Método y sistema para operar un aerogenerador.

La presente invención se aplica a turbinas eólicas equipadas con generadores asíncronos doblemente alimentados y con al menos un convertidor de potencia con la novedad de que permite,

bajo determinadas circunstancias, la operación de la turbina como un sistema FC, como DFIG o como Asíncrono (AS), lo que redunda en una mayor disponibilidad de la turbina.

Método y sistema para operar un aerogenerador.

Objeto de la invención

La presente invención se aplica a turbinas eólicas equipadas con generadores asíncronos doblemente alimentados y con al menos un convertidor de potencia con la novedad de que permite, bajo determinadas circunstancias, la operación de la turbina como un sistema Full Converter (FC), como doblemente alimentado (DFIG) o como asíncrono (AS), lo que redunda en una mayor disponibilidad de la turbina.

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 del 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 sistema (entendiendo por sistema el conjunto de generador, convertidor de potencia y elementos de maniobra), se le conoce como doblemente alimentado (DFIG - Doubly Fed Induction Generator), ya que precisan de un convertidor de potencia encargado de gestionar la energía de los devanados rotóricos. Este sistema presenta la ventaja de mayor eficiencia energética y menores esfuerzos mecánicos por lo que se ha convertido en uno de los sistemas dominantes.

Con el mismo objetivo aparecieron las turbinas eólicas de velocidad variable con generadores aislados de la red mediante un convertidor de potencia conectado al estátor del generador, que permite entregar a la red la potencia generada por la turbina. A este tipo de sistema se le conoce como Full Converter (FC), ya que precisan de un convertidor de potencia encargado de gestionar la energía de los devanados estatóricos.

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.

La presente invención se aplica a turbinas eólicas equipadas con generadores asíncronos doblemente alimentados y con al menos un convertidor de potencia con la novedad de que permite, bajo determinadas circunstancias, la operación de la turbina como un sistema FC, como DFIG o como Asíncrono (AS), lo que redunda en una mayor disponibilidad de la turbina.

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 soluciona la problemática anterior al proporcionar tolerancia ante anomalías en el convertidor de potencia y otros componentes del sistema de forma que permite una selección entre los modos de operación FC, DFIG o AS.

En el estado del arte actual encontramos invenciones cuya finalidad es evitar la pérdida de disponibilidad en las turbinas eólicas debida a fallos de funcionamiento en los componentes del sistema, 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 solicitud de patente US20060214428A1 (Jens Altemark, et al., Repower Systems AG) describe un método para conectar en paralelo convertidores de potencia de manera que ante un fallo de uno de ellos los demás puedan seguir funcionando evitando así la parada de la turbina eólica, funcionando siempre en modo DFIG.

La solicitud de 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 funcionando siempre en modo FC, de este modo, si uno de los convertidores falla se sigue generando potencia pero nunca se alcanzará la potencia nominal.

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

La solicitud de patente US20070024059A1 (John Douglas D'Atre, et al. General Electric Company) 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, 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 patente US7012409B2 (SEMIKRON) describe un sistema en el que a través de un convertidor de potencia auxiliar es posible, ante contingencias de la red, controlar la potencia reactiva aportada y consumida de la red.

La solicitud de patente WO2008/026973A1 (Gertmar et al., ABB) describe un método de operación en el que el generador asíncrono se conecta directamente a la red, o a través de un convertidor de potencia, con el objetivo de optimizar la producción para diferentes velocidades de giro.

Actualmente, aquellos fallos en el aerogenerador que provocan un comportamiento anómalo del convertidor de potencia implican la pérdida, total o parcial, de generación de energía hasta que sea solventado el fallo.

La presente invención evita colocar convertidores de potencia redundantes, y asegura modos de operación alternativos para seguir generando hasta el 100% de la potencia nominal.

Descripción de la invención

Para conseguir los objetivos y resolver los inconvenientes anteriormente indicados, la invención consiste en un nuevo sistema de generación eléctrica diseñado de tal manera que permite el cambio entre los modos de operación FC, DFIG, y AS, permitiendo, en una realización preferida, funcionar hasta el 100 por 100 de la potencia nominal en alguno de los diferentes modos de operación en que puede funcionar sin que éste tenga elementos redundantes.

Se entiende por potencia nominal, la potencia característica máxima de cada uno de los modos de operación (FC - DFIG - AS).

Además son conocidos los siguientes modos de operación:

- modo de operación FC, en el que se cortocircuita el bobinado del rotor del generador y el estátor se conecta a la red a través de al menos un convertidor de potencia;

- modo de operación DFIG, en el que el bobinado del rotor del generador se conecta a la red a través de al menos un convertidor de potencia y el estátor se conecta directamente a la red;

- modo de operación AS, en el que se cortocircuita el bobinado del rotor del generador y el estátor se conecta directamente a la red.

Se entiende como falta de operatividad parcial cualquier fallo de al menos un componente del sistema que impida funcionar generando el 100 por 100 de la potencia nominal en un modo de operación. La solución propuesta en esta invención permite generar hasta el 100 por 100 de la potencia nominal en al menos uno de los otros dos modos de operación.

En una realización preferida de la invención, las condiciones de entrada y salida a cada uno de los modos de operación son:

- falta de operatividad parcial del sistema,

- falta de operatividad total de los convertidores de potencia del sistema,

- especificación del operador de red eléctrica,

- especificación del controlador general de parque eólico,

- criterios de optimización de rendimiento.

- reserva de potencia activa requerida por el controlador de la turbina eólica,

- aumento de disponibilidad durante labores de mantenimiento,

- o cualquier combinación...

1. Método para operar un aerogenerador que incluye al menos un generador asíncrono de rotor bobinado con al menos un estátor eléctricamente independiente; al menos un convertidor de potencia con capacidad de controlar las corrientes del generador seleccionadas entre rotóricas, estatóricas y combinación de las mismas en amplitud, frecuencia y fase; caracterizado porque comprende operar el sistema según un modo de operación seleccionado entre Full Converter (FC), doblemente alimentado (DFIG), y asíncrono (AS), mediante un conjunto de elementos de maniobra.

2. Método para operar un aerogenerador según reivindicación 1, caracterizado porque comprende las siguientes fases:

- detectar unas condiciones de salida del modo de operación actual,

- detectar unas condiciones de entrada a al menos un modo de operación distinto del modo de operación actual,

- seleccionar el modo de operación distinto del modo de operación actual,

- funcionar en el modo de operación seleccionado, actuando sobre unos elementos de maniobra.

3. Método para operar un aerogenerador según reivindicación 1, caracterizado porque el cambio del modo de operación FC al modo de operación DFIG comprende las siguientes fases:

- detectar al menos una condición de salida del modo FC,

- detectar las condiciones de entrada al modo DFIG,

- desconectar el estátor del generador de los convertidores de potencia a los que esté conectado, desconectar los convertidores de potencia de la red, desconectar el cortocircuito de rotor, y conectar el rotor del generador a al menos un convertidor de potencia que no esté en situación de falta de operatividad parcial, actuando sobre unos elementos de maniobra, para funcionar en modo DFIG,

- operar el generador en modo DFIG realizando las adaptaciones necesarias para el modo DFIG, para acoplar el generador a la red y generar potencia,

- conectar el estátor a la red para generar potencia,

- detectar las condiciones de entrada al modo FC y activación de dicho modo cuando se cumplan las mismas.

4. Método para operar un aerogenerador según reivindicación 1, caracterizado porque el cambio del modo de operación FC a AS comprende las siguientes fases:

- detectar al menos una condición de salida del modo FC,

- detectar las condiciones de entrada al modo AS,

- desconectar, el estátor del generador de los convertidores de potencia a los que esté conectado y desconectar los convertidores de potencia de la red, actuando sobre unos elementos de maniobra,

- operar el generador en modo AS realizando las adaptaciones necesarias para el modo AS, para acoplar el generador a la red y generar potencia,

- conectar el estátor a la red para generar potencia,

- detectar las condiciones de entrada al modo seleccionado entre DFIG y FC, y activación del modo seleccionado cuando se cumplan las mismas.

5. Método para operar un aerogenerador según reivindicación 1, caracterizado porque el cambio del modo de operación DFIG a AS comprende las siguientes fases:

- detectar al menos una condición de salida del modo DFIG,

- detectar las condiciones de entrada al modo AS,

- desconectar el estátor del generador de la red, desconectar los convertidores de potencia del rotor del generador y de la red, actuando sobre unos elementos de maniobra, para funcionar en modo AS,

- cortocircuitar el rotor del generador, actuando sobre unos elementos de maniobra,

- operar el generador en modo AS realizando las adaptaciones necesarias para el modo AS, para acoplar el generador a la red y generar potencia,

- conectar el estátor a la red para generar potencia,

- detectar las condiciones de entrada al modo seleccionado entre DFIG y FC, y activación del modo seleccionado cuando se cumplan las mismas.

6. Método para operar un aerogenerador, según reivindicación 1, caracterizado porgue comprende controlar la resistencia rotórica cortocircuitando el rotor del generador.

7. Método para operar un aerogenerador, según reivindicación 1, caracterizado porque comprende,

- seleccionar los convertidores de potencia destinados al control del generador, y

- seleccionar los convertidores de potencia, o sus componentes; que no están encargados del control del generador, y que están destinados a la generación de potencia reactiva que se inyecta directamente a la red.

8. Método para operar un aerogenerador, según reivindicación 2, caracterizado porque las condiciones de entrada y salida están seleccionadas entre:

- falta de operatividad parcial del sistema.

- falta de operatividad total de los convertidores de potencia del sistema,

- especificación del operador de red eléctrica,

- especificación del controlador general del parque eólico,

- criterios de optimización de rendimiento,

- reserva de potencia activa requerida por el controlador de la turbina eólica,

- aumento de disponibilidad durante labores de mantenimiento,

- cualquier combinación de las anteriores.

9. Sistema para operar un aerogenerador, que incluye al menos un generador asíncrono de rotor bobinado con al menos un estátor eléctricamente independiente; al menos un convertidor de potencia con capacidad de controlar las corrientes del generador seleccionadas entre rotóricas, estatóricas y combinación de las mismas en amplitud, frecuencia y fase; caracterizado porque comprende:

- elementos de maniobra de conexión/desconexión de los convertidores de potencia del estátor del generador, del rotor del generador, y de la red,

- elementos de maniobra de conexión/desconexión del estátor del generador de la red,

- elementos de maniobra para cortocircuitar el rotor del generador, constituidos por una pluralidad de elementos seleccionados entre elementos activos, elementos pasivos y combinación de los mismos.

10. Sistema para operar un aerogenerador, según reivindicación 9, caracterizado porque los elementos activos y los elementos pasivos que constituyen los elementos de maniobra están constituidos por elementos seleccionados entre elementos dependientes de los convertidores de potencia e independientes de los convertidores de potencia.

11. Sistema. para operar un aerogenerador, según reivindicación 9, caracterizado porque los elementos pasivos están seleccionados entre resistencias, inductancias, capacidades, y combinación de ellos.

12. Sistema para operar un aerogenerador, según reivindicación 9, caracterizado porque los elementos activos están seleccionados entre diodos, transistores, tiristores, otros semiconductores controlables y combinación de ellos.