Procedimiento de control del par de torsión de un generador.

En una turbina eólica que comprende un generador (4) y un sistema mecánico rotatorio que tiene un periodonatural Tn,

un procedimiento para controlar el par de torsión del generador incluye la etapa de disminuir el par detorsión del generador durante una condición de fallo a una velocidad sustancialmente constante respecto al tiempo t de acuerdo con la ecuación:

donde:

par_de_torsión_nominal es el par de torsión nominal del generador (4),

n es un número entero, y

c es una constante.

Procedimiento de control del par de torsión de un generador

Campo técnico

La presente invención se refiere a procedimientos de control del par de torsión de un generador, y en particular a procedimientos para controlar el par de torsión en el generador de una turbina eólica durante una condición de fallo.

Antecedentes técnicos Es posible convertir la energía eólica en energía eléctrica usando una turbina eólica para activar el rotor de un generador, ya sea directamente o mediante una caja de engranajes. La frecuencia de la ca que se desarrolla en los terminales del estator del generador (la “tensión del estator”) es directamente proporcional a la velocidad de rotación del rotor. La tensión de los terminales del generador también varía como una función de la velocidad y, dependiendo del tipo particular de generador, del nivel de flujo. Para una captura de energía óptima, la velocidad de rotación del árbol de salida de la turbina eólica variará de acuerdo con la velocidad del viento que activa las palas de la turbina. Para limitar la captura de energía a altas velocidades de viento, la velocidad de rotación del árbol de salida se controla alterando el paso de las palas de la turbina. La coincidencia de la tensión y frecuencia variables del generador con una tensión y frecuencia nominalmente fijas de la red de suministro puede conseguirse usando un convertidor de potencia.

Un conjunto típico de turbina eólica y convertidor de potencia se muestra en la Figura 1. El convertidor de potencia se usa para hacer de interfaz entre la turbina 2 eólica que activa el generador 4 de ca de velocidad variable y una red de suministro (marcada como RED) . La turbina eólica típicamente incluye tres palas de turbina montadas en un árbol rotatorio y cuyo paso se puede controlar mediante un accionador de paso. Una caja de engranajes 8 se usa para conectar el árbol rotatorio al rotor del generador 4. En algunos casos, el árbol rotatorio puede conectarse directamente al rotor del generador.

Los terminales del generador 4 están conectados a los terminales de ca de un puente 10 del generador trifásico que durante la operación normal opera como un rectificador activo para suministrar energía a un enlace 12 de cc. El puente 10 del generador tiene una topología de dos niveles trifásica convencional con una serie de dispositivos de conmutación de potencia semiconductores totalmente controlados y regulados usando una estrategia de modulación de la anchura de pulso (PWM) . Sin embargo, en la práctica el puente 10 del generador puede tener cualquier topología adecuada tal como una topología de tres niveles de punto neutro fijo o una topología multinivel (una disposición Foch-Maynard por ejemplo) .

La tensión de cc de salida del puente 10 de generador se alimenta a los terminales de cc de un puente 14 de la red que durante la operación normal opera como un inversor. El puente 14 de la red tiene una topología de dos niveles trifásica similar al puente 10 del generador con una serie de dispositivos de conmutación de potencia semiconductores totalmente controlados y regulados usando una estrategia PWM. Sin embargo, en la práctica el puente 14 de la red puede tener cualquier topología adecuada, como se ha analizado anteriormente para el puente 10 del generador.

El puente 10 del generador está controlado por un controlador 20 del puente del generador y el puente 14 de la red está controlado por un controlador 22 del puente de la red. Físicamente el sistema de control puede residir dentro del mismo hardware y ser solo una separación dentro del software.

La tensión de ca de salida del puente 14 de la red se filtra mediante un filtro de red antes de suministrarlo a la red de suministro a través de un transformador 6 escalonado. Puede incluirse un conmutador de alta tensión protector (no mostrado) para proporcionar una conexión fiable a la red de suministro y aislar el sistema generador de la red de suministro para diversos requisitos operativos y no operativos.

Los cambios súbitos en el par de torsión del generador pueden provocar oscilaciones mecánicas graves en el tren impulsor de la turbina eólica. Tales cambios pueden ocurrir durante un fallo de la red donde la incapacidad de exportar potencia a la red de suministro da como resultado una reducción de etapa casi simultánea en el par de torsión del generador, o como resultado de un fallo en el convertidor de potencia. La magnitud de las oscilaciones mecánicas es directamente proporcional a la magnitud de la reducción de etapa en el par de torsión del generador. En algunos casos, el conjunto de turbina y tren impulsor puede estar diseñado físicamente y modificado técnicamente para soportar estas oscilaciones mecánicas sin necesidad de ninguna protección adicional. Sin embargo, las oscilaciones mecánicas pueden mantenerse dentro de límites aceptables permitiendo que al menos parte de la potencia que no puede exportarse a la red de suministro sea absorbida en una resistencia de frenado dinámico (DBR) 16 que está conectada en serie con un accionador 18 adecuado o conmutador de alta tensión (por ejemplo un dispositivo de conmutación semiconductor tal como un FET o IGBT que en ocasiones se denomina “seccionador”) a través del enlace 12 de cc. Cuando la tensión del enlace de cc sube por encima de un límite como respuesta a una condición de fallo entonces el accionador 18 está controlado por un controlador 25 del seccionador para cortocircuitar el enlace 12 de cc de manera que la potencia que se exporta desde el generador 4 sea absorbida por la DBR 16. La energía que se absorbe por la DBR 16 como resultado de la condición de fallo es la integral de la

potencia absorbida y se disipa en forma de calor. La DBR 16 puede tener cualquier construcción física adecuada y se puede refrigerar, por ejemplo, mediante aire o agua.

Si la DBR 16 está parcialmente capacitada entonces solo parte de la potencia del generador será absorbida por la DBR. En esta situación el par de torsión del generador aún experimentará una reducción escalonada pero será de una menor magnitud en comparación con una disposición donde no se proporciona DBR. La magnitud de las oscilaciones mecánicas en el tren impulsor por lo tanto se reducirá correspondientemente. Si la DBR 16 está plenamente capacitada entonces toda la potencia del generador será absorbida por la DBR hasta un tiempo tal que el generador 4 pueda iniciar a exportar potencia a la red de suministro. Convencionalmente esto puede significar que la DBR 16 está capacitada para aceptar toda la potencia del generador durante un segundo más. Si la DBR 16 está plenamente capacitada entonces el par de torsión del generador no experimentará una reducción escalonada y no hay nada que excite las oscilaciones mecánicas en el tren impulsor.

Se muestra la diferencia en la respuesta del par de torsión del generador para una disposición donde no hay DBR y una disposición donde se proporciona una DBR 16 plenamente capacitada a través del enlace 12 de cc en las Figuras 2A y 2B. Cada figura incluye una serie de siete gráficos marcados (a) a (g) que muestran cómo los siguientes parámetros operativos del conjunto de la turbina eólica y convertidor de potencia de la Figura 1 varían en un sistema pu o “por unidad” durante un fallo de la red donde la tensión de la red en la red de suministro se hunde a cero durante un segundo:

Gráfico (a) -tensión de la red (o tensión de suministro) Gráfico (b) -velocidad del rotor del generador Gráfico (c) -par de torsión del generador Gráfico (d) -la cantidad de potencia que se exporta a la red de suministro a través del puente 14 de la red Gráfico (e) -la cantidad de potencia que se exporta desde el generador 4 al enlace 12 de cc a través del puente 10 del generador Gráfico (f) -la cantidad de potencia de generador que es absorbida por la DBR 16 Gráfico (g) -la cantidad de energía que es absorbida por la DBR 16

Puede verse a partir de los gráficos (a) de las Figuras 2A y 2B que la tensión de la red experimenta una reducción escalonada de 1 a 0 en el tiempo t = 65 s, permanece a 0 durante un segundo y recupera con un aumento escalonado de 0 a 1 en el tiempo t = 66 s. Los códigos de la red típicamente requieren que la turbina eólica permanezca conectada a la red de suministro durante los fallos o transiciones de la red. En otras palabras, el conjunto de turbina eólica y convertidor de potencia normalmente ha de tener alguna capacidad para fallos en la red

o solventar bajas tensiones. Durante tales fallos en la red o transiciones el generador es incapaz de exportar potencia a la red de suministro. Los gráficos (d) de las Figuras 2A y 2B por lo tanto muestran que la potencia que... [Seguir leyendo]

1. En una turbina eólica que comprende un generador (4) y un sistema mecánico rotatorio que tiene un periodo natural Tn, un procedimiento para controlar el par de torsión del generador incluye la etapa de disminuir el par de torsión del generador durante una condición de fallo a una velocidad sustancialmente constante respecto al tiempo t de acuerdo con la ecuación:

donde:

par_de_torsión_nominal es el par de torsión nominal del generador (4) , n es un número entero, y c es una constante.

2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la turbina eólica comprende adicionalmente un conjunto de turbina que tiene al menos una pala de turbina, incluyendo el procedimiento adicionalmente la etapa de alterar el paso de la al menos una pala de turbina para minimizar la velocidad máxima del generador durante una condición de fallo.

3. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el paso de la al menos una pala de turbina es alterado tan pronto como se detecta la condición de fallo.

4. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2 o la reivindicación 3, que incluye adicionalmente la etapa de mantener el par de torsión del generador sustancialmente constante durante un periodo de tiempo durante una condición de fallo antes de disminuir el par de torsión a una velocidad sustancialmente constante.

5. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, en el que el par de torsión del generador se mantiene sustancialmente constante mientras se altera el paso de la al menos una pala de la turbina.

6. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el par de torsión disminuye a una velocidad sustancialmente constante tan pronto como se detecta la condición de fallo.

7. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la turbina eólica comprende adicionalmente un puente (10) del generador que está controlado por un controlador (20) de puente de generador, comprendiendo adicionalmente el procedimiento la etapa de disminuir el par de torsión a una velocidad sustancialmente constante imponiendo límites a la velocidad de rampa sobre una referencia de par de torsión y/o una referencia de corriente del eje del par de torsión (Iq*_ref) que es usada por el controlador (20) del puente de generador.

8. Una turbina eólica que comprende:

un generador (4) ; un sistema mecánico rotatorio que tiene un periodo natural Tn, incluyendo el sistema mecánico rotatorio un conjunto de turbina que tiene al menos una pala de turbina, un conjunto de rotor del generador (4) y algún árbol

o árboles impulsores asociados; y un convertidor de potencia; en el que el convertidor de potencia es controlado para disminuir el par de torsión del generador durante una condición de fallo a una velocidad sustancialmente constante con respecto al tiempo t de acuerdo con la ecuación:

donde: par_de_torsión_nominal es el par de torsión nominal del generador (4) , n es un número entero, y c es una constante.

9. Una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 8, en la que el conjunto de turbina incluye adicionalmente un accionador de paso que está controlado para alterar el paso de la al menos una pala de turbina para minimizar la

velocidad máxima del generador de pico durante una condición de fallo.

10. Una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 8 o 9, en la que el convertidor de potencia comprende un puente (10) de generador que está controlado por un controlador (20) de puente de generador para disminuir el par de torsión del generador durante una condición de fallo a una velocidad sustancialmente constante imponiendo límites a la velocidad de rampa sobre la referencia del par de torsión y/o la referencia de corriente del eje del par de torsión (Iq*_ref) que es usado por el controlador (20) del puente de generador.