ES2959959T3 - Control de un aerogenerador durante un periodo de protección de sobretensión - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un método para operar una turbina eólica. El método comprende monitorear una señal de turbina eólica para detectar un sobrevoltaje de la red y, tras la detección del sobrevoltaje, iniciar un modo de sobremodulación en el que el convertidor del lado de la red funciona con un índice de modulación que se incrementa en un rango de sobremodulación. al menos durante un subperíodo del modo de sobremodulación, y tras la detección de la condición operativa, iniciar un modo de ajuste de voltaje de CC en el que el voltaje de CC del enlace de CC disminuye desde un segundo nivel de voltaje hacia un primer nivel de voltaje. al menos durante un subperíodo del modo de ajuste de tensión CC. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Control de un aerogenerador durante un periodo de protección de sobretensión

Campo de la invención

La invención se refiere a aerogeneradores, particularmente al control de convertidores de potencia de aerogeneradores.

Antecedentes de la invención

El uso de altas tensiones de enlace de DC de convertidores de potencia puede reducir la vida útil de los transistores IGBT debido al impacto de los rayos cósmicos. Por consiguiente, se desea mantener la tensión del enlace de DC tan baja como sea posible. No obstante, en ciertas situaciones, tales como situaciones en las que la tensión de la red aumenta por encima de la tensión nominal de la red, se puede necesitar aumentar la amplitud de la tensión de salida de la potencia generada por el convertidor del lado de la red, por ejemplo, con el fin de evitar que fluya una corriente alta desde la red hacia el convertidor del lado de la red. Hay otras situaciones que también requieren un aumento de la amplitud de tensión en el convertidor de potencia del lado de la red.

El documento EP2655871 A1 describe un método de operación de un aerogenerador. El aerogenerador comprende un generador de potencia, un convertidor del lado del generador conectado al generador de potencia, un convertidor del lado de la línea conectado a una red eléctrica a través de componentes de potencia, y un enlace de DC conectado entre el convertidor del lado del generador y el convertidor del lado de la línea. El método comprende monitorizar las tensiones de red en la red eléctrica en busca de eventos de sobretensión y si se detecta un evento de sobretensión, el convertidor del lado de la línea se opera en un rango de sobremodulación durante al menos una parte de la duración del evento de sobretensión.

De este modo, el documento EP2655871 A1 proporciona una solución al problema mencionado anteriormente usando sobremodulación para aumentar la tensión de salida en caso de situaciones de sobretensión. No obstante, la sobremodulación causa la contaminación de la red debido a la generación de armónicos que se inyectan dentro de la red.

El documento WO2012083963A1 muestra un método de operación de un aerogenerador que comprende un generador de potencia, un convertidor del lado del generador conectado al generador de potencia, un convertidor del lado de la línea conectado a una red eléctrica a través de componentes de potencia, y un enlace de DC conectado entre el convertidor del lado del generador y el convertidor del lado de la línea, el método los pasos del método en el preámbulo de la reivindicación 1 independiente. D1 describe también un sistema de control para operar un aerogenerador con las características técnicas del preámbulo de la reivindicación 13 independiente.

El artículo científico de Stojan & Milanoniv “Over-modulation phenomena and its influence on the pulse width modulated single-phase invertir output voltage” describe el análisis de la tensión de salida del inversor monofásico modulado por ancho de pulso. Usando el principio de sobremodulación, aparece la distorsión THD baja de la tensión de salida pero se aumenta el primer armónico de tensión. También se aumenta la componente cuadrática media de la raíz (RMS) de la tensión de salida. Debido a este fenómeno, se puede disminuir la tensión de entrada del convertidor de dc, lo que siempre es bienvenido.

Por consiguiente, todavía existe una necesidad de mejorar los aerogeneradores en los casos en los que se desea un aumento de la tensión de salida generada.

Compendio de la invención

Es un objeto de la invención mejorar los aerogeneradores con respecto a la generación de tensiones de salida aumentadas en situaciones donde esto se requiere o es ventajoso. También es un objeto de la invención mejorar la situación en la que la generación de alta tensión de salida causa una contaminación de la red debido al uso de sobremodulación. También es un objeto de la invención mejorar la situación en la que la vida útil de los elementos de conmutación del convertidor de potencia se reduce debido a las altas tensiones del enlace de DC.

La invención se define por un método para operar un aerogenerador con los pasos de la reivindicación 1 independiente y por un sistema de control con las características técnicas de la reivindicación 13 independiente. Las realizaciones ventajosas del método se definen en las reivindicaciones 2 a 12 dependientes. La reivindicación 14 dependiente se refiere a un aerogenerador que comprende un sistema de control según la reivindicación 13.

El primer nivel de tensión referido en las reivindicaciones puede tener una tensión dentro de un rango, por ejemplo, del 3 al 10 por ciento por encima de una tensión de DC mínima, alternativamente cualquier valor adecuado por encima de la tensión de DC mínima. La tensión de DC mínima es una tensión mínima requerida para la generación de una tensión de salida Uo a nivel nominal, es decir, una tensión de salida Uo requerida para hacer coincidir con una tensión de red Ug nominal. El primer nivel de tensión representa una reserva de tensión del enlace de DC que relaja los requisitos de control y proporciona espacio para la dinámica en el control del convertidor del lado de la red, por ejemplo, debido a variaciones en la velocidad del rotor. En general, la tensión de DC mínima del enlace de DC 205 debería cumplir el requisito de tensión de DC de los convertidores del lado tanto del generador como de la red 203, 204, es decir, la tensión de DC mínima debería corresponder al mayor de los requisitos de tensión del convertidor del lado del generador 203 o del convertidor del lado de la red 204. El segundo nivel de tensión representa una alta tensión del enlace de DC que proporciona una tensión de salida Uo por encima del nivel nominal, por ejemplo, una alta tensión del enlace de DC que se requiere para tratar con una condición operativa, tal como una situación de sobretensión (OVRT). El segundo nivel de tensión del enlace de DC se puede haber obtenido mediante un período de carga inicial anterior que comenzó antes del subperíodo del modo de ajuste de tensión de DC en el que el condensador del enlace de DC se carga hasta el segundo nivel de tensión. Esta carga inicial del condensador del enlace de DC puede ser un procedimiento inicial del modo de ajuste de tensión de DC y/o el modo de sobremodulación. Durante este procedimiento de carga inicial, el índice de modulación se puede controlar para asegurar una tensión de salida deseada del convertidor del lado de la red.

Aumentando el índice de modulación y disminuyendo la tensión del enlace de DC durante el subperíodo del modo de sobremodulación y el subperíodo del modo de ajuste de tensión de DC, por ejemplo, simultáneamente, se reduce el período de tiempo en el que la tensión del enlace de DC es alta. De este modo, mediante este método se puede reducir el impacto sobre la vida útil debido a los rayos cósmicos. Al mismo tiempo, la desventaja de tener un alto índice de modulación solamente surge para duraciones prolongadas de la condición operativa, por ejemplo, situaciones de periodo de protección de sobretensión prolongado. Para duraciones más cortas de la condición operativa, el índice de modulación puede no alcanzar un valor de índice de modulación máximo.

El aumento del índice de modulación a un valor en el rango de sobremodulación incluye situaciones en las que el índice de modulación se aumenta desde un valor anterior del índice de modulación en el rango de modulación lineal o el rango de sobremodulación.

Según una realización, se hacen coincidir una tasa de cambio de la disminución de la tensión de DC y una tasa de cambio del aumento del índice de modulación con el fin de lograr una tensión de salida deseada del convertidor del lado de la red al menos durante el subperíodo del modo de ajuste de tensión de DC o el subperíodo del modo de sobremodulación, es decir, al menos durante un período común del subperíodo del modo de ajuste de tensión de DC y el subperíodo del modo de sobremodulación donde el cambio de tensión de DC y el modo de modulación en el que los ajustes se hacen coincidir o controlan para lograr la tensión de salida deseada. La coincidencia, es decir, el control de los cambios de la tensión de DC y el índice de modulación, se puede realizar de modo que la disminución de la tensión de salida debido a una disminución de la tensión de DC se compense con el aumento del índice de modulación, por ejemplo, sometido a una restricción de que la tensión de salida sea constante o sustancialmente constante. Los cambios del índice de modulación y la tensión de DC pueden comprender ajustes lineales o no lineales en función del tiempo.

Según una realización, al menos una parte del subperíodo de disminución de la tensión de DC y al menos una parte del subperíodo de aumento del índice de modulación tienen lugar simultáneamente. Ventajosamente, al menos un periodo común de los ajustes del índice de modulación y de la tensión de DC tiene lugar simultáneamente de modo que un ajuste pueda compensar el otro.

Según una realización, el subperíodo de operación del convertidor del lado de la red en el modo de sobremodulación es dependiente de la duración de la condición operativa detectada. Ventajosamente, la duración del subperíodo en el que se aumenta el índice de modulación, depende de la duración de las condiciones operativas. De este modo, cuando se detecta un cese de la condición operativa, se pueden detener el modo de sobremodulación y/o el modo de ajuste de tensión de DC. Según una realización, el método comprende obtener datos de tensión de DC acumulados en base a un nivel de la tensión de DC aumentada y datos de tiempo, donde los datos de tensión de DC acumulados se relacionan con un tiempo acumulado en el que la tensión de DC está por encima de un nivel de tensión predeterminado. Ventajosamente, los datos de tensión de DC acumulados se pueden usar para indicar la vida útil restante de los componentes de conmutación, por ejemplo, los IGBT, de los convertidores de potencia. El método de todos los aspectos comprende determinar el segundo nivel de tensión, la duración del subperíodo del modo de ajuste de tensión de DC en el que la tensión del enlace de DC se disminuye desde el segundo nivel de tensión hacia el primer nivel de tensión y/o una tasa de cambio de disminución de la tensión del enlace de DC, en base a los datos de tensión de DC acumulados. Por ejemplo, una duración máxima de aplicación de la tensión de DC aumentada, por ejemplo, por encima de un cierto umbral, se puede limitar según los datos de tensión de DC acumulados.

Según una realización, la condición operativa detectada es una situación de sobretensión en la que la tensión de la red está por encima de un nivel de tensión nominal. El método puede ser particularmente ventajoso para situaciones de sobretensión dado que la aplicación combinada de control de modulación y tensión del enlace de DC permite la generación de una tensión de salida requerido en vista de la sobretensión del enlace de DC.

Según la invención, el subperíodo en el que el índice de modulación se aumenta es un segundo subperíodo que sucede a un primer subperíodo del modo de sobremodulación en donde el convertidor del lado de la red se opera con un índice de modulación en un rango de sobremodulación durante un período de tiempo predeterminado o variable, y en donde el subperíodo en el que se disminuye la tensión de DC del enlace de DC es un segundo subperíodo que sucede a un primer subperíodo del modo de ajuste de tensión de DC en donde la tensión de DC del enlace de DC se aumenta desde el primer nivel de tensión hacia el segundo nivel de tensión. Durante el primer subperíodo del modo de sobremodulación, el índice de modulación se puede controlar según una tasa predeterminada de disminución o puede ser dependiente del nivel de carga de la tensión del enlace de DC. El primer subperíodo del modo de sobremodulación puede incluir un aumento escalonado inicial del índice de modulación con el fin de proporcionar un aumento rápido de la tensión de salida.

Según una realización, el primer subperíodo del modo de sobremodulación y el primer subperíodo del modo de ajuste de tensión de DC tienen lugar simultáneamente. De esta forma, los ajustes pueden hacerse coincidir de manera similar a los ajustes durante los segundos subperíodos.

Según una realización, el método comprende reducir el índice de modulación durante el primer subperíodo del modo de sobremodulación desde un valor en el rango de sobremodulación hasta un valor en un rango de modulación lineal dependiente de un nivel de la tensión de DC y/o dependiente de una tasa de cambio predeterminada.

Según una realización, el índice de modulación se reduce al valor en el rango de modulación lineal en respuesta a la tensión de DC que alcanza el segundo nivel de tensión. El segundo nivel de tensión puede ser lo suficientemente alto para generar la tensión de salida deseada de modo que sea suficiente un índice de modulación en el rango lineal. Aunque se puede preferir reducir el índice de modulación a un valor en el rango de modulación lineal, también es posible reducir solamente el índice de modulación a un valor en el rango de sobremodulación, tal como un valor en el rango inferior del rango de sobremodulación, por ejemplo, cerca del rango de modulación lineal.

Según una realización, una tasa de cambio de la disminución del índice de modulación durante el primer subperíodo del modo de sobremodulación y una tasa de cambios en el aumento de la tensión de DC durante el primer subperíodo del modo de ajuste de tensión de DC se hacen coincidir con el fin de lograr una tensión de salida deseada del convertidor del lado de la red.

Según una realización, el método comprende cambiar el índice de modulación dependiente de un nivel de tensión de DC entre el primer y segundo niveles de tensión. Esta dependencia se aplica al primer y/o segundo subperíodos del modo de sobremodulación.

Otras características y/o ventajas de la invención serán evidentes a partir de y se dilucidarán con referencia a las realizaciones descritas de aquí en adelante. El alcance de la invención se define solamente por las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción de los dibujos

Se describirán realizaciones de la invención, a modo de ejemplo solamente, con referencia a los dibujos, en los que la Fig. 1 muestra un aerogenerador,

la Fig. 2 muestra un sistema de generación de potencia de un aerogenerador,

la Fig. 3A muestra un método para operar el aerogenerador en respuesta a una condición operativa detectada que requiere un aumento de la tensión de salida del convertidor de la red,

la Fig. 3B muestra datos de tensión del enlace de DC acumulados obtenidos sumando las tensiones del enlace de DC a lo largo del tiempo,

la Fig. 4 muestra el método para operar el aerogenerador en una situación con un cese temprano de una situación de sobretensión, y

la Fig. 5 muestra un sistema de control de convertidor para controlar la corriente reactiva Id y la corriente activa Iq generadas por el convertidor del lado de la red.

Descripción de realizaciones

La Fig. 1 muestra un aerogenerador 100 (WTG) que comprende una torre 101 y un rotor 102 con al menos una pala de rotor 103, tal como tres palas. El rotor está conectado a una góndola 104 que está montada en la parte superior de la torre 101 y que está adaptada para accionar un generador situado en el interior de la góndola a través de un tren de accionamiento. El rotor 102 es giratorio por acción del viento. La energía de rotación inducida por el viento de las palas del rotor 103 se transfiere a través de un eje al generador. De este modo, el aerogenerador 100 es capaz de convertir la energía cinética del viento en energía mecánica por medio de las palas del rotor y, posteriormente, en energía eléctrica por medio del generador. El generador está conectado con un convertidor de potencia que comprende un convertidor del lado del generador y un convertidor del lado de la red. El convertidor del lado del generador convierte la potencia de AC del generador en potencia de DC y el convertidor del lado de la red convierte la potencia de DC en potencia de AC para su inyección dentro de la red de la empresa de servicios públicos a través de los inductores de salida del aerogenerador 100.

La Fig. 2 muestra un ejemplo de un sistema de potencia 200 de un aerogenerador 100. El sistema de potencia comprende un generador 201, un convertidor del lado del generador 203, un convertidor del lado de la red 204 y un enlace de DC 205. El enlace de DC 205 comprende uno o más condensadores de enlace de DC que se cargan mediante la corriente de salida de DC del convertidor del lado del generador 203 y que suministra potencia de DC al convertidor del lado de la red 204. La corriente de AC de salida del convertidor del lado de la red 204 se suministra a través de los inductores de salida 206 y posiblemente a través de un transformador de red 208 a la red 220.

El convertidor del lado de la red es capaz de resistir una cierta sobretensión de la red Ug, por ejemplo, 1,1-1,3 pu. Hasta cierto punto, los sobretensiones de la red se pueden manejar absorbiendo potencia reactiva de modo que se genere una caída de tensión sobre los inductores de salida 206. La absorción de potencia reactiva puede conducir a la carga de los condensadores del enlace de DC. La carga del condensador del enlace de DC puede conducir al desencadenamiento no intencionado del sistema convertidor/aerogenerador y/o daño en los componentes de potencia.

Alternativamente, tales situaciones de sobretensión se pueden manejar aumentando la tensión de salida Uo del convertidor del lado de la red 204, es decir, la amplitud de la tensión en la conexión eléctrica entre la salida del convertidor del lado de la red 204 y los inductores de salida 206.

Las situaciones de sobretensión pueden ser debidas a un aumento temporal de la tensión de la red debido a algún problema de la red que cause un aumento de la tensión de la red por encima de la tensión de la red nominal. Se puede hacer referencia a tales situaciones de sobretensión como situaciones de periodo de protección de sobretensión (OVRT). Otra situación que se puede manejar por un aumento de una tensión de salida del convertidor del lado de la red es una recuperación de una situación de subtensión donde la tensión de la red aumenta desde una baja tensión hasta el nivel de tensión nominal. La situación de recuperación de la tensión de la red requiere una tensión de salida Uo aumentada temporalmente debido a la dinámica del sistema de control, en particular debido a un retardo entre el aumento de la tensión de la red Ug durante la recuperación y un valor anticipativo de la tensión de la red Ug que se añade al controlador 503 (véase la Fig. 5, pero no se muestra el anticipativo) y forma parte de la salida Uq. De manera similar, una condición del generador que requiera o cause un aumento de la velocidad del generador puede requerir un aumento de la tensión de salida del convertidor del lado de la red. Como otro ejemplo, en situaciones en las que el índice de modulación de la modulación PWM está cerca del rango de sobremodulación (véase la explicación a continuación), pueden surgir condiciones en las que se requiera temporalmente sobremodulación con el fin de aumentar la tensión de salida.

La Fig. 2 también muestra un sistema de control 250 para operar el aerogenerador, particularmente para controlar el convertidor del lado de la red 204. El convertidor del lado de la red 204 usa alguna variante de modulación de ancho de pulso (PWM) para convertir la potencia de DC en potencia de AC. El sistema de control 250 se usa para controlar la modulación del convertidor del lado de la red 204. En particular, el convertidor del lado de la red 204 se puede controlar en un modo de modulación lineal y un modo de sobremodulación. Además, el sistema de control 250 se usa para controlar la tensión de DC del enlace de DC 250. Un ejemplo del control de tensión se explica en conexión con la Fig. 5.

La tensión de salida Uo del convertidor del lado de la red es dependiente de la tensión de DC UDC y del factor de modulación. De este modo, la tensión de DC establece un límite en la tensión de salida Uo máxima. En el modo de modulación lineal, el convertidor del lado de la red se opera con un índice de modulación dentro de un rango de modulación lineal. En el rango de modulación lineal, la tensión de salida Uo aumenta linealmente con el factor de modulación hasta un factor de modulación lineal máximo. Aumentando el factor de modulación más allá del factor de modulación lineal máximo en un rango de sobremodulación, la tensión de salida Uo se puede aumentar más allá de la amplitud de tensión máxima que se puede lograr en el modo de modulación lineal, pero a costa de armónicos de orden inferior en la tensión de salida Uo. Los armónicos de orden inferior conducen a la contaminación de la red. Por consiguiente, el uso de sobremodulación puede no ser aceptable, por ejemplo, según los códigos de la red. No obstante, el uso de modulación puede ser aceptable durante períodos más cortos. La amplitud de tensión máxima se logra cuando la señal de tensión de salida Uo tiene la forma de una onda cuadrada. En este caso, el convertidor del lado de la red 204 se opera en una operación de seis pasos o con una sobremodulación máxima.

Otra forma de aumentar la amplitud de la tensión de salida Uo es aumentar la tensión de DC UDC del enlace de DC 205. Un problema con aumentar la tensión del enlace de DC es que el riesgo de avería de los elementos de conmutación, por ejemplo, los IGBT, debido a los rayos cósmicos, aumenta con la tensión del enlace de DC. La tensión del enlace de DC se puede aumentar, pero a costa de reducir la vida útil de los elementos de conmutación. La Fig. 3A ilustra un método para operar el aerogenerador 100 en respuesta a una condición operativa detectada, particularmente una situación de sobretensión (OVRT), que requiere un aumento de la tensión de salida Uo del convertidor del lado de la red 204.

De este modo, la Fig. 3A ilustra un ejemplo en el que la condición operativa detectada en t1 requiere un aumento de la tensión de salida Uo hasta la tensión de salida Uo_dH deseada. La condición operativa puede ser una situación de sobretensión de la red en la que la tensión de la red puede aumentar hasta, por ejemplo, el 20% por encima de la tensión nominal de la red.

La condición operativa, por ejemplo, una sobretensión de la red, se puede detectar por una función de monitorización 251 del sistema de control 250. La función de monitorización se puede configurar para medir o estimar la tensión de la red Ug u otra variable operativa o parámetro del aerogenerador 100. En general, la función de monitorización monitoriza una señal de aerogenerador y, sobre la base de la señal, se obtiene una señal o valor medido o estimado a partir del cual se puede determinar el nivel de la sobretensión o la presencia de la sobretensión.

En t1 se detecta una sobretensión de la red. Esto desencadena el comienzo de un modo de sobremodulación 320 en donde el convertidor del lado de la red se opera con un índice de modulación Mi en un rango de sobremodulación 301 durante un período de tiempo predeterminado o variable, en este ejemplo entre t1 y t5. En este ejemplo, el índice de modulación Mi máximo en el rango lineal tiene el valor “uno” y los índices de sobremodulación tienen valores por encima de “uno”. No obstante, el límite entre la modulación lineal y la sobremodulación puede tener otros valores dependientes de cómo se defina el índice de modulación. Antes de t1, el índice de modulación Mi tiene el valor Mi0

Debido al aumento del índice de modulación Mi, la tensión de salida Uo aumenta en t1 a la tensión Uo_d deseada. En este ejemplo, la tensión de referencia del enlace de DC durante la operación normal se establece en un valor que está un 5% por encima del valor mínimo Umin. El margen del 5% proporciona una reserva de tensión de DC que se puede usar para ajustar la tensión de salida Uo, por ejemplo, mediante aumentos del índice de modulación Mi en el rango de modulación lineal. Además, la reserva de tensión proporciona espacio para la dinámica del control del convertidor del lado de la red 204. El nivel de tensión de la reserva de tensión se controla por el sistema de control 250.

En este ejemplo, en el mismo tiempo que se inicia el modo de sobremodulación, es decir, en el tiempo t1, el sistema de control 250 inicia un modo de ajuste de tensión de DC 310, aquí entre t1 y t4, donde se controla la tensión del enlace de DC UDC. El control de la tensión de DC incluye un aumento inicial de la tensión del enlace de DC desde un primer nivel de tensión 302 (aquí el 5% por encima del nominal) hacia un segundo nivel de tensión 303, por ejemplo, una alta tensión UH durante t1-t2. Con el fin de compensar el efecto del aumento de la tensión del enlace de DC sobre la tensión de salida Uo, el índice de modulación Mi se puede disminuir durante t1-t2. El índice de modulación Mi se puede disminuir al valor Mi1 que, junto con el segundo nivel de tensión 303, genera la tensión de salida Uo_d deseada. El índice de modulación Mi1 puede estar por encima o preferiblemente por debajo del valor umbral de sobremodulación 1. Por ejemplo, el índice de modulación se puede devolver al valor inicial Mi0, es decir, de modo que Mi0=Mi1. Como resultado, la tensión de salida Uo es constante durante t1-t2.

El modo de sobremodulación 320 comprende un primer subperíodo 321 en donde el convertidor del lado de la red 204 se opera con un índice de modulación en un rango de sobremodulación 301 durante un período de tiempo predeterminado o variable.

El modo de ajuste de tensión de DC 310 comprende un primer subperíodo 311 en donde la tensión de DC del enlace de DC 205 se aumenta desde el primer nivel de tensión 302 hacia el segundo nivel de tensión 303. La duración del primer subperíodo 321 del modo de sobremodulación 320 puede ser un período variable que depende del tiempo de carga de t1 a t2.

De este modo, con el fin de generar la tensión de salida Uo_dH deseada tan pronto como se detecta la condición operativa en t1, el índice de modulación Mi se aumenta a un valor en el rango de sobremodulación. En el mismo tiempo, o posiblemente retardado, se aumenta la tensión del enlace de DC. En t2, la tensión del enlace de DC alcanza la alta tensión del enlace de DC UH que se requiere para generar la tensión de salida Uo_dH deseada sin sobremodulación. La alta tensión del enlace de DC UH puede ser aproximadamente un 10% más alta que la tensión del enlace de DC nominal, o un 20-30% más alta que la tensión del enlace de DC nominal.

En t2, el condensador del enlace de DC se ha cargado hasta el nivel de tensión de DC deseada UH, 303, de modo que la tensión de salida Uo deseada se pueda lograr únicamente sobre la base del aumento de la tensión del enlace de DC o en parte sobre la base de la tensión del enlace de DC aumentada cuando Mi = Mi1 es mayor que el índice de modulación inicial Mi0. También es posible que el condensador del enlace de DC se cargue hasta una tensión de DC más alta, por ejemplo, una tensión por encima del nivel UH, 303, de modo que Mi1 se pueda disminuir a un valor menor que el índice de modulación inicial Mi0. De este modo, en general Mil puede ser menor, mayor o igual que Mi0.

El uso de la alta tensión del enlace de DC durante períodos prolongados puede tener un impacto significativo en la vida útil restante del convertidor del lado de la red 204. Por consiguiente, el uso de la alta tensión del enlace de DC se limita preferiblemente a un mínimo. Por otra parte, la sobremodulación también es problemática dado que puede generar una contaminación de la red no deseada.

Mi1 puede ser un valor en el rango de modulación lineal o posiblemente en el extremo inferior del rango de sobremodulación 301. De este modo, como alternativa a disminuir el índice de modulación a un valor en el rango de modulación lineal, el índice de modulación Mi se puede reducir a un valor más bajo en el rango de sobremodulación, por ejemplo, un valor que es aceptable durante un período de tiempo dado con respecto a la generación de contaminación de la red debido a la generación de armónicos de bajo orden. Por ejemplo, el valor Mil del índice de modulación se puede mantener durante un período de t2 a t3 como se indica. De manera similar, la tensión del enlace de DC aumentada UH se puede mantener durante t2 a t3.

El primer subperíodo 311 del modo de ajuste de tensión de DC 310 y el primer subperíodo 321 del modo de sobremodulación 320 proporcionan un rápido, casi instantáneo, aumento de la tensión de salida Uo. No obstante, debido a la influencia negativa de la alta tensión de DC UH sobre la vida útil de los elementos de conmutación, la duración del primer subperíodo 311 se debería limitar. Se observa que el primer subperíodo 311 puede incluir el período de t2 a t3 en el que la tensión de DC se mantiene en un valor constante o sustancialmente constante.

La aplicación simultánea de aumentar el índice de modulación en el rango de sobremodulación, es decir, el paso del aumento a t1, y aumentar la tensión del enlace de DC durante t1 a t2, permite un aumento rápido de la tensión de salida Uo de modo que el aumento deseado de la tensión de salida Uo se pueda abordar de manera efectiva. Según el ejemplo de la Fig. 3, el primer subperíodo 311 del modo de ajuste de tensión DC 310 y el primer subperíodo 321 del modo de sobremodulación 320 tienen lugar simultáneamente durante un subperíodo común de t1 a t2. Alternativamente, los primeros subperíodos 311, 321 pueden tener períodos superpuestos, pero pueden tener tiempos de inicio y/o finalización diferentes. Por ejemplo, el aumento de la tensión de DC UDC se puede iniciar en el tiempo t1' (no mostrado) que se retarda con relación al aumento del índice de modulación Mi en el tiempo t1. No necesitan ser iniciados el modo de sobremodulación 320 y el modo de control de tensión de DC 310 al mismo tiempo, por ejemplo, en t1 como se muestra en la Fig. 3.

La Fig. 3A ilustra una solución al problema en el aspecto del tiempo de vida. De este modo, después de t2, cuando la tensión del enlace de DC haya alcanzado el segundo nivel de tensión 303 u otro nivel de tensión de DC por encima del primer nivel de tensión 302, la tensión del enlace de DC UDC se disminuye y el índice de modulación Mi se aumenta a un valor más alto MiH en el rango de sobremodulación. El índice de modulación MiH es mayor que el índice de modulación Mi1. El índice de modulación se puede aumentar hasta la modulación de seis pasos o cualquier otro valor en el rango de sobremodulación 301. La disminución de la tensión del enlace de DC UDC y el aumento del índice de modulación se pueden iniciar inmediatamente después del tiempo t2 o retardar un tiempo corto hasta el tiempo t3 como se ilustra. La disminución de la tensión del enlace de DC UDC y el aumento del índice de modulación Mi pueden comenzar en el mismo tiempo t2 o t3, o pueden comenzar en diferentes tiempos. De este modo, el primer subperíodo 321 del modo de sobremodulación 320 puede ser sucedido por un segundo subperíodo 322 en el que se aumenta el índice de modulación Mi. De manera similar, el primer subperíodo 311 del modo de ajuste de tensión de DC 310 se puede suceder por un segundo subperíodo 312 en donde la tensión de DC del enlace de DC se disminuye desde el segundo nivel de tensión 303 hasta el primer nivel de tensión 302.

El aumento del índice de modulación y la disminución de la tensión del enlace de DC se pueden finalizar en el mismo tiempo t4, o posiblemente en diferentes tiempos. Después de que la tensión de DC se haya disminuido de vuelta al primer nivel de tensión 302, el índice de modulación Mi se mantiene en el índice de modulación alto durante un período de tiempo fijo o variable, por ejemplo, hasta t5 como se muestra.

El tiempo t5 puede ser el momento con un cese de la condición operativa que se detecta. En consecuencia, en t5 el índice de modulación Mi se reduce de vuelta al valor antes de la detección de sobretensión en t1.

El cambio del índice de modulación Mi del valor de sobremodulación a un índice de modulación normal (Mi0) o inferior (Mi1), y/o el aumento del índice de modulación del índice de modulación bajo (Mi0 o Mil) se puede realizar dependiente del nivel de tensión del enlace de DC obtenido durante la parte del modo de ajuste de tensión de DC donde la tensión de DC se aumenta o disminuye, respectivamente.

El índice de modulación Mi se podría cambiar varias veces dependiendo de las medidas de la tensión del enlace de DC, por ejemplo, durante el aumento de la tensión del enlace de DC para adaptar el índice de modulación Mi al aumento gradual de la tensión del enlace de DC. De este modo, el índice de modulación se puede ajustar una o más veces durante el modo de sobremodulación dependiente de una tensión del enlace de DC obtenida entre el primer y segundo niveles de tensión 302, 303.

La tensión de salida Uo deseada varía dependiente de la cantidad de corriente reactiva entregada o recibida por el convertidor del lado de la red 204. Es decir, la caída de tensión sobre los inductores de salida 206 varía dependiente de la corriente reactiva que fluye a través de los inductores 206, así con el fin de generar una tensión de la red Ug deseada, la tensión de salida Uo puede necesitar ser variada de modo que la tensión de salida Ug en el lado de la red de los inductores 206 satisfaga el nivel de tensión de la red.

Por consiguiente, además de cambiar el índice de modulación dependiente de un nivel de la tensión del enlace de DC UDC entre el primer y segundo niveles de tensión, el índice de modulación se puede ajustar dependiente de las variaciones de la tensión de salida Uo deseada.

Además, la tensión del enlace de DC UDC se puede ajustar durante el modo de ajuste de tensión de DC 310 dependiente de las variaciones de la tensión de salida Uo deseada, posiblemente simultánea con los ajustes del índice de modulación durante el modo de sobremodulación 320. De este modo, dado que la duración de la condición operativa puede no ser conocida y dado que la tensión de salida Uo requerida puede variar durante la condición operativa, la tasa de cambio simultánea de la tensión del enlace de DC UDC decreciente y el índice de modulación Mi creciente se pueden ajustar durante el período de ajuste de t3 a t4. De manera similar, la tasa de cambio simultánea de la tensión del enlace de DC creciente y el índice de modulación Mi decreciente se pueden ajustar durante el período de ajuste de t1 a t2.

Aunque se le hace referencia como modo de sobremodulación 320 donde el índice de modulación normalmente se establece en valores en el rango de sobremodulación, el índice de modulación también se puede establecer en valores en el rango de modulación lineal, al menos durante una parte de la duración del modo de sobremodulación 320.

El modo de sobremodulación 320 se puede finalizar mediante el ajuste del índice de modulación Mi a un índice de modulación Mi más bajo, por ejemplo, volver a un índice de modulación en el rango lineal, dependiente de la tensión del enlace de DC entre el primer y segundo niveles de tensión. Por ejemplo, cuando la tensión del enlace de DC alcanza el segundo nivel de tensión 303, esto puede desencadenar un cambio en el índice de modulación, por ejemplo, como se ilustra en la Fig. 3A.

La duración del modo de sobremodulación 320 puede ser dependiente de la condición operativa detectada, por ejemplo, el nivel de sobretensión de la tensión de red Ug u otro valor. Por ejemplo, una condición particular detectada, por ejemplo, la tensión de red Ug, puede establecer un periodo de tiempo predeterminado del modo de sobremodulación. Alternativamente, una condición detectada particular, por ejemplo, tensión de red Ug, puede establecer una duración mínima o máxima del modo de sobremodulación de modo que la condición operativa detectada establezca un periodo de tiempo variable del modo de sobremodulación con una posible duración mínima y/o máxima.

La duración de los primeros subperíodos 311, 321 de los modos de ajuste de tensión de DC y sobremodulación 310, 320 puede ser significativamente más corta que la de los segundos subperíodos 212, 322. Por ejemplo, los primeros subperíodos 311, 321 pueden tener una duración de 20 ms, mientras que los segundos subperíodos 312, 322 posteriores pueden tener una duración en el rango de 0,1 segundos y hasta 10 segundos o más. Se puede requerir que el aerogenerador mantenga una conexión a la red durante tiempos mucho más prolongados, por ejemplo, hasta media hora para sobretensiones de hasta el 116% o el 125% de la tensión de la red nominal. Esto se puede lograr extendiendo el segundo subperíodo 322 del modo de sobremodulación 320 durante el período de tiempo requerido. La disminución simultánea de la tensión del enlace de DC UDC y el aumento del índice de modulación Mi, es decir, la tasa de cambio de estos durante sus respectivos segundos subperíodos 312, 322, se pueden hacer coincidir para lograr una tensión de salida deseada del convertidor del lado de la red. Por ejemplo, la tasa de cambio del aumento del índice de modulación Mi se puede adaptar dependiente de la tasa de cambio de la tensión del enlace de DC UDC con el fin de generar una tensión de salida Uo constante.

Se observa que la disminución de la tensión del enlace de DC UDC y el aumento del índice de modulación Mi se pueden desplazar uno con relación al otro, por ejemplo, de modo que la disminución inicial de la tensión del enlace de DC se inicie antes de iniciar el aumento del índice de modulación Mi, es decir, antes de comenzar el segundo subperíodo 322 del modo de sobremodulación 320. De este modo, en general, al menos una parte de un período de disminución de la tensión del enlace de DC y al menos una parte de un período de aumento del índice de modulación Mi tienen lugar simultáneamente.

Después de que el índice de modulación Mi haya alcanzado un valor que genera la tensión de salida Uo deseada en t4, el índice de modulación se puede mantener en un valor constante o posiblemente ajustar según los cambios de la tensión de red Ug o la tensión de salida Uo_d, Uo_dH deseada.

La tensión del enlace de DC UDC y el índice de modulación Mi se pueden cambiar linealmente durante el primer y/o segundo subperíodos 311, 312, 321, 322 o no linealmente incluyendo variaciones de forma escalonada.

Dado que la tensión del enlace de DC se disminuye gradualmente, el período en el que la tensión del enlace de DC es alta, por ejemplo, por encima del 10% o del 20-30% de la tensión nominal, el efecto negativo de la vida útil en el convertidor del lado de la red se reduce en comparación con las soluciones en las que la tensión del enlace de DC se mantiene en un nivel alto. De manera similar, dado que el índice de modulación se aumenta gradualmente, el uso de una sobremodulación alta durante períodos más prolongados ocurre solamente cuando la condición operativa persiste durante períodos relativamente prolongados, es decir, períodos que son más prolongados que el período de rampa de la tensión del enlace de DC.

Dado que el nivel de la tensión del enlace de DC UDC y el período de tiempo que el enlace de DC tiene una cierta tensión tiene un impacto en la vida útil restante del convertidor del lado de la red 204, la información acerca del tiempo de vida restante estimado se puede usar para determinar cómo se debería operar el aerogenerador 100. El tiempo de vida restante se puede determinar en base a los datos de tensión del enlace de DC acumulados que se obtienen en base a los datos de tensión de DC y de tiempo, por ejemplo, como se ilustra en la Fig. 3B, los datos de tensión del enlace de DC acumulados 350 se pueden obtener sumando o integrando las tensiones del enlace de DC durante el período de tiempo en el que la tensión del enlace de DC está dentro de un rango de tensión dado A1-A5.

Por ejemplo, un rango de tensión A1 puede incluir tensiones del enlace de DC dentro de un rango del 5% al 10% por encima del nivel nominal del 0%, o un rango del 0% al 10% con relación al nivel de tensión nominal de la tensión del enlace de DC. Los datos acumulados agrupados en diferentes rangos A1-A5 se podrían sumar y usar como base para determinar el tiempo de vida restante con respecto a los rayos cósmicos. Los datos de tensión de DC acumulados se relacionan con un tiempo acumulado donde la tensión de DC está por encima de un nivel de tensión predeterminado, tal como el nivel de tensión del 0% o el 5%, o donde la tensión de DC está dentro de diferentes rangos A1-A5.

Por ejemplo, si hay una vida útil restante limitada del convertidor del lado de la red 204, puede ser ventajoso limitar el valor del segundo nivel de tensión 303 a una reserva de tensión más baja o limitar la duración máxima donde se puede aplicar un aumento de tensión de DC, por ejemplo, la duración del primer y/o segundo subperíodos 311, 312 del modo de ajuste de tensión de DC 310. En general, la vida útil restante o los datos de tensión de DC acumulados se pueden usar para determinar los niveles de tensión del enlace de DC y/o las duraciones máximas de una tensión del enlace de DC dada.

La Fig. 4 ilustra el método según la Fig. 3A, pero donde el cese de la condición operativa se detecta en t5', es decir, antes de que la tensión del enlace de DC haya disminuido al primer nivel 302. Incluso aunque el índice de modulación se reduzca instantánea o gradualmente (por ejemplo, durante t5' a t6) al valor inicial Mi0, debido a la capacidad del condensador del enlace de DC, la descarga tarda algún tiempo. En consecuencia, la tensión de salida Uo se reduce de vuelta al valor nominal durante un período de tiempo correspondiente de t5' a t6.

Se puede lograr una reducción más rápida de la tensión de salida Uo aplicando una reducción rápida del índice de modulación Mi en t5', por ejemplo, aplicando una reducción escalonada del índice de modulación a un valor que es menor que el valor nominal del índice de modulación Mi0. Esto se ilustra mediante la línea de puntos 410 para el salto en el índice de modulación y la línea de puntos 411 para la tensión de salida Uo generada en respuesta al salto del índice de modulación 310 y la reducción de la tensión del enlace de DC durante t5'-t6.

La Fig. 5 muestra el sistema de control del convertidor 501 para controlar la corriente reactiva Id y la corriente activa Iq generada por el convertidor del lado de la red 204 y, en consecuencia, la tensión de salida Uo. El sistema de control del convertidor 501, o componentes del mismo, pueden formar parte del sistema de control 250. Alternativamente, el sistema de control del convertidor 501 puede recibir señales de control del sistema de control 250, tales como una referencia de tensión del enlace de DC UDCref y una señal de control de modulación Mx para el modulador de ancho de pulso 505.

La corriente activa Iq se controla a través de la referencia de tensión UDCref para la tensión del enlace de DC UDC. El error entre la UDCref y la UDC se suministra al controlador 502 que puede ser PI u otro controlador adecuado y que genera la referencia de corriente activa Iqref. Iqref se compara con la corriente activa Iq realmente producida y la diferencia se suministra al controlador 503 que puede ser un PI u otro controlador adecuado. El controlador 503 determina una salida de control de tensión Uq que se convierte por la unidad DQ/ap del cuadro DQ al cuadro ap. La salida de la unidad DQ/ap se convierte por el modulador de ancho de pulso PWM, 505, en una señal de modulación para el convertidor del lado de la red 204. La corriente reactiva Id se controla de forma similar en base a la referencia de corriente reactiva Idref, que se puede recibir de un controlador de planta de energía (PPC) o de un operador de red (TSO).

La referencia de tensión del enlace de DC UDCref se determina según las tensiones del enlace de DC deseadas como se explicó anteriormente, por ejemplo, el nivel del 5%, el nivel del 10%, el nivel de UH, otros niveles y las rampas ascendentes y descendentes de la tensión del enlace de DC deseada. Por consiguiente, una referencia de tensión del enlace de DC UDCref aumentada conduce a una referencia de Uq aumentada y, por ello, a una tensión de salida Uo aumentada debido al aumento de la tensión del enlace de DC UDC.

El índice de modulación Mi del modulador 505 se puede controlar a través de la entrada de modulación 506 mediante una señal de control de modulación Mx generada por el sistema de control 250.

Aunque la presente invención se ha descrito en conexión con las realizaciones especificadas, el alcance de la presente invención está definido por el conjunto de reivindicaciones que se acompañan.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Un método para operar un aerogenerador (100) que comprende un generador de potencia (201), un convertidor del lado del generador (203), un convertidor del lado de la red (204), un enlace de DC (205) conectado eléctricamente a una salida del convertidor del lado del generador y una entrada del convertidor del lado de la red, el método comprende

- monitorizar la señal de un aerogenerador para la detección de una condición operativa que requiera un aumento de una tensión de salida (Uo) del convertidor del lado de la red, y

- tras la detección de la condición operativa, iniciar un modo de sobremodulación (320) en donde el convertidor del lado de la red se opera con un índice de modulación que se aumenta a un valor (MiH) en un rango de sobremodulación (301) al menos durante un subperíodo (322) del modo de sobremodulación (310), caracterizado por que,

- tras la detección de la condición operativa, iniciar un modo de ajuste de tensión de DC (310) en donde la tensión de DC del enlace de DC se disminuye desde un segundo nivel de tensión (303) hacia un primer nivel de tensión (302) al menos durante un subperíodo (312) del modo de ajuste de tensión de DC (310),

- el subperíodo en el que se aumenta el índice de modulación es un segundo subperíodo (322) que sucede a un primer subperíodo (321) del modo de sobremodulación en donde el convertidor del lado de la red se opera con un índice de modulación en un rango de sobremodulación durante un período de tiempo predeterminado o variable, y - el subperíodo en el que se disminuye la tensión de DC del enlace de DC es un segundo subperíodo (312) que sucede a un primer subperíodo (311) del modo de ajuste de tensión de DC, en donde la tensión de DC del enlace de DC se aumenta desde el primer nivel de tensión (302) hacia el segundo nivel de tensión (303).

2. Un método según la reivindicación 1, en donde la tasa de cambio de la disminución de la tensión de DC y la tasa de cambio del aumento del índice de modulación se hacen coincidir con el fin de lograr una tensión de salida deseada del convertidor del lado de la red al menos durante el subperíodo (312) del modo de ajuste de tensión de DC (310) o el subperíodo (322) del modo de sobremodulación (320).

3. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde al menos una parte del subperíodo de disminución de la tensión de DC y al menos una parte del subperíodo de aumento del índice de modulación tienen lugar simultáneamente.

4. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el subperíodo (322) de operación del convertidor del lado de la red en el modo de sobremodulación (320) es dependiente de la duración de la condición operativa detectada.

5. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende obtener datos de tensión de DC (350) acumulados en base a un nivel de la tensión de DC aumentada y datos de tiempo, donde los datos de tensión de DC acumulados se relacionan con un tiempo acumulado donde la tensión de DC está por encima de un nivel de tensión predeterminado.

6. Un método según la reivindicación 5, que comprende determinar el segundo nivel de tensión, la duración del subperíodo (312) del modo de ajuste de tensión de DC (310) donde la tensión del enlace de DC se disminuye desde el segundo nivel de tensión hacia el primer nivel de tensión y/o una tasa de cambio de disminución de la tensión del enlace de DC, en base a los datos de tensión de DC acumulados.

7. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la condición operativa detectada es una situación de sobretensión en la que una tensión de la red está por encima de un nivel de tensión de la red nominal.

8. Un método según la reivindicación 1, en donde el primer subperíodo del modo de sobremodulación y el primer subperíodo del modo de ajuste de tensión de DC tienen lugar simultáneamente.

9. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende reducir el índice de modulación (Mi) durante el primer subperíodo (321) del modo de sobremodulación (320) desde un valor en el rango de sobremodulación (301) hasta un valor en un rango de modulación lineal dependiente de un nivel de la tensión de DC (UDC).

10. Un método según la reivindicación 9, en donde el índice de modulación (Mi) se reduce al valor en el rango de modulación lineal en respuesta a la tensión de DC que alcanza el segundo nivel de tensión (303).

11. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 9-10, en donde una tasa de cambio de la disminución del índice de modulación durante el primer subperíodo (321) del modo de sobremodulación (320) y una tasa de cambio del aumento de la tensión de DC durante el primer subperíodo (311) del modo de ajuste de tensión de DC (310) se hacen coincidir con el fin de lograr una tensión de salida deseada del convertidor del lado de la red.

12. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende cambiar el índice de modulación dependiente de un nivel de la tensión de DC entre el primer y segundo niveles de tensión.

13. Un sistema de control (250) para operar un aerogenerador, el aerogenerador comprende un generador de potencia, un convertidor del lado del generador, un convertidor del lado de la red, un enlace de DC conectado eléctricamente a una salida del convertidor del lado del generador y una entrada del convertidor del lado de la red, el sistema de control está dispuesto para

- monitorizar la señal de un aerogenerador para la detección de una condición operativa que requiera un aumento de la tensión de salida (Uo) del convertidor del lado de la red, y

- tras la detección de la condición operativa, iniciar un modo de sobremodulación (320) en donde el convertidor del lado de la red se opera con un índice de modulación que se aumenta a un valor (MiH) en un rango de sobremodulación (301) al menos durante un subperíodo (322) del modo de sobremodulación (310), caracterizado por que,

- el sistema de control está dispuesto además para, tras la detección de la condición operativa, iniciar un modo de ajuste de tensión de DC (310) en donde la tensión de DC del enlace de DC se disminuye desde un segundo nivel de tensión (303) hacia un primer nivel de tensión (302) al menos durante un subperíodo (312) del modo de ajuste de tensión de DC (310),

- el subperíodo en donde se aumenta el índice de modulación es un segundo subperíodo (322) que sucede a un primer subperíodo (321) del modo de sobremodulación en donde el convertidor del lado de la red se opera con un índice de modulación en un rango de sobremodulación durante un período de tiempo predeterminado o variable, y - el subperíodo en donde se disminuye la tensión de DC del enlace de DC es un segundo subperíodo (312) que sucede a un primer subperíodo (311) del modo de ajuste de tensión de DC, en donde la tensión de DC del enlace de DC se aumenta desde el primer nivel de tensión (302) hacia el segundo nivel de tensión (303).

14. Un aerogenerador (100) que comprende un sistema de control según la reivindicación 13.