Aparato y procedimiento para hacer funcionar una turbina eólica en condiciones de voltaje de red de suministro bajo.

Una turbina eólica para proporcionar energía eléctrica a una red en condiciones de voltaje de salida bajo yenergía variable,

comprendiendo dicha turbina eólica un generador AC (245) que tiene un estator (245a) y unrotor (245b) con palas de paso variable conectadas de forma funcional a él, comprendiendo dicha turbina eólica;- un sensor de energía de salida (360);

- un sensor de corriente de salida (255);

- un primer muestreo y retención (215) para mantener un primer valor establecido antes de la condición devoltaje de salida bajo;

- un segundo muestreo y retención (315) para mantener un segundo valor establecido antes de la condiciónde voltaje de salida bajo;

- un controlador del inversor de rotor que comprende:

- un convertidor de energía a corriente (223) para recibir el valor del primer muestreo y retención y generaruna señal de referencia de corriente,

- un detector de error (222) para generar señales dependientes de un error entre la señal de referencia decorriente y una señal de corriente de salida del sensor de corriente,

- un PWM (224) acoplado al detector de error para generar corrientes de accionamiento del rotor paraestablecer valores de corriente de salida del estator dependientes de la señal de corriente de referencia;y

- un controlador del paso de la pala (355) para recibir el valor del segundo muestreo y retención (315) yuna señal del sensor de energía de salida (360) y ajustar el paso de las palas de paso variabledependiente de la señal de energía de salida durante la condición de voltaje bajo y el valor del segundomuestreo y retención.

Aparato y procedimiento para hacer funcionar una turbina eólica en condiciones de voltaje de red de suministro bajo Campo de la invención La presente invención se refiere al control de la corriente de salida desde una turbina eólica a una red de energía eléctrica, y, más en particular, a un aparato y procedimiento para el control de la corriente en condiciones de variaciones en el voltaje de la red debidas al cambio en las condiciones de la red como en el caso, por ejemplo, en el que una turbina eólica experimenta y se recupera de una falla.

Antecedentes de la invención Una turbina eólica es un dispositivo de conversión de energía que convierte la energía cinética en el viento en energía eléctrica para su uso por los consumidores conectados a una red de suministro eléctrico. Típicamente, este tipo de conversión de energía implica el uso de viento para que las palas de la turbina, a su vez, giren el rotor de un generador eléctrico de corriente alterna (AC) , directamente o bien por medio de una caja de engranajes.

La salida eléctrica primaria de un generador AC es desde su estator. La salida del estator puede estar conectada directamente a la red o pasar a través de un convertidor de energía. Un generador común de los sistemas de la técnica anterior es el generador de inducción doblemente alimentado (DFIG) en el que la salida desde el estator está controlada por la corriente en su rotor. El estator en dicho sistema puede estar conectado directamente a la red debido a que el voltaje y la frecuencia del estator, que están controlados por el rotor, pueden estar obligados a coincidir con el voltaje y la frecuencia de la red.

También se puede usar un generador diferente de DFIG tal como una máquina de generador sincrónico o de generador de inducción de jaula como generador eléctrico en un sistema de turbina eólica que proporciona energía reactiva y real controlada. Cuando se usan estos tipos de máquinas en una configuración de velocidad variable, se utiliza un convertidor completo entre la salida del estator y una red de suministro puesto que la frecuencia de salida del generador no está controlada. Un convertidor completo rectifica la salida AC del estator a DC, y a continuación invierte la DC de nuevo a AC a niveles que coincidan con el voltaje y la frecuencia de red.

La energía eléctrica disponible a partir de una turbina eólica y suministrada a una red de suministro es una función de la velocidad del viento, las características del rotor de la turbina eólica, eficacia de la turbina eólica y equipo asociado, pérdidas en la red y las características del sistema de distribución y cargas conectadas a ella. Debido a que la velocidad del viento y las cargas fluctúan, los niveles de voltaje en la red pueden variar. Asimismo, puesto que la mayoría de los componentes de transmisión de energía eléctrica tienen un componente reactivo significativo, los voltajes en la red también son función de las características reactivas de cargas y componentes conectados a la red.

Para evitar el daño al equipo, se debe mantener el voltaje de la red dentro de determinadas tolerancias y cuando se exceden estos límites, se deben tomar medidas. Para variaciones del orden de voltajes nominales de un +/-5 % o así, se usan abastecedores o absorbedores de cantidades variables de energía reactiva para compensar los cambios de voltaje debidos a la naturaleza reactiva de la red.

Cuando se produce una falla en la red del tipo cortocircuito, los voltajes de la red pueden caer por debajo del nivel normal, lo que podría dañar potencialmente el equipo generador de energía debido a, entre otras cosas, corrientes en exceso y tensiones mecánicas. Como es bien reconocido, la energía es igual al voltaje multiplicado por la corriente. Por lo tanto, si se produce una caída en el voltaje y la energía no se reduce, la corriente aumentará drásticamente.

Para proteger contra el daño, si la caída de voltaje se da durante un periodo de tiempo significativo, los interruptores o dispositivos como fusibles aíslan esa parte de la red que contiene la falla de la fuente de energía. El aislamiento de la parte de la red que contiene la falla se denomina "despeje".

Las turbinas eólicas y/o los parques eólicos que usan controladores de energía constante (energía tanto real como reactiva) son particularmente susceptibles a daño por corrientes en exceso. Si el bucle de control de energía no puede responder lo suficientemente rápido, la corriente de salida aumentará hasta mantener un nivel fijo de energía y compensar la bajada del voltaje. Para proteger contra corrientes altas, muchos sistemas de la técnica anterior limitan la corriente de salida durante una falla en la corriente a un valor preestablecido máximo, minimizando así el daño potencial debido a una corriente alta.

El documento EP 1 561 946 A (CLIPPER WINDPOWER TECHNOLOGY I [US]) 10 de agosto de 2005 (2005-08-10) divulga:

Una turbina eólica (fig. 2) para proporcionar energía eléctrica a una red en condiciones de voltaje de salida bajo (col. 6 I. 50-51) y energía variable, comprendiendo dicha turbina eólica un generador AC que tiene un estator y un rotor (fig. 2, elemento 15) con palas de paso variable (col. 10 I. 35-38) conectadas de forma funcional a él, comprendiendo dicha turbina eólica;

-un sensor de corriente de salida (col. 3, párrafo [0009]) ;

-un primer muestreo y retención para mantener un primer valor establecido antes de la condición de voltaje de salida bajo (col. 10 1. 16-19) ;

-un controlador inversor de rotor que comprende:

-un convertidor de energía a corriente para recibir el valor del primer muestreo y retención y generar una señal de referencia de corriente (col. 10, párrafo [0031]) ,

-un detector de error para generar señales dependientes de un error entre la señal de referencia de corriente y una señal de corriente de salida del sensor de corriente (col. 10, párrafo [0031]) ,

-un PWM acoplado al detector de error para generar corrientes de accionamiento del rotor para establecer valores de corriente de salida del estator dependientes de la señal de corriente de referencia (col. 10 I. 16-19) ; y

-controlador de paso de pala para absorber la cantidad extra de energía (col. 10 I. 35-38)

La presente invención usa un concepto de control descrito comúnmente como fuente de corriente constante o de corriente controlada para protección. Como se usa en esta memoria descriptiva, los términos "corriente constante" o "corriente controlada" se interpretarán con el significado de que la corriente constante o controlada está relacionada con un comando o referencia por un factor de proporcionalidad sustancialmente fijo y sustancialmente independiente del voltaje en el que se alimenta la corriente.

La salida de energía de la turbina eólica que funciona como una fuente de corriente constante o controlada varía en proporción directa con el voltaje de la red. Por lo tanto, el voltaje durante una falla pasa por dos fases de energía de salida variable. Cuando el voltaje cae en respuesta a la falla, la energía de salida está en un mínimo, habiendo pasado por una transición sustancialmente pronunciada desde energía máxima a un nivel mucho menor. Después de que se despeje la falla, el voltaje de red aumenta, lo que demanda un incremento en la cantidad de energía de salida de la (s) turbina (s) eólica (s) hasta que la energía se restablece en los niveles previos a la falla.

En el pasado, era más común proteger las turbinas afectadas por la falla desconectándolas de la red. Sin embargo, como ha crecido el número de turbinas eólicas que se usan para generar electricidad, incrementando su contribución relativa a la energía global de la red, la práctica emergente es la de requerir que las turbinas eólicas permanezcan conectadas para ayudar a soportar la red tanto durante una falla como mientras la red se recupera de la falla, esto es proporcionar, según se necesite, corriente reactiva o bien real.

En general, el requisito de soporte se refiere a contrarrestar el efecto de una falla intentando elevar los voltajes del sistema y minimizar la cantidad de tiempo requerida para volver a situar la turbina eólica en línea para generar energía. Además, aunque parezca contradictorio, es ventajoso que las turbinas eólicas afectadas continúen proporcionando corriente de salida sustancialmente en la misma magnitud que estaba presente antes de la falla y no reducirla. Una corriente de salida normativa está más capacitada para accionar los dispositivos protectores y por lo tanto, acortar potencialmente el tiempo para aislar la falla.

Una motivación adicional para mantener una turbina eólica conectada y que proporcione... [Seguir leyendo]

1. Una turbina eólica para proporcionar energía eléctrica a una red en condiciones de voltaje de salida bajo y

energía variable, comprendiendo dicha turbina eólica un generador AC (245) que tiene un estator (245a) y un

rotor (245b) con palas de paso variable conectadas de forma funcional a él, comprendiendo dicha turbina eólica;

5 -un sensor de energía de salida (360) ;

- un sensor de corriente de salida (255) ;

- un primer muestreo y retención (215) para mantener un primer valor establecido antes de la condición de

voltaje de salida bajo;

- un segundo muestreo y retención (315) para mantener un segundo valor establecido antes de la condición

10 de voltaje de salida bajo;

- un controlador del inversor de rotor que comprende:

- un convertidor de energía a corriente (223) para recibir el valor del primer muestreo y retención y generar

una señal de referencia de corriente,

- un detector de error (222) para generar señales dependientes de un error entre la señal de referencia de

15 corriente y una señal de corriente de salida del sensor de corriente,

- un PWM (224) acoplado al detector de error para generar corrientes de accionamiento del rotor para

establecer valores de corriente de salida del estator dependientes de la señal de corriente de referencia;

y

- un controlador del paso de la pala (355) para recibir el valor del segundo muestreo y retención (315) y

20 una señal del sensor de energía de salida (360) y ajustar el paso de las palas de paso variable

dependiente de la señal de energía de salida durante la condición de voltaje bajo y el valor del segundo

muestreo y retención.

2. Un procedimiento para controlar un sistema de turbina eólica durante una condición de voltaje bajo,

comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:

25 -medir la energía de salida;

- medir la corriente de salida;

- almacenar un valor de parámetro del sistema de energía establecido antes de la condición de voltaje bajo;

- almacenar un valor de parámetro del sistema de rotor establecido antes de la condición de voltaje bajo;

- comparar el valor de parámetro del sistema de energía con un valor de parámetro dependiente de la

30 corriente de salida medida y controlar la corriente de salida para que sea sustancialmente dependiente del

valor de parámetro del sistema de energía almacenado; y

- recibir un valor dependiente de la energía de salida y controlar el paso de pala para mantener el valor del

valor de parámetro del sistema de rotor almacenado sustancialmente al mismo valor durante una condición

de voltaje bajo como estaba antes de la condición de voltaje bajo.

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