WO2011018542A2 - Método para el control de un sistema de conversión de energía - Google Patents

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Definitions

  • the object of the invention is a method that allows controlling a back-to-back converter when disturbances occur in the network that limit the capacity of the converter on the side of the network to control the voltage of the DC stage.
  • the proposed solution is to pass all or part of the responsibility for controlling the voltage of the DC stage to the generator side converter.
  • a particular case of these requirements is the behavior before the appearance of a gap, by means of a gap the immediate reduction of the grid voltage and its subsequent restoration.
  • the appearance of a hole affects the stability of the equipment, so that, in certain cases, the network connection regulations are not met.
  • the requirements are increasing, and the system connection is required even in the presence of zero voltage holes (ZVRT - Zero Voltage Ride Through). Under these conditions, the contribution of reactive current to the network is also required.
  • a conventional energy conversion equipment is formed by a back-to-back converter topology (AC-DC-AC), formed by two AC-DC converters linked together through a DC stage, one of the converters being connected to a generator and the other converter connected to the network.
  • AC-DC-AC back-to-back converter topology
  • it is the network side converter that controls the voltage of the DC stage, that is, the control is carried out from the network voltage.
  • the converter protection can lead to disconnection.
  • the state of the art proposes to include a bump resistance (DC chopper) in the DC stage.
  • DC chopper bump resistance
  • the invention consists of a method for controlling a power conversion structure of the back to back type, formed by one or more AC-DC converters linked together through a DC stage, being at less a first converter that regulates the voltage of the DC stage connected to the power grid and, at least, a second converter connected to a generator. So that before a loss of regulation capacity of the DC stage by the first converter caused by a disturbance in the mains voltage, at least a second converter connected to the generator contributes to the control of
  • the AC-DC converters can be connected to the power grid and to the generator directly or indirectly through, for example, connection elements, protection elements, inductances, resistors, capacitors, transformers, autotransformers or combination thereof.
  • the back-to-back energy conversion structure is composed of at least two AC-DC converters connected to each other through the DC stage, forming a global AC-DC-AC structure.
  • the AC stage and the DC stage of each converter are joined together by static switches of the type IGBT, IGCT or the like, which allow joining or isolating the DC stage from the phases of the AC stage in each switching period.
  • the switching orders calculated by the control of each converter allow to synthesize at the output of each converter the reference voltage calculated by the control of each of them so that it is possible to control the power flow through each converter or the torque applied in the generator.
  • the control applied to each AC-DC converter can be a vector control or a direct control.
  • the responsibility of keeping the voltage of the DC stage regulated falls on the converter connected to the power grid.
  • a disturbance in the supply voltage can cause the loss of regulation of the voltage of the DC stage.
  • the disturbances of the mains voltage that can cause the loss of regulation of the voltage of the DC stage can be presented in the form of:
  • the loss of regulation capacity of the DC stage may be caused by a loss of the power transfer capacity, a voltage limitation or a current limitation of the converter connected to the power grid, as well as a combination thereof.
  • each AC-DC converter has associated operating limits in voltage and current values that must be respected to ensure the correct operation of the converter.
  • the maximum output current that the converter can deliver must be considered by its control to be able to define at all times and depending on the available voltage, the maximum limit of the power that can flow through it.
  • This situation would result in a decontrol of the voltage of the DC stage, which, as proposed in the method presented in this invention, is resolved by distributing the power setpoint necessary for the correct regulation of the voltage of the DC stage between the two AC-DC converters, the converter connected to the mains and the converter connected to the generator.
  • the distribution of the setpoint of the power necessary for the correct regulation of the voltage of the DC stage is performed so that the converter connected to the generator is made charge of all of that power demanded.
  • the lack of control caused by the disturbance in the mains voltage is manifested in the form of an increase in the voltage of the DC stage, it can be maintained within its operating limits by means of a chopper connected in the DC stage that allows the excess of burning energy of said stage in a resistor connected by a switch. If on the contrary, the decontrol of the DC stage is manifested in the form of a drop in the voltage, the DC chopper cannot provide any solution and if the converter on the side of the network does not have the necessary power capacity, the situation may result in a stop emergency because the voltage of the DC stage evolves to dangerous values for the operation of the system.
  • the proposed control method gives solution to the described situation of uncontrolled descent of the voltage of the DC stage and also allows minimizing, and even eliminating, the actions of the DC chopper in the case of an uncontrolled increase in the voltage of the DC stage, avoiding burning the excess energy of said stage and instead being able to transform that energy in the form of kinetic energy in the generator that could later be recovered in the form of power injected into the network thus favoring the performance of the conversion structure of Energy.
  • the converter connected to the electrical network responsible for maintaining regulated the voltage of the DC stage may not be able to synthesize the output voltage necessary to control the power necessary to keep regulated the voltage of The DC stage at its reference value.
  • the maximum value of the output voltage synthesizable by the converter has a limit defined by the value of the voltage of the DC stage and the characteristics of the static switches used to connect the DC stage with the phases of the AC stage (ignition times). , shutdown times, dead times required between switching and other similar characteristics).
  • the control associated with the converter can calculate a reference voltage value to be applied at the output of the converter that exceeds the maximum limit attainable by the defined variables.
  • the converter synthesizes at its output the maximum possible voltage but without being able to reach the values required by the associated control and consequently there is a lack of control of the voltage of the DC stage.
  • the converter is in a situation of voltage limitation, also known as a saturation state, which can lead to an emergency stop due to the evolution outside the operating range of critical variables such as the voltage of the DC stage or the output currents of the converters.
  • the method presented in this invention switches the responsibility for controlling the DC stage of the converter connected to the power grid to the converter connected to the generator, transferring all of the power setpoint necessary for the control of the stage DC to the converter connected to the generator, thus allowing to keep all the operating variables within their operating ranges and to continue operating without losing control of the converters.
  • the energy conversion structure of the back to back type about
  • Ia that can be applied the control method presented in the invention can be used in different generation topologies, such as:
  • FC FuII Converter
  • the control method presented in the invention proposes to make a distribution of the setpoint of the power necessary for the control of the DC stage, between the converters that make up the back to back conversion structure, being able to distribute the setpoints of power partially or totally depending on the operating point of each converter and the disturbances to which they may be subjected, between the converter connected to the power grid and which normally assumes the responsibility of controlling the voltage of the DC stage and the connected converter to the generator Having derived partially or totally to converter connected to the generator the responsibility of controlling the voltage of the DC stage, the converter connected to the electrical network can work by injecting or absorbing reactive current to the electrical network to contribute to the maintenance of the network voltage to meet the requirements demanded by the network connection regulations.
  • the converter connected to the generator rotor can assume the responsibility of regulating the voltage of the DC stage and can also contribute to control the rotary variables of the generator that allow to inject or absorb through the generator stator, the reactive current necessary to meet the requirements demanded by the grid connection regulations.
  • FIG. 1 Diagram of a doubly fed induction generator (DFIG).
  • a back-to-back conversion structure is considered with a converter connected to the power grid and a converter connected to the generator, using the vector control method for the control of each converter.
  • the vector control is formed by an external power regulation loop and an internal current regulation loop, the switching orders of the static switches of the converter are calculated in each controller duty cycle from the output voltage references calculated by the current loop and the voltage value of the DC stage that is available in each cycle. This information is processed and applied to the final stage of the converter control where using vector or scalar modulation techniques (such as PWM), the switching orders of the static switches of each converter are established.
  • a preferred embodiment of the invention consists in the control of a wind turbine whose conversion structure (107) comprises a doubly fed machine as shown in Figure 1.
  • the generator stator is connected to the electricity grid (108) through a transformer (109), and the generator rotor is connected to an AC / DC converter (104) fed from a DC stage (106).
  • the voltage of the DC stage (106) is controlled from another AC / DC converter (105) connected to the electrical network (108), capable of transferring power between the DC stage (106) and the electrical network (108).
  • the control strategy used in the state of the art implies that the converter connected to the rotor (104) regulates the active and reactive powers generated by the doubly fed machine, while the converter on the network side (105) regulates the voltage of the DC stage (106).
  • the conversion structure (107) is controlled by a controller (112).
  • crowbar In the presence of a voltage gap, it is usual to activate a protection system connected to the generator rotor and known as crowbar (110). This device short-circuits the generator rotor phases and it allows to disconnect the converter from the side of the rotor (104) that is thus protected from the overcurrents that usually appear in the generator rotor. A few moments later the crowbar (110) is deactivated and the converter on the rotor side (104) is connected to the rotor again taking control. During all the time the voltage of the DC stage (106) is controlled by the converter of the network side (105), which transfers the necessary power to or from the network (108) in order to maintain the voltage at its value of reference.
  • the invention contemplates the possibility that the system includes some kind of hardware protection to dissipate energy, for example, a device connected to the generator rotor such as the aforementioned crowbar (110) and / or a device connected to the DC stage (106) such as a chopper (111).
  • a device connected to the generator rotor such as the aforementioned crowbar (110) and / or a device connected to the DC stage (106) such as a chopper (111).
  • Figure 2a to 2d shows the evolution of the different variables of a generator in case of a three-phase voltage gap of depth equal to 80%.
  • Figure 2b shows the voltage of the DC stage (106). It is very common that the tension increases at the moment in which the gap appears. Later the voltage drops and is maintained at its reference value, which in this case has been set at 1.135V, which indicates that the mains side converter (105) is functioning correctly and fulfills its function of regulating the voltage of The DC stage (106).
  • the power that said converter introduces in the DC stage (106) appears in Figure 2c while the power introduced by the converter connected to the rotor (104) is shown in Figure 2d.
  • the lack of regulation of the DC stage (106) is remedied using the control method of the proposed invention, in which, before a network voltage gap, the control of the DC stage (106) is shared both by the converter connected to the generator (104) as by the converter connected to the electrical network (105).
  • the joint use of the two converters (104, 105) makes it possible to regulate the voltage of the DC stage (106), which is stabilized around its reference value as can be seen in Figure 4b.
  • the generator side converter (104) contributes to the regulation of said voltage by introducing power to the DC stage (106). This can be seen in that the average value of the oscillations of the power, shown in Figure 4d, is positive.

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Abstract

La presente invención describe un método para controlar un convertidor back-to-back cuando se producen perturbaciones en la red que limitan la capacidad del convertidor del lado de la red para controlar la tensión de la etapa DC. En ese caso, la solución propuesta es pasar total o parcialmente la responsabilidad del control de la tensión de la etapa DC al convertidor del lado del generador.

Description

MÉTODO PARA EL CONTROL DE UN SISTEMA DE CONVERSIÓN DE
ENERGÍA
D E S C R I P C I Ó N OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto de Ia invención es un método que permite controlar un convertidor back-to-back cuando se producen perturbaciones en Ia red que limitan Ia capacidad del convertidor del lado de Ia red para controlar Ia tensión de Ia etapa DC. En ese caso, Ia solución propuesta es pasar total o parcialmente Ia responsabilidad del control de Ia tensión de Ia etapa DC al convertidor del lado del generador.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En los últimos años se han incrementado las exigencias de los equipos de conversión de energía conectados a Ia red eléctrica, de modo que se evite su desconexión y Ia consiguiente desestabilización de Ia red.
Un caso particular de estas exigencias es el comportamiento ante Ia aparición de un hueco, entendiendo por hueco Ia reducción inmediata de Ia tensión de red y su posterior restablecimiento. La aparición de un hueco afecta a Ia estabilidad del equipo, por Io que, en ciertos casos, no se cumplen las normativas de conexión a red. Actualmente, las exigencias son cada vez mayores llegando a requerirse Ia conexión del sistema incluso ante Ia presencia de huecos de tensión cero (ZVRT - Zero Voltage Ride Through). En estas condiciones también se exige el aporte de corriente reactiva a Ia red.
Un equipo de conversión de energía convencional está formado por una topología de convertidor back to back (AC-DC-AC), formado por dos convertidores AC-DC unidos entre sí a través de una etapa DC, estando uno de los convertidores conectado a un generador y el otro convertidor conectado a Ia red. En el caso de un equipo de conversión del tipo back to back es el convertidor lado red el que controla Ia tensión de Ia etapa DC, es decir, el control se efectúa a partir de Ia tensión de red.
Ante situaciones en las que aparecen perturbaciones en Ia tensión de red y en consecuencia se produce el descontrol de las variables de funcionamiento, como por ejemplo, Ia corriente, Ia tensión de Ia etapa DC o Ia pérdida de Ia capacidad de trasiego de potencia, Ia protección del convertidor puede llegar a provocar su desconexión.
Si Ia perturbación origina que Ia tensión de Ia etapa DC incremente su valor hacia un valor descontrolado, el estado de Ia técnica propone incluir una resistencia de chopeo (chopper DC) en Ia etapa DC. Esta solución presenta Ia desventaja de quemar Ia energía excedente en vez de repartirla en el sistema.
Si Ia perturbación origina que Ia tensión de Ia etapa DC disminuya su valor hacia un valor que descontrole el funcionamiento del sistema, el estado de Ia técnica actual no propone una solución válida.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Para resolver los inconvenientes anteriormente citados, Ia invención consiste en un método para el control de una estructura de conversión de energía del tipo back to back, formado por uno o más convertidores AC-DC unidos entre sí a través de una etapa DC, estando al menos un primer convertidor que regula Ia tensión de Ia etapa DC conectado a Ia red eléctrica y, al menos, un segundo convertidor conectado a un generador. De modo que ante una pérdida de capacidad de regulación de Ia etapa DC por parte del primer convertidor provocada por una perturbación en Ia tensión de red, al menos un segundo convertidor conectado al generador contribuye al control de
Ia etapa DC.
Los convertidores AC-DC pueden estar conectados a Ia red eléctrica y al generador de forma directa o indirecta a través de, por ejemplo, elementos de conexión, elementos de protección, inductancias, resistencias, condensadores, transformadores, autotransformadores o combinación de los mismos.
La estructura de conversión de energía back to back, se compone de al menos dos convertidores AC-DC conectados entre si a través de Ia etapa DC, formando una estructura global AC-DC-AC. La etapa AC y Ia etapa DC de cada convertidor se unen entre si a través de interruptores estáticos del tipo IGBT, IGCT o similares, que permiten unir o aislar Ia etapa DC de las fases de Ia etapa AC en cada período de conmutación. Las órdenes de conmutación calculadas por el control de cada convertidor permiten sintetizar a Ia salida de cada convertidor Ia tensión de referencia calculada por el control de cada uno de ellos de manera que se logra controlar el flujo de potencia a través de cada convertidor o el par aplicado en el generador. El control aplicado sobre cada convertidor AC-DC puede ser un control vectorial o un control directo.
En Ia mayoría de las aplicaciones, Ia responsabilidad de mantener regulada Ia tensión de Ia etapa DC recae sobre el convertidor conectado a Ia red eléctrica. En este caso, una perturbación en Ia tensión de alimentación puede originar Ia pérdida de regulación de Ia tensión de Ia etapa DC. Las perturbaciones de Ia tensión de red que pueden originar Ia pérdida de regulación de Ia tensión de Ia etapa DC pueden presentarse en forma de:
- un hueco de tensión donde Ia tensión de alimentación sufre una bajada repentina de su amplitud.
- una sobretensión donde Ia tensión de alimentación sufre un aumento repentino de su amplitud.
- una variación en Ia frecuencia de Ia tensión de alimentación.
- una variación repentina en Ia fase de Ia tensión de alimentación.
- una combinación de las anteriores.
La pérdida de capacidad de regulación de Ia etapa DC puede estar originada por una pérdida de Ia capacidad de trasiego de potencia, una limitación en tensión o una limitación en corriente del convertidor conectado a Ia red eléctrica, así como una combinación de las mismas.
Los elementos de los que se compone cada convertidor AC-DC, tales como interruptores estáticos, inductancias y otros elementos eléctricos, tienen asociados unos límites de operación en valores de tensión y corriente que deben respetarse para garantizar el correcto funcionamiento del convertidor. La máxima corriente de salida que puede entregar el convertidor debe ser considerada por el control del mismo para poder definir en cada momento y en función de Ia tensión disponible, el límite máximo de Ia potencia que puede fluir a través de él. En presencia de un hueco en Ia tensión de red y ante una demanda de potencia de valor elevado por parte del lazo de control de Ia tensión de Ia etapa DC, podría producirse el caso en el que el convertidor conectado a Ia red eléctrica, destinado a controlar Ia tensión de Ia etapa DC, no dispusiera de toda Ia capacidad de trasiego de potencia necesaria. En este caso el convertidor estaría en una situación de limitación de corriente. Esta situación derivaría en un descontrol de Ia tensión de Ia etapa DC, que tal y como se propone en el método que se presenta en esta invención, se resuelve mediante el reparto de Ia consigna de potencia necesaria para Ia correcta regulación de Ia tensión de Ia etapa DC entre los dos convertidores AC-DC, el convertidor conectado a Ia red eléctrica y el convertidor conectado al generador. Dependiendo del punto de funcionamiento en el que se encontrase cada convertidor, en una realización preferida, el reparto de Ia consigna de Ia potencia necesaria para Ia correcta regulación de Ia tensión de Ia etapa DC se realiza de manera que el convertidor conectado al generador se hace cargo de Ia totalidad de esa potencia demandada. Este es el caso que se plantea, por ejemplo, ante un hueco de profundidad del 100% en Ia tensión de Ia red, donde al no disponer de tensión de alimentación en el convertidor conectado a Ia red eléctrica, Ia capacidad de trasiego de potencia del mismo sería nula y en consecuencia, para garantizar el control de Ia tensión de Ia etapa DC, Ia totalidad de Ia potencia necesaria para tal efecto debe ser regulada por parte del convertidor conectado al generador.
Si el descontrol originado por Ia perturbación en Ia tensión de red se manifiesta en forma de un aumento de Ia tensión de Ia etapa DC, ésta puede mantenerse dentro de sus límites de funcionamiento mediante un chopper conectado en Ia etapa DC que permita quemar el exceso de energía de dicha etapa en una resistencia conectada mediante un interruptor. Si por el contrario, el descontrol de Ia etapa DC se manifiesta en forma de una bajada de Ia tensión, el chopper DC no puede aportar ninguna solución y si el convertidor del lado de Ia red no dispone de Ia capacidad de potencia necesaria, Ia situación puede derivar en una parada de emergencia debido que Ia tensión de Ia etapa DC evoluciona a valores peligrosos para el funcionamiento del sistema.
El método de control propuesto da solución a Ia situación descrita de bajada descontrolada de Ia tensión de Ia etapa DC y además permite minimizar, e incluso eliminar, las actuaciones del chopper DC en el caso de un aumento descontrolado de Ia tensión de Ia etapa DC, evitando quemar el excedente de energía de dicha etapa y en su lugar pudiendo transformar esa energía en forma de energía cinética en el generador que más tarde pudiera recuperarse en forma de potencia inyectada a Ia red favoreciendo de esta manera el rendimiento de Ia estructura de conversión de energía.
En presencia de una sobretensión en Ia red, el convertidor conectado a Ia red eléctrica encargado de mantener regulada Ia tensión de Ia etapa DC puede llegar a no ser capaz de sintetizar Ia tensión de salida necesaria para controlar Ia potencia necesaria para mantener regulada Ia tensión de Ia etapa DC a su valor de referencia. El valor máximo de Ia tensión de salida sintetizable por el convertidor tiene un límite definido por el valor de Ia tensión de Ia etapa DC y las características de los interruptores estáticos utilizados para conectar Ia etapa DC con las fases de Ia etapa AC (tiempos de encendido, tiempos de apagado, tiempos muertos necesarios entre conmutaciones y otras características similares). En presencia de una sobretensión, el control asociado al convertidor puede calcular un valor de tensión de referencia a aplicar en Ia salida del convertidor que excede del límite máximo alcanzable por las variables definidas. En este caso el convertidor sintetiza en su salida Ia máxima tensión posible pero sin poder alcanzar los valores requeridos por el control asociado y en consecuencia se produce un descontrol de Ia tensión de Ia etapa DC. En este caso el convertidor está en una situación de limitación de tensión, también conocido como estado de saturación, que puede derivar en una parada de emergencia por Ia evolución fuera de rango de funcionamiento de variables críticas como Ia tensión de Ia etapa DC o las corrientes de salida de los convertidores. Llegados a este caso, el método que se presenta en esta invención conmuta Ia responsabilidad de control de Ia etapa DC del convertidor conectado a Ia red eléctrica al convertidor conectado al generador, transfiriendo Ia totalidad de Ia consigna de potencia necesaria para el control de Ia etapa DC al convertidor conectado al generador, permitiendo de esta manera mantener todas las variables de funcionamiento dentro de sus rangos de funcionamiento y poder seguir funcionando sin perder el control de los convertidores.
La estructura de conversión de energía del tipo back to back, sobre
Ia que se puede aplicar el método de control que se presenta en Ia invención, puede ser utilizada en diferentes topologías de generación, tales como:
- topologías basadas en generadores asincronos doblemente alimentados en los que Ia estructura back to back se conecta de forma directa o a través de elementos tales como inductancias, resistencias, condensadores, transformadores o combinaciones de los mismos entre, el rotor del generador y Ia red eléctrica.
- topologías de conversión completa también conocidas como FuII Converter (FC) en los que Ia estructura back to back se conecta de forma directa o a través de elementos tales como inductancias, resistencias, condensadores, transformadores o combinaciones de los mismos entre el estator del generador y Ia red eléctrica de manera que toda Ia potencia generada fluye a través de Ia estructura back to back.
En una realización preferida, el método de control presentado en Ia invención propone realizar un reparto de Ia consigna de Ia potencia necesaria para el control de Ia etapa DC, entre los convertidores que conforman Ia estructura de conversión back to back, pudiendo repartir las consignas de potencia de forma parcial o total dependiendo del punto de funcionamiento de cada convertidor y las perturbaciones a las que pueden estar sometidos, entre el convertidor conectado a Ia red eléctrica y que normalmente asume Ia responsabilidad de controlar Ia tensión de Ia etapa DC y el convertidor conectado al generador. Habiendo derivado de forma parcial o total al convertidor conectado al generador Ia responsabilidad de controlar Ia tensión de Ia etapa DC, el convertidor conectado a Ia red eléctrica puede funcionar inyectando o absorbiendo corriente reactiva a Ia red eléctrica para contribuir al mantenimiento de Ia tensión de Ia red para cumplir con los requisitos exigidos por las normativas de conexión a red. En el caso de aplicación de este método en una topología doblemente alimentada donde el generador se conecta a Ia red a través del estator, el convertidor conectado al rotor del generador puede asumir Ia responsabilidad de regular Ia tensión de Ia etapa DC y puede también contribuir a controlar las variables rotóricas del generador que permitan inyectar o absorber a través del estator del generador, Ia corriente reactiva necesaria para cumplir con los requisitos exigidos por las normativas de conexión a red.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1. Esquema de un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG).
Figura 2. Comportamiento de un aerogenerador DFIG ante hueco de tensión 80% de profundidad, según el estado de Ia técnica.
Figura 3. Comportamiento de un aerogenerador DFIG ante hueco de tensión 95% de profundidad, según el estado de Ia técnica.
Figura 4. Comportamiento de un aerogenerador DFIG ante hueco de tensión 95% de profundidad, según Ia invención descrita.
DESCRIPCIÓN DE UNO O VARIOS EJEMPLOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Seguidamente se realiza una descripción de ejemplos de Ia invención, citando referencias de las figuras.
En una realización preferida, se considera una estructura de conversión back to back con un convertidor conectado a Ia red eléctrica y un convertidor conectado al generador, utilizando el método de control vectorial para el control de cada convertidor. El control vectorial está formado por un lazo de regulación externo de potencia y un lazo de regulación interno de corriente, las órdenes de conmutación de los interruptores estáticos del convertidor se calculan en cada ciclo de tarea del controlador a partir de las referencias de tensión de salida calculadas por el lazo de corriente y el valor de Ia tensión de Ia etapa DC que se dispone en cada ciclo. Esta información se procesa y aplica a Ia etapa final del control del convertidor donde utilizando técnicas de modulación vectoriales o escalares (como por ejemplo PWM), se establecen las órdenes de conmutación de los interruptores estáticos de cada convertidor.
Para conseguir Ia evolución deseada de las corrientes que permitan controlar Ia potencia de cada convertidor, es necesario establecer de forma precisa las órdenes de conmutación de los interruptores estáticos de los convertidores y para ello es necesario disponer de Ia tensión de Ia etapa DC regulada a su valor de referencia.
Una realización preferente de Ia invención consiste en el control de un aerogenerador cuya estructura de conversión (107) comprenda una máquina doblemente alimentada según se representa en Ia figura 1. En dicha estructura, el estator del generador se conecta a Ia red eléctrica (108) a través de un transformador (109), y el rotor del generador se conecta a un convertidor AC/DC (104) alimentado desde una etapa DC (106). Convencionalmente Ia tensión de Ia etapa DC (106) se controla desde otro convertidor AC/DC (105) conectado a Ia red eléctrica (108), capaz de transferir potencia entre Ia etapa DC (106) y Ia red eléctrica (108). La estrategia de control empleada en el estado de Ia técnica implica que el convertidor conectado al rotor (104) regule las potencias activa y reactiva generadas por Ia máquina doblemente alimentada, mientras que el convertidor del lado de red (105) regule Ia tensión de Ia etapa DC (106). La estructura de conversión (107) está controlada por un controlador (112).
En presencia de un hueco de tensión es habitual que se active un sistema de protección conectado al rotor del generador y conocido como crowbar (110). Este dispositivo cortocircuita las fases del rotor del generador y permite desconectar el convertidor del lado del rotor (104) que queda de esta manera protegido de las sobrecorrientes que aparecen habitualmente en el rotor del generador. Unos instantes más tarde el crowbar (110) se desactiva y el convertidor del lado del rotor (104) se conecta nuevamente al rotor retomando el control. Durante todo el tiempo Ia tensión de Ia etapa DC (106) es controlada por el convertidor del lado de red (105), que transfiere Ia potencia necesaria hacia o desde Ia red (108) con el objetivo de mantener Ia tensión a su valor de referencia.
La invención contempla Ia posibilidad de que el sistema incluya algún tipo de protección hardware para disipar energía, por ejemplo, un dispositivo conectado al rotor del generador como el ya mencionado crowbar (110) y/o un dispositivo conectado a Ia etapa DC (106) como puede ser un chopper (111 ).
Control según el estado de Ia técnica
En las figura 2a a 2d se muestra Ia evolución de las distintas variables de un generador en caso de un hueco de tensión trifásico de profundidad igual al 80%. En Ia figura 2a se representa el valor eficaz de Ia tensión de red, apreciándose Ia aparición de un hueco de tensión en el instante t=1 s. En Ia figura 2b se representa Ia tensión de Ia etapa DC (106). Es muy habitual que Ia tensión aumente en el instante en el que el hueco aparece. Más tarde Ia tensión desciende y se mantiene a su valor de referencia, que en este caso se ha fijado en 1.135V, Io cual indica que el convertidor del lado de red (105) está funcionando correctamente y cumple su función de regular Ia tensión de Ia etapa DC (106). La potencia que dicho convertidor introduce en Ia etapa DC (106) aparece en Ia figura 2c mientras que Ia potencia introducida por el convertidor conectado al rotor (104) se muestra en Ia figura 2d.
Por el contrario, el control según el estado de Ia técnica no funciona en caso de huecos más profundos. A modo de ejemplo, en las figuras 3a a 3d se muestran las mismas variables en caso de un hueco de tensión de profundidad igual al 95%. En este caso, y debido a Ia tensión tan pequeña de Ia red eléctrica (108), Ia capacidad de transferencia de potencia del convertidor del lado de red (105) se ve muy reducida. En consecuencia, este convertidor (105) ya no es capaz de regular adecuadamente Ia tensión de Ia etapa DC (106). La tensión queda por tanto sin control y, como puede comprobarse en Ia figura 3b, comienza a caer debido principalmente a las pérdidas de conmutación que se producen en los convertidores AC-DC. En Ia figura 3c se puede apreciar Ia causa principal del problema: Ia caída de tensión de Ia red (108) provoca que Ia potencia del convertidor del lado de red (105) disminuya, y al no ser suficiente para cubrir las pérdidas que se producen en Ia etapa DC (106), Ia tensión de dicha etapa disminuye.
Control según Ia invención propuesta
La falta de regulación de Ia etapa DC (106) se subsana empleando el método de control de Ia invención propuesta, en el que ante un hueco de tensión de red el control de Ia etapa DC (106) pasa a realizarse de forma compartida tanto por el convertidor conectado al generador (104) como por el convertidor conectado a Ia red (105) eléctrica.
Las figuras 4a a 4d muestran Ia evolución de las variables empleando este método cuando en el instante t=1s se produce un hueco de tensión de profundidad igual al 95%. El empleo conjunto de los dos convertidores (104, 105) hace posible regular Ia tensión de Ia etapa DC (106), que se consigue estabilizar entorno a su valor de referencia tal y como se puede apreciar en Ia figura 4b. A diferencia del control según el estado de Ia técnica, el convertidor del lado de generador (104) contribuye a Ia regulación de dicha tensión introduciendo potencia a Ia etapa DC (106). Esto puede apreciarse en que el valor medio de las oscilaciones de Ia potencia, mostrada en Ia figura 4d, es positivo.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1. Método para el control de un sistema de conversión de energía formada por:
- al menos un generador eléctrico,
- al menos dos convertidores AC-DC unidos entre sí a través de una etapa DC, estando al menos un primer convertidor conectado a Ia red eléctrica y, al menos, un segundo convertidor conectado a un generador, y donde dicho al menos primer convertidor regula Ia tensión de Ia etapa DC,
caracterizado porque, ante una pérdida de capacidad de regulación de Ia etapa DC por parte del al menos un primer convertidor provocada por una perturbación en Ia tensión de red, al menos un segundo convertidor contribuye al control de Ia etapa DC.
2. Método para el control de un sistema según Ia reivindicación 1 , en el que el, al menos, segundo convertidor asume íntegramente Ia regulación de Ia etapa DC.
3. Método para el control de un sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que Ia perturbación de tensión de red es una de las siguientes: un hueco de tensión de red, una sobretensión de Ia red, una variación de Ia frecuencia de red, una variación de Ia fase de Ia tensión de red, o una combinación de las mismas.
4. Método para el control de un sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que Ia pérdida de capacidad de regulación de Ia etapa DC es una de las siguientes: una pérdida de Ia capacidad de trasiego de potencia, una limitación en tensión de al menos un convertidor lado red, una limitación en corriente de al menos un convertidor lado red, o una combinación de las mismas.
5. Método para el control de un sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el generador es del tipo doblemente alimentado, con al menos un estator conectado a Ia red eléctrica y estando el, al menos, segundo convertidor conectado al rotor del generador.
6. Método para el control de un sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 4 en el que el generador es del tipo full converter.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2797906C (en) * 2010-04-29 2017-05-16 Ingeteam Power Technology, S.A. Electric generator control system and method
JP6289825B2 (ja) * 2013-06-28 2018-03-07 株式会社東芝 発電機励磁装置および電力変換システム
CN109155604B (zh) 2016-05-25 2023-02-03 维斯塔斯风力系统集团公司 均衡dfig定子与电网侧逆变器之间的无功电流

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2518074C (en) * 2003-05-02 2011-07-26 Xantrex Technology Inc. Control system for doubly fed induction generator
US7081734B1 (en) * 2005-09-02 2006-07-25 York International Corporation Ride-through method and system for HVACandR chillers
US7511385B2 (en) * 2005-11-11 2009-03-31 Converteam Ltd Power converters
US7425771B2 (en) * 2006-03-17 2008-09-16 Ingeteam S.A. Variable speed wind turbine having an exciter machine and a power converter not connected to the grid
US7622815B2 (en) * 2006-12-29 2009-11-24 Ingeteam Energy, S.A. Low voltage ride through system for a variable speed wind turbine having an exciter machine and a power converter not connected to the grid
KR100886194B1 (ko) * 2007-06-08 2009-02-27 한국전기연구원 계통 연계형 고압 권선형 유도 발전기 제어 장치
GB2451463B (en) * 2007-07-28 2012-07-25 Converteam Technology Ltd Control methods for VSC active rectifier/inverters under unbalanced operating conditions

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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