METODO Y APARATO PARA CONVERTIR ELECTRICIDAD DE GENERACION EOLICA EN ELECTRICIDAD DE FRECUENCIA CONSTANTE PARA UNA RED DE ABASTECIMIENTO.

Un método para convertir electricidad de generación eólica en electricidad de frecuencia constante para suministrarla a una red de abastecimiento,

que comprende:

usar un generador de turbina eólica que tiene un generador de inducción de doble alimentación,

generar electricidad a partir del rotor del generador para suministrarla a la red de abastecimiento cuando se opera a una velocidad rotacional del generador por encima de la velocidad síncrona,

suministrar electricidad al rotor del generador cuando se opera a una velocidad rotacional por debajo de la velocidad síncrona del generador y facilitar la generación de electricidad a partir del estator,

convertir la electricidad procedente del rotor en electricidad de CC y convertir la electricidad de CC en electricidad de CA con un factor de potencia unitario fijo de al menos 0,99, y

ajustar la corriente de la electricidad de CA hacia o procedente de la red de abastecimiento para que esté en fase con el voltaje de red de abastecimiento, que comprende los pasos de:

detectar un voltaje de línea a tierra procedente de la red de abastecimiento,

generar un valor normalizado de voltaje dividiendo los voltajes detectados de línea a tierra entre el voltaje de pico de la red de abastecimiento,

multiplicar el valor normalizado de voltaje por una señal de corriente deseada para producir una señal de referencia que está en fase con el voltaje de abastecimiento,

detectar la corriente de la electricidad de CA hacia o procedente de la red de abastecimiento,

restar la corriente detectada a la señal de referencia para generar una señal de error, y

comparar la señal de error con una señal de forma triangular para generar una señal de control;

en el que la electricidad de CA está con un factor de potencia unitario fijo de al menos 0,99

Método y aparato para convertir electricidad de generación eólica en electricidad de frecuencia constante para una red de abastecimiento.

Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a un método y un aparato para convertir electricidad de generación eólica en electricidad de frecuencia constante. Más particularmente se refiere a un método y un aparato de este tipo, útiles para proporcionar electricidad de frecuencia constante a una red de abastecimiento.

Técnica precedente

No se admite que la técnica precedente divulgada en esta sección constituya legalmente técnica anterior.

Diversas técnicas diferentes han sido empleadas con relación al uso de generadores de turbina eólica para convertir electricidad de generación eólica en electricidad de frecuencia constante para suministrarla a una red de abastecimiento. Tales técnicas incluyen el uso de puentes de rectificador/inversor, con un enlace de corriente continua (cc), acoplados al rotor de un generador de inducción de doble alimentación. Para algunas aplicaciones puede ser deseable un ajuste o corrección variable del facto de potencia. Por ejemplo, se puede hacer referencia a un artículo de T. A. Lipo, titulado "Variable Speed Generator Technology Options for Wind Turbine Generators", Departamento de Ingenierías Eléctrica e Informática, Universidad de Wisconsin (1984). Además, se puede hacer referencia a un artículo de T. S. Jayadev, titulado "Novel Electric Generation Schemes for Wind Power Plants", Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Universidad de Wisconsin, Milwaukee, presentado en el Segundo Taller sobre Sistemas de Conservación de la Energía Eólica, Washington, D.C. (1975); y un libro de Werner Leonhard, titulado "Control of Electrical Drivers", Springer-Verlag Publishing Group. Se puede hacer referencia adicional a las patentes de EE.UU. 4.695.736, 6.137.187, 5.798.631 y 2003/151259.

Breve descripción de los dibujos

Se pondrán de manifiesto los rasgos de esta invención y la manera de alcanzarlos, y la invención misma se entenderá mejor mediante referencia a la siguiente descripción de ciertas realizaciones de la invención tomadas en combinación con los dibujos que se acompañan, en los que:

La figura 1 es un diagrama de bloques simbólico de un sistema de conversión de electricidad de generación eólica, que está construido en consonancia con una realización de la presente invención.

Descripción detallada de ciertas realizaciones de la invención

Se divulgan un método y un aparato para convertir electricidad de generación eólica en electricidad de frecuencia constante para suministrarla a una red de abastecimiento. El sistema y el método divulgados usan un generador de turbina eólica que tiene un generador de inducción de doble alimentación. Por encima de la velocidad síncrona del generador, la electricidad procedente del rotor se convierte en electricidad de corriente continua (cc) y la electricidad de CC se convierte de vuelta en electricidad de corriente alterna (ca) con un factor de potencia unitario fijo. Por debajo de la velocidad síncrona, la electricidad fluye al rotor desde la red de abastecimiento también con un factor de potencia unitario fijo. La corriente de la electricidad de CA se ajusta para que esté en fase con el voltaje de la red de abastecimiento, en donde la electricidad de CA se mantiene sustancialmente a un factor de potencia unitario.

De acuerdo con la realización divulgada de la invención, la electricidad también se genera desde el estator del generador de inducción de doble alimentación.

De acuerdo con ciertas realizaciones de la invención, el ajuste de la corriente de la electricidad de ca, para que esté en fase con el voltaje de la red de abastecimiento, incluye calcular una magnitud de corriente deseada y multiplicarla por un valor detectado normalizado de voltaje del voltaje de la red de abastecimiento para proporcionar un valor de corriente deseada para la regulación de corriente de la electricidad de CA en fase con el voltaje de la red de abastecimiento sin ningún decalaje sustancial de fase. De acuerdo con una realización de la invención, el cálculo puede incluir restar el valor del voltaje de CC al valor deseado del voltaje de CC para proporcionar un valor de voltaje de error para la regulación del voltaje de cc.

De acuerdo con una realización de la invención, el cálculo también puede incluir usar un controlador de bucle cerrado tal como un controlador proporcional e integral para regular el valor de voltaje de CC para producir la magnitud de corriente deseada.

En consonancia con las realizaciones divulgadas de la invención, la determinación del valor normalizado de voltaje se puede conseguir detectando el voltaje de línea a tierra de la red de abastecimiento, y dividiendo el valor del voltaje detectado por la magnitud de pico del voltaje detectado para proporcionar el valor normalizado de voltaje. De acuerdo con otro aspecto de una realización de la invención, la verdadera magnitud de corriente se regula en respuesta al valor deseado de la corriente de ca.

Haciendo referencia a la figura 1, está mostrado un sistema 10 de conversión de electricidad de generación eólica, que está construido en consonancia con una realización de la invención y que se usa para suministrar electricidad de frecuencia constante a una red de abastecimiento. El sistema 10 incluye un generador 12 de turbina eólica, que tiene un generador de inducción de doble alimentación (DFIG) 14, que suministra electricidad de CA por medio de su estator con un factor de potencia deseado por medio de líneas o conductores trifásicos de potencia 16 a la red de abastecimiento. El factor de potencia deseado de la electricidad de CA desde el estator se consigue mediante el control de la corriente de rotor.

Un conversor 18 de generador está conectado al rotor del generador 14 para controlar corrientes del rotor del DFIG 14 para hacer que la electricidad procedente del estator esté controlada hasta un factor de potencia deseado, y que el generador proporcione un nivel deseado de par torsor. El factor de potencia del estator se puede ajustar mediante el control 29, que también puede convertir la electricidad de ca. La electricidad de rotor se suministra a un bus 21 de CC por medio del conversor 18 en el que la electricidad de CC se almacena en un condensador o banco de condensadores tal como un condensador 23 conectado a través de conductores 22 y 24 de bus de cc. Por encima de la velocidad síncrona del generador, un conversor 25 de abastecimiento convierte la electricidad de CC procedente del bus 21 de CC en electricidad de CA de frecuencia constante y la suministra a la red de abastecimiento por medio de un filtro 27 de línea. Por debajo de la velocidad síncrona, el conversor 25 de abastecimiento rectifica activamente electricidad de CA procedente de la red y la regula para suministrar electricidad de CC al conversor 18 de generador, que a su vez suministra corriente de CA al rotor del generador.

En consonancia con la realización divulgada de la invención, como se describe aquí más adelante con mayor detalle, la corriente de la electricidad de CA procedente del conversor 25 de abastecimiento se ajusta para estar en fase con el voltaje de la red de abastecimiento. De este modo, la electricidad de CA procedente del conversor 25 de abastecimiento suministrada a la red de abastecimiento se mantiene sustancialmente en todo momento con factor de potencia unitario. De este modo, en consonancia con las realizaciones divulgadas de la presente invención, se suministra electricidad de CA a la red de abastecimiento por medio de tanto el estator como el rotor del generador 14 de inducción de doble alimentación a o por encima de velocidades síncronas del generador. Por debajo de velocidades síncronas, se suministra corriente de CA al rotor, y la potencia es generada por el estator y suministrada a la red. El DFIG 14 bajo el control del conversor 18 de generador ajusta la potencia reactiva de modo que la electricidad de CA suministrada por el estator se suministra con un factor de potencia selectivamente ajustable. La electricidad de CA proporcionada por el rotor del generador 14 tiene un factor de potencia unitario fijo, no ajustable como resultado de la regulación de corriente por medio de el conversor 25 de abastecimiento en consonancia con la realización divulgada de la presente invención.

De acuerdo con una realización de la invención, tal como una que tiene un DFIG con seis polos y una velocidad síncrona de 1200 rpm cuando la estación está conectada a una red de 60 Hz,...

1. Un método para convertir electricidad de generación eólica en electricidad de frecuencia constante para suministrarla a una red de abastecimiento, que comprende:

usar un generador de turbina eólica que tiene un generador de inducción de doble alimentación,

generar electricidad a partir del rotor del generador para suministrarla a la red de abastecimiento cuando se opera a una velocidad rotacional del generador por encima de la velocidad síncrona,

suministrar electricidad al rotor del generador cuando se opera a una velocidad rotacional por debajo de la velocidad síncrona del generador y facilitar la generación de electricidad a partir del estator,

convertir la electricidad procedente del rotor en electricidad de CC y convertir la electricidad de CC en electricidad de CA con un factor de potencia unitario fijo de al menos 0,99, y

ajustar la corriente de la electricidad de CA hacia o procedente de la red de abastecimiento para que esté en fase con el voltaje de red de abastecimiento, que comprende los pasos de:

detectar un voltaje de línea a tierra procedente de la red de abastecimiento,

generar un valor normalizado de voltaje dividiendo los voltajes detectados de línea a tierra entre el voltaje de pico de la red de abastecimiento,

multiplicar el valor normalizado de voltaje por una señal de corriente deseada para producir una señal de referencia que está en fase con el voltaje de abastecimiento,

detectar la corriente de la electricidad de CA hacia o procedente de la red de abastecimiento,

restar la corriente detectada a la señal de referencia para generar una señal de error, y

comparar la señal de error con una señal de forma triangular para generar una señal de control;

en el que la electricidad de CA está con un factor de potencia unitario fijo de al menos 0,99.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, que incluye adicionalmente generar electricidad a partir del estator del generador.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el ajuste incluye calcular una magnitud de corriente deseada y multiplicarla por un valor normalizado de voltaje del voltaje de red de abastecimiento para proporcionar un valor de corriente deseada para la regulación de corriente de la electricidad de CA en fase con el voltaje de red de abastecimiento sin ningún decalaje sustancial de fase.

4. Un método de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el cálculo incluye restar el valor del voltaje de CC para proporcionar un valor de voltaje de error.

5. Un método de acuerdo con la reivindicación 4, en el que el cálculo incluye usar un controlador proporcional e integral de bucle cerrado para regular el valor de voltaje de error para producir la magnitud de corriente deseada.

6. Un método de acuerdo con la reivindicación 5, que incluye adicionalmente determinar el valor normalizado de voltaje detectando el voltaje de línea a tierra de la red de abastecimiento, y dividir el valor del voltaje detectado entre la magnitud de pico del voltaje detectado para proporcionar el valor normalizado de voltaje.

7. Un método de acuerdo con la reivindicación 6, que incluye adicionalmente regular la corriente de la electricidad de CA hacia o procedente de la red de abastecimiento en respuesta a la corriente detectada de la electricidad de CA hacia o procedente de la red de abastecimiento.

8. Un sistema para convertir electricidad de generación eólica en electricidad de frecuencia constante para suministrarla a una red de abastecimiento, que comprende:

un generador de turbina eólica que tiene un generador de inducción de doble alimentación, teniendo dicho generador un rotor para generar electricidad a partir del rotor del generador para suministrarla a la red de abastecimiento cuando se opera a una velocidad rotacional del generador por encima de la velocidad síncrona,

un conversor de generador para convertir la electricidad procedente del rotor en electricidad de CC por encima de la velocidad síncrona del generador, suministrando el conversor de generador electricidad al rotor del generador cuando se opera a una velocidad rotacional por debajo de la velocidad síncrona del generador y para facilitar la generación de electricidad a partir del estator,

un conversor de abastecimiento para convertir la electricidad de CC en electricidad de CA con un factor de potencia unitario fijo de al menos 0,99,

al menos un circuito para ajustar la corriente de la electricidad de CA hacia o procedente de la red de abastecimiento para que se mantenga en fase con el voltaje de red de abastecimiento;

en el que el al menos un circuito detecta un voltaje de línea a tierra procedente de la red de abastecimiento, genera un valor normalizado de voltaje dividiendo los voltajes detectados de línea a tierra entre el voltaje de pico de la red de abastecimiento, multiplica el valor normalizado de voltaje por una señal de corriente deseada para producir una señal de referencia que está en fase con el voltaje de abastecimiento, detecta la corriente de la electricidad de CA hacia o procedente de la red de abastecimiento, resta la corriente detectada a la señal de referencia para generar una señal de error, y compara la señal de error con una señal de forma triangular para generar una señal de control; y

en el que la electricidad de CA está con un factor de potencia unitario fijo de al menos 0,99.

9. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el generador incluye un estator para generar electricidad.

10. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el al menos un circuito para el ajuste incluye calcular una magnitud de corriente deseada y multiplicarla por un valor normalizado de voltaje del voltaje de red de abastecimiento para proporcionar un valor de corriente deseada para la regulación de corriente de la electricidad de CA en fase con el voltaje de red de abastecimiento sin ningún decalaje sustancial de fase.

11. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 10, en el que el cálculo incluye restar el valor del voltaje de CC a un valor deseado del voltaje de CC para proporcionar un valor de voltaje de error.

12. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 11, en el que el cálculo incluye usar un controlador proporcional e integral de bucle cerrado para regular el valor de voltaje de error para producir la magnitud de corriente deseada.

13. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 12, que incluye adicionalmente al menos un circuito para determinar el valor normalizado de voltaje detectando el voltaje de línea a tierra de la red de abastecimiento, y dividir el valor del voltaje detectado entre la magnitud de pico del voltaje detectado para proporcionar el valor normalizado de voltaje.

14. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 13, que incluye adicionalmente un regulador de corriente para regular la corriente de la electricidad de CA hacia o procedente de la red de abastecimiento en respuesta a la corriente detectada de la electricidad de CA hacia o procedente de la red de abastecimiento.