Sistema de potencia con capacidad puentear a baja tensión que comprende una fuente primaria de potencia;

un generador (17) que convierte dicha fuente primaria de potencia en potencia eléctrica; un inversor (23) que condicione al menos una parte de dicha potencia eléctrica que al voltaje y la corriente a una frecuencia y ángulo de fase adecuados para su transmisión a una red CA (7) del equipo en el cual dicha red de equipo es un sistema multifase; un sensor (8) que detecta la frecuencia y el ángulo de fase del voltaje sobre una fase de dicho red del equipo (7) durante un fallo de dicho equipo; y un sistema de control (24) para dicho inversor (23) que controla dicho inversor (23) para sintetizar plantillas de forma de onda de corriente para las fases de dicho red de equipos CA (7) en base a dicha frecuencia detectada y dicho ángulo de fase de dicha una fase para proporcionar corriente a dicha red (7) a una frecuencia y ángulo de fase que se basan en dicha frecuencia de voltaje detectada y dicho ángulo de fase y dichas plantillas de forma de onda de corriente para suministrar corriente eléctrica a dichas fases de dicha red de equipos CA durante dicha condición de fallo

Antecedentes de la invención

La invención se refiere a generadores con inversores regulados por corriente, incluyendo turbinas eólicas y de corriente de agua, y más en particular a turbinas eólicas de velocidad variable que emplean generadores multifase que utilizan sistemas de conversión de plena potencia con capacidad de puentear fallos de equipo.

La aplicación de sistemas de generación eólicos en el pasado se ha realizado a pequeña escala en comparación con la capacidad de generación total del equipo eléctrica. Un término utilizado frecuentemente para describir la cantidad relativa de potencia eólica generada es el de “penetración”. La penetración es la tasa de potencia eólica generada respecto al total de potencia generada disponible. Incluso en aquellos estados en los que la potencia eólica generada es máxima, los niveles de penetración son de alrededor del 1% o inferiores. Aunque esto es una cantidad relativamente pequeña de potencia, y las reglas que gobiernan el funcionamiento de las turbinas reflejan esta pequeña penetración, está claro que las reglas de funcionamiento están cambiando. Esto es un anticipo de futuros niveles substancialmente más altos de penetración. Un principio operativo que está siendo sometido a revisión es cómo reacciona una turbina eólica a un fallo en el sistema de transmisión de equipo (o subtransmisión) al que se encuentra interconectada la turbina eólica. Un fallo se define como una perturbación de equipo que da como resultado una caída significativa de voltaje en el sistema de transmisión de equipo durante un periodo corto (típicamente inferior a 500 ms). Los fallos pueden estar ocasionados por la conexión inadvertida a tierra de al menos un conductor de fase (un fallo a tierra), o la conexión inadvertida, o el cortocircuito, de conductores de múltiples fases. Estos tipos de fallos tienen lugar durante tormentas eléctricas y de viento, o cuando una línea de transmisión se ve involucrada en un accidente de un vehículo, por ejemplo. Un reducción significativa de voltaje puede ocurrir asimismo cuando tiene lugar un gran cambio en la carga eléctrica o en la generación eléctrica en la proximidad del sistema de transmisión de equipo. Ejemplos de este tipo de eventos podrían incluir la brusca desconexión de una gran planta de potencia, o la súbita conexión de una gran carga, tal como una planta de laminación de acero. Este tipo de eventos de reducción de voltaje no se denominan típicamente como fallos en la terminología de equipo, aunque para el propósito de esta descripción, el término “fallo” pretende cubrir tales eventos de reducción de voltaje. El término “fallo” como se utiliza aquí pretende cubrir cualquier evento en el sistema de equipo que cree un reducción o aumento momentáneo en el voltaje de una o más fases. En el pasado, bajo estos fallos inadvertidos y grandes circunstancias de perturbación de potencia, ha sido aceptable y deseable la desconexión de una turbina eólica en el momento en que tuviera lugar la reducción de voltaje. Obrar de este modo no tiene un efecto perjudicial real en el suministro de electricidad cuando la penetración es baja. Sin embargo, esta regla de operación se encuentra bajo revisión, y ahora es deseable que una turbina eólica permanezca en línea y tolere tal condición de bajo voltaje. Este nuevo modo de funcionamiento es similar a los requerimientos aplicados a fuentes de generación tradicionales, tales como plantas de generación síncronas alimentadas por combustible fósil. La razón para este requerimiento es sencilla; si la potencia eólica generada tiene una alto nivel de penetración, y tiene lugar un fallo momentáneo, la caída de una cantidad significativa de potencia eólica generada (como se requería bajo las reglas de funcionamiento antiguas) podría provocar problemas de estabilidad mucho más serios, tales como oscilaciones de frecuencia, o grandes inestabilidades a lo ancho del sistema en los sistemas de generación. Éstas son condiciones de fallo muy extensivas y pueden conducir a la perturbación de la potencia en grandes regiones, afectando a grandes cantidades de clientes de equipo. El uso de turbinas eólicas de velocidad variable para generar potencia eléctrica presenta muchas ventajas, que incluyen una eficiencia de pala mayor que para las turbinas eólicas de velocidad constante, control de la potencia reactiva-VARs y del factor de potencia, y mitigación de las cargas mecánicas sobre la transmisión de la turbina. Los requerimientos de suministro ininterrumpido de bajo voltaje descritos anteriormente, denominados a menudo como tolerancia fallos de equipo, se abordan más fácilmente asimismo utilizando cierta tecnología de turbina eólica de velocidad variable, como se divulgará aquí. Al considerar turbinas eólicas de velocidad variable, es importante examinar dos clases de convertidores de potencia que se utilizan y que podrían ser utilizados por la función de puentear fallos de equipo.

Una turbina eólica de velocidad variable del estado de la técnica anterior utiliza un sistema de conversión total para rectificar completamente la totalidad de la potencia de salida de la turbina eólica. Esto es, la turbina eólica, funcionando a una frecuencia y voltaje variables, convierte esta potencia en una frecuencia y voltaje fijos que corresponden a los de equipo. Un ejemplo de este tipo de sistemas se divulga en el documento de patente US 5.083.039, que comprende un rotor de turbina que acciona una pareja de generadores CA de inducción de jaula de ardilla con dos convertidores de potencia respectivos, que convierten la salida del generador a un nivel de voltaje CC fijo. El bus CC de este sistema se acopla a continuación al inversor de equipo y la potencia se invierte a una frecuencia fija, y se suministra de nuevo al equipo. El sistema de control del generador en la patente 5.083.039 utiliza principios de orientación de campo para controlar el par y utiliza procedimientos de control por potencia reactiva para controlar el inversor de equipo. Aunque la generación en esta turbina requiere sólo un flujo de potencia unidireccional, se requiere inherentemente un convertidor bidireccional, ya que los generadores de inducción necesitan ser excitados desde el bus CC. El bus CC en este sistema se controla desde la porción de inversor de equipo del sistema de conversión, y el control del bus CC es difícil cuando el voltaje de equipo cae sustancialmente.

Un segundo ejemplo de un sistema de conversión total se divulga en la solicitud de patente norteamericana US 10/773.851, y la solicitud de patente europea correspondiente de 5 de enero de 2005. Este sistema utiliza generadores síncronos junto con un rectificador pasivo y un inversor de equipo activo para convertir una frecuencia y voltaje de generador variables a una frecuencia y voltaje compatibles con el equipo. Este sistema es inherentemente unidireccional en su capacidad para trasladar potencia del generador al equipo. Una ventaja de este sistema es que el bus CC se controla desde el lado del generador del sistema de conversión de potencia, y el control del bus es sencillo durante los periodos de bajos voltajes de equipo.

Los documentos de patente US 6.137.187 y US 6.420.795 describen un sistema de conversión parcial y velocidad variable para su uso con turbinas eólicas. El sistema comprende un generador de inducción de rotor bobinado, un controlador de par y un controlador de ángulo de paso proporcional integral derivativo (PID). El controlador de par controla el par del generador utilizando control orientado a campo y el controlador PID realiza la regulación del ángulo de paso en base a la velocidad del rotor del generador. Al igual que la patente 5.083.39, el flujo de potencia es bidireccional en el rotor del generador y se utiliza un rectificador activo para el proceso de conversión. El convertidor utilizado en este sistema está limitado a sólo una porción del régimen total de la turbina, dependiendo la limitación del deslizamiento del generador deseado máximo en el diseño de la turbina. El convertidor controla la corriente y frecuencia en el circuito del rotor sólo con una conexión eléctrica directa entre el estator del generador y el equipo. Además de controlar el par, el convertidor es capaz de controlar la potencia reactiva del sistema o factor de potencia. Esto se consigue infraexcitando o sobreexcitando el circuito del rotor del generador junto a su eje de magnetización. El convertidor se conecta en paralelo a la conexión del estator/equipo, y sólo maneja la entrada y salida de potencia del rotor. Este sistema es difícil de controlar en el caso de una caída brusca en el voltaje de equipo. Esto es debido a que el bus CC del convertidor... [Seguir leyendo]

1. Sistema de potencia con capacidad puentear a baja tensión que comprende

una fuente primaria de potencia;

un generador (17) que convierte dicha fuente primaria de potencia en potencia eléctrica;

un inversor (23) que condicione al menos una parte de dicha potencia eléctrica que al voltaje y la corriente a una frecuencia y ángulo de fase adecuados para su transmisión a una red CA (7) del equipo en el cual dicha red de equipo es un sistema multifase;

un sensor (8) que detecta la frecuencia y el ángulo de fase del voltaje sobre una fase de dicho red del equipo (7) durante un fallo de dicho equipo; y

un sistema de control (24) para dicho inversor (23) que controla dicho inversor (23) para sintetizar plantillas de forma de onda de corriente para las fases de dicho red de equipos CA (7) en base a dicha frecuencia detectada y dicho ángulo de fase de dicha una fase para proporcionar corriente a dicha red (7) a una frecuencia y ángulo de fase que se basan en dicha frecuencia de voltaje detectada y dicho ángulo de fase y dichas plantillas de forma de onda de corriente para suministrar corriente eléctrica a dichas fases de dicha red de equipos CA durante dicha condición de fallo.

2. Sistema de potencia según la reivindicación 1, en el cual dicho generador (17) es un generador síncrono y que comprende, además, un rectificador (19) para convertir potencia CA de dicho generador en potencia CC.

3. Sistema de potencia según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el cual dicho sistema de potencia es una turbina eólica (3) y en el cual dicha fuente primaria de potencia es una potencia en el viento y que comprende, además, un rotor (15) de turbina eólica para convertir la potencia en el viento en potencia rotacional;

4. Sistema de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual dicho sensor (8) detecta la frecuencia y ángulo de fase del voltaje en una fase de dicha red de equipos multifase durante un fallo en dicho equipo (7).

5. Sistema de potencia según la reivindicación 4, en el cual dicho sensor (8) selecciona una fase en la cual detecta la frecuencia y el ángulo de fase del voltaje.

6. Sistema de potencia según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el cual dicho sistema de control (24) controla dicho inversor (23) para proporcionar corriente a dicha red (7) a sustancialmente la misma magnitud que la proporcionada inmediatamente antes de dicho fallo en dicho equipo.

7. Sistema de potencia según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el cual dicho sistema de control (24) se implementa en hardware como un circuito analógico o circuito de sincronización de fase o se implementa mediante software en un microprocesador.

8. Sistema de potencia según la reivindicación 3, en el cual dicha turbina (3) está conectada a dicha red de equipos

(7) a un voltaje de nivel de distribución.

9. Sistema de potencia según la reivindicación 1, en el cual dicho sistema de potencia es uno de una pluralidad de sistemas de potencia en el cual dicha pluralidad de sistemas de potencia están conectados a dicha red de equipos

(7) a través de una subestación común a un voltaje de nivel de subtransmisión o a un voltaje de nivel de transmisión.