ES2947567T3 - Sistema de generación de energía de aerogenerador - Google Patents

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Abstract

Un sistema de generación de energía de una turbina eólica que comprende un eje de rotor acoplado a un generador eléctrico que genera una salida de energía a un primer nivel de voltaje de CA; un sistema convertidor que convierte la potencia de salida del generador al primer nivel de voltaje de CA en una potencia de salida del convertidor a un segundo nivel de voltaje de CA; un transformador que convierte la potencia de salida del sistema convertidor al segundo nivel de voltaje de CA en una potencia de salida del sistema de generación a un tercer nivel de voltaje de CA; en el que el sistema convertidor comprende un convertidor del lado de la máquina, un convertidor del lado de la línea y un enlace de CC. El convertidor del lado de la máquina es un rectificador conmutado por línea y el transformador es un transformador cambiador de tomas en línea. En otro aspecto, la invención reside en una planta de energía eólica que comprende al menos un sistema de generación de energía eólica acoplado eléctricamente a una subestación para su posterior transmisión a una red. La subestación incluye un punto de conexión común al que se conectan eléctricamente uno o más sistemas de generación de energía, y un transformador, en el que el transformador es un transformador cambiador de tomas en línea. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de generación de energía de aerogenerador
Campo técnico
La invención se refiere a un sistema generador de aerogenerador, y también a una central eléctrica de aerogenerador o parque eólico que incorpora uno o más de tales sistemas generadores.
Antecedentes de la invención
Un tipo común de generador de aerogenerador es el generador de aerogenerador de eje horizontal (HAWT) contra el viento de tres palas, en el que el rotor de aerogenerador está en la parte delantera de la góndola y que se enfrenta al viento aguas arriba de su torre de aerogenerador de soporte. Las palas capturan la energía del viento que se convierte en par mecánico en el rotor que luego se transfiere a través de un tren de transmisión a un generador. El generador convierte la energía mecánica en energía eléctrica que luego se inyecta en la red eléctrica, que puede ser por medio de un convertidor de frecuencia de electrónica de potencia que tiene en cuenta los requisitos de la red. Hay varias topologías conocidas de convertidor de frecuencia de electrónica de potencia, a una de las cuales que se hace referencia como convertidor de frecuencia de escala completa. Aunque técnicamente compleja, tal topología de convertidor proporciona un control total de la frecuencia de voltaje de salida del generador de aerogenerador, lo cual es crucial para aerogeneradores y parques eólicos a gran escala con el fin de cumplir con los códigos de la red. No obstante, aunque debido a su complejidad técnica, los generadores de aerogeneradores basados en una topología de convertidor de escala completa son más costosos e ineficientes debido a su complejidad técnica. Esto tiene un impacto en el coste de producción de energía que es una métrica crítica en la eficiencia de generación de un aerogenerador.
Por lo tanto, hay una necesidad de reducir el coste de equipos convertidores de frecuencia del generador de aerogenerador en general y, más específicamente, de reducir el coste de los equipos de generación que ofrecen topologías de convertidor de escala completa. Es en este contexto que se ha ideado la invención.
El documento US2009096211A se refiere a un método para controlar que se proporcione el factor de potencia dinámico o la potencia reactiva de un parque eólico. El parque eólico comprende una serie de aerogeneradores conectados a una red de empresa de servicios públicos accionado con un factor de potencia solicitado o una potencia reactiva solicitada. El voltaje de salida de aerogenerador se controla para un punto de ajuste de voltaje específico. En el método, el factor de potencia del parque eólico se mide y compara con el factor de potencia solicitado para la red de empresa de servicios públicos, o la potencia reactiva del parque eólico se mide y compara con la potencia reactiva solicitada a la red de empresa de servicios públicos, respectivamente; se ajusta la relación del voltaje del parque eólico al voltaje de la red de empresa de servicios públicos, y se regula el voltaje de salida de los aerogeneradores individuales para que corresponda con el punto de ajuste de voltaje específico; los pasos se repiten hasta que el factor de potencia de la electricidad del parque eólico corresponda con la potencia reactiva solicitada.
El documento US2011144817A se relaciona con el método de control de un parque de aerogeneradores que incluye programar al menos un algoritmo dentro de al menos un procesador. El parque de aerogeneradores tiene al menos un aerogenerador que incluye un generador. El al menos un algoritmo es representativo de una relación entre al menos un rango de tolerancia de la red de energía eléctrica y una clasificación de generación de energía eléctrica. El método también incluye determinar el rango de tolerancia de la red de energía eléctrica. El método incluye además generar al menos una señal de ajuste de tolerancia del parque de aerogeneradores representativa de un rango de tolerancia del parque de aerogeneradores. El método también incluye cambiar el rango de tolerancia del parque de aerogeneradores.
El documento US2003227172 describe un planteamiento para el diseño de parques eólicos usando aerogeneradores de velocidad variable con salida eléctrica de bajo número de pulsos. La salida de múltiples aerogeneradores se agrega para crear una salida eléctrica de alto número de pulsos en un punto de acoplamiento común con una red eléctrica de empresa de servicios públicos. La calidad de la energía en cada aerogenerador individual está por debajo de los estándares de las empresas de servicios públicos, pero la salida agregada en el punto de acoplamiento común está dentro de las tolerancias aceptables para la calidad de la energía de empresas de servicios públicos. El planteamiento para agregar la salida eléctrica de bajo número de pulsos de múltiples aerogeneradores se basa en un transformador montado en plataforma en cada aerogenerador que realiza la multiplicación de fase en la salida de cada aerogenerador. La multiplicación de fase convierte una onda cuadrada modificada del aerogenerador en una salida de 6 pulsos. El desplazamiento de fase de la salida de 6 pulsos de cada aerogenerador permite que la salida agregada de múltiples aerogeneradores sea una aproximación de 24 pulsos de una onda sinusoidal. El filtrado adicional y el control de VAR están integrados dentro del parque eólico para aprovecharse de las características de impedancia eléctrica del parque eólico para mejorar aún más la calidad de la energía en el punto de acoplamiento común.
El documento GB200401375 describe un parque eólico que comprende al menos un aerogenerador y la combinación de un controlador de voltaje y un transformador de cambio de tomas dispuesto para controlar una salida de potencia reactiva del parque eólico. El transformador de cambio de tomas está dispuesto para transformar un voltaje de salida del parque eólico en una posición predeterminada en la red. El controlador tiene una primera entrada dispuesta para proporcionar una medida del voltaje de salida del parque eólico en la posición predeterminada y una segunda entrada representativa de un voltaje de referencia deseado establecido por un operador de red. El controlador está dispuesto para monitorizar la entrada y generar una primera salida al transformador de cambio de tomas para cambiar su configuración de tomas y mantener el voltaje en la posición predeterminada dentro de límites predeterminados, y para generar una segunda salida para controlar la salida de potencia reactiva del aerogenerador.
El documento US2014268926 describe un sistema convertidor de corriente continua de alto voltaje (HVDC) que incluye un convertidor de línea conmutada (LCC) configurado para convertir una pluralidad de voltajes y corrientes de AC en un voltaje de DC regulado de una polaridad positiva y negativa y una corriente de DC transmitida solamente en una dirección. El sistema convertidor de HVDC también incluye un convertidor reductor configurado para convertir una pluralidad de voltajes y corrientes de AC en un voltaje de DC regulado de una de la polaridad positiva y negativa y una corriente de DC transmitida en una de dos direcciones. El LCC y el convertidor reductor están acoplados en paralelo a un conducto de AC y están acoplados en serie a un conducto de DC. El sistema convertidor de HVDC incluye además un dispositivo de filtrado acoplado en paralelo al convertidor reductor a través del conducto de AC. El dispositivo de filtrado está configurado para inyectar corriente de AC que tenga al menos una frecuencia armónica en el conducto de AC.
Compendio de la invención
En un aspecto, las realizaciones de la invención proporcionan un sistema de generación de energía de aerogenerador como se expone en la reivindicación 1.
De manera beneficiosa, la relación de transformación ajustable ofrecida por el transformador permite la variación del voltaje de AC en el convertidor del lado de la línea, lo que se puede explotar para extender la capacidad de potencia activa y reactiva más allá de lo posible con una relación de transformación fija y para mejorar la operatividad del convertidor del lado de la línea. En combinación con el rectificador de línea conmutada, la invención también logra una reducción de costes sobre los sistemas convencionales que utilizan una arquitectura de FSC basada en IGBT. En este aspecto de la invención, el transformador está situado dentro del límite definido por el sistema generador de la instalación de aerogenerador en sí misma. Típicamente, tales generadores se pueden agrupar juntos en una central eléctrica de aerogeneradores que comprende una pluralidad de generadores de aerogenerador. Se podrían lograr beneficios similares transfiriendo la funcionalidad del transformador cambiador de tomas en línea a la central de energía eólica en sí misma, es decir, a una subestación de la central eléctrica, en lugar o además del transformador de cada sistema generador de aerogenerador.
Por consiguiente, en un segundo aspecto, un ejemplo reside en una central de energía eólica que comprende al menos un sistema de generación de energía eólica acoplado eléctricamente a una subestación para su transmisión hacia delante a una red, en donde el sistema de generación de energía incluye: un eje de rotor acoplado a un generador eléctrico que genera una salida de energía en un primer nivel de voltaje de AC; un sistema convertidor que convierte la salida de potencia del generador al primer nivel de voltaje de AC en una salida de potencia del convertidor a un segundo nivel de voltaje de AC; un transformador que convierte la salida de potencia del sistema convertidor al segundo nivel de voltaje de AC en una salida de potencia del sistema de generación a un tercer nivel de voltaje de AC; en donde el sistema convertidor comprende un convertidor del lado de la máquina, un convertidor del lado de la línea y un enlace de DC, y en donde el convertidor del lado de la máquina es un rectificador de línea conmutada. La subestación incluye un punto de conexión común al que se conectan eléctricamente uno o más sistemas de generación de energía, y un transformador, en donde el transformador es un transformador cambiador de tomas en línea. Por lo tanto, se entenderá que este aspecto de la invención en un sentido proporciona una configuración alternativa al generador de aerogenerador del primer aspecto, en el que la funcionalidad del transformador con relación de transformación ajustable es principalmente a nivel de subestación, más que a nivel de cada sistema de generación de aerogenerador.
En la central de energía eólica anterior, aunque el transformador del sistema de generación de energía puede ser un transformador con una relación de transformación fija, en una realización, el transformador del sistema de generación de energía es un transformador cambiador de tomas en línea.
En ambos aspectos, el rectificador de línea conmutada puede ser una configuración de puente de seis pulsos que, por consiguiente, se aplica a un sistema de generación de energía trifásico. Además, el rectificador de línea conmutada se puede basar en dispositivos de tiristores y, como tal, puede estar controlado en fase.
En contraste con el convertidor del lado de la máquina, el convertidor del lado de la línea puede ser un convertidor de conmutación forzada, al que se puede hacer referencia alternativamente como “convertidor de fuente de voltaje”.
Este también puede ser un sistema trifásico, si es necesario, aunque la invención es aplicable a sistemas de generación monofásicos.
Con referencia al sistema de generación de energía en los aspectos anteriores de la invención, el transformador cambiador de tomas en línea se puede configurar para proporcionar un voltaje en el enlace de DC que sea menor que el valor pico del primer nivel de voltaje de AC.
En las realizaciones, el transformador cambiador de tomas en línea se puede controlar en dependencia de al menos uno de: velocidad del generador, velocidad del viento y voltaje de la red, y se puede controlar usando una combinación de estos factores.
Las realizaciones de la invención son aplicables a sistemas de generación en los que el generador es un generador de imanes permanentes o un generador síncrono de campo bobinado.
Para evitar dudas, se debería observar que las características preferidas y/u opcionales del primer aspecto de la invención se pueden combinar con el segundo aspecto.
Breve descripción de los dibujos
Las realizaciones de la invención se describirán ahora a modo de ejemplo solamente para los siguientes dibujos, en los que:
la Figura 1 es una vista frontal de un aerogenerador;
la Figura 2 es una vista esquemática de un sistema de generación de energía del aerogenerador de la Figura 1; la Figura 3 es una vista esquemática de un sistema de generación de energía en base a una topología de convertidor de escala completa (FSC) según una realización de la invención; y
la Figura 4 es una vista esquemática de un parque eólico que incluye al menos un sistema de generación de energía en base a una topología de convertidor de escala completa (FSC), según otra realización de la invención.
Descripción detallada de realizaciones de la invención
Con referencia a la Figura 1, una instalación de aerogenerador 2 incluye un módulo de aerogenerador 4 montado en la parte superior de una torre 6 que se fija a sí misma a una base 8 de la manera habitual. El módulo de aerogenerador 4 aloja y soporta los diversos componentes de generación de energía de la instalación de aerogenerador 2, uno de los cuales es un rotor 10 que comprende un buje 12 y tres palas 14 que definen un disco de rotor 16. La instalación de aerogenerador mostrada en la Figura 1 es un aerogenerador de eje horizontal (HAWT) que es un tipo de sistema común, aunque existen otros tipos, a los que también es aplicable la invención.
Como se sabe, el flujo de viento que actúa sobre las palas 14 hace girar el rotor 10 que acciona el sistema de generación de energía alojado en el módulo de aerogenerador 4. El sistema de generación de energía se muestra con más detalle en la Figura 2, y se etiqueta generalmente como la referencia '18'.
La Figura 2 ilustra un ejemplo de una arquitectura de sistema de generación de energía que se representa esquemáticamente y sirve para poner la invención en su contexto adecuado. Se debería apreciar que el sistema de generación de energía 18 incluye características que son significativas para esta discusión, pero se debería apreciar que muchas otras características convencionales no se muestran aquí por brevedad, pero su presencia está implícita. También se debería observar que la arquitectura específica discutida aquí se usa como ejemplo para ilustrar la funcionalidad técnica de la invención, y así la invención se puede implementar mediante un sistema que tenga una arquitectura específica diferente, como llegará a ser evidente.
Volviendo a la figura, el rotor 10 acciona una transmisión 20 por medio de un eje de accionamiento de entrada 22. Aunque la transmisión 20 se muestra aquí en forma de caja de engranajes, también se sabe que los aerogeneradores tienen una arquitectura de accionamiento directo sin una caja de engranajes. La transmisión 20 tiene un eje de salida 24 que acciona un generador 26 para generar energía eléctrica. La generación de energía eléctrica trifásica es habitual en los sistemas de aerogeneradores a escala de empresa de servicios públicos, pero esto no es esencial con el propósito de esta discusión. Para evitar dudas, se debería observar que el generador 26 puede ser un generador de imanes permanentes o un generador síncrono de campo bobinado, por ejemplo.
El generador 26 se conecta a un convertidor de frecuencia 30 mediante un conector eléctrico trifásico adecuado tal como un cable o bus 32. El convertidor de frecuencia 30 es de arquitectura convencional y, como se sabe, convierte la frecuencia y el voltaje de salida del generador 26 a un nivel de voltaje y frecuencia que es adecuado para suministrar a una red eléctrica 34 a través de un transformador elevador 36 y filtro 37. Se apreciará que la arquitectura específica descrita aquí es un sistema de convertidor de frecuencia de escala completa (FSC) de fuente de voltaje de conmutación forzada de dos niveles uno tras otro, que incluye un convertidor del lado de la máquina 38 y un convertidor del lado de línea 40 que están acoplados a través de un enlace de DC 42. Ambos de los convertidores son en esencia idénticos y son convertidores de fuente de voltaje en los que se controlan semiconductores electrónicos de potencia de IGBT de conmutación forzada para regular el flujo de energía a través del convertidor desde el generador hasta el lado de la línea. Tal topología proporciona beneficios significativos para la generación de energía, dado que permite un control total de la potencia generada (componentes activa y reactiva) y también de la frecuencia, lo que significa que es capaz de contribuir a cumplir con los requisitos de conexión a la red, también conocido como el 'código de red'.
Para poner el sistema de generación de energía en contexto, ahora se proporcionará una breve discusión de la estrategia de control del aerogenerador a modo de ejemplo. Como es sabido, los aerogeneradores de velocidad variable típicamente operan bajo dos estrategias de control principales: potencia por debajo de la nominal y potencia por encima de la nominal. Como es sabido, el término 'potencia nominal' se usa aquí en su sentido aceptado que significa la salida de potencia a la que el sistema de aerogenerador está clasificado o certificado para producir bajo operación continua. De manera similar, el uso del término 'velocidad nominal del viento' se debería entender que significa la velocidad del viento más baja a la que se produce la potencia nominal de un aerogenerador.
La potencia por debajo de la nominal ocurre a velocidades del viento entre la velocidad de conexión y la velocidad nominal del viento que, típicamente, está entre 10 y 17 m/s, pero puede ser diferente dependiendo del tamaño del aerogenerador. En esta región operativa, el módulo de aerogenerador 4 es operable para controlar la velocidad del rotor para maximizar la energía capturada del viento. Esto se logra controlando la velocidad del rotor de modo que la relación de velocidad de la punta esté en un valor óptimo, esto es, entre 6 y 7. Para controlar la velocidad del rotor, el módulo de aerogenerador 4 controla el par del generador para hacer el seguimiento de una referencia de potencia, como se describirá.
La potencia por encima de la nominal ocurre cuando la velocidad del viento ha aumentado o supera la velocidad nominal del viento. En esta condición de operación, el objetivo del módulo de aerogenerador 4 es mantener una potencia de salida constante. Esto se logra controlando que el par del generador sea sustancialmente constante, para hacer el seguimiento de una referencia de potencia constante, pero variando el ángulo de paso de las palas que ajusta la fuerza de elevación y arrastre resultante de la pala en el plano del rotor. Esto controlará el par transferido al eje del rotor de modo que la velocidad de rotación y también la potencia generada del sistema se mantengan constantes por debajo de un umbral establecido.
Con el fin de lograr los objetivos de control de potencia por debajo de la nominal y de potencia por encima de la nominal, el módulo de aerogenerador 4 está equipado con un controlador 50. El controlador 50 es operable para controlar el convertidor de frecuencia 30 a través de la referencia de par Tref para influir en el par ejercido sobre el rotor 10 por el generador 26, y también para controlar el paso de las palas a través de la referencia de paso P0ref, y por ello la velocidad del rotor 10, a través de un sistema de ajuste de paso de pala 52.
El controlador 50 recibe una pluralidad de entradas de control, pero aquí se muestran específicamente dos entradas de control: un parámetro de referencia de velocidad de rotor Nref y un parámetro de referencia de potencia Pref que se proporcionan por un controlador de nivel más alto, tal como un controlador de secuencia operativa 53, o bien directamente al controlador 50 o bien a través de una red de distribución de datos en base a un protocolo adecuado, tal como Ethernet. El controlador 50 también recibe entradas de monitorización de modo que pueda determinar la operación correcta de los componentes bajo su control. Específicamente, el controlador 50 recibe un parámetro de velocidad de máquina Ns que puede provenir de sensores de velocidad 54 asociados con el rotor, la transmisión o el generador, y un parámetro de salida de potencia Ps del convertidor de frecuencia 30.
Durante condiciones por debajo de la nominal, el sistema de control 50 es operable principalmente para controlar el par del generador, que está asociado con, y calculado a partir de, la referencia de potencia Pref, emitiendo una señal de par demandada Tref al convertidor de frecuencia 30 con el fin de hacer el seguimiento de la referencia de potencia Pref. De manera similar, en condiciones de operación de potencia por encima de la nominal, el sistema de control 50 es operable para mantener el par del generador sustancialmente constante (y, por lo tanto, para hacer el seguimiento de la referencia de potencia constante) pero proporcionar la entrada de control P0ref al sistema de control de paso 52 para modular, colectivamente, los ángulos de paso de las tres palas del rotor 10.
Volviendo a la topología del convertidor de escala completa como se muestra en la Figura 2, se ha mencionado que tal topología proporciona beneficios significativos para la generación de energía dado que permite un control total de la potencia generada (componentes activa y reactiva) y frecuencia. No obstante, esta topología de convertidor también presenta desafíos. Un factor es que, aunque tales topologías ofrecen ventajas operativas, son técnicamente complejas, lo que aumenta el coste de implementación, y también tienden a exhibir pérdidas de conmutación y conducción algo altas durante la operación, lo que reduce la eficiencia de generación de energía general del sistema de generación. Además, la robustez de los semiconductores frente a fallos, tales como cortocircuitos de enlace de DC, puede ser menos que ideal. Además, la modulación de ancho de pulso de los convertidores genera armónicos en los voltajes de AC y las corrientes de AC que o bien requieren filtrado por componentes de filtro dedicados o bien conducen a pérdidas añadidas en el transformador y el generador adjuntos, lo que puede aumentar el peso del coste y la complejidad.
Frente al contexto del sistema de generación de energía de aerogenerador con convertidor de escala completa descrito anteriormente e ilustrado en la Figura 2, ahora se describirá un sistema de generación de energía 60 modificado con respecto a la Figura 3.
Se debería observar que el sistema de generación de energía 60 de la Figura 3 es similar en topología y operación al sistema de generación de energía 18 de la Figura 2. Por lo tanto, no se proporcionará una explicación repetida de los principios de operación por razones de brevedad, y la discusión se centrará en las diferencias clave del sistema de generación de energía 60 y los efectos que resultan de esas diferencias.
Haciendo referencia ahora a la Figura 3, el sistema de generación de energía 60 tiene, de la misma forma que el sistema de la Figura 2, una arquitectura de convertidor de escala completa y, como tal, incluye un generador 62, un sistema de convertidor de escala completa 63 que comprende un convertidor del lado de la máquina (MSC) 64, que algunas veces se conoce como convertidor del lado del generador, un convertidor del lado de la línea (LSC) 66, que algunas veces se conoce como convertidor del lado de la red debido a su proximidad a la red de distribución 67 en comparación con el convertidor del lado de la máquina 64, un enlace de DC 68 que acopla el convertidor del lado de la máquina 64 y el convertidor del lado de la línea 66, de una forma conocida, y un transformador 70 que eleva el voltaje del lado de la línea (Vlínea) en la salida del convertidor del lado de la línea 66 a un nivel apropiado para la red eléctrica 67, ya sea a un nivel apropiado para una llamada 'red interna' dentro de un parque eólico) o a un nivel en el que alimenta la red de distribución principal directamente (típicamente alrededor de 30-38 kV dependiendo del país). En la Figura 3 no se muestra un reactor de enlace de DC que también se puede emplear para mejorar el perfil de voltaje de DC del enlace de DC 68.
Se puede considerar que el convertidor del lado de la máquina 64 y el convertidor del lado de la línea 66 llevan a cabo las funciones que se entienden bien en la técnica, esto es, que el convertidor del lado de la máquina 64 convierte el voltaje y la frecuencia generados de AC del generador 62 en un voltaje de DC en el enlace de DC 68, mientras que el convertidor del lado de la línea 66 convierte el nivel de voltaje de DC a un voltaje y frecuencia de AC eléctricamente aguas arriba del transformador 70.
No obstante, una característica clave del sistema de generación de energía 60 es que el transformador 70 es un dispositivo conocido como transformador Cambiador de Tomas en Línea (OLTC), más simplemente, solo 'OLTC'. Dicho dispositivo también se conoce bajo el nombre alternativo de transformador Cambiador de Tomas Bajo Carga (OLTC). En principio, este tipo de dispositivo es conocido en la técnica dentro del contexto de los sistemas de transmisión de energía y, en esencia, es un transformador que tiene varios puntos de toma que permiten que la relación de transformación del dispositivo sea variada, y así se puede considerar, por lo tanto, que tiene una relación de transformación ajustable. Dado que los OLTC son dispositivos que se conocen en la ingeniería de transmisión de energía, una discusión completa del principio de operación de tales dispositivos no se proporcionará aquí por brevedad. No obstante, se debería observar que ejemplos adecuados de cambiadores de tomas se pueden considerar que están en el rango de OLTC de tipo aceite y OLTC de tipo vacío comercializados por Maschinenfabrik Reinhausen GmbH, 93059, Alemania, bajo las marcas registradas OIlTa P® y VACUTAP®.
En el contexto del sistema de generación de energía de aerogenerador 60 de la realización de la Figura 3, el OLTC 70 confiere beneficios significativos. Por ejemplo, un beneficio es que el OLTC 70 permite una regulación de voltaje de salida mejorada del sistema de generación 60. Esto se puede usar para aumentar la capacidad de soporte de voltaje de la red de los dispositivos tradicionales tales como los STATCOM. Además, el OLTC 70 se puede usar para proteger o aislar el sistema de generación 60 de desequilibrios de voltaje en la red. En más detalle, la relación de transformación ajustable ofrecida por el OLTC 70 permite la variación del voltaje de AC 'visto' por el convertidor del lado de la línea 66. El ajuste de este voltaje de AC, mediante el ajuste de la posición de toma del OLTC 70, se puede explotar para extender la capacidad de potencia activa y reactiva del convertidor del lado de la línea 66 más allá de lo posible con un transformador con relación de transformación fija. Convencionalmente, un convertidor del lado de la línea en base a un convertidor de fuente de voltaje de conmutación forzada se operará con un voltaje de enlace de DC en o por debajo del límite superior seguro de los semiconductores del convertidor. Al mismo tiempo, el principio de operación del convertidor de fuente de voltaje requiere que el voltaje de enlace de DC sea más alto que el voltaje de Ac más alto. En consecuencia, a un nivel de voltaje de AC algo más alto, el convertidor de fuente de voltaje deja de ser controlable y debe bloquear la conmutación y eventualmente se debe desconectar de la línea de AC. Para contrarrestar el bloqueo y disparo en tales situaciones, el OLTC puede realizar una reducción efectiva del voltaje de AC visto por el convertidor del lado de la línea 66.
Además, como es convencional, cuando el voltaje de la red es bajo, el convertidor del lado de la línea 66 debe aumentar su corriente de AC de salida para mantener las potencias activa y reactiva sin cambios. La corriente de AC generada por el convertidor del lado de la línea 66 se debe controlar para que permanezca en el, o por debajo del, límite superior seguro de los semiconductores del convertidor. En consecuencia, a un nivel de voltaje de AC algo más bajo, el convertidor de fuente de voltaje alcanza su nivel de corriente de AC máximo y ya no puede entregar la potencia activa y reactiva ordenada. Para ampliar el rango de operación - es decir, la entrega de potencia ordenada durante un voltaje de red reducido - el OLTC 70 puede realizar un aumento efectivo del voltaje de AC visto por el convertidor del lado de la línea 66 que no sería posible con un transformador que tiene una relación de transformación fija.
En un convertidor convencional usado en un sistema convertidor de escala completa (al que también se hace referencia como sistema de aerogenerador de Tipo 4), tanto el convertidor del lado de la máquina como el convertidor del lado de la línea son esencialmente idénticos en el sentido de que típicamente usan un convertidor basado en IGBT, al que se hace referencia como convertidor de fuente de voltaje, o convertidores de conmutación forzada o autoconmutados. Dado que estos convertidores se basan en dispositivos de conmutación de IGBT o 'semiconductores de conmutación', son altamente controlables en la medida que los conmutadores se pueden conmutar a una frecuencia elevada, lo que mueve el contenido armónico generado en el voltaje y la corriente de AC a una frecuencia más alta, que a su vez puede ser más fácil de filtrar. Una característica del convertidor de fuente de voltaje es que operan en un modo 'elevador', en el que el voltaje del lado de DC de un convertidor de AC-DC o DC-AC es más alto que el nivel de voltaje de AC pico. Así, considerando un ejemplo de un convertidor del lado de la máquina que funciona a carga nominal, el voltaje de AC de entrada (es decir, el nivel de voltaje de RMS de fase a fase) puede ser de 480 V y el voltaje del enlace de DC puede ser de 750 V. Se debería observar que los valores de voltaje específicos dados aquí son para ilustrar el principio, pero no se pretende que sean limitantes.
Por el contrario, para un convertidor del lado de la línea, el voltaje se reduce desde el enlace de DC hasta el voltaje de salida de línea del convertidor del lado de la línea. A modo de ejemplo, si el voltaje de la red es de 400 V nominales, el enlace de DC puede estar alrededor de los 750 V.
Como se apreciará, por lo tanto, se requiere que el nivel de voltaje en el enlace de DC 68 sea relativamente alto con el fin de que los convertidores del lado de la línea y del lado de la máquina de la fuente de voltaje puedan operar correctamente. No obstante, en el sistema de generación de energía 60 de esta realización de la invención, el OLTC 70 se usa para controlar el voltaje de AC en el convertidor del lado de la línea, controlando a su vez el voltaje en el enlace de DC 68, para permitir que el convertidor del lado de la máquina 64 sea un rectificador/convertidor de línea conmutada controlado por fase que usa tiristores en lugar de IGBT como semiconductores del convertidor del lado de la máquina. Como se sabe en la técnica, los rectificadores controlados por fase también se conocen como rectificadores de línea conmutada y operan bajo el principio de que el proceso de conversión de voltaje se basa en el voltaje de línea (Vgen) de la entrada de línea de AC del generador 62 para efectuar la conmutación de un dispositivo de conmutación a otro. Para que el tiristor se encienda y arranque la conducción, una señal de puerta debe estar presente mientras que el tiristor está polarizado hacia delante. El tiristor se apaga cuando está polarizado inverso y la corriente decae a cero. La frecuencia de conmutación sigue la frecuencia del voltaje de AC conectado. Cualquier retardo de la señal de puerta retardará el encendido y, de este modo, reducirá la cantidad de energía transferida durante cada intervalo de conducción para el tiristor. De ahora en adelante, por lo tanto, se hará referencia al convertidor del lado de la máquina 64 como el rectificador de línea conmutada 64, donde sea apropiado.
Para un sistema trifásico que es típico en un sistema de generación de energía de aerogenerador, el rectificador de línea conmutada 64 puede tener la forma de un puente de seis pulsos o puente de 'Graetz', como se conoce en la técnica. En la Figura 3, los dispositivos de conmutación basados en tiristores se ilustran por el símbolo de tiristor asociado con el rectificador de línea conmutada 64, en comparación con el símbolo de IGBT asociado con el convertidor del lado de la línea 66. Además, la topología de puente se muestra con más detalle en el panel insertado etiquetado 'A', mientras que la topología del convertidor de IGBT se muestra en el panel insertado etiquetado 'B'.
Los rectificadores de línea conmutada requieren un nivel de voltaje de salida de DC que es menor que el nivel de voltaje de entrada de línea de AC. Los convertidores de DC-AC de fuente de voltaje requieren un nivel de voltaje de AC que es menor que el nivel de DC. De manera beneficiosa, por lo tanto, el transformador de OLTC 70 es configurable de modo que el voltaje en el enlace de DC 68 se pueda reducir de una manera controlada controlando el voltaje de línea Vlmea en la salida del convertidor del lado de línea 66 mientras que se mantiene el voltaje de salida del transformador de OLTC 70 sustancialmente constante. En más detalle, sobre la base de un voltaje de la red de estado estacionario, un cambio en el punto de toma del OLTC 70 funciona para reducir el voltaje requerido en el lado de la línea del convertidor del lado de la línea 66 con el fin de soportar el voltaje de salida requerido del OLTC 70. Como resultado de esto, el voltaje reducido en la salida del convertidor del lado de la línea 66 requiere un voltaje más bajo en el enlace de DC 68. Dado que el voltaje de entrada en el rectificador de línea conmutada 64 varía con la velocidad y la potencia deseada del generador, y el voltaje de línea Vlmea es sustancialmente constante, aunque varía ligeramente alrededor de un nivel de voltaje nominal, el OLTC 70 se puede controlar en dependencia de la velocidad y la potencia del rotor/generador con el fin de mantener un voltaje de enlace de DC aceptablemente bajo de modo que la rectificación controlada pueda tener lugar incluso a velocidades del rotor comparativamente bajas.
Hay varios beneficios de usar un rectificador de línea conmutada como el convertidor del lado de la máquina 64 en lugar de un convertidor de fuente de voltaje de conmutación forzada basado en IGBT. En primer lugar, un rectificador de línea conmutada es una pieza de electrónica más rentable que permite una reducción de la complejidad del sistema de generación de energía, tanto en términos de equipos electrónicos de potencia.
El rectificador de línea conmutada ofrece pérdidas de conversión menores que el convertidor de fuente de voltaje, tanto pérdidas de conducción como pérdidas de conmutación en particular, ya que la frecuencia de conmutación es muy reducida. La frecuencia de conmutación también tiene un efecto sobre las pérdidas incurridas por el generador. Dependiendo de la frecuencia, las pérdidas del generador con el rectificador de línea conmutada pueden ser menores que con el convertidor de fuente de voltaje. Los tiristores ofrecen además una capacidad de sobrecorrientes más alta que sus contrapartes de IGBT, lo que es ventajoso en caso de fallos de cortocircuito en el enlace de DC.
Una persona experta entendería que se podrían hacer variaciones y modificaciones a las realizaciones específicas descritas anteriormente sin apartarse del concepto inventivo que se define por las reivindicaciones.
Se debería apreciar que en las realizaciones descritas anteriormente, el rectificador de línea conmutada 64, controlado por fase, basado en tiristor, permite el control sobre la potencia del generador, de modo que, por ejemplo, la potencia del generador se pueda reducir bajo ciertas circunstancias, que pueden ser cuando el aerogenerador está operando a velocidades de viento por encima de las nominales. No obstante, también está previsto que se podrían usar diodos en lugar de los tiristores bajo ciertas condiciones. Tal topología aún sería de línea conmutada dado que es el voltaje de línea el que efectúa la conmutación de un dispositivo al siguiente, aunque el punto de encendido de los diodos no está controlado.
Con referencia a la Figura 4, se muestra una realización alternativa en la que la posición del OLTC es diferente con respecto a la realización de la Figura 3. La realización de la Figura 4 comparte muchas similitudes con la realización de la Figura 3 así que, cuando sea apropiado, se usarán los mismos números de referencia para referirse a las partes comunes.
En la realización de la Figura 3, el OLTC 70 está conectado entre el sistema convertidor 63 y la red eléctrica 67. Aquí, la red 67 o bien podría ser una red eléctrica 'interna' que es local a un parque eólico y a la que múltiples sistemas generadores de aerogenerador se conectan aguas arriba de una subestación de parque eólico, o bien puede ser una conexión directa a una red nacional de distribución o transmisión.
La realización de la Figura 4 ilustra una disposición para un parque eólico o una central de energía eólica 80, que incluye al menos un sistema de generación de energía de aerogenerador 60 conectado a una subestación 82. La subestación 82, a su vez, está conectada a una red nacional de distribución o transmisión 84.
Haciendo referencia en primer lugar al sistema de generación de energía 60, se debería apreciar que el sistema es similar al de la Figura 3 en el sentido de que incluye un generador 62 y un sistema convertidor de escala completa 63 y, de manera más importante, el sistema convertidor 63 incluye un convertidor del lado de la máquina 64 que es un rectificador de línea conmutada y un convertidor del lado de línea 66 que es un convertidor de fuente de voltaje de conmutación forzada. Dado que los convertidores 64, 66 son los mismos que los de la Figura 3, las vistas detalladas dadas en los paneles insertados A, B no se proporcionan aquí. En esta realización, el sistema de generación de energía 60 incluye un transformador 84 que tiene una relación de transformación fija, y no es un OLTC como en la realización de la Figura 3. La función de regulación de voltaje llevada a cabo anteriormente por el OLTC en la Figura 3, en su lugar, ahora se sitúa en la subestación 82.
Haciendo referencia ahora específicamente a la configuración de la subestación 82, se verá que la subestación 82 recibe tres entradas de línea de energía 86, y estas se puede considerar que provienen de los respectivos sistemas de generación de energía de aerogenerador configurados de manera similar al sistema 60. Cada una de las entradas de línea de energía 86 acopladas a un punto de conexión común 88, o 'PCC' que a su vez alimenta a un transformador 90, que tiene la función de elevar el voltaje de la red del parque eólico 'interno' como se lee en el PCC 88, a un nivel de voltaje adecuado para la distribución hacia delante a la red nacional 84. En esta realización, no obstante, el transformador 90 es un OLTC en el que la relación de transformación es configurable. Como tal, en la realización de la Figura 4, se pueden lograr los mismos beneficios técnicos que en la realización de la Figura 3. Es decir, el OLTC 90 es operable para permitir un nivel de voltaje más bajo aguas arriba del OLTC 90, es decir, dentro de la red interna, mientras que sigue suministrando a la red 84 un nivel de voltaje determinado por la red. Después de esto, el voltaje más bajo habilitado en la red interna aguas arriba del PCC 88 se reduce aún más por el transformador 84 que es parte del sistema de generación de energía 60 que permite que el voltaje del enlace de DC 68 se ajuste a un nivel que hace posible que el rectificador de línea conmutada 64 se use como el convertidor del lado de la máquina. En términos de control del OLTC 90, dado que hay varios sistemas de generación de energía en el parque eólico, se prevé que la posición de toma del OLTC 90 se pueda controlar en dependencia de un valor medio de la velocidad del generador tomado de todos los sistemas. Alternativamente, el OLTC 90 se puede controlar en dependencia de la velocidad del viento. Alternativamente, el OLTC 90 se puede controlar en dependencia de la potencia solicitada, o el nivel de voltaje de la red o una combinación de los anteriores. El objetivo es controlar el OLTC 90 para reducir el voltaje de AC del convertidor del lado de la línea y, a su vez, el voltaje del enlace de DC lo suficiente como para que el rectificador de línea conmutada 64 pueda suministrar la potencia solicitada a la velocidad del viento particular, la velocidad del generador y el voltaje de AC de la red. Es en particular a baja velocidad del viento, bajas velocidades del generador que se requiere la reducción de voltaje.
Dado que los rectificadores de línea conmutada son más rentables que los dispositivos basados en IGBT, las realizaciones de las Figuras 3 y 4 proporcionan un coste de producción muy mejorado en comparación con los parques eólicos conocidos en los que los transformadores de potencia para i) cada uno de los aerogeneradores y ii) la subestación, son transformadores que tienen una relación de transformación fija.
Se debería observar que aunque el rectificador de línea controlada 64 al que se hace referencia anteriormente se ha descrito como que tiene una topología de puente de seis pulsos, las topologías alternativas también serían evidentes para los expertos, por ejemplo, un puente de doce, dieciocho o veinticuatro pulsos, y la referencia general a 'rectificador de línea conmutada' se debería interpretar como que cubre todas de tales alternativas.
Como variante de la realización de la Figura 4, se debería observar que el transformador 84, que es un transformador de relación de transformación fija, podría ser en su lugar un transformador de OLTC, es decir, como el sistema de la Figura 3, que proporcionaría la posibilidad de extender aún más la capacidad de regulación de voltaje. El uso de tiristores en un rectificador controlado por fase ofrece un mejor coste, menores pérdidas de conversión, un espectro de armónicos con contenido a frecuencias más bajas y robustez frente a sobretensiones.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de generación de energía de aerogenerador (2) que comprende:
un eje de rotor acoplado a un generador eléctrico (62) configurado para generar una salida de potencia en un primer nivel de voltaje de AC;
un sistema convertidor (63) configurado para convertir la salida de potencia del generador (62) en el primer nivel de voltaje de AC en una salida de potencia del convertidor en un segundo nivel de voltaje de AC;
un transformador (70) configurado para convertir la salida de potencia del sistema convertidor en el segundo nivel de voltaje de AC en la salida de energía del sistema de generación en un tercer nivel de voltaje de AC;
en donde el sistema convertidor comprende un convertidor del lado de la máquina (64), un convertidor del lado de la línea (66) y un enlace de DC (68); en donde el transformador (70) es un transformador cambiador de tomas en línea (OLTC),
y en donde el generador eléctrico es un generador de imanes permanentes o es un generador síncrono de campo bobinado;
caracterizado por que
el convertidor del lado de la máquina (64) es un rectificador de línea conmutada (A); y
en donde el transformador cambiador de tomas en línea se controla en dependencia de al menos uno de: la velocidad del generador y la velocidad del viento,
para reducir el voltaje de AC del convertidor del lado de línea (66) y, a su vez, el voltaje del enlace de DC, de modo que el rectificador de línea conmutada (64) pueda suministrar la potencia solicitada a la velocidad del viento particular, la velocidad del generador y el voltaje de AC de la red, en particular a baja velocidad del viento o bajas velocidades del generador.
2. El sistema de las reivindicaciones 1, en donde el rectificador de línea conmutada tiene una configuración de puente de seis pulsos.
3. El sistema de las reivindicaciones 1 a 2, en donde el rectificador de línea conmutada está controlado por fase.
4. El sistema de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el convertidor del lado de la línea es un convertidor de conmutación forzada.
5. El sistema de la reivindicación 4, en donde el convertidor de conmutación forzada es un convertidor trifásico.
6. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el transformador cambiador de tomas en línea del sistema de generación de energía está configurado para proporcionar un voltaje en el enlace de DC que es menor que el valor pico del primer nivel de voltaje de AC.
7. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el transformador cambiador de tomas en línea se controla en mayor dependencia del voltaje de la red.
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