FRENO ELÉCTRICO DINÁMICO PARA UNA TURBINA EÓLICA DE VELOCIDAD
VARIABLE QUE TIENE UNA MÁQUINA EXCITADORA Y UN CONVERTIDOR DE
POTENCIA NO CONECTADO A LA RED DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere al campo de las turbinas eólicas de velocidad variable y, en particular, a una turbina eólica de velocidad variable que comprende un generador de inducción de doble alimentación (DFIG), una máquina excitadora, un convertidor estático intermedio no conectado a la red, control de potencia y regulación de paso. En los últimos años, la generación de energía eólica ha aumentado de forma considerable en todo el mundo. Se prevé ampliamente que el crecimiento en este campo continuará en las siguientes décadas, aun cuando la industria y la tecnología han surgido hasta un nivel desarrollado. A medida que aumenta el tamaño de los parques eólicos y la base total de la capacidad de viento instalada continúa aumentando, la importancia de mejorar la calidad de la salida de potencia se vuelve un desafío de gran importancia para los desarrolladores de viento y para las empresas de servicios públicos por igual. La transmisión de potencia eléctrica es un proceso en la distribución de electricidad a los consumidores. Un sistema de transmisión de potencia por lo general es referido como una "red". Las compañías de transmisión deben atender el
desafio de obtener la capacidad máxima segura de cada linea de transmisión. Sin embargo, debido a las consideraciones de estabilidad del sistema, la capacidad real puede ser menor al limite físico de la línea. Por lo tanto, se necesitan fuentes de potencia eléctrica bien definidas para mejorar la estabilidad del sistema. En la mayoría de las aplicaciones, las turbinas eólicas generan potencia eléctrica y alimentan corriente hacia la red eléctrica. Esto puede ocasionar desviaciones del voltaje de la red local, tal como un cambio del nivel de voltaje en estado estable, variaciones del voltaje dinámico, oscilaciones, una inyección de corrientes con formas de ondas no sinusoidales (por ejemplo armónicas) y similares. Estos efectos pueden no ser deseables para un equipo de usuario final y otros generadores o componentes conectados a la red, tal como transformadores. A medida que aumenta la capacidad de potencia, surge una necesidad evidente de mejorar las características de calidad de potencia de la producción de la turbina. El impacto de la calidad de potencia de una turbina eólica depende de la tecnología implicada en la misma. A pesar de este hecho, los fabricantes de turbinas eólicas no consideraron la calidad de potencia como una característica principal de diseño. Originalmente, las primeras turbinas eólicas se diseñaron para funcionar a una velocidad de rotación fija. De
acuerdo con este modelo, el generador de la turbina eólica se conecta directamente a la red y opera a una velocidad determinada, permitiendo muy pocas variaciones de velocidad. En el caso de un generador asincrónico, sólo se permite el intervalo de deslizamiento del generador. El deslizamiento es la diferencia en la velocidad de rotación del rotor en comparación con el campo magnético de rotación del estator. El deslizamiento del generador varia ligeramente con la cantidad de potencia generada y, por lo tanto, no es totalmente constante. Además, estas turbinas eólicas necesitan estrategias de limitación de corriente de arranque y elementos de compensación de energía reactiva durante su operación normal. La turbulencia del viento produce una variación no deseada del par de torsión, la cual se transmite directamente al tren de potencia de la turbina eólica y, por lo tanto, a la potencia activa alimentada hacia la red eléctrica. Un tipo de turbina eólica que mantiene la velocidad de rotación del generador proporcional a la velocidad del viento es una turbina eólica de velocidad variable. Para obtener la máxima eficacia de la turbina eólica, la velocidad de rotación del generador se adapta a la velocidad fluctuante del viento. Este tipo de turbina eólica incluye convertidores electrónicos de energía que se conectan a la red. Debido a este tipo de interfaz, las emisiones armónicas de los
convertidores electrónicos de potencia de la turbina se alimentan hacia la red. En la actualidad, las turbinas eólicas del tipo de velocidad variable que utilizan convertidores electrónicos de potencia se han difundido ampliamente. Ejemplos de esta turbina eólica de velocidad variable se describen en la Patente Norteamericana No. 5,083,039, Patente Norteamericana No. 5,225,712 o Solicitud Norteamericana Publicada 2005/0012339. Estas turbinas, basadas en un sistema de convertidor total, incluyen un generador, un convertidor del lado del generador, un Bus de enlace de CD y un convertidor activo conectado a la red. La energía de frecuencia variable del generador se transfiere al Bus de enlace de CD mediante el convertidor del lado del generador y después se transforma en una frecuencia fija mediante el convertidor activo del lado de la red. Algunas desventajas son comunes a todos los sistemas de convertidor total. La conmutación activa de los semiconductores del convertidor del lado de la red inyecta armónicas de frecuencia elevada no deseadas a la red. Para evitar los problemas ocasionados por estas armónicas, se debe instalar una serie de filtros. Además, debido a los diferentes valores de impedancia en la red y a las armónicas previamente existentes, se requiere una afinación diferente de los filtros de acuerdo con las características de la ubicación del parque eólico.
Otra turbina eólica de velocidad variable se describe en la Patente Norteamericana No. 6,137,187. Como se muestra en la Figura 1, esta configuración de turbina eólica incluye un generador (1) de inducción de doble alimentación, un convertidor (4) de potencia que comprende un convertidor activo del lado (5) del rotor, un Bus (8) de CD y un convertidor activo del lado (7) de la red. En esta configuración, sólo una pequeña parte de la potencia total se transfiere a través de los convertidores (5, 7) hacia la red (9). La potencia puede distribuirse a la red (9) directamente por el estator (3), mientras que el rotor (2) puede absorber o suministrar potencia a la red (9) a través del 'convertidor (4) de potencia, dependiendo de si el generador de inducción de doble alimentación se encuentra en una operación subsincrónica o hipersincrónica . La operación de velocidad variable del rotor tiene la ventaja de que muchas de las variaciones más rápidas de potencia no se transmiten a la red, sino que se filtran mediante la acción de volante del rotor. Sin embargo, el uso de convertidores (4) electrónicos de potencia conectados a la red (9) ocasiona la distorsión armónica del voltaje de red. Otros documentos también describen turbinas eólicas de velocidad variable. Por ejemplo, la Patente Norteamericana No. 6,933,625 describe un sistema de velocidad variable que incluye un generador de inducción de doble alimentación, un
rectificador pasivo del lado de la red con control escalar de potencia y control dependiente de paso. En este caso, existe un convertidor activo del lado del rotor, un rectificador pasivo del lado de la red y un elemento conmutable de 5 disipación de potencia conectado en el Bus de enlace de CD. Durante la operación hipersincrónica, la energía extraída del rotor se disipa en el elemento conmutable de disipación de potencia, reduciendo la eficacia de la turbina eólica; durante la operación de la turbina eólica en el modo 0 subsincrónico, el rectificador pasivo del lado de la red rectifica la energía, lo cual ocasiona armónicas de frecuencia baja no deseadas en la red. Por lo tanto, se requieren filtros de atenuación complejos. La Patente Norteamericana No. 6,566,764 y la Patente Norteamericana No. 5 6,856,038 describen turbinas eólicas de velocidad variable que tienen un convertidor matriz. Ambos casos incluyen convertidores electrónicos de potencia conectados a la red, lo cual puede ocasionar voltajes armónicos no deseados. Todas las Patentes Norteamericanas mencionadas en 0 lo anterior y otras soluciones existentes en turbinas eólicas de velocidad variable que incluyen electrónica de potencia tienen convertidores conectados a la red. Dependiendo de la tecnología utilizada en los convertidores, existen diferentes
- " intervalos de armónicas introducidas en la red, las cuales 5 deben atenuarse mediante el uso de filtros y afinarse para la
ubicación de aplicación final, haciendo que los sistemas sean más caros y menos seguros. En vista de estos problemas en la técnica anterior, existe la necesidad de proporcionar una solución de potencia mejorada, que pueda aplicarse a turbinas eólicas de velocidad variable . Otro problema no deseado, en especial en el caso de redes deficientes, es el consumo de potencia reactiva durante la sincronización del generador. Por ejemplo, un método de sincronización se describe en la Patente Norteamericana No. 6,600,240. Este método inicia con la conexión del estator del generador a la red mientras que el convertidor de potencia se desactiva y el rotor ha alcanzado una velocidad predefinida. En este momento, la red suministra toda la corriente magnetizante, lo cual ocasiona un consumo de potencia reactiva. Algunas veces, este consumo de potencia reactiva no se permite debido a algunas normas nuevas de cumplimiento de red. Esta patente también describe un proceso de desconexión. El proceso inicia con la reducción de la corriente del rotor y la desactivación del convertidor del rotor. En este momento, la red suministra la corriente magnetizante reactiva. Para desconectar el generador, el contactor se abre con corriente reactiva, disminuyendo la vida útil del contactor. Por consiguiente, existe la necesidad de proporcionar un método para la sincronización, conexión y
desconexión a la red del generador de inducción de doble alimentación que evite el consumo de potencia reactiva y aumente la vida útil de los dispositivos de conexión. Otro aspecto que determina la calidad de potencia inyectada a la red es el control del generador. Un tipo de control del convertidor del lado del generador se conoce como "control orientado de campo" (FOC) . El método de FOC se basa en el modelo eléctrico y en los parámetros de la máquina. Debido a la dispersión de los parámetros de la máquina, el par de torsión no puede calcularse de manera exacta y se requieren bucles de ajuste en linea adicionales. Además, el método de FOC que se utiliza presenta retardos en la identificación de posición del flujo cuando ocurre una falla en la red, haciendo más difícil cumplir con los nuevos requerimientos de cumplimiento de red. En turbinas eólicas de velocidad variable con configuración de DFIG de la técnica anterior, aunque la potencia del estator permanece constante, la potencia del rotor también se alimenta hacia la red a través del convertidor de potencia. Debido a la fluctuación de potencia del rotor, la potencia total alimentada hacia la red también fluctúa, afectando la calidad de potencia de salida de la turbina eólica. Las turbinas eólicas de velocidad variable, las cuales sólo utilizan un generador de inducción de doble
alimentación, no pueden utilizar un frenado eléctrico. Como se describe en lo anterior, en este tipo de configuración, la potencia se distribuye hacia la red directamente por el estator, y una pequeña parte de la potencia total se transfiere del rotor a la red a través de los convertidores. Cuando ocurre un cese incidental de la turbina eólica, por ejemplo durante una falla persistente en la red, la potencia del generador disminuye notablemente. Sólo se puede aplicar un frenado no eléctrico, rápido, tal como separación de las paletas, para detener la turbina eólica. Este modo de operación produce resistencias mecánicas mayores en los componentes de la turbina eólica, lo cual puede ocasionar daños prematuros. De este modo, existe la necesidad de un frenado adicional para evitar esta tensión mecánica. El uso de una transmisión de enlace de CD de alto voltaje (HVDC) en parques eólicos se describe en la Patente No. WO01/25628, la cual incluye un generador sincrónico al igual que el dispositivo de generación principal. Debido al uso de máquinas sincrónicas, la frecuencia de salida varia con el viento, por lo que especialmente en condiciones de poco viento, el contenido de fluctuación del voltaje de CD de salida se eleva. Además, el transformador y el rectificador de salida deben ser demasiado grandes debido a que deben ser capaces de operar a una frecuencia baja. Detalles adicionales, tal como una construcción especial de la
circuiteria del rotor con inductancia baja, son obligatorios para la regulación exacta de la potencia de salida. De acuerdo con un aspecto de una modalidad ejemplar de la presente invención, se proporciona una turbina eólica de velocidad variable con un generador de inducción de doble alimentación que tiene por lo menos una o más paletas, uno o más generadores, una o más máquinas excitadoras acopladas al tren de potencia, uno o más convertidores electrónicos de potencia activa unidos mediante un Bus de enlace de CD con uno del lado de CA conectado al circuito del rotor del generador de inducción de doble alimentación y el otro lado de CA conectado a la máquina excitadora. La invención también describe un control de potencia y una regulación de paso. De acuerdo con este aspecto de una modalidad ejemplar no limitativa de la invención, la electrónica de potencia no se conecta a la red. Por lo tanto, la potencia sólo se distribuye hacia la red a través del estator del generador de inducción de doble alimentación, evitando la distorsión armónica no deseada y obteniendo una mejor calidad de potencia para alimentarla hacia la red de servicio. Además, se puede evitar el uso de filtros complejos y su afinación de acuerdo con diferentes ubicaciones, haciendo que el sistema sea más económico y seguro. Otro aspecto de una modalidad de la presente invención es que la salida de potencia permanece constante
por arriba de una velocidad nominal, evitando fluctuaciones de potencia que dependen de los cambios de velocidad. Debido a la topología de la invención, la potencia sólo se distribuye hacia la red a través del estator del generador de inducción de doble alimentación. De este modo, se evita la fluctuación de potencia del rotor y se mejora la calidad de potencia de salida de la turbina eólica. Otro aspecto de una modalidad ejemplar de la presente invención describe una turbina eólica de velocidad variable que utiliza una Orientación de Flujo de la Red (GFO) para controlar de manera exacta la potencia inyectada a la red. Una ventaja de este sistema de control es que no depende de los parámetros de la máquina, los cuales pueden variar de manera importante, y en modelos teóricos de máquina, evitando el uso de bucles de ajuste adicionales y obteniendo una mejor calidad de potencia alimentada hacia la red de servicio. Un aspecto adicional de una modalidad ejemplar de la presente invención es que el método para la sincronización del generador de inducción de doble alimentación evita el consumo de potencia reactiva durante la conexión y desconexión a/de la red, cumpliendo con las nuevas normas de cumplimiento de red. Además, este método puede evitar picos de corriente de conexión a través de los dispositivos de conexión, aumentado la vida útil de tales componentes. Un aspecto adicional de una modalidad ejemplar de
la presente invención proporciona un método de control para evitar el "desgaste" del colector de un motor de CD cuando se utilice para impulsar el movimiento de paso de la paleta y mejorar la lubricación de los cojinetes de las paletas. Otro aspecto de una modalidad ejemplar de la presente invención es que en el caso de un cese incidental de la turbina eólica, aunque se utilice un generador de inducción de doble alimentación, es posible aplicar un frenado eléctrico. En caso de una emergencia, tal como una falla persistente de la red, puede ocurrir un cese incidental de la turbina eólica. Entonces, se utiliza la máquina excitadora como un generador y se puede transferir potencia de la máquina excitadora al Bus de corriente directa. Después, se puede activar el freno eléctrico y parte de la potencia eléctrica se disipa en el reóstato del interruptor que ayuda al generador a detenerse en forma progresiva y a evitar resistencias mecánicas mayores en los componentes de la turbina eólica. Otro aspecto de la presente invención es que puede utilizarse para la transmisión de enlace de CD de alto voltaje (HVDC) en sistemas de generación de velocidad variable . De acuerdo con otro aspecto, debido a la topología de la presente invención, se puede fijar la frecuencia de salida del voltaje de CA, permitiendo un dimensionamiento
menor de rectificadores y transformadores requeridos y reduciendo el contenido de fluctuación del voltaje de salida de CD en condiciones de poco viento, mejorando la calidad de potencia de salida. Se entenderá que tanto la descripción general anterior como la siguiente descripción detallada son ejemplares y explicativas solamente y que no son limitantes de la invención, como se reclama. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Los dibujos anexos constituyen parte de una o más modalidades de la invención. Sin embargo, no debe considerarse que limitan la invención a la modalidad especifica. La invención y su modo de operación se entenderán más a fondo a partir de la siguiente descripción detallada cuando se analiza con los dibujos anexos, en los cuales: La Figura 1: ilustra un sistema de turbina eólica de velocidad variable convencional con un generador de inducción de doble alimentación y convertidores de potencia conectados a la red. La Figura 2: ilustra una aplicación de un diagrama de circuito para una turbina eólica de velocidad variable que tiene una máquina excitadora y un convertidor de potencia no conectado a la red de acuerdo con una modalidad ejemplar. La Figura 3: ilustra un diagrama de bloques de un control de potencia y un control de paso para una turbina
eólica de velocidad variable. La Figura 4: ilustra un diagrama de bloques de una modalidad del método de Control de Rastreo de Potencia Óptima (OPTC) . La Figura 5: ilustra un diagrama de bloques de una modalidad del GFO y del Controlador del Generador de Inducción de Doble Alimentación. La Figura 6: ilustra un diagrama de bloques de una modalidad del Controlador de la Máquina Excitadora. La Figura 7: ilustra un diagrama de flujo de una modalidad de la secuencia de sincronización, conexión y desconexión . La Figura 8: ilustra un diagrama de bloques de una modalidad del sistema de control de paso. La Figura 9: ilustra un diagrama de bloques de una modalidad del modo de regulación de voltaje utilizado durante la sincronización. La Figura 10: ilustra un diagrama de bloques de una modalidad de la turbina eólica de HVDC con el generador y rectificador de alto voltaje. La Figura 11: ilustra un diagrama de bloques de una modalidad de la turbina eólica de HVDC con el generador, transformador y rectificadores de bajo voltaje. La Figura 12: ilustra un diagrama de flujo de una modalidad de un método para aplicar el freno eléctrico
dinámico . A continuación se describe una turbina eólica de velocidad variable de acuerdo con diversas modalidades ejemplares. Se hará referencia a varios dibujos sólo como ilustrativos para un mejor entendimiento de la descripción. Además, se utilizarán los mismos números de referencia a lo largo de la descripción, refiriéndose a partes iguales o similares . En general, el generador de turbina eólica de velocidad variable, de acuerdo con diversas modalidades ejemplares de la presente invención, envía la potencia eléctrica generada mediante el rotor durante la operación hipersincrónica del generador de inducción de doble alimentación a una máquina excitadora. La máquina excitadora convierte entonces esta energía eléctrica nuevamente en energía de rotación mecánica, la cual puede utilizarse después para aumentar aún más la potencia eléctrica generada mediante el estator que se distribuye hacia la red. La potencia eléctrica sólo se distribuye hacia la red mediante el estator del DFIG, evitando la distribución de potencia hacia la red a través de los convertidores de potencia. De este modo, se mejora la calidad de la potencia eléctrica suministrada a la red. Además, durante la operación subsincrónica , cuando el rotor, en lugar de generar potencia eléctrica, requiere
una fuente de potencia eléctrica, una parte de la energía de rotación generada por el viento se utiliza por la máquina excitadora para generar la potencia eléctrica requerida por el rotor. El sistema del generador de turbina eólica de velocidad variable se muestra de manera amplia en la Figura 2. En esta modalidad, el sistema de velocidad variable comprende una o más paletas (201) de rotor, una cabeza de rotor que se conecta a un tren de potencia. El tren de potencia comprende principalmente un árbol (202) de turbina, una caja de cambios (203) y un generador (205) de inducción de doble alimentación. El estator del generador (210) de inducción de doble alimentación puede conectarse a la red mediante el uso de uno o más contactores (215) . El sistema también comprende una máquina (212) excitadora, tal como una máquina asincrónica, una máquina de CD, una máquina sincrónica (por ejemplo, imán permanente) o una máquina eléctrica reversible que funciona ya sea como un motor o como un generador, la cual se acopla en forma mecánica al tren de potencia, y dos convertidores (222, 225) electrónicos de potencia activa unidos mediante un Bus (224) de enlace de CD (es decir, un convertidor de conexión consecutiva) con uno del lado de CA conectado al circuito de rotor del generador de inducción de doble alimentación y el otro lado de CA conectado a la máquina (212) excitadora. El convertidor (225)
de potencia activa que regula la máquina excitadora no se conecta a la red, de tal manera que el convertidor de potencia activa se aisla de la red. De manera alterna, se puede conectar un cicloconvertidor , un convertidor matriz o cualquier otro tipo de convertidor bidireccional en lugar de un convertidor de conexión consecutiva. El sistema también puede comprender un circuito (231) de freno eléctrico, tal como un interruptor de CD, conectado al Bus de CD. La unidad de control del convertidor (CCU) (200) lleva a cabo la regulación de potencia del generador de inducción de doble alimentación y de la máquina excitadora. El sistema comprende filtros, tal como un filtro (220) de dV/dt, que se conectan al circuito del rotor del generador de inducción de doble alimentación con el fin de protegerlo contra variaciones de voltaje repentinas, producidas por los conmutadores activos del convertidor electrónico de potencia. Además, .un filtro (227) de dV/dt se conecta entre el convertidor electrónico de potencia y la máquina excitadora. En una modalidad, un módulo (219) de protección contra fallas de la red se conecta al rotor del generador de inducción de doble alimentación. El sistema del generador de turbina eólica de velocidad variable descrito en esta modalidad puede funcionar por debajo de la velocidad sincrónica (es decir, subsincrónica ) y por arriba de la velocidad sincrónica (es decir, hipersincrónica) . Durante la operación subsincrónica,
la potencia fluye de la máquina (212) excitadora al rotor (211) del generador (205) de inducción de doble alimentación, por lo que la máquina (212) excitadora funciona como un generador. Por otro lado, durante la operación hipersincrónica, la potencia fluye del rotor (211) del generador (205) de inducción de doble alimentación a la máquina (212) excitadora; por lo tanto, la máquina excitadora funciona como un motor. El balance energético durante todo el intervalo de velocidades es tal que la potencia generada/consumida en la máquina (212) excitadora se consume/genera en el rotor (211) de la máquina de inducción de doble alimentación, excepto por las pérdidas en los diferentes elementos. Debido a la topología del sistema del generador de turbina eólica de velocidad variable descrito, la potencia sólo se distribuye a la red a través del estator (210) del generador (205) de inducción de doble alimentación. No existe ningún convertidor electrónico de potencia conectado a la red. Por consiguiente, se evita la distorsión armónica no deseada y se obtiene una mejor calidad de potencia para alimentarla hacia la red de servicio. Además, también se evita el uso de filtros complejos y sus demandas de afinación de acuerdo con diferentes ubicaciones, haciendo que el sistema sea más económico y seguro. Esta tipología también permite el uso de un freno
eléctrico en una configuración del generador de inducción de doble alimentación. En caso de un cese de emergencia de la turbina eólica debido, por ejemplo, a un apagón total de la red, el estator se desconecta y la potencia que el generador produce no puede alimentarse hacia la red. Sin embargo, la máquina (212) excitadora puede utilizarse como un generador y, por lo tanto, se puede transferir potencia de la máquina (212) excitadora al Bus (224) de corriente directa. Por lo tanto, parte de la potencia eléctrica se disipa en el reóstato del interruptor. Finalmente, se aplica un freno mecánico o aerodinámico, tal como separación de las paletas, para detener la turbina eólica. Esta modalidad de la presente invención permite que el generador aplique un freno eléctrico en una configuración de DFIG, ayudando a la turbina eólica a detenerse, evitando resistencias mecánicas mayores en los componentes de la turbina eólica, lo cual puede ocasionar daños prematuros. El sistema de control de turbina eólica de velocidad variable, como se muestra en la Figura 3, comprende un controlador (302) general, controladores de potencia y un regulador de paso. El valor establecido de potencia se calcula mediante el Controlador de Rastreo de Potencia Óptima (OPTC) (303) con base en la velocidad medida del viento. Este valor establecido se envía al Controlador (302) General y, por lo tanto, al Controlador (300) del DFIG. La potencia que
el generador (205) de inducción de doble alimentación distribuye a la red se controla mediante el Controlador (300) del DFIG, realizando una regulación eficaz de la potencia activa total y de la potencia reactiva total a través del convertidor (222) electrónico de potencia activa. El control electrónico de potencia del generador (205) de inducción de doble alimentación se basa en la orientación de flujo de la red (GFO) . La máquina (212) excitadora se regula mediante un convertidor (225) electrónico de potencia activa y se controla mediante el Controlador (301) Excitador. El convertidor electrónico de potencia activa controla la potencia transferida a/de la máquina (212) excitadora utilizando, como variable de regulación principal, el nivel de voltaje del Bus de CD, medido con el sensor (223) de voltaje del Bus de CD. El sistema de control de turbina eólica de velocidad variable también comprende un sistema de control de paso que se basa en la limitación de la potencia requerida para el excitador. El Controlador de Paso Basado en Excitador (EBPC) (304) regula la posición de paso de las paletas con el fin de limitar la potencia aerodinámica. El EBPC (304) también proporciona un valor establecido de ángulo de paso para el OPTC (303) a partir de la desviación de potencia del excitador y al medir la velocidad y posición del motor (305) de paso. Además, el EBPC (304) comprende un Sistema Colector
de Antidesgaste y de Lubricación (CA LS) con el fin de proteger al colector de la máquina de CD utilizada para el movimiento de paso y mejorar la lubricación de los cojinetes de las paletas. La topología de la presente invención también es adecuada para la transmisión de enlace de CD de alto voltaje (HVDC) en sistemas de generación de velocidad variable. Como se muestra en la Figura 10 y en la Figura 11, la salida de CD puede producirse mediante el uso de un generador de alto voltaje con un rectificador (1001), como se muestra en la Figura 10, o con un generador de bajo voltaje y un transformador (1101) adicional con uno o más secundarios, como se muestra en la Figura 11, en donde cada secundario se rectifica y todos los rectificadores se conectan en serie o en paralelo. Pueden requerirse dispositivos (1002) de conexión y dispositivos (1003) de protección adicionales. Debido a la topología de la presente invención, se puede fijar la frecuencia de salida del voltaje de CA, permitiendo un dimensionamiento menor de rectificadores y transformadores requeridos y reduciendo el contenido de fluctuación del voltaje de salida de CD en condiciones de poco viento, mejorando la calidad de potencia de salida. Además, una vez que la turbina eólica comienza a girar, todos los sistemas auxiliares pueden alimentarse mediante la máquina (212) excitadora, no obstante la
operación del generador principal, reduciendo el tamaño de la corriente eléctrica ininterrumpida o del convertidor de HVDC a CA. Obsérvese que, aunque se describen las aplicaciones de la red, será aparente para alguien con experiencia en la técnica que la presente invención también puede utilizarse para otras aplicaciones, tales como sistemas de potencia independientes o cualquier sistema de generación de energía de velocidad variable. Por ejemplo, otros sistemas de generación de energía de velocidad variable pueden incluir sistemas de potencia basados en aplicaciones de energía undimotriz y maremotriz, energía geotérmica, energía solar, energía hidroeléctrica, motores de combustión interna, etc. Controlador de Rastreo de Potencia Óptima (OPTC) El Controlador de Rastreo de Potencia Óptima (OPTC)
(303) ajusta la referencia de potencia para el bucle de control de potencia, realizado por el Controlador (300) del DFIG, con el fin de controlar la potencia del generador. Esta referencia se basa en la velocidad medida del viento como la variable de regulación principal. De acuerdo con esta modalidad, un sistema de velocidad variable en el que se puede realizar un rastreo del coeficiente de potencia (Cp) óptima dentro de un intervalo de velocidades de operación. Este intervalo se determina mediante un límite (?0) de velocidad inferior y un límite (coi)
de velocidad superior y su limite de potencia inferior y su limite de potencia superior correspondientes (P0 y Pi respectivamente) . La Figura 4 ilustra un diagrama de bloques de una modalidad para el Controlador de Rastreo de Potencia Óptima (OPTC) . La entrada principal del OPTC es la velocidad (u) del viento, la cual se mide mediante uno o más anemómetros. En una modalidad, esta medición se filtra (401) para evitar que las frecuencias no deseadas se amplifiquen a través del sistema de control y para que se opere una señal filtrada. El OPTC calcula un valor de potencia correspondiente para cada velocidad (402) del viento particular. Esta relación se determina a partir de las características generales de la turbina eólica, del cabezal del rotor principalmente, y sus valores corresponden con la máxima eficacia aerodinámica. Por lo tanto, el Cp se maximiza para obtener una salida de potencia máxima. El valor de potencia obtenido se ingresa en un limitador (403) de intervalo de potencia. Esta aplicación comprende el bucle principal. Una corrección (405) auxiliar del bucle principal se aplica al valor obtenido para mejorar la sensibilidad del rastreo de Cp optimizado. La velocidad óptima del generador de inducción de doble alimentación se determina (406) a partir de una señal medida y filtrada de la velocidad del
viento. La velocidad óptima del rotor (en el árbol de baja velocidad) es el resultado de dividir el producto de la velocidad circunferencial de las paletas (?) y la velocidad del viento (u) entre el radio (R) del plano del motor. La velocidad de rotación del generador de inducción de doble alimentación se calcula al multiplicar este valor por la relación de la caja de cambios. El valor de la velocidad obtenido se ingresa en un limitador (407) de intervalo de potencia. El resultado de este bloque se compara (408) con una velocidad de paso corregida (PCS) , calculada en el Bloque de Velocidad de Paso Adaptada (PASB) (410) . La referencia de ángulo de paso, ángulo de paso mínimo y velocidad de rotación medida se ingresan en el PASB. Una ganancia (413) se aplica a la diferencia entre el valor establecido de ángulo de paso filtrado (ßG??) y el ángulo de paso mínimo (ß????) · Para el acoplamiento, este periodo se inicia en cero, siendo pref = min- La velocidad (?) de rotación medida se agrega para calcular la velocidad corregida. Después de tal corrección en el PASB (408), se aplica una ganancia (409) al error obtenido que proporciona un ?? que se agregará al valor establecido de potencia calculado con anterioridad. Una vez que se ha corregido (404) el valor establecido de potencia obtenido, el valor se ingresa en un
limitador (415) de intervalo de potencia para asegurar que esta referencia de potencia se encuentra dentro de los umbrales de Po y Pi. La referencia obtenida es el valor establecido de potencia (SP_P) . Finalmente, se aplica una verificación (417) de la velocidad de rotación a este valor establecido de potencia. En caso de que PCS sea menor que ?0 (419) , se aplica una ganancia a un controlador (420) diferente a la diferencia de velocidad que proporciona un -??. Por otro lado, si PCS es mayor que ?? (422), se aplica una ganancia (423) al error calculado que proporciona un ?? proporcional a la diferencia de velocidad en la entrada. Por lo tanto, la corrección detallada en lo anterior se aplica al valor establecido de potencia SP_P, el cual, además, se ingresa en un limitador (424) de intervalo de potencia con el fin de asegurar que el valor establecido calculado no exceda la potencia nominal. Por lo tanto, el resultado del OPTC es la referencia SP_Pef de potencia efectiva que se transmitirá al Controlador (302) General y, por lo tanto, al Controlador (300) del DFIG con el fin de controlar la potencia del generador de inducción de doble alimentación . Debido al Controlador de Rastreo de Potencia Óptima, se mejora la calidad de potencia de salida cuando las velocidades del generador son iguales o mayores que la
velocidad del generador en el que tiene lugar la potencia nominal. En las turbinas eólicas de velocidad variable con configuración de DFIG de la técnica anterior, aunque la potencia del estator permanece constante, la potencia del rotor también se alimenta hacia la red a través del convertidor de potencia. Debido a la fluctuación de potencia del rotor, la potencia total alimentada hacia la red también fluctúa, afectando la calidad de potencia de salida de la turbina eólica. En la presente invención, al utilizar una máquina excitadora y un convertidor de potencia no conectado a la red, la potencia sólo se distribuye a la red a través del estator del generador de inducción de doble alimentación, evitando la fluctuación y mejorando la calidad de potencia de salida de la turbina eólica. Con rolador del Generador de Inducción de Doble Alimentación El controlador (300) del Generador de Inducción de Doble Alimentación realiza el control de la potencia activa y de la potencia reactiva del estator del DFIG. Este controlador ofrece un buen control y rendimiento de regulación de la potencia total distribuida hacia la red. Este control se basa, como se explica en mayor detalle en lo siguiente, en diferentes bucles de regulación, totalmente independientes de los parámetros eléctricos de la máquina mediante el uso de una Orientación de Flujo de la Red (GFO) . Al medir con gran exactitud las diferentes magnitudes que se
van a regular, la potencia total distribuida hacia la red mediante el estator (210) del generador 205 de inducción de doble alimentación se controla perfectamente, obteniendo una energía de alta calidad. El Controlador (300) del Generador de Inducción de
Doble Alimentación, ilustrado en la Figura 5, se basa en un control de Orientación de Flujo de la Red (GFO) y en cuatro bucles de regulación: Dos bucles de corriente (Irq, bucle (509) de corriente del rotor e Ird, bucle (510) de corriente del rotor) y dos bucles de potencia (Ps, bucle (505) de potencia activa del Estator y Qs, bucle (506) de potencia reactiva del Estator) . En esta modalidad ejemplar de la presente invención, el controlador va a regular la potencia activa y la potencia reactiva del estator del DFIG al regular las corrientes (Av_Ird y Av_Irq) del rotor y, por consiguiente, la potencia total distribuida hacia la red. El controlador de potencia opera con las magnitudes de corriente y de voltaje referidas como un sistema (d,q) de rotación de dos ejes, por lo que las diferentes mediciones de corriente y de voltaje realizadas por el sistema se transforman (514, 517) al sistema (d,q) de rotación referido. En una modalidad, al controlar el Av_Ird (corriente del rotor referida como el eje ' ) se fija el nivel de magnetización del generador (205) de inducción de doble
alimentación, por lo que se establece la dirección de flujo de la potencia reactiva en la máquina. Además, el generador (205) de inducción de doble alimentación puede funcionar como un sistema inductivo, que consume potencia reactiva, o puede funcionar como un sistema capacitivo, que genera potencia reactiva. En esta modalidad, el control de Av_Ird se realiza totalmente independiente del control del Av_Irq (corriente del rotor referida como eje xq' ) . En otra modalidad, al controlar el Av_Irq, la potencia activa generada por el generador de inducción de doble alimentación y distribuida hacia la red se controla perfectamente. Por consiguiente, el bucle (507) de potencia activa del estator del DFIG regula la potencia (Av_Ps) del estator al recibir un valor establecido de potencia de estator (Sp_Pef) del OPTC (303) y, por lo tanto, el (Sp_Ps) del Controlador (302) General. Este bucle puede basarse en un controlador PI o un controlador diferente con una estructura más compleja. El cálculo de la potencia activa del estator del DFIG se describe en mayor detalle en lo siguiente. El resultado del controlador (507) PI es el valor establecido de la corriente del rotor (Sp_Irq) . El bucle (511) de corriente del rotor de Irq regula la corriente Av_Irq con este valor establecido mencionado en lo anterior. Este bucle de corriente Irq puede basarse en un controlador PI o un controlador diferente con una estructura más compleja. El
resultado del regulador es el valor establecido del voltaje del rotor de Urq (Sp_Urq) . Además, el bucle (508) de potencia reactiva del estator del DFIG regula la potencia (Av_Qs) reactiva del estator al recibir del Controlador (302) General un valor establecido de potencia (Sp_Qs) reactiva del estator. Este Sp_Qs puede basarse en un valor fijado, parámetros SCADA o similares. Este bucle de potencia reactiva puede' basarse en un controlador PI o un controlador diferente con una estructura más compleja. El cálculo de la potencia reactiva del estator se describe en mayor detalle en lo siguiente. El resultado del controlador (508) PI es el valor establecido de la corriente del rotor de Ird (Sp_Ird) . El bucle (512) de corriente del rotor de Ird regula la corriente Av_Ird con este valor establecido mencionado en lo anterior. Este bucle de corriente de Ird puede basarse en un controlador PI o un controlador diferente con una estructura más compleja. El resultado del regulador es el valor establecido del voltaje del rotor de Urd (Sp_Urd) . En una modalidad, este método permite magnetizar el generador de inducción de doble alimentación a partir del rotor, evitando el consumo de potencia reactiva de la red. Además, al controlar del nivel de magnetización del generador de inducción de doble alimentación y al medir los voltajes del estator y de la red, el sistema se encuentra sincronizado continuamente con la
red, considerando en cada momento la amplitud, la frecuencia y el ángulo de los voltajes del estator generados mediante el generador (205) de inducción de doble alimentación. Los sistemas de conexión y de desconexión se explicarán en mayor detalle en lo siguiente. En una modalidad, las corrientes del rotor AV_Irq y Av_Ird se calculan al enviar las tres mediciones (Ir_Ll, Ir_L2, Ir_L3) (121) de las corrientes del rotor, a un sistema de rotación de dos ejes con un ángulo (µ-e) de rotación, donde µ es el ángulo de red, calculado a partir de la medición de los tres voltajes (Vg_Ll, Vg_L2, Vg_L3) (217) de la red, y e es el ángulo del rotor medido con el sensor (214) de posición y de velocidad. El Av_Ps y el Av_Qs se calculan con el uso de Id, Iq, Vd, Vq: Av_Ps = 3/2 (Vsd x Isd + Vsq x Isq) Ec. 1 Av_Qs = 3/2 (Vsq x Isq - Vsd x Isd) Ec . 2 donde Vsd, Vsq, Isd, Isq se obtienen al medir los tres voltajes (V_L1, V_L2, V_L3) (216) del estator y las tres corrientes (I_L1, I_L2, I_L3) (118) del estator y al enviar estos voltajes y corrientes a un sistema de rotación de dos ejes mediante el uso del ángulo de rotación µ. Ambos resultados del regulador de corriente, Sp_Urd y Sp_Urq, se transforman en un sistema fijo mediante el uso del ángulo (µ-e) de rotación, obteniendo las tres referencias
de voltaje que se impondrán en el rotor (211) del generador (205) de inducción de doble alimentación. El bloque 414 muestra la transformación de los voltajes del rotor, de un sistema de rotación de dos ejes en un sistema fijo de tres fases. En una modalidad, los voltajes del rotor se pueden utilizar como referencia a un módulo para generar la activación de los conmutadores activos del convertidor (222) electrónico de potencia. El bloque 415 muestra el módulo en el que se pueden aplicar las diferentes técnicas de PWM. De acuerdo con esta modalidad, un sistema electrónico de control de potencia basado en dos bucles de potencia y en dos bucles de corriente, independientes de los parámetros eléctricos de la máquina, evita los efectos de la dispersión de los parámetros eléctricos o los errores de modelado teóricos en la regulación de potencia. Los errores ocasionados por los parámetros eléctricos cambian debido a oscilaciones de temperatura o efectos de saturación debido a la no linealidad y este método los evita. Por lo tanto, se obtiene una generación de energía de muy buena calidad, cumpliendo y mejorando los requerimientos de las diferentes normativas. Sólo son necesarias diferentes mediciones para realizar la regulación (I_L1, I_L2, I_L3, V_L1, V_L2, V_L3,
Ir_Ll, Ir_L2, Ir L3, e, ?) . En una modalidad, la regulación de la potencia reactiva puede realizarse independientemente de la regulación de la potencia activa.
Controlador Excitador En una modalidad ejemplar, el sistema de velocidad variable comprende un generador (205) de inducción de doble alimentación en el que el rotor (211) se conecta a un convertidor (222) electrónico de potencia. Este convertidor electrónico de potencia se acopla a través de un sistema (224) de Bus de CD a un segundo convertidor (225) electrónico de potencia. En una modalidad, este convertidor de frecuencia (convertidor de potencia) (225) se conecta mediante el contactor (228) a la máquina (212) excitadora. La máquina excitadora, tal como una máquina asincrónica, una máquina de CD, una máquina sincrónica (por ejemplo, imán permanente) o una máquina eléctrica reversible, se acopla en forma mecánica al tren de potencia. Dependiendo de la velocidad del rotor, la potencia requerida para la máquina excitadora puede ser positiva o negativa, de acuerdo con la dirección del flujo de energía del rotor. Durante la operación subsincrónica , es decir, por debajo de la velocidad sincrónica, la potencia fluye de la máquina (212) excitadora al rotor (211) del generador (205) de inducción de doble alimentación, por lo que la máquina (212) excitadora funciona como un generador. Durante la operación hipersincrónica , es decir, por arriba de la velocidad sincrónica, la potencia fluye del rotor (211) del generador (205) de inducción de doble alimentación a la
máquina (212) excitadora; por lo tanto, la máquina (212) excitadora funciona como un motor. El balance energético durante todo el intervalo de velocidades es tal que la potencia generada/consumida en la máquina excitadora se consume/genera en el rotor de la máquina de inducción de doble alimentación, excepto por las pérdidas en los diferentes elementos. En esta modalidad de la presente invención, la máquina (212) excitadora se regula mediante el convertidor (225) electrónico de potencia activa y se controla mediante el Controlador (301) Excitador. El sistema de control de la máquina (212) excitadora se describe en lo siguiente con referencia a la máquina excitadora como una máquina de imán permanente. Debe ser aparente para alguien con experiencia en la técnica que se pueden utilizar diferentes tipos de máquinas como una máquina (212) excitadora, por lo que el controlador excitador puede modificarse como consecuencia. ¦ El convertidor (225) electrónico de potencia controla la potencia transferida a/de la máquina (212) excitadora utilizando, como variable de regulación principal, el nivel de voltaje del Bus de CD, Av_Ubus . La Figura 6 describe una modalidad de la regulación de la máquina excitadora. La Unidad (200) de Control del Convertidor fija un voltaje de valor establecido del Bus de CD Sp_Ubus (605) que puede ser variable o estático. Al medir el voltaje del
Bus de CD, el valor establecido del voltaje del Bus de CD se regula mediante un controlador (607) PI o un controlador diferente con una estructura más compleja. Este controlador establece la potencia activa que se transferirá entre la máquina (212) excitadora de imán permanente y el Bus (224) de enlace de CD con el fin de mantener el voltaje del Bus de CD en el valor fijado por la Unidad de Control del Convertidor (CCU) . Esta potencia activa se determina mediante el Sp_IEq. En una modalidad, este Sp_IEq se calcula a partir de dos expresiones: Sp_IEq = resultado del regulador (607) de voltaje del Bus + Desacoplamiento y conmutación del resultado de compensación (608) Ec. 3 donde la primera cantidad responde a posibles oscilaciones del Bus y la segunda cantidad, Iz, es una cantidad de realimentación positiva que representa la corriente estimada que circula a través del Bus. Con este tipo de estructura es posible obtener una respuesta de potencia dinámica alta de la máquina de imán permanente. En una modalidad, la expresión de estimación de corriente del Bus no existe, por lo que el regulador (607) de voltaje del Bus se encarga de generar el Sp_IEq efectivo requerido para la máquina excitadora de imán permanente. En esta modalidad, el Sp_IEq se regula mediante un controlador (613) PI o un controlador diferente con una
estructura más compleja, utilizando el Av_IEq que representa la corriente activa de la máquina excitadora referida como un sistema d_e rotación de dos ejes. En una modalidad, se puede utilizar una máquina de imán permanente, por lo que se requiere un módulo de debilitación del campo inductor para que pueda reducir el flujo de la máquina y para tener una mejor regulación de potencia a alta velocidad. En una máquina de imán permanente el voltaje del estator depende de la velocidad del rotor y del flujo del imán de la máquina. Por consiguiente, por arriba de una velocidad del rotor es necesario reducir el voltaje del estator al reducir el flujo en la máquina. En una modalidad, se aplica un sistema de debilitación del campo inductor que establece un valor establecido de corriente reactiva, Sp_IEd (618), que se requerirá para la máquina (212) excitadora de imán permanente. De esta manera, independientemente de la velocidad del rotor, el voltaje generado por el imán permanente se controla y se sitúa en la capacidad de regulación de intervalo de banda del convertidor (225) electrónica de potencia. El Sp_IEd (618) se regula mediante un controlador (614) PI o un controlador diferente con una estructura más compleja, utilizando el Av_IEd que representa la corriente reactiva de la máquina excitadora referida como un sistema de rotación de dos ejes.
En una modalidad, el Sp_IEd fija el nivel de magnetización de la máquina, asi como su nivel de voltaje. El Sp_IEq fija la potencia activa inyectada o requerida para la máquina de imán permanente. En una modalidad, se pueden medir dos o tres corrientes de fase de la máquina excitadora (IExc_Ll, IExc_L2, IExc_L3) con el fin de calcular Av_IEd y Av_IEq. Las tres corrientes se transforman (601) inicialmente en un sistema estático de dos ejes por lo que se obtienen IE_sx e IE_sy. Después, estas dos corrientes se envían (603) a un sistema de dos ejes que gira con el flujo total de la máquina de imán permanente, obteniendo Av_IEd y AV_IEq. Esta transformación de corriente se realiza con el uso del ángulo µ???, obtenido a partir de los tres o dos voltajes de fase de la máquina excitadora, los cuales pueden medirse o estimarse (VExc_Ll, VExc_L2, VExc_L2) . Los bloques 602 y 604 muestran cómo se obtienen los valores absolutos de voltaje y de flujo de la máquina de imán permanente. En una modalidad, se requiere un módulo (615) de Cálculo de Voltaje Efectivo debido a que el voltaje que el convertidor (225) electrónico de potencia generará debe depender de la interacción del flujo en la máquina de imán permanente debido al efecto de la circulación de corriente. Por lo tanto, los valores Sp_UErd y Sp_UErq establecidos de voltaje se calculan (615) a partir de los dos resultados de
los reguladores (613, 614) de corriente de PI y a partir de Av_Ed, Av_Eq y | VE | . Los dos valores establecidos de voltaje, Sp_UErd y SP_Uerq, se transforman (616) en un sistema estático de tres ejes, utilizando el ángulo Exc de rotación. De este modo, las referencias Sp_UE_Rx y Sp_UE_Ry de voltaje se obtienen para imponerse en el estator de la máquina (212) excitadora de imán permanente. En una modalidad, estos valores establecidos de voltajes se pueden utilizar como referencias a un módulo para generar la activación de los conmutadores activos del convertidor (225) electrónico de potencia. El bloque 617 muestra el módulo en el que se pueden aplicar las diferentes técnicas de PWM. En una modalidad, se puede instalar un filtro de dV/dt o cualquier otro tipo de filtro (227) entre el convertidor (225) electrónico de potencia y la máquina (212) excitadora. En una modalidad, la máquina (212) excitadora puede utilizarse para suministrar energía a diferentes elementos de la turbina eólica, utilizando esta máquina como una Fuente de Energía Auxiliar. Las alternaciones o fallas de la red no afectan al convertidor (225) electrónico de potencia. Por consiguiente, la regulación de potencia del excitador no se ve afectada. Freno Eléctrico Dinámico De acuerdo con otra modalidad, se proporciona un
Freno Eléctrico Dinámico (DEB) que permite que la turbina eólica aplique un frenado eléctrico para detener el generador. Por lo tanto, se pueden evitar las resistencias mecánicas en los componentes de la turbina eólica, las cuales pueden ocasionar daños prematuros. La turbina eólica de velocidad variable de la presente invención comprende un generador (205) de inducción de doble alimentación en el que el rotor (211) se conecta a un convertidor (222) electrónico de potencia. Este convertidor (222) electrónico de potencia se acopla a través de un sistema (224) de Bus de CD a un segundo convertidor (225) electrónico de potencia. Este convertidor de frecuencia (convertidor (225) electrónico de potencia) se conecta a la máquina (212) excitadora. La máquina excitadora, tal como una máquina asincrónica, una máquina de CD, una máquina sincrónica (por ejemplo, imán permanente) o una máquina eléctrica reversible, se acopla en forma mecánica al tren de potencia. El sistema también comprende un circuito (231) de freno eléctrico, tal como un interruptor de CD, conectado al Bus de CD. En las topologías del DFIG de la técnica anterior, si la potencia del estator del DFIG disminuye de manera abrupta debido a una falla de la red o a una desconexión de la red, la máquina tiende a acelerarse. En el caso de una turbina eólica que opera a una potencia nominal, la máquina
puede sufrir un exceso de velocidad. Por lo general no es posible utilizar un freno eléctrico en ese momento debido a que la potencia del estator del DFIG y, además, la potencia del rotor del DFIG puede ser demasiado baja. Sin embargo, debido a la topología de la presente invención, se puede utilizar la potencia de la máquina excitadora para accionar un freno eléctrico. En este caso, la máquina excitadora se utilizará como un generador y, por lo tanto, se puede transferir potencia de la máquina excitadora al Bus de corriente directa. De este modo, parte de la potencia eléctrica se disipa en el reóstato del interruptor conectado al bus de CD, evitando el exceso de velocidad del generador. De tal manera, el frenado de la turbina eólica no depende sólo del freno mecánico. En una modalidad, se puede utilizar un freno eléctrico junto con un frenado mecánico, permitiendo que la turbina eólica se detenga poco a poco, reduciendo al mínimo las resistencias mecánicas, cargas máximas de par de torsión y aceleraciones no deseadas. Por ejemplo, el freno eléctrico puede aplicarse hasta que el frenado mecánico o aerodinámico pueda tomar el control de la turbina. Además, la máquina excitadora y la circuitería del rotor del DFIG pueden utilizarse conjuntamente con un circuito de freno eléctrico para funcionar como un freno eléctrico para detener o disminuir la rotación del generador. En tal caso, el frenado se lleva a cabo como sigue: cuando se
activa el freno, el reóstato se enciende y la potencia eléctrica fluye hacia el reóstato. La potencia eléctrica puede fluir desde el circuito del rotor del DFIG y/o desde la máquina excitadora, de acuerdo con las capacidades de potencia de cada uno. Este proceso no depende del modo de operación subsincrónico o hipersincrónico . Aunque en el modo de operación hipersincrónica se requiere toda la potencia de frenado, en el modo subsincrónico la turbina eólica funciona a velocidades bajas y sólo se requiere una pequeña parte de la potencia de frenado . Otra aplicación del Freno Eléctrico Dinámico es cuando opera a velocidades de viento elevadas. Si se presenta una ráfaga de viento cuando la máquina ya está operando cerca de una velocidad máxima, es necesario frenar la máquina para evitar su detención debido a un exceso de velocidad. En las topologías del DFIG de la técnica anterior, es posible aumentar la potencia de salida del estator hasta que se modifique el paso de las paletas para reducir la velocidad de la turbina eólica. Este sistema de operación reduce la calidad de la potencia de salida debido a los picos ocasionados por la ráfaga de viento. Debido a la topología de la presente invención, es posible mantener constante la potencia de salida del estator al mismo tiempo que se activa el Freno Eléctrico Dinámico; de
este modo, la calidad de la potencia de salida sigue siendo elevada y la velocidad se reduce hasta que se tenga control de la turbina eólica con el paso de las paletas. Puesto que la Potencia del Freno Eléctrico Dinámico puede controlarse en una forma muy rápida, se puede realizar un control exacto para evitar el exceso de velocidad. Como resultado, debido a la máquina (212) excitadora, la potencia de frenado siempre está disponible. Dependiendo de la potencia del excitador, de la potencia del convertidor excitador y del valor de reóstato del interruptor, la potencia de frenado puede alcanzar, en una modalidad, el 30% de la potencia nominal del generador. De este modo, también existe una potencia máxima de frenado (Pb MAX) disponible continuamente: Pb_MAX = (VDC_bus) Rbrake Ec . 4 en donde VDC bus es el valor real del voltaje del Bus de CD (AVJJbus) La potencia de frenado puede controlarse de tal manera que cuando la turbina eólica se encuentre en operación a velocidades bajas, sólo se requiere una pequeña parte de potencia de frenado. Sin embargo, si el generador de la turbina eólica se encuentra por arriba de la velocidad nominal, puede ser necesario utilizar toda la potencia de frenado disponible. Por lo tanto, se determina un valor establecido de potencia de frenado (SP_Pb) que depende
principalmente de la velocidad del viento y de la velocidad del generador. Para controlar con exactitud la potencia de frenado necesaria, se calcula un factor de modulación (ÍMOD) · Este factor de modulación se aplica a la potencia máxima de frenado disponible en cada momento (Pt>_MAx) para obtener la SP_Pb- SP_Pb = Pb_MAx · ÍMOD EC. 5 ÍMOD = SP_Pb . (Rbrake/ (Av_Ubus)2) Ec . 6 El factor de modulación permite un control exacto de la potencia de frenado. Es posible aplicar un frenado eléctrico progresivo. Por ejemplo, en un cese de emergencia de la turbina eólica, al inicio, se necesita toda la potencia de frenado. Una vez que se activa el frenado mecánico, tal como separación de las paletas, es posible disminuir poco a poco el frenado eléctrico. El Freno Eléctrico Dinámico, en esta modalidad ejemplar, se compone de un reóstato (resistencia, conjunto de resistencias o cualquier elemento disipador) activado mediante un conmutador que se controla en forma electrónica (por ejemplo, un IGBT) . También se pueden utilizar diodos antiparalelos. El DEB no se limita estrictamente a la modalidad que se ha descrito. De este modo, el interruptor de frenado puede comprender elementos diferentes a los que se indican en lo anterior.
El Freno Eléctrico Dinámico puede activarse en respuesta a diversos parámetros de operación. En una o modalidad, la velocidad del árbol 213 o del árbol (202) de turbina puede utilizarse para activar el frenado. Esta velocidad puede determinarse mediante el sensor (214) de posición y de velocidad y puede utilizarse para activar el frenado cuando exceda un umbral. Además, la aceleración o el cambio de velocidad con respecto al tiempo puede utilizarse como un activador. En este caso, el cambio de velocidad con el tiempo puede medirse mediante el sensor (214) de posición y de velocidad para detectar cualquier aceleración inusual. Si la aceleración excede un umbral, entonces se puede activar el frenado. Además, en esta modalidad ejemplar se contemplan muchas condiciones diferentes de detección de frenado. Por consiguiente, la activación del freno eléctrico puede depender de diversas condiciones de frenado basadas en la velocidad del árbol del excitador, la aceleración del árbol del excitador, la velocidad del rotor del DFIG, la aceleración del DFIG, la frecuencia y secuencia del rotor del DFIG, el ritmo de cambio de la frecuencia y secuencia del rotor del DFIG, la frecuencia del excitador, el ritmo de cambio de la frecuencia del excitador, el voltaje del excitador o el ritmo de cambio del voltaje del excitador. También se puede utilizar la potencia, las corrientes y los voltajes de operación para activar el Freno
Eléctrico Dinámico. Por ejemplo, si las corrientes del rotor (211) o las corrientes de la máquina (212) excitadora exceden un umbral, el frenado puede activarse. Asimismo, los voltajes del rotor (211) y del excitador (212) también pueden indicar algún tipo de anomalía de operación. Si se detecta tal anomalía, el frenado puede activarse. De este modo, el frenado puede activarse cuando las corrientes y los voltajes del rotor (211) o del excitador (212) excedan valores de umbral . Asimismo, también se puede utilizar la frecuencia de las corrientes y voltajes del excitador (212) o del rotor (211) para activar el freno puesto que éstos pueden indicar un exceso de velocidad o algún otro tipo de falla del equipo. Por consiguiente, el freno eléctrico puede activarse con el uso del método ilustrado en la Figura 12 como sigue. Primero, se detecta una condición de frenado (operación 1200) . Después, esta condición de frenado se evalúa para determinar si excede un valor de umbral, por ejemplo, un exceso de corriente, velocidad, voltaje o un ritmo excesivo de cambio de la corriente, velocidad o voltaje se compara con algún valor de umbral que indique que puede ser necesario aplicar el frenado (operación 1201) . Con base en la condición de frenado y el valor de umbral excedido, la potencia de frenado se calcula en la operación 1202. Después de que se calcula la potencia de frenado, el freno eléctrico
dinámico puede activarse (operación 1203). La potencia del freno dinámico activado se disipa en un elemento disipador en la operación 1204. Con respecto a la detección de aceleraciones inusuales o prolongadas del generador, el cambio de voltaje y de corriente con respecto al tiempo, asi como el cambio de la frecuencia de estos parámetros con el tiempo, pueden utilizarse para indicar una aceleración inusual. De este modo, si se detecta tal aceleración, el frenado puede activarse. Secuencia de Conexión (Activación) Se proporciona una secuencia de conexión de acuerdo con otra modalidad. Esta modalidad comprende un generador de inducción de doble alimentación (DFIG) (205) acoplado a una máquina (212) excitadora sin ningún convertidor electrónico de potencia conectado a la red y una secuencia de conexión que permites la conexión del generador de inducción de doble alimentación a la red sin ningún consumo de energía reactiva y ningún pico de corriente de conexión a través del contactor (215), aumentando, de este modo, la vida útil del contactor (215) . La Figura 7 muestra la secuencia de conexión. Será aparente para alguien con experiencia en la técnica que las técnicas descritas en la presente también pueden aplicarse si se utiliza un cortacircuitos principal o cualquier otro conmutador en lugar de un contactor para acoplar el generador
a la red. Durante el Modo de operación normal, la turbina se orienta continuamente hacia el viento con el uso de motores de guiñada. Cuando la velocidad promedio medida del viento es mayor que un umbral (en una modalidad 2.5 metros por segundo) , si se cumplen todas las demás condiciones requeridas, las paletas se mueven mediante el motor de paso a una posición que permite que el rotor principal comience a girar . En una modalidad, se deben cumplir las condiciones iniciales antes de iniciar la secuencia (701) de conexión. Estas condiciones implican la velocidad del rotor, el estado del contactor (228) del rotor y cualquier otra condición previa para iniciar la secuencia. En una modalidad, una vez que se cumplen estas condiciones, la velocidad del rotor debe aumentar hasta Ni (en una modalidad, con un DFIG de velocidad sincrónica de 1800rpm/60Hz, el valor de NI puede ser de 1170rpm) . Una vez que se alcanza esta velocidad del rotor, se activa el convertidor (225) electrónico de potencia del lado del excitador con el fin de regular el nivel de voltaje del Bus de CD, correspondiendo con el estado 702. En una modalidad, una vez que el Bus de CD ha alcanzado el nivel VBUS1, la velocidad del rotor debe aumentar hasta N2>=N1 (en una modalidad, con un DFIG de velocidad sincrónica de 1800rpm/60Hz, el valor de N2 puede
ser de 1260rpm, y el nivel VBUSl, con un IGBT de 1700V, puede ser de 1050V) . El convertidor (222) electrónico de potencia del lado del DFIG se enciende (703) entonces con el fin de que el voltaje a través del contactor (215) se acerque a 0 ; esto se logra al magnetizar el generador (205) de inducción de doble alimentación a través del rotor (211) con el convertidor (222) electrónico de potencia en un modo en el que el valor de voltaje, la secuencia, la frecuencia y otras variables sean iguales en ambos lados del contactor (215) . Cuando se cumplen las condiciones de la amplitud de voltaje, frecuencia de voltaje, ángulo/retardo de voltaje y algunas otras condiciones, el contactor (215) se acerca (704) y la corriente del estator es casi de 0. No existe ningún consumo de energía por parte de la red a través del generador (205) de inducción de doble alimentación y se evitan posibles perturbaciones en la red. Una vez que se ha cumplido esta secuencia, se activa (705) el control de potencia. Para permitir una conexión filtrada a la red, el valor establecido de potencia activa del OPTC y el valor establecido de potencia reactiva del controlador principal aumentan durante los primeros momentos . El estado de todos los elementos implicados se monitorea durante toda la secuencia de conexión, de tal modo que si se detecta un error, la secuencia se reinicia y se
genera una alarma. Dependiendo del tipo de alarma, la secuencia puede iniciar en un tiempo predeterminado posterior o, si el error es importante, se activa un modo de emergencia en la turbina eólica que requiere la intervención humana para salir de ese modo. El sistema de control utilizado durante el estado 703 para la sincronización se describe en la figura 9. Se realiza una regulación de voltaje del estator. El voltaje del estator y el voltaje de la red son las entradas para el regulador (903 y 904) de voltaje del estator y el resultado de este regulador es parte de un valor establecido de corriente del rotor en el eje d. Una cantidad de corriente proporcional a la corriente magnetizante del generador se agrega al resultado del regulador de voltaje como un elemento de realimentación positiva. Tal realimentación positiva de corriente se calcula de acuerdo con el voltaje medido de la red, con la frecuencia medida de la red y con una K constante que depende de los parámetros eléctricos del generador. Con la adición de esta cantidad de realimentación positiva en el bloque 905, se agiliza el proceso de sincronización. La suma de ambas cantidades, la cual es el resultado del bloque 905, es el valor establecido de corriente del rotor en el eje "d" . Durante todo el proceso de sincronización, el valor establecido de la corriente del rotor en el eje "q" es igual a 0. Ambos valores establecidos de corriente (en el eje "d" y
en el eje "q") son las entradas para un bloque (906) de regulación de corriente, en donde éstos se controlan con reguladores de PI. El ángulo utilizado para la conversión de un sistema de dos ejes ("d" y "q") en un sistema de 3 fases en el bloque 906 se calcula con base en el ángulo de la red y con el ángulo mecánico en el bloque 907. Secuencia de Desconexión (Desactivación) Se proporciona una secuencia de desconexión de acuerdo con otra modalidad de la presente invención. Esta modalidad comprende un generador de inducción de doble alimentación (DFIG) (205) acoplado a una máquina (212) excitadora sin ningún convertidor electrónico de potencia conectado a la red y una secuencia de desconexión que permite la desconexión del generador (205) de inducción de doble alimentación de la red sin ninguna perturbación relacionada con sobrecorrientes o sobrevoltaj es en los diferentes elementos del sistema. Debido a la apertura del contactor (215) en una corriente casi en 0, aumenta la vida útil de este contactor y se reducen las operaciones de mantenimiento. También permite un régimen de funcionamiento menor del contactor para la misma aplicación, en comparación con otras secuencias de desconexión. En una operación normal de la turbina eólica, por lo general se logra esta secuencia debido a la ausencia de condiciones de viento, pero también puede lograrse en caso de
un exceso de viento, petición humana local, petición de Adquisición de Datos y Control de Supervisión (SCADA) remota, una falla en cualquier subsistema de la turbina eólica o cualquier otro motivo. En una modalidad, la potencia del estator y la corriente del estator deben disminuirse con una rampa para no tener corriente en el estator (710) del generador. El tiempo de rampa descendente se optimiza de acuerdo con el motivo de la petición de secuencia de desconexión. Para evitar tensión mecánica innecesaria en la turbina eólica, el tiempo de rampas descendente es el máximo que permita una operación segura de la turbina eólica. Es evidente que los requerimientos de tiempo de rampa descendente no sean los mismos para cada situación. Una vez que se ha cumplido ese estado (710), se abre el contactor (215) principal, alcanzado (711) el estado. Puesto que los Valores Establecidos de Potencia Activa y Reactiva son de 0 antes de la apertura del contactor (215) , el Controlador (300) del DFIG se encuentra inyectando la corriente magnetizante para conectar la red del estator del DFIG, pero sin corriente, de tal manera que la apertura del contactor se realice con una corriente casi de 0, aumentando la vida útil del contactor (115). Cuando se cumple el estado (711), el convertidor (222) electrónico de potencia del rotor se desactiva,
correspondiendo con el estado (712) . Cuando el convertidor electrónico de potencia del rotor se desactiva, la energía almacenada en los circuitos inductores del generador de inducción de doble alimentación se transfiere al enlace de CD. Controlador de Paso Basado en Excitador (EBPC) En esta modalidad de la presente invención, la turbina eólica de velocidad variable comprende un Controlador de Paso Basado en Excitador (EBPC) . La Figura 8 describe una modalidad ejemplar de tal sistema de control de paso, el cual se basa en la limitación de la potencia requerida para el excitador . La magnitud principal del sistema de control de paso es la potencia del excitador. Se establece un valor (801) de potencia nominal del excitador. Un regulador (804) limitador de potencia del excitador fija, a partir de esta referencia, un valor establecido de posición de la paleta (Sp_ ) que depende del valor (802) real de potencia del excitador. En una modalidad, cuando la salida de potencia de la turbina eólica permanece por debajo de la potencia nominal, el =?_ß asumirá valores bajos (por ejemplo entre 0o y 20 ) y una vez que se alcanza la potencia nominal, el e?_ß aumentará con el fin de limitar la potencia del excitador. En una modalidad, el resultado de la posición de paso de la paleta de 804 se regula mediante un controlador
(806) PI de posición o mediante un controlador diferente con una aplicación más compleja. El error que se ingresa en el controlador PI de posición es: Error_ = e?_ß - ??_ß Ec. 7 El ??_ß es el valor real de la posición de la paleta, el cual se mide mediante el sensor (214) de posición y de velocidad. El resultado del regulador de posición es el valor establecido de velocidad de paso (Sp_n) . Las paletas se moverán a tal velocidad para alcanzar la posición requerida. En una modalidad, el resultado de la velocidad de paso de 806 se regula mediante un controlador (808) PI de velocidad o mediante un controlador diferente con una aplicación más compleja. El error que se ingresa en el controlador PI de velocidad es: Error_n = Sp_n - Av_n Ec. 8 El Av_n es el valor real de la velocidad de la paleta, el cual se mide mediante el sensor (214) de velocidad. El resultado del regulador de velocidad es el valor establecido de corriente que se requerirá para el Motor (305) de CD con el fin de alcanzar la velocidad (Sp_n) requerida . En una modalidad, el resultado de corriente de 808 se regula mediante un controlador (810) PI de corriente o mediante un controlador diferente con una aplicación más compleja. El error que se ingresa en el controlador PI de
corriente es: Error_I = Sp_I - Av_I Ec. 9
El Av_I es el valor real de la corriente del Motor de CD, el cual se mide mediante el sensor (812) de corriente. El resultado del controlador de corriente es el voltaje de referencia que se impondrá en el Motor de CD. En una modalidad, estos voltajes de referencia se pueden obtener a través de diferentes técnicas de PWM, activando los conmutadores activos del convertidor (811) electrónico de potencia. En una modalidad, en caso de una emergencia, el accionamiento por motor de paso se cambia del EBPC a la Fuente de Energía de Emergencia (EPS) . Por lo tanto, la EPS (816) alimenta directamente al motor accionado a través del relé (717) de emergencia hasta que se alcanza la posición de bandera (cerca de los 90°). Los cambios (818) de posición de las paletas determinan el final del suministro de corriente de la EPS. En una modalidad, el accionamiento para mover la paleta es un motor de CD. Será aparente para aquellos con experiencia en la técnica que también se puede utilizar un motor de inducción de CA o un motor sincrónico de CA. En una modalidad, el accionamiento para mover la paleta puede ser un accionador de paso hidráulico, neumático o de otro tipo, controlado mediante una servoválvula que
integre las funciones (807, 808, 809, 810, 811) . Sistema Colector de Antidesgaste y de Lubricación (CA LS) En otra modalidad de la presente invención, la turbina eólica de velocidad variable comprende un sistema de control de paso basado en la limitación de la potencia requerida para la máquina excitadora. En caso de que se utilicen motores de CD como accionamientos para el movimiento de paso, se aplica un Sistema Colector de Antidesgaste y de Lubricación (CAWLS) para evitar efectos dañinos adicionales por mantener una posición de paso fija durante un periodo prolongado de tiempo. Por ejemplo, se puede evitar el desgaste prematuro del colector y de las escobillas del motor de CD debido al paso de la corriente a través de la misma posición. Además, la lubricación los cojinetes de las paletas se mejora de manera notable. De este modo, el CAWLS se aplica para evitar el desgaste prematuro del colector y de las escobillas del motor de CD utilizado como accionamiento de paso para mejorar la lubricación de los cojinetes de las paletas. En una modalidad, este sistema se basa en la introducción de un valor establecido adicional sin importancia de posición o de velocidad, de tal manera que el ángulo de paso se mueve continuamente cerca de la posición deseada. La variación del ángulo de paso se controla de acuerdo con una referencia de
onda sinusoidal, en donde la amplitud y la frecuencia se determinan a partir de diferentes parámetros. En particular, la frecuencia debe especificarse tomando en cuenta las frecuencias naturales de la turbina eólica y las consideraciones de fatiga. En una modalidad, tal referencia de onda sinusoidal se diseña, por ejemplo, con un periodo de un minuto y una amplitud de 0.2°. Será aparente para aquellos con experiencia en la técnica que se puede aplicar cualquier otra forma de onda, periodo o amplitud. La aplicación del CAWLS no afecta en absoluto la producción de potencia de la turbina eólica, pero si evita el desgaste del colector y de las escobillas y mejora su enfriamiento y engrasado, el CAWLS también mejora la lubricación de los cojinetes de las paletas . Además, este sistema puede utilizarse en cualquier tipo de accionamiento de paso para mejorar la lubricación de los cojinetes de las paletas, aumentando la vida útil de estos componentes. De este modo, se describe una turbina eólica de velocidad variable con un generador de inducción de doble alimentación, una máquina excitadora y un convertidor de potencia intermedio, el cual no se conecta a la red. La invención también describe un control de potencia y una regulación de paso. La generación de energía eólica ha aumentado de
forma considerable en todo el mundo. Se prevé ampliamente que el crecimiento en este campo continuará en las siguientes décadas, aun cuando la industria y la tecnología han surgido hasta un nivel desarrollado. A medida que aumenta el tamaño de los parques eólicos y la base total de la capacidad de viento instalada continúa aumentando, la importancia de mejorar la calidad de la salida de potencia es un desafío de gran importancia. Se presentan muchas novedades en las modalidades ejemplares de la presente invención descritas en lo anterior. Se incluye una máquina excitadora en el sistema de potencia, en donde el convertidor de potencia se separa (no se conecta) de la red. Por lo tanto, la invención proporciona una solución a los problemas más comunes ocasionados por las turbinas eólicas de velocidad variable conectadas a la red, tal como distorsiones armónicas, oscilaciones y existencia de fluctuación en la potencia distribuida. Por lo tanto, la calidad de potencia de salida se mejora de manera notable. En estas modalidades, la salida de potencia se controla de manera exacta y, además, permanece constante por arriba de una velocidad nominal, evitando fluctuaciones de potencia que dependen de las variaciones en la velocidad del viento. De hecho, las modalidades ejemplares proporcionan un método de conexión y de desconexión fácil de utilizar que evita el consumo de potencia reactiva de la red. Además, la generación
de potencia, de acuerdo con las modalidades de la presente invención, es menos susceptible de alteraciones de la red, tal como fallas de la red, y proporciona un mejor rendimiento en redes deficientes e independientes. De este modo, el sistema ilustrado mediante las modalidades ejemplares es especialmente atractivo para las demandas de parques eólicos emergentes al permitir que los parques eólicos crezcan en tamaño y en capacidad de viento instalada, cumpliendo los requerimientos de las diferentes normativas y mejorando la calidad de la salida de potencia. Además, las modalidades ejemplares pueden incluir algunos otros beneficios tales como: El uso de la máquina excitadora como una fuente de energía auxiliar en caso de ser una máquina de imán permanente, la posibilidad de generar potencia en un medio voltaje con un convertidor de potencia de bajo voltaje sin la necesidad de un transformador de potencia, la simplificación de los componentes eléctricos y la prevención de desgaste en los colectores del motor de CD cuando tal tipo de motor se utilice para dirigir las paletas y para la mejora de la lubricación de los cojinetes de las paletas . También son posibles modalidades alternativas al sistema de turbina eólica mostrado en la Figura 2. La máquina (212) excitadora, por ejemplo, puede conectarse o colocarse en cualquier parte dentro del tren de potencia de la turbina
eólica. También es factible otra modalidad que incluye dos o más máquinas excitadoras. A partir de la descripción anterior, será aparente que la presente invención descrita en la presente proporciona una turbina eólica de velocidad variable nueva y ventajosa. Sin embargo, se debe tener en cuenta que la descripción detallada en lo anterior debe considerarse como ejemplar. Los detalles y las ilustraciones proporcionadas en la presente no pretenden limitar el alcance de la invención. Además, se pueden llevar a cabo muchas modificaciones y adaptaciones y se pueden sustituir equivalentes para los métodos y aplicaciones descritos y mostrados en la presente. Por consiguiente, la invención puede representarse en otras formas diferentes sin apartarse de la esencia y alcance de la invención y se entenderá que la invención no se limita por las modalidades descritas aquí.