ES3066007T3 - Double-fed wind energy system with a medium voltage transformer - Google Patents

Abstract

Una turbina eólica de doble alimentación (100) con una trayectoria de estator y una trayectoria de rotor, la trayectoria de rotor tiene un convertidor del lado del rotor (207) y un convertidor del lado de la red (208), donde la trayectoria del rotor y la trayectoria del estator terminan en un punto de acoplamiento (218) y están conectadas conjuntamente a una red de suministro eléctrico (210) a través de un transformador de media tensión (209), donde se proporciona un contactor de estator en la trayectoria del estator y un interruptor de circuito (214) se proporciona en la trayectoria del rotor, donde se proporciona un primer dispositivo de protección contra sobretensiones (215) entre el transformador de media tensión y el contactor de estator para protegerlo de las sobretensiones de la red de media tensión. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Aerogenerador doblemente alimentado con un transformador de media tensión

[0003] La presente invención se refiere a un aerogenerador con un generador asíncrono doblemente alimentado que presenta una trayectoria de estátor y una trayectoria de rotor que presenta un convertidor del lado del rotor y otro del lado de la red. La trayectoria de rotor y la trayectoria de estátor desembocan en un punto de acoplamiento y se conectan conjuntamente, a través de él, a una red de suministro eléctrico. La conexión del aerogenerador se realiza a través de un transformador, en donde la trayectoria de estátor y la trayectoria de rotor alimentan en el lado de baja tensión conjuntamente el devanado del lado de baja tensión del transformador.

[0004] La implementación habitual de este tipo de aerogeneradores prevé un concepto de seccionamiento complicado y caro, constituido por varios módulos. Por tanto, según el estado de la técnica, en el lado de baja tensión del transformador está previsto al menos un disyuntor para la trayectoria de potencia eléctrica completa. En las clases de potencia de 5 MW y superiores, típicas de este tipo de aerogeneradores, el experto en la materia diseñaría el disyuntor para intensidades de corriente de al menos 6300 A. Además, en el lado de alta tensión del transformador está previsto un disyuntor de media tensión (MVSG = Medium Voltage Switch Gear), por medio del cual el aerogenerador completo puede conmutarse a un estado sin tensión y que, mediante la apertura, lo protege contra sobrecargas y/o corrientes de cortocircuito demasiado altas.

[0005] Como protección primaria contra sobrecargas y cortocircuito sirve el disyuntor del lado de baja tensión para la trayectoria de potencia eléctrica completa. Este igualmente está concebido como órgano seccionador seguro y hace posible que, estando abierto el disyuntor, se pueda trabajar de manera segura en el lado sin tensión, cuando se requieren trabajos de mantenimiento en el aerogenerador. El disyuntor para la trayectoria de potencia eléctrica completa puede seccionar de forma segura muchos casos de fallo graves y moderados. El consumo propio del aerogenerador generalmente es tomado aguas arriba del disyuntor, de modo que el aerogenerador sigue estando accesible para un análisis de fallos incluso tras fallos graves y los sistemas alimentados por el consumo propio como, por ejemplo, accionamientos eléctricos para el ajuste de ángulos de palas de rotor o la orientación del cubo de la góndola, no se ven perjudicados por un fallo y siguen siendo capaces de funcionar incluso tras la apertura del disyuntor del lado de baja tensión.

[0006] Los aerogeneradores según el estado de la técnica presentan, además de los disyuntores del lado de baja tensión y del lado de alta tensión, equipos de protección adicionales. Por tanto, la trayectoria de potencia del convertidor del lado de la red presenta un disyuntor del lado de la red y la trayectoria de potencia del estátor presenta un contactor de estátor, por medio de los cuales, las dos trayectorias de potencia también pueden conectarse a la red y seccionarse de esta independientemente en caso de necesidad.

[0007] Tras conectar el disyuntor para la trayectoria de potencia eléctrica completa, el disyuntor del lado de la red sirve para conectar a la red o para seccionar de la misma el convertidor del lado de la red. Dado que la trayectoria de potencia del convertidor del lado de la red de máquinas asíncronas doblemente alimentadas está dimensionada para una corriente nominal sustancialmente menor que la trayectoria de potencia eléctrica completa, y el disyuntor del lado de la red está dimensionado claramente más pequeño que el disyuntor del lado de baja tensión, la trayectoria de potencia para la protección contra sobrecargas y cortocircuitos está dotada de una protección por fusible adicional.

[0008] Cuando el contactor de estátor está cerrado, el estátor del generador está conectado a la red. La apertura y el cierre del contactor se produce en el caso de corrientes bajas, para minimizar el desgaste del contactor. Las sobrecorrientes o las corrientes de cortocircuito se desconectan mediante el disyuntor para la trayectoria de potencia eléctrica completa; después, el contactor de estátor se conmuta a un estado sin corriente.

[0009] Para el aerogenerador de 5 MW, descrito a modo de ejemplo, el experto en la materia prevería según el estado de la técnica, además del disyuntor del lado de baja tensión para intensidades de corriente de 6300 A, un contactor de estátor para 4000 A y un disyuntor del lado de la red para 2000 A. En un aerogenerador de este tipo, desde el punto de vista económico estarían previstos en total seccionadores para 12.300 A, lo que conllevaría costes correspondientes.

[0010] Por el documento EP 1914877 A2 se conoce un aerogenerador con un generador asíncrono doblemente alimentado con capacidad de permanencia en la red en caso de fallos (Fault-Ride-Through). La máquina asíncrona alimenta a través de un transformador a una red de suministro de energía. El aerogenerador dispone de un sistema de interruptores constituido por un interruptor de estátor, un interruptor de rotor, un interruptor principal del lado de baja tensión y un interruptor de red del lado de alta tensión. El mismo sistema se encuentra sin cambios en un gran número de solicitudes de patente más recientes como, por ejemplo, el documento WO 2018/208649 A1.

[0011] Por el documento US 2013/0234434 A1 se ha dado a conocer una protección contra sobretensiones para un aerogenerador, con la que una tensión de red presente actualmente en un transformador es medida y, en caso de una sobretensión, el transformador se pone en cortocircuito.

[0012] Por el documento US 2016/033856 A1 se conoce un aerogenerador con un generador asíncrono doblemente alimentado que está concebido con capacidad de permanencia en la red en caso de fallos (Fault Ride Through). Para ello, se puede conmutar de forma variable una impedancia, en donde los interruptores diferenciales (FCL) conectados en serie protegen la instalación contra una sobrecorriente. Los aerogeneradores con sistemas convertidores e interruptores de protección contra sobretensiones también se conocen por los siguientes documentos: EP2169222A2 y EP2434607A2.

[0013] Partiendo del estado de la técnica, la invención se basa en el objetivo de proporcionar un aerogenerador que presente un concepto de seccionamiento seguro y económico que cumpla todos los requisitos convencionales en cuanto a la seguridad de funcionamiento de aerogeneradores y la protección de las personas.

[0014] Según la invención, el objetivo se consigue mediante un aerogenerador doblemente alimentado con las características de la reivindicación 1. Configuraciones ventajosas constituyen el objeto de las reivindicaciones dependientes.

[0015] El aerogenerador doblemente alimentado, configurado según la invención, tiene una trayectoria de estátor y una trayectoria de rotor que presenta un convertidor del lado del rotor y otro del lado de la red. La trayectoria de rotor y la trayectoria de estátor desembocan en un punto de acoplamiento. A través del punto de acoplamiento, la trayectoria de rotor y la trayectoria de estátor están conectadas conjuntamente, a través de un transformador de media tensión, a una red de suministro eléctrico, es decir, la trayectoria de rotor y la trayectoria de estátor alimentan preferiblemente en el lado de baja tensión conjuntamente el mismo devanado del transformador de media tensión. Según la invención, está previsto que estén previstos en cada caso un contactor de estátor en la trayectoria de estátor y un disyuntor en la trayectoria de rotor, en donde está previsto un primer equipo de protección contra sobretensiones entre el transformador de media tensión y el contactor de estátor. El equipo de protección contra sobretensiones protege el contactor de estátor contra sobretensiones procedentes de la red de media tensión. El primer equipo de protección contra sobretensiones protege el contactor de estátor contra sobretensiones procedentes de la red de media tensión. El contactor de estátor se integra, por tanto, en el concepto de protección del aerogenerador. Su eficacia en cuanto a la conducción y la conmutación de corrientes de cortocircuito queda probada y garantizada por el equipo de protección contra sobretensiones. La ventaja particular del aerogenerador doblemente alimentado según la invención consiste en que puede prescindirse del disyuntor principal en el lado de baja tensión y se pueden evitar los costes correspondientes. Son suficientes el contactor de estátor en la trayectoria de estátor y el disyuntor en la trayectoria de rotor.

[0016] Según la invención, está previsto un segundo equipo de protección contra sobretensiones en la trayectoria de estátor entre el contactor de estátor y el estátor. También el segundo equipo de protección contra sobretensiones sirve para proteger el contactor de estátor contra sobretensiones, en este caso, contra sobretensiones procedentes del generador.

[0017] En un perfeccionamiento preferido está previsto un tercer equipo de protección contra sobretensiones en la trayectoria de rotor. El tercer equipo de protección contra sobretensiones está previsto preferiblemente en este caso entre el rotor de generador y el convertidor del lado del rotor. El tercer equipo de protección contra sobretensiones protege el convertidor del lado del rotor contra sobretensiones procedentes del generador.

[0018] En una configuración preferida, al menos uno de los equipos de protección contra sobretensiones, preferiblemente cada uno de los equipos de protección contra sobretensiones está concebido para un nivel de protección de U<p>≦ 5 kV. En el aerogenerador, el primer equipo de protección contra sobretensiones está previsto entre el punto de acoplamiento y el transformador de media tensión. El primer equipo de protección contra sobretensiones es sensible a una sobretensión presente en la red de media tensión y puede desviar picos de corriente provocados por la sobretensión, cuando se excede el nivel de protección. Por tanto, el contactor de estátor y el disyuntor en la trayectoria de rotor quedan protegidos contra los picos de corriente. En un perfeccionamiento preferido, la alimentación de consumo propio para el aerogenerador está prevista entre el primer equipo de protección contra sobretensiones y el transformador de media tensión. A través de la alimentación de consumo propio son alimentadas funciones importantes del aerogenerador en caso de un fallo de red.

[0019] Además, en el lado de alta tensión del transformador de media tensión está previsto preferiblemente un conmutador de media tensión. A través de este, el aerogenerador puede conmutarse a un estado sin tensión en el plano de media tensión y seccionarse de la red.

[0020] A continuación, se describe en detalle una forma de realización preferida de la invención. Muestran:

[0021] la Fig, 1 un aerogenerador en una vista en alzado lateral y

[0022] la Fig.2 un diagrama esquemático de una máquina asíncrona doblemente alimentada con su conexión a la red de media tensión.

[0023] La Fig.1 muestra un aerogenerador 100 con una torre 110 y una góndola 120. La góndola 120 está montada de forma giratoria alrededor de un eje longitudinal de la torre a través de un sistema acimutal (no representado) y puede orientarse así conforme a la dirección del viento. La góndola 120 aloja un tren de potencia (véase la Fig.2), que está conectado a un rotor 130 que está equipado con un cubo 140 de rotor y tres palas 150 de rotor. A través del rotor 130 se toma energía cinética del viento y se convierte en energía eléctrica a través de un generador.

[0025] La Fig.2 muestra una vista esquemática del aerogenerador 100 en lo que respecta a su alimentación a una red 210 de media tensión. La Fig. 2 muestra, para mayor claridad, la alimentación a la red de media tensión para un aerogenerador individual, pudiendo realizarse la alimentación también a través de varios aerogeneradores agrupados, por ejemplo, en un parque eólico. El tren 201 de potencia del aerogenerador está conectado al rotor 130 a través del cubo 140 de rotor, y está concebido para transmitir energía mecánica del rotor 130, a través de un movimiento de giro, al rotor 205 de generador de un generador 203. La transmisión se realiza por medio de una caja 202 de engranajes. El tren 201 de potencia presenta un árbol que está conectado al rotor 205 de generador y lo hace girar para convertir la energía mecánica en energía eléctrica. En este ejemplo de realización está previsto un generador asíncrono 203 doblemente alimentado, cuyo estátor 204 de generador está conectado eléctricamente a la red a través de una trayectoria de estátor y cuyo rotor 205 de generador está conectado eléctricamente a la red a través de una trayectoria de rotor y la alimenta con energía eléctrica o potencia. En la trayectoria de rotor está previsto un convertidor 206 que presenta un convertidor 207 del lado del rotor y un convertidor 208 del lado de la red. Entre los convertidores 207, 208 está previsto un circuito intermedio de tensión continua. La trayectoria de rotor del rotor 205 de generador y la trayectoria de estátor del estátor 204 de generador están conectadas, a través de un punto 218 de acoplamiento, conjuntamente con el devanado del lado de baja tensión de un transformador 209 de media tensión, a la red 210 de media tensión. Entre el punto 218 de acoplamiento y el transformador 209 de media tensión está prevista una red 211 de consumo propio. A través de la red 211 de consumo propio pueden hacerse funcionar componentes importantes como, por ejemplo, el control de la instalación, los accionamientos de ajuste de ángulo de paso y de acimut y la iluminación para balizas de señalización aeronáutica, incluso cuando las trayectorias de rotor y de estátor están abiertas y el aerogenerador no está alimentando a la red 210. Entre el transformador 209 de media tensión y la red 210 de media tensión está prevista una celda 212 de media tensión, con la que el aerogenerador completo, incluido su transformador de media tensión, puede seccionarse de la red de media tensión.

[0027] Un primer equipo 215 de protección contra sobretensiones se encuentra entre el transformador 209 de media tensión y el punto 218 de acoplamiento en el que confluyen la trayectoria de estátor y la trayectoria de rotor. Mediante un contactor 213 de estátor puede seccionarse la trayectoria de estátor. En la trayectoria de estátor, entre el contactor 213 de estátor y el estátor 204 de generador está previsto el segundo equipo 216 de protección contra sobretensiones. En la trayectoria de rotor está previsto un disyuntor 214 entre el convertidor 208 del lado de la red y el punto 218 de acoplamiento. Un tercer equipo 217 de protección contra sobretensiones está previsto igualmente en la trayectoria de rotor y se encuentra entre el rotor 205 de generador y el convertidor 207 del lado del rotor. El contactor 213 de estátor del aerogenerador a modo de ejemplo está concebido para intensidades de corriente de 4000 A, y el disyuntor 214 para intensidades de corriente de 2000 A. Desde el punto de vista económico, en el lado de baja tensión del transformador se prevén, por tanto, dispositivos de conmutación para un total de 6000 A.

[0029] Con la configuración anterior se produce una reducción notable de los costes y del espacio necesario en el convertidor. La corriente total de los interruptores se reduce notablemente en el lado de baja tensión con 6000 A, en comparación con el estado de la técnica (12.300 A). En la solución según la invención se prescinde de un disyuntor para la trayectoria de potencia eléctrica completa en el lado de baja tensión de 6300 A. Están previstos tan solo un contactor 213 de estátor en la trayectoria de estátor y un disyuntor 214 en la trayectoria de rotor. Este disyuntor 214 secciona la trayectoria de rotor, de manera fiable, de la red. Como órgano seccionador seguro, se puede trabajar con mayor seguridad aguas abajo del disyuntor 214 tras la desconexión. El apagado del disyuntor 214 se produce generalmente solo pocas veces al año para fines de mantenimiento y servicio. Dado que, generalmente, se producen solo pocos disparos del disyuntor 214 debido a fallos o averías, así como sobrecorrientes, un número de ciclos de conmutación reducido de pocos millares es suficiente para la vida útil requerida, por lo que también se pueden ahorrar costes.

[0030] El disyuntor 213 se enciende y apaga con corrientes bajas durante el funcionamiento. Para que no tenga que realizarse un seccionamiento de la carga para cada caso de fallo moderado, el disyuntor 213 se concibe de tal manera que los principales fallos posibles puedan ser seccionados por el contactor de estátor. Alternativamente, en el caso de un gran número de fallos tendría que producirse la desconexión por el conmutador 212 de media tensión. Sin embargo, la desconexión por el conmutador 212 de media tensión conduce a elevados tiempos de inactividad del aerogenerador y, por tanto, a pérdidas de rendimiento. Además, debido a la actual implementación de la toma para el consumo propio en el lado de baja tensión, ya no hay consumo propio para poder realizar funciones como el ajuste del ángulo de paso, de la guiñada o funciones de comunicación. El conmutador 212 de media tensión conmuta, por tanto, solo en caso de un cortocircuito prolongado o un contacto a tierra en el transformador 209 de media tensión, cuando el contactor 213 de estátor o el disyuntor 214 no se seccionan de la red por todos los polos, por requerimiento, y cuando aparecen fallos de aislamiento entre el transformador 209 de media tensión y el disyuntor 214 o el contactor 213 de estátor.

[0031] Si entre el contactor 213 de estátor y el estátor 204 de generador se produce un posible contacto a tierra, las corrientes de contacto a tierra son bajas y se desconectan de forma segura y rápida mediante el contactor de estátor. El conmutador 212 de media tensión permanece encendido en este caso. La probabilidad de que se produzca un contacto a tierra multipolar simultáneo es muy pequeña. Mediante medidas constructivas, sustancialmente en la zona de conexión de cables del convertidor y del generador, puede descartarse un cortocircuito directo entre dos o tres fases de estátor. En caso de producirse un cortocircuito en el lado del estátor, surgirían corrientes de cortocircuito elevadas. Esta corriente de cortocircuito es alimentada tanto por la red como por el generador, dependiendo la intensidad de la corriente de cortocircuito de la impedancia del transformador de media tensión y del generador. Por lo tanto, esta corriente de cortocircuito sería alimentada desde dos lados. Estos tendrían que ser seccionados por el conmutador 212 de media tensión. Los contactores 213 de estátor podrían sobrecargarse o destruirse por las corrientes de cortocircuito producidas por ello, incluso si la corriente de cortocircuito solo se conduce y no se conmuta. Por ello, debe evitarse un cortocircuito en el lado del estátor.

[0032] Un cortocircuito en el lado del rotor en el convertidor o en el generador no puede descartarse como en el lado del estátor. En generadores doblemente alimentados con inducido de anillos rozantes, pueden producirse contactos a tierra o cortocircuitos a través de arcos voltaicos, por polvos de escobilla conductores. En el convertidor pueden aparecer cortocircuitos, entre otras cosas, por módulos de potencia defectuosos. Por ejemplo, por módulos de potencia aleados, el convertidor puede ya no ser capaz de desconectar la corriente de cortocircuito por bloqueo de impulsos de los IGBT, de modo que esta estará presente durante un tiempo prolongado. El cortocircuito en el lado del rotor puede ser alimentado a través del generador, por lo que también en el lado del estátor pueden producirse corrientes de cortocircuito elevadas. La intensidad de las corrientes de cortocircuito en el lado del estátor ha sido provocada por un cortocircuito en el lado del rotor y depende asimismo de las impedancias del generador y del transformador de media tensión. En este caso, sin embargo, las impedancias están en serie y, por tanto, son significativamente mayores que si el cortocircuito se produjera directamente en el lado del estátor. Aparecen, por tanto, corrientes de cortocircuito reducidas en el lado del estátor, que deben ser desconectadas por los contactores de estátor, sin que el conmutador 212 de media tensión seccione el aerogenerador completamente de la red.

[0033] Lista de signos de referencia

[0034] 100 Aerogenerador

[0035] 110 Torre

[0036] 120 Góndola

[0037] 130 Rotor

[0038] 140 Cubo de rotor

[0039] 150 Pala de rotor

[0040] 201 Tren de potencia

[0041] 202 Caja de engranajes

[0042] 203 Generador asíncrono doblemente alimentado

[0043] 204 Estátor de generador

[0044] 205 Rotor de generador

[0045] 206 Convertidor

[0046] 207 Convertidor del lado del rotor

[0047] 208 Convertidor del lado de la red

[0048] 209 Transformador de media tensión

[0049] 210 Red de media tensión

[0050] 211 Red de consumo propio

[0051] 212 Celda de media tensión

[0052] 213 Contactor de estátor

[0053] 214 Disyuntor

[0054] 215 Primer equipo de protección contra sobretensiones

[0055] 216 Segundo equipo de protección contra sobretensiones

[0056] 217 Tercer equipo de protección contra sobretensiones

[0057] 218 Punto de acoplamiento

Claims (6)

1. REIVINDICACIONES

1. Aerogenerador con un generador asíncrono doblemente alimentado, que presenta una trayectoria de estátor y una trayectoria de rotor que presenta un convertidor (207, 208) del lado del rotor y otro del lado de la red, en donde la trayectoria de rotor y la trayectoria de estátor desembocan en un punto (218) de acoplamiento y se conectan conjuntamente, a través de un transformador (209) de media tensión, a una red (210) de media tensión, caracterizado por que están previstos en cada caso un contactor (213) de estátor en la trayectoria de estátor y un disyuntor (214) en la trayectoria de rotor, en donde está previsto un primer equipo (215) de protección contra sobretensiones entre el transformador (209) de media tensión y el contactor (213) de estátor, para proteger el contactor (213) de estátor contra sobretensiones procedentes de la red (210) de media tensión, en donde está previsto un segundo equipo (216) de protección contra sobretensiones en la trayectoria de estátor entre el contactor (213) de estátor y el estátor (204).

2. Aerogenerador según la reivindicación 1, caracterizado por que está previsto un tercer equipo (217) de protección contra sobretensiones en la trayectoria de rotor entre el rotor (205) de generador y el convertidor (207) del lado del rotor.

3. Aerogenerador según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que al menos uno de los equipos de protección contra sobretensiones presenta un nivel de protección de U<P>≤ 5 kV.

4. Aerogenerador según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el primer equipo (215) de protección contra sobretensiones está previsto entre el punto (218) de acoplamiento y el transformador (209) de media tensión.

5. Aerogenerador según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que un conmutador (212) de media tensión está previsto en el lado de la red del transformador (209) de media tensión.

6. Aerogenerador según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que una red (211) de consumo propio está prevista entre el primer equipo (225) de protección contra sobretensiones y el transformador (209) de media tensión.