Instalación de obtención de energía estacionaria con un dispositivo de control y procedimiento para el control de la misma.

Instalación de obtención de energía estacionaria con un dispositivo (2) de control para el control de la corriente yel flujo de energía,

presentando la instalación (1) de obtención de energía al menos un rotor (3) accionadomecánicamente y un generador (4) acoplado con el rotor (3), y en la que un sistema (5) electrónico de potencia enunión eficaz con el generador (4) posibilita un flujo de energía variable desde el rotor (3) a través del generador (4) yel sistema (5) electrónico de potencia hasta una carga (6), y con una unidad (30) de control central, que presentamedios para:

- disponer sensores (13 a 17) de posición en un tren (9) de accionamiento de la instalación (1) de obtención deenergía, que presenta al menos un rotor (3) mecánico, un árbol (24) de accionamiento, un engranaje (23)multiplicador, un generador (4) con rotor/unidad de estator y un sistema (5) electrónico de potencia;

- detectar diferencias de ángulo de rotación (φ1 a φ2; φ2 a φ3; φ3 a φ4; φ4 a φ5) de los sensores (13 a 17) de posición,

- monitorizando el incremento del ángulo de rotación (Δφ1, Δφ2, Δφ3) del engranaje (23) multiplicador y la rotacióncompleta (ΔφA) del tren (9) de accionamiento;

- simular de manera paralela un sistema (28) de ecuaciones en una unidad (30) de control central basándose en unmodelo de la instalación (1) de obtención de energía a partir de elementos (31 a 33) de masa-resorte-amortiguador;

- generar valores teóricos para una diferencia de variación de corriente (Δlq) y una diferencia de fase (Δγ) de lacorriente (I) en relación con una tensión de generador (U) para la compensación de oscilaciones transitorias de lainstalación (1) de obtención de energía,

- teniéndose en cuenta en el modelo tomado como base de la instalación (1) de obtención de energía dos elementosactivos en forma de entrada de energía eólica y salida de potencia eléctrica con elementos pasivos dispuestosentremedias, como inductancias y condensadores así como resistencias elásticas de los elementos constructivosincluyendo el elemento constructivo del engranaje multiplicador.

Instalación de obtención de energía estacionaria con un dispositivo de control y procedimiento para el control de la misma.

La invención se refiere a una instalación de obtención de energía estacionaria con un dispositivo de control y a un procedimiento para el control de la misma. El dispositivo de control sirve para el control de la corriente y el flujo de energía. La instalación de obtención de energía presenta al menos un rotor accionado mecánicamente y un generador acoplado con el rotor. Para ello, un sistema electrónico de potencia en unión efectiva con el generador posibilita un flujo de energía variable desde el rotor a través del generador y el sistema electrónico de potencia hasta una carga. El dispositivo de control debe reaccionar a las oscilaciones en el espectro de frecuencia de desde algunas décimas de Hz hasta algunas decenas de Hz en el lado del rotor y desde algunas decenas de Hz hasta algunas centenas de Hz en el lado del generador y controlar la instalación, de tal manera que pueda emitirse una potencia casi constante a la carga o a la red y, a este respecto, las oscilaciones no deseadas en el tren de accionamiento de la instalación de obtención de energía no aumenten ni se intensifiquen.

Para ello, por la publicación DE 10 2007 021 513 A1 se conoce un procedimiento y sistema de amortiguación de oscilaciones de momento de torsión resistivo. Este sistema de amortiguación por resistencia de momento de torsión presenta para el eje de una máquina un sensor que está configurado de modo que puede detectar una señal que representa el momento de torsión en el eje. Además está previsto un aparato de regulación, que está configurado de modo que puede emplear la señal detectada para identificar la presencia de una oscilación de momento de torsión que aparece en el eje, en caso de que ésta coincida con una frecuencia propia de eje. Para generar ahora señales de control para la amortiguación de la oscilación de momento de torsión, el sistema de amortiguación por resistencia de momento de torsión presenta un amortiguador, que comprende un convertidor de amortiguación y una resistencia, que están acoplados a una salida de corriente continua del convertidor de amortiguación. A este respecto el convertidor de amortiguación está acoplado a la máquina a través de un canal de corriente y presenta una potencia nominal inferior o igual al 5% de la potencia nominal de la máquina.

Este sistema de amortiguación de oscilaciones de momento de torsión tiene la desventaja, cuando se utiliza en una instalación de obtención de energía, de que casi un 5% de la energía obtenida se convierte en calor y por tanto implica una pérdida. Por consiguiente se disminuye el coeficiente de rendimiento de una instalación de obtención de energía de este tipo.

El objetivo de la invención es crear una instalación de obtención de energía estacionaria con un dispositivo de control con el que puedan aprovecharse los flujos de energía resultantes de las oscilaciones, tanto para reducir las oscilaciones y obtener energía en caso de puntas de oscilación como para reponerla en caso de valles de oscilación a partir de la obtención de energía.

La publicación “Control of a Doubly Fed Induction Wind Generator Under Unbalanced Grid Voltage Conditions” describe una regulación de número de revoluciones y potencia para el generador asíncrono de alimentación doble de una instalación de energía eólica para compensar asimetrías en la red y para anular oscilaciones en la potencia y en el momento de torsión. De este modo el propio generador puede permanecer en la red en este tipo de condiciones operativas, que normalmente habrían llevado a una desconexión. A este respecto, la regulación tiene en cuenta los momentos de inercia del sistema de generador.

Para amortiguar oscilaciones de torsión, los documentos EP1719910 y US2002091471 modelan el tren de accionamiento como conjunto de masa-resorte.

El objetivo se soluciona con el objeto de las reivindicaciones independientes 1 y 12. Perfeccionamientos ventajosos se desprenden de las reivindicaciones dependientes.

Según la invención se crean una instalación de obtención de energía estacionaria con un dispositivo de control y un procedimiento para el control de la misma. El dispositivo de control sirve para el control de la corriente y el flujo de energía. La instalación de obtención de energía presenta al menos un rotor accionado mecánicamente y un generador acoplado con el rotor. Para ello, un sistema electrónico de potencia en unión efectiva con el generador posibilita un flujo de energía variable desde el rotor a través del generador y el sistema electrónico de potencia hasta una carga o a la red. Para compensar cargas de oscilación en el lado del generador está previsto posibilitar al menos un control de corriente por medio de un primer acumulador de circuito intermedio del sistema electrónico de potencia. Para compensar cargas de oscilación mecánicas y magnitudes de perturbación de un tren de accionamiento está previsto adicionalmente un control de flujo de energía por medio de al menos un segundo acumulador de circuito intermedio adicional dispuesto en el sistema electrónico de potencia, que presenta varias veces la capacidad de acumulación del primer acumulador de circuito intermedio.

Esta instalación de obtención de energía estacionaria tiene la ventaja de que oscilaciones en el lado del generador en el espectro de frecuencia de desde algunas decenas de Hz hasta algunas centenas de Hz, que eventualmente podrían provocar resonancias en la parte mecánica de la instalación de obtención de energía, pueden compensarse mediante el control de corriente, que actúa conjuntamente con el primer acumulador de circuito intermedio en el sistema electrónico de potencia, de modo que ni se excitan oscilaciones propias ni pueden aumentar las oscilaciones.

Además, la instalación de obtención de energía estacionaria según la invención tiene la ventaja de que, mediante el control de flujo de energía, oscilaciones en el lado del rotor en el espectro de frecuencia de entre algunas décimas de Hz y algunas decenas de Hz debido a la previsión de un segundo acumulador de circuito intermedio adicional, que presenta varias veces la capacidad de acumulación del primer acumulador de circuito intermedio, conducen a que en primer lugar se acumula energía en caso de picos de oscilación y en caso de valles de oscilación puede volver a fluir al tren de accionamiento, de modo que los componentes del tren de accionamiento pueden dimensionarse para cargas relativamente constantes, lo que conduce a ahorros de peso evidentes.

Preferiblemente la instalación de obtención de energía estacionaria es una instalación de energía eólica, también denominada WEA o WKA (por sus siglas en alemán, Windenergieanlage/Windkraftanlage) , y que se explica más detalladamente en las figuras 1 y 3.

En una forma de realización preferida de la invención, el control de corriente está diseñado de manera que, por medio de un control del momento de torsión, la potencia eléctrica eficaz emitida a la red o a la carga permanece constante, y las variaciones resultantes del control de corriente de la potencia eficaz y la potencia reactiva se compensan en un circuito intermedio del sistema electrónico de potencia o pueden convertirse en los devanados del generador o en inversores adicionalmente de manera temporal en calor. Esta variante tiene la ventaja de que no depende de otro acumulador de circuito intermedio adicional con varias veces la capacidad de acumulación con respecto al primer acumulador de circuito intermedio y puede compensar en particular oscilaciones en el lado del generador a partir del espectro de frecuencia crítico de hasta algunas decenas de Hz, sin aumentar el esfuerzo para el sistema electrónico de potencia.

Está previsto además que un modelo de la instalación de obtención de energía presente dos elementos activos en forma de entrada de energía eólica por ejemplo a través del rotor y salida de potencia eléctrica por ejemplo a través del generador con elementos pasivos dispuestos entremedias, como inductancias y condensadores así como resistencias elásticas de los elementos constructivos como por ejemplo un engranaje multiplicador. Un modelo de este tipo puede al mismo tiempo tomar contramedidas por medio de sensores de posición angular dispuestos de manera correspondiente dentro de la instalación de obtención de energía, para evitar intervalos de frecuencia críticos que podrían excitar oscilaciones propias. Para ello la instalación de obtención de energía puede presentar unidad de control central, en la que se simula de manera paralela y en línea un sistema de ecuaciones... [Seguir leyendo]

1. Instalación de obtención de energía estacionaria con un dispositivo (2) de control para el control de la corriente y el flujo de energía, presentando la instalación (1) de obtención de energía al menos un rotor (3) accionado mecánicamente y un generador (4) acoplado con el rotor (3) , y en la que un sistema (5) electrónico de potencia en unión eficaz con el generador (4) posibilita un flujo de energía variable desde el rotor (3) a través del generador (4) y el sistema (5) electrónico de potencia hasta una carga (6) , y con una unidad (30) de control central, que presenta medios para:

- disponer sensores (13 a 17) de posición en un tren (9) de accionamiento de la instalación (1) de obtención de energía, que presenta al menos un rotor (3) mecánico, un árbol (24) de accionamiento, un engranaje (23) multiplicador, un generador (4) con rotor/unidad de estator y un sistema (5) electrónico de potencia;

- detectar diferencias de ángulo de rotación (q1 a q2; q2 a q3; q3 a q4; q4 a q5) de los sensores (13 a 17) de posición,

- monitorizando el incremento del ángulo de rotación (Lq1, Lq2, Lq3) del engranaje (23) multiplicador y la rotación completa (LqA) del tren (9) de accionamiento;

- simular de manera paralela un sistema (28) de ecuaciones en una unidad (30) de control central basándose en un modelo de la instalación (1) de obtención de energía a partir de elementos (31 a 33) de masa-resorte-amortiguador;

- generar valores teóricos para una diferencia de variación de corriente (Llq) y una diferencia de fase (Ly) de la corriente (I) en relación con una tensión de generador (U) para la compensación de oscilaciones transitorias de la instalación (1) de obtención de energía,

- teniéndose en cuenta en el modelo tomado como base de la instalación (1) de obtención de energía dos elementos activos en forma de entrada de energía eólica y salida de potencia eléctrica con elementos pasivos dispuestos entremedias, como inductancias y condensadores así como resistencias elásticas de los elementos constructivos incluyendo el elemento constructivo del engranaje multiplicador.

2. Instalación de obtención de energía según la reivindicación 1, caracterizada porque están previstos, para la compensación de cargas de oscilación en el lado del generador, al menos un control (7) de corriente por medio de un primer acumulador (8) de circuito intermedio del sistema (5) electrónico de potencia, y para la compensación de cargas de oscilación mecánicas y magnitudes de perturbación de un tren (9) de accionamiento, un control de flujo de energía por medio de al menos un segundo acumulador (10) de circuito intermedio adicional dispuesto en el sistema (5) electrónico de potencia, que presenta varias veces la capacidad de acumulación del primer acumulador (8) de circuito intermedio.

3. Instalación de obtención de energía según la reivindicación 2, caracterizada porque la instalación (1) de obtención de energía presenta oscilaciones en el espectro de frecuencia de desde algunas décimas de Hz hasta algunas decenas de Hz en el lado del rotor (3) y desde algunas decenas de Hz hasta algunas centenas de Hz en el lado del generador (4) .

4. Instalación de obtención de energía según la reivindicación 2 o la reivindicación 3, caracterizada porque el control de corriente está diseñado de manera que, por medio de un control del momento de torsión, la potencia eléctrica eficaz emitida a una red o a la carga (6) permanece constante, y las variaciones resultantes del control de corriente de la potencia eficaz se compensan en un circuito (11) intermedio del sistema (5) electrónico de potencia o pueden convertirse en los devanados del generador o en inversores adicionalmente en calor.

5. Instalación de obtención de energía según la reivindicación 1, caracterizada porque en la unidad 30 de control central se simula de manera paralela en línea un sistema de ecuaciones que describe el modelo (12) .

6. Instalación de obtención de energía según la reivindicación 1, caracterizada porque las oscilaciones transitorias más altas en el lado del generador y las oscilaciones resonantes en el tren (9) de accionamiento pueden modularse con el control de corriente del generador (4) .

7. Instalación de obtención de energía según una de las reivindicaciones anteriores 2 a 6, caracterizada porque están dispuestos sensores (13 a 15) de posición de ángulo de rotación al menos en el árbol secundario del generador (5) , el árbol (19) de accionamiento del generador (5) y en el rotor, cuyos valores de medición son magnitudes de entrada para la unidad de control central.

8. Instalación de obtención de energía según una de las reivindicaciones anteriores 2 a 7, caracterizada porque la instalación (1) de obtención de energía además de los sensores (13 a 17) de posición de ángulo de rotación

presenta al menos un sensor (20) de viento y un sensor para el ángulo de desplazamiento de las palas de rotor.

9. Instalación de obtención de energía según una de las reivindicaciones anteriores 2 a 8, caracterizada porque el tren (9) de accionamiento presenta un engranaje (23) multiplicador, que está dispuesto entre un árbol (24) de accionamiento acoplado al rotor (3) y un árbol (25) secundario acoplado con el engranaje (23) multiplicador.

10. Instalación de obtención de energía según la reivindicación 9, caracterizada porque el árbol (24) de accionamiento y/o el árbol (25) secundario presenta un embrague (26) .

11. Instalación de obtención de energía según una de las reivindicaciones anteriores 2 a 10, caracterizada porque el árbol (24) de accionamiento y/o el árbol (25) secundario presenta un dispositivo de frenado.

12. Procedimiento para el control de una instalación (1) de obtención de energía, que presenta las siguientes etapas de procedimiento:

- disponer sensores (13 a 17) de posición en un tren (9) de accionamiento de la instalación (1) de obtención de energía, que presenta al menos un rotor (3) mecánico, un árbol (24) de accionamiento, un engranaje (23) multiplicador, un generador (4) con rotor/unidad de estator y un sistema (5) electrónico de potencia;

- detectar diferencias de ángulo de rotación (q1 a q2; q2 a q3; q3 a q4; q4 a q5) de los sensores (13 a 17) de posición

- monitorizando el incremento del ángulo de rotación (Lq1, Lq2, Lq3) del engranaje (23) multiplicador y la rotación completa (LqA) del tren (9) de accionamiento;

- simular de manera paralela un sistema (28) de ecuaciones en una unidad (30) de control central basándose en un modelo de la instalación (1) de obtención de energía a partir de elementos (31 a 33) de masa-resorte-amortiguador;

- generar valores teóricos para una diferencia de variación de corriente (Llq) y una diferencia de fase (Ly) de la corriente (I) en relación con una tensión de generador (U) para la compensación de oscilaciones transitorias de la instalación (1) de obtención de energía,

- teniéndose en cuenta en el modelo tomado como base de la instalación (1) de obtención de energía dos elementos activos en forma de entrada de energía eólica y salida de potencia eléctrica con elementos pasivos dispuestos entremedias, como inductancias y condensadores así como resistencias elásticas de los elementos constructivos incluyendo el elemento constructivo del engranaje multiplicador.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado porque en una unidad (30) de control se almacena un modelo dinámico de la instalación (1) de obtención de energía, que tiene en cuenta ecuaciones (34, 35) matriciales que relacionan de manera aditiva vectores de momento de torsión con una matriz de momentos de inercia de masa (J) y una matriz de rigideces (K) y una matriz de amortiguaciones (D) , y vectores de momento de torsión en relación con un par rotor (Mz) y un momento electromecánico (Mem) del generador (4) .

14. Procedimiento según la reivindicación 12 o la reivindicación 13, caracterizado porque en el modelo se tienen en cuenta parámetros lineales y no lineales como funciones de las respectivas magnitudes, tales como momento de torsión, número de revoluciones y ángulo de giro de los componentes del tren (9) de accionamiento.

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizado porque se tienen en cuenta oscilaciones en el espectro de frecuencia de desde algunas décimas de Hz hasta algunas decenas de Hz en el lado del rotor (3) y desde algunas decenas de Hz hasta algunas centenas de Hz en el lado del generador (4) en el modelo de simulación.

16. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 15, caracterizado porque el control de corriente se diseña de manera que, por medio de un control del momento de torsión, la potencia eléctrica eficaz (P) emitida a la red o a la carga (6) permanece constante, y las variaciones resultantes del control de corriente de la potencia eficaz (P) y la potencia reactiva (Pj) en un circuito intermedio del sistema (5) electrónico de potencia se compensan o se convierten en los devanados del generador o en inversores adicionalmente en calor.

17. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 16, caracterizado porque las oscilaciones transitorias más altas en el lado del generador y las oscilaciones resonantes en el tren (9) de accionamiento se modulan con el control de corriente del generador (4) .

18. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 17, caracterizado porque se disponen sensores (13 a 17) de posición de ángulo de rotación al menos en el árbol (18) secundario del generador (4) , el árbol (19) de

accionamiento del generador (4) y en el rotor (3) , cuyos valores de medición proporcionan magnitudes de entrada para la unidad (30) de control central.

19. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 18, caracterizado porque además de los sensores (13 a 17) de posición de ángulo de rotación se detectan las relaciones de viento mediante un sensor (20) de viento y se tienen en cuenta en el modelo.

20. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 19, caracterizado porque además de los sensores (13 a 17) de posición de ángulo de rotación se detecta la posición de las palas de rotor mediante un sensor para el ángulo de desplazamiento de las palas de rotor y se tiene en cuenta en el modelo.