Sistema de regulación de baja tensión para una turbina eólica de velocidad variable que tiene una máquina excitadora y un convertidor de potencia no conectado a la red.

Un método de funcionamiento de una turbina eólica de velocidad variable que comprende:

convertir energía eólica en potencia mecánica mediante un rotor para hacer girar un grupo propulsor;

convertir la potencia mecánica en potencia eléctrica mediante un generador de doble alimentación (DFIG) acopladoal grupo propulsor;

usar una máquina excitadora acoplada al grupo propulsor y al sistema de conversión de potencia aislado de la redde potencia, para recibir la potencia generada por un rotor del DFIG o para proporcionar la potencia requerida por elrotor del DFIG;

caracterizado por transferir energía eléctrica del rotor del DFIG a energía mecánica en el grupo propulsor, medianteel sistema de conversión de potencia y la máquina excitadora en respuesta a una situación de baja tensión en la red.

Sistema de regulación de baja tensión para una turbina eólica de velocidad variable que tiene una máquina excitadora y un convertidor de potencia no conectado a la red

Antecedentes del invento.

Campo del invento.

Los métodos y aparatos compatibles con la presente invención se refieren al campo de las turbinas eólicas de velocidad variable, y más particularmente a una turbina eólica de velocidad variable que comprende un generador de inducción de doble alimentación (DFIG) , una máquina excitadora, un convertidor estático intermedio no conectado a la red y un sistema de control para mantener el generador de inducción de doble alimentación conectado a la red

durante una situación de baja tensión, y a un método para ponerlos en práctica.

Descripción de la técnica relacionada.

En los últimos pocos años en todo el mundo se ha incrementado la generación de energía eólica. Por este motivo las compañías de regulación de la red han modificado las especificaciones de conexión a la red de las turbinas eólicas con el fin de evitar la desconexión de una turbina eólica de la red en una situación de baja tensión o en la ocurrencia de algún tipo de perturbación en la red. Por lo tanto, son necesarias otras exigencias para las turbinas eólicas con respecto a su contribución a la estabilidad de la red cuando se producen perturbaciones en la tensión.

Normalmente, cuando se produce un fallo en la red en un sistema de doble alimentación, la protección de sobreintensidad del convertidor desconecta el convertidor. Esta protección se activa debido a que la intensidad del rotor no puede ser regulada por el convertidor del lado del rotor debido al cortocircuito que se produce en el lado del 20 estator del generador de doble alimentación. No obstante, esta inhabilitación de la conmutación no es suficiente para proteger el sistema debido a que la intensidad del rotor fluye a través de los diodos del convertidor hacia el circuito del Bus de CC, que aumenta la tensión del Bus de CC. Esta sobretensión podría dañar los componentes del convertidor. Por este motivo el rotor es cortocircuitado y el estator del generador es desconectado de la red. Este tipo de control ha sido puesto en práctica hasta hace poco en sistemas de turbinas eólicas de doble alimentación.

Sin embargo, el crecimiento de la producción de energía eólica está obligando a la creación de nuevas especificaciones de los códigos de red a fin de que la generación de energía eólica se adapte a estas nuevas exigencias. Estas exigencias están enfocadas hacia dos puntos principales: la no desconexión de la turbina eólica de la red y la contribución de la turbina eólica a la estabilidad de la red.

Se han propuesto muchas soluciones por los diferentes fabricantes de turbinas eólicas con el fin de satisfacer las 30 exigencias de los nuevos códigos de red. Algunas de estas soluciones se describen en los siguientes documentos:

- US 6.921.985: Este documento muestra un diagrama de bloques en el que el inversor está acoplado a la red. Un elemento externo al convertidor tal como un circuito de protección está acoplado con la salida del rotor del generador. Este circuito de protección funciona para derivar la intensidad del rotor del generador con el fin de proteger el convertidor de potencia cuando se produce un fallo en la red y para mantener el sistema conectado

a la red.

- US 2006/016388 A1: Este documento muestra un diagrama de bloques en el que el inversor está acoplado a la red. Un elemento externo al convertidor, tal como un circuito de protección, está conectado al rotor del generador. Este circuito de protección se usa para desacoplar eléctricamente el convertidor de los bobinados del rotor cuando se produce una situación de baja tensión.

- US 7.102.247: Este documento muestra dos diagramas de bloques con diferentes configuraciones. Los dos muestran un convertidor conectado a la red (V1, V2 y V3) . Dos elementos externos están conectados con el fin de mantener la conexión del sistema a la red cuando se produce un fallo en la red. En este documento se muestra un circuito de protección con una resistencia y se incluyen algunos elementos extra en el sistema del BUS. Estos elementos adicionales se activan cuando se produce un fallo en la red.

- WO 2004/098261: Este documento muestra un diagrama de bloques en donde un convertidor está conectado a la red. Este documento muestra el circuito de protección conectado al sistema del BUS. Este circuito de protección se activa cuando aumenta la tensión en el BUS después de una situación de baja tensión.

Sin embargo, cada solución propuesta y descrita en estos documentos y en otros, tales como los WO2004/040748A1 o WO2004/070936A1, tienen una característica común: todas las soluciones incluyen unos 50 convertidores electrónicos de potencia conectados directamente a la red. Esta característica es la causa de un problema muy importante cuando en la red se produce una tensión momentánea. Como se explicará, este convertidor en el lado de la red tiene una limitación funcional cuando se produce un fallo, debido a que el convertidor en el lado de la red va a funcionar con una tensión en la red reducida (que depende del fallo en la red) , de modo que se reduce su capacidad de evacuación de energía. Actualmente, cuando se produce un fallo en la red, la energía de 55 desmagnetización del generador es enviada al BUS y, debido a la limitación del convertidor en el lado de la red,

aumenta la tensión en el BUS, lo que podría dañar los componentes del convertidor. Por este motivo estas soluciones incluyen algunos elementos extra conectados principalmente al rotor o al sistema del BUS. Estos elementos extra absorben la energía de desmagnetización del generador cuando se produce un fallo en la red con el fin de mantener la turbina eólica conectada a la red y, de este modo, satisfacen las especificaciones del nuevo código de la red. Todos estos elementos están normalmente formados a partir de una combinación de elementos pasivos, como resistencias, y elementos activos tales como conmutadores.

En soluciones de este tipo cada perturbación o fluctuación que se produce en la red afecta directamente al convertidor en el lado de la red, de modo que su limitación de intensidad implica que el funcionamiento de la turbina eólica durante un fallo en la red no está completamente optimizado.

Compendio de la invención.

La presente invención se refiere a un método de acuerdo con la reivindicación 1. Las realizaciones a título de ejemplo de la presente invención aquí descritas resuelven las anteriores desventajas y otras desventajas no descritas antes. También, la presente invención no es necesaria para superar las desventajas antes descritas, y una realización a título de ejemplo de la presente invención puede no solucionar cualquiera de los problemas antes descritos. En consecuencia, en las realizaciones a título de ejemplo aquí descritas el funcionamiento de las turbinas eólicas durante los fallos en la red se optimiza debido a que no hay electrónica de potencia conectada a la red. El sistema presente con una máquina excitadora garantiza que el convertidor en el lado del excitador trabaje en todo momento con una tensión estable.

Se proporciona un método de control para mantener el generador de doble alimentación conectado a la red cuando se produce un fallo en la red. Las realizaciones a título de ejemplo aquí descritas están basadas en la topología descrita en la solicitud de patente de EEUU nº 11/477.593. El método descrito aquí no requiere elementos extra y usa una máquina excitadora para convertir la energía eléctrica (debida a la desmagnetización del generador) en energía mecánica.

El documento “Evaluation of electrical systems for offshore windíarms” Bauer, P.; De Hean, S.W.H.; Meyl, C.R.; Pierik, J.T.G.; Industr y Applications Conference, 2000. El Conference Record of the 2000 IEEE 1416-1423 vol. 3, 08 October 2000 describe un inventario de sistemas eléctricos en turbinas eólicas. En una primera parte discute los tipos de generadores e incluye una reluctancia variable, de doble alimentación sin escobillas, una caja de engranajes superpuesta y opciones de hipocicloide. En una segunda parte se centra en la transmisión de la potencia eléctrica a tierra. Se discuten los diseños novedosos y se presenta una evaluación económica preliminar. Se eligen unos criterios de evaluación para clasificar estos sistemas.

El documento “Modelling and simulation of an autonomous variable speed micro hydropower station”. A. Ansel and

B.R. Robyns Mathematics and Computers in Simulation, Volumen 71, Números 4-6, 19... [Seguir leyendo]

1. Un método de funcionamiento de una turbina eólica de velocidad variable que comprende:

convertir energía eólica en potencia mecánica mediante un rotor para hacer girar un grupo propulsor;

convertir la potencia mecánica en potencia eléctrica mediante un generador de doble alimentación (DFIG) acoplado 5 al grupo propulsor;

usar una máquina excitadora acoplada al grupo propulsor y al sistema de conversión de potencia aislado de la red de potencia, para recibir la potencia generada por un rotor del DFIG o para proporcionar la potencia requerida por el rotor del DFIG;

caracterizado por transferir energía eléctrica del rotor del DFIG a energía mecánica en el grupo propulsor, mediante 10 el sistema de conversión de potencia y la máquina excitadora en respuesta a una situación de baja tensión en la red.

2. El método definido en la reivindicación 1, que además comprende ajustar las intensidades del rotor con el fin de generar las intensidades del estator deseadas para cumplir las exigencias de conexión a la red.

3. El método definido en la reivindicación 2, en donde las intensidades del rotor se ajustan con el fin de suministrar una intensidad reactiva a la red durante una situación de baja tensión.

4. El método definido en la reivindicación 2, en donde las intensidades del rotor se ajustan con el fin de suministrar una intensidad real a la red durante la situación de baja tensión.

5. El método definido en la reivindicación 2, en donde las intensidades del rotor se ajustan con el fin de suministrar una mezcla de intensidad real y reactiva a la red durante la situación de baja tensión.

6. El método definido en la reivindicación 2, en donde las intensidades del rotor se ajustan con el fin de suministrar 20 una potencia reactiva a la red durante la situación de baja tensión.

7. El método definido en la reivindicación 2, en donde las intensidades del rotor se ajustan con el fin de suministrar una potencia real a la red durante la situación de baja tensión.

8. El método definido en la reivindicación 2, en donde las intensidades del rotor se ajustan con el fin de suministrar una mezcla de potencia real y reactiva a la red durante la situación de baja tensión.

9. Un método de funcionamiento de un sistema de conversión de potencia definido en la reivindicación 1, en donde las frecuencias de conmutación pueden ajustarse y modificarse dinámicamente.

10. El método definido en la reivindicación 6, en donde una frecuencia de conmutación de un convertidor en el lado del excitador del sistema de conversión de potencia puede ajustarse y modificarse dinámicamente.

11. El método definido en la reivindicación 6, en donde una frecuencia de conmutación de un convertidor en el lado 30 del rotor del sistema de conversión de potencia puede ajustarse y modificarse dinámicamente.