MX2014006294A

MX2014006294A - Sistema y metodo para control de baja velocidad de maquina de ca polifasica.

Info

Publication number: MX2014006294A
Application number: MX2014006294A
Authority: MX
Inventors: Jeffrey A Reichard; Nathan Jobe; Thomas Alan Laubenstein
Original assignee: Zbb Energy Corp
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2015-08-14
Also published as: CA2859677A1; EP2820754A1; BR112014014272A2; EP2795789A1; US20130155730A1; CA2859653A1; AU2012358950A1; US20130155731A1; EP2795789A4; RU2014122083A; CN104011987B; CN104011987A; ZA201403967B; HK1197322A1; JP2015501128A; EP2820754A4; MX2014006296A; MX339716B; AU2012358950B2; KR20140106534A

Abstract

Se describe un convertidor de energía configurado para mejorar la captura de energía en una turbina eólica durante la operación a baja velocidad del viento. El convertidor de energía convierte la energía generada por el alternador de la turbina eólica en una corriente CA adecuada para suministrarse a una red de servicio público o a una carga eléctrica independiente de la red de servicio público. El convertidor de energía se configura para operar en múltiples modos de operación, utilizando ambos métodos de control síncrono y asíncrono, para extender el rango de operación del convertidor de energía. Durante la operación asíncrona, el convertidor de energía utiliza una rutina de modulación que puede ya sea variar el período de compensación del tiempo muerto durante un periodo de modulación constante o variar el período de modulación con un tiempo de encendido constante. Una transferencia continua entre los métodos de control asíncrono y síncrono con baja distorsión armónica total (THD) mejora el rango de generación de energía para generadores eólicos.

Description

SISTEMA Y MÉTODO PARA CONTROL DE BAJA VELOCIDAD DE MÁQUNA DE CA POLIFÁSICA REFERENCIA CRUZADA CON SOLICITUDES RELACIONADAS Esta solicitud reivindica la prioridad para la solicitud provisional de E.U. No. de Serie 61/555,447, presentada el 19 de diciembre de 2011, cuyos contenidos se incorporan en su totalidad en la presente mediante la referencia.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La materia expuesta en la presente se refiere a convertidores de energía y más específicamente, al control mejorado y/o la conversión de energía de máquinas de corriente alterna (CA) polifásicas durante su operación a baja velocidad.

En años recientes, las crecientes demandas de energía y las creciente preocupaciones acerca de los suministros de combustibles fósiles y su correspondiente contaminación han conducido a un creciente interés en las fuentes de energía renovable. Dos de las fuentes de energía renovable más comunes y mejor desarrolladas son la energía fotovoltaica y la energía eólica. Otras fuentes de energía renovable pueden incluir celdas de combustible, energía hidroeléctrica, energía mareal y generadores de biocombustible o biomasa. Sin embargo, el uso de fuentes de energía renovable para generar energía eléctrica presenta una nueva serie de retos.

Muchas fuentes de energía renovable proporcionan un suministro variable de energía. El suministro puede variar, por ejemplo, de acuerdo con la cantidad de viento, capa nubosa u hora del día. Además, diferentes fuentes de energía proporcionan diferentes tipos de energía eléctrica. Una turbina eólica, por ejemplo, es más apropiada para proporcionar energía de Corriente Alterna (CA) mientras una celda fotovoltaica es más adecuada para proporcionar energía de Corriente Directa (CD). Debido a la naturaleza variable de la energía suministrada así como el tipo variable de la energía generada, los convertidores de energía se insertan comúnmente entre la fuente de energía renovable y la red de servicio público o una carga eléctrica, si se operan independientemente de la red de servicio público.

Se sabe que los convertidores de energía tienen pérdidas inherentes que evitan que toda la energía generada por la fuente de energía renovable se convierta a energía eléctrica utilizable. A bajos niveles de generación de energía, las pérdidas de energía pueden ser mayores que la energía que se genera por la fuente de energía renovable. Típicamente, el convertidor de energía se desconecta para evitar una condición operativa en la que el sistema de generación de energía se encuentre utilizando realmente más energía que la que genera.

Por tanto, a fin de maximizar la eficiencia del sistema de generación de energía, es deseable capturar la energía generada a bajos niveles de generación de energía y proporcionar un convertidor capaz de operar eficientemente a esos bajos niveles de generación de energía.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La materia expuesta en la presente describe un sistema y método para controlar las máquinas polifásicas durante la operación a baja velocidad y, más específicamente, un sistema y método para controlar la transferencia de energía de un alternador mientras que el alternador se encuentra accionado a bajas velocidades.

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se describe la captura mejorada de energía en una turbina eólica durante la operación a baja velocidad del viento. Se proporciona un convertidor de energía para convertir la energía generada por el alternador de la turbina eólica en una corriente CA adecuada para el suministro a una red de servicio público o a una carga eléctrica independiente de la red de servicio público. El convertidor de energía se configura para operar en múltiples modos de operación, utilizando tanto métodos de control síncrono como asincrono, para ampliar el rango de operación del convertidor de energía. Una transferencia ininterrumpida entre los métodos de control asincronos y síncronos con baja distorsión armónica total (THD) mejora el rango de generación de energía para generadores eólicos.

El método de control asincrono amplía la capacidad de transferencia de la energía de baja velocidad de una turbina eólica. Para capturar eficientemente la energía durante la operación a baja velocidad del viento se utiliza una modulación por duración de impulsos de frecuencia variable (PWM) que incluye el procedimiento de control de tiempo muerto. Debido a que los métodos de conmutación convencionales son altamente ineficientes a bajos niveles de energía, dando como resultado pérdidas de conmutación que exceden la producción de energía, típicamente, el convertidor de energía no se opera durante períodos de baja producción de energía. La frecuencia variable de PWM reduce significativamente las pérdidas asociadas con la conmutación de los dispositivos de energía de estado sólido durante la conversión de energía. Por tanto, la frecuencia variable de PWM permite que el sistema de conversión de energía capture la energía generada durante la operación a baja velocidad del viento. Al utilizar este método de conmutación de PWM, el rango útil de operación de una turbina eólica se amplía hacia abajo para capturar esta energía concentrada bajo los actuales diseños de convertidores.

De acuerdo con una modalidad de la invención, el convertidor de energía se configura para operar con turbinas eólicas y para operar en múltiples modos de transferencia de energía. Durante los períodos en los que el viento sopla arriba de las velocidades tradicionales de arranque, un primer método de control síncrono transfiere la energía del alternador hacia la red de servicio público o la carga eléctrica. A medida que la velocidad del viento se reduce, la energía y, consecuentemente el voltaje de salida y la frecuencia generada por el alternador se reducen. El método de control síncrono reduce el voltaje modulado. Durante períodos en los que se reduce la velocidad del viento, la frecuencia de modulación puede reducirse de manera similar para reducir las pérdidas de conmutación en el convertidor de energía.

Mientras los niveles de energía continúen descendiendo más allá del rango de eficiencia de conmutación continua de PWM, pueden tomarse las etapas adicionales para reducir el consumo de energía en el convertidor de energía y continuar transformando la energía generada por la turbina eólica sobre un mayor rango de operación. De acuerdo con una modalidad de la invención, el período de tiempo muerto se incrementa y el máximo del tiempo para la modulación del convertidor se reduce. De manera opcional, pueden introducirse tiempos de borrado a intervalos periódicos en el método de modulación. Durante los períodos en los que se deshabilita la modulación, la fuerza contraelectromotriz a la entrada del convertidor puede leerse para obtener un ángulo eléctrico del voltaje que se genera. La obtención de la fuerza contraelectromotriz durante estos periodos amplia el rango de operación del control síncrono del convertidor. Como resultado, los niveles de baja energía se capturan y las pérdidas del convertidor se reducen en esta área de muy baja energía al utilizar la compensación del tiempo muerto debido a la reducción en las pérdidas de conmutación al eliminar las pérdidas por la recuperación de los diodos. Mientras la energía del alternador continúe descendiendo, el control de los interruptores de energía se modifica para permitir la corriente discontinua del alternador. Cada una de las fases del alternador se conecta alternativamente a cualquiera de las barras positiva o la negativa del bus de CD a un mínimo, en el tiempo. La corriente permanecerá un tanto sinusoidal, lo que da como resultado una fluctuación del par torsor más baja en los alternadores. Como resultado de los múltiples modos de operación, el rango de operación del convertidor se amplía sin fuga excesiva de corriente mientras no agregue ningún efecto nocivo al generador eólico.

De acuerdo con una modalidad de la invención, un convertidor de energía incluye una entrada configurada para recibir energía de una fuente de CA multifásica, un bus de CD que tiene una barra positiva y una negativa, una pluralidad de dispositivos de conmutación positiva y una pluralidad de dispositivos de conmutación negativa. Cada uno de los dispositivos de conmutación positiva conecta selectivamente una fase de la fuente de CA a la barra positiva del bus de CD y cada uno de los dispositivos de conmutación negativa conecta selectivamente una fase de la fuente de CA a la barra negativa del bus de CD. Un dispositivo de memoria almacena una serie de instrucciones y se configura un controlador para ejecutar la serie de instrucciones. El controlador ejecuta las instrucciones para determinar la magnitud de la energía generada por la fuente de CA y ejecuta un módulo de modulación para generar una señal de control positiva para cada uno de los dispositivos de conmutación positiva y una señal de control negativa para cada uno de los dispositivos de conmutación negativa. Las señales de control se generan en un primer modo de operación cuando la fuente de CA genera una magnitud de energía mayor que el primer umbral, y las señales de control se generan en un segundo modo de operación cuando la fuente de CA genera una magnitud de energía menor que el primer umbral. Durante el segundo modo de operación, cada uno de los dispositivos de conmutación positiva se controlan para conectar cada fase de la fuente de CA a la barra positiva en tándem y cada uno de los dispositivos de conmutación negativa se controlan para conectar cada fase de la fuente de CA a la barra negativa en tándem. Durante el primer modo de operación, el controlador ejecuta el módulo de modulación con una frecuencia de modulación fija y un tiempo muerto fijo y durante el segundo modo de operación el controlador ejecuta el módulo de modulación con una frecuencia fija en el tiempo y variable en modulación. Durante el segundo modo de operación, el controlador puede tener acceso a una tabla de consulta almacenada en el dispositivo de memoria que define la tasa de cambio de la frecuencia de modulación como una función de la frecuencia de modulación de corriente, en donde la frecuencia de modulación puede variar de aproximadamente 10 kHz a aproximadamente 50 Hz.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, las señales de control se generan en un modo intermedio de operación cuando la fuente de CA genera una magnitud de energía menor que el primer umbral y mayor que el segundo umbral, y el segundo umbral es menor que el primer umbral. Con el modo intermedio de operación, el segundo modo de operación se ejecuta por abajo del primero y segundo umbrales. Durante el modo intermedio de operación, el controlador ejecuta el módulo de modulación con un tiempo de supresión que deshabilita periódicamente las señales de control.

De acuerdo con una modalidad de la invención, un convertidor de energía incluye una entrada configurada para recibir energía de una fuente de CA multifásica, un bus de CD que tiene una barra positiva y una barra negativa, una pluralidad de dispositivos de conmutación positiva y una pluralidad de dispositivos de conmutación negativa. Cada uno de los dispositivos de conmutación positiva conecta selectivamente una fase de la fuente de CA a la barra positiva del bus de CD y cada uno de los dispositivos de conmutación negativa conecta selectivamente una fase de la fuente de CA a la barra negativa del bus de CD. Un dispositivo de memoria almacena una serie de instrucciones y se configura un controlador para ejecutar la serie de instrucciones. El controlador ejecuta las instrucciones para determinar la magnitud de la energía generada por la fuente de CA y ejecuta un módulo de modulación para generar una señal de control positiva para cada uno de los dispositivos de conmutación positiva y una señal de control negativa para cada uno de los dispositivos de conmutación negativa. Las señales de control se generan en un primer modo de operación cuando la fuente de CA genera una magnitud de energía mayor que el primer umbral y las señales de control se generan en un segundo modo de operación cuando la fuente de CA genera una magnitud de energía menor que el primer umbral. Durante el segundo modo de operación, el controlador deshabilita periódicamente las señales de control durante el tiempo de supresión. Durante el primer modo de operación, el controlador ejecuta el módulo de modulación con una frecuencia de modulación fija y un tiempo muerto fijo.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, las señales de control se generan en un tercer modo de operación cuando la fuente de CA genera una magnitud de energía menor que el segundo umbral, en donde el segundo umbral es menor que el primer umbral. Durante el tercer modo de operación, se controla a cada uno de los dispositivos de conmutación positiva para conectar cada fase de la fuente de CA a la barra positiva en tándem y se controla a cada uno de los dispositivos de conmutación negativa para conectar cada fase de la fuente de CA a la barra negativa en tándem.

De acuerdo con otra modalidad de la invención, se describe un método para convertir energía de una fuente de energía renovable que tiene una capacidad variable de generación de energía. El método incluye las etapas de monitorear un nivel de energía generada por la fuente de energía renovable, que controla un convertidor de energía en un primer modo de operación por medio de la modulación por duración de impulsos que tiene una frecuencia de modulación fija y una compensación fija de tiempo muerto cuando el nivel de la energía generada se encuentra por arriba de un primer umbral predeterminado y controla el convertidor de energía en un segundo modo de operación por medio del módulo de modulación por duración de impulsos que tiene un tiempo periódico de extinción, en donde el tiempo de supresión se repite a un intervalo periódico durante cada ciclo de una frecuencia fundamental de un voltaje generado por la fuente de energía renovable y en donde durante el tiempo de supresión se deshabilita la modulación por duración de impulsos.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, el método incluye la etapa de controlar el convertidor de energía en un tercer modo de operación cuando el nivel de energía generado se encuentre por de debajo del segundo umbral predeterminado por medio de la modulación por duración de impulsos que tiene una frecuencia de modulación variable y una fija en el tiempo, en donde el segundo umbral predeterminado es menor que el primer umbral predeterminado.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, la fuente de energía renovable genera un voltaje multifásico de entrada CA y controla el convertidor de energía en el tercer modo de operación que además comprende las etapas de conectar cada una de las fases del voltaje de entrada de CA a una barra positiva de un bus de CD en el convertidor de energía en tándem y conectar cada una de las fases del voltaje de entrada CA a una barra negativa de un bus de CD en el convertidor de energía en tándem, en donde cada una de las fases se conecta alternativamente a las barras positiva y negativa.

De acuerdo con aún otra modalidad de la invención, un convertidor de energía incluye una entrada configurada para recibir energía de una fuente de CA, un bus de CD que tiene una barra positiva y una barra negativa, al menos un dispositivo de conmutación positiva que conecta selectivamente la entrada a la barra positiva del bus de CD como una función de una señal selectora positiva correspondiente, al menos un dispositivo de conmutación negativa que conecta selectivamente la entrada a la barra negativa del bus de CD como una función de una señal selectora negativa correspondiente, un dispositivo de memoria que almacena una serie de instrucciones, y un controlador. El controlador se configura para ejecutar la serie de instrucciones para ejecutar una rutina de modulación para generar cada una de las señales selectoras positivas y negativas, determinar una magnitud de la energía generada por la fuente de CA, genera las señales selectoras positivas y negativas para cada uno de los dispositivos de conmutación positiva y negativa en un primer modo de operación cuando la magnitud de la energía generada por la fuente de CA excede un primer umbral predefinido y generar las señales selectoras positiva y negativa para cada uno de los dispositivos de conmutación positiva y negativa en un segundo modo de operación cuando la magnitud de la energía generada por la fuente de CA es menor que el primer umbral predefinido.

Durante el primer modo de operación, el controlador inserta periódicamente un tiempo de supresión en la rutina de modulación y deshabilita las señales selectoras positivas y negativas durante el tiempo de supresión. Durante el segundo modo de operación, cada uno de los dispositivos de conmutación positiva conecta la entrada a la barra positiva en tándem y cada uno de los dispositivos de conmutación negativa conecta la entrada a la barra negativa en tándem.

De acuerdo con aún otro aspecto de la invención, durante el segundo modo de operación el controlador puede variar el tiempo muerto por medio de un controlador de corriente que varia el tiempo muerto como una función de la corriente transferida de la fuente de CA al bus de CD. El controlador también ejecuta la rutina de modulación con un periodo de modulación variable y uno fijo en el tiempo.

Estos y otros objetivos, ventajas y características de la invención serán aparentes a los expertos en la téenica a partir de la descripción detallada y los dibujos acompañantes. Sin embargo, debe entenderse que la descripción detallada y los dibujos acompañantes, aunque indican las modalidades preferidas de la presente invención, se proporcionan a manera de ilustración y no de limitación. Pueden hacerse muchos cambios y modificaciones dentro del alcance de la presente invención sin apartarse del espíritu de la misma, y la invención incluye todas tales modificaciones.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Varias modalidades ejemplares de la materia que se describe en la presente se ilustran en los dibujos acompañantes en los que los numerales de referencia similares representan partes semejantes a través de todos ellos y en los que: La Figura 1 es una representación esquemática de un convertidor de acuerdo con una modalidad de la invención; La Figura 2 es una representación esquemática de un inversor de acuerdo con una modalidad de la invención; La Figura 3 es una representación gráfica de la energía generada por una turbina eólica como funciones de la velocidad del rotor y la velocidad del viento; La Figura 4 es una representación de un diagrama de bloques de una modalidad de la invención; La Figura 5 es una representación gráfica de una porción de un período de modulación de acuerdo con una modalidad de la invención; La Figura 6 es una representación gráfica de una compensación de tiempo muerto; La Figura 7 es una representación gráfica del control de tiempo muerto con un período fijo de modulación; La Figura 8 es una representación gráfica de un período variable de modulación; La Figura 9 es una representación gráfica de una ., corriente alterna trifásica del convertidor de la Figura 1 que opera con control de tiempo muerto en un primer tiempo muerto; La Figura 10 es una representación gráfica de la corriente alterna trifásica del convertidor de la Figura 1 que opera con control de tiempo muerto en un segundo tiempo muerto, siendo el segundo tiempo muerto mayor que el primer tiempo muerto.

La Figura 11 es una representación gráfica del voltaje trifásico presente en las terminales del convertidor de la Figura 1 durante la operación bajo modulación continua por duración de impulsos; La Figura 12 es una representación gráfica del voltaje trifásico presente en las terminales del convertidor de la Figura 1 durante la operación bajo modulación por duración de impulsos con un tiempo periódico de extinción; y La Figura 13 es una representación gráfica de una fase del voltaje trifásico de la Figura 12 durante un periodo del voltaje.

Al describir las modalidades preferidas de la invención que se ilustran en los dibujos, se recurre a la terminología específica en pro de la claridad. Sin embargo, no se propone que la invención se limite a los términos específicos que se seleccionaron y se entiende que cada término especifico incluye todos los equivalentes téenicos que operan de manera similar para lograr un propósito similar. Por ejemplo, se utiliza con frecuencia la palabra "conectado," "unido," o términos similares a los mismos. Estos no se limitan a la conexión directa sino que incluyen la conexión a través de otros elementos en donde tal conexión se reconoce como equivalente por los expertos en la técnica.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Las diversas características y detalles ventajosos de la materia descrita en la presente se explican de manera más completa con referencia a las modalidades no limitantes que se describen en detalle en la siguiente descripción.

Regresando inicialmente a la Figura 1, se ilustra un convertidor ejemplar 10 que incorpora una modalidad de la presente invención. El convertidor 10 incluye tres terminales de entrada, T1-T3, configuradas para recibir voltajes de entrada. Cada una de las terminales de entrada, T1-T3, de la modalidad ilustrada se configura para recibir una fase del voltaje multifásico, V1-V3, generado por un alternador 6. El alternador 6 puede generar, por ejemplo, energía trifásica de corriente alterna (CA). Un filtro de entrada 28 se conecta en serie con cada una de las terminales, T1-T3.

El convertidor 10 recibe el voltaje multifásico de entrada AC, V1-V3, en las terminales, T1-T3, y produce un voltaje de CD deseado, Ved, presente en un bus de CD 12 que utiliza los dispositivos de conmutación, 20 y 21. El bus de CD 12 incluye una barra positiva 14 y una barra negativa 16 que se encuentran disponibles en las salidas, +Vcd y -Ved. Como se entiende en la téenica, la barra positiva 14 y la barra negativa 16 pueden conducir cualquier potencial de voltaje de CD adecuado con respecto a un voltaje común o neutro y no se limitan a un potencial de voltaje de CD positivo o negativo. Además, ya sea la barra positiva 14 o la barra negativa 16 pueden conectase a un potencial de voltaje neutro. Típicamente, la barra positiva 14 conduce un voltaje de CD que tiene un mayor potencial que la barra negativa 16.

Los dispositivos de conmutación, 20 y 21, son, típicamente, dispositivos de energía de estado sólido. La Figura 1 muestra los dispositivos de conmutación, 20 y 21, como transistores de unión bipolar (BJT); sin embargo, se contempla que puede utilizarse cualquier dispositivo de conmutación adecuado de acuerdo con los requerimientos de la solicitud, incluyendo pero sin limitarse, a transistores bipolares de compuerta aislados (IGBT), transistores de efecto de campo (FET), rectificadores controlados de silicio (SCR), tiristores tales como los tiristores conmutados de compuerta integrados (IGCT) o tiristores de conmutador de compuerta (GTO) u otros dispositivos controlados. Un diodo 22 se conecta en paralelo a cada uno de los dispositivos de conmutación, 20 y 21, para la conducción inversa a través del dispositivo de conmutación, 20 y 21, como se requiere cuando s,e apaga el dispositivo de conmutación, 20 y 21. Este diodo 22 puede también ser parte de un interruptor semiconductor. Para cada fase de la entrada, un interruptor positivo, 20, se conecta entre la terminal de entrada, T1-T3, y la barra positiva 14 del bus de CD 12, y un interruptor negativo, 21, se conecta entre la terminal de entrada, T1-T3, y la barra negativa 16 del bus de CD 12. Cada uno de los dispositivos de conmutación positiva 20 se controlan por una señal selectora positiva 24 y cada uno de los dispositivos de conmutación negativa 21 se controla por una señal selectora negativa 25. Cada una de las señales de desbloqueo positiva y negativa, 24 o 25, se habilita o deshabilita para permitir selectivamente la conducción a través de los dispositivos de conmutación positiva o negativa, 20 o 21, respectivamente. La capacitancia 50 se conecta entre la barra positiva 14 y la barra negativa 16 del bus de CD 12. La capacitancia 50 puede ser un solo capacitor o cualquier número de capacitores conectados en serie o en paralelo de acuerdo con los requerimientos del sistema. La capacitancia 50 se configura para reducir la magnitud del voltaje de ondulación que resulta de la conversión de voltaje entre el voltaje de entrada y el bus de CD 12.

Un controlador 40 ejecuta una serie de instrucciones almacenadas para generar las señales de puerta, 24, 25. El controlador 40 recibe señales de retroalimentación de los detectores que corresponden a la amplitud del voltaje y/o de la corriente en varios puntos a través de todo el convertidor 10. Las ubicaciones dependen de las rutinas especificas de control siendo ejecutadas dentro del controlador 40. Por ejemplo, los detectores de entrada, 26a-26c, pueden proporcionar una amplitud del voltaje presente en cada terminal de entrada, T1-T3. De manera opcional, un detector de entrada, 26a-26c, puede conectarse operativamente para proporcionar una amplitud de la corriente conducida en cada terminal de entrada, T1-T3. De manera similar, un detector de corriente y/o de voltaje, 28 y 30, puede conectarse operativamente a la barra positiva 14 y a la barra negativa 16, respectivamente, del bus de CD 12. El controlador 40 se interconecta con un dispositivo de memoria 42 para recuperar las instrucciones almacenadas y con un puerto de comunicación 44 para comunicarse con dispositivos externos. El controlador 40 se configura para ejecutar las instrucciones almacenadas para controlar el convertidor 10 como se describe en la presente.

Refiriéndose a continuación a la Figura 4, el sistema de conversión de energía ejemplar incluye un primer convertidor de energía 10 y un segundo convertidor de energía 60, que opera como un inversor, conectado por un bus de CD 12. De manera opcional, un dispositivo de almacenamiento de energía 18 puede conectarse entre la barra positiva 14 y la barra negativa 16 del bus de CD 12. El alternador 6, tal como el generador de una turbina eólica, suministra energía al convertidor 10, que se convierte a un voltaje de CD en el bus de CD 12 y, a su vez, el inversor 60 suministra energía a la carga eléctrica 4 o a la red de servicio público (no mostrada) desde el bus de CD 12. El dispositivo de almacenamiento 18 puede incluir también un convertidor de CD a CD para convertir el voltaje de CD presente en el bus de CD 12 a un nivel adecuado de voltaje CD, de acuerdo con los requerimientos del dispositivo de almacenamiento. El dispositivo de almacenamiento puede ser, por ejemplo, una batería de plomo-ácido, una batería de iones de litio, una batería de zinc-bromuro, una batería de flujo o cualquier otro dispositivo adecuado de almacenamiento de energía. El convertidor de CD a CD opera para transferir energía entre el bus de CD 12 y el dispositivo de almacenamiento 18 de acuerdo con los requerimientos de la aplicación.

Refiriéndose ahora a la Figura 2, un inversor ejemplar 60 se conecta al bus de CD 12. El inversor 60 convierte el voltaje de CD del bus de CD 12 a un voltaje de CA adecuado para suministrarse, por ejemplo, a la red de servicio público o a una carga eléctrica, tal como a un motor. La conversión se lleva a cabo utilizando dispositivos de conmutación 70 que conectan selectivamente ya sea la barra positiva 14 o la barra negativa 16 a una de las fases del voltaje de salida. Típicamente, los dispositivos de conmutación 70 son dispositivos de energía de estado sólido. La Figura 2 ilustra los dispositivos de conmutación 70 como transistores de unión bipolar (BJTs); sin embargo, se contempla que puede utilizarse cualquier dispositivo de conmutación adecuado de acuerdo con los requerimientos de la aplicación, incluyendo pero sin limitarse, a transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), transistores de efecto de campo (FET), rectificadores controlados por silicio (SCR), tiristores tales como los tiristores conmutados de puerta integrada (IGCT) o tiristores de conmutador de puerta (GTO), u otros dispositivos controlados. Un diodo 72 se conecta en paralelo a cada uno de los dispositivos de conmutación 70 para la conducción inversa a través del dispositivo de conmutación, como se requiere cuando se apaga el dispositivo de conmutación 70. Este diodo 72 puede ser una parte del interruptor semiconductor. Cada uno de los dispositivos de conmutación 70 se controla por una señal selectora 74. La señal selectora 74 se habilita o deshabilita para permitir selectivamente la conducción a través del dispositivo de conmutación 70.

Un controlador 90 ejecuta una serie de instrucciones almacenadas para generar las señales de puerta 74. El controlador 90 recibe señales de retroalimentación de los detectores que corresponden a la amplitud del voltaje y/o corriente en varios puntos a través del inversor 60. Las ubicaciones dependen de las rutinas específicas de control que se ejecutan dentro del controlador 90. Por ejemplo, los detectores, 76a-76c, pueden proporcionar una amplitud del voltaje presente en cada fase de la terminal de salida 62. De manera opcional, el detector de salida, 76a-76c, puede conectarse operativamente para proporcionar una amplitud de la corriente conducida en cada fase de la terminal de salida 62. De manera similar, un detector de corriente y/o voltaje, 78 y 80, puede conectarse operativamente a la barra positiva 12 y a la barra negativa 16, respectivamente, del bus de CD 12. El controlador 90 se interconecta con un dispositivo de memoria 92 para recuperar las instrucciones almacenadas y con el puerto de comunicación 94 para comunicarse con los dispositivos externos. De acuerdo con una modalidad de la invención, el primer convertidor 10 y el segundo convertidor 60 son módulos separados que tienen controladores separados 40, 90 y dispositivos de memoria 42, 92 configurados para controlar la operación del convertidor de energía respectivo. De manera opcional, puede configurarse un solo controlador y dispositivo de memoria para controlar la operación de ambos convertidores de energía.

En operación, el convertidor 10 convierte la energía suministrada de la fuente de energía de potencia variable a la energía disponible en el bus de CD 12 del convertidor. Los dispositivos subsecuentes de almacenamiento de energía 18 o los módulos inversores 60 pueden conectarse al bus de CD 12, ya sea para almacenar la energía generada por la fuente de energía o para suministrar la energía almacenada a una carga eléctrica (ver también la Figura 4). El primer convertidor de energía 10 se configura para transferir la energía de la fuente 6 al bus de CD 12 y el segundo convertidor de energía 60 se configura para transferir energía del bus de CD 12 a la carga 4. El controlador 40, 90 de cada convertidor de energía 10, 60 ejecuta uno o más módulos de control que generan señales selectoras 24, 25 o 74 para conectar selectivamente los interruptores 20, 21 o 70, respectivamente, entre el bus de CD 12 y cualquiera de las terminales de entrada, T1-T3, o la salida 62 de acuerdo con la forma deseada de conversión de energía. De acuerdo con una modalidad de la invención, una turbina eólica puede incluir paletas que giran un eje conductor de baja velocidad como una función de la velocidad del viento. El eje conductor de baja velocidad se introduce en una caja de engranajes, que a su vez gira un eje conductor de alta velocidad como una función de su transmisión. El eje conductor de alta velocidad gira la porción de rotor del alternador 6 generando voltajes de CA, V1-V3, en el estator.

Refiriéndose a continuación a la Figura 3, un diagrama 100 ilustra la relación entre la energía generada por el alternador 6 como una función de la velocidad del rotor para una turbina eólica ejemplar que opera bajo velocidades variables del viento. La velocidad de las paletas de la turbina puede controlarse, por ejemplo, al variar la inclinación de las paletas. Así, para una velocidad constante del viento, puede variarse la velocidad de rotación del eje conductor de baja velocidad y, por consiguiente, la velocidad de rotación del rotor en el alternador 6. Sin embargo, existe el potencial de que la inclinación de las paletas pueda no ser ajustable a una tasa suficientemente rápida para responder a las variables condiciones del viento. Además, o en lugar de, el control de la inclinación, el convertidor 10 puede ayudar a regular la velocidad del alternador 6 al regular la corriente extraída del alternador 6, de tal manera que se aplique una fuerza variable de frenado al alternador 6. Por lo tanto, el control electrónico de la corriente puede compensar las variaciones en la velocidad del viento para mantener la operación en el máximo punto de potencia.

Como se ilustra además en la Figura 3 por la línea punteada 101, la operación de un alternador 6 puede seguir la regla de energía al cuadrado, en donde la energía producida por la turbina se incrementa al cuadrado la velocidad del viento. Para cada velocidad del viento, el controlador 40 se configura para operar a un máximo punto de potencia (MPP), de tal manera que la energía máxima que pueda generarse por el alternador a esa velocidad del viento se transfiera al bus de CD 12. Rastrear estos puntos de máxima potencia a las diferentes velocidades del viento da como resultado la curva exponencial, de energía al cuadrado 101 hasta que ocurre la producción normal de energía. En ese punto, el controlador 40 se configura para limitar la producción de energía al valor básico para evitar el daño al alternador 6 o a los componentes del convertidor 10. El controlador 40 puede configurarse para ejecutar las rutinas de control tanto para controlar la inclinación de las paletas como controlar la corriente conducida entre el alternador 6 y el bus de CD 12. De manera opcional, pueden utilizarse controladores separados 40 que ejecuten cada uno, uno de los módulos de control.

A fin de regular la corriente extraída del alternador 6 durante las condiciones normales de operación, el controlador 40 puede implementar un primer regulador de corriente configurado para el control síncrono de la corriente desde el alternador 6 hasta el bus de CD 12, como se conoce en la téenica. Un regulador síncrono de corriente recibe una referencia de corriente y utilizando señales de corriente medidas determina un valor de error de corriente.

El regulador síncrono de corriente determina entonces una corriente controlada deseada para compensar el valor de error de corriente. Después, el controlador 40 determina las señales selectoras apropiadas, 24 y 25, para conectar selectivamente cada fase de las terminales de entrada, T1-T3, al bus de CD 12 para producir la corriente controlada deseada entre el alternador 6 y el bus de CD 12.

Debido a que el alternador 6 genera energía CA, el controlador 40 también requiere el conocimiento del ángulo eléctrico de los voltajes de CA presentes en las terminales de entrada, T1-T3. Cuando opera arriba de la velocidad mínima, el controlador 40 puede determinar el ángulo eléctrico al detectar la fuerza contraelectromotriz presente en el alternador 6. En la medida que se incrementa la velocidad de rotación del alternador, la amplitud de la fuerza contraelectromotriz se incrementa de manera similar. Sin embargo, la fuerza contraelectromotriz es una función de los parámetros del alternador así como una función de la velocidad del rotor. Por tanto, la velocidad mínima a la que puede detectarse la fuerza contraelectromotriz es una función de la aplicación. Sin embargo, la amplitud de la fuerza contraelectromotriz puede típicamente detectarse de manera confiable entre aproximadamente 10% y aproximadamente 20% de la velocidad nominal del alternador 6.

Refiriéndose después a la Figura 5, el regulador síncrono de corriente utiliza el valor deseado de corriente controlada y el ángulo eléctrico detectado del alternador 6 para generar una señal de referencia de voltaje 154 para generar las señales selectoras 24, 25. En la Figura 5, se ilustra la generación de señales selectoras 24, 25 para un segmento de un ciclo para una fase del voltaje de CA de acuerdo con una téenica de modulación PWM seno-triangular 150 ejemplar. En la técnica de modulación PWM seno-triangular 150, una forma de onda triangular 152 se compara con la referencia de voltaje 154 para generar las señales selectoras, 24 y 25. Se define un período de la forma de onda triangular 152 por el periodo de conmutación 156 de la rutina PWM. Durante el período de conmutación 156, si la referencia de voltaje 154 es mayor que la forma de onda triangular 152, la señal selectora positiva 24 se ajusta alto mientras la señal selectora negativa 25 se ajusta bajo. Si la referencia de voltaje 154 es menor que la forma de onda triangular 152, la señal selectora positiva 24 se ajusta bajo mientras que la señal selectora negativa 25 se ajusta alto. Se contempla que otras técnicas de modulación, como serían conocidas a un experto en la técnica, pueden también utilizarse para generar el voltaje de salida, tal como la conmutación espacio-vector o multi nivel. Además, pueden implementarse las técnicas de modulación al comparar señales análogas, como se muestra en la Figura 4, señales digitales, tal como un registro que se modifica hacia arriba y hacia abajo o una combinación de las mismas.

La Figura 5 ilustra condiciones ideales de conmutación bajo las que la señal selectora positiva 24 y la señal selectora negativa 25 invierten simultáneamente los estados, de tal manera que el interruptor positivo 20 y el interruptor negativo 21 no son conductores simultáneos. Sin embargo, en la práctica, los interruptores, 20 y 21, no son ideales y no se conmutan como lo indica la Figura 5. Refiriéndose también a la Figura 6, cada uno de los interruptores, 20 y21, requiere un tiempo finito para apagarse, t0ff, o para encenderse, ton· A fin de evitar la conducción simultánea del interruptor positivo 20 y el interruptor negativo 21, puede utilizarse una compensación de tiempo muerto. El tiempo muerto, td, se ajusta típicamente por más tiempo que el tiempo de apagado, toff, de los interruptores, 20 o 21. Cuando a cualquiera de la señal selectora positiva 24 o la señal selectora negativa 25 se le ordena apagarse, como se ilustra en el instante de conmutación, tsw, el controlador 40 retarda el ajuste de la otra de la señal selectora positiva 24 o la señal selectora negativa 25 para encenderse durante la duración del tiempo muerto, t, evitando la conducción simultánea tanto del interruptor positivo como el negativo, 20'y 21, en la misma fase, lo que crea un corto circuito entre la barra positiva 14 y la barra negativa 16 del bus de CD 12. El retardo en el interruptor, 20 o 21, apagado, t0ff, da como resultado un periodo corto 27 de conducción no deseada y el retardo en el interruptor, 20 o 21, en encendido, ton da como resultado un período corto 29 de no conducción no deseada.

Como se indicó previamente, se requiere el conocimiento del ángulo eléctrico de la energía de CA producida por el alternador CA 6 para el regulador de corriente síncrono para controlar la transferencia de energía del alternador 6 al bus de CD 12. Típicamente, la posición angular del alternador se obtiene de la forma de onda eléctrica generada. Al utilizar, por ejemplo, medidas del voltaje contralectromotriz, un bucle bloqueador por fase puede extraer la posición angular del alternador 6. A medida que se reduce la velocidad del rotor, la magnitud de la fuerza contraelectromotriz disminuye hasta que la amplitud se vuelve demasiado baja para detectarse con precisión. Previamente, los convertidores 10 necesitarían desconectarse para evitar la inestabilidad, la incapacidad de transferir energía y/o el daño potencial al inversor, que resulta de la generación de señales selectoras 24 y 25, sin el conocimiento preciso del ángulo eléctrico. Esta velocidad mínima en la que podría operar el convertidor 10 también se conoce como velocidad de conexión. Aunque el convertidor 10 cesa la operación, el alternador 6 aún es capaz de generar energía por abajo de la velocidad de conexión.

A fin de mejorar la eficacia del alternador 6 y continuar recibiendo la energía generada por el alternador 6 durante la operación a baja velocidad, el convertidor 10 como se describe en la presente, se ejecuta en múltiples modojs .de operación para expandir su rango de operación. Como se expone en lo anterior, el convertidor 10 ejecuta un método síncrono de control en un primer modo de operación a o por arriba de un primer umbral. Este primer umbral corresponde a la velocidad de operación del alternador 6 en el que la fuerza contralectromotriz del voltaje generado por el alternador 6 puede detectarse de manera confiable, lo que, típicamente, es aproximadamente el 10-20% de la velocidad nominal. Durante la operación en el primer modo de operación, la rutina de modulación se ejecuta con un período fijo, Ti, y una compensación fija de tiempo muerto, td. De manera opcional, la frecuencia de modulación y, consecuentemente, el período pueden variar durante el primer modo de operación como una función de la frecuencia del voltaje que se genera por el alternador 6. El rango de la frecuencia de conmutación puede ser, por ejemplo, de entre 5-10 kHz.

Las téenicas de modulación controlan los interruptores positivos 20 y los interruptores negativos 21 para conectar alternadamente cada una de las terminales, TI- T3, ya sea entre la barra positiva o la negativa, 14 y 16, del bus de CD 12. Refiriéndose a continuación a la Figura 11, las formas de onda de voltaje moduladas resultantes de la conexión alterna de cada una de las terminales, T1-T3, ya sea entre la barra positiva o la negativa, 14 y 16, del bus de CD 12 que se ilustra. Mientras se reduce la velocidad del alternador 6, la frecuencia y amplitud de la fuerza contraelectromotriz en el alternador disminuye de manera similar. Sin embargo, debido a que el inversor 60 conectado al convertidor de energía 10 genera un voltaje de CA para la conexión a una red de servicio público o a una carga eléctrica 4, el sistema de conversión de energía mantiene, en general, un nivel constante de voltaje de CD en el bus de CD 12. En consecuencia, a medida que disminuye la amplitud de la fuerza contralectromotriz, la amplitud máxima de las formas de onda moduladas permanece siendo la misma y se vuelve mucho mayor que la amplitud de la fuerza contralectromotriz generada por el alternador 6, que introduce ruido significativo o incertidumbre al intentar leer el valor de la fuerza contralectromotriz. Refiriéndose también a las Figuras 12 y 13, se ilustra la diferencia en las magnitudes del voltaje modulado 121 en comparación con la magnitud del voltaje de la fuerza contraelectromotriz 123 durante la operación de baja frecuencia del alternador 6.

Para mejorar el rango sobre el cual el controlador puede medir de manera confiable la fuerza contraelectromotriz, el controlador 40 puede ingresar un modo de operación de control de supresión. A medida que disminuye la frecuencia de operación del alternador 6, el modo de operación del control de supresión se configura para introducir un intervalo corto o un tiempo de supresión 120 durante el cual se detiene la modulación. Durante el tiempo de supresión 120, el controlador 40 puede leer el voltaje de la fuerza contralectromotriz sin interferencia del voltaje modulado. El tiempo de supresión 120 es suficientemente corto de tal manera que la inercia del alternador 6 y las paletas de la turbina eólica mantienen girando el alternador 6 con poco o ningún cambio en la velocidad del alternador 6. El tiempo de supresión 120 se introduce a un intervalo periódico a través de todo un ciclo de la frecuencia fundamental del voltaje producido por el alternador 6. Durante los periodos de modulación, la energía generada por el alternador 6 se transfiere al bus de CD 12. La introducción de un tiempo de supresión, como se describe anteriormente, permite que el convertidor de energía 10 suspenda temporalmente la modulación y lea la fuerza contralectromotriz. Se determina el ángulo eléctrico de la fuerza contraelectromotriz y se hacen los ajustes correspondientes al ángulo utilizado por el controlador 40 para efectuar la modulación. La modulación de los interruptores, 20 y 21, se reanuda en el ángulo modificado para transferir energía del alternador 6 al bus de CD 12. Por tanto, el rango de operación en el que se efectúa el control de la fuerza contraelectromotriz puede extenderse a aproximadamente 5% de la amplitud de la velocidad nominal del alternador 6.

Refiriéndose a continuación a la Figura 7, a la medida que disminuye la velocidad y, por lo tanto, la correspondiente energía generada del alternador 6, el convertidor también puede configurarse para operar en otro modo de operación que tenga un período fijo, Tc, y control variable del tiempo muerto. La duración del período fijo, Ti, se selecciona para ser el mismo que el período 156 utilizado por el controlador 40 durante la operación en el modo previo de operación. De manera similar, se selecciona el tiempo muerto inicial, tdx, para el control de tiempo muerto para ser el mismo que el tiempo muerto, td, utilizado durante la operación en el modo previo de operación. Como resultado, la transición de la operación con el regulador síncrono de corriente o con el control de supresión de corriente a la operación con el tiempo muerto variable no tiene cambio brusco en ninguno de estos parámetros de operación.

Aunque no existe un cambio brusco en los parámetros de operación, existe un cambio en la téenica de modulación entre los modos de operación. Como se expone arriba con respecto a la Figura 5, la modulación por duración de impulsos genera señales selectoras, 24 y 25, como una función del ángulo eléctrico del voltaje de entrada en cada terminal, Ti~T3. Como resultado, las señales selectoras positivas 24 y las señales selectoras negativas 25 son diferentes para cada fase de las terminales de entrada, Ti-T3. En contraste, durante el control del tiempo muerto, el convertidor 10 genera señales selectoras positivas 24 y señales selectoras negativas 25 sustancialmente idénticas para cada una de las terminales, 1i-T3. El efecto resultante es que cada uno de los interruptores positivos 20 se encienden en tándem y cada uno de los interruptores negativos 21 se encienden en tándem. El controlador 40 genera las señales selectoras, 24 y 25, de tal manera que los interruptores positivos 20 y los interruptores negativos 21 se pulsan alternadamente para encender y apagar durante cortos periodos según se controlen por el tiempo muerto, ta· El inductor multifásico 28 conectado en serie entre cada fase de las terminales de entrada, T1-T3, y cada uno de los interruptores, 20 o 21, limita la tasa de cambio de la corriente. Además, la amplitud del voltaje producido por el alternador 6 es más baja a velocidades bajas reduciendo también la tasa de cambio de la corriente a través del inductor 28. Por tanto, aunque se intercambien simultáneamente cada uno de los interruptores positivos 20 o los interruptores negativos 21 se establecería de otra manera un corto circuito a través del alternador 6, las formas de onda de corriente resultantes durante este modo de operación son, en general, sinusoidales, como se ilustra en las Figuras 9 y 10.

La magnitud de la corriente es una función de la duración de la señal selectora, 24 o 25, en cada uno de los interruptores 20 o 21, respectivamente. El tiempo muerto, td, y el tiempo de encendido, ton, están inversamente relacionados, lo que significa que en la medida que disminuye el tiempo de encendido, ton· el tiempo muerto, td, se incrementa. El controlador 40 se configura para ejecutar un segundo regulador de corriente, por ejemplo, un regulador proporcional-integral (PI) utilizado para controlar el tiempo muerto, td, como una función de la corriente producida por el alternador 6. La progresión del tiempo de encendido más largo, toní, al tiempo mínimo de encendido, ton3 para la operación bajo control de tiempo muerto se ilustra en la Figura 7, diagramas (a)-(c), respectivamente. Después de la conmutación inicial a control de tiempo muerto, el alternador 6 genera la mayor cantidad de energía y puede transferirse la mayor cantidad de energía entre el alternador 6 y el bus de CD 12. El tiempo inicial de encendido, ton, se encuentra por 10 tanto a su mayor duración. En la medida que la velocidad del viento continua descendiendo, los niveles de energía que el alternador 6 es capaz de producir continúan descendiendo, lo que requiere una disminución en el tiempo de encendido, ton, para cada interruptor 20 o 21. En algún punto, el convertidor alcanza un tiempo mínimo de encendido, ton, que corresponde a un punto en el que las pérdidas generadas por los interruptores, 20 y 21, exceden la energía transferida durante el tiempo de encendido, ton- En este punto, el controlador 40 inicia a variar la frecuencia de modulación.

La transición que se describe en lo anterior permite que el controlador 40 se transfiera al control de tiempo muerto sin cambio brusco en los parámetros de operación. Aunque no existe cambio brusco en los parámetros de operación, existe un cambio en la téenica de modulación. Como se trata en lo anterior con respecto a la Figura 5, la modulación por duración de impulsos genera señales selectoras, 24 y 25, como una función del ángulo eléctrico del voltaje de entrada en cada terminal, Ti~T3. Durante el control síncrono de corriente, las señales selectoras positivas 24 y las señales selectoras negativas 25 son diferentes para cada fase de las terminales de entrada, Ti-T3. En contraste, durante el control del tiempo muerto, el convertidor 10 genera señales selectoras positivas 24 y señales selectoras negativas 25, sustancialmente idénticas, para cada una de las terminales, Tc-T3. El efecto resultante es que cada uno de los interruptores positivos 20 se enciendan en tándem y cada uno de los interruptores negativos 21 se enciendan en tándem. El controlador 40 genera las señales selectoras, 24 y 25, de tal manera que los interruptores positivos 20 y los interruptores negativos 21 se pulsan alternadamente a encendido y apagado durante periodos cortos, según se controla por el tiempo muerto, td· El inductor multifásico 28 conectado en serie entre cada fase de las terminales de entrada, TJ.-T3, y cada uno de los interruptores, 20 o 21, limita la tasa de cambio de la corriente. Además, la amplitud del voltaje producido por el alternador 6 es más baja a velocidades bajas reduciendo también la tasa de cambio de corriente a través del inductor 28. Por lo tanto, aunque se conmuten simultáneamente cada uno de los interruptores positivos 20 o los interruptores negativos 21 se establecería de otra manera un corto circuito a través del alternador 6, las formas de onda de corriente resultantes durante este modo de operación son generalmente, sinusoidales, como se ilustra en las Figuras 9 y 10.

Refiriéndose a continuación a la Figura 8, a fin de continuar la transferencia de energía del alternador 6 al bus de CD 12 después de que se ha alcanzado el tiempo mínimo de encendido, ton/ el controlador 40 ejecuta un enrutamiento de modulación en el que el tiempo de encendido, ton, permanece constante y el período de modulación, T, varía. Por ejemplo, el diagrama (a) de la Figura 8 puede representar el punto inicial de operación en este modo de operación. El periodo inicial, Ti, es igual al periodo, Ti, utilizado durante la transición que se ilustra en la Figura 7 y el tiempo de encendido, ton, corresponde al tiempo mínimo de encendido, ton3· Como resultado, la transición entre los modos de operación no tiene, de nuevo, cambios bruscos con respecto al período de modulación, T, o al tiempo de encendido, ton· Como se ilustra en la Figura 8, el convertidor 10 mantiene el tiempo de encendido, ton, constante y controla el período de modulación. El período inicial de modulación, Ti, puede ser, por ejemplo, de 100 pseg que corresponden a 10 kHz de frecuencia de conmutación. En la medida que la corriente proporcionada por el alternador 6 continua descendiendo, el período de modulación puede ampliarse, por ejemplo, a T2 y subsecuentemente a T3. Se contempla que el período de modulación pueda ampliarse a al menos 20 seg, lo que corresponde a una frecuencia de conmutación de 50 Hz. Por tanto, en la medida que disminuye la velocidad del viento y la correspondiente velocidad del rotor, el convertidor 10 continúa la operación a través de un rango más amplio de operación para incrementar la cantidad de energía obtenida de la turbina eólica.

Durante la operación a una frecuencia de modulación variable, el controlador 40 puede tener acceso a una tabla de consulta almacenada en la memoria 42 para facilitar la operación debido a que la relación entre los cambios en la amplitud de la corriente y la duración del periodo de modulación no es lineal. Por ejemplo, un cambio de 10 pseg en el período de modulación cuando se opera a una frecuencia de conmutación de 10 kHz (i.e., un período de 100 pseg) representa un mayor incremento de porcentaje que cuando se opera a una frecuencia de conmutación de 50 Hz (i.e., un período de 20 mseg). A fin de mejorar el tiempo de respuesta del controlador 40 a variaciones en la amplitud de la corriente durante la operación a baja potencia, el período de modulación se cambia a incrementos más grandes cuando el convertidor 10 opera a frecuencias más bajas de conmutación que cuando el convertidor opera a frecuencias más altas de conmutación. La tabla de consulta puede almacenar los cambios incrementales deseados en la frecuencia de modulación en puntos de operación variables.

En la medida que la velocidad del viento y la energía correspondiente producida por el alternador 6 comienzan a aumentar, el controlador 40 invierte las etapas a través de los modos de operación. Inicialmente, el controlador 40 opera con un tiempo de encendido fijo, ton y reduce el período de modulación, T, hasta que de nuevo alcanza la duración deseada para la operación en el primero y segundo modos de operación. La transición en la operación con un período de modulación fijo, T, y un tiempo de encendido variable, ton, desde la operación con un periodo de modulación variable, T, y un tiempo de encendido fijo ton, es de nuevo continuo debido a que ambos modos de operación abarcan el punto común de operación. De manera similar, mientras la velocidad del viento y la correspondiente energía producida por el alternador 6 continúan incrementándose, el tiempo muerto, td, se reduce hasta que alcanza el tiempo muerto, td, para la operación en el primer modo de operación. En este punto, el alternador 6 produce energía a un nivel suficiente, de manera que el controlador 40 puede determinar con precisión la fuerza contraelectromotriz del alternador 6. El controlador comienza a monitorear la fuerza contraelectromotriz y determina el ángulo eléctrico correspondiente al utilizar, por ejemplo, un bucle bloqueador por fase y puede entonces conmutar de nuevo a la operación en el primer modo de operación con el regulador síncrono de corriente. De nuevo, la transición entre modos es continua debido a que el período, T, y el tiempo muerto, td, son los mismos para cada modo en el punto de transición.

Debe entenderse que la invención no se limita en esta aplicación a los detalles de construcción y disposiciones de los componentes establecidos en la presente. La invención es capaz de otras modalidades y de practicarse o llevarse a cabo en varias formas. Las variaciones y modificaciones de lo anterior se encuentran dentro del alcance de la presente invención. También se entiende que la invención descrita y definida en la presente se extiende a todas las combinaciones alternativas de dos o más de las características individuales mencionadas o evidentes a partir del texto y/o de los dibujos. Todas estas diferentes combinaciones constituyen varios aspectos alternativos de la presente invención. Las modalidades descritas en la presente explican los mejores modos conocidos para practicar la invención y permitirán a otros expertos en la téenica utilizar la invención.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un convertidor de energía que comprende: una entrada configurada para recibir energía de una fuente de CA multifásica; un bus de CD que tiene una barra positiva y una negativa; una pluralidad de dispositivos de conmutación positiva, conectando selectivamente cada uno de los dispositivos de conmutación positiva una fase de la fuente de CA a la barra positiva del bus de CD; una pluralidad de dispositivos de conmutación negativa, conectando selectivamente cada uno de los dispositivos de conmutación negativa una fase de la fuente de CA a la barra negativa del bus de CD; un dispositivo de memoria que almacena una serie de instrucciones; y un controlador configurado para ejecutar la serie de instrucciones para: determinar la magnitud de la energía generada por la fuente de CA, y ejecutar un módulo de modulación para generar una señal de control positiva para cada uno de los dispositivos de conmutación positiva y una señal de control negativa para cada uno de los dispositivos de conmutación negativa, en donde: las señales de control se generan en un primer modo de operación cuando la fuente de CA genera una magnitud de energía mayor que un primer umbral, las señales de control se generan en un segundo modo de operación cuando la fuente de CA genera una magnitud de energía menor que el primer umbral, y durante el segundo modo de operación, cada uno de los dispositivos de conmutación positiva se controlan para conectar cada fase de la fuente de CA a la barra positiva en tándem y cada uno de los dispositivos de conmutación negativa se controlan para conectar cada fase de la fuente de CA a la barra negativa en tándem.

2. El convertidor de energía de la reivindicación 1, en donde durante el primer modo de operación el controlador ejecuta el módulo de modulación con una frecuencia de modulación fija y un tiempo muerto fijo.

3. El convertidor de energía de la reivindicación 2, en donde durante el segundo modo de operación el controlador ejecuta el módulo de modulación con un tiempo de encendido fijo y una frecuencia de modulación variable.

4. El convertidor de energía de la reivindicación 3, en donde el controlador tiene acceso a una tabla de consulta almacenada en el dispositivo de memoria, definiendo la tabla de consulta una tasa de cambio de la frecuencia de modulación durante el segundo modo de operación como una función de la frecuencia de modulación de corriente.

5. El convertidor de energía de la reivindicación 4, en donde la frecuencia de modulación varía de aproximadamente 10 kHz a aproximadamente 50 Hz.

6. El convertidor de energía de la reivindicación 3, en donde las señales de control se generan en un modo de operación intermedio cuando la fuente de CA genera una magnitud de energía menor que el primer umbral y mayor que el segundo umbral, en donde el segundo umbral es menor que el primer umbral y en donde el segundo modo de operación se ejecuta por debajo del segundo umbral.

7. El convertidor de energía de la reivindicación 6, en donde durante el modo de operación intermedio el controlador ejecuta el módulo de modulación con un tiempo de supresión que deshabilita periódicamente las señales de control.

8. Un convertidor de energía que comprende: una entrada configurada para recibir energía de una fuente de CA multifásica; un bus de CD que tiene una barra positiva y una negativa; una pluralidad de dispositivos de conmutación positiva, conectando selectivamente cada uno de los dispositivos de conmutación positiva una fase de la fuente de CA a la barra positiva del bus de CD; una pluralidad de dispositivos de conmutación negativa, conectando selectivamente cada uno de los dispositivos de conmutación negativa una fase de la fuente de CA a la barra negativa del bus de CD; un dispositivo de memoria que almacena una serie de instrucciones; y un controlador configurado para ejecutar la serie de instrucciones para: determinar la magnitud de la energía generada por la fuente de CA, y ejecutar un módulo de modulación para generar una señal de control positiva para cada dispositivo de conmutación positiva y una señal de control negativa para cada dispositivo de conmutación negativa, en donde: las señales de control se generan en un primer modo de operación cuando la fuente de CA genera una magnitud de energía mayor que el primer umbral, las señales de control se generan en un segundo modo de operación cuando la fuente de CA genera una magnitud de energía menor que el primer umbral, y durante el segundo modo de operación, el controlador deshabilita periódicamente las señales de control durante el tiempo de supresión.

9. El convertidor de energía de la reivindicación 8, en donde durante el primer modo de operación el controlador ejecuta el módulo de modulación con una frecuencia de modulación fija y un tiempo muerto fijo.

10. El convertidor de energía de la reivindicación 9, en donde las señales de control se generan en un tercer modo de operación cuando la fuente de CA genera una magnitud de energía menor que el segundo umbral, en donde el segundo umbral es menor que el primer umbral y en donde durante el tercer modo de operación, cada uno de los dispositivos de conmutación positiva se controlan para conectar cada fase de la fuente de CA a la barra positiva en tándem y cada uno de los dispositivos de conmutación negativa se controlan para conectar cada fase de la fuente de CA a la barra negativa en tándem.

11. El convertidor de energía de la reivindicación 10, en donde el dispositivo de memoria almacena una tabla de consulta que define la tasa de cambio de la frecuencia de modulación durante el tercer modo de operación como una función de la frecuencia de modulación de corriente.

12. El convertidor de energía de la reivindicación 11, en donde la frecuencia de modulación varía desde aproximadamente 10 kHz hasta aproximadamente 50 Hz.

13. Un método para convertir energía de una fuente de energía renovable que tiene una capacidad variable de generación de energía, comprendiendo el método las etapas de: monitorear un nivel de energía generada por la fuente de energía renovable; controlar un convertidor de energía en un primer modo de operación por medio de la modulación por duración de impulsos que tiene una frecuencia de modulación fija y una compensación de tiempo muerto fijo cuando el nivel de energía generada se encuentra por arriba de un primer umbral predeterminado; y controlar el convertidor de energía en un segundo modo de operación por medio de la modulación por duración de impulsos que tiene un tiempo de supresión periódica, en donde el tiempo de supresión se repite a un intervalo periódico durante cada ciclo de una frecuencia fundamental de un voltaje generado por la fuente de energía renovable y en donde durante el tiempo de supresión se deshabilita la modulación por duración de impulsos.

14. El método para convertir energía de la reivindicación 13 que comprende además la etapa de controlar el convertidor de energía en un tercer modo de operación cuando el nivel de energía generada se encuentra por debajo de un segundo umbral predeterminado por medio de la modulación por duración de impulsos que tiene una frecuencia de modulación variable y un tiempo de encendido fijo, en donde el segundo umbral predeterminado es menor que el primer umbral predeterminado.

15. El método para convertir energía de la reivindicación 14, en donde la fuente de energía renovable genera un voltaje de entrada de CA multifásico y en donde el control del convertidor de energía en el tercer modo de operación comprende además las etapas de: conectar cada una de las fases del voltaje de entada de CA a una barra positiva de un bus de CD en el convertidor de energía en tándem, y conectar cada una de las fases del voltaje de entrada de CA a una barra negativa de un bus de CD en el convertidor de energía en tándem, en donde cada una de las fases se conecta de manera alterna a las barras positiva y negativa.

16. Un convertidor de energía que comprende: una entrada configurada para recibir energía de una fuente de CA; un bus de CD que tiene una barra positiva y una barra negativa; al menos un dispositivo de conmutación positiva que conecta selectivamente la entrada a la barra positiva del bus de CD como una función de la señal selectora positiva correspondiente; al menos un dispositivo de conmutación negativa que conecta selectivamente la entrada a la barra negativa del bus de CD como una función de la señal selectora negativa correspondiente; un dispositivo de memoria que almacena una serie de instrucciones; y un controlador configurado para ejecutar la serie de instrucciones para: ejecutar una rutina de modulación para generar cada una de las señales selectoras positivas y negativas; determinar la magnitud de la energía generada por la fuente de CA, generar las señales selectoras positivas y negativas para cada uno de los dispositivos de conmutación positiva y negativa en un primer modo de operación cuando la magnitud de la energía generada por la fuente de CD excede un primer umbral predefinido; y generar las señales selectoras positivas y negativas para cada uno de los dispositivos de conmutación positiva y negativa en un segundo modo de operación cuando la magnitud de la energía generada por la fuente de CD es menor que el primer umbral predefinido, en donde durante el primer modo de operación, el controlador inserta periódicamente un tiempo de supresión en la rutina de modulación, deshabilita las señales selectoras positivas y negativas durante el tiempo de supresión; y durante el segundo modo de operación, cada uno de los dispositivos de conmutación positiva conecta la entrada a la barra positiva en tándem y cada uno de los dispositivos de conmutación negativa conecta la entrada a la barra negativa en tándem.

17. El convertidor de energía de la reivindicación 16 en donde durante el segundo modo de operación, el controlador ejecuta un controlador de corriente que varía el tiempo muerto como una función de la corriente transferida entre la fuente de CA y el bus de CD.

18. El convertidor de energía de la reivindicación 16 en donde durante el segundo modo de operación, el controlador ejecuta la rutina de modulación con un período de modulación variable y un tiempo de encendido fijo.

19. El convertidor de energía de la reivindicación 18 en donde el dispositivo de memoria almacena una tabla de consulta que define la tasa de cambio del período de modulación durante el tercer modo de operación como una función del período de modulación de corriente.