ES2941632T3 - Sistema y procedimiento para mitigar el parpadeo en una red eléctrica de un sistema de potencia de turbina eólica - Google Patents

Abstract

Un método para compensar el parpadeo inducido por un sistema de energía de turbina eólica conectado a una red eléctrica incluye operar un convertidor de energía del sistema de energía de turbina eólica basado en un comando de corriente reactiva nominal y un comando de par nominal. En respuesta a la recepción de un modificador de comando de par periódico, el método incluye determinar un modificador de comando de corriente reactiva para el convertidor de energía basado en uno o más parámetros operativos del sistema de energía de turbina eólica y/o la red eléctrica y el modificador de comando de par. El método también incluye modificar simultáneamente el comando de corriente reactiva nominal en función del modificador de comando de corriente reactiva y el comando de par nominal en función del modificador de comando de par. Respectivamente, (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema y procedimiento para mitigar el parpadeo en una red eléctrica de un sistema de potencia de turbina eólica Campo

[0001] La presente divulgación se refiere, en general, a turbinas eólicas y, más en particular, a un sistema de potencia de turbina eólica y a un procedimiento para compensar el parpadeo (“flicker”) inducido por un sistema de potencia de turbina eólica conectado a una red eléctrica, causado, por ejemplo, por una consigna de par de torsión cambiante de la turbina eólica a medida que cada pala de rotor pasa por la torre de la misma.

Antecedentes

[0002] La energía eólica se considera una de las fuentes de energía más limpias y más respetuosas con el medioambiente disponibles en la actualidad, y las turbinas eólicas han obtenido una creciente atención a este respecto. Una turbina eólica moderna incluye típicamente una torre, un generador, una caja de engranajes, una góndola y una o más palas de rotor. Las palas de rotor capturan energía cinética del viento usando principios de perfil alar conocidos. Por ejemplo, las palas de rotor tienen típicamente el perfil de sección transversal de un perfil alar de modo que, durante la operación, el aire fluye sobre la pala produciendo una diferencia de presión entre los lados. En consecuencia, una fuerza de sustentación, que se dirige desde un lado de presión hacia un lado de succión, actúa sobre la pala. La fuerza de sustentación genera un par de torsión en el eje de rotor principal, que está engranado a un generador para producir electricidad.

[0003] En muchas turbinas eólicas, el generador se puede acoplar eléctricamente a un convertidor de potencia bidireccional que incluye un convertidor de lado de rotor unido a un convertidor de lado de línea por medio de un enlace de CC regulado. Dichos sistemas de potencia de turbina eólica se denominan, en general, generadores de inducción de doble alimentación (“doubly-fed induction generator” o DFIG). La operación de los DFIG se caracteriza típicamente por que el circuito del rotor recibe corriente de un convertidor de potencia regulado por corriente. Como tal, la turbina eólica produce un par de torsión mecánico variable debido a las velocidades variables del viento, y el convertidor de potencia garantiza que este par de torsión se convierta en una salida eléctrica a la misma frecuencia de la red.

[0004] Durante la operación, el viento impacta en las palas de rotor y las palas transforman la energía del viento en un par de torsión de rotación mecánico que acciona un eje lento. El eje lento está configurado para accionar la caja de engranajes que, posteriormente, aumenta la baja velocidad de rotación del eje lento para accionar un eje rápido a una velocidad de rotación incrementada. El eje rápido está acoplado, en general, al generador para accionar de forma rotatoria un rotor de generador. Como tal, se puede inducir un campo magnético rotatorio mediante el rotor y se puede inducir una tensión dentro de un estátor de generador. La energía de rotación se convierte en energía eléctrica a través de campos electromagnéticos que acoplan el rotor y el estátor, que se suministra a una red eléctrica por medio de un disyuntor de red. Por tanto, el transformador principal aumenta la amplitud de tensión de la potencia eléctrica de modo que la potencia eléctrica transformada pueda transmitirse adicionalmente a la red eléctrica.

[0005] En algunas turbinas eólicas, es deseable modificar la consigna de par de torsión del convertidor de potencia durante la operación de la turbina eólica a medida que cada pala de rotor se alinea con la torre y pasa por ella. Sin embargo, esta modificación puede tender a provocar variaciones de tensión de baja frecuencia no deseadas en la red eléctrica. Dichas variaciones a menudo se denominan parpadeo (“flicker”). Por tanto, el término "parpadeo" como se usa aquí se refiere, en general, a variaciones en la corriente o tensión en la red eléctrica que son perceptibles a determinadas frecuencias (por ejemplo, de aproximadamente 1 hercio (Hz) a aproximadamente 30 Hz). A menudo, los requisitos de la red prohíben la conexión a la red eléctrica si el parpadeo está presente en una determinada cantidad.

[0006] El documento CN 108808 733 A se refiere a un procedimiento de control para eliminar el fenómeno de sobreimpulso del par de rotación electromagnético de un generador de jaula de ardilla accionado por viento. El procedimiento es un procedimiento de control y ajuste automático del par de torsión electromagnético para controlar una tensión de un bucle de control de tensión en un aparato de compensación reactiva de un generador de jaula de ardilla (“squirrel-cage”) accionado por viento. El procedimiento comprende las siguientes etapas: medir la corriente del rotor en virtud de un transformador de corriente instalado en un rotor del generador de jaula de ardilla accionado por viento y calcular el par de torsión electromagnético; realizar la extrapolación lineal para el par de torsión electromagnético, calcular una tasa de cambio promedio del par de torsión electromagnético, calcular un valor de control de tensión de un bucle de control de tensión del aparato de compensación reactiva en virtud del valor de control de par de torsión electromagnético, calcular además el ángulo de conducción de un tiristor en el aparato de compensación reactiva, y eliminar el fenómeno de sobreimpulso del par de torsión electromagnético en un período de restauración de fallos del generador de jaula de ardilla accionado por viento controlando la conducción del tiristor. Al adoptar el procedimiento de control y ajuste automático del par de torsión electromagnético en base a la mejora de la predicción lineal, se puede eliminar el fenómeno de sobreimpulso del par de torsión electromagnético del generador de jaula de ardilla accionado por viento en el proceso de restauración de fallos. Además, el documento WO 01/073518 A1 describe una central de energía eólica que tiene aeromotores de velocidad fija y velocidad variable.

[0007] En vista de lo anterior, la presente divulgación está dirigida a la materia objeto divulgada por las reivindicaciones adjuntas para abordar los problemas mencionados anteriormente.

Breve descripción

[0008] Se expondrán, en parte, aspectos y ventajas de la invención en la siguiente descripción, o pueden ser obvios a partir de la descripción, o se pueden aprender a través de la puesta en práctica de la invención.

[0009] En un aspecto, la presente divulgación está dirigida a un procedimiento para compensar el parpadeo inducido por un sistema de potencia de turbina eólica conectado a una red eléctrica. El procedimiento incluye operar, por medio de un controlador, un convertidor de potencia del sistema de potencia de turbina eólica en base a una consigna de corriente reactiva nominal y una consigna de par de torsión nominal, siendo el controlador un controlador de convertidor del convertidor de potencia. En respuesta a la recepción de un modificador de consigna de par de torsión periódico, el procedimiento incluye determinar, por medio del controlador, un modificador de consigna de corriente reactiva para el convertidor de potencia en base a uno o más parámetros operativos del sistema de potencia de turbina eólica y/o la red eléctrica y el modificador de consigna de par de torsión periódico. El procedimiento también incluye modificar simultáneamente, por medio del controlador, la consigna de corriente reactiva nominal en función del modificador de consigna de corriente reactiva y la consigna de par de torsión nominal en función del modificador de consigna de par de torsión. En consecuencia, la modificación de la consigna de par de torsión nominal provoca variaciones de tensión de baja frecuencia en la red eléctrica y, simultáneamente, la modificación de la consigna de corriente reactiva atenúa las variaciones de tensión de baja frecuencia en un intervalo de aproximadamente 1 Hz a aproximadamente 30 Hz. El procedimiento también incluye correlacionar, por medio del controlador de convertidor, el modificador de consigna de par de torsión periódico con variaciones de tensión a medida que una o más palas de rotor pasan por la torre y modificar, simultáneamente, la consigna de corriente reactiva nominal en función del modificador de consigna de corriente reactiva en base a la correlación.

[0010] En un modo de realización, los uno o más parámetros operativos pueden incluir una intensidad de red de la red eléctrica, una tensión de red, una señal de tensión de un devanado principal de un transformador principal del sistema de potencia de turbina eólica, una señal de tensión de un devanado secundario del transformador principal, una señal de velocidad de un generador del sistema de potencia de turbina eólica y/o una impedancia corriente arriba (“upstream”) del sistema de potencia de turbina eólica.

[0011] En un modo de realización, el procedimiento también puede incluir determinar la consigna de corriente reactiva por medio de un módulo regulador de potencia reactiva/VAR.

[0012] En un modo de realización, el procedimiento puede incluir determinar un modificador de consigna de potencia en función del modificador de consigna de par de torsión periódico y la señal de velocidad del generador.

[0013] En varios modos de realización, la determinación del modificador de consigna de corriente reactiva para el convertidor de potencia en base a uno o más parámetros operativos del sistema de potencia de turbina eólica y/o la red eléctrica y el modificador de consigna de par de torsión puede incluir, por ejemplo, recibir la señal de tensión de un devanado principal del transformador principal, filtrar la señal de tensión por medio de un filtro (por ejemplo, un filtro de paso alto), multiplicar la señal de tensión filtrada por el modificador de consigna de potencia para obtener una señal multiplicada, integrar la señal multiplicada para obtener una señal integrada, multiplicar la señal integrada por el modificador de consigna de potencia para obtener un modificador de consigna de potencia reactiva y dividir el modificador de consigna de potencia reactiva por la señal de tensión del devanado secundario del transformador principal para obtener el modificador de consigna de corriente reactiva.

[0014] En otro modo de realización, modificar simultáneamente, por medio del controlador, la consigna de corriente reactiva nominal en función del modificador de consigna de corriente reactiva y la consigna de par de torsión nominal en función del modificador de consigna de par de torsión puede incluir sumar la consigna de corriente reactiva nominal del regulador de potencia reactiva y el modificador de consigna de corriente reactiva y sumar la consigna de par de torsión nominal y el modificador de consigna de par de torsión.

[0015] En otro aspecto, la presente divulgación está dirigida a un sistema de potencia de turbina eólica conectado a una red eléctrica. El sistema de potencia de turbina eólica incluye un convertidor de potencia, al menos un sensor para monitorizar uno o más parámetros operativos de al menos uno del sistema de potencia de turbina eólica o la red eléctrica, y un controlador de convertidor configurado para controlar el convertidor de potencia. El controlador de convertidor está configurado para realizar una pluralidad de operaciones, que incluyen, pero sin limitarse a, operar el convertidor de potencia en base a una consigna de corriente reactiva nominal y una consigna de par de torsión nominal, en respuesta a la recepción de un modificador de consigna de par de torsión periódico, determinar un modificador de consigna de corriente reactiva para el convertidor de potencia en base a los uno o más parámetros operativos y/o la red eléctrica y el modificador de consigna de par de torsión, modificar simultáneamente la consigna de corriente reactiva nominal en función del modificador de consigna de corriente reactiva y la consigna de par de torsión nominal en función del modificador de consigna de par de torsión periódico, en el que la modificación de la consigna de par de torsión nominal provoca variaciones de tensión de baja frecuencia en la red eléctrica y la modificación simultánea de la consigna de corriente reactiva atenúa las variaciones de tensión de baja frecuencia en un intervalo de aproximadamente 1 Hz a aproximadamente 30 Hz, y correlacionar el modificador de consigna de par de torsión periódico con la tensión de red a medida que una o más palas de rotor pasan por una torre y modificar simultáneamente la consigna de corriente reactiva nominal en función del modificador de consigna de corriente reactiva en base a la correlación. Se debe entender que el sistema de potencia de turbina eólica puede incluir además cualquiera de los rasgos característicos adicionales como se describe en el presente documento.

[0016] Aún en otro aspecto, la presente divulgación está dirigida a un procedimiento para mitigar las variaciones de tensión de baja frecuencia en una red eléctrica provocadas por un sistema de potencia de turbina eólica conectado a la misma. El procedimiento incluye recibir, por medio de un controlador, uno o más parámetros operativos de al menos uno del sistema de potencia de turbina eólica o la red eléctrica y un modificador de consigna de par de torsión nominal. El procedimiento también incluye modificar, por medio del controlador, una consigna de corriente reactiva del sistema de potencia de turbina eólica en función de los uno o más parámetros operativos y el modificador de consigna de par de torsión nominal mientras se modifica simultáneamente una consigna de par de torsión del convertidor de potencia en base al modificador de consigna de par de torsión nominal para mitigar las variaciones de tensión de baja frecuencia. Se debe entender que el procedimiento puede incluir, además, cualquiera de las etapas y/o rasgos característicos adicionales como se describe en el presente documento.

[0017] Estos y otros rasgos característicos, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor con referencia a la siguiente descripción y reivindicaciones adjuntas. Los dibujos adjuntos, que se incorporan en y constituyen una parte de esta memoria descriptiva, ilustran modos de realización de la invención y, conjuntamente con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención.

Breve descripción de los dibujos

[0018] Una divulgación completa y suficiente de la presente invención, incluyendo el mejor modo de la misma, dirigida a un experto en la técnica, se expone en la memoria descriptiva, que hace referencia a las figuras adjuntas, en las que:

la fig. 1 ilustra una vista en perspectiva de una porción de un modo de realización de una turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación;

la fig. 2 ilustra una vista esquemática de un modo de realización de un sistema de potencia eléctrica adecuado para su uso con la turbina eólica mostrada en la fig. 1;

la fig. 3 ilustra un diagrama de bloques de un modo de realización de un controlador adecuado para su uso con la turbina eólica mostrada en la fig. 1;

la fig. 4 ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de un convertidor de potencia de una turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación;

la fig. 5 ilustra un diagrama esquemático simplificado de un modo de realización de un sistema para compensar el parpadeo inducido por un sistema de potencia de turbina eólica conectado a una red eléctrica de acuerdo con la presente divulgación; y

la fig. 6 ilustra un diagrama esquemático detallado de un modo de realización de un sistema para compensar el parpadeo inducido por un sistema de potencia de turbina eólica conectado a una red eléctrica de acuerdo con la presente divulgación.

Descripción detallada

[0019] Ahora se hará referencia en detalle a modos de realización de la invención, ilustrándose uno o más de sus ejemplos en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la invención, no a modo de limitación de la invención. De hecho, resultará evidente para los expertos en la técnica que se pueden realizar diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance de la invención. Por ejemplo, se pueden usar rasgos característicos ilustrados o descritos como parte de un modo de realización con otro modo de realización para proporcionar todavía otro modo de realización. Por tanto, se pretende que la presente invención cubra dichas modificaciones y variaciones que entren dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas y de sus equivalentes.

[0020] En referencia ahora a los dibujos, la fig. 1 ilustra una vista en perspectiva de una porción de un modo de realización de una turbina eólica 100 de acuerdo con la presente divulgación, que está configurada para implementar el procedimiento como se describe en el presente documento. La turbina eólica 100 incluye una góndola 102 que aloja típicamente un generador 118 (fig. 2). La góndola 102 está montada en una torre 104 que tiene cualquier altura adecuada que facilite la operación de la turbina eólica 100 como se describe en el presente documento. La turbina eólica 100 también incluye un rotor 106 que incluye tres palas 108 unidas a un buje rotatorio 110. De forma alternativa, la turbina eólica 100 puede incluir cualquier número de palas 108 que facilite la operación de la turbina eólica 100 como se describe en el presente documento.

[0021] En referencia ahora a la fig. 2, se ilustra una vista esquemática de un modo de realización de un sistema de potencia eléctrica 200 que se puede usar con la turbina eólica 100. Durante la operación, el viento impacta en las palas 108 y las palas 108 transforman la energía del viento en un par de torsión de rotación mecánico que acciona de forma rotatoria un eje lento 112 por medio del buje 110. El eje lento 112 está configurado para accionar una caja de engranajes 114 que, posteriormente, aumenta la baja velocidad de rotación del eje lento 112 para accionar un eje rápido 116 con una velocidad de rotación incrementada. El eje rápido 116 está acoplado, en general, de forma rotatoria a un generador 118 para accionar de forma rotatoria un rotor de generador 122 que tiene un devanado de campo (no mostrado).

[0022] Más específicamente, en un modo de realización, el generador 118 puede ser un generador (asíncrono) de inducción de doble alimentación (DFIG) trifásico de rotor bobinado, que incluye un estátor de generador 120 acoplado magnéticamente a un rotor de generador 122. Como tal, se puede inducir un campo magnético rotatorio mediante el rotor de generador 122 y se puede inducir una tensión dentro de un estátor de generador 120 que está acoplado magnéticamente al rotor de generador 122. En dichos modos de realización, el generador 118 está configurado para convertir la energía mecánica de rotación en una señal de energía eléctrica de corriente alterna (CA) trifásica sinusoidal en el estátor de generador 120. La potencia eléctrica asociada se puede transmitir a un transformador principal 234 por medio de un bus de estátor 208, un conmutador de sincronización de estátor 206, un bus de sistema 216, un disyuntor de circuito de transformador principal 214 y un bus de lado de generador 236. El transformador principal 234 aumenta la amplitud de tensión de la potencia eléctrica de modo que la potencia eléctrica transformada se puede transmitir además a una red por medio de un disyuntor de circuito de red 238, un bus de lado de disyuntor 240 y un bus de red 242.

[0023] Además, el sistema de potencia eléctrica 200 puede incluir un controlador de turbina eólica 202 configurado para controlar cualquiera de los componentes de la turbina eólica 100 y/o implementar las etapas de procedimiento como se describe en el presente documento. Por ejemplo, como se muestra en particular en la fig. 3, el controlador 202 puede incluir uno o más procesadores 204 y dispositivos de memoria asociados 207 configurados para realizar una variedad de funciones implementadas por ordenador (por ejemplo, realizar los procedimientos, etapas, cálculos y similares y almacenar datos pertinentes como se divulga en el presente documento). Adicionalmente, el controlador 202 también puede incluir un módulo de comunicaciones 209 para facilitar las comunicaciones entre el controlador 202 y los diversos componentes de la turbina eólica 100, por ejemplo cualquiera de los componentes de la fig. 2.

[0024] Además, como se muestra en la fig. 3, el módulo de comunicaciones 209 puede incluir una interfaz de sensor 211 (por ejemplo, uno o más convertidores de analógico a digital) para permitir que las señales transmitidas desde uno o más sensores se conviertan en señales que los procesadores 204 puedan entender y procesar. Se debe apreciar que los sensores (por ejemplo, los sensores 252, 254, 256, 258) se pueden acoplar de forma comunicativa al módulo de comunicaciones 209 usando cualquier medio adecuado. Por ejemplo, como se muestra en la fig. 3, los sensores 252, 254, 256, 258 se pueden acoplar a la interfaz de sensor 211 por medio de una conexión cableada. Sin embargo, en otros modos de realización, los sensores 252, 254, 256, 258 se pueden acoplar a la interfaz de sensor 211 por medio de una conexión inalámbrica, tal como usando cualquier protocolo de comunicaciones inalámbricas adecuado conocido en la técnica. Como tal, el procesador 204 se puede configurar para recibir una o más señales de los sensores.

[0025] Como se usa en el presente documento, el término "procesador" no solo se refiere a circuitos integrados a los que se hace referencia en la técnica como que se incluyen en un ordenador, sino que también se refiere a un controlador, un microcontrolador, un microordenador, un controlador de lógica programable (“programmable logic controller” o PLC), un circuito integrado específico de la aplicación y otros circuitos programables. El procesador 204 también está configurado para calcular algoritmos de control avanzados y comunicarse con una variedad de protocolos basados en Ethernet o en serie (Modbus, OPC, CAN, etc.). Adicionalmente, los uno o más dispositivos de memoria 207 pueden comprender, en general, uno o más elementos de memoria que incluyen, pero sin limitarse a, un medio legible por ordenador (por ejemplo, una memoria de acceso aleatorio (“random access memory” RAM)), un medio no volátil legible por ordenador (por ejemplo, una memoria flash), un disquete, una memoria de solo lectura en disco compacto (“compact disc-read only memory” o CD-ROM), un disco magnetoóptico (“magnetooptical disk” o MOD), un disco versátil digital (“digital versatile disc” o DVD) y/u otros elementos de memoria adecuados. Dicho(s) dispositivo(s) de memoria 207 se puede(n) configurar, en general, para almacenar instrucciones legibles por ordenador adecuadas que, cuando se implementan por los uno o más procesadores 204, configuran el controlador 202 para que realice las diversas funciones como se describe en el presente documento.

[0026] En referencia de nuevo a la fig. 2, el estátor de generador 120 se puede acoplar eléctricamente a un conmutador de sincronización de estátor 206 por medio de un bus de estátor 208. En un modo de realización, el rotor de generador 122 se puede acoplar eléctricamente a un conjunto de conversión de potencia bidireccional 210 o convertidor de potencia por medio de un bus de rotor 212. De forma alternativa, el rotor de generador 122 se puede acoplar eléctricamente al bus de rotor 212 por medio de cualquier otro dispositivo que facilite la operación del sistema de potencia eléctrica 200 como se describe en el presente documento. En otro modo de realización, el conmutador de sincronización de estátor 206 se puede acoplar eléctricamente a un disyuntor de circuito de transformador principal 214 por medio de un bus de sistema 216.

[0027] El conjunto de conversión de potencia 210 puede incluir un filtro de rotor 218 que está acoplado eléctricamente al rotor de generador 122 por medio del bus de rotor 212. Además, el filtro de rotor 218 puede incluir un reactor de lado de rotor. Un bus de filtro de rotor 219 acopla eléctricamente el filtro de rotor 218 a un convertidor de potencia de lado de rotor 220. Además, el convertidor de potencia de lado de rotor 220 se puede acoplar eléctricamente a un convertidor de potencia de lado de línea 222 por medio de un único enlace de corriente continua (CC) 244. De forma alternativa, el convertidor de potencia de lado de rotor 220 y el convertidor de potencia de lado de línea 222 pueden estar acoplados eléctricamente por medio de enlaces de c C individuales y separados. Además, como se muestra, el enlace de CC 244 puede incluir un carril positivo 246, un carril negativo 248 y al menos un condensador 250 acoplado entre los mismos.

[0028] Además, un bus de convertidor de potencia de lado de línea 223 puede acoplar eléctricamente el convertidor de potencia de lado de línea 222 a un filtro de línea 224. Además, un bus de línea 225 puede acoplar eléctricamente el filtro de línea 224 a un contactor de línea 226. Además, el filtro de línea 224 puede incluir un reactor de lado de línea. Además, el contactor de línea 226 se puede acoplar eléctricamente a un disyuntor de circuito de conversión 228 por medio de un bus de disyuntor de circuito de conversión 230. Además, el disyuntor de circuito de conversión 228 se puede acoplar eléctricamente al disyuntor de circuito de transformador principal 214 por medio de un bus de sistema 216 y un bus de conexión 232. El disyuntor de circuito de transformador principal 214 se puede acoplar eléctricamente a un transformador principal de potencia eléctrica 234 por medio de un bus de lado de generador 236. El transformador principal 234 se puede acoplar eléctricamente a un disyuntor de circuito de red 238 por medio de un bus de lado de disyuntor 240. El disyuntor de circuito de red 238 se puede conectar a la red de transmisión y distribución de potencia eléctrica por medio de un bus de red 242.

[0029] En referencia particular a las figs. 2 y 4, la potencia de corriente alterna (CA) generada en el estátor de generador 120 por la rotación del rotor 106 se proporciona por medio de una ruta doble al bus de red 242. Las rutas dobles están definidas por el bus de estátor 208 y el bus de rotor 212. En el lado de bus de rotor 212, se proporciona potencia de CA sinusoidal multifásica (por ejemplo, trifásica) al conjunto de conversión de potencia 210. El convertidor de potencia de lado de rotor 220 convierte la potencia de CA proporcionada desde el bus de rotor 212 en potencia de CC y proporciona la potencia de CC al enlace de CC 244. Los elementos de conmutación 245 (por ejemplo, diodos) usados en circuitos de puente del convertidor de potencia de lado de rotor 220 se pueden modular para convertir la potencia de CA proporcionada desde el bus de rotor 212 en potencia de CC adecuada para el enlace de CC 244.

[0030] El convertidor de lado de línea 222 convierte la potencia de CC del enlace de CC 244 en potencia de salida de CA adecuada para el bus de red eléctrica 242. En particular, los elementos de conmutación 247 (por ejemplo, IGBT) usados en circuitos de puente del convertidor de potencia de lado de línea 222 se pueden modular para convertir la potencia de CC del enlace de CC 244 en potencia de CA del bus de lado de línea 225. La potencia de CA del conjunto de conversión de potencia 210 se puede combinar con la potencia del estátor 120 para proporcionar potencia multifásica (por ejemplo, potencia trifásica) que tiene una frecuencia mantenida sustancialmente a la frecuencia del bus de red eléctrica 242 (por ejemplo, 50 Hz/60 Hz).

[0031] Se debe entender que el convertidor de potencia de lado de rotor 220 y el convertidor de potencia de lado de línea 222 pueden tener cualquier configuración que use cualquier dispositivo de conmutación que facilite la operación del sistema de potencia eléctrica 200 como se describe en el presente documento. Por ejemplo, la fig. 4 ilustra un diagrama esquemático simplificado de un modo de realización de un variador de frecuencia (“variable frequency drive” o VFD) que mantiene una salida de frecuencia eléctrica constante en el lado de red del generador 118. Como se muestra, la configuración de un VFD incluye un rectificador de fuente de tensión de seis conmutadores en el convertidor de lado de rotor 220, el condensador de enlace de CC 250 para minimizar la variación de tensión de CC y un inversor de fuente de tensión de seis conmutadores que utiliza modulación por ancho de pulso en el lado de red. Más específicamente, como se muestra, los elementos de conmutación de lado de rotor pueden ser diodos 245 o rectificadores controlados por silicio (SCR), mientras que los elementos de conmutación de lado de red pueden ser transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) 247. Como tales, la magnitud y la frecuencia eléctrica de la corriente suministrada al rotor de generador 122 a través del VFD pueden variar para tener en cuenta los cambios en la velocidad del eje de rotor y para mantener una salida constante en el devanado de estátor de generador.

[0032] Además, el conjunto de conversión de potencia 210 se puede acoplar en comunicación electrónica de datos al controlador de turbina 202 y/o un controlador de convertidor 262 separado o integral (fig. 2) para controlar la operación del convertidor de potencia de lado de rotor 220 y del convertidor de potencia de lado de línea 222. Por ejemplo, durante la operación, el controlador 202 se puede configurar para recibir una o más señales de medición de tensión y/o corriente eléctrica desde el primer conjunto de sensores de tensión y corriente eléctrica 252. Por tanto, el controlador 202 se puede configurar para monitorizar y controlar al menos algunos de los parámetros operativos asociados a la turbina eólica 100 por medio de los sensores 252. En el modo de realización ilustrado, cada uno de los sensores 252 se puede acoplar eléctricamente a cada una de las tres fases del bus de red eléctrica 242. De forma alternativa, los sensores 252 se pueden acoplar eléctricamente a cualquier parte del sistema de potencia eléctrica 200 que facilite la operación del sistema de potencia eléctrica 200 como se describe en el presente documento. Además de los sensores descritos anteriormente, los sensores también pueden incluir un segundo conjunto de sensores de tensión y corriente eléctrica 254, un tercer conjunto de sensores de tensión y corriente eléctrica 256, un cuarto conjunto de sensores de tensión y corriente eléctrica 258 (todos mostrados en la fig. 2) y/o cualquier otro sensor adecuado.

[0033] También se debe entender que se puede emplear un número o tipo cualquiera de sensores de tensión y/o corriente eléctrica 252, 254, 256, 258 dentro de la turbina eólica 100 y en cualquier localización. Por ejemplo, los sensores pueden ser transformadores de corriente, sensores de derivación, bobinas de Rogowski, sensores de corriente de efecto Hall, unidades de medición microinerciales (“Micro Inertial Measurement Units” o MIMU) o similares, y/o cualquier otro sensor de tensión o corriente eléctrica adecuado actualmente conocido o desarrollado posteriormente en la técnica.

[0034] Por tanto, el controlador de convertidor 262 también está configurado para recibir una o más señales de realimentación de tensión y/o corriente eléctrica desde los sensores 252, 254, 256, 258. Más específicamente, en determinados modos de realización, las señales de realimentación de corriente o tensión pueden incluir al menos una de señales de realimentación de línea, señales de realimentación de convertidor de lado de línea, señales de realimentación de convertidor de lado de rotor o señales de realimentación de estátor.

[0035] Por ejemplo, como se muestra en el modo de realización ilustrado, el controlador de convertidor 262 recibe señales de medición de tensión y corriente eléctrica desde el segundo conjunto de sensores de tensión y corriente eléctrica 254 acoplado en comunicación electrónica de datos al bus de estátor 208. El controlador de convertidor 262 también puede recibir el tercer y cuarto conjunto de señales de medición de tensión y corriente eléctrica desde el tercer y cuarto conjunto de sensores de tensión y corriente eléctrica 256, 258. Además, el controlador de convertidor 262 se puede configurar con cualquiera de los rasgos característicos descritos en el presente documento con respecto al controlador principal 202. Como tal, el controlador de convertidor 262 está configurado para implementar las diversas etapas de procedimiento como se describe en el presente documento y se puede configurar de manera similar al controlador de turbina 202.

[0036] En referencia ahora a las figs. 5 y 6, se ilustran diagramas esquemáticos de un modo de realización de un sistema 300 para compensar el parpadeo inducido por un sistema de potencia de turbina eólica conectado a una red eléctrica, por ejemplo la turbina eólica 100 de las figs. 1 y 2. Como se muestra, el sistema 300 se puede implementar usando el controlador de turbina 202 y/o el controlador de convertidor 262. Más específicamente, como se muestra, el controlador de convertidor 262 puede incluir un módulo de compensación de parpadeo 264 y un módulo regulador de potencia reactiva (VAR) 266. Por lo tanto, durante la operación normal de la turbina eólica 100, el controlador de turbina 202 opera la turbina eólica 100 de acuerdo con una consigna de par de torsión nominal 302. Además, el módulo regulador de VAR 266 se puede configurar para operar el convertidor de potencia 210 del sistema de potencia de turbina eólica 100 en base a una consigna de corriente reactiva nominal 350 (es decir, no hay parpadeo presente en la red eléctrica). El módulo regulador de VAR 266 se puede configurar de acuerdo con cualquier configuración adecuada actualmente conocida o desarrollada posteriormente en la técnica.

[0037] Sin embargo, en determinados casos, es deseable modificar la consigna de par de torsión 302 con respecto al convertidor a medida que cada pala de rotor 108 se alinea con la torre 104 y pasa por ella, por ejemplo por medio del modificador de consigna de par de torsión periódico 304. En modos de realización particulares, por ejemplo, el módulo de compensación de parpadeo 264 se puede configurar para correlacionar el modificador de consigna de par de torsión periódico 304 con variaciones de tensión (por ejemplo, la salida de 318) a medida que una o más palas de rotor 108 pasan por la torre 104. Más específicamente, como se muestra específicamente en la fig. 6, el controlador de turbina 202 está configurado para calcular la consigna de par de torsión nominal 302 y determinar una consigna de par de torsión neto 308 en base a la consigna de par de torsión nominal 302 y el modificador de consigna de par de torsión periódico 304 (por ejemplo, sumando la consigna de par de torsión nominal 302 y el modificador de consigna de par de torsión periódico 304 por medio del sumador 306). Sin embargo, la modificación de la consigna de par de torsión 302 de esta manera y las variaciones de potencia resultantes pueden causar variaciones de tensión de baja frecuencia no deseadas en la red eléctrica (también denominadas parpadeo en el presente documento).

[0038] Por lo tanto, en dichos casos, el módulo de compensación de parpadeo 264 del controlador de convertidor 262 puede recibir el modificador de consigna de par de torsión periódico 304 del controlador de turbina 202 como una señal separada. Esta señal separada indicará al módulo de compensación de parpadeo 264 que es probable que haya parpadeo en la red eléctrica. Como tal, el módulo de compensación de parpadeo 264 también puede recibir uno o más parámetros operativos 352 del sistema de potencia de turbina eólica 100 y/o la red eléctrica. Por ejemplo, en un modo de realización, los uno o más parámetros operativos 352 pueden incluir una intensidad de red de la red eléctrica, una tensión de red, una señal de tensión de un devanado principal de un transformador principal del sistema de potencia de turbina eólica, una señal de tensión de un devanado secundario del transformador principal, una señal de velocidad de un generador del sistema de potencia de turbina eólica y/o una impedancia corriente arriba del sistema de potencia de turbina eólica 100.

[0039] En consecuencia, el módulo de compensación de parpadeo 264 está configurado para determinar un modificador de consigna de corriente reactiva 354 para el convertidor de potencia 210 en base a los uno o más parámetros operativos 352 y al modificador de consigna de par de torsión periódico 304. En dichos modos de realización, el controlador de convertidor 262 puede modificar simultáneamente la consigna de corriente reactiva nominal 350 en función del modificador de consigna de corriente reactiva 354 con la consigna de par de torsión 302, por ejemplo en base a la correlación del modificador de consigna de par de torsión periódico 304 con las variaciones de tensión a medida que una o más palas de rotor 108 pasan por la torre 104. En consecuencia, modificando simultáneamente la consigna de corriente reactiva nominal 350 y la consigna de par de torsión 302 se atenúan las variaciones/parpadeo de tensión de baja frecuencia.

[0040] En referencia específicamente a la fig. 6, como se muestra, en un modo de realización, el módulo de compensación de parpadeo 264 puede recibir el modificador de consigna de par de torsión periódico 304 y determinar un modificador de consigna de potencia 314 en función del modificador de consigna de par de torsión periódico 304 y, por ejemplo, la señal de velocidad 310 del generador 118. Por ejemplo, como se muestra en 312, el modificador de consigna de par de torsión periódico 304 puede multiplicarse por la señal de velocidad 310 para obtener el modificador de consigna de potencia 314.

[0041] Además, como se muestra en el modo de realización ilustrado, el módulo de compensación de parpadeo 264 también puede recibir la señal de tensión 316 de un devanado principal del transformador principal 234 y filtrar la señal de tensión 316 por medio de un filtro 318 (por ejemplo, un filtro de paso alto). La señal de tensión filtrada puede entonces multiplicarse por el modificador de consigna de potencia 314 como se muestra en 320. La señal multiplicada puede integrarse, a continuación, por medio del integrador 322 y multiplicarse por el modificador de consigna de potencia 314 para obtener un modificador de consigna de potencia reactiva 324. Como tal, el multiplicador 320 y el integrador 322 están configurados para correlacionar el modificador de consigna de par de torsión periódico 304 con las variaciones de tensión a medida que una o más palas de rotor 108 pasan por la torre 104. Como se muestra en 328, el modificador de consigna de potencia reactiva 324 se puede dividir a continuación por la señal de tensión 326 del devanado secundario del transformador principal 234 para obtener el modificador de consigna de corriente reactiva 354.

[0042] En consecuencia, como se muestra en la fig. 6, en un modo de realización, el sistema 300 puede operar para modificar simultáneamente la consigna de corriente reactiva nominal 350 y la consigna de par de torsión nominal 302 sumando la consigna de corriente reactiva nominal 350 del regulador de VAR 266 y el modificador de consigna de corriente reactiva 354 del módulo de compensación de parpadeo 264 como se muestra en 358 (por ejemplo, para obtener la consigna de corriente reactiva neta 356) y sumando simultáneamente la consigna de par de torsión nominal 302 y el modificador de consigna de par de torsión 304 como se muestra en 306 (por ejemplo, para obtener el par de torsión neto 308).

[0043] Esta descripción escrita usa ejemplos para divulgar la invención, incluyendo el mejor modo, y también para posibilitar que cualquier experto en la técnica ponga en práctica la invención, incluyendo fabricar y usar cualquier dispositivo o sistema y realizar cualquier procedimiento incorporado. El alcance patentable de la invención se define por las reivindicaciones y puede incluir otros ejemplos concebidos por los expertos en la técnica. Dichos otros ejemplos estarán dentro del alcance de las reivindicaciones si incluyen elementos estructurales que no difieran del lenguaje literal de las reivindicaciones o si incluyen elementos estructurales equivalentes con diferencias insustanciales del lenguaje literal de las reivindicaciones.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento para compensar el parpadeo inducido por un sistema de potencia de turbina eólica (300) conectado a una red eléctrica, comprendiendo el procedimiento:

operar, por medio de un controlador, un convertidor de potencia (210) del sistema de potencia de turbina eólica (300) en base a una consigna de corriente reactiva nominal (350) y una consigna de par de torsión nominal (302), en el que el controlador (262) es un controlador de convertidor (262) del convertidor de potencia (210);

en respuesta a recibir un modificador de consigna de par de torsión periódico (304), determinar, por medio del controlador (262), un modificador de consigna de corriente reactiva (354) para el convertidor de potencia (210) en base a uno o más parámetros operativos (352) del sistema de potencia de turbina eólica (300) y/o la red eléctrica y el modificador de consigna de par de torsión periódico (304);, modificar simultáneamente, por medio del controlador (262), la consigna de corriente reactiva nominal (350) en función del modificador de consigna de corriente reactiva (354) y la consigna de par de torsión nominal (302) en función del modificador de consigna de par de torsión periódico (304),

en el que modificar la consigna de par de torsión nominal (302) provoca variaciones de tensión de baja frecuencia en la red eléctrica y modificar simultáneamente la consigna de corriente reactiva nominal (350) atenúa las variaciones de tensión de baja frecuencia, estando las variaciones de tensión de baja frecuencia en un intervalo de aproximadamente 1 Hz a aproximadamente 30 Hz; y

correlacionar, por medio del controlador (262), el modificador de consigna de par de torsión periódico (304) con la tensión de red a medida que una o más palas de rotor (108) pasan por una torre (104) y modificar simultáneamente la consigna de corriente reactiva nominal (350) en función del modificador de consigna de corriente reactiva (354) en base a la correlación.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que los uno o más parámetros operativos (352) comprenden al menos uno de una intensidad de red de la red eléctrica, una tensión de red, una señal de tensión (316) de un devanado principal de un transformador principal (234) del sistema de potencia de turbina eólica (300), una señal de tensión (326) de un devanado secundario del transformador principal (234), una señal de velocidad (310) de un generador (118) del sistema de potencia de turbina eólica (300), o una impedancia corriente arriba del sistema de potencia de turbina eólica (300).

3. El procedimiento de cualquier reivindicación precedente, en el que la consigna de corriente reactiva nominal (350) se determina por medio de un módulo regulador de potencia reactiva (VAR) (266) en el controlador de convertidor (262).

4. El procedimiento de cualquier reivindicación precedente, en el que determinar el modificador de consigna de corriente reactiva (354) para el convertidor de potencia (210) en base a uno o más parámetros operativos (352) del sistema de potencia de turbina eólica (300) y/o la red eléctrica y el modificador de consigna de par de torsión periódico (304) comprende además:

determinar, mediante un controlador de turbina (202) acoplado de forma comunicativa al controlador de convertidor (262), un modificador de consigna de potencia (314) en función del modificador de consigna de par de torsión periódico (304) y la señal de velocidad (310) del generador (118).

5. El procedimiento de cualquier reivindicación precedente, en el que determinar el modificador de consigna de corriente reactiva (354) para el convertidor de potencia (210) en base a uno o más parámetros operativos (352) del sistema de potencia de turbina eólica (300) y/o la red eléctrica y el modificador de consigna de par de torsión periódico (304) comprende además:

recibir la señal de tensión (316) de un devanado principal del transformador principal (234);

filtrar la señal de tensión (316) por medio de un filtro (318);

multiplicar la señal de tensión filtrada por el modificador de consigna de potencia (314) para obtener una señal multiplicada;

integrar la señal multiplicada para obtener una señal integrada;

multiplicar la señal integrada por el modificador de consigna de potencia (314) para obtener un modificador de consigna de potencia reactiva (324);

dividir el modificador de consigna de potencia reactiva (324) por la señal de tensión (326) del devanado secundario del transformador principal (234) para obtener el modificador de consigna de corriente reactiva (354).

6. El procedimiento de la reivindicación 5, en el que el filtro (318) es un filtro de paso alto.

7. El procedimiento de cualquier reivindicación precedente, en el que modificar simultáneamente la consigna de corriente reactiva nominal (350) en función del modificador de consigna de corriente reactiva (354) y la consigna de par de torsión nominal (302) en función del modificador de consigna de par de torsión periódico (304) comprende además:

sumar la consigna de corriente reactiva nominal (350) del módulo regulador de potencia reactiva (266) y el modificador de consigna de corriente reactiva (354); y

sumar la consigna de par de torsión nominal (302) y el modificador de consigna de par de torsión periódico (304).

8. Un sistema de potencia de turbina eólica (300) conectado a una red eléctrica, que comprende:

un convertidor de potencia (210);

al menos un sensor (252, 254, 256, 258) para monitorizar uno o más parámetros operativos (352) de al menos uno del sistema de potencia de turbina eólica (300) o la red eléctrica; y,

un controlador de convertidor (262) configurado para controlar el convertidor de potencia (210), el controlador de convertidor (262) configurado para:

operar el convertidor de potencia (210) en base a una consigna de corriente reactiva nominal (350) y una consigna de par de torsión nominal (302);

en respuesta a la recepción de un modificador de consigna de par de torsión periódico (304), determinar un modificador de consigna de corriente reactiva (354) para el convertidor de potencia (210) en base a los uno o más parámetros operativos (352) y/o la red eléctrica y el modificador de consigna de par de torsión;

modificar simultáneamente la consigna de corriente reactiva nominal (350) en función del modificador de consigna de corriente reactiva (354) y la consigna de par de torsión nominal (302) en función del modificador de consigna de par de torsión periódico (304), en el que modificar la consigna de par de torsión nominal (302) provoca variaciones de tensión de baja frecuencia en la red eléctrica y modificar simultáneamente la consigna de corriente reactiva atenúa las variaciones de tensión de baja frecuencia, estando las variaciones de tensión de baja frecuencia en un intervalo de aproximadamente 1 Hz a aproximadamente 30 Hz; y

correlacionar el modificador de consigna de par de torsión periódico (304) con la tensión de red a medida que una o más palas de rotor pasan por una torre (104) y modificar simultáneamente la consigna de corriente reactiva nominal (350) en función del modificador de consigna de corriente reactiva (354) en base a la correlación.

9. El sistema de potencia de turbina eólica (300) de la reivindicación 8, en el que los uno o más parámetros operativos (352) comprenden al menos uno de una intensidad de red de la red eléctrica, una tensión de red, una señal de tensión (316) de un devanado principal de un transformador principal (234) del sistema de potencia de turbina eólica (300), una señal de tensión (326) de un devanado secundario del transformador principal (234), una señal de velocidad (310) de un generador (118) del sistema de potencia de turbina eólica (300), o una impedancia corriente arriba del sistema de potencia de turbina eólica (300).

10. El sistema de potencia de turbina eólica (300) de cualquiera de las reivindicaciones 8-9, en el que el generador comprende un generador de inducción de doble alimentación (DFIG).

11. El sistema de potencia de turbina eólica (300) de cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en el que el filtro es un filtro de paso alto.

12. El sistema de potencia de turbina eólica (300) de cualquiera de las reivindicaciones 8-11, que comprende además un controlador de turbina (202) acoplado de forma comunicativa al controlador de convertidor (262), el controlador de turbina (202) configurado para:

determinar un modificador de consigna de potencia (314) en función del modificador de consigna de par de torsión periódico (304) y la señal de velocidad (310) del generador (318).

13. El sistema de potencia de turbina eólica (300) de cualquiera de las reivindicaciones 8-12, en el que el controlador de convertidor (262), con el fin de determinar el modificador de consigna de corriente reactiva (354) para el convertidor de potencia (210) en base a los uno o más parámetros operativos (352) y/o la red eléctrica y el modificador de consigna de par de torsión periódico (304), está configurado para:

recibir la señal de tensión (316) de un devanado principal del transformador principal (234);

filtrar la señal de tensión (316) por medio de un filtro (318);

multiplicar la señal de tensión filtrada por el modificador de consigna de potencia (314) para obtener una señal multiplicada;

integrar la señal multiplicada para obtener una señal integrada;

multiplicar la señal integrada por el modificador de consigna de potencia (314) para obtener un modificador de consigna de potencia reactiva (324);

dividir el modificador de consigna de potencia reactiva (314) por la señal de tensión (326) del devanado secundario del transformador principal para obtener el modificador de consigna de corriente reactiva (354).

14. El sistema de potencia de turbina eólica (300) de cualquiera de las reivindicaciones 8-13, en el que el controlador de convertidor (262) está configurado además para determinar la consigna de corriente reactiva nominal (350) por medio de un módulo regulador de potencia reactiva (VAR) (266).

15. El sistema de potencia de turbina eólica (300) de cualquiera de las reivindicaciones 8-14, en el que el controlador de convertidor (262), con el fin de modificar simultáneamente la consigna de corriente reactiva nominal (350) en función del modificador de consigna de corriente reactiva (354) y la consigna de par de torsión nominal (302) en función del modificador de consigna de par de torsión periódico (304), está configurado además para:

sumar la consigna de corriente reactiva nominal (350) del módulo regulador de potencia reactiva (266) y el modificador de consigna de corriente reactiva (354); y

sumar la consigna de par de torsión nominal (302) y el modificador de consigna de par de torsión periódico (304).