Procedimiento para controlar un generador de turbina eólica de velocidad variable (11) conectado a un convertidorde potencia (13) que comprende interruptores (52,

53), comprendiendo dicho generador un estator y un conjunto determinales conectados a dicho estator y a dichos interruptores, comprendiendo dicho procedimiento:

determinar un valor de flujo de estator de referencia correspondiente a un generador (11) de potencia de unamagnitud deseada,

determinar un valor de flujo de estator estimado correspondiente a una potencia del generador (11) real,determinar un valor de diferencia de flujo del estator entre el valor de referencia del flujo del estator determinado y elvalor de flujo del estator estimado, y

operar dichos interruptores (52, 53) según un esquema de modulación del vector de espacio para controlar un patrónde conmutación de dichos interruptores (52, 53), donde dicho patrón de conmutación está formado por la aplicaciónde uno o más vectores durante uno o más períodos de conmutación, y dichos períodos de conmutación para elpatrón de conmutación se determinan a partir de la magnitud y dirección del vector de diferencia del flujo del estatorpara adaptar al menos una cantidad eléctrica de un estator para obtener la magnitud de potencia de dicho generador(11) deseado.

Control de potencia directa y del vector de flujo del estator de un generador para un sistema de conversión de energía eólica

Campo técnico

La presente invención se refiere, en general, a convertidores de potencia, y más específicamente a convertidores de potencia que pueden conectarse a generadores de turbina eólica (WTG) que operan a velocidades variables, proporcionando así una tensión y una corriente con una amplitud y una frecuencia variables.

Antecedentes de la invención

El viento ha sido utilizado durante mucho tiempo como fuente de energía y, en los años recientes se ha vuelto muy común utilizar el viento para producir potencia eléctrica. Con el fin de hacer esto, la energía del viento es capturada por un conjunto de palas (normalmente dos o tres) de una planta de energía eólica. El viento capturado por las palas hace que un eje conectado a las palas gire. El eje está conectado a un rotor de un generador, que, por lo tanto, gira a la misma velocidad que el eje, o a un múltiplo de la velocidad del eje en caso de que el rotor esté conectado al eje a través de una caja de engranajes. A continuación, el generador convierte la potencia mecánica proporcionada por el viento en potencia eléctrica para su suministro a una red.

Para optimizar la eficiencia de un generador de turbina eólica, se prefiere el uso de un generador de velocidad variable, en el que la velocidad de las palas y, por lo tanto, la velocidad del eje, dependerá de la velocidad del viento. Esto implica que debe establecerse un punto de funcionamiento óptimo para el WTG a velocidades de viento diferentes. Esto se realiza mediante el control del par y la potencia activa (real) suministrada por el generador.

El propósito principal de un WTG es suministrar potencia activa. La potencia activa es el componente de la potencia eléctrica total o aparente que realiza un trabajo y se mide en vatios. El sistema de control en un WTG controlará la potencia activa extraída del WTG para realizar el seguimiento del punto de velocidad de funcionamiento óptimo para el WTG, utilizando el control de par o el control de potencia.

Cuando se utiliza el control de potencia, un comando de potencia basado en una estimación de la potencia en el viento se suministra al sistema de control. Este valor comandado se compara con la potencia de salida del WTG real y se controla la diferencia.

Cuando se utiliza el control de par, un comando de par sobre la base de un par disponible desde el eje se suministra al sistema de control. Este valor comandado se compara con el par del generador real y se controla la diferencia.

La potencia reactiva, medida en voltios-amperios, establece y sostiene los campos eléctricos y magnéticos de máquinas de corriente alterna. La potencia aparente, medida en voltios-amperios, es la suma vectorial de las potencias activa y reactiva. Los sistemas de control de WTG modernos pueden controlar tanto la potencia activa como la reactivaalared.

Un primer tipo de sistemas de control para WTG se relaciona con el control independiente de (normalmente) tres tensiones sinusoidales espacialmente desplazadas 120º de las tres fases del estator del generador. La generación de las ondas sinusoidales se basa en las propiedades del generador, es decir, un modelo equivalente para el generador cuando se opera en condiciones de régimen permanente se deriva de las características eléctricas y mecánicas del generador, en el que el sistema de control está diseñado basándose en el tipo de generador utilizado (por ejemplo, asíncrono o síncrono) .

La generación de una de las ondas sinusoidales en el sistema trifásico se realiza normalmente de forma independiente de las otras ondas sinusoidales, es decir, este tipo de sistemas de control opera como un sistema de tres controles de un sistema de fase única separada en lugar que como un control común de tres fases. Este hecho resulta en que cualquier desequilibrio en el sistema de tres fases o cualquier interacción entre las fases no se considerará en este tipo de control. Por otra parte, es evidente que el modelo de generador sólo será válido durante el funcionamiento en estado estable del generador. Durante la operación transitoria del generador (inicio, parada, cambios de carga, etc.) el control permitirá, por lo tanto, un pico alto de tensión y corriente transitoria. Esto resulta en una eficiencia de conversión de potencia disminuida, así como en una necesidad de sobredimensionar los componentes eléctricos del sistema de WTG para hacer frente a corrientes de sobretensión transitoria y tensiones.

Para superar los inconvenientes de la estructura de control anterior, se han introducido una estructura de control alternativa generalmente llamada control orientado de campo (FOC) . La idea principal detrás del FOC es el control de las corrientes del estator del generador mediante el uso de una representación vectorial de las corrientes. Más específicamente, el FOC se basa en la transformación de coordenadas que transforman un tiempo de tres fases y un sistema dependiente de la velocidad en un sistema invariante de tiempo de dos coordenadas.

La ventaja de realizar una transformación a partir de un sistema de coordenadas estacionarias de tres fases a un sistema de coordenadas de rotación es que el control del generador se puede realizar mediante el control de las

cantidades de CC y la respuesta a los transitorios se mejora respecto a la que se consigue con el control independiente de las tres fases.

La transformación del FOC se realiza en dos etapas: 1) transformación del sistema de coordenadas estacionario de tres fases abc a uno de dos fases, llamado sistema de coordenadas estacionario αβ (conocido como transformación de Clarke) , y 2) transformación del sistema de coordenadas estacionario αβ a un sistema de coordenadas de rotación dq (conocido como transformación de Park) . Más específicamente, la transformación del marco de referencia abc natural al marco de referencia dq síncrono se obtiene por las ecuaciones

y

lo que proporciona

donde θ = ωt es el ángulo entre el eje α estacionario y el eje d sincrónico.

El control de un generador mediante el FOC requiere un componente de flujo alineado con el eje d. Tal como se ha explicado anteriormente, los componentes orientados d y q son transformaciones del sistema de coordenadas de tres fases estacionario que implica que el FOC, debido al acoplamiento directo a las cantidades eléctricas de tres fases, se encargará del estado estacionario y de la operación transitoria del sistema con independencia del modelo generador.

Una ventaja del FOC es que el control de los parámetros en unas coordenadas giratorias teóricamente permite un control desacoplado entre los parámetros. Por lo tanto, con la amplitud del flujo del rotor controlada en un valor fijo y la relación lineal entre el par y el componente del par iq del estator es posible lograr un control satisfactorio desacoplado del control de potencia de salida del WTG.

El documento US5083039 divulga una turbina eólica de velocidad variable que comprende un rotor de turbina que acciona un generador de múltiples fases, un convertidor de potencia con interruptores que controlan magnitudes eléctricas del estator en cada fase del generador, un dispositivo de mando de par asociado con sensores de parámetros de la turbina que genera una señal de referencia de par indicativa de un par deseado, y un controlador de generador operativo bajo el control de la orientación de campo y sensible a la señal de referencia de par para definir una corriente de eje de cuadratura deseada y para controlar los interruptores para producir cantidades eléctricas del estator que correspondan al eje de cuadratura de corriente deseada.

El control de potencia del generador basado en el FOC también se describe en otros documentos, por ejemplo los documentos JP 2002276533, GB 2411252, US 6420795 y US 2007278797.

A pesar de las ventajas con el FOC descrito anteriormente, existen deficiencias de los controladores convencionales con los que la industria ha vivido. Estas incluyen, por ejemplo (a) una dificultad para mantener el correcto desacoplamiento entre el flujo y el par que producen componentes de las corrientes del estator durante el estado de equilibrio y dinámica, (b) el control de las corrientes que utilizan controladores... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para controlar un generador de turbina eólica de velocidad variable (11) conectado a un convertidor de potencia (13) que comprende interruptores (52, 53) , comprendiendo dicho generador un estator y un conjunto de terminales conectados a dicho estator y a dichos interruptores, comprendiendo dicho procedimiento:

determinar un valor de flujo de estator de referencia correspondiente a un generador (11) de potencia de una magnitud deseada,

determinar un valor de flujo de estator estimado correspondiente a una potencia del generador (11) real,

determinar un valor de diferencia de flujo del estator entre el valor de referencia del flujo del estator determinado y el valor de flujo del estator estimado, y

operar dichos interruptores (52, 53) según un esquema de modulación del vector de espacio para controlar un patrón de conmutación de dichos interruptores (52, 53) , donde dicho patrón de conmutación está formado por la aplicación de uno o más vectores durante uno o más períodos de conmutación, y dichos períodos de conmutación para el patrón de conmutación se determinan a partir de la magnitud y dirección del vector de diferencia del flujo del estator para adaptar al menos una cantidad eléctrica de un estator para obtener la magnitud de potencia de dicho generador

(11) deseado.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que se determina un vector de diferencia de flujo del estator con una magnitud y dirección por medio de la diferencia entre el valor de referencia del vector de flujo del estator y el valor estimado del vector del flujo del estator, y dichos interruptores (52, 53) funcionan en base a dicho vector de diferencia de flujo del estator.

3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que dicho interruptores (52, 53) funcionan de acuerdo con un esquema de modulación de impulsos en anchura para generar una forma de onda de tensión sintetizada en los terminales del estator.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que los interruptores (52, 53) comprenden un primer y un segundo conjunto de interruptores (52, 53) y el primer conjunto de interruptores funciona hacia un estado de encendido durante un primer intervalo de tiempo, !a, y el segundo conjunto de interruptores hacia un estado de encendido durante un segundo intervalo de tiempo, !b.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que los intervalos de tiempo primero y segundo se determinan de acuerdo con

6. Aparato para controlar un generador de turbina eólica de velocidad variable (11) conectado a un convertidor de potencia (13) que comprende interruptores (52, 53) , comprendiendo dicho generador (11) un estator y un conjunto de terminales conectados a dicho estator y a dichos interruptores, comprendiendo dicho aparato:

un controlador de potencia (79) adaptado para determinar un valor de referencia del flujo de estator correspondiente a una potencia de generador (11) de una magnitud deseada,

un estimador de flujo (78) adaptado para determinar un valor estimado de flujo de estator correspondiente a una potencia real del generador,

un comparador adaptado para determinar un valor de diferencia del flujo del estator entre el valor de referencia determinado del flujo del estator y el valor estimado de flujo del estator, y

una unidad de control del interruptor (72) adaptada para operar dichos interruptores (52, 53) según un esquema de modulación de vector de espacio para controlar un patrón de conmutación de dichos interruptores (52, 53) , en donde dicha unidad de control del interruptor (72) está adaptada para determinar los períodos de conmutación para el patrón de conmutación a partir de la magnitud y la dirección del vector de diferencia de flujo del estator para adaptar al menos una magnitud eléctrica del estator para obtener dicha magnitud deseada de potencia del generador.

7. Aparato según la reivindicación 6, en el que el comparador está adaptado para establecer, a partir de una

diferencia entre el valor de referencia de flujo del estator y el valor estimado del flujo del estator, un vector de diferencia del flujo del estator con una magnitud y dirección y funcionando dichos interruptores en base a dicho vector de diferencia del flujo del estator.

8. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 7, en el que dicha unidad de control del interruptor (72) está

adaptada para operar los interruptores (52, 53) de acuerdo con un esquema de modulación de ancho de impulsos para generar una forma de onda de tensión sintetizada en los terminales del estator.

9. Aparato según la reivindicación 6, en el que la unidad de control del interruptor (72) está adaptada para establecer un patrón de conmutación al proporcionar señales de control que operan un primer conjunto de los interruptores hacia un estado de encendido durante un primer intervalo de tiempo, !a, y un segundo conjunto de los interruptores

hacia un estado de encendido durante un segundo intervalo de tiempo, !b.

10. Aparato según la reivindicación 9, en el que la unidad de control del interruptor (72) está adaptada para determinar los intervalos de tiempo primero y segundo según

11. Producto de programa de ordenador que puede cargarse directamente en la memoria de un dispositivo

electrónico que tiene capacidades de computación digital, que comprende porciones de código de software para realizar las etapas de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, cuando dicho producto se ejecuta mediante dicho dispositivo electrónico.