Sistema de Generación Eólica de Media Tensión mediante el uso de Convertidores Multinivel.

En esta patente se propone el uso de convertidores multinivel en configuración Back-to-Back para componer un sistema de generación eólica de media tensión. El uso de convertidores multinivel posibilita el trabajar a mayores tensiones y poder conectar el aerogenerador a una red de Media Tensión sin necesidad de usar un transformador elevador de acoplamiento

Sistema de generación eólica de media tensión mediante el uso de convertidores multinivel.

Sector de la técnica

Hardware electrónico de potencia para sistemas de generación eólica.

Estado de la técnica

En la actualidad los sistemas de generación eólica trabajan a baja tensión. Los generadores eléctricos generan baja tensión y la electrónica de potencia, necesaria para poder obtener sistemas de velocidad variable, también trabaja a baja tensión. En el parque eólico o a la salida del aerogenerador, la tensión de trabajo se eleva a media tensión mediante un transformador.

Los sistemas de velocidad variable desacoplan la frecuencia de la red y la frecuencia mecánica del rotor mediante una estructura de conversión CA/CC/CA denominada comúnmente Back-to-Back y formada mediante dos convertidores en oposición. Dependiendo del tipo de generador eléctrico, toda la potencia generada o parte de ella puede ser tratada por los convertidores. De esta manera, en generadores doblemente alimentados (por ejemplo, los generadores asíncronos de rotor bobinado), alrededor del 30% de la potencia generada es tratada por los convertidores electrónicos de potencia. En cambio, en generadores del tipo rotor cortocircuitado o imanes permanentes, los convertidores electrónicos de potencia tratan el 100% de la potencia, permitiendo un rango de variación de velocidades completo.

En aplicaciones de unos pocos MVA y gracias al transformador, se han utilizado estructuras de conversión simples, constituidas por dos inversores VSI (Voltage Source Inverter: Inversor con Fuente de Tensión) de dos niveles en oposición (back-to-back) con semiconductores lo suficientemente rápidos como para permitir aplicar técnicas de conmutación PWM. Sin embargo, este tipo de configuración presenta alto coste y bajo rendimiento por la utilización del transformador.

En los últimos años se ha pasado a construir aerogeneradores de una mayor potencia unitaria puesto que el rendimiento aumenta cuanto mayor es el generador. No obstante, con los niveles de tensión actuales en los sistemas eólicos, el aumento de la potencia significa incrementar el valor de la intensidad a niveles no deseables. Una posible solución a este inconveniente consiste en aumentar la tensión de trabajo obligando a los convertidores a trabajar a una mayor tensión, para producir potencias mayores con niveles de corriente admisibles.

El propósito de esta patente es presentar el empleo de convertidores multinivel con configuración Back-to-Back para el desarrollo de un sistema de generación eólica de media tensión que permita la conexión directa a la red de media tensión, obtenga un mayor rendimiento, elimine la necesidad del transformador elevador y haga posible el empleo de máquinas de velocidad variable.

Referencias

[1] A. Nabae, H. Akagi, and I. Takahashi, "A new neutral-point-clamped PWM invertir", IEEE Transactions on Industry Applications, vol. IA-17, n° 5, pág. 518-523, Sept/Oct 1981.

[2] J. Rodríguez, J.-S. Lai, and F. Z. Peng, "Multilevel inverters: A survey of topologies, controls and applications", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 49, n° 4, pág. 729-738, Agosto 2002.

Descripción

El sistema de generación eólica de media tensión está compuesto por un generador eléctrico de media tensión acoplado a una turbina eólica, dos convertidores multinivel en configuración Back-to-Back (conectados mediante un bus de corriente continua, con un condensador de filtro que estabiliza la tensión) que trabajan a media tensión y, opcionalmente, un transformador para la conexión a una red de media tensión.

Para aumentar el nivel de tensión de funcionamiento del convertidor se utilizan varios semiconductores en serie. Los convertidores multinivel permiten aumentar la tensión de trabajo respecto a los convertidores convencionales de dos niveles, de manera que se puede trabajar a niveles de media tensión, aumentando la potencia de trabajo del sistema. Incluso pueden reducirse los niveles de corriente, con las consiguientes ventajas en reducción de cobre en los elementos conductores.

Los convertidores multinivel del tipo "Diode Clamped" (ver referencias [1] y [2]) se basan en la conexión en serie de semiconductores, limitándose las tensiones en bornes de los semiconductores mediante el uso de diodos de fijación (clamping diodes). Por consiguiente, usando el mismo tipo de semiconductores puede multiplicarse la tensión de trabajo del convertidor, con el consiguiente aumento de potencia. Este procedimiento genera una onda de salida con varios niveles lo que conlleva la mejora de la calidad en la forma de onda, así como el aumento de su frecuencia de conmutación aparente, el aumento de rendimiento para aplicaciones a media tensión, la disminución de la dv/dt a la que se ven sometidas las cargas y la disminución de la distorsión armónica y, por tanto, la disminución de las necesidades de filtrado.

Los convertidores multinivel son cada vez más utilizados en aplicaciones de alta potencia. En esta patente se propone su utilización en sistemas de generación eólica dentro de un sistema de generación eólica a media tensión. El uso de los convertidores multinivel permite la conexión directa a redes de media tensión sin necesidad de transformadores elevadores. En ciertos casos donde puede ser interesante mantener el transformador en la conexión a red, el uso de convertidores multinivel y el consiguiente aumento de la tensión de trabajo permite una ligera disminución del tamaño de los transformadores.

En el Back-to-Back, se controla el flujo de energía del convertidor multinivel en el lado de red (ver Figuras 1 a 5), con el fin de mantener la tensión del bus de continua constante y controlar la energía aportada a la red (inyección de potencia activa/reactiva). El control del convertidor multinivel en el lado del generador se centra fundamentalmente en aspectos relacionados con la magnetización de la máquina y el control de velocidad, con objeto de extraer la máxima potencia del viento.

Los filtros de conexión a red son filtros de tipo reactivo, basados en inductancias y condensadores. Pueden ser tan simples como un filtro simplemente inductivo (L) o más complejos, como un filtro de orden superior LCL.

Modos de realización de la invención

La Figura 1 muestra la configuración para la gestión del 100% de la potencia generada por generadores eléctricos con conexión directa a la red de media tensión, sin transformador:

La Figura 2 muestra la configuración para la gestión del 100% de la potencia generada por generadores eléctricos con conexión a la red de media tensión (MT) con transformador:

La Figura 3 muestra la configuración para generadores eléctricos doblemente alimentados, bien por rotor o por estator sin transformador de conexión a la red de media tensión:

1. Sistema de generación eólica de media tensión mediante el uso de convertidores multinivel caracterizado porque comprende un generador eléctrico de media tensión, que puede ser de inducción doblemente alimentado, de inducción del tipo jaula de ardilla o de imanes permanentes, dos convertidores multinivel en configuración Back-to-Back de la topología de diodos de fijación (diode clamped) con un número de niveles de tensión igual a 3 o superior y un filtro de conexión a la red de media tensión del tipo reactivo, basado en inductancias y condensadores.

2. Sistema de generación eólica según reivindicación 1 y un transformador de acoplamiento a la red de media tensión (MT).