Aerogenerador de velocidad variable que tiene una máquina excitatriz y un convertidor de energía no conectado a la red.

Un aerogenerador de velocidad variable que comprende:

un rotor que incluye por lo menos una pala;

una cadena de impulsión acoplada al rotor, la cadena de impulsión incluye por lo menos un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG), dicho DFIG tiene por lo menos un estátor que se puede conectar a una red de

energía eléctrica,

por lo menos una máquina excitatriz acoplada a cadena de impulsión; y

por lo menos un dispositivo de conversión de potencia aislado de la red eléctrica y acoplado eléctricamente a unrotor del generador de inducción doblemente alimentado y a la máquina excitatriz para transferir potencia eléctrica entre el rotor y la máquina excitatriz,

por lo que la potencia eléctrica sólo se entrega a la red a través del estátor del DFIG.

Aerogenerador de velocidad variable que tiene una máquina excitatriz y un convertidor de energía no conectado a la red

Antecedentes de la invención Campo de la invención La presente invención está relacionada con el campo de los aerogeneradores de velocidad variable, y, más particularmente, con un aerogenerador de velocidad variable que comprende un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG, doubly fed induction generator) , una máquina excitatriz, un convertidor estático intermedio no conectado a la red, control de potencia y regulación de ángulo de ataque (pitch) .

Descripción de la técnica anterior

En los últimos años, la generación de energía eólica ha aumentado considerablemente por todo el mundo. Se prevé ampliamente que este crecimiento continúe en las próximas décadas, incluso cuando la industria y la tecnología hayan pasado a la madurez en este campo. A medida que los parques eólicos crecen en tamaño y la base total de capacidad eólica instalada sigue en aumento, la importancia de mejorar la calidad de la potencia de salida se convierte en un desafío de gran importancia para los desarrolladores eólicos y los clientes de las instalaciones por igual.

El transporte de energía eléctrica es un proceso en el suministro de electricidad a los consumidores. A un sistema de transporte de energía a menudo se le hace referencia como “red”. Las empresas de transporte deben cumplir el reto de conseguir la capacidad máxima fiable de cada línea de transporte. Sin embargo, debido a consideraciones sobre estabilidad del sistema, la capacidad real puede ser menor que el límite físico de la línea. De este modo, para mejorar la estabilidad del sistema se necesitan buenas fuentes limpias de energía eléctrica.

En la mayoría de las aplicaciones, los aerogeneradores producen energía eléctrica e introducen corriente en la red eléctrica. Esto puede causar desviaciones de la tensión de la red local, tal como un cambio del nivel de tensión en estado estacionario, variaciones dinámicas de tensión, oscilaciones, una inyección de corrientes con formas de onda no sinusoidales (es decir armónicos) , y similares.

Estos efectos pueden ser poco deseables para los equipos de los usuarios finales y otros generadores o los componentes conectados a la red, tales como transformadores. A medida que aumenta la capacidad de potencia, surge la evidente necesidad de mejorar las características de la calidad de la potencia de salida de la turbina. El impacto de la calidad de la potencia de un aerogenerador depende de la tecnología implicada. A pesar de este hecho, los fabricantes de aerogeneradores no consideran la calidad de la potencia como una característica principal del diseño.

Originalmente, los primeros aerogeneradores se diseñaron para trabajar con una velocidad de rotación fija. Según este modelo, el generador de un aerogenerador está directamente conectado a la red y funciona a una velocidad determinada, lo que permite variaciones de velocidad muy pequeñas. En el caso de un generador asíncrono, sólo se permite el intervalo de deslizamiento del generador. El deslizamiento es la diferencia en la velocidad de rotación del rotor comparada con el campo magnético rotatorio del estátor. El deslizamiento del generador varía ligeramente con la cantidad de potencia generada, y por lo tanto no es totalmente constante. Por otra parte, estos aerogeneradores necesitan estrategias de limitación de corriente de arranque y elementos de compensación de energía reactiva durante el funcionamiento normal. La turbulencia del viento produce una variación no deseable del par que se transmite directamente a la cadena de impulsión del aerogenerador y, por tanto, a la potencia activa introducida en la red eléctrica.

Un tipo de aerogenerador que mantiene la velocidad de rotación del generador proporcional a la velocidad del viento, es un aerogenerador de velocidad variable. Con el fin de obtener la máxima eficiencia del aerogenerador, la velocidad de rotación del generador se adapta a las fluctuaciones de velocidad del viento. Este tipo de aerogenerador incluye convertidores electrónicos de potencia que están conectados a la red. Debido a este tipo de interfaz, las emisiones de armónicos de los convertidores electrónicos de potencia de la turbina se introducen en la red.

Actualmente se han generalizado los aerogeneradores de tipo de velocidad variable que utilizan convertidores electrónicos de potencia. Unos ejemplos de este aerogenerador de velocidad variable se describe en la patente de EE.UU. nº 5.083.039, patente de EE.UU. nº 5.225.712 o solicitud publicada de EE.UU. 2005/0012339. Estas turbinas, sobre la base de un sistema de convertidor total, incluyen un generador, un convertidor en el lado del generador, un Bus de enlace de CC y un convertidor activo conectado a la red. El convertidor del lado del generador transfiere la energía de frecuencia variable del generador al Bus de enlace de CC, y posteriormente el convertidor activo del lado de la red la transformada a una frecuencia fija. Algunas desventajas son comunes a todos los sistemas del convertidor total. La conmutación activa de los semiconductores del convertidor del lado de la red inyecta armónicos no deseables de alta frecuencia en la red. Para evitar los problemas ocasionados por estos

armónicos, se deben instalar varios filtros. Por otra parte, debido a los diferentes valores de impedancia en la red y a los armónicos ya existentes, se necesita diferente afinación de los filtros según las características de la ubicación de los parques eólicos.

Otro aerogenerador de velocidad variable se describe en la patente de EE.UU. nº 6.137.187. Como se muestra en la Figura 1, esta configuración de aerogenerador incluye un generador de inducción doblemente alimentado (1) , un convertidor de potencia (4) , que comprende un convertidor activo en el lado del rotor (5) , un Bus de CC (8) , y un convertidor activo en el lado de la red (7) . En esta configuración, sólo una pequeña parte de la energía total se transfiere a través de los convertidores (5, 7) a la red (9) . La energía la puede entregar a la red (9) directamente el estátor (3) , mientras que el rotor (2) puede absorber o suministrar energía a la red (9) a través del convertidor de potencia (4) dependiendo de si el generador de inducción doblemente alimentado está en funcionamiento subsincrónico o supersincrónico. El funcionamiento con velocidad variable del rotor tiene la ventaja de que muchas de las variaciones más rápidas de la potencia no se transmiten a la red, sino que son suavizadas por la acción del volante de inercia del rotor. Sin embargo, el uso de convertidores electrónicos de potencia (4) conectados a la red

(9) provoca una distorsión armónica de la tensión de la red.

Otros documentos también describen aerogeneradores de velocidad variable. Por ejemplo, la patente de EE.UU. nº

6.933.625 describe un sistema de velocidad variable que incluye un generador de inducción doblemente alimentado, un rectificador pasivo del lado de la red con control de potencia escalar y control de ángulo de ataque dependiente. En este caso, hay un convertidor activo en el lado del rotor, un rectificador pasivo en el lado de la red y un elemento conmutable disipador de energía conectado en el Bus de enlace de CC. Durante el funcionamiento supersincrónico la energía extraída del rotor se disipa en el elemento conmutable disipador de energía, reduciendo la eficiencia del aerogenerador; durante el funcionamiento del aerogenerador en el modo subsincrónico, la energía es rectificada por el rectificador pasivo del lado de la red que provoca armónicos no deseables de baja frecuencia en la red. De este modo, se necesitan filtros complejos de atenuación. La patente de EE.UU. nº 6.566.764 y la patente de EE.UU. nº

6.856.038 describen unos aerogeneradores de velocidad variable que tienen un convertidor matricial. Ambos casos incluyen convertidores electrónicos de potencia conectados a la red, que pueden ocasionar tensiones armónicas no deseadas.

Todas las patentes de EE.UU. anteriormente mencionadas y otras soluciones existentes en aerogeneradores de velocidad variable que incluyen electrónica de potencia tienen convertidores conectados a la red. Dependiendo de la tecnología utilizada en los convertidores, hay diferentes intervalos de armónicos introducidos en la red que deben ser atenuados utilizando filtros, y ser afinados para la ubicación de aplicación final, haciendo que los sistemas sean más caros y menos fiables.

En vista de estos problemas en el estado en la técnica anterior, es necesario proporcionar una mejor solución de potencia, que pueda aplicarse a los aerogeneradores de velocidad... [Seguir leyendo]

1. Un aerogenerador de velocidad variable que comprende: un rotor que incluye por lo menos una pala; una cadena de impulsión acoplada al rotor, la cadena de impulsión incluye por lo menos un generador de inducción

doblemente alimentado (DFIG) , dicho DFIG tiene por lo menos un estátor que se puede conectar a una red de energía eléctrica,

por lo menos una máquina excitatriz acoplada a cadena de impulsión; y por lo menos un dispositivo de conversión de potencia aislado de la red eléctrica y acoplado eléctricamente a un rotor del generador de inducción doblemente alimentado y a la máquina excitatriz para transferir potencia eléctrica entre el rotor y la máquina excitatriz,

por lo que la potencia eléctrica sólo se entrega a la red a través del estátor del DFIG.

2. El aerogenerador de velocidad variable de la reivindicación 1, que comprende además un sistema de control de potencia para controlar la salida de potencia de aerogenerador entregada a la red.

3. El aerogenerador de velocidad variable de la reivindicación 1, que comprende además un controlador de ángulo de ataque para limitar la potencia demandada al excitador.

4. El aerogenerador de velocidad variable de la reivindicación 1, en donde el generador es un generador de inducción de anillo sin deslizamiento.

5. El aerogenerador de velocidad variable de la reivindicación 1, en donde el excitador es uno entre una máquina eléctrica invertible, máquina sincrónica, máquina asincrónica y una máquina de CC.

6. El aerogenerador de velocidad variable de la reivindicación 1, en donde el sistema de conversión de potencia comprende dos convertidores electrónicos de potencia activa unidos a un Bus de enlace de CC con un lado de CA de un convertidor de potencia activa conectado al circuito del rotor del generador de inducción doblemente alimentado y el lado de CA del otro convertidor de potencia activa conectado a la máquina excitatriz.

7. El aerogenerador de velocidad variable de la reivindicación 1, en donde el sistema de conversión de potencia es uno entre un convertidor de potencia bidireccional aislado de la red, un cicloconvertidor aislado de la red y un convertidor de matriz aislado de la red.

8. El aerogenerador de velocidad variable de la reivindicación 1, en donde el control del generador de inducción doblemente alimentado se basa en la Orientación de Flujo de Red (GFO) o el control de la máquina excitatriz se basa en la regulación de tensión del Bus de CC.

9. El sistema de aerogenerador de velocidad variable de la reivindicación 1, en donde

la máquina excitatriz consume la potencia que se genera en un rotor del DFIG en modo supersincrónico y genera potencia para el rotor del DFIG en modo subsincrónico.

10. El aerogenerador de velocidad variable de la reivindicación 9, que comprende además:

unos medios de control de potencia para controlar la salida de potencia del aerogenerador entregada a la red, o unos medios de control de ángulo de ataque para realizar la regulación del ángulo de ataque.

11. Un método para un aerogenerador de velocidad variable que comprende:

convertir energía eólica en potencia mecánica mediante la impulsión de un rotor; convertir potencia mecánica en potencia eléctrica mediante el uso de un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG) en una cadena de impulsión,

suministrar potencia eléctrica a la red eléctrica desde un estátor del DFIG;

utilizar una máquina excitatriz acoplada a una cadena de impulsión y un sistema de conversión de potencia aislado de la red eléctrica para recibir la energía generada por un rotor del generador de inducción doblemente alimentado o para proporcionar la potencia requerida por el rotor del generador de inducción doblemente alimentado,

por lo que la potencia eléctrica sólo se entrega a la red a través del estátor del DFIG.

12. El método de la reivindicación 11, que comprende además controlar el suministro de potencia del estátor sobre la base de la Orientación de Flujo de Red (GFO) o controlar la potencia de la máquina excitatriz sobre la base de la regulación de tensión del Bus de CC.

13. El método de la reivindicación 11, en donde el rotor recibe potencia de la máquina excitatriz cuando el generador de inducción doblemente alimentado está funcionando en un modo subsincrónico.

14. El método de la reivindicación 11, en donde el rotor proporciona potencia a la máquina excitatriz cuando el generador de inducción doblemente alimentado está funcionando en un modo supersincrónico.