ES2928907T3 - Método de funcionamiento de una pluralidad de circuitos troceadores - Google Patents

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Abstract

La presente invención se refiere a un método para el funcionamiento simultáneo de una pluralidad de circuitos interruptores de un convertidor de potencia de turbina eólica, comprendiendo el método los pasos de operar un miembro de conmutación controlable de un primer circuito interruptor de acuerdo con un primer patrón de conmutación, y operar un elemento de conmutación controlable de un segundo circuito interruptor de acuerdo con un segundo patrón de conmutación, en el que el primer patrón de conmutación es diferente del segundo patrón de conmutación durante un primer período de tiempo. Con el fin de reducir las pérdidas de conmutación, el primer patrón de conmutación puede implicar que el elemento de conmutación controlable del primer circuito de corte se bloquee durante el primer período de tiempo. Pueden proporcionarse circuitos troceadores adicionales en paralelo a los circuitos troceadores primero y segundo. La presente invención se refiere además a un troceador de disipación de energía que funciona de acuerdo con el método mencionado anteriormente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método de funcionamiento de una pluralidad de circuitos troceadores
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método para aumentar la capacidad de disipación de potencia de un troceador de CC de un convertidor de potencia de turbina eólica. La presente invención se refiere, en particular, a un método para reducir las pérdidas de conmutación de los interruptores controlables de una pluralidad de circuitos troceadores que forman el troceador de CC. La presente invención además se refiere a un troceador de CC que funciona de acuerdo con el método de la presente invención.
Antecedentes de la invención
En caso de fallas en las redes de transmisión o distribución de potencia, donde la tensión de la red cae a niveles de tensión que pueden ser solo una fracción de la tensión nominal de funcionamiento, no se puede mantener la transferencia de potencia desde, por ejemplo, unos aerogeneradores a la red eléctrica. Asimismo, para dar soporte a la red eléctrica cuando se recupera la tensión de la red, se espera que los aerogeneradores aumenten la potencia activa muy rápidamente.
Una solución teórica para el requisito anterior podría ser descartar y admitir aerogeneradores muy rápidamente durante los eventos de paso a baja tensión (LVRT, por sus siglas en inglés de Low-Voltage Ride Through). Sin embargo, para evitar tensiones mecánicas y para poder recuperar la producción de potencia inmediatamente después de la recuperación de la tensión, la solución preferida, desde un punto de vista práctico, es igualar la entrada de potencia y la salida de potencia disipando el déficit. La disipación de potencia se proporciona usando una resistencia de carga de descarga conectada a un enlace de CC de un convertidor de potencia. La cantidad de potencia que se va a disipar se controla a través de un transistor troceador. Dependiendo de la capacidad de carga de descarga requerida, se puede conectar en paralelo una pluralidad de circuitos troceadores, de los que, cada uno, comprende una resistencia de carga de descarga y un transistor. El transistor puede ser un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, por sus siglas en inglés de Insulated-Gate Bipolar Transistor), un tiristor conmutado por puerta integrada (IGCT, por sus siglas en inglés de Integrated Gate-Commutated Thyristor), un tiristor de apagado de puerta (GTO, por sus siglas en inglés de Gate Turn-Off Thyristor) u otro interruptor semiconductor de potencia relevante. A continuación, se utilizará el término IGBT como término general para un transistor.
La forma típica de controlar los IGBT troceadores sería medir la tensión del enlace de CC y comparar la tensión medida con una tensión de referencia. Se puede utilizar un error (señal de error) entre la tensión de referencia y la tensión medida (la tensión del enlace de CC o el cuadrado de la tensión del enlace de CC) para ajustar el ciclo de trabajo (tiempo de encendido) de los IGBT troceadores. La señal de error podría alimentarse a través de cualquier tipo de controlador, p. ej., un controlador proporcional (P) y/o un controlador proporcional-integral (PI), que luego ajustaría el ciclo de trabajo para estabilizar la tensión del enlace de CC en (o cerca de) su valor de referencia.
El funcionamiento de los IGBT troceadores está asociado con pérdidas de potencia que consisten en pérdidas por conducción y pérdidas por conmutación (pérdida de encendido y pérdida de apagado). Habitualmente, la distribución de las pérdidas por conducción y de las pérdidas por conmutación sería de aproximadamente 50 %-50 % dependiendo de la frecuencia de conmutación elegida.
Como se demostrará con relación a la figura 4, las pérdidas por conducción y, en particular, las pérdidas por conmutación calientan un IGBT durante el funcionamiento. Este calentamiento puede ser el factor limitante en términos de cantidad de potencia y, por lo tanto, de energía, que se puede disipar en un circuito troceador. De hecho, la temperatura de un IGBT puede aumentar hasta 160-170 °C utilizando patrones de conmutación convencionales. Como resultado, la capacidad de disipación de potencia de un circuito troceador se reduce significativamente.
Se puede considerar que un objetivo de las realizaciones de la presente invención consiste en aumentar la capacidad de disipación de potencia de un troceador de CC de un convertidor de potencia.
Se puede considerar que un objetivo adicional de las realizaciones de la presente invención consiste en aumentar la capacidad de disipación de potencia de un troceador de CC de un convertidor de potencia reduciendo las pérdidas por conmutación de una pluralidad de interruptores controlables.
El principio subyacente a la presente invención es aplicable en todas las aplicaciones de troceadores que tengan una pluralidad de circuitos troceadores dispuestos en paralelo.
El documento del estado de la técnica US2014/0070751 divulga un aparato de control de motor s que incluye un rectificador para rectificar la potencia de CA para generar potencia de CC; un inversor para realizar una interconversión de potencia de CC de un enlace de CC y potencia de CA que es la potencia de accionamiento o potencia regenerativa de un motor al estar conectado al enlace de CC que es un lado de salida de CC del rectificador; y al menos dos unidades de descarga de resistencia, cada una para realizar la descarga de resistencia de la potencia de CC del enlace de CC, estando cada una de las unidades de descarga de resistencia conectada al enlace de CC, en el que cada unidad de descarga de resistencia inicia una operación de descarga de resistencia para realizar la descarga de resistencia de la potencia de CC del enlace de CC a un valor de tensión de CC en el enlace de CC que supera un primer valor umbral y detiene la operación de descarga de resistencia a un valor de tensión de CC en el enlace de CC más pequeño que un segundo valor umbral por debajo del primer valor umbral.
El documento de la técnica anterior W02017/108046 divulga un sistema de disipación de potencia para un convertidor de potencia de un aerogenerador. El sistema de disipación de potencia comprende al menos un primer módulo de disipación y un segundo módulo de disipación, incluyendo cada uno de los módulos de disipación una unidad de conmutación acoplada a un elemento disipador respectivo, un controlador configurado para proporcionar una señal de control de conmutación respectiva a cada una de las unidades de conmutación, y en donde la señal de control de conmutación de la primera unidad de conmutación es diferente a la señal de control de conmutación de la segunda unidad de conmutación. Las señales de control del interruptor pueden cambiar de fase entre sí, lo que reduce las fluctuaciones de tensión en el enlace de CC y obtiene pérdidas de conmutación más bajas.
Descripción de la invención
Los objetivos mencionados anteriormente se cumplen proporcionando, en un primer aspecto, un método de funcionamiento simultáneo de una pluralidad de circuitos troceadores de un convertidor de potencia de turbina eólica, de acuerdo con la reivindicación 1.
En la presente invención, el primer patrón de conmutación implica que el elemento de conmutación controlable del primer circuito troceador se bloquea durante el primer período de tiempo. El bloqueo del elemento de conmutación controlable del primer circuito troceador implica que este elemento de conmutación controlable está constantemente encendido durante el primer período de tiempo.
El bloqueo de un elemento de conmutación controlable es generalmente ventajoso porque, en particular, las pérdidas por conmutación del elemento de conmutación bloqueado disminuyen significativamente siempre que el elemento de conmutación está bloqueado, es decir, durante el primer período de tiempo.
Si bien el primer patrón de conmutación implica el bloqueo del elemento de conmutación controlable del primer circuito troceador, el segundo patrón de conmutación implica que se aplica un patrón de modulación que tiene una frecuencia de conmutación dada al elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador durante el primer período de tiempo.
Generalmente, el primer período de tiempo puede ser significativamente más largo que el período de conmutación de la frecuencia de conmutación aplicada al elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador. Por tanto, la frecuencia de conmutación aplicada al elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador puede tener un período de conmutación que sea al menos 10 veces más corto que el primer período de tiempo, por ejemplo 15 veces más corto que el primer período de tiempo, por ejemplo 20 veces más corto que el primer período de tiempo.
Después del primer período de tiempo, el escenario se invierte de modo que durante un segundo período de tiempo inmediatamente después del primer período de tiempo, el segundo patrón de conmutación implica que el elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador está bloqueado. De nuevo, el bloqueo del elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador implica que este elemento de conmutación controlable está constantemente encendido durante el segundo período de tiempo. De esta forma, pueden reducirse las pérdidas de conmutación asociadas con el elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador.
Mientras que el segundo patrón de conmutación implica el bloqueo del elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador, el primer patrón de conmutación implica que se aplica un patrón de modulación que tiene una frecuencia de conmutación dada al elemento de conmutación controlable del primer circuito troceador durante el segundo período de tiempo. Similar a la situación durante el primer período de tiempo, la frecuencia de conmutación aplicada al elemento de conmutación controlable del primer circuito troceador puede tener un período de conmutación que sea al menos 10 veces más corto que el segundo período de tiempo, por ejemplo 15 veces más corto que el segundo período de tiempo, por ejemplo 20 veces más corto que el segundo período de tiempo.
Para resumir lo anterior, el elemento de conmutación controlable del primer circuito troceador se bloquea durante el primer período de tiempo, mientras que el elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador se bloquea durante el segundo período de tiempo. Como se ha indicado anteriormente, el bloqueo de un elemento de conmutación controlable reduce las pérdidas por conmutación del elemento de conmutación que se está bloqueando.
Cabe señalar que el método según la presente invención también es aplicable a disposiciones que tienen elementos de conmutación controlables adicionales de circuitos troceadores adicionales, tales como un tercer, cuarto, quinto, sexto e incluso más circuitos troceadores. El primer, el segundo y los circuitos troceadores adicionales se pueden acoplar en paralelo. También cabe señalar que se puede bloquear más de un elemento de conmutación a la vez. Volviendo a la situación que implica un primer y un segundo circuito troceador, el segundo período de tiempo puede activarse en respuesta a una temperatura medida del elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador. Por tanto, mientras el elemento de conmutación controlable del primer circuito troceador puede estar bloqueado para reducir las pérdidas de conmutación, se monitoriza la temperatura del elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador. Entonces la temperatura ha alcanzado un valor predefinido, puede iniciarse el segundo período de tiempo y, como consecuencia, puede bloquearse el elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador.
En un segundo aspecto, la presente invención se refiere a un conjunto troceador de disipación de potencia para un convertidor de potencia de turbina eólica, de acuerdo con la reivindicación 6.
Las definiciones mencionadas anteriormente de, por ejemplo, patrones de conmutación también se aplican con relación al segundo aspecto. También cabe señalar que se pueden proporcionar elementos de conmutación controlables adicionales de los circuitos troceadores adicionales, tales como un tercer, cuarto, quinto, sexto e incluso más circuitos troceadores. El primer, el segundo y los circuitos troceadores adicionales se pueden acoplar en paralelo.
El primer patrón de conmutación implica que el elemento de conmutación controlable del primer circuito troceador está constantemente encendido durante el primer período de tiempo. El segundo patrón de conmutación implica que se aplica un patrón de modulación que tiene una frecuencia de conmutación dada al elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador durante el primer período de tiempo. El primer período de tiempo puede ser significativamente más largo que el período de conmutación de la frecuencia de conmutación aplicada al elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador. Por tanto, la frecuencia de conmutación aplicada al elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador puede tener un período de conmutación que sea al menos 10 veces más corto que el primer período de tiempo, por ejemplo 15 veces más corto que el primer período de tiempo, por ejemplo 20 veces más corto que el primer período de tiempo.
El segundo patrón de conmutación implica que el elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador está constantemente encendido durante el segundo período de tiempo que sigue inmediatamente al primer período de tiempo. Durante este segundo período de tiempo, el primer patrón de conmutación implica que se aplica un patrón de modulación que tiene una frecuencia de conmutación dada al elemento de conmutación controlable del primer circuito troceador. De nuevo, el segundo periodo de tiempo puede ser significativamente más largo que el periodo de conmutación de la frecuencia de conmutación aplicada al elemento de conmutación controlable del primer circuito troceador. Por tanto, la frecuencia de conmutación aplicada al elemento de conmutación controlable del primer circuito troceador puede tener un período de conmutación que sea al menos 10 veces más corto que el segundo período de tiempo, por ejemplo 15 veces más corto que el segundo período de tiempo, por ejemplo 20 veces más corto que el segundo período de tiempo. El segundo período de tiempo se activa en respuesta a una temperatura medida del elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador.
En un tercer aspecto, la presente invención se refiere a un convertidor de potencia de una turbina eólica que comprende un conjunto troceador de disipación de potencia según el segundo aspecto, estando dicho conjunto troceador conectado a un enlace de CC entre un rectificador y un inversor del convertidor de potencia de la turbina eólica.
Breve descripción de los dibujos
A continuación, se describirá la presente invención de manera más detallada con referencia a las figuras adjuntas, en donde
la figura 1 muestra un aerogenerador DFIG,
la figura 2 muestra una rama del convertidor y un enlace de CC del convertidor que incluye una pluralidad de circuitos troceadores acoplados en paralelo,
la figura 3 muestra corrientes de diodo, de transistor y resistencia de un sistema típico del estado de la técnica anterior,
la figura 4 muestra la temperatura del transistor de un sistema típico del estado de la técnica anterior,
la figura 5 muestra los patrones de conmutación de la presente invención,
la figura 6 muestra corrientes de diodo, de transistor y de resistencia de un sistema que utiliza los patrones de conmutación de la presente invención,
la figura 7 muestra la temperatura del transistor de un sistema que utiliza los patrones de conmutación de la presente invención, y
la figura 8 muestra una posible estrategia de control de la presente invención.
Si bien la invención es susceptible de diversas modificaciones y formas alternativas, se han mostrado a modo de ejemplo realizaciones específicas en los dibujos y se describirán en detalle en el presente documento. Debe comprenderse, sin embargo, que no se pretende que la invención se limite a las formas particulares divulgadas. En su lugar, la invención pretende cubrir todas las modificaciones, equivalentes y alternativas que entran dentro del alcance de la invención tal y como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Descripción detallada de la invención
En su aspecto más amplio, la presente invención se refiere a un método para aumentar la capacidad de disipación de potencia de un troceador de CC de un convertidor de potencia reduciendo las pérdidas de conmutación de una pluralidad de interruptores controlables de una pluralidad de circuitos troceadores. Los interruptores controlables normalmente serán transistores, tales como unos IGBT. El método según la presente invención encuentra su uso principal con relación a los convertidores de potencia, tales como convertidores de potencia utilizados con relación a centrales de potencia eólica o aerogeneradores.
La figura 1 ilustra un aerogenerador de velocidad variable 100 que comprende un generador de inducción de doble alimentación (DFIG, por sus siglas en inglés de Doubly Fed Induction Generator) 101 y un convertidor de potencia/frecuencia 102 conectado al rotor del generador 101. El generador 101 comprende un estátor 103 conectado a la red de suministro eléctrico 104 a través de interruptores de desconexión 105 y el transformador trifásico 106. El generador 101 puede suministrar potencia activa al estátor, PSt, potencia reactiva del estátor, Qa, directamente a la red de suministro eléctrico 104, o recibir potencia alterna de la red de suministro eléctrico 104.
El rotor del generador 101 está mecánicamente accionado por un rotor de turbina eólica (no mostrado) a través de un eje de baja velocidad, unos medios de engranaje y un eje de alta velocidad s (no mostrado). Asimismo, el rotor está eléctricamente conectado al convertidor de potencia/frecuencia 102. El convertidor de potencia/frecuencia 102 puede convertir una tensión de CA variable en una tensión de CC intermedia y posteriormente en una tensión de CA fija que tiene una frecuencia fija.
El convertidor de potencia/frecuencia 102 incluye un circuito convertidor del lado del rotor 107 para rectificar la tensión de CA del generador 101 a una tensión de CC en el enlace de CC 108 o para invertir la tensión de CC a una tensión de CA que se suministrará al rotor del generador 101. El enlace de Cc 108 suaviza la tensión de CC con un condensador de enlace de CC 110. El circuito convertidor del lado de la red 109 invierte la tensión de CC a una tensión de CA con una frecuencia preferida o viceversa.
La potencia activa del rotor, Pr y la potencia reactiva del rotor, Qr, se acoplan hacia o desde la red de suministro eléctrico 104 a través del transformador 106 y los interruptores de desconexión 111. Por tanto, el generador de turbina eólica puede controlarse para suministrar potencia eléctrica desde el generador a la red eléctrica con una tensión y una frecuencia constantes independientemente de las velocidades cambiantes del rotor de la turbina eólica y del viento.
El enlace de CC 108 además comprende al menos dos circuitos troceadores 112, 113 conectados entre las dos barras colectoras del enlace de CC. Cada circuito troceador 112, 113 está conectado en paralelo al condensador de enlace de CC 110 y comprende al menos una resistencia y un interruptor de potencia controlable conectados en serie. Adicionalmente, cada circuito troceador también comprende un diodo antiparalelo para la resistencia y un diodo antiparalelo para el interruptor de potencia controlable. El interruptor de potencia controlable puede encenderse y apagarse para dirigir una corriente a través de la resistencia y disipar de ese modo la potencia en la resistencia. La tensión del enlace de CC Ucc puede reducirse a medida que se eliminan las cargas del condensador 110 del enlace de CC dirigiendo la corriente a través de una resistencia de uno de los circuitos troceadores. En consecuencia, la potencia generada por el generador 101 se puede disipar activando uno o más circuitos troceadores 112, 113 en períodos de tiempo en los que no es posible dirigir parte o toda la potencia generada a la red de suministro eléctrico 104.
Los interruptores de desconexión 105, 111 del estátor y el rotor facilitan que el generador 101 pueda desconectarse de la red de suministro eléctrico 104 con relación, por ejemplo, a trabajos de mantenimiento en el aerogenerador o una situación de aislamiento de la red de suministro eléctrico 104. Asimismo, el generador de turbina eólica puede desconectarse de la red de suministro eléctrico 104 si persiste una falla de la red que implique una caída de tensión significativa durante un período de tiempo más largo.
Aunque la descripción anterior se refiere a una configuración DFIG, cabe señalar que la presente invención también es aplicable a otras configuraciones de aerogeneradores, tal como, por ejemplo, configuraciones a gran escala en las que toda la potencia generada se suministra a la red pública a través de un convertidor de potencia conectado al estátor del generador.
La figura 2 muestra una rama/fase del convertidor 201 del lado del rotor y el enlace de CC 202. La rama corresponde a una de las fases de un convertidor de frecuencia trifásico de modulación de ancho de pulso (PWM, por sus siglas en inglés de Pulse Width Modulation) e incluye dos interruptores de potencia, tales como los IGBT 203, 204 con diodos antiparalelos asociados 205, 206. El condensador del enlace de CC 207 y los dos circuitos troceadores 208, 209 están conectados a las barras colectoras positiva y negativa del enlace de c C. Cabe señalar que se pueden proporcionar circuitos troceadores adicionales de modo que el número total de circuitos troceadores sea superior a dos. Adicionalmente, la figura 2 ilustra esquemáticamente cómo se puede disipar la potencia en las resistencias de los circuitos troceadores 208, 209 y, de ese modo, reducir la tensión del enlace de c C. Los interruptores controlables de los circuitos troceadores 208, 209 se controlan de tal manera que la potencia puede disiparse en las resistencias de acuerdo con el patrón de conmutación de la presente invención, como se explicará más adelante.
Como se ha indicado anteriormente, hacer funcionar el interruptor controlable, tal como un IGBT, de un circuito troceador del tipo mostrado en las figuras 1 y 2 está asociado con una pérdida de potencia que consiste en pérdidas por conducción y pérdidas por conmutación (pérdida de encendido y pérdida de apagado). La distribución típica de las pérdidas por conducción y las pérdidas por conmutación es de aproximadamente 50 %-50 %, dependiendo de la frecuencia de conmutación elegida. Las pérdidas de conmutación pueden desempeñar, en particular, un papel crucial, ya que las pérdidas de encendido dependen de la corriente que fluye debido a la parte inductiva de la resistencia del troceador. Cuando se apaga el IGBT, la corriente que pasa a través del transistor cae a cero, pero debido a la parte inductiva de la resistencia del troceador, la corriente que pasa a través de la resistencia no puede caer bruscamente a cero. En su lugar, esta conmuta al diodo de rueda libre y disminuye según la constante de tiempo del circuito R/L.
Para cargas de troceador elevadas, el ciclo de trabajo aplicado al IGBT está muy próximo al 1, lo que significa que el IGBT se enciende inmediatamente después del apagado. En este caso, es posible que la corriente de la resistencia del troceador no haya llegado a cero y, por consiguiente, el transistor se enciende con una corriente de diodo de rueda libre que sigue fluyendo que, de ese modo, conmuta al IGBT. Esto está asociado con las pérdidas de conmutación de encendido. La figura 3 ilustra las transiciones de corriente típicas en un circuito troceador, es decir, la corriente 301 del diodo de rueda libre, la corriente 302 del IGBT y la corriente 303 de la resistencia. Adicionalmente, para proporcionar un control preciso, tampoco son deseables ciclos de trabajo muy pequeños porque los tiempos de encendido y los tiempos de subida son difíciles de compensar.
Las pérdidas por conducción y las pérdidas por conmutación calientan el IGBT durante el funcionamiento. Este calentamiento puede ser el factor limitante en términos de cantidad de potencia y, por lo tanto, de la energía que se puede disipar en un circuito troceador. La figura 4 ilustra la temperatura de un IGBT durante el funcionamiento típico del mismo. Como se observa en la figura 4, la curva de temperatura IGBT 401 alcanza una temperatura superior a 160 °C en menos de 500 ms. Por tanto, el aumento de temperatura del IGBT es, por tanto, de aproximadamente 120 °C.
Según la presente invención, se proponen nuevos patrones de conmutación para reducir, en particular, las pérdidas por conmutación en aplicaciones en las que una pluralidad de circuitos troceadores funcionan en paralelo. Más específicamente, se propone bloquear el IGBT de al menos un circuito troceador para que esté constantemente o bien encendido o bien apagado durante un período de tiempo determinado, siendo dicho período de tiempo determinado significativamente más largo que el período de conmutación. El IGBT del circuito o circuitos troceadores restantes puede funcionar con un ciclo de trabajo dado que puede o bien reducirse o bien aumentarse para obtener el mismo ciclo de trabajo equivalente y, de ese modo, la misma disipación general de potencia en comparación con un escenario en el que ninguno de los IGBT está/están bloqueados. Después de un período determinado, se puede bloquear el IGBT de uno o más circuitos troceadores.
Un ejemplo que implica dos circuitos troceadores y, de ese modo, dos IGBT, se ha representado en la figura 5a, donde el gráfico superior muestra la señal de puerta, T1, aplicada al primer IGBT, mientras que el gráfico inferior muestra la señal de puerta, T2, aplicada al segundo IGBT. Como se observa en la figura 1, el primer IGBT se bloquea a 1 durante el período de tiempo de bloqueo 501, mientras que el segundo IGBT funciona con un período de conmutación determinado y un ciclo de trabajo determinado. Cuando el tiempo alcanza los 400 ms, el patrón de conmutación se invierte en el sentido de que el segundo IGBT se bloquea a 1 durante el período de tiempo de bloqueo 502, mientras que el primer IGBT funciona con un período de conmutación determinado y un ciclo de trabajo determinado. Como se ha representado en la figura 5, el período de conmutación aplicado es significativamente más corto que los respectivos períodos de tiempo 501, 502. El patrón de conmutación también se altera a los 350 ms, 450 ms y 500 ms. Por tanto, los periodos de tiempo de bloqueo 501, 502 representados en la figura 5a son de aproximadamente 50 ms. El período de conmutación es de aproximadamente 2 ms y el ciclo de trabajo es de aproximadamente un 66 %, véase la figura 5b.
La figura 5b es un primer plano de la figura 5a en torno a T=0,35 s, donde el gráfico superior muestra la señal de puerta, T1, aplicada al primer IGBT, mientras que el gráfico inferior muestra la señal de puerta, T2, aplicada al segundo IGBT. La línea discontinua 505 en T=0,35 es el momento en el que el segundo IGBT se desbloquea y el primer IGBT se bloquea. Como se ha indicado anteriormente, el período de conmutación 503, 504 es de aproximadamente 2 ms y el ciclo de trabajo es de aproximadamente un 66 %.
Cabe señalar que, tanto los períodos de tiempo de bloqueo 501, 502 como los períodos de conmutación 503, 504 podrían desviarse de estos valores. También, el período de tiempo de bloqueo 501, 502 puede no tener necesariamente la misma duración. Obviamente, el ciclo de trabajo puede variar con el tiempo y, por tanto, puede diferir del 66 %.
La falta de conmutación de un IGBT en torno a la mitad del tiempo reduce las pérdidas relacionadas con un IGBT aproximadamente un 25 % asumiendo la división del 50 %-50 % mencionada anteriormente entre las pérdidas por conducción y las pérdidas por conmutación. Adicionalmente, dado que el ciclo de trabajo del IBGT que se está conmutando se reduce, la duración entre el apagado y el encendido aumenta en comparación con una estrategia de conmutación tradicional. Como resultado, la corriente inductiva que circula por el diodo en el tiempo de apagado tendrá más tiempo para disminuir, por lo que, en el encendido, el nivel de corriente en el diodo es más bajo. Este nivel de corriente más bajo en el diodo, en el encendido, reduce aún más las pérdidas por conmutación.
La figura 6 ilustra las transiciones de corriente en el circuito troceador cuando se aplica el nuevo patrón de conmutación, es decir, la corriente 601 del diodo de rueda libre, la corriente 602 del IGBT y la corriente 603 de la resistencia.
Aplicando el nuevo patrón de conmutación en los mismos circuitos troceadores y en las mismas condiciones que se describen con relación a las figuras 3 y 4 la temperatura del IGBT será como se muestra en la figura 7. En comparación con la figura 4, el aumento de temperatura del IGBT se ha reducido de aproximadamente 120 °C a 85 °C como resultado del nuevo patrón de conmutación.
El principio subyacente de la presente invención se puede aplicar en diversos escenarios. A modo de ejemplo, un IGBT podría bloquearse a cero en lugar de funcionar con un ciclo de trabajo muy bajo mientras que el ciclo de trabajo de otro IGBT se aumenta para compensar el IGBT bloqueado (a cero).
Aún más, el período de tiempo de bloqueo de un IGBT se puede ajustar para que esté por debajo de la constante de tiempo térmico del módulo de semiconductores al que se conecta térmicamente el IGBT para garantizar un perfil de temperatura suave y controlable a lo largo del tiempo. Por tanto, con este enfoque se reducen significativamente las apariciones de picos de temperatura y gradientes de alta temperatura. Con relación a la temperatura, el IGBT que tiene la temperatura más alta podría bloquearse durante un período más largo en comparación con otros IGBT.
Un esquema más genérico podría implicar que el bloqueo de los IGBT solo se aplique para ciclos de trabajo muy bajos y/o muy altos. Esto también implicaría que en caso de que un ciclo de trabajo cambie muy rápidamente, el estado de un IGBT bloqueado debería cambiarse en consecuencia y preferentemente de inmediato.
La figura 8 representa un posible enfoque de control basado en el tiempo en el que una pluralidad de IGBT (IGBT1 -IGBTn) se bloquea de acuerdo con un horario predefinido. Por tanto, según el enfoque de control representado en la figura 8 el IGBT1 se bloquea hasta un tiempo predefinido, t-i, momento en el que el IGBT1 se desbloquea y el IGBT2 se bloquea en su lugar. el IGBT2 permanece bloqueado hasta un tiempo predefinido, t2, momento en el que el IGBT2 se desbloquea y el IGBTn se bloquea en su lugar. Esta secuencia de bloqueo/desbloqueo de los IGBT continúa mientras sea necesario. Como se ha indicado anteriormente, la secuencia de bloqueo/desbloqueo de los IGBT también podría depender de las temperaturas de los IGBT medidas, en el sentido de que el IGBT1 puede permanecer bloqueado hasta que el IGBT2 alcanza una temperatura predefinida, T2 , temperatura a la que el IGBT2 se bloquea y el IGBT1 se desbloquea. Cuando el IGBT1 alcanza una temperatura predefinida, T1, el IGBT1 se bloquea y el IGBT2 se desbloquea. Puede haber IGBT adicionales implicados en la secuencia de bloqueo/desbloqueo basada en la temperatura.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Un método de funcionamiento simultáneo de una pluralidad de circuitos troceadores de un convertidor de potencia de turbina eólica, en donde cada circuito troceador comprende un elemento de disipación de potencia, comprendiendo el método las etapas de
- hacer funcionar un elemento de conmutación controlable de un primer circuito troceador de acuerdo con un primer patrón de conmutación, y
- hacer funcionar un elemento de conmutación controlable de un segundo circuito troceador de acuerdo con un segundo patrón de conmutación,
en donde el primer patrón de conmutación es diferente del segundo patrón de conmutación durante un primer período de tiempo (501),
y en donde el primer patrón de conmutación implica que el elemento de conmutación controlable del primer circuito troceador se bloquea durante el primer período de tiempo, en donde el bloqueo del elemento de conmutación controlable del primer circuito troceador implica que este elemento de conmutación controlable está constantemente encendido durante el primer período de tiempo,
en donde el segundo patrón de conmutación implica que se aplica un patrón de modulación que tiene una frecuencia de conmutación dada al elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador durante el primer período de tiempo (501), y
en donde el primer patrón de conmutación implica que se aplica un patrón de modulación que tiene una frecuencia de conmutación dada al elemento de conmutación controlable del primer circuito troceador durante un segundo período de tiempo (502) inmediatamente después del primer período de tiempo (501),
en donde el segundo patrón de conmutación implica que el elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador se bloquea durante el segundo período de tiempo (502), y
en donde el bloqueo del elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador implica que este elemento de conmutación controlable está constantemente encendido durante el segundo período de tiempo.
2. Un método según la reivindicación 1, en donde la frecuencia de conmutación aplicada al elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador tiene un período de conmutación que es al menos 10 veces más corto que el primer período de tiempo, por ejemplo 15 veces más corto que el primer período de tiempo, por ejemplo 20 veces más corto que el primer período de tiempo.
3. Un método según la reivindicación 1, en donde la frecuencia de conmutación aplicada al elemento de conmutación controlable del primer circuito troceador tiene un período de conmutación que es al menos 10 veces más corto que el segundo período de tiempo, por ejemplo 15 veces más corto que el segundo período de tiempo, por ejemplo 20 veces más corto que el segundo período de tiempo.
4. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en donde el segundo período de tiempo se activa en respuesta a una temperatura medida del elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador.
5. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se proporcionan circuitos troceadores adicionales, y en donde el primer, el segundo y los circuitos troceadores adicionales se acoplan en paralelo.
6. Un conjunto de troceador de disipación de potencia para un convertidor de potencia de turbina eólica, comprendiendo el conjunto de troceador de disipación de potencia
- un primer circuito troceador (112) que comprende un elemento de disipación de potencia y un elemento de conmutación controlable configurado para funcionar de acuerdo con un primer patrón de conmutación,
- un segundo circuito troceador (113) que comprende un elemento de disipación de potencia y un elemento de conmutación controlable configurado para funcionar de acuerdo con un segundo patrón de conmutación, y
- una unidad de control configurada para un funcionamiento simultáneo de los elementos de conmutación controlables de acuerdo con los patrones de conmutación primero y segundo,
- en donde el primer patrón de conmutación es diferente del segundo patrón de conmutación durante un primer período de tiempo (501), y en donde el primer patrón de conmutación implica que el elemento de conmutación controlable del primer circuito troceador se bloquea durante el primer período de tiempo,
- en donde el bloqueo del elemento de conmutación controlable del primer circuito troceador implica que el elemento de conmutación controlable del primer circuito troceador está constantemente encendido durante el primer período de tiempo (501), y en donde el segundo patrón de conmutación implica que se aplica un patrón de modulación que tiene una frecuencia de conmutación dada al elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador durante el primer período de tiempo (501), y
- en donde, durante un segundo período de tiempo (502) inmediatamente después del primer período de tiempo (501), el segundo patrón de conmutación implica que el elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador está constantemente encendido durante el segundo período de tiempo (502), y en donde el primer patrón de conmutación implica que se aplica un patrón de modulación que tiene una frecuencia de conmutación dada al elemento de conmutación controlable del primer circuito troceador durante el segundo período de tiempo (502), y en donde el segundo período de tiempo (502) se activa en respuesta a una temperatura medida del elemento de conmutación controlable del segundo circuito troceador.
7. Un conjunto de troceador de disipación de potencia según la reivindicación 6, en donde se proporcionan circuitos troceadores adicionales, y en donde el primer, el segundo y los circuitos troceadores adicionales se acoplan en paralelo.
8. Un convertidor de potencia de turbina eólica que comprende un conjunto de troceador de disipación de potencia según cualquiera de las reivindicaciones 6-7, estando dicho conjunto troceador conectado a un enlace de CC entre un rectificador y un inversor del convertidor de potencia de la turbina eólica.
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