PT1959554E - Circuito conversor para um gerador assíncrono de alimentação dupla com potência de saída variável e métodos para a sua operação - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO

CIRCUITO CONVERSOR PARA UM GERADOR ASSÍNCRONO DE ALIMENTAÇÃO DUPLA COM POTÊNCIA DE SAÍDA VARIÁVEL E MÉTODOS PARA A SUA OPERAÇÃO A presente invenção refere-se a um circuito conversor para um gerador assíncrono de alimentação dupla, com possibilidade de ligação a uma rede de tensão, com potência de saida variável, nomeadamente, para um gerador de energia eólica, e um método para a operação de tal circuito conversor.

Hoje em dia, os geradores assíncronos com potência de saída variável são largamente usados no âmbito da geração de energia. São utilizados, nomeadamente, em geradores de energia eólica cuja potência de saída oscila fortemente, por natureza, conforme o vento que naquele momento se faz sentir.

Neste tipo de geradores assíncronos, uma velocidade de operação variável tem grande vantagem.

Um gerador de energia eólica com velocidade variável permite um melhor aproveitamento do vento fraco e oferece menos fadiga mecânica para a torre do gerador de energia eólica em caso de vento forte. 2

Para a operação de um gerador assíncrono deste género é necessário um circuito conversor entre este e a rede de tensão que é alimentada com energia pelo gerador assíncrono.

Os circuitos conversores para geradores assíncronos de alimentação dupla de rotores eólicos são largamente usados e apresentam, em regra, um conversor de corrente trifásica no lado do rotor, condensadores de circuito intermédio e um conversor do lado da rede.

Um tal circuito conversor clássico para um gerador assíncrono de alimentação dupla oferece as duas vantagens acima indicadas mas é bastante caro.

Da US 7,015,595. B2 é conhecida uma solução simples para o gerador assíncrono de alimentação dupla, oferecendo uma regulação da velocidade na área subsíncrona. "Subsíncrono/Supersíncrono" refere-se ao chamado número de rotações do gerador síncrono ou ao número de rotações nominal do gerador assíncrono e significa um número de rotações do rotor inferior/superior ao número de rotações síncrono. O rendimento energético obtido com uma velocidade de vento baixa é assim aumentado.

No entanto, em caso de aumento súbito da velocidade do vento, a torre eólica não é aliviada.

Da DE 10 2004 003 657 AI é conhecida uma solução para eólicas com gerador assíncrono com rotor curto-circuitado 3 e accionamento electrónico de potência para potências mais pequenas com um melhor rendimento de energia eólica quando a velocidade do vento é baixa.

Também aqui, a torre eólica não é aliviada em caso de forte aumento da velocidade do vento.

Da evolução técnica mais recente é conhecida uma possibilidade alternativa para o alivio da torre.

No circuito do rotor está inserida uma resistência que é ligada quando as velocidades do vento são mais elevadas. A corrente do rotor passa então pela resistência e, desta forma, o gerador eólico pode aumentar a velocidade de rotação sendo armazenada energia eólica adicional em forma de energia cinética adicional do gerador eólico e a torre é mecanicamente aliviada.

Uma vez que a torre está mecanicamente aliviada, a construção da torre pode ser executada de forma mais simples e económica. 0 circuito "Optislip" com resistência encontra-se totalmente no rotor ou roda com este, não existindo, portanto, anéis de contacto. A energia do rotor aquece adicionalmente a resistência e através desta o rotor e, por conseguinte, o gerador.

Por isso, na prática a operação supersincrona para o alivio da torre fica limitada a uma percentagem reduzida durante um período breve. 4

Além disso, da US 2003/0151259 A 1 é conhecido um circuito conversor para um gerador assíncrono de alimentação dupla, com possibilidade de ser ligado através de um estator a uma rede de corrente, com saída de potência variável.

No rotor do gerador assíncrono é conhecido um conversor de corrente com circuito intermédio ligado à rede de corrente.

Do lado da rede, este conversor de corrente apresenta um rectificador e do lado do gerador um conversor.

Também da EP 1 313 206 A2 é conhecido um processo, de acordo com a evolução técnica aí citada, de prever no interior de um conversor de corrente constituído por um rectificador de entrada, um circuito intermédio e um conversor de saída, um conversor elevador. O objectivo da presente invenção é indicar um circuito conversor aperfeiçoado com um gerador assíncrono com saída de potência variável. O objectivo é atingido por um circuito conversor com um gerador assíncrono de alimentação dupla com saída de potência variável, que pode ser ligado através do seu estator a uma rede de tensão, nomeadamente um gerador de energia eólica. O circuito conversor inclui um rectificador de rotor com duas saídas de tensão contínua, susceptível de ser ligado ao rotor do gerador assíncrono, e um conversor de rede com duas entradas de tensão contínua, com possibilidade 5 de ligação a uma rede de tensão. 0 circuito conversor contém ainda um circuito intermédio que, através de um cabo de ligação, liga sempre uma das saídas de tensão contínua a uma das entradas de tensão contínua. 0 circuito intermédio apresenta um interruptor semicondutor situado entre as saídas de tensão contínua e um condensador de circuito intermédio situado entre as entradas de tensão contínua.

Além disso, o circuito intermédio contém um diodo que se encontra num dos cabos de ligação entre o interruptor semicondutor e o condensador de circuito intermédio. 0 enrolamento do rotor fornece a tensão alterna que é conduzida através de anéis de contacto ao rectificador do rotor, em regra um rectificador de diodos.

Este transforma as tensões ou correntes alternas vindas do rotor numa tensão contínua, entre as saídas de tensão contínua.

Através do interruptor semicondutor esta tensão rectifiçada pode ser curto-circuitada. 0 gerador assíncrono comporta-se então como um gerador com rotor curto-circuitado. 0 conversor orientado em direcção à rede de tensão fica assim separado do lado do gerador ou do rotor, uma vez que o diodo não é condutor, mas polarizado na direcção 6 oposta.

Com a solução segundo a invenção, a área super-síncrona do gerador fica mais alargada, uma vez que a potência excedente não é dissipada numa resistência mas introduzida na rede de tensão.

Os díodos necessários no rectificador são aqui mais económicos, em comparação com as soluções conhecidas com um conversor de rotor do lado do gerador. A solução no seu total é claramente mais barata que a respectiva medida construtiva para reforçar a torre eólica.

Um gerador assíncrono, nomeadamente, o de uma torre eólica, com o rotor curto-circuitado arranca normalmente através de um arrancador suave (W3C).

No circuito conversor de acordo com a invenção, não é necessário um arrancador suave. 0 gerador assíncrono ou o gerador de energia eólica arranca de forma muito simples. ser comandada pelo do rotor pode ser para o circuito A corrente de rotor rectificada pode interruptor semicondutor e a energia transferida de forma controlada intermédio. 0 conversor injecta depois esta energia na rede de tensão. 7 0 gerador de energia eólica arranca então como se fosse com uma resistência de rotor, mas em que a energia não é dissipada numa resistência mas devolvida à rede. 0 gerador eólico pode ser arrancado também de outra forma, isto é, quando o conversor de rede se encontra ligado à rede e o condensador de circuito intermédio está carregado. A tensão do circuito intermédio no condensador de circuito intermédio ou entre as entradas de tensão continua ou as sardas de tensão continua do rectificador é então mais elevada que a tensão de rede ou seu valor de pico e situa-se, por exemplo, em 1050 V para uma tensão de rede de 3*690 V.

Nesse caso, o enrolamento do estator do gerador assíncrono não está ligado à rede. O vento acelera o gerador na marcha em vazio.

Quando a velocidade do gerador chega próximo da velocidade sincrona o enrolamento do estator é ligado à rede. O interruptor semicondutor que trabalha como seccionador rápido do rotor, mantém-se ainda aberto, portanto, não é condutor. O circuito conversor de acordo com a invenção é económico, permite a velocidade super-síncrona do gerador e uma construção mais leve da torre em instalações eólicas.

Na gama super-síncrona são possíveis velocidades variáveis.

Um dos cabos de ligação inclui um regulador discreto de tensão, ligado em série com o diodo e disposto entre o interruptor semi-condutor e as saídas da tensão contínua.

Em interacção com o regulador de tensão, o interruptor semi-condutor e o condensador de circuito intermédio actuam como um conversor elevador para a tensão fornecida pelo gerador assíncrono após a sua rectificação.

Nomeadamente quando se abre o interruptor semicondutor, o choque mantém a corrente que passa no circuito intermédio.

Para a operação do circuito, por exemplo, como conversor elevador, pode ser usado, alternativamente, também apenas um regulador de tensão parasitário sempre presente no gerador assíncrono (rotor) , caso o dimensionamento o permita. A tensão nominal no rotor do gerador assíncrono é mais elevada que a tensão nominal do estator.

Nomeadamente, esta pode ser, pelo menos, duas até quatro vezes mais elevada.

Nesse caso, o enrolamento do rotor está concebido, por exemplo, para o dobro ou o quadruplo da tensão em comparação com o enrolamento do induzido.

Se o enrolamento do rotor do gerador assíncrono estiver 9 concebido, por exemplo, para o dobro da tensão do enrolamento do induzido, em caso de deslizamento super-sincrono de 10% do gerador assíncrono, a tensão do rotor é igual a 20% da tensão da rede.

Se a velocidade do rotor atingir 50% de deslizamento, a tensão do rotor é de 100%, ou seja, no exemplo acima, 3*690 V com 25 Hz.

Esta tensão, e também seu valor de pico, ainda é inferior à tensão do circuito intermédio de 1050 V, e por isso, a corrente do rotor ainda não pode passar do rotor para o condensador de circuito intermédio e portanto para a rede de tensão.

Aqui é necessário então o acima já mencionado conversor elevador, para que o condensador de circuito intermédio possa ser carregado a partir do rotor.

Para uma relação de tensão rotor : estator de dois, a velocidade minima do rotor em que o estator ou o enrolamento do induzido podem ser ligados à rede situa-se em 50% da velocidade sincrona.

Se o estator estiver ligado à rede de tensão e a tensão do rotor for inferior à tensão do circuito intermédio, o gerador assíncrono continua a acelerar e a tensão induzida do rotor é tanto mais baixa, quanto maior for a velocidade ou quanto mais se aproxima da velocidade sincrona.

Quando a tensão do rotor, ao atingir a velocidade sincrona, se aproximar finalmente do valor zero, é ligado 10 o interruptor semi-condutor, ou seja, ele é curto-circuitado.

Nesse caso, o gerador assíncrono comporta-se como um gerador assíncrono com o rotor curto-circuitado.

Este comportamento é mantido pelo gerador assíncrono enquanto o interruptor semi-condutor for condutor.

Se o interruptor semi-condutor for brevemente desligado, a corrente de rotor rectificada continua a correr no circuito intermédio.

Se entretanto aumentar de repente, a força do vento, o gerador assíncrono pode acelerar. O gerador assíncrono pode ser concebido para duas velocidades síncronas (números de rotação nominais), por exemplo, para 1000 rpm e 1500 rpm.

Uma regulação super-síncrona da velocidade pode ser usada então para as duas velocidades.

Para velocidades mais baixas a gama de regulação é claramente maior do que para velocidades mais elevadas. Para uma velocidade síncrona baixa, a potência do gerador é muito mais pequena e, por isso, a potência admissível do conversor do rotor como um parâmetro definido do conversor é comparativamente mais elevada.

Desta forma, as características de regulação para a velocidade síncrona baixa têm um alcance muito maior. 11

Por exemplo, num gerador de 1MW com um número de rotações nominal de 1500, no número de rotações n=1000 a potência realmente disponibilizada é igual a 296kW, em virtude do factor 10003/15003.

Se a potência do conversor do rotor estiver concebida para 20% da potência do gerador (200kW), a velocidade máxima é 6,3% mais elevada, sendo permitido, portanto, um número de rotações máximo de aproximadamente n=1600.

Mas para o número de rotações mais baixo, ou seja, n=1000, e a potência nominal de 296kW, o aumento dinâmico da velocidade, com 200kW de potência do conversor de rotor, é de aproximadamente 19%, portanto, nitidamente mais elevado que 6,3%.

Por isso, a adaptação do gerador assíncrono ou do gerador eólico a velocidades baixas do vento é muito flexível, e o rendimento energético com velocidades baixas é muito melhor do que geradores eólicos com um número de rotações constante.

No que respeita ao método, o objectivo é atingido por um método para a operação de um circuito conversor como acima explicado, em que o interruptor semi-condutor é mantido fechado durante a operação sub-síncrona do gerador assíncrono, enquanto durante a operação síncrona e super-síncrona do gerador assíncrono o interruptor de semi-condutor é aberto, pelo menos durante alguns períodos. O método de regulação é simples. 12

Se o interruptor de semi-condutor for aberto durante pouco tempo, ou seja, comutado de forma não-condutora, a corrente de rotor rectificada passa para o condensador de circuito intermédio, nomeadamente em caso de utilização do choque discreto acima mencionado. A tensão do condensador de circuito intermédio iria aumentar mas o conversor de rede descarrega o condensador de circuito intermédio e mantém a tensão do circuito intermédio constante. A energia proveniente do rotor do gerador assíncrono passa, portanto, para a rede de tensão.

Trata-se do chamado princípio DFIG (double fed induction generator).

Quanto mais tempo o interruptor semi-condutor estiver aberto durante o período de comutação, mais elevada se torna a tensão do rotor e mais elevada se torna também a energia transmitida pelo rotor.

Em consequência, a rede de tensão é alimentada pelo gerador eólico com energia através do enrolamento do estator e do enrolamento do rotor; está a funcionar o princípio DFIG.

Também no caso de o diodo estar bloqueado ou o gerador assíncrono estar parado, o comutador continua ligado ao lado da rede e pode ficar em funcionamento, o que permite uma compensação da energia reactiva, a regulação da tensão de rede ou a regulação de cos cp. 13 0 conversor pode então fornecer, conforme for necessário, energia reactiva capacitiva ou indutiva para a rede de tensão e manter assim o factor de potência do gerador próximo de 1 e/ou, se necessário, estabilizar a tensão de rede. A produção da energia reactiva capacitiva aumenta a tensão de rede, a recepção da energia reactiva indutiva baixa a tensão de rede.

De resto, o método em conformidade com a invenção já foi explicado juntamente com as suas vantagens, no âmbito do circuito conversor em conformidade com a invenção.

Para uma descrição mais detalhada da invenção remete-se aos exemplos de execução constantes no desenho.

Este mostra, num esquema genericamente esquemático: FIG 1 um gerador assíncrono de uma instalação eólica com um circuito conversor em conformidade com a invenção. A FIG 1 mostra um gerador assíncrono (2) de uma instalação eólica não representada, com o correspondente circuito conversor (4) de acordo com a invenção. 0 gerador assíncrono (2) inclui um estator (6) e um rotor (8) que apresentam os respectivos elementos de ligação do estator (10) e os elementos de lidação do rotor (12).

Os elementos de ligação do estator (10) estão ligados a uma rede de tensão (14) com tensão nominal UN=3*690V. 14 0 rotor (8) accionado pela roda eólica não representada e pela engrenagem do gerador de energia eólica está ligado através dos seus elementos de ligação do rotor (12) ao circuito conversor (4). 0 gerador assincrono (2) está concebido para duas velocidades sincronas diferentes nsi,2 de 1000 e 1500 rpm.

No seu essencial, o circuito conversor apresenta três circuitos parciais, ou seja, um rectificador (16), um circuito intermédio (18) e um conversor (20). O rectificador (16) apresenta entradas de tensão alterna (22) que estão ligadas aos conectores de rotor (12) do gerador assíncrono (2) e através das quais a tensão alterna ou a corrente alterna é transmitida pelo rotor (8) ao rectificador (16).

Através de diodos (26) as entradas de tensão alterna (22) encontram-se ligadas dentro do rectificador (16) de forma habitual às saidas de tensão continua (26a,26b). Às saidas de tensão continua (26a,26b) está ligado o circuito intermédio (18) ou o conversor elevador, com os seus dois ramos longitudinais (28a,28b).

No ramo longitudinal (28a) encontra-se um regulador de tensão (30) ligado à saida de tensão continua (26a), seguido por um IGBT (32) que liga os ramos longitudinais (28a,28b).

Este actua como interruptor semi-condutor com comando electrónico que, mediante o respectivo sinal de comutação (34) na sua entrada (36), pode curto-circuitar os ramos 15 longitudinais (28a,28b).

Ao regulador de tensão (30) e à ligação do IGBT (32) segue-se no ramo longitudinal (28a) um diodo (38) disposto na direcção de passagem e a este, por sua vez, um condensador de circuito intermédio (40) que liga os ramos longitudinais (28a,28b).

Ao condensador de circuito intermédio (40) seguem-se entradas de tensão continua (42a,42b) do conversor (20). O conversor (20) contém, entre as entradas de tensão continua (42a,42b) e as saidas de tensão alterna (44), IGBT's (46) ligados de forma conhecida.

Por sua vez, as saidas de tensão alterna (44) estão ligadas através de reguladores de tensão (de filtro) de rede (48) à rede de tensão (14). A tensão do circuito intermédio UDC no condensador de circuito intermédio (40) é de 1050V para redes de 3x690V.

Na operação sub-sincrona, ou seja, quando o número de rotações "n" do rotor (8) se situa abaixo do número de rotações nominal ou do número de rotações ou da velocidade síncrona mais baixa nsl de 1000 rpm, o IGBT (32) fica permanentemente fechado, ou seja, os ramos longitudinais (28a,28b) ficam electricamente ligados, pelo que também as saidas de tensão continua (26a,26b) do rectificador (16) estão electricamente ligadas e através do rectificador (16) os conectores de rotor (12) e, por conseguinte, o rotor (8), também estão curto-circuitados. 16 A partir da velocidade sincrona do rotor (8) é aberto o IGBT (32) de modo que os conectores de rotor (12) não continuem a estar curto-circuitados mas que a energia eléctrica proveniente do rotor (8) seja rectificada no rectificador (16) em forma de tensão continua ou corrente continua e introduzida nos ramos longitudinais (28a,28b) do circuito intermédio, através das saídas de tensão contínua (26a,26b). Aí, a corrente carrega o condensador de circuito intermédio (40) através do diodo (38).

Logo que o condensador de circuito intermédio (40) esteja sobrecarregado, pode ser novamente descarregado para a rede (14), através do conversor (20), voltando a energia eléctrica do rotor (8) para a rede (14).

Se a tensão entre as saídas de tensão contínua (26a,26b) for insuficiente para este propósito, o IGBT (32) pode ser controlado de forma conhecida, de modo que interaja com o regulador (30) e o diodo (38) e o condensador de circuito intermédio (40) na forma de um conversor elevador, a fim levar a tensão rectificada proveniente do rotor (8) ao nível da tensão do circuito intermédio UDc·

Operando como conversor elevador, o IGBT (32) é aberto e fechado durante alguns períodos, através dos respectivos sinais de comutação (34), por exemplo, com a frequência de comutação habitual de um conversor elevador de 1-10kHz. O conversor elevador trabalha entre a frequência síncrona, ou seja, quando o número de rotações do rotor 17 "n" corresponde aproximadamente à velocidade síncrona fsi, e a um número de rotações do rotor n=l,2*nsl, aproximadamente 20% super-síncrona. A velocidade máxima do gerador assíncrono (2) é limitada pela potência do circuito conversor (4).

Se a potência conversora máxima do rotor se situar, por exemplo, em 20% da potência nominal do gerador, a velocidade máxima do rotor eólico está limitada para 1,063 vezes a velocidade síncrona ou o número de rotação síncrono Ns, ou seja, 6,3% mais elevada que esta. A potência do gerador eólico situa-se, neste caso, em 120% da potência do gerador, em virtude de 1,0633=1,2.

Se o gerador assíncrono (2) estiver ligado à configuração para um número de rotações mais baixo (velocidade síncrona mais baixa), o aumento relativo da velocidade é maior. A metade da velocidade nominal do vento, portanto, a metade da velocidade síncrona n=l/2 Ns, a potência de vento disponível é de (0,5n)3/n3=l/8=12,5% da potência nominal. A gama de regulação da velocidade do vento situa-se assim entre 50% e 69%, a gama de regulação da potência entre 12,5% e 32,5%.

Lista dos números e caracteres de referência 2

Gerador assíncrono 18 4 Circuito conversor 6 Estator 8 Rotor 10 Elemento de ligação do estator 12 Elemento de ligação do rotor 14 Rede de tensão 16 Rectificador 18 Circuito intermédio 20 Conversor 22 Entrada de tensão alterna 24 Diodo 2 6a,2 6b Sarda de tensão continua 28a,28b Ramo longitudinal 30 Regulador de tensão 32 IGBT 34 Sinal de comutação 36 Entrada 38 Diodo 40 Condensador de circuito intermédio 42a,42Bb Entradas de tensão continua 44 Sarda de tensão alterna 46 IGBT 48 Impedância (de filtro) de rede Udc Tensão do circuito intermédio uN Tensão nominal Nsl, 2 Velocidade sincrona N Número de rotações do motor LISBOA, 10 de Agosto de 2010

Claims (4)

1 REVINDICAÇÕES 1. Circuito conversor (4) com um gerador assíncrono (2) de alimentação dupla com saída de potência variável, susceptível de ser ligado através do seu estator (6) a uma rede de tensão (14), nomeadamente para um gerador de energia eólica, com um rectificador de rotor (16) com duas saídas de tensão contínua (26a,26b), susceptível de ser ligado ao rotor (8) do gerador assíncrono (2), com um conversor de rede (20) com duas entradas de tensão contínua (42a,42b), susceptível de ligação a uma rede de tensão (14) , e com um circuito intermédio (18) que, através de um cabo de ligação (28a,28b), liga sempre uma das saídas de tensão contínua (26a,26b) a uma das entradas de tensão contínua (42a,42b), caracterizado por o circuito intermédio (18) apresentar um interruptor semicondutor (32) situado entre as saídas de tensão contínua (26a,26b) e um condensador de circuito intermédio (40) situado entre as entradas de tensão contínua (42a,42b) e um díodo (38) que se encontra num dos cabos de ligação (28a,28b) entre o interruptor semicondutor (32) e o condensador de circuito intermédio (40) que um dos cabos de ligação (28a,b) inclui regulador (30) ligado em série com o diodo (38) e disposto entre o interruptor semi-condutor (32) e as saídas de tensão contínua (26a,b) e em que a tensão nominal (UN) do rotor (8) é mais elevada que a tensão nominal (UN) do estator (6), nomeadamente, pelo menos, aproximadamente duas até quatro vezes mais elevada. 2

2. Circuito conversor (4) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o gerador assíncrono (2) ser concebido para duas velocidades síncronas (fslf2).

3. Método de operação de um circuito conversor (4) de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por - o interruptor semi-condutor (32) ser mantido fechado durante a operação sub-síncrona do gerador assíncrono (2), - o interruptor semi-condutor (32)ser aberto durante a operação síncrona e super-síncrona do gerador assíncrono (4), pelo menos durante alguns períodos.

4. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o conversor de rede (20) poder ser operado se o gerador assíncrono (2) não estiver em funcionamento. LISBOA, 10 de AGOSTO de 2010