Circuito convertidor de potencia para generadores con salida de potencia que varía dinámicamente.

Un circuito convertidor de potencia con

una instalación de circuito rectificador (2) para convertir la corriente alterna generada en el generador de tensión decorriente alterna (1) en una corriente continua,

un convertidor de potencia,

una conexión de corriente continua (3) de la instalación del circuito rectificador a un convertidor de potencia,un transformador de tensión media (5) para suministrar a una red de alta tensión, y también,

un control superior, en el que

la potencia es generada por medio de un generador de corriente alterna de tensión media (1) con velocidad de giroque varía temporalmente y frecuencia que varía temporalmente, tensión y potencia que resultan a partir de losmismos,

el convertidor de potencia está construido a partir de una instalación en serie en cascada de una pluralidad decélulas del convertidor de potencia (4), estas células del convertidor de potencia (4) son conmutadas dinámicamentea activas o inactivas mediante un control superior como una función de la salida de potencia por el generador detensión de corriente alterna (1), cada fase de cada célula del convertidor de potencia 4 suministra a un devanado dellado primario (51, 52, 53) del transformador de tensión media 5 y caracterizado porque cada una de las células delconvertidor de potencia (4) tiene un conmutador de puenteo (43) para puentear o desconectar la célula delconvertidor de potencia (4).

Circuito convertidor de potencia para generadores con salida de potencia que varía dinámicamente

La invención describe una instalación de circuito convertidor de potencia para utilizarla como un convertidor entre un generador con potencia de salida que varía dinámicamente y una rejilla de potencia de tensión media. Las potencias de salida que varían dinámicamente de este tipo aparecen por ejemplo en el caso de instalaciones de energía eólica, ya que la salida de potencia en este caso depende de la velocidad del viento. Las corrientes generadas típicamente son alimentadas en rejillas de potencia con una tensión de hasta unas pocas decenas de kilovoltios y frecuencias de 50 Hz o 60 Hz.

La técnica anterior cuando se aplica, al igual que con las instalaciones de energía eólica, con salidas de potencia que varían dinámicamente temporalmente de los generadores que producen la potencia está formada por las siguientes tecnologías.

Para salidas de generación de potencia de hasta aproximadamente 1 MW, se utilizan generadores con tensiones de hasta 690 V, por lo tanto la tensión en el circuito intermedio o en la conexión de corriente continua al convertidor de potencia es aproximadamente 1100 V. En los circuitos convertidores de potencia asociados, transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) de clases de tensión de 1200 V o 1700 V a menudo se utilizan como conmutadores de potencia. Para potencias más elevadas, estas tensiones del circuito intermedio de 1100 V son demasiado bajas, sin embargo, puesto que en este caso las pérdidas, por ejemplo en los cables de conexión, aumentan desproporcionadamente.

Por lo tanto, en el caso de generación de potencia con potencias desde aproximadamente 1 MW, se utilizan generadores de tensión media de clases de tensión normalizada de 2, 2 kV, 3, 3 kV, 4, 16 kV y 6, 3 kV. Las tensiones elevadas en el circuito intermedio que resultan a partir de esto requieren conmutadores de potencia de alto bloqueo tales como IGBT o tiristores controlados por puerta integrada (IGCT) . Sin embargo, las variantes de alto bloqueo tienen la desventaja de que las pérdidas de conmutación son de 3 a 10 veces más elevadas que aquellas de las variantes normales.

Las máquinas asíncronas se utilizan como generadores para las tecnologías anteriormente mencionadas. Sin embargo, estos generadores resistentes requieren convertidores de cuatro cuadrantes para su utilización, como han sido descritos a título de ejemplo en los documentos DE 198 32 225 A1 y DE 198 32 226 A1, ya que estos generadores requieren una corriente de entrada para la excitación, la cual es alimentada y regulada a través de convertidores de cuatro cuadrantes.

Además, la generación de corriente utilizando máquinas asíncronas como generadores está incluida en la técnica anterior. A título de ejemplo, en el caso de la generación de corriente conocida en este caso, las tensiones de salida rectificadas de una pluralidad de generadores están conectadas a un circuito convertidor de potencia común. En este caso, las tensiones de corriente continua generadas por medio de transformadores y rectificadores conectados aguas abajo se utilizan en las conexiones a los convertidores de potencia, tensiones de corriente continua las cuales son del orden de magnitud de 1000 kV, ya que las pérdidas de potencia son bajas en este caso. Un gran número de IGBT o IGCT conectados en serie se utilizan en este caso como conmutadores de potencia. La elevada tensión en el circuito intermedio tiene la desventaja sin embargo de que, en el caso de tensiones en el circuito intermedio de este tipo y tiempos de conmutación relativamente lentos de por ejemplo 1 µs, resultan valores instantáneos del cambio de tensión de 100 kV/µs. De modo que para que valores elevados de este tipo del cambio de tensión no conduzcan a la destrucción de las bobinas, como se encuentran en el generadores y el transformador, elementos de bobina y condensador (LC) pasivos adicionales deben ser integrados como filtros. Todos estos requisitos incrementan el desembolso y por lo tanto también los costes de una generación de corriente de este tipo. Adicionalmente, estos circuitos convertidores de potencia anteriormente mencionados no pueden ser adaptados de forma flexible a generadores de tensiones y clases de comportamiento diferentes.

Una desventaja adicional de la invención de la utilización de únicamente un circuito convertidor de potencia para una pluralidad de generadores que funcionan dinámicamente en términos de su salida de potencia se basa en el hecho de que, debido a su excitación constante, los generadores no funcionan con una velocidad de giro idéntica y por lo tanto tampoco con una tensión de salida idéntica. Por lo tanto, se utilizan diversos tipos de mecanismos de regulación, a todo lo cual es inherente un incremento de las pérdidas durante la generación de potencia.

La presente invención se basa en el objeto de presentar un circuito convertidor de potencia, el cual genera una tensión de red de alta calidad incluso a potencias de salida bajas y funciona de forma fiable con alto rendimiento sobre la gama entera de potencia y el cual alimenta la potencia de salida temporalmente variable de un generador de tensión media que genera potencia en una red de alta tensión, la potencia de salida variable siendo debida a una velocidad de giro variable del generador, lo cual conduce directamente a una tensión de salida variable y también a una frecuencia de salida variable; adicionalmente, la instalación del circuito convertidor de potencia debe ser simple para que se adapte a diferentes niveles de potencia de los generadores y también tolerante con respecto al fallo de los conmutadores de potencia individuales, en donde esto no debe conducir al fallo o a la reducción de la potencia del generador de potencia.

La técnica anterior se expone con más detalle en el documento WO 00/21186, el cual se refiere a un sistema de transmisión de energía eléctrica para transmitir energía eléctrica desde un primer generador que genera tensión de corriente alterna a través de una línea de transmisión a una red eléctrica de corriente alterna, con una instalación del circuito la cual convierte la primera tensión de corriente alterna generada por el generador a una primera tensión de corriente continua y alimenta la misma dentro de la línea de transmisión y con un primer inversor el cual está conectado a la salida de la línea de transmisión y convierte la primera tensión de corriente continua en una segunda tensión de corriente alterna y alimenta la misma dentro de la red de corriente alterna. Más específicamente, se expone un sistema de transmisión de energía eléctrica para transmitir energía eléctrica desde un primer generador que genera una primera tensión del inversor a través de una línea de transmisión hasta una red eléctrica de corriente alterna, con una instalación del circuito, la cual convierte la primera tensión de corriente alterna generada por el generador en una primera tensión de corriente continua y alimenta la misma dentro de la línea de transmisión y un primer inversor el cual está conectado a la salida de la línea de transmisión y convierte la primera tensión de corriente continua a una segunda tensión de corriente alterna y alimenta la misma dentro de la red de corriente alterna, la instalación del circuito estando provista de un circuito convertidor de potencia, el cual convierte la primera tensión de corriente alterna generada por el generador en una tercera tensión de corriente alterna, un primer transformador, el cual convierte la tercera tensión de corriente alterna en una cuarta tensión de corriente alterna y un primer rectificador, el cual convierte la cuarta tensión de corriente alterna en la primera tensión de corriente continua.

El documento WO 93/11604 expone un convertidor de potencia de turbina eólica para suavizar una potencia de salida desde una turbina eólica de velocidad variable, a fin de reducir las fluctuaciones de potencia en la potencia de salida. El convertidor de potencia tiene un convertidor de CA/CC del lado del generador, el cual está conectado a un generador de velocidad variable, el cual convierte la energía eólica en energía eléctrica, un inversor CC/AC del lado de la línea, el cual está conectado a una red pública de potencia y una conexión de tensión de corriente continua, la cual está conectada a un aparato de almacenaje para energía eléctrica, tal como una batería o una célula de combustible o una célula fotovoltaica o solar. Un control inversor y un control de potencia regulan la corriente por medio de conmutadores activos en el inversor del lado de la línea, a fin de distribuir una combinación deseada de potencia real y reactiva a la red de potencia.... [Seguir leyendo]

1. Un circuito convertidor de potencia con una instalación de circuito rectificador (2) para convertir la corriente alterna generada en el generador de tensión de corriente alterna (1) en una corriente continua,

un convertidor de potencia,

una conexión de corriente continua (3) de la instalación del circuito rectificador a un convertidor de potencia,

un transformador de tensión media (5) para suministrar a una red de alta tensión, y también,

un control superior, en el que la potencia es generada por medio de un generador de corriente alterna de tensión media (1) con velocidad de giro que varía temporalmente y frecuencia que varía temporalmente, tensión y potencia que resultan a partir de los mismos,

el convertidor de potencia está construido a partir de una instalación en serie en cascada de una pluralidad de células del convertidor de potencia (4) , estas células del convertidor de potencia (4) son conmutadas dinámicamente a activas o inactivas mediante un control superior como una función de la salida de potencia por el generador de tensión de corriente alterna (1) , cada fase de cada célula del convertidor de potencia 4 suministra a un devanado del lado primario (51, 52, 53) del transformador de tensión media 5 y caracterizado porque cada una de las células del convertidor de potencia (4) tiene un conmutador de puenteo (43) para puentear o desconectar la célula del convertidor de potencia (4) .

2. El circuito convertidor de potencia según la reivindicación 1 en el que el generador de tensión de corriente alterna (1) está construido como una máquina síncrona con control del campo del rotor o imanes permanentes.

3. El circuito convertidor de potencia según la reivindicación 1 en el que una célula del convertidor de potencia

(4) está construida a partir de un conmutador de puenteo (43) , un diodo de entrada 42, por lo menos un condensador del circuito intermedio (44) , un circuito de puente de por lo menos 1, preferiblemente 3 fases y también, por fase, una bobina del reactor en cada caso y también un devanado primario (51, 52, 53) del transformador de tensión media.

4. El circuito convertidor de potencia según la reivindicación 3 en el que cada fase de la célula del convertidor de potencia consiste en un conmutador de potencia en posición superior (TOP) y uno en posición inferior (BOT) (451, 453) en cada caso con por lo menos un diodo de rueda libre conectado en paralelo (452, 454) en cada caso, en el que cada uno de los conmutadores de potencia por su parte consiste en un circuito paralelo de una pluralidad de transistores de potencia.

5. El circuito convertidor de potencia según la reivindicación 4 en el que los transistores de potencia consisten en transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) .

6. El circuito convertidor de potencia según la reivindicación 1 en el que la señal de salida de cada célula activa del convertidor de potencia es supervisada y regulada por medio de su propio circuito de control.

7. El circuito convertidor de potencia según la reivindicación 1 en el que el control superior cíclicamente conmuta las células activas del convertidor de potencia a activas o inactivas según un ritmo fijo y/o como una función de por lo menos un parámetro medido y/o calculado.

8. El circuito convertidor de potencia según la reivindicación 1 en el que por medio de un número de células del convertidor de potencia mayor que N, el cual es necesario como una función de la potencia del generador, la función del circuito convertidor de potencia puede ser compensada sin pérdida de potencia a pesar del fallo de N células del convertidor de potencia.

9. El circuito convertidor de potencia según la reivindicación 1 en el que el circuito convertidor de potencia se puede adaptar a diferentes clases de comportamiento de los generadores cambiando el número de células del convertidor de potencia 4.

10. El circuito convertidor de potencia según la reivindicación 1 en el que la potencia reactiva puede ser suministrada a la red de tensión media durante un funcionamiento a carga parcial.

11. El circuito convertidor de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que por lo menos una célula del convertidor de potencia (4) es conmutada a activa si el control superior detecta un incremento de la tensión del circuito intermedio y por lo menos una célula del convertidor de potencia (4) es conmutada a inactiva si el control superior detecta una reducción de la tensión del circuito intermedio.