MXPA01011953A - Central electrica eolica y un metodo de control. - Google Patents

Abstract

Una central electrica eolica que comprende al menos una estacion (29) de suministro de energia electrica eolica que incluye una turbina eolica , un generador (1) electrico impulsado por esta turbina eolica, y una conexion (30) electrica de tension alterna que conecta a la estacion de suministro de energia electrica eolica con una red (31) de transmision o distribucion. En el lado de la red de la central se conecta un convertidor (34) de frecuencia en la conexion (30) electrica de tension alterna, convertidor de frecuencia este que se arregla para fijar la frecuencia de la conexion entre la estacion de suministro de energia electrica eolica y el convertidor de manera que este sustancialmente por debajo de la frecuencia de la red, y para convertir esta baja frecuencia de la conexion para que corresponda con la frecuencia mas alta de la red. Ademas, la invencion comprende un metodo correspondiente de control.

Description

CENTRAL ELÉCTRICA EOLICA Y UN MÉTODO DE CONTROL DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a una central eléctrica 5 eólica que comprende al menos una estación de suministro de energía eléctrica eólica que incluye una turbina eólica, un generador eléctrico impulsado por esta turbina eólica y una conexión eléctrica de tensión alterna que conecta a ia estación de suministro de energía eléctrica eólica con una 0 red de transmisión o distribución. La invención también se refiere a un método para el control en una central eléctrica de esta índole. La invención esta preferiblemente destinada a ser usada en aquellos casos en los que la conexión entre el 5 generador y la red de transmisión o distribución incluye un cable destinado a ser sumergido en agua. Consecuentemente, expresado en otras palabras, se refiere primordialmente a aquellas aplicaciones en las que una o varias turbinas eólicas con los generadores asociados se destinan a ser emplazadas en el mar o en lagos, en donde el cable de conexión se extiende a la red de transmisión o distribución emplazada en tierra. A pesar de que a continuación se tratará sdbre las ventajas de la invención primordialmente en conexión con ei emplazamiento de las turbinas eólicas en el mar o en lagos, la invención no obstante también puede implicar ventajas en los casos en que las turbinas eólicas y los generadores se localizan en tierra y la conexión, que en ese caso no necesariamente debe consistir en un cable, sino que en cambio se puede realizar en forma de líneas o 5 cables aéreos conecta a varias de estas turbinas eólicas/generadores con la red de transmisión o distribución. Antecedentes de la invención y técnica anterior Cuando el suministro de energía eólica se 0 localiza en el mar, con el fin de hacer económico el proyecto se requiere ubicar grandes grupos de estaciones de suministro de energía eléctrica eólica dentro de un área limitada. El suministro de energía eólica basado en el mar requiere de estaciones de suministro de energía eléctrica 5 eólica relativamente grandes (3 MW y más), y convenientemente se espera un suministro total de energía eléctrica del sistema de 50-100 MW. Hasta ahora la planeación de estos parques eólicos ha presupuesto que la transmisión de la energía eléctrica se efectúa mediante la 0 transmisión tradicional de corriente alterna en sistemas de cables marinos de tensión alterna trifásica. En ese caso el generador casi siempre es un generador asincrónico trifásico. Es cierto que existen ejemplos en que se han usado generadores sincrónicos conectados directamente a la 5 red, pero por regla general esto resulta en la necesidad de IÜ l».i¿,.tAj *>.»**•** instalar una complicada suspensión de muelle mecánico entre el generador y la casa de máquinas con el fin de amortiguar las variaciones en el suministro de energía eléctrica ocasionadas, por el carácter variable de la carga eólica. 5 Esto se deriva del hecho de que la dinámica del rotor de un generador sincrónico se comporta mecánicamente como un resorte en contra de una red rígida de tensión alterna, en tanto que un generador asincrónico se comporta como un amortiguador. Presumiblemente sería posible hacer un 10 generador asincrónico convencional de 3 MW para aproximadamente 3-6 kV, y conectarlo en serie con un convertidor que eleva la tensión a, digamos, 24 kV en una primera etapa. En un parque de suministro de energía eólica con 30-40 estaciones de suministro de energía eléctrica 15 eólica se proporcionaría entonces un convertidor central que eleva adicionalmente la tensión a 130 kV. La ventaja con un sistema de esta índole es que es barato y no requiere de subsistemas complicados. La desventaja en parte reside en las dificultades técnicas para transmitir la 20 energía eléctrica a través de grandes distancias en un cable de tensión alterna de alta tensión. Esto se deriva del hecho de que el cable produce una potencia de reacción capacitiva que aumenta con la longitud. La corriente a través del conductor y en el blindaje del cable aumentan 25 entonces tanto que no es posible realizar el cable para «*fa**> -M * *• ** ti***.»****^ Att .iAj grandes distancias. La otra desventaja reside en que la carga eólica variable provoca variaciones de tensión en la línea de transmisión que pueden afectar a los usuarios de la energía eléctrica conectados en la proximidad. Esto es válido en particular si la red es "débil", es decir, cuyo poder para poner en cortocircuito es bajo. Debido a los problemas técnicos previamente mencionados para el caso de las grandes distancias de transmisión por cable, uno se vería forzado a conectar el parque eólico a una red "débil". De acuerdo a determinados principios de aplicación la variación de la tensión podría no ser superior a 4%. Los diferentes países tienen normas diferentes, y por regla general las normas se mitigan en el caso de un menor nivel de tensión en la línea de transmisión. También sería necesario tratar de manera diferente las variaciones de la tensión en función de los intervalos de tiempo. Las variaciones de rápidas de la tensión ocasionan "parpadeo", es decir, variaciones de luz en lámparas incandescentes, lo cual también esta regulado por las normas. Una solución, por el lado de la presente invención referente a los problemas precedentemente mencionados con grandes distancias cubiertas por cable es la de transmitir la energía eléctrica con tensión continua de alta tensión. Entonces resulta posible tender el cable directamente hasta una red fuerte. Otra ventaja reside en que las transmisiones de CC sufren menores pérdidas que las transmisiones de CA. Desde un punto de vista técnico la distancia que cubre el cable puede ser de longitud ilimitada. Una conexión de CCAT consiste en una estación de rectificación, una linea de transmisión (cable o línea aerea) , una estación de inversión y filtros para eliminar las frecuencias armónicas que se generan durante la conversión. En una variante más antigua de las conexiones de CCAT se usan tiristores para la rectificación y la inversión. Los tiristores se pueden conectar pero no se pueden desconectar/ la comunicación tiene lugar en el paso por cero de la tensión, el cual es determinado por la tensión alterna, por lo que los convertidores se llaman de conmutación en línea. Una desventaja de esta técnica es que los convertidores consumen energía reactiva y provocan frecuencias armónicas en la corriente que se transmiten a la red. En una solución más moderna de la tensión directa se usan transistores bipolares con compuerta aislada (IGBT's por sus siglas en inglés) en lugar de tiristores en los convertidores. Un transistor bipolar de compuerta aislada se puede conectar y desconectar y además tiene una elevada frecuencia de conmutación. Esto implica que es posible producir los convertidores de acuerdo a un principio totalmente diferente, lo que se conoce como convertidores auto-conmutadores. En resumen, las ventajas con los convertidores auto-conmutadores es que pueden tanto suministrar como también consumir energía reactiva, lo cual permite una compensación activa del nivel de tensión en el lado de la red si la red es débil. Consecuentemente, esto hace que este tipo de convertidor sea superior a la técnica anterior en el sentido de que se puede conectar a una red situada más próxima al suministro de energía eólica. La alta frecuencia de conmutación también conduce a una reducción del problema con las frecuencias armónicas en comparación con la g nerad " más antigua de CCAT. Sin embargo, una desventaja es que tanto las pérdidas como también el precio son más elevadas en la estación de transformación. Un convertidor auto-conmutador se caracteriza en que la excitación de la tensión se efectúa mediante un patrón de pulsaciones rápido, el cual es generado por el convertidor. La diferencia de tensión entre el patrón de pulsaciones y la tensión sinusoidal de la red se encontrará por arriba de las inductancias por el lado de la red. Existen dos tipos de inversores auto-conmutadores/ un inversor de fuente de tensión de tensión estable (VSI por sus siglas en inglés) y un inversor de fuente de corriente de corriente estable (CSI por sus siglas en inglés) con características algo diferentes. El inversor de fuente de tensión, el cual tiene a lo menos un capacitor en el lado de la CC ofrece la mejor regulación de la energía eléctrica . Se han construido algunas estaciones de suministro de energía eléctrica eólica experimentales usando una técnica parecida al concepto de CCAT, pero por un motivo completamente diferente, específicamente para lograr una velocidad de rotación variable de estaciones de suministro de energía eléctrica eólica individuales. El generador de la estación de suministro de energía eléctrica eólica se desconecta ertonces de la red a baja tensión por vía de una conexión de CC, típicamente el nivel de 400 V ó 660 V. Una velocidad de rotación variable en la turbina suministra ganancias de energía eléctrica al mismo tiempo de que por regla general resulta que las variaciones de la velocidad de rotación se pueden usar para eliminar las rápidas pulsaciones en el suministro de energía eléctrica que ocasionan "parpadeo". Sin embargo, naturalmente no es posible eliminar los cambios de suministro de energía eléctrica lentos inherentes a la naturaleza de la carga eólica. Se puede decir que el momento de inercia de la turbina funciona como un depósito intermedio para la energía cinética. En un sistema de esta índole un generador sincrónico no constituye una desventaja, sino más bien una ventaja, puesto que el generador asincrónico requiere de un rectificador más caro y más complicado. Si se desea tener un generador impulsado directamente, y en consecuencia eliminar la necesidad de un unidad de engranaje entre la turbina y el generador, el generador necesariamente debe ser sincrónico en virtud de que se le proporcionaran los polos necesarios. En otras palabras, un generador de impulsión directa requiere de una conexión intermedia de CC. En el concepto también es posible regular de manera activa el momento modificando el ángulo de disparo si se usa un rectificador controlado. En la mayoría de los conceptos que tienen una velocidad de rotación variable se proporciona adicionalmente un control de velocidad de rotación externo activo mediante lo que se conoce como control de paso, lo cual implica que se modifica el ángulo de las aspas de la turbina. Una desventaja de una velocidad de rotación variable de acuerdo a los conceptos referidos es el precio de la electrónica de corrientes fuertes, y además, que el mantenimiento de ésta electrónica de corrientes fuertes será difícil y costoso a mar abierto. Propósito de la invención El propósito de la invención es el de lograr, con desviaciones de las conexiones de tensión continua precedentemente mencionadas, una conexión de tensión alterna entre un parque eólico en particular emplazado en el mar y una red de transmisión o distribución en particular emplazada en tierra firme, con la posibilidad de distancias de transmisión considerablemente más grandes y menores pérdidas de lo que ofrece una conexión de tensión alterna convencional, y simultáneamente crear la posibilidad para la operación con una velocidad de rotación variable, sin usar para nada electrónica de corrientes fuertes a mar abierto. Esto es muy valioso en virtud de que todo mantenimiento que se lleva a cabo en el mar es costoso y difícil de efectuar. Otro propósito de la invención es poder tener las mismas buenas posibilidades de regulación en lo referente a la potencia reactiva que ofrece un sistema moderno de CCAT. Sumario de la invención El propósito de la invención se logra primordialmente conectando un convertidor de frecuencia a la conexión =ctrica de tensión alterna en el lado de la red de la central, convertidor de frecuencia este que se arregla para fijar la frecuencia de la conexión entre la estación de suministro de energía eléctrica eólica y el convertidor de manera que este sustancialmente por debajo de la frecuencia de la red y convertir esta baja frecuencia de la conexión para corresponder con la frecuencia mas alta de la red. La expresión "en el lado de la red de la central" en consecuencia significa que el convertidor de frecuencia se localiza relativamente próximo a la red de transmisión o distribución, en tanto que la parte principal de la conexión se extiende entre el convertidor de frecuencia y la estación de suministro de energía eléctrica eólica misma, por ejemplo en forma de un cable submarino. Consecuentemente esto implica que la transmisión en la conexión sustancialmente tendrá lugar a una baja frecuencia 5 y en consecuencia se crean prerrequisitos para distancias de transmisión considerablemente mas largas y menores pérdidas de lo que ofrece una conexión convencional de tensión alterna con frecuencia de red regular. Las frecuencias de red que ocurren normalmente son del nivel de 10 50 a 60 Hz. Si la baja frecuencia en la conexión de tensión alterna entre el convertidor de frecuencia y la estación de suministro de energía eléctrica eólica es, por ejemplo, de 10 Hz, la corriente capacitiva en un cable se reduce 5 veces para la misma tensión que en una red de 50 Hz. Esto 15 implica que es posible conectar distancias 5 veces mas largas con, por ejemplo, un cable submarino. Otra ventaja de la idea de la invención es que el convertidor de frecuencia se localizará consecuentemente próximo a la red de transmisión o distribución, es decir, 20 normalmente en tierra firme, lo cual reduce drásticamente los costos de mantenimiento y supervisión y también reduce la duración de las interrupciones por servicio en caso de fallas . De acuerdo a una modalidad preferida de la 25 invención, varias estaciones de suministro de energ'a - t ' eléctrica eólica con generadores asincrónicos se interconectan en paralelo con la conexión de tensión alterna. La frecuencia y tensión adecuadas de la conexión de tensión alterna es en función del tamaño del parque eólico y de la distancia a tierra, pero en el caso de un parque eólico de 50 MW debería ser adecuada una frecuencia de 10-20 Hz a 130 kV. De, acuerdo a una modalidad de la invención el convertidor de frecuencia comprende una conexión intermedia de tensión continua con un convertidor de CA/CC y un arreglo de inversión. Esto permite aplicar tanto una frecuencia variable como también una tensión variable a través de la conexión de tensión alterna de baja frecuencia. En particular se prefiere entonces que la conexión intermedia de tensión continua comprenda un convertidor de CC/CC. Aún cuando en una modalidad preferida las válvulas electrónicas en el convertidor de frecuencia consisten de transistores bipolares de compuerta aislada tipo IGBT conectados en serie sería posible utilizar otro tipo de válvulas electrónicas. Con la invención también es posible usar otros tipos de convertidores de frecuencia, por ejemplo1 convertidores directos, también lo que se conoce como "ciclo convertidores", los cuales adolecen una conexión de tensión continua, así como también otros convertidores de frecuencia que no son del tipo estático, .i**¿L~*-í~. .l±-L •iitaiMüiii , A tt. j.J es decir, también convertidores de frecuencia rotatorios. De acuerdo a las modalidades en las que se entrará en mayor detalle mas adelante es posible disponer al menos un transformador en el lado del generador de la conexión para la transformación reductora de la tensión de la conexión de tensión alterna entre el generador y el convertidor de frecuencia a un nivel adecuado de tensión del generador. En ese caso es posible proporcionar su propio transformador a cada uno de los generadores que ocurren, siendo que adicionalmente a esto, como un complemento o una alternativa es posible proporcionar un transformador común para todos los generadores. En consecuencia, estos transformadores permiten incrementar la tensión en la conexión de tensión alterna a un nivel mas alto de lo que son capaces los generadores convencionales. Una desventaja de estos transformadores es el que implica un costo adicional y también conllevan la deficiencia de que la efectividad total del sistema se reduce. También implican el peligro de incendio y un riesgo para el medio ambiente en virtud de que contienen aceite para transformadores que se puede derramar en el caso de falla o vandalismo. Con la tecnología de los generadores de hoy en día en lo referente a las estaciones de suministro de energía eléctrica eólica es posible producir un generador que puede manejar 10 kV, pero serían deseables tensiones **. „.¿. i.. ... a, ..«a * Ai . » ,1 t I más altas que esta. Además, la tecnología convencional de aislamiento para devanados del estator es sensible a las variaciones de la temperatura, la humedad y la sal, a las que se encuentra expuesta un generador de turbina eólica. De conformidad con una modalidad particularmente preferida de la invención se usa un aislamiento sólido para al menos un devanado en el generador, aislamiento el cual preferiblemente se lleva a cabo de acuerdo a la subsiguiente reivindicación 14. Más específicamente el devanado tiene el carácter de un cable de alta tensión. Un generador que se construye de esta manera crea los prerrequisitos para obtener tensiones considerablemente más altas que los generadores convencionales. Es posible lograr hasta 400 kV. Además, un sistema de aislamiento de esta índole en el devanado implica insensibilidad a la sal, la humedad y las variaciones de temperatura. La alta tensión de salida implica que es posible excluir por completo los transformadores, lo cual implica que se evitan las desventajas ya mencionadas de estos transformadores. Un generador que tiene un devanado de esta índole formado por un cable se puede producir enhilando el cable en ranuras fabricadas en el estator para este propósito, con lo que la flexibilidad del cable para el devanado implica que el trabajo de enhilado se puede llevar a cabo con facilidad. ¡te + ? m*iU*? ¿*S í?iM . * ,i*M ?. . f „gfa ?rit «fekt .t Ai Las dos capas semiconductoras del sistema de aislamiento tienen una función de compensación de potencial y en consecuencia reducen el riesgo de incandescencia de la superficie. La capa semiconductora interna deberá estar en contacto eléctricamente conductor con el conductor eléctrico, o una parte de este, localizado al interior de la capa con el fin de obtener el mismo potencial como este. a capa interna se asegura íntimamente al aislamiento sólido localizado afuera de ella, y esto se aplica también al aseguramiento de la capa semiconductora exterior al aislamiento sólido. La capa semiconductora exterior tiende a contener el campo eléctrico dentro del aislamiento sólido. Con el fin de garantizar una adherencia mantenida entre las capas semiconductoras y el aislamiento sólido incluso durante variaciones de la temperatura, las capas semiconductoras y el aislamiento sólido tienen esencialmente el mismo coeficiente de expansión interno. La capa semiconductora exterior en el sistema de aislamiento se conecta con potencial a tierra u otro potencial relativamente bajo. Con el fin de poder obtener un generador capaz de muy alta tensión, el generador tiene una serie de características que ya se mencionaron en lo precedente y que difieren notablemente de la tecnología convencional. i sá. .ÁÉíÁíiltei»a. i i ftfrii ii te...... ,.

Otras características se definen en las reivindicaciones subordinadas y se discuten a continuación: Las características que se mencionaron con anterioridad y otras características esenciales del generador y, en consecuencia de la central eléctrica eólica de acuerdo a una modalidad de la invención comprenden lo siguiente : El devanado en el circuito magnético se produce a partir de un cable que tiene uno o varios conductores eléctricos permanentemente aislados con un capa semiconductora en el conductor y por fuera del aislamiento sólido. Los cables típicos de esta índole son cables que tienen un aislamiento de polietileno o etileno-propeno reticulado, los cuales para el propósito en consideración aquí se desarrollan adicionalmente en lo referente a los soportes del conductor eléctrico y también al carácter del sistema de aislamiento. Se prefieren los cables que tienen sección transversal circular, pero también se pueden usar cables con otra sección transversal, por ejemplo con el fin de obtener una mejor densidad de empaque. Un cable de esta índole permite diseñar un núcleo laminado del circuito magnético de una manera novedosa y óptima en lo referente a las ranuras y los dientes. ? * ¿ Í<a,fa*A t u tí? „ ,, awM«Jt... * * *~?.*^ , .-.—... *~**,.,^ .^. ,.., .. Á...

Convenientemente el devanado se produce con un aislamiento que se incrementa por pasos o el mejor aprovechamiento del núcleo laminado. Convenientemente el devanado se produce como un devanado de cable concéntrico, lo que permite reducir el número de cruzamientos de extremos de bobina. La forma de las ranuras se adapta a la sección transversal del cable para devanado, de manera que las ranuras tienen la forma de una serie de aberturas cilindricas que se extienden axiales y/o radiales hacía afuera una de otra y que tienen constricciones que se extienden en'tre las capas del devanado del estator. La forma de las ranuras se adapta a la sección transversal del cable en consideración y al grosor que cambia por pasos del aislamiento del devanado. El aislamiento por pasos permite que el núcleo magnético tenga una anchura de dientes sustancialmente constante independientemente de la extensión radial. El perfeccionamiento adicional previamente mencionado referente a los núcleos implica que no es absolutamente necesario que el conductor del devanado, el cual cosiste de un número de capas reunidas, es decir, hilos aislados, sea transpuesto de manera correcta, y no aislado y/o aislado uno de otro. - El perfeccionamiento adicional previamente mencionado referente a la capa semiconductora externa implica que la capa semiconductora exterior se corta en puntos adecuados a lo largo de la longitud del cable, y cada tramo parcial cortado se conecta directamente a potencial de tierra. El uso de un cable del tipo descrito en lo precedente permite mantener con potencial a tierra toda la longitud de la capa semiconductora externa del cable, así como otras partes de la planta. Una ventaja importante es que el campo eléctrico se encuentra próximo a cero en la región del extremo de la bobina por fuera de la capa semiconductora exterior. Con potencial a tierra en la capa semiconductora exterior no es necesario controlar el campo eléctrico. Esto implica que no ocurrirán concentraciones de campo ni en el núcleo, ni en las regiones de los extremos de la bobina o en la región de transición entre ellas. La mezcla de hilos aislados y/o no aislados empacados, o hilos transpuestos, resulta en bajas pérdidas por corrientes parásitas. El cable puede tener un diámetro externo del orden de 10-40 mm y un área de conductor del orden de 10-200 mm2. Además, la invención comprende un método para controlar la operación de una central eléctrica eólica de acuerdo a las reivindicaciones subsiguientes. Breve descripción de los dibujos i XM .á-^.^sáM Con referencia a los dibujos subsiguientes a continuación seguirá una descripción más detallada de las modalidades de la invención que se dan como ejemplos. En los dibujos: la figura 1 es una vista axial esquemática desde un extremo de un sector del estator en un generador eléctrico en la central eléctrica eólica de conformidad con la invención, la figura 2 es una vista desde un extremo, parcialmente en corte, de un cable que se usa en el devanado del estator de acuerdo a la figura 1, la figura 3 es una vista esquemática, parcialmente en sección, de una modalidad de un generador de energía eléctrica eólica de acuerdo a la invención, la figura 4 es una vista esquemática que muestra la modalidad de la central eléctrica eólica de acuerdo a la invención, y la figura 5 es igualmente una vista esquemática que muestra una modalidad alternativa de la central, la figura 6 es una vista similar a la de la figura 5 de una variante, y la figura 7 es una vista que ilustra una posible modalidad del convertidor de frecuencia que comprende la central . Descripción detallada de las modalidades preferidas H?Áé?dLx j!i¿a¿la¿i.. *a..&**s^^2&, -i..j¡_L á ' Con el auxilio de las figuras 1-3 se explica primero el diseño del generador 1 preferido en una modalidad de la invención. La figura 1 muestra una vista axial esquemática a través de un sector del estator 2. El rotor del generador se designa con 3. El estator 2 se forma de una manera convencional de un núcleo laminado. La figura 1 muestra un sector del generador que corresponde a un paso de polo. Desde una sección de culata del núcleo que se localiza lo más afuera en la dirección radial se extienden un número de dientes 5 radiales al interior hacía el rotor 3, y estos dientes se separan mediante una ranura 6 en la cual se localiza el devanado del estator. Los cables 7 que forman este devanado del estator son cables de alta tensión que sustancialmente pueden ser del mismo tipo que aquellos que se usan para la distribución de energía eléctrica, es decir, cables de polietileno reticulado (PEX por sus siglas en inglés) . Una diferencia es que se han eliminado la capa de PVC externa de protección mecánica y el blindaje de metal que normalmente rodean un cable de distribución de energía eléctrica de esta índole, de manera que el cable para la presente invención solo comprende el conductor eléctrico y a lo menos una capa semiconductora de cada lado de una capa aislante. Los cables 7 se ilustran de manera esquemática en la figura 1, en donde solo se muestra la parte central eléctricamente conductora de cada sección de cable o lado del inducido. Es aparente que cada ranura 6 tiene una sección transversal variable con partes 8 anchas que alternan con partes 9 angostas. Las partes 8 anchas son sustancialmente circulares y rodean al cable, siendo que las secciones entalladas entre las partes anchas forman las partes 9 angostas. Las secciones entalladas sirven para fijar la posición radial de cada cable. La sección transversal de la ranura 6 se vuelve más angosta radial al interior. Esto es en función de que la tensión en las secciones de cable es más baja tanto más cerca se sitúan a la parte radial más interna del estator 1. Por consiguiente es posible usar cables más delgados al interior, en tanto que más afuera se requiere de cables más gruesos. En el ejemplo ilustrado se disponen cables con tres dimensiones diferentes en tres secciones 10, 11, 12 de dimensiones correspondientes de la ranura 6. En la parte más externa de la ranura 6 se dispone un devanado 13 para energía eléctrica auxiliar. La figura 2 muestra una vista desde un extremo en corte escalonado de un cable de alta tensión para ser usado en el generador. El cable 7 de alta tensión comprende uno o varios conductores 14 eléctricos, cada uno de los cuales comprende un número de hilos 15, los cuales en conjunto dan una sección transversal circular. Los conductores pueden ser, por ejemplo, de cobre. Estos conductores 14 se localizan en el centro del cable 7 de alta tensión, y en la modalidad mostrada cada uno de los conductores esta rodeado por un aislamiento 16 parcial. Sin embargo es posible omitir el aislamiento 16 parcial en uno de los conductores 14. En la modalidad mostrada los conductores 14 se encuentran rodeados por una primera capa 17 semiconductora. Alrededor de esta primera capa 17 semiconductora hay una capa 18 aislante, por ejemplo de aislante PEX, que a su vez esta rodeada por una segunda capa 19 semiconductora. En consecuencia, el concepto de "cable de alta tensión" en esta aplicación no tiene que comprender un blindaje metálico o una capa protectora externa del tipo que normalmente rodea a un cable de distribución de energía eléctrica. En la figura 3 se muestra una estación de suministro de energía eléctrica eólica con un circuito magnético del tipo descrito haciendo referencia a las figuras 1 y 2. El generador 1 es impulsado por una turbina 20 eólica por medio de un árbol 21. No obstante que es posible impulsar el generador 1 directamente por medio de la turbina 20, es decir que el rotor del generador se acopla en rotación fija con el árbol de la turbina 20, puede existir un engranaje 22 entre la turbina 20 y el generador 1. Ese puede estar constituido, por ejemplo, por un engranaje planetario de un solo paso, cuyo propósito es ! Á^fetü* el de incrementar la velocidad de rotación del generador con relación a la velocidad de rotación de la turbina. El estator 2 del generador porta los devanados 23 del estator que están formados con el cable 7 previamente descrito. El cable 7 puede no estar envainado y convertirse en un cable 24 con vaina por vía de un empalme 25 de cables. En la figura 4, la cual de manera esquemática ilustra a grandes rasgos la central eléctrica eólica se ilustran dos estaciones 29 de suministro de energía eléctrica eólica conectadas en paralelo, cada una de las cuales tiene un generador. El generador tiene un devanado 26 de campo y uno (o varios) devanados 27 auxiliares de potencia. En la modalidad mostrada los generadores se conectan en 26 de campo y uno (o varios) devanados 27 auxiliares de potencia. En la modalidad mostrada los generadores se conectan en Y, y el punto neutral se pone a tierra con una impedancia 28 respectiva. En la figura 4 las dos estaciones de suministro de energía eléctrica eólica que comprenden al generador 1 así como a la turbina eólica (no mostrada) se designan en general con el número 29. Una conexión 30 eléctrica de tensión alterna conecta a las dos estaciones 29 de suministro de energía eléctrica eólica a una red 31 de transmisión o distribución. Esta es en este caso del tipo trifásico. La frecuencia normal de una red de esta índole -M?j^ÁiiAmáá Su?^??it?ii^^^^^tt?mt?* nu . .JUHH.,^ * iBfcáte *.**¿*J*~??JBMí*?íi?jt»»~ít?**~..v. v,*^at?. ^ k?^L? ,, es de 50 ó 60 Hz. La conexión 30 comprende a lo largo de una porción designada con 32 un cable 33 destinado a ser sumergido en agua. Sin embargo también podrían entrar en consideración una o varias líneas/cables aéreos en lugar de un cable sumergido en agua. La porción 32 puede en la práctica ser muy larga. En el lado de la red de la central se conecta un convertidor 34 de frecuencia a la conexión 30 eléctrica de tensión alterna, convertidor de frecuencia este que se arregla para fijar la frecuencia de la conexión entre la estación 29 de suministro de energía eléctrica eólica y el convertidor 34 de manera que este sustancialmente por debajo de la frecuencia de la red 31 y convertir esta baja frecuencia de la conexión para corresponder con la frecuencia mas alta de la red 31. Como es evidente por la descripción previa, el generador 1 es del tipo asincrónico en el ejemplo. El convertidor 34 de frecuencia convenientemente se localiza en tierra en una estación adecuada próxima a la red 31. Las estaciones 29 de suministro de energía eléctrica eólica se localiza afuera en el mar o en un lago sobre fundamentos adecuados. En uno de estos fundamentos o en un fundamento colocado específicamente para este propósito se interconectan los cables de salida de los generadores 1, por ejemplo por medio de barras conductoras i8iỿ?Sifa~?u*»tia >?a «a>ifc? j* ** ^ - 1 en un punto designado como 35. En la figura 4 se ilustra como se proporciona un disyuntor 36 entre el convertidor 34 de frecuencia y la red 31, y conjuntos de interruptores de seccionamiento en cada 5 lado de aquel. En la modalidad de acuerdo a la figura 4 los generadores 1 están acoplados directamente al convertidor 34 de frecuencia. Esto es una consecuencia que se debe ai hecho de que se supone que los generadores 1 tienen el 10 diseño descrito precedentemente con referencia a las figuras 1 y 2, es decir, capaces de generar una tensión muy alta. En la variante de acuerdo a la figura 5 se ilustra como un transformador 31, común para todos los 15 generadores 1, se dispone entre el punto 35 de conexión en paralelo para los generadores 1 y el convertidor 34 de frecuencia, transformador este que se destina para obtener una alta tensión en la parte de la conexión situada entre el transformador y el convertidor 34 de frecuencia y una 20 tensión comparativamente mas baja entre el transformador 38 y los generadores 1. Este transformador 38 común se localiza en el lado de la energía eléctrica eólica de la conexión 30, es decir, cerca de la estación 29 de suministro de energía eléctrica eólica, de manera que la 25 parte principal de la conexión 30 estará presente entre el transformador 38 y el convertidor 34 de frecuencia. Convenientemente el transformador 38 se puede colocar sobre uno de los fundamentos para las estaciones 29 de suministro de energía eléctrica eólica o posiblemente sobre su propio fundamento en un lugar estratégico. La variante de la figura 6 ilustra una alternativa que corresponde a aquella de la figura 5 excepto que aquí se localiza un transformador 39 particular para cada uno de los generadores 1. Consecuentemente las estaciones de suministro de energía eléctrica eólica se interconectan en paralelo en el punto 35 solamente después de estos transformadores. En una modalidad de este tipo sería posible omitir el transformador 38 que se describió con mas detalle con referencia a la figura 5. Además también es posible conservar el transformador 38 de manera que la tensión de cada estación de suministro de energía eléctrica eólica individual sea elevada en dos etapas, es decir, primero por medio del transformador 39 y después mediante el transformador 38 común. En la figura 7 se ilustra una posible modalidad del convertidor 34 de frecuencia. Aquí incluye una conexión intermedia de tensión continua que tiene un convertidor 40 de CA/CC y un inversor 41. En la conexión intermedia de tensión continua se incluye "antajosamente un convertidor 42 de CC/CC. El inversor 41 es un inversor de auto ¿^.? * ? J-fat? A< ito....J.^^^.jMil^attM^^.¿>j^t..t. >., ..*^L-^. .,.A^.. _»____.,*,...aKaja.t.i.i. conmutación Ide voltaje estable. A través de la conexión CC del inversor se conecta en paralelo un capacitor. Las inductancias 44 de la red se conectan en serie a cada fase en el lado de tensión alterna del inversor 41. El inversor 41 convenientemente comprende un transistor 45 bipolar de compuerta aislada tipo IGBT. El convertidor de CA/CC se puede construir como el inversor 41 y en su lado de la CA tiene inductancias 46 de la red en serie en cada fase. El convertidor 40 puede comprender un transistor 47 bipolar de compuerta aislada tipo IGBT. En el lado de la CC se conecta un capacitor 48 en paralelo con el transistor bipolar de compuerta aislada. La central tiene medios (no mostrados) para medir la potencia activa de la central eléctrica eólica y medios para medir la velocidad actual del viento. Estos medios de medición se conectan a una unidad de control comprendida en el convertidor 34 de frecuencia, unidad de control esta controla la regulación de la frecuencia en función de los valores de medición prevalecientes. En conexión con esto la unidad de control se puede arreglar para controlar la frecuencia de la conexión 30 de manera que corresponda con una característica ideal a través de la velocidad de rotación de la turbina eólica en función de la velocidad del viento. Un control de frecuencia de esta índole se puede calificar de "lento". Se basa en que la velocidad de rotación de las estaciones de suministro de energía eléctrica eólica preferiblemente debieran elevarse linealmente con la velocidad del viento hasta la velocidad máxima de rotación. Con el conocimiento sobre la velocidad del viento es por consiguiente posible que tenga lugar un control de frecuencia relativamente lento en la conexión 30, de manera que se producen las condiciones más favorables . Además la unidad de control convenientemente se arregla para controlar la frecuencia de la conexión 30 mediante la comparación de una potencia de transmisión activa medida con una característica ideal a través de la velocidad de rotación como una función de la potencia. Un control de frecuencia de esta índole se puede calificar aquí popularmente como "rápido". Se conduce con la finalidad de fluctuaciones rápidas de la potencia, y esto se puede lograr, por ejemplo, con regulación Pl y regeneración de la energía eléctrica transmitida a través de la conexión CC, según descrito con referencia a la figura 7. En cuanto a lo que se refiere a la regulación de la tensión en la conexión 30, esta convenientemente se lleva a cabo de la manera más simple, de manera que se hace que la unidad de control controle al convertidor 34 de frecuencia para mantener una relación constante UA?.?.A*áAátlj?«k ?.?„ , ,->. ___H-,t.^A, »,J.^t^^ia,a¿áMhi> J.^..t,,> ia^aa;ii tensión/frecuencia de la conexión sobre la mayor parte de la gama de frecuencia. La invención naturalmente no se limita solo a las modalidades descritas. En consecuencia es posible para las personas expertas en el campo modificar y realizar varios detalles tan pronto como se haya presentado la idea básica de la invención. Estas modificaciones de detalle y las modalidades equivalentes se incluyen dentro del alcance de las subsiguientes reivindicaciones.

Claims (34)

REIVINDICACIONES

1. Central eléctrica eólica que comprende al menos una estación de suministro de energía eléctrica eólica que incluye una turbina eólica y un generador eléctrico impulsado por esta turbina eólica, y una conexión eléctrica de tensión alterna que conecta a la estación de suministro de energía eléctrica eólica con una red de transmisión o distribución, caracterizada en que se conecta un convertidor de frecuencia en la conexión eléctrica de tensión alterna en el lado de la red de la central, convertidor de frecuencia este que se arregla para fijar la frecuencia de la conexión entre la estación de suministro de energía eléctrica eólica y el convertidor de manera que este sustancialmente por debajo de la frecuencia de la red y convertir esta baja frecuencia de la conexión para corresponder con la frecuencia mas alta de la red.

2. Central según la reivindicación 1, caracterizada en que el convertidor de frecuencia se arregla para variar la frecuencia y la tensión de la conexión.

3. Central según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada en que el convertidor de frecuencia se arregla para fijar la frecuencia de la conexión en 20 Hz o menos, preferiblemente dentro del intervalo de 2-20 Hz.

4. Central según la reivindicación 2, caracterizada en que el convertidor de frecuencia se arregla para fijar la tensión de la conexión a un valor dentro del intervalo de 10-400 kV.

5. Central según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada en que el convertidor de frecuencia comprende una conexión intermedia de tensión continua que tiene un convertidor de CA/CC y un inversor .

6. Central según la reivindicación 6, caracterizada en que el convertidor CC/CC esta comprendido en la conexión intermedia de tensión continua.

7. Central según la reivindicación 5 ó 6, caracterizada en que el inversor es un inversor de auto conmutación de voltaje estable, y que se conecta al menos un capacitor en paralelo a través de la conexión CC del inversor.

8. Central según la reivindicación 7, caracterizada en que se conectan inductancias de la red en serie en cada fase en el lado de la tensión alterna del inversor.

9. Central según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada en que las válvulas en el convertidor de frecuencia consisten de transistores bipolares de compuerta aislada tipo IGBT d - conectados en serie.

10. Central según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada en que un número de generadores asociados a un número correspondiente de turbinas eólicas se interconectan en paralelo por el lado del generador de la conexión.

11. Central según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada en que el generador o los generadores es/son de tipo asincrónico.

12. Central según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada en que la turbina eólica se conecta al generador por medio de un engranaje, preferiblemente un engranaje planetario de un solo paso.

13. Central según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en la que el generador comprende a lo menos un devanado, caracterizada en que en el devanado se proporciona un aislamiento sólido.

14. Central según la reivindicación 13, caracterizada en que el devanado comprende un sistema de aislamiento que comprende a lo menos dos capas semiconductoras, cada una de las cuales constituye sustancialmente superficies equipotenciales, y en que el aislamiento sólido se localiza entre estas capas semiconductoras.

15. Central según la reivindicación 14, caracterizada en que a lo menos una de las capas semiconductoras tiene sustancialmente el mismo coeficiente térmico de expansión que el aislamiento sólido.

16. Central según cualquiera de las reivindicaciones 13-15, caracterizada en que el devanado se forma con un cable de alta tensión.

17. Central según cualquiera de las reivindicaciones 14-16, caracterizada en que la capa semiconductora mas interior tiene sustancialmente el mismo potencial que un conductor eléctrico localizado al interior de esta capa.

18. Central según la reivindicación 17, caracterizada en que la interior de las capas semiconductoras esta en contacto eléctricamente conductor con el conductor o una parte de este.

19. Central según cualquiera de las reivindicaciones 14-18, caracterizada en que la externa de las capas semiconductoras se conecta a un potencial fijado de antemano.

20. Central según la reivindicación 19, caracterizada en que el potencial fijo es potencial a tierra u otro potencial relativamente bajo.

21. Central según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada en que en el sÉai i ai, ala !.!&*&. lado del generador de la conexión se dispone a lo menos un transformador para la transformación reductora de la tensión de la conexión entre el generador y el convertidor de frecuencia a un nivel de tensión adecuado del generador.

22. Central según la reivindicación 21, caracterizada en que el transformador es común para todos los generadores que ocurren.

23. Central según la reivindicación 21, caracterizada en que se dispone un transformador específico para cada uno de los generadores.

24. Central según las reivindicaciones 21-23, caracterizada en que cada uno de los generadores que ocurren tiene su propio transformador con el lado primario conectado al generador respectivo y el lado secundario conectado 'en paralelo al lado primario de otro transformador cuyo lado secundario se conecta al convertidor de frecuencia.

25. Central según cualquiera de las reivindicaciones 23 ó 24, caracterizada en que el transformador que es común para varios generadores se localiza en el lado del generador de la conexión.

26. Central según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada en que la conexión comprende un cable destinado a ser sumergido en agua, o una o varias líneas o cables aéreos.

27. Central según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada en que tiene medios para medir la potencia activa de la central eléctrica eólica y medios la velocidad actual del viento, y que estos medios de medición se conectan a una unidad de control comprendida en el convertidor de frecuencia, unidad de control esta que controla la regulación de la frecuencia en función de los valore^ de medición prevalecientes.

28. Central según la reivindicación 27, caracterizada en que la unidad de control se arregla para controlar la frecuencia de la conexión en correspondencia con una característica ideal a través de la velocidad de rotación como función de la velocidad del viento.

29. Central según la reivindicación 27 ó 28, caracterizada en que la unidad de control se arregla para controlar la frecuencia de la conexión mediante la comparación de una potencia de transmisión activa medida con una característica ideal a través de la velocidad de rotación como una función de la potencia.

30. Central según cualquiera de las reivindicaciones 27-29, caracterizada en que la unidad de control se arregla para controlar que el convertidor de frecuencia mantenga una relación constante tensión/frecuencia de la conexión a través de la mayor parte de la gama de frecuencia.

31. Método para controlar la operación de una central eléctrica eólica que comprende al menos una estación de suministro de energía eléctrica eólica que incluye una turbina eólica y un generador eléctrico impulsado por esta tu^oina eólica, y una conexión eléctrica que conecta al generador con una red de transmisión o distribución, caracterizado en que se conecta un convertidor de frecuencia en la conexión eléctrica por el lado de la red de la central, convertidor de frecuencia mediante el cual la frecuencia de la conexión entre la estación de suministro de energía eléctrica y el convertidor se fija a un valor sustancialmente inferior a la frecuencia de la red, y que esta baja frecuencia de la conexión se convierte mediante el convertidor de frecuencia para corresponder con la frecuencia más alta de la red.

32. Método según la reivindicación 31, caracterizado en que la frecuencia de la conexión se regula a un valor obtenido mediante la comparación de la velocidad de viento medida con una característica ideal a través de la velocidad de rotación como una función de la velocidad del viento.

33. Método según la reivindicación 31 ó 32, caracterizado porque la frecuencia de la conexión se regula mediante el el convertidor de frecuencia en base a una comparación de potencia activa medida con una Isi.i . ^.t^^^r.fc.1»—Ifcj.^ .A.....^. - . , . z*t? .ÍH*lA *Í..L característica ideal a través de la velocidad de rotación como una función de la potencia.

34. Método según cualquiera de las reivindicaciones 31-33, caracterizado en que la tensión en la conexión se regula mediante el convertidor de frecuencia de manera que se mantiene una relación constante de tensión/frecuencia a través de la mayor parte de la gama de frecuencia.