WO2008119864A1 - Generador para tubina eólica con bobinados independientes - Google Patents

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Definitions

  • the present invention is in the field of wind turbines and their coupling to the power grid by means of the corresponding electric drive system; more specifically, it refers to an electric drive system, converter and generator, to connect the wind turbine to the power grid. It also refers to the design of the winding arrangements in the generator in connection with such a converter system.
  • the rotor or blades of wind turbines are directly or indirectly connected by a gearbox to an AC generator, which in turn is connected to the network, usually by means of a lifting transformer.
  • a lifting transformer For example, in large wind turbines, above 100-150 kW, the voltage
  • the current is subsequently sent through the elevator transformer to raise the voltage to approximately between 10 and 36 kV, depending on the standard in the local electrical network.
  • the AC generator When the AC generator is part of a wind turbine with variable rotor speed, said AC generator is connected to the power grid through an electronic energy converter.
  • US-70421 10-B2 discloses a wind turbine with variable speed that employs a rotor connected to a multiplicity of synchronous generators with winding field or permanent magnet rotors.
  • a passive rectifier and an inverter are used to transfer energy back to the network.
  • a turbine control unit (TCU) orders a necessary generator torque based on available power and rotor speed of the turbine inverters. The torque is controlled by regulating the DC direct current by controlling the inverter.
  • All electronic power converter units are interconnected, and it also has a common connection with the generator, presenting only one set of windings for all the power units. converter. This implies a problem with respect to the circulation currents flowing between the converter units, and a subsequent loss of energy between the converter units. That is, these converter units are producing circulation currents on the ground and in the converter system, due to the floating DC link circuit in the voltage source converter system. Therefore, the size of the converter system must be increased to handle these additional circulation currents.
  • the invention relates to an electric drive system for a wind turbine according to claim 1.
  • Preferred embodiments of the electric drive system are defined in the dependent claims.
  • the two or more converter modules are totally independent of each other, with virtually no magnetic coupling between them, and therefore avoiding circulation currents, which is a problem in parallel converter systems in the prior art.
  • each generator winding set is formed by two or more winding subsets, each of said N2 winding sets having two pairs of poles.
  • there are at least two pairs of poles per set of windings that is to say a total of at least 2xN2 pairs of poles. Therefore, with this winding arrangement with double pairs of poles a mechanical balance of the radial forces of the generator is achieved. That is, there are no imbalance forces in the generator or bearings.
  • the converter system also includes switching means for switching one or more of the converter modules, thus making it possible to disconnect the converter module that has failed. Therefore, the overall availability of the wind turbine increases.
  • each converter module comprises a generator inverter and a network inverter; in this way, it is possible to include control algorithms for the generator converter.
  • This preferred embodiment achieves better mechanical characteristics in the resulting generator, together with a better quality in the available power, as already mentioned above.
  • the electric drive system further comprises control means to enable / disable the operation of at least one of said N1 converter modules in response to a parameter related to the amount of electric power supplied to the network.
  • Figure 1 illustrates a part of an electric drive system of a wind turbine generator according to a first embodiment of the invention.
  • Figure 2 illustrates another possible design of a part of an electric drive system of a wind turbine generator system, including a preferred winding arrangement.
  • Figure 3 is an enlarged view of a generator and its winding arrangement according to the invention.
  • Figure 4 is a diagram of a possible embodiment for a converter module whereby the wind turbine is connected to the network.
  • Figure 1 shows a permanent magnet synchronous generator PMSG ⁇ permanent magnet synchronous generato ⁇ with three phases, which generates the electric power output or the input of the torque, presenting the generator three sets of windings 20, 21, 22, connected respectively independently of one of three parallel converters 10 4Q that form a converter system that is directly coupled to the main network.
  • the generator can also be a synchronous generator, a synchronous brushless generator or an asynchronous generator.
  • Each converter module 10 is connected separately to a set of windings in the generator 20, 21, 22, and each set of generator windings is magnetically decoupled from the others. To ensure this decoupling, each set of windings is placed in its own generator slots (for reasons of clarity, the slots have not been represented in the drawing).
  • the generator 1 ' is connected to three converter modules 10 connected in parallel, each having two sections to equalize the forces, that is, there are a total of six sections.
  • Each set of windings in the generator 1 ' is formed by two subsets of windings 20-20', 21 -21 'and 22-22', and each subset of windings has a pair of poles 30 to ensure that the magnetic forces are equalized , especially in operations where only some of the converter modules are operating.
  • FIG 3 is an enlarged view of the preferred embodiment of the generator 1 '(shown in Figure 2) and its winding arrangement according to the invention.
  • each converter module 10 comprises a generator inverter 1 1 and a network inverter 12.
  • Generator inverters convert AC generator currents (energy) from the actual generator voltage and frequency to a DC current
  • Generator inverters can be an active or passive converter.
  • the generator energy is transmitted to the network by means of the network inverter 12, which converts the DC voltage to a fixed voltage and frequency; network voltage and frequency
  • the network inverter controls the flow of energy to the DC link, and also the demand for reactive energy from the wind turbine.
  • the network converters are connected to a respective network reducing transformer 14 (the starting inductance for the network inverter).
  • the converter system can be connected to the network by means of a transformer that transforms the main voltage level from 10 to 36 KV to the low voltage system in the wind turbine, which is normally 690 V.
  • a switch separates the wind turbine from the network, and protects the wind turbine in the event of a short circuit in the transformer.
  • the present invention relates to an electric drive system for a wind turbine and a winding arrangement for a generator thereof. It is to be understood that the above description is an example of the principles of the invention and does not limit the invention to the illustrated embodiments.

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Abstract

Generador para tubina eólica con bobinados independientes que comprende, un sistema (1) convertidor para acoplar un generador (2) de una turbina eólica a una red (3), sistema convertidor que comprende Nl módulos de convertidor (10) conectados en paralelo, en el que N1>1, caracterizado porque cada uno de dichos Nl módulos convertidores (10) está conectado a un conjunto separado de bobinados (20) de generador, existiendo N2 conjuntos de bobinados de generador y Nl= N2, de manera que el generador comprende tantos conjuntos de bobinados (20) como módulos convertidores (10), y cada uno de dichos N2 conjuntos de bobinados se coloca en una sección limitada del estator de la turbina eólica.

Description

Generador para tubina eólica con bobinados independientes
Campo de Ia invención La presente invención se encuentra en el campo de las turbinas eólicas y su acoplamiento a Ia red eléctrica mediante el sistema de accionamiento eléctrico correspondiente; más específicamente, se refiere a un sistema de accionamiento eléctrico, convertidor y generador, para conectar Ia turbina eólica a Ia red eléctrica. También se refiere al diseño de las disposiciones de bobinado en el generador en conexión con un sistema convertidor de este tipo.
Antecedentes de Ia invención
El rotor o alabes de turbinas eólicas están conectados directa o indirectamente mediante una caja de cambios a un generador AC, que a su vez está conectado con Ia red, normalmente mediante un transformador elevador. Por ejemplo, en turbinas eólicas grandes, por encima de 100-150 kW, el voltaje
(tensión) generado por Ia turbina se encuentra normalmente entre 400 a 1000 V
AC trifásica; Ia corriente se envía posteriormente a través del transformador elevador para elevar el voltaje a aproximadamente entre 10 y 36 kV, en función de Ia norma en Ia red eléctrica local.
Cuando el generador AC es parte de una turbina eólica con velocidad de rotor variable, dicho generador AC se conecta a Ia red eléctrica a través de un convertidor electrónico de energía.
La patente estadounidense US-70421 10-B2 da a conocer una turbina eólica con velocidad variable que emplea un rotor conectado a una multiplicidad de generadores síncronos con campo bobinado o rotores de imanes permanentes. Un rectificador pasivo y un inversor se emplean para transferir energía de vuelta a Ia red. Una unidad de control de turbina (TCU, turbine control unit) ordena un par de torsión de generador necesario basado en potencia disponible y velocidad de rotor de los inversores de turbina. El par de torsión se controla regulando Ia corriente continua DC mediante el control del inversor.
Todas las unidades de convertidor electrónico de potencia están interconectadas, y también tiene una conexión común con el generador, presentando solamente un conjunto de bobinados para todas las unidades de convertidor. Esto implica un problema con respecto a las corrientes de circulación que fluyen entre las unidades de convertidor, y una pérdida subsiguiente de energía entre las unidades de convertidor. Es decir, estas unidades de convertidor están produciendo corrientes de circulación en el camino a tierra y en el sistema convertidor, debido al circuito de enlace DC flotante en el sistema convertidor de fuente de voltaje. Por tanto, el tamaño del sistema convertidor ha de aumentarse para manejar estas corrientes de circulación adicionales.
En el caso de un falta en un convertidor, dicha falta afectará y destruirá quizá el resto del sistema convertidor si las unidades de convertidor están conectadas directamente (por cables) o indirectamente (magnéticamente).
Descripción de Ia invención
La invención se refiere a un sistema de accionamiento eléctrico para una turbina eólica según Ia reivindicación 1. En las reivindicaciones dependientes se definen realizaciones preferidas del sistema de accionamiento eléctrico.
La invención se refiere a un sistema de accionamiento eléctrico para acoplar un generador de una turbina eólica a una red, que comprende un sistema de convertidor que a su vez comprende N1 módulos convertidores conectados en paralelo, en el que N1 >1 ; según un primer aspecto de Ia invención, dichos dos o más módulos convertidores están conectados en cada caso en un conjunto independiente de bobinados o arrollamientos de generador; presentándose N2 conjuntos de bobinados de generador y N1 = N2, de manera que el generador comprende tantos conjuntos de bobinados como módulos convertidores; y cada uno de los dichos N2 conjuntos de bobinados se sitúa en una sección limitada del estator de Ia turbina eólica. De esta manera, cada conjunto de bobinados está desacopla magnéticamente de los otros conjuntos de bobinados.
Así, los dos o más módulos convertidores son totalmente independientes unos de otros, no existiendo prácticamente ningún acoplamiento magnético entre ellos, y por tanto evitando las corrientes de circulación, que es un problema en los sistemas convertidores paralelos en Ia técnica anterior.
Por tanto, con esta configuración modular del sistema convertidor, si uno de los módulos convertidores no funciona, no implica que el acoplamiento del generador a Ia red eléctrica esté caído, y Ia turbina eólica puede continuar funcionado. Es decir, si el sistema de accionamiento eléctrico tiene por ejemplo tres módulos convertidores, el generador tiene tres conjuntos de bobinados aislados para cada fase, y cada módulo convertidor está conectado a cada conjunto de bobinados en el generador, no existiendo ninguna conexión directa entre los módulos convertidores. Así, en el caso de un generador trifásico, tendrá un total de nueve bobinados aislados. Por tanto, cada módulo convertidor está totalmente aislado de los otros módulos convertidores.
Según una realización preferida, cada conjunto de bobinados de generador se forma mediante dos o más subconjuntos de bobinados, presentando cada uno de dichos N2 conjuntos de bobinados dos pares de polos. De esta manera, existen al menos dos pares de polos por conjunto de bobinados, es decir un total de al menos 2xN2 pares de polos. Por tanto, con esta disposición de bobinado con dobles pares de polos se consigue un equilibrio mecánico de las fuerzas radiales del generador. Es decir, no hay fuerzas de desequilibrio en el generador o cojinetes.
Por tanto, con Ia realización preferida con dobles pares de polos (2xN2) y Ia configuración modular del convertidor, las fuerzas se equilibran, Io que es especialmente importante si solamente están funcionando algunos de los módulos convertidores. De esta manera, los dos o más módulos convertidores son totalmente independientes unos de otros, no existiendo acoplamiento magnético entre ellos, y reduciendo por tanto las corrientes de circulación, que es un problema en los sistemas convertidores paralelos de Ia técnica anterior.
Según una realización preferida de Ia invención, el sistema convertidor también incluye medios de conmutación para conmutar uno o más de los módulos convertidores, siendo posible de esta manera desconectar el módulo convertidor que ha fallado. Por tanto, aumenta Ia disponibilidad global de Ia turbina eólica.
Preferiblemente, cada módulo convertidor comprende un inversor de generador y un inversor de red; de esta manera, es posible incluir algoritmos de control para el convertidor de generador.
Según Ia presente invención, en el caso de fallo en un módulo convertidor, todo el sistema de control distribuye Ia demanda de energía total en los demás módulos convertidores, y limita Ia energía máxima a, por ejemplo, 2/3 de Ia energía total (si un sistema de tres falla): S_tot=((N1 -F)/N1 )*S_max, siendo N1 el - A -
número de módulos convertidores y F es el número de módulos convertidores que han fallado.
Esta realización preferida consigue mejores características mecánicas en el generador resultante, junto con una mejor calidad en Ia potencia disponible, como ya se ha mencionado anteriormente.
Preferiblemente, el sistema de accionamiento eléctrico comprende además medios de control para habilitar/deshabilitar el funcionamiento de al menos uno de dichos N1 módulos convertidores en respuesta a un parámetro relacionado con Ia cantidad de energía eléctrica suministrada a Ia red.
Breve descripción de los dibujos
Para completar Ia descripción y para proporcionar una mejor comprensión de Ia invención, se proporciona un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman una parte integrante de Ia descripción e ilustran realizaciones preferidas de Ia invención, que no deberían interpretarse como limitativas del alcance de Ia invención, sino sólo como ejemplos de cómo puede ponerse en práctica Ia invención. Los dibujos comprenden las siguientes figuras:
La figura 1 ilustra un parte de un sistema de accionamiento eléctrico de un generador de turbina eólica según una primera realización de Ia invención. La figura 2, ilustra otro posible diseño de un parte de un sistema de accionamiento eléctrico de un sistema generador de turbina eólica, incluyendo una disposición de bobinado preferida.
La figura 3 es una vista ampliada de un generador y su disposición de bobinado según Ia invención. La figura 4 es un diagrama de una realización posible para un módulo convertidor mediante el cual Ia turbina eólica se conecta a Ia red.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas
La figura 1 muestra un generador 1 síncrono de imanes permanente PMSG {permanent magnet synchronous generatoή con tres fases, que genera Ia energía eléctrica de salida o Ia entrada del par de torsión, presentando el generador tres conjuntos de bobinados 20, 21 , 22, conectados respectivamente de manera independiente a uno de tres convertidores 10 4Q paralelos que forman un sistema convertidor que está directamente acoplado a Ia red principal. El generador también puede ser un generador síncrono, un generador síncrono sin escobillas o un generador asincrono.
Cada módulo convertidor 10 está conectado de manera separada a un conjunto de bobinados en el generador 20, 21 , 22, y cada conjunto de bobinados de generador se desacopla magnéticamente de los demás. Para garantizar este desacoplamiento, cada conjunto de bobinados se coloca en sus propias ranuras del generador (por motivos de claridad, no se han representado las ranuras en el dibujo).
En Ia realización preferida mostrada en Ia figura 2, el generador 1 ' se conecta a tres módulos convertidores 10 conectados en paralelo, presentando cada uno dos secciones para igualar las fuerzas, es decir, hay un total de seis secciones. Cada conjunto de bobinados en el generador 1 ' está formado por dos subconjuntos de bobinados 20-20', 21 -21 ' y 22-22', y cada subconjunto de bobinados tiene un par de polos 30 para garantizar que las fuerzas magnéticas se igualan, especialmente en operaciones en los que solamente algunos de los módulos de convertidor están funcionando.
La figura 3 es una vista ampliada de Ia realización preferida del generador 1 ' (mostrado en Ia figura 2) y su disposición de bobinado según Ia invención.
Tal como se muestra individualmente en Ia figura 4, en cualquier caso, cada módulo convertidor 10 comprende un inversor de generador 1 1 y un inversor de red 12.
Los inversores de generador convierten las corrientes (energía) de generador CA del voltaje y frecuencia de generador real a una corriente CC
(energía). Para mantener estable el voltaje de enlace CC, diversos condensadores 13 se conectan en paralelo. Los inversores de generador pueden ser un convertidor activo o pasivo.
La energía del generador se transmite a Ia red mediante el inversor 12 de red, que convierte el voltaje CC a un voltaje y frecuencia fijos; el voltaje y frecuencia de red. Mediante el control del voltaje de enlace CC del sistema convertidor el inversor de red controla el flujo de energía hacia el enlace CC, y también Ia demanda de energía reactiva desde Ia turbina eólica.
Los convertidores de red están conectados a un transformador reductor 14 de red respectivo (Ia inductancia de arranque para el inversor de red). El sistema convertidor puede conectarse a Ia red mediante un transformador que transforma el nivel de voltaje principal de 10 a 36 KV al sistema de bajo voltaje en Ia turbina eólica, que es normalmente de 690 V.
Un conmutador separa Ia turbina eólica de Ia red, y protege Ia turbina eólica en el caso de un cortocircuito en el transformador.
Algunas de las ventajas de este sistema son que Ia eficiencia del generador siempre es muy alta, y también que el sistema puede continuar proporcionando, por ejemplo, dos/tercios de Ia energía nominal si uno de los tres convertidores 4Q tiene una falta. Una desventaja de este sistema es que toda Ia energía nominal ha de manejarse por los convertidores 4Q, y las pérdidas de convertidor son por tanto relativamente altas. La fiabilidad de un convertidor individual es relativamente baja, por tanto, es una ventaja conectar más módulos convertidores en paralelo.
Tal como se indica anteriormente, Ia presente invención se refiere a un sistema de accionamiento eléctrico para una turbina eólica y a una disposición de bobinado para un generador de Ia misma. Ha de entenderse que Ia descripción anterior es un ejemplo de los principios de Ia invención y no limita Ia invención a las realizaciones ilustradas.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de accionamiento eléctrico, que comprende un sistema (1 ) convertidor para acoplar un generador (2) de una turbina eólica a una red (3), sistema convertidor que comprende N1 módulos convertidores (10) conectados en paralelo, en el que N1 >1 , caracterizado porque cada uno de dichos N1 módulos convertidores (10) está conectado a un conjunto separado de bobinados (20) de generador, existiendo N2 conjuntos de bobinados de generador y N1 =N2, de manera que el generador comprende tantos conjuntos de bobinados (20) como módulos convertidores (10), y cada uno de dichos N2 conjuntos de bobinados se coloca en una sección limitada del estator de Ia turbina eólica.
2. Sistema de accionamiento eléctrico según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque cada conjunto de bobinados de generador se forma mediante dos o más subconjuntos de bobinados (20, 21 ; 20', 21 '; 20", 21 "), presentando cada uno de dichos N2 conjuntos de bobinados Ia menos dos pares de polos (30).
3. Sistema de accionamiento eléctrico según cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque comprende adicionalmente medios de conmutación para conmutar uno o más de los N1 módulos convertidores.
4. Sistema de accionamiento eléctrico según cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque cada módulo convertidor (10) comprende un inversor de generador (1 1 ) y un inversor de red (12).
5. Sistema de accionamiento eléctrico según cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque comprende adicionalmente medios de control para habilitar/deshabilitar el funcionamiento de al menos uno de dichos N1 módulos convertidores en respuesta a un parámetro relacionado con Ia cantidad de energía eléctrica suministrada a Ia red.
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