproximadamente el 100% para dirigir una cantidad máxima de exceso de energía al devanado 106, o el controlador de pitch 40 puede accionar el quinto conmutador 128 en un ciclo de trabajo de aproximadamente el 0% para evitar sustancialmente que el exceso de energía se dirija al devanado 106.
[0037] Si se produce una pérdida de potencia de la fuente de potencia de red 110 o un fallo en el sistema de control de pitch 100, el sistema de control de pitch 100 puede conmutar a la potencia de reserva proporcionada por la fuente de potencia de batería 108 abriendo los contactores de la red 114 y cerrando los contactores de la batería 112. Mientras el sistema de control de pitch 100 esté alimentado por la fuente de potencia de batería 108, el controlador de pitch 40 puede no controlar el motor 102 a través de los componentes de conmutación 116. Más bien, la fuente de potencia de batería 108 puede proporcionar una corriente sustancialmente constante al motor 102 y facilitar el pitch de las palas 20 a una posición de bandera. En dicho funcionamiento, el inducido 104 y el devanado 106 pueden estar acoplados en serie entre sí de manera que la fuente de potencia de batería 108 proporcione una corriente igual y comúnmente controlada al inducido 104 y al devanado 106 y de manera que el motor 102 funcione sustancialmente como un motor de CC en serie. Si se restablece la potencia de la fuente de potencia de red 110 o se corrige el fallo en el sistema de control de pitch 100, el sistema de control de pitch 100 puede reanudar su funcionamiento a través de la fuente de potencia de red 110 abriendo los contactores de la batería 112 y cerrando los contactores de la red 114.
[0038] Además, para evitar que se suministren tensiones de red excesivas al motor 102 y a otros componentes situados aguas abajo de la fuente de potencia de red 110, el sistema de control de pitch 100 puede incluir también un componente auxiliar de conmutación 160 acoplado eléctricamente entre la fuente de potencia de red 110 y al menos una parte de los componentes de conmutación 120, 122, 124, 126, 128, 130. Por ejemplo, como se muestra en la FIG. 3, el componente auxiliar de conmutación 160 puede estar acoplado entre la fuente de potencia de red 110 y los primeros, terceros y/o quintos conmutadores 120, 124, 128, como por ejemplo estando acoplado entre el primer terminal 134 de la fuente de potencia de red 110 y el enlace de CC 132. Alternativamente, el componente auxiliar de conmutación 160 puede estar acoplado entre la fuente de potencia de red 110 y los conmutadores segundo, cuarto y/o sexto 122, 126, 130.
[0039] Debe apreciarse que el componente auxiliar de conmutación 160 puede comprender en general cualquier dispositivo de conmutación adecuado que permita que el sistema de control de pitch 100 funcione como se describe en el presente documento. Por ejemplo, el componente auxiliar de conmutación 160 puede ser un relé, un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT), un transistor de unión bipolar (BJT), un rectificador controlado de silicio (SCR), un transistor de efecto de campo de metal-óxido semiconductor (MOFSET), otros dispositivos de conmutación semiconductores y/o electromagnéticos y/o cualquier otro dispositivo de conmutación adecuado conocido en la técnica (por ejemplo, diodos).
[0040] En general, el componente de conmutación auxiliar 160 puede estar configurado para abrirse cuando una tensión de red de la fuente de potencia de red 110 supere un primer umbral de tensión. Por ejemplo, como se muestra en la FIG. 2, un sensor de tensión 162 puede estar configurado para medir la tensión de red suministrada al componente de conmutación auxiliar 160 y transmitir posteriormente dichas mediciones de tensión al controlador de pitch 40 (FIG. 2). El controlador de pitch 40 puede entonces estar configurado para abrir el componente de conmutación auxiliar 160 cuando la tensión de red supere el primer umbral de tensión. Al abrir el componente de conmutación auxiliar 160, el sistema de control de pitch 100 puede pasar a una condición de baja tensión (LVRT), por lo que el sistema 100 se aísla eléctricamente de la fuente de potencia de red 110 y se suministra potencia eléctrica al motor 102 a través de la fuente de potencia de batería 108. Además, una vez que la tensión de red cae por debajo de un segundo umbral de tensión, el controlador de pitch 40 puede estar configurado para cerrar el componente de conmutación auxiliar 160 para volver a conectar la fuente de potencia de red 110 al sistema de control de pitch 100.
[0041] Debe apreciarse que, en varias realizaciones, el primer umbral de tensión puede corresponder generalmente a un umbral de tensión predeterminado por encima del cual se cree que los componentes del sistema de control de pitch 100 pueden estar sujetos a daños debido a tensiones de red excesivas. Por ejemplo, en una realización, el primer umbral de tensión puede corresponder a una tensión superior a aproximadamente el 110% de la tensión de red nominal de la fuente de potencia de red 110, como por ejemplo una tensión superior a aproximadamente el 120% de la tensión de red nominal o superior a aproximadamente el 130% de la tensión de red nominal o superior a aproximadamente el 140% de la tensión de red nominal.
[0042] Del mismo modo, el segundo umbral de tensión puede corresponder generalmente a un umbral de tensión predeterminado por debajo del cual se considera que los componentes del sistema de control de pitch 100 pueden funcionar sin estar sujetos a daños debido a tensiones de red excesivas. En varias realizaciones, el segundo umbral de tensión puede ser el mismo que el primer umbral de tensión. Así, cuando la tensión de red supera el umbral de
tensión, el componente de conmutación auxiliar 160 puede abrirse y, cuando la tensión de red cae por debajo de ese mismo umbral, el componente de conmutación auxiliar 160 puede cerrarse. Alternativamente, el segundo umbral de tensión puede diferir del primer umbral de tensión. Por ejemplo, en una realización, el segundo umbral de tensión puede corresponder a un umbral de tensión predeterminado igual o inferior a aproximadamente el 120% de la tensión de red nominal de la fuente de potencia de red 110, como una tensión inferior a aproximadamente el 115% de la tensión de red nominal o inferior a aproximadamente el 110% de la tensión de red nominal.
[0043] Debe apreciarse que establecer el segundo umbral de tensión a una tensión diferente a la del primer umbral de tensión puede ser deseable cuando el primer umbral de tensión se establece relativamente alto. Por ejemplo, si el primer umbral de tensión se fija a una tensión superior a aproximadamente el 130% o el 140% de la tensión nominal de la red, puede ser conveniente fijar el segundo umbral de tensión a una tensión inferior (por ejemplo, inferior a aproximadamente el 120% de la tensión nominal) para garantizar que la tensión de la red haya disminuido lo suficiente antes de volver a conectar el sistema de control de pitch 100 a la fuente de potencia de red 110.
[0044] También debe apreciarse que, en varias realizaciones, el componente de conmutación auxiliar 160 puede cerrarse inmediatamente después de que la tensión de red caiga por debajo del segundo umbral de tensión o el componente de conmutación auxiliar 160 puede cerrarse después de que la tensión de red haya estado por debajo del segundo umbral de tensión durante un periodo de tiempo predeterminado. Por ejemplo, en las realizaciones en las que el segundo umbral de tensión se fija en menos del 120% de la tensión de red nominal, el controlador de pitch 40 puede estar configurado para cerrar el componente de conmutación auxiliar 160 después de que la tensión de red haya estado por debajo del 120% de la tensión de red nominal durante un periodo de retardo adecuado (por ejemplo, dos segundos). Dicho periodo de retardo puede implementarse para garantizar que el transitorio de alta tensión haya terminado antes de volver a conectar el sistema de control de pitch 100 a la fuente de potencia de red 110.
[0045] También debe apreciarse que la presente materia se dirige a un método para controlar la potencia eléctrica suministrada a un sistema de control de pitch 100 de una turbina eólica 10. En varias realizaciones, el método puede incluir el suministro de potencia eléctrica al sistema de control de pitch 100 desde una fuente de potencia de red 110, la monitorización de una tensión de red de la fuente de potencia de red 110 y conmutar el suministro de potencia eléctrica desde la fuente de potencia de red 110 a una fuente de potencia de batería 108 cuando la tensión de red supera un primer umbral de tensión.
[0046] Esta descripción escrita utiliza ejemplos para divulgar la invención, incluyendo el modo preferido, y también para permitir a cualquier persona experta en la materia practicar la invención, incluyendo la fabricación y el uso de cualquier dispositivo o sistema y la realización de cualquier método incorporado. El alcance patentable de la invención se define en las reivindicaciones.
Claims (11)
1. Un sistema de control de pitch (30) para una turbina eólica (10), el sistema de control de pitch (30) comprende:
un motor (102);
una fuente de potencia de red (110) configurada para suministrar potencia eléctrica al motor (102); una pluralidad de componentes de conmutación (120, 122, 124) configurados para controlar la corriente suministrada al motor (102); y
un componente auxiliar de conmutación acoplado eléctricamente entre la fuente de potencia de red (110) y al menos una parte de la pluralidad de componentes de conmutación (120, 122, 124), el componente auxiliar de conmutación configurado para abrirse cuando una tensión de red de la fuente de potencia de red (110) supera un primer umbral de tensión, el componente auxiliar de conmutación configurado para cerrarse cuando la tensión de red cae por debajo de un segundo umbral de tensión; en el que
la fuente de potencia de red (110) incluye un primer terminal y un segundo terminal, la pluralidad de componentes de conmutación (120, 122, 124) incluye un primer conjunto de componentes de conmutación acoplados eléctricamente al primer terminal y un segundo conjunto de componentes de conmutación acoplados eléctricamente al segundo terminal, y en el que el primer conjunto de componentes de conmutación está acoplado eléctricamente al primer terminal a través de un enlace de CC, estando el componente auxiliar de conmutación acoplado eléctricamente entre la fuente de potencia de red (110) y el enlace de CC.
2. El sistema de control de pitch (30) de la reivindicación 1, en el que el motor (102) incluye un inducido (104) y un devanado (106), la pluralidad de componentes de conmutación (120, 122, 124) configurados para controlar una primera corriente a través del inducido (104) independientemente de una segunda corriente a través del devanado (106).
3. El sistema de control de pitch (30) de cualquier reivindicación anterior, que comprende además una fuente de potencia de batería configurada para suministrar potencia eléctrica al motor (102) cuando se abre el componente auxiliar de conmutación.
4. El sistema de control de pitch (30) de cualquier reivindicación anterior, en el que el primer umbral de tensión es igual o superior a aproximadamente el 110% de una tensión de red nominal de la fuente de potencia de red (110).
5. El sistema de control de pitch (30) de cualquier reivindicación anterior, en el que el primer umbral de tensión es igual o superior a aproximadamente el 140% de una tensión de red nominal de la fuente de potencia de red (110).
6. El sistema de control de pitch (30) de cualquier reivindicación anterior, en el que el segundo umbral de tensión es igual o inferior a aproximadamente el 120% de una tensión de red nominal de la fuente de potencia de red (110).
7. El sistema de control de pitch (30) de cualquier reivindicación anterior, en el que el segundo umbral de tensión es igual o inferior a aproximadamente el 110% de una tensión de red nominal de la fuente de potencia de red (110).
8. El sistema de control de pitch (30) de cualquier reivindicación anterior, comprendiendo además un sensor de tensión configurado para medir la tensión de red de la fuente de potencia de red (110) y un controlador de pitch acoplado comunicativamente al sensor de tensión, estando el controlador de pitch configurado para abrir y cerrar el componente auxiliar de conmutación basándose en las mediciones de tensión de red proporcionadas por el sensor de tensión.
9. Una turbina eólica (10), que comprende:
al menos una pala de rotor (20); y
un sistema de control de pitch (30) configurado para controlar el pitch de la al menos una pala de rotor, siendo el sistema de control de pitch (30) como se define en cualquier reivindicación anterior.
10. Un método para controlar la potencia suministrada al sistema de control de pitch (30) de la turbina eólica (10) de la reivindicación 9, el método comprende:
suministrar potencia eléctrica al sistema de control de pitch (30) desde una fuente de potencia de red (110), estando el sistema de control de pitch (30) configurado para controlar una primera corriente a través de un inducido (104) independiente de una segunda corriente a través de un devanado (106); monitorizar una tensión de red de la fuente de potencia de red (110); y
conmutar el suministro de potencia eléctrica de la fuente de potencia de red (110) a una fuente de potencia de batería cuando la tensión de red supere un primer umbral de tensión.
11. El método de la reivindicación 10, que comprende además conmutar el suministro de potencia eléctrica de vuelta a la fuente de potencia de red (110) cuando la tensión de red cae por debajo de un segundo umbral de tensión.
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