APARATO CONVERTIDOR DE POTENCIA Y PROCEDIMIENTO DE ACCIONAMIENTO RELACIONADO PARA GENERADORES CON UNA POTENCIA DE SALIDA QUE VARÍA DINÁMICAMENTE.

Aparato convertidor de potencia y procedimiento de accionamiento relacionado para generadores con una potencia de salida que varía dinámicamente La presente exposición describe una disposición de circuito convertidor de potencia para la conexión de un generador de tres fases a una rejilla de potencia. Las disposiciones de circuitos convertidores de potencia de esta clase se utilizan, por ejemplo, en plantas de energía eólica. En tales plantas, no hace falta decir que la potencia de salida del generador varía dinámicamente lo cual es debido a las condiciones naturales, esto es las velocidades variables del viento. Es necesario, sin embargo, que la energía generada en el generador sea alimentada a la rejilla a la tensión correcta, la frecuencia correcta y la fase correcta. Las tensiones típicamente estarán en la gama entre unos pocos cientos y unas pocas decenas de kilovatios y típicamente las frecuencias serán de 50 Hz o de 60 Hz. El estado actual de la técnica para producir plantas de energía eólica que incorporan generadores que generan la energía con una potencia de salida que varía dinámicamente con el tiempo está representado, por ejemplo, por las siguientes tecnologías: El documento DE 10114075 A1 revela la conexión de un generador con una potencia de salida dinámica de una manera compleja a una rejilla de potencia de tensión media. En este ejemplo, el generador está conectado con un rectificador de puente. Esta rectificador genera una tensión continua de varios kilovatios la cual está conectada a una disposición en cascada de celdas del inversor a través de una conexión de tensión continúa. Debido a las celdas del inversor en cascada y los convertidores de etapas integrados, esta disposición de circuito de convertidor de potencia extremadamente flexible puede funcionar muy eficazmente para muchas velocidades diferentes del viento y tensiones de salida asociadas diferentes del generador. La desventaja con una disposición de un circuito convertidor de potencia de este tipo es, sin embargo, que prohíbe la utilización de máquinas asíncronas cómodas y resistentes debido al hecho de que éstas requieren un campo magnético giratorio para la excitación. Una desventaja adicional consiste en que, tecnológicamente hablando, es relativamente cara de fabricar lo cual, por ejemplo, podría imposibilitar la inclusión de una disposición de circuito convertidor de potencia de este tipo dentro de las plantas de energía eólica existentes sólo por razones económicas. El documento US 5,652,485 revela una solución simple de conexión de una planta de energía eólica a una rejilla de potencia. Aquí un inversor de cuatro cuadrantes se conecta directamente con sus terminales de tensión alternativa entre la salida del generador y la rejilla de potencia. Una lógica confusa adecuada se utiliza para accionar el inversor de cuatro cuadrantes. No hace falta decir que el inversor de cuatro cuadrantes debe tener una capacidad que corresponda a la salida de potencia máxima del generador y ventajosamente esta capacidad, a fin de asegurar un funcionamiento fiable, incluso debe ser ligeramente más elevada que aquélla del generador. Detalles adicionales sobre el estado de la técnica se revelan en el documento DE 101 05 892, el cual revela una planta de energía eólica y un procedimiento para el funcionamiento de una planta de energía eólica. Entre otras cosas, enseña que el concepto denominado danés es muy popular en las plantas de energía eólica, en donde una máquina asíncrona sin anillo colector sin convertidor está conectada directamente a la tensión de la red eléctrica por medio de una instalación de sincronización o de arranque. En concreto este documento se refiere a una planta de energía eólica en la cual se asegura que durante el funcionamiento normal la potencia sale a un valor umbral previamente definido, mientras en el caso de un cortocircuito en la red eléctrica, si la interrupción es transitoria, la planta de energía eólica permanece en funcionamiento, pero sin liberar energía alguna a la rejilla, y en el caso de una interrupción de la red eléctrica de un plazo más largo se detiene utilizando una desconexión suave. Para conseguir este propósito la planta de energía eólica está provista de un empalme, el cual conecta el generador asíncrono o el generador a la red permitiendo de ese modo una reacción fiable y rápida a los estados cambiantes de la red. Este empalme comprende un convertidor generador, un circuito intermedio y un convertidor de la potencia de la red eléctrica. Para convertir energía adicional la cual no puede ser alimentada en la red eléctrica, a fin de evitar una desconexión por interrupciones transitorias en la red eléctrica o a fin de permitir una desconexión suave en el caso de una interrupción prolongada de la red eléctrica, un limitador de sobretensión transitoria está formado en el circuito intermedio, en el cual ésta es convertida en energía calorífica. El documento DE 101 05 892 revela un sistema convertidor de potencia con una disposición del circuito convertidor de potencia para la vinculación de un generador de tres fases a una rejilla de potencia y un control, en el que la disposición del circuito convertidor de potencia consta de una primera conexión continua de generador a la rejilla de potencia, en donde esta conexión comprende un conmutador en cada fase y una segunda conexión del generador a la rejilla de potencia. El documento DE 196 51 364 revela una disposición para mejorar la compatibilidad de la red de las plantas de energía eólica con generadores asíncronos. En concreto muestra cómo realizar plantas de energía eólica compatibles como suministradores para la rejilla pública. Aquí una instalación electrónicamente controlada está conectada en paralelo a la rejilla pública, instalación la cual incluye un acumulador de energía. Esta instalación es 2 ES 2 367 487 T3 útil para reducir sustancialmente los picos de conmutación que ocurren durante las diversas operaciones de conmutación en la rejilla. El documento WO 03/065567 enseña una disposición de circuito de potencia para utilizarla en una planta de energía eólica así como una disposición de circuito de potencia pensado, en particular, para utilizarlo en una planta de energía eólica con revoluciones variables, la cual comprende un generador asíncrono de doble alimentación, una resistencia adicional y un convertidor. Está provista una disposición de circuito en la cual la resistencia adicional se puede regular por medio de un conmutador rápido de tal modo que el convertidor, en caso de un cortocircuito en la red eléctrica, se puede desconectar temporalmente por lo menos parcialmente, a fin de adoptar la corriente del rotor durante un corto tiempo por medio de la resistencia adicional y, una vez ha disminuido la corriente de cortocircuito del rotor, se puede volver a conectar para acoplar activamente una corriente de cortocircuito dentro de la rejilla. La solución más simple de la conexión de una instalación de energía eólica en una rejilla de potencia es conectar directamente el generador de la planta de energía eólica a la rejilla de potencia. Para este propósito los generadores utilizados preferiblemente deberán ser máquinas asíncronas debido a su resistencia. Una disposición de circuito simple de este tipo, sin embargo, sufre varias desventajas. A bajas velocidades del viento, puesto que las revoluciones del generador se deben mantener constantes, la conexión a la rejilla no es posible debido a la insuficiente energía de salida, o en caso de que sea posible, entonces con un rendimiento considerablemente reducido. Adicionalmente, si esta disposición del circuito se fuera a utilizar, la corrección del factor de potencia, como es requerido por las compañías de servicios públicos, no sería posible para todos los estados de funcionamiento. La presente revelación adicionalmente describe un procedimiento de accionamiento de una disposición de circuito convertidor de potencia para la corrección del factor de potencia en el caso de un cortocircuito en la red eléctrica. En el caso de un cortocircuito en la red eléctrica, cuando la ubicación del cortocircuito esté a una cierta distancia de la ubicación que se va a considerar, generalmente se mantiene una tensión residual. Si esta tensión residual es todavía de un valor que se puede definir el cual depende de los valores especificados por el operario de la red, por ejemplo el 15% de la tensión nominal, una ubicación de alimentación, por ejemplo una planta de energía eólica dispuesta en esa ubicación, debe ser capaz de alimentar potencia reactiva a la rejilla de potencia. Una planta de energía eólica construida como ha sido descrito antes en este documento con una conexión directa del generador a la rejilla no puede cubrir este requisito. Es el... [Seguir leyendo]

1. Un sistema convertidor de potencia que comprende: una disposición de circuito convertidor de potencia para la conexión de un generador de tres fases (20) a una rejilla de potencia (90); y un control en el que la disposición de circuito convertidor de potencia consta de una primera conexión directa del generador (20) a la rejilla de potencia (90), en el que esta conexión, en cada fase (22), comprende un conmutador (30) y una segunda conexión del generador (20) a la rejilla de potencia (90), en el que aquí un inversor de cuatro cuadrantes (100) con, como máximo, la mitad de la potencia nominal del generador (20) está dispuesto de tal modo que el inversor de cuatro cuadrantes (100) consta de un primer convertidor de potencia (50) los tres terminales de tensión alterna (24) del cual están conectados a los tres terminales del generador (20) y los tres terminales de corriente continua (56, 58) del cual están conectados a un circuito intermedio (60) que comprende un condensador (62) y un segundo convertidor de corriente (70) los tres terminales de tensión alterna (26) del cual están conectados a la rejilla de potencia (90) y los terminales de corriente continua (76, 78) del cual están conectados con el circuito intermedio (60) y en el que el control acciona la disposición de circuito de convertidor de potencia de tal modo que la primera conexión directa del generador (20), para velocidades bajas del viento, se desconecta y para velocidades más altas del viento, los conmutadores (30) se cierran, de modo que una corriente puede fluir directamente desde el generador (20) hasta la rejilla de potencia (90) y los convertidores de potencia primero y segundo (50, 70) del inversor de cuatro cuadrantes (100) pueden suministrar potencia reactiva a la rejilla de potencia. 2. El sistema convertidor de potencia que comprende: una disposición de circuito convertidor de potencia para la conexión de un generador de tres fases (20) a una rejilla de potencia (90); y un control en el que la disposición de circuito convertidor de potencia consta de una primera conexión directa del generador (20) a la rejilla de potencia (90), en el que esta conexión, en cada fase, comprende un conmutador (30) y una segunda conexión del generador (20) a la rejilla de potencia (90), en el que aquí un inversor de cuatro cuadrantes (100) con, como máximo, la mitad de la potencia nominal del generador (20) está dispuesto de tal modo que el inversor de cuatro cuadrantes (100) consta de un primer convertidor de potencia (50) los tres terminales de tensión alterna (24) del cual están conectados a los tres terminales del generador (20) y los tres terminales de corriente continua (56, 58) del cual están conectados a un circuito intermedio (60) que comprende un condensador (62) y un segundo convertidor de potencia (70) los tres terminales de tensión alterna (26) del cual están conectados a la rejilla de potencia (90) y los terminales de corriente continua (76, 78) del cual están conectados con el circuito intermedio (60) y en el que el control acciona la disposición de circuito de convertidor de potencia de tal modo que en caso de un cortocircuito en la red eléctrica, en el que la tensión restante de la red eléctrica es igual o mayor del 10% de la tensión nominal, el convertidor de potencia del lado de la red (70) del inversor de cuatro cuadrantes (100), en un primer período de tiempo directamente a continuación del cortocircuito en la red eléctrica, con los conmutadores (30) entre el generador (20) y la rejilla de potencia (90) estando abiertos, alimenta potencia reactiva dentro de la rejilla de potencia a través de sus terminales de tensión alterna (27) por medio de la energía almacenada en el circuito intermedio (60), el convertidor de potencia del lado de la red (70) durante el período de tiempo subsiguiente, también con los conmutadores (30) entre el generador (20) y la rejilla de potencia (90) estando abiertos, arrastra potencia eficaz desde la rejilla de potencia (90) para compensar sus pérdidas internas y suministra potencia reactiva a la rejilla de potencia (90) y el inversor de cuatro cuadrantes (100) en el tercer período de tiempo después de alcanzar el 80% de la tensión nominal con los conmutadores (30) entre el generador (20) y la rejilla de potencia (90) todavía abiertos, controla un arranque de nuevo suave del generador (20) sin cargar la rejilla con potencia reactiva. 3. La disposición de circuito convertidor de potencia según la reivindicación 1 o 2 en el que cada convertidor de potencia (50, 70) consta de tres circuitos de medio puente cada uno comprendiendo un conmutador de potencia superior y uno inferior. 4. La disposición de circuito convertidor de potencia según la reivindicación 3 en el que cada conmutador de potencia consta de uno o de una pluralidad de transistores de potencia (52, 53, 72, 73) con respectivamente uno o una pluralidad de diodos de potencia (54, 55, 74, 75) conmutados en anti paralelo. 5. La disposición de circuito convertidor de potencia según la reivindicación 1 o 2 en el que los conmutadores (30) constan de dos conmutadores de semiconductor de potencia respectivamente, tal como tiristores, conmutados en anti paralelo. 6. Un procedimiento de accionamiento para una disposición de circuito convertidor de potencia para la corrección del factor de potencia en caso de un cortocircuito en la red eléctrica en el que la disposición de circuito de convertidor de potencia está implantado para la conexión de un generador de tres fases (20) a una rejilla de potencia (90) y consta de una primera conexión directa del generador (20) a la rejilla de potencia (90), en el que esta 6 ES 2 367 487 T3 conexión, en cada fase, comprende un conmutador (30) y una segunda conexión del generador (20) a la rejilla de potencia (90), en el que aquí un inversor de cuatro cuadrantes (100) con, como máximo, la mitad de la potencia nominal del generador (20) está dispuesto de tal modo que el inversor de cuatro cuadrantes (100) consta de un primer convertidor de potencia (50) los tres terminales de tensión alterna (24) del cual están conectados a los tres terminales del generador (20) y los tres terminales de corriente continua (56, 58) del cual están conectados a un circuito intermedio (60) que comprende un condensador (62) y un segundo convertidor de potencia (70) los tres terminales de tensión alterna (26) del cual están conectados a la rejilla de potencia (90) y los terminales de corriente continua (76, 78) del cual están conectados con el circuito intermedio (60) y la tensión restante de la red eléctrica es igual o mayor que el 10% de la tensión nominal, de tal modo que en un primer período de tiempo a continuación del cortocircuito en la red eléctrica, en el que los conmutadores (30) están todavía abiertos o se abren debido al cortocircuito en la red eléctrica, el convertidor de potencia del lado de la red (70), a través de sus terminales de tensión alterna (24, 26), descarga potencia reactiva dentro de la rejilla de potencia desde la energía almacenada en el circuito intermedio (60), en un segundo período de tiempo con los conmutadores (30) todavía abiertos el convertidor de potencia (70) alimenta potencia reactiva de vuelta dentro de la rejilla de potencia (90) y en un tercer período de tiempo con los conmutadores (30) abiertos, el inversor de cuatro cuadrantes entero (100) controla el arranque de nuevo suave del generador (20) mientras mantiene la carga en la rejilla a través de la potencia reactiva a un mínimo, o la evita, y el generador a continuación, conectado tanto a través del inversor de cuatro cuadrantes (100) como antes o directamente, suministra energía adicional a la rejilla de potencia (90). 7. El procedimiento de accionamiento según la reivindicación 6 en el que durante el primer período de tiempo los conmutadores de potencia de los convertidores de potencia (50, 70) son cargados más allá de su carga nominal, en tanto en cuanto no exista peligro de que los conmutadores de potencia se destruyan. 8. El procedimiento de accionamiento según la reivindicación 6 o 7 en el que el primer período de tiempo es directamente después del cortocircuito en la red eléctrica. 9. Un procedimiento para el accionamiento de una disposición de circuito convertidor de potencia para la conexión de un generador de tres fases (20) de una planta de energía eólica a una rejilla de potencia (90) que consta de una primera conexión directa del generador (20) a la rejilla de potencia (90), en el que esta conexión, en cada fase (22), comprende un conmutador (30) y una segunda conexión del generador (20) a la rejilla de potencia (90), en el que aquí un inversor de cuatro cuadrantes (100) con, como máximo, la mitad de la potencia nominal del generador (20) está dispuesto de tal modo que el inversor de cuatro cuadrantes (100) consta de un primer convertidor de potencia (50) los tres terminales de tensión alterna (24) del cual están conectados a los tres terminales del generador (20) y los terminales de corriente continua (56, 58) del cual están conectados a un circuito intermedio (60) que comprende un condensador (62) y un segundo convertidor de potencia (70) los tres terminales de tensión alterna (26) del cual están conectados con el circuito intermedio (60) y la disposición de circuito convertidor de potencia es accionada de tal modo que la primera conexión directa del generador (20) a la rejilla de potencia (90), para velocidades bajas del viento, se desconecta y que para velocidades más altas del viento, los conmutadores (30) se cierran, de tal modo que una corriente puede fluir directamente desde el generador (20) hasta la rejilla de potencia (90) y los convertidores de potencia primero y segundo (50,70) del inversor de cuatro cuadrantes (100) suministra potencia activa a la rejilla de potencia (90). 7 ES 2 367 487 T3 8