Sistema y método de operación asíncrona aplicable a un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG).

Incluye al menos un generador (104) asíncrono de rotor bobinado; al menos un convertidor de potencia (102) con capacidad de controlar las corrientes rotóricas de dicho generador (104) en amplitud, frecuencia y fase; se caracteriza por comprender desconectar el rotor del generador DFIG (104) aislándolo del convertidor de potencia (102), cortocircuitar el rotor del generador DFIG (104) y efectuar la operación de la turbina eólica con el rotor del generador (104) cortocircuitado y aislado del convertidor de potencia (102), para posibilitar la operación del generador de la turbina eólica en modo de generación asíncrona.

Permite la continuidad de la operación del aerogenerador en modo asíncrono, en caso de falta de operatividad del modo doblemente alimentado DFIG

Sistema y método de operación asíncrona aplicable a un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG).

Objeto de la invención

La invención es aplicable a turbinas eólicas y más particularmente en turbinas con generadores doblemente alimentados. La presente invención tiene por objeto permitir la continuidad de la operación del aerogenerador en modo asíncrono, en caso de falta de operatividad del modo doblemente alimentado DFIG (Doubly Fed Induction Generator). Dicha dualidad de modos de operación aumenta en gran medida la disponibilidad de la turbina eólica.

Antecedentes de la invención

En los inicios de la energía eólica, la mayor parte de las turbinas eólicas estaban equipadas con generadores asíncronos de jaula de ardilla. Estas turbinas funcionaban a velocidad de giro prácticamente constante, lo que implicaba menor eficiencia en la conversión de la energía al viento y mayores esfuerzos mecánicos en el aerogenerador. En la década de los 90 aparecieron las turbinas eólicas de velocidad variable que están equipadas con generadores asíncronos de rotor bobinado cuyo rotor está alimentado a través de un convertidor de potencia, a este tipo de generador se le conoce como del tipo doblemente alimentado (DFIG), ya que precisan de un convertidor de potencia encargado de inyectar a los devanados rotóricos corrientes con la frecuencia, amplitud y fase apropiadas. Esta topología presenta la ventaja de mayor eficiencia energética y menores esfuerzos mecánicos por lo que se ha convertido en una de las topologías dominantes.

La presente invención se aplica a turbinas eólicas DFIG con la novedad de que permite, bajo determinadas circunstancias, la operación de la turbina como un generador asíncrono, lo que redunda en una mayor disponibilidad de la turbina.

A medida que la capacidad eólica instalada y la potencia unitaria de las turbinas eólicas aumenta, se hace más importante asegurar la disponibilidad y fiabilidad de este tipo de generación eléctrica.

Adicionalmente la naturaleza inherentemente distribuida de la energía eólica provoca que no siempre se puedan asegurar tiempos de reacción y reparación de anomalías, tan breves como sería deseable. Este caso se pone especialmente de manifiesto en las turbinas eólicas marinas (offshore) en las que por distintas causas la accesibilidad puede verse reducida.

La presente invención alivia la problemática anterior al proporcionar tolerancia ante anomalías en el convertidor de potencia y otros sistemas de forma que permite una dualidad en modos de operación.

En el estado del arte actual encontramos invenciones cuya finalidad es igualmente evitar la pérdida de disponibilidad en las turbinas eólicas debida a fallos de funcionamiento en los componentes, o protegerlos cuando puedan llegar a producirse condiciones críticas de funcionamiento en las que peligre la integridad de los propios componentes (por ejemplo, del convertidor de potencia).

La patente US20060214428A1 (Jens Altemark, et al., Repower Systems AG) describe un método para poner en paralelo sistemas de manera que ante un fallo de uno de ellos los demás puedan seguir funcionando evitando así la parada de la turbina eólica.

La patente EP1768223A2 (José I. Llorente, et al., Gamesa Innovation & Technology, S.L. Unipersonal) describe una topología de convertidores de potencia colocados en paralelo y que atacan a diferentes bobinados del generador cuyo objeto es aumentar la eficiencia de la conversión y tolerar el fallo de alguno de los convertidores de potencia.

La patente US20060227578A1 (Rajib Data, et al., General Electric Company) describe una pluralidad de convertidores colocados en paralelo y cuya salida se compone en un transformador con varios devanados. Esta topología, al igual que las anteriores, aumenta la tolerancia ante fallos del convertidor mediante el empleo de una pluralidad de convertidores.

La patente US20070024059A1 (John Douglas D'Atre, et al. General Electric Company) de General Electric describe la posibilidad de activar los semiconductores del convertidor de potencia en un modo de cortocircuito, de forma que se impide el paso de energía a través del convertidor evitando, por ejemplo, un flujo excesivo de potencia que pudiera llegar a dañarlo. No obstante, esta invención no permite la operación de la turbina en caso de no tener operativo el convertidor. Dicha situación puede producirse por ejemplo si fallan los semiconductores de la electrónica de potencia o si falla la electrónica de control del convertidor.

La presente invención evita colocar convertidores de potencia redundantes en paralelo y asegura un modo de operación alternativo, independiente del convertidor de potencia y subsistemas asociados al mismo.

Descripción de la invención

Para conseguir los objetivos y resolver los inconvenientes anteriormente indicados, la invención consiste en un nuevo método de operación de una turbina eólica con generador doblemente alimentado que permite la operación de dicha turbina en un modo alternativo de generación asíncrona, por ejemplo permitiendo que la turbina eólica pueda llegar a funcionar aún en el caso de que el convertidor de potencia a ella asociada, no pueda ser operado adecuadamente o, porque se desee ponerlo fuera de servicio (por ejemplo, mantenimiento del equipo). De esta forma se puede obtener un gran aumento de la disponibilidad de la turbina eólica.

Un aerogenerador que incluye un generador doblemente alimentado, en modo de operación normal (modo DFIG, Doubly Fed Induction Generator), necesita de un convertidor de potencia conectado al rotor del generador. Se entiende como convertidor de potencia cualquier topología que emplee electrónica de potencia y el control asociado. Dichos elementos constituyen una unidad funcional encargada de controlar las magnitudes rotóricas, tales como las corrientes, de tal manera que permita trabajar a la turbina acoplada a la red y con velocidad variable en el eje. El convertidor de potencia puede ser una topología formada por uno o varios back-to-back (conversiones de AC - DC - AC reversibles, a través de un bus de continua) o cualquier otra topología.

Actualmente, aquellos fallos en el aerogenerador que provocan un comportamiento anómalo del convertidor de potencia, implican, en la mayoría de los casos, que se interrumpa la generación de energía hasta que sea solventado el fallo, ya que el convertidor de potencia no puede ser operado correctamente.

Esta invención, describe un sistema y método de operación que permite reanudar la generación de energía aún con el convertidor de potencia no operativo. La presente invención es independiente de la topología del convertidor de potencia que controla el generador DFIG.

El método de operación comprende la desconexión del rotor del generador DFIG aislándolo del convertidor de potencia, cortocircuitar el rotor del generador DFIG (bien directamente o bien a través de elementos activos, pasivos o una combinación de ambos) y efectuar la operación de la turbina eólica con el rotor del generador cortocircuitado y aislado del convertidor de potencia. Por lo tanto, en este caso, la turbina está operada en modo generador asíncrono.

Para ello la invención propuesta comprende elementos de maniobra que aíslan el rotor del generador respecto del convertidor de potencia y elementos de maniobra y cortocircuito que cortocircuitan el rotor del generador, permitiendo la operación del generador (DFIG) de la turbina eólica en modo asíncrono. De esta manera, aún en caso de fallo del convertidor de potencia, la turbina eólica podrá seguir estando operativa.

En consecuencia para implantar el método anterior, el sistema incluye, además de los elementos necesarios para el control del aerogenerador en modo DFIG:

Además de los elementos anteriores en una realización preferida de la invención, se incluyen medios para reducir el pico de corriente asociado al acoplamiento...

1. Método de operación asíncrona aplicable a un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG) que incluye al menos un generador asíncrono de rotor bobinado; al menos un convertidor de potencia con capacidad de controlar las corrientes rotóricas de dicho generador en amplitud, frecuencia y fase; caracterizado porque comprende desconectar el rotor del generador DFIG aislándolo del convertidor de potencia, cortocircuitar el rotor del generador DFIG y efectuar la operación de la turbina eólica con el rotor del generador cortocircuitado y aislado del convertidor de potencia, para posibilitar la operación del generador de la turbina eólica en modo de generación asíncrona.

2. Método de operación asíncrona aplicable a un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG) según reivindicación 1, caracterizado porque el método comprende las siguientes fases:

3. Método de operación asíncrona aplicable a un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG), según reivindicación 2, caracterizado porque las condiciones de entrada al modo de generación asíncrono comprenden la detección de fallo del convertidor de potencia.

4. Método de operación asíncrona aplicable a un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG), según reivindicación 2, caracterizado porque las condiciones de entrada al modo de generación asíncrono comprenden la detección de anomalías externas al convertidor de potencia que impidan la generación de potencia en el modo de operación DFIG.

5. Método de operación asíncrona aplicable a un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG), según reivindicación 1, caracterizado porque comprende cortocircuitar el rotor del generador para tener capacidad de control de la corriente retórica.

6. Método de operación asíncrona aplicable a un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG), según reivindicación 1, caracterizado porque comprende reducir el pico de corriente que resulta al acoplar a la red un generador asíncrono.

7. Método de operación asíncrona aplicable a un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG), según reivindicación 1, caracterizado porque comprende adaptar el funcionamiento del aerogenerador al modo asíncrono después de salir del modo DFIG.

8. Sistema de operación asíncrona aplicable a un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG), que incluye al menos un generador asíncrono de rotor bobinado; al menos un convertidor de potencia con capacidad de controlar las corrientes rotóricas de dicho generador en amplitud, frecuencia y fase, elementos de maniobra para conectar y desconectar el estátor del generador respecto de la red eléctrica;

caracterizado porque comprende:

9. Sistema de operación asíncrona aplicable a un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG) según reivindicación 8, caracterizado porque los elementos de maniobra que aíslan el rotor del generador del convertidor de potencia y los elementos de maniobra y cortocircuito que cortocircuitan el rotor del generador son independientes del convertidor de potencia.

10. Sistema de operación asíncrona aplicable a un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG) según reivindicación 8, caracterizado porque los elementos de maniobra que aíslan el rotor del generador del convertidor de potencia y los elementos de maniobra y cortocircuito que cortocircuitan el rotor del generador son dependientes del convertidor de potencia.

11. Sistema de operación asíncrona aplicable a un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG) según reivindicación 8, caracterizado porque los elementos de maniobra y cortocircuito del rotor, comprenden elementos de cortocircuito constituidos por elementos pasivos.

12. Sistema de operación asíncrona aplicable a un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG) según reivindicación 11, caracterizado porque los elementos pasivos son seleccionados entre resistencias, inductancias y capacidades, y combinación de ellos.

13. Sistema de operación asíncrona aplicable a un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG), según reivindicación 8, caracterizado porque los elementos de maniobra y cortocircuito del rotor están constituidos por elementos activos y pasivos.

14. Sistema de operación asíncrona aplicable a un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG), según reivindicación 13, caracterizado porque los elementos activos son seleccionados entre diodos, transistores, tiristores, otros semiconductores controlables y combinación de ellos.

15. Sistema de operación asíncrona aplicable a un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG), según reivindicación 13, caracterizado porque los elementos activos y pasivos tienen capacidad de control de la corriente rotórica.

16. Sistema de operación asíncrona aplicable a un aerogenerador del tipo doblemente alimentado (DFIG), según reivindicación 8, caracterizado porque comprende medios para reducir el pico de corriente al acoplar a la red un generador asíncrono.