PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO DE REGULACIÓN DE UNA CENTRAL ELÉCTRICA EÓLICA.

Procedimiento de regulación de una instalación de producción de energía eléctrica, que comprende un alternador eléctrico

(7) que tiene un rotor (8), que es solidario con la parte giratoria (5, 6) de una central eléctrica eólica, para constituir un conjunto rotativo, y un sistema electrónico de potencia (12), que comprende un medio (15) para la conversión de la corriente alterna producida por el alternador (7), en corriente continua, caracterizado porque se regulan las características eléctricas de la corriente eléctrica producida por el alternador (7) y la velocidad de rotación del conjunto rotativo, por modulación de la corriente continua producida por el medio de conversión (15) del sistema electrónico de potencia (12) a partir de la corriente eléctrica producida por el alternador (7)

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/FR2002/000421.

Solicitante: JEUMONT S.A.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: TOUR FRAMATOME, 1, PLACE DE LA COUPOLE 92400 COURBEVOIE FRANCIA.

Inventor/es: BRUTSAERT, PATRICK, CANINI, JEAN MARC, MILET, YVES.

Fecha de Publicación: .

Fecha Solicitud PCT: 4 de Febrero de 2002.

Fecha Concesión Europea: 19 de Mayo de 2010.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F03D9/00C

Clasificación PCT:

  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO,... > MOTORES DE VIENTO > F03D9/00 (Adaptaciones de los motores de viento para usos especiales; Combinaciones de motores de viento con los aparatos que accionan (disposiciones relativas a conjuntos de propulsión de vehículos alimientados por energía eólica B60K 16/00; bombas caracterizadas por su combinación con motores de viento F04B 17/02))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA... > CONTROL O REGULACION DE MOTORES ELECTRICOS, GENERADORES... > Disposiciones para el control de generadores eléctricos... > H02P9/30 (utilizando dispositivos semiconductores)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA... > CONTROL O REGULACION DE MOTORES ELECTRICOS, GENERADORES... > Disposiciones para el control de generadores eléctricos... > H02P9/48 (Disposiciones para obtener características constantes en la salida, siendo el generador de velocidad variable, p. ej. sobre un vehículo (H02P 9/04 - H02P 9/46 tienen prioridad))

Clasificación antigua:

  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO,... > MOTORES DE VIENTO > F03D9/00 (Adaptaciones de los motores de viento para usos especiales; Combinaciones de motores de viento con los aparatos que accionan (disposiciones relativas a conjuntos de propulsión de vehículos alimientados por energía eólica B60K 16/00; bombas caracterizadas por su combinación con motores de viento F04B 17/02))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA... > CONTROL O REGULACION DE MOTORES ELECTRICOS, GENERADORES... > Disposiciones para el control de generadores eléctricos... > H02P9/30 (utilizando dispositivos semiconductores)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA... > CONTROL O REGULACION DE MOTORES ELECTRICOS, GENERADORES... > Disposiciones para el control de generadores eléctricos... > H02P9/48 (Disposiciones para obtener características constantes en la salida, siendo el generador de velocidad variable, p. ej. sobre un vehículo (H02P 9/04 - H02P 9/46 tienen prioridad))

Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Finlandia, Chipre.

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PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO DE REGULACIÓN DE UNA CENTRAL ELÉCTRICA EÓLICA.

Fragmento de la descripción:

La invención se refiere a un procedimiento de regulación de los parámetros de funcionamiento de una instalación de producción de energía eléctrica, que comprende una central eléctrica eólica y un dispositivo para implementar el procedimiento de regulación.

Se conocen instalaciones para la producción de energía eléctrica, a partir de energía eólica, que comprenden un alternador, cuyo rotor es arrastrado por medio de una parte giratoria de una central eléctrica eólica, que comprende un cubo y palas que están fijadas sobre el cubo.

En particular han sido propuestas centrales eléctricas eólicas, cuya parte giratoria está conectada directamente con el rotor del alternador, sin transmisión mecánica intermedia. Tales centrales eléctricas eólicas presentan la ventaja de una mayor simplicidad mecánica, estando montado el conjunto rotativo, que comprende la parte giratoria de la central eléctrica eólica solidaria con el rotor del alternador, sobre la estructura de la central eléctrica eólica por intermedio de, al menos, un palier que puede estar constituido por un solo rodamiento, en un modo de realización ventajoso.

Por otra parte, la supresión de elementos mecánicos, tales como reductores, que comprenden engranajes, se traduce en una disminución de los costes de construcción y de mantenimiento de la central eléctrica eólica. De la misma manera, se evitan riesgos de averías y de deterioros de ciertas partes de la central eléctrica eólica, por ejemplo por agarrotamiento de la piñonería de un reductor. Sin embargo, los inconvenientes de una conexión directa entre la parte giratoria de la central eléctrica eólica y el rotor del alternador consisten en que el alternador debe poder funcionar de manera satisfactoria a baja velocidad de rotación y en que las condiciones atmosféricas variables, en las que funciona la central eléctrica eólica, en particular la velocidad del viento, pueden entrañar variaciones de los parámetros eléctricos de la corriente suministrada por la central eléctrica eólica a un red eléctrica, siendo estas variaciones por regla general inaceptables.

- 2Una forma de realización particularmente ventajosa del alternador de una central eléctrica eólica, utilizada para la producción de corriente eléctrica, utiliza un rotor de alternador que comprende imanes permanentes que están dispuestos por regla general en un campo giratorio de dirección axial, producido por los bobinados de un estator, que está dispuesto frente al rotor. El alternador presenta, por regla general, una forma discoidal, estando distribuidos los imanes del rotor y los bobinados del estator circunferencialmente sobre superficies en forma de discos. Se ha propuesto en la publicación FR-97 02808, depositada por las sociedades JEU-MONT INDUSTRIE y FRAMATOME, la utilización para la producción de energía eléctrica para una central eléctrica eólica, de un alternador discoidal de este tipo, cuyas ventajas han sido ya indicadas en la descripción de la solicitud de patente. Con el fin de obtener una corriente eléctrica estable y de calidad sobre la red, que es alimentada por la central eléctrica eólica, se ha propuesto en esta solicitud de patente, de la misma manera, asociar con el alternador un sistema electrónico de potencia que comprende un primer convertidor corriente alterna-corriente continua, tal como un rectificador, y un segundo convertidor corriente continua-corriente alterna, tal como un ondulador, destinados a proporcionar una corriente alterna estable y de calidad a la red, que es alimentada por la central eléctrica eólica. La conversión de la corriente alterna producida por el alternador de la central eléctrica eólica en corriente continua y la conversión de la corriente continua obtenida, en corriente alterna, permite en efecto vencer variaciones de funcionamiento de la central eléctrica eólica debidas a las variaciones atmosféricas y proporcionar a la red una corriente de frecuencia perfectamente constante (por ejemplo 50 Hz), con un control muy bueno de la tensión y del factor de potencia de la corriente suministrada. Sin embargo, en esta solicitud de patente, no se había descrito el medio que permitiese realizar una regulación de todos los parámetros del funcionamiento de la central eléctrica eólica, independientemente de que estos parámetros sean relativos al funcionamiento eléctrico del alternador o que estén constituidos por la velocidad de rotación del conjunto rotativo de la central eléctrica eólica. Un primer problema, que se plantea en el ámbito de la explotación de las

centrales eléctricas eólicas se refiere a la protección del conjunto rotativo que comprende las palas y el cubo de la central eléctrica eólica, cuando el viento es demasiado fuerte y alcanza velocidades susceptibles de entrañar un embalamiento de la central eléctrica eólica y un deterioro del conjunto rotativo y/o de los palieres de este conjunto rotativo.

Las centrales eléctricas eólicas deben ser realizadas con el fin de asegurar un desenganche de la parte giratoria, cuando la velocidad del viento sobrepase un cierto nivel; la productividad de las palas del conjunto rotativo se vuelve entonces muy baja y se evita el embalamiento.

En la zona de desenganche, se compensa el aumento de potencia del viento por medio de una disminución de la productividad de las palas; la potencia es por lo tanto, groseramente constante.

Se obtiene un desenganche automático para una cierta velocidad del viento, por medio del perfil de las palas del conjunto rotativo y de una velocidad de rotación impuesta a este conjunto rotativo. Tales sistemas de desenganche automático pueden ser designados por el término inglés "stall" (calado) y comprende, por regla general, un conjunto rotativo, cuyas palas están montadas fijamente sobre el cubo.

Otros sistemas, que se designan por regla general por el término inglés "pitch" (cabeceo), utilizan un conjunto rotativo, cuyas palas están montadas giratoriamente sobre el cubo alrededor de un eje perpendicular al eje de rotación del conjunto rotativo, por regla general por intermedio de un rodamiento, que asegura el montaje rotativo del pie de la pala, comprendiendo el dispositivo así mismo medios mecánicos que aseguran el reglaje del ángulo de calaje de la pala sobre el cubo. Estos medios mecánicos son accionados, por regla general, con el fin de regular de forma continua el ángulo de calaje de la pala, durante el funcionamiento de la central eléctrica eólica. En el caso de un viento, cuya velocidad sobrepase una velocidad límite prevista, el sistema asegura el desenganche del conjunto rotativo.

El sistema "stall" presenta el inconveniente de estar definitivamente reglado, cuando se ha asegurado el montaje de las palas sobre el cubo del conjunto rotativo, efectuándose siempre el desenganche para una velocidad de viento predeterminada.

En efecto, el reglaje de la central eléctrica eólica se realiza de manera que el conjunto rotativo gire a una velocidad nominal que se combina con la velocidad del viento para provocar el desenganche en condiciones que no pueden ser cambiadas más que cuando se modifica el montaje de las palas sobre el cubo, para hacer variar el ángulo de calaje por pivotamiento de las palas alrededor de su eje longitudinal. Esta operación de cambio del ángulo de calaje de las palas debe ser realizada de manera manual y necesita una parada de la central eléctrica eólica durante un tiempo que puede ser relativamente prolongado y la intervención de personal encargado de esta operación, sobre la parte giratoria de la central eléctrica eólica.

Independientemente...

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento de regulación de una instalación de producción de energía eléctrica, que comprende un alternador eléctrico (7) que tiene un rotor (8), que es solidario con la parte giratoria (5, 6) de una central eléctrica eólica, para constituir un conjunto rotativo, y un sistema electrónico de potencia (12), que comprende un medio (15) para la conversión de la corriente alterna producida por el alternador (7), en corriente continua, caracterizado porque se regulan las características eléctricas de la corriente eléctrica producida por el alternador (7) y la velocidad de rotación del conjunto rotativo, por modulación de la corriente continua producida por el medio de conversión (15) del sistema electrónico de potencia (12) a partir de la corriente eléctrica producida por el alternador (7).

2. Procedimiento de regulación según la reivindicación 1, caracterizado porque en una primera fase de funcionamiento de la instalación de producción de energía eléctrica, para velocidades pequeñas del viento, se hace crecer la velocidad de rotación del conjunto rotativo (5, 6, 8) de la central eléctrica eólica, de manera que la velocidad de rotación pase progresivamente desde un valor pequeño de puesta en marcha hasta un valor máximo, siendo creciente el par sobre el rotor, según una ley de variación velocidad/par predeterminada.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque en una segunda fase de funcionamiento, cuando la velocidad del viento es mayor que un primer valor de umbral, se regula la velocidad de rotación del conjunto rotativo (5, 6, 8) de la central eléctrica eólica a un valor máxima fijo, o valor nominal, que permite obtener una recuperación de potencia óptima de la central eléctrica eólica.

4. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque en una segunda fase de funcionamiento de la central eléctrica eólica, cuando la velocidad del viento es mayor que un segundo valor de umbral, se regula la velocidad máxima de rotación del conjunto rotativo (5, 6, 8) de la central eléctrica eólica, con el fin de mantener la potencia de la central eléctrica eólica a un valor fijo y, de manera preferente, al valor máximo de la potencia aceptable por la central eléctrica eólica.

5. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2, 3 y 4, caracterizado porque se regulan las características eléctricas de la corriente eléctrica producida por el alternador, de manera que la tensión interna en vacío del

6. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque se regula la velocidad máxima de rotación del conjunto rotativo (5, 6, 8) de la central eléctrica eólica a un valor que permita un desenganche de las palas (6) de la parte giratoria (5, 6) de la central eléctrica eólica, para una velocidad de viento determinada.

7. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque cuando la velocidad del viento es menor que el segundo valor de umbral, se hace crecer la velocidad de rotación del conjunto rotativo, de manera progresiva y regulada y se registran las variaciones del valor de la velocidad de rotación, con el fin de utilizar ulteriormente la curva de variación de la velocidad de rotación para controlar el aumento de velocidad del conjunto rotativo.

8. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque se fija el valor nominal de la velocidad de rotación a un valor tomado entre, al menos, dos valores, en función de las condiciones climáticas en la ubicación de la central eléctrica eólica y, en particular, a una primer valor en período de verano y a un segundo valor en período de invierno.

9. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque se utiliza un medio de conversión de la corriente continua

(17) para suministrar una corriente alterna a una red de utilización (13) y porque se regulan los parámetros eléctricos de la corriente alterna, suministrada a la red de utilización (13), por accionamiento del medio (17) de conversión de la corriente continua en corriente alterna.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque los parámetros eléctricos regulados de la corriente alterna, suministrada a la red (13), comprenden el coseno φ y la potencia reactiva de la corriente suministrada a la red.

11. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 9 y 10, caracterizado porque se regula la potencia eléctrica transmitida del medio de conversión de la corriente alterna del alternador (7) en corriente continua, al medio de conversión (17) de la corriente continua en corriente alterna, por un medio de interrupción (16) de la corriente continua transmitida entre el medio de conversión

(15) de la corriente alterna en corriente continua y el medio (17) de conversión de la corriente continua en corriente alterna y de derivación de una parte al menos de la corriente eléctrica sobre un reóstato (29).

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque durante una microinterrupción de la red eléctrica (13), de una duración menor que un límite fijo (de manera típica un segundo), se realiza la interrupción de la corriente eléctrica y la derivación de una parte al menos de la corriente para evacuar la potencia eléctrica del alternador, durante la microinterrupción de la red (13).

13. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque en el caso de una interrupción de la red eléctrica (13) de una duración mayor que un límite fijado (de manera típica un segundo) o de una disfunción del medio de producción de corriente alterna (17), se provoca una parada de la instalación de producción de energía eléctrica, al menos parcialmente por frenado eléctrico, a partir del par resistente del alternador y se evacua una potencia eléctrica excedente producida por el alternador en un reóstato (29) del dispositivo (16) de interrupción de la corriente eléctrica continua, producida por el medio de conversión (15) de la corriente alterna del alternador (7) en corriente continua.

14. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque se realiza una parada de la central eléctrica eólica para hacer pasar la velocidad del conjunto rotativo (5, 6, 8) desde una velocidad nominal hasta una velocidad pequeña prácticamente nula, realizándose un frenado eléctrico del conjunto rotativo (5, 6, 8) aumentándose el par resistente del alternador (7) por reglaje de los parámetros eléctricos de la corriente producida par el alternador (7), de manera progresiva y porque se evacua una potencia excedente sobre la red (13), al menos única, que es alimentada por la instalación de producción de corriente eléctrica y de un reóstato (29).

15. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque se pone en cortocircuito al alternador (7), que comprende un rotor (8) con imanes permanentes, después de la parada de la instalación de producción de corriente eléctrica, con el fin de crear un par resistente que se oponga a una elevación de la velocidad de rotación del conjunto rotativo (5, 6, 8), para obtener una velocidad de rotación del conjunto rotativo (5, 6, 8) sensiblemente menor que una velocidad de rotación durante un funcionamiento de la instalación

16. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque se efectúa la puesta en marcha de la central eléctrica eólica inicialmente en estado parado, haciéndose funcionar al alternador (7) como motor síncrono alimentado por intermedio del sistema electrónico de potencia (12), con el fin de arrastrar a la parte giratoria (5, 6) de la central eléctrica eólica a una velocidad de puesta en marcha del alternador (7).

17. Dispositivo de regulación de una instalación de producción de energía eléctrica, que comprende un alternador eléctrico (7), que tiene un rotor (8) que es solidario con la parte giratoria (5, 6) de una central eléctrica eólica, para constituir un conjunto rotativo (5, 6, 8), y un sistema electrónico de potencia (12), que comprende un medio (15) de conversión de la corriente alterna, producida por el alternador (7), en corriente continua, caracterizado porque el medio de conversión de la corriente alterna, producida por el alternador (7) en corriente continua es un rectificador con modulación de anchura de impulso (15) conectado con una unidad de regulación y de accionamiento numérico (20), que regula la corriente continua por impulsos producida por el rectificador con modulación de anchura de impulso (15), en función de una medida de intensidad y de tensión de la corriente producida por el alternador y de la velocidad de rotación del conjunto rotativo (5, 6, 8), siendo apta la unidad de regulación y de accionamiento numérico (20) para regular la velocidad de rotación del conjunto rotativo (5, 6, 8) por la modulación de la corriente continua producida por el rectificador con modulación de anchura de impulso (15).

18. Dispositivo según la reivindicación 17, caracterizado porque el sistema electrónico de potencia (12) comprende, además, un ondulador con modulación de anchura de impulso (17), que está conectado con una parte de salida del rectificador con modulación de anchura de impulso (15) por, al menos, un bus de corriente continua (18), que tiene una parte de salida conectada con una red (13) de utilización de una corriente alterna producida por el ondulador con modulación de impulso (17) a partir de la corriente continua, estando conectado el ondulador con modulación de anchura de impulso (17) con la unidad de regulación y de accionamiento numérico (20), que recibe una medida de la tensión de la corriente alterna suministrada a la red de utilización (13), para regular la corriente eléctrica suministrada por el ondulador

- 32 con modulación de impulso (17) a la red (13). 19. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 17 y 18, caracterizado porque el sistema electrónico de potencia (12) comprende, además, un interruptor periódico reostático (16) conectado con la parte de salida del 5 rectificador con modulación de impulso (15) y con una parte de entrada del ondulador con modulación de impulso (17) de corriente continua, estando conectado el interruptor periódico reostático (16) con la unidad de regulación y de accionamiento numérico (20), que recibe una señal representativa de la tensión en el bus de corriente continua (18), que une la parte de salida del rectificador con 10 modulación de impulso (15) con el interruptor periódico reostático (16), con el fin de accionar la interrupción de la corriente eléctrica que atraviesa el interruptor periódico reostático (16) y la derivación de una parte al menos de la corriente eléctrica hacia un reóstato (29), con ocasión de un aumento de la tensión en el bus de corriente continua (18). 15 20. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19, caracterizado porque el rotor (8) del alternador eléctrica (7) es un rotor con imanes permanentes y porque el alternador eléctrico (7) comprende medios de acoplamiento de las fases del alternador entre sí. 21. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19, 20 caracterizado porque el rotor (8) del alternador eléctrico (7) es un rotor bobinado y, principalmente, es un rotor bobinado síncrono. Siguen seis hojas de dibujos.