Control directo de potencia y vector de flujo del estator de un generador para un sistema de conversión de energía eólica.

Método para generar un vector de referencia de flujo del estator Ψ

*s para controlar un generador (11, 51, 71) que comprende un estator y un rotor, comprendiendo dicho método:

determinar una primera componente de vector de referencia de flujo del estator Ψ *s1 correspondiente a un flujo de magnetización Ψ mag de una magnitud deseada para el generador (11, 51, 71),

determinar una magnitud de una corriente equivalente correspondiente a un flujo del estator de producción de potencia y/o par motor Ψ par motor de una magnitud deseada para el generador,

determinar una corriente de estator real |is| y limitar la magnitud de la corriente equivalente si la corriente de estator real está por encima de un umbral predefinido (Ismáx),

determinar una segunda componente de vector de referencia de flujo del estator Ψ *s2 ≥ Is · Ls basándose en la corriente equivalente limitada, y

determinar un vector de referencia de flujo del estator Ψ *s basándose en las componentes de vector de referencia de flujo del estator primera y segunda

Control directo de potencia y vector de flujo del estator de un generador para un sistema de conversión de energía eólica

Campo técnico

La presente invención se refiere en general a convertidores de potencia, y más específicamente a convertidores de potencia que pueden conectarse a generadores de turbinas eólicas (WTG) que funcionan a velocidades variables, proporcionando de ese modo una tensión y una corriente con amplitud y frecuencia variables.

Antecedentes de la invención

El viento se ha usado desde hace ya tiempo como fuente de energía y en los últimos años ha pasado a ser muy común usar el viento para producir energía eléctrica. Para ello, la energía en el viento se captura mediante un conjunto de palas (normalmente dos o tres) de una central eólica. El viento capturado por las palas hace girar un árbol conectado a las palas. El árbol está conectado a un rotor de un generador, que a su vez gira a la misma velocidad que el árbol, o a un múltiplo de la velocidad del árbol en caso de que el rotor esté conectado al árbol por medio de una caja de engranajes. Entonces, el generador convierte la energía mecánica proporcionada por el viento en energía eléctrica para su entrega a la red eléctrica.

Para optimizar la eficiencia de un generador de turbina eólica, se prefiere usar un generador de velocidad variable, en el que la velocidad del rotor y por tanto del árbol y las palas dependen de la velocidad del viento. Esto implica que debe establecerse un punto de funcionamiento óptimo para el WTG a diversas velocidades del viento. Esto se realiza controlando el par motor o la potencia entregada por el generador. El sistema de control en un WTG controla normalmente la potencia reactiva intercambiada entre el WTG y la red eléctrica así como la potencia activa extraída del WTG para realizar el seguimiento del punto de funcionamiento óptimo para el WTG. La potencia activa es la componente de la potencia eléctrica total, o aparente, que realiza trabajo y se mide en vatios. El trabajo real que realiza la potencia activa difiere de la potencia reactiva que se mide en voltioamperios reactivos y establece y mantiene los campos eléctricos y magnéticos de máquinas de corriente alterna. La potencia aparente, medida en voltioamperios, es la suma vectorial de la potencia real y la reactiva.

La potencia y el par motor de un WTG están relacionados por la velocidad angular (es decir la velocidad rotacional del rotor) según

Esto implica que el control de par motor y potencia presenta diferentes características cuando se aplica a un WTG. Más específicamente, al controlar el par motor de un WTG, es necesario incluir la velocidad de rotor en el bucle de control. Por tanto, el control de potencia es superior al control de par motor cuando la señal a controlar es la potencia ya que la respuesta transitoria es diferente para los dos métodos de control, es decir al usar control de par motor, un cambio en la potencia requeriría estabilizar tanto la velocidad de rotor como el par motor antes de poder aplicar un control apropiado.

Un primer tipo de sistemas de control para WTG se refiere al control de (normalmente) tres tensiones sinusoidales desplazadas espacialmente 12° que se aplican a las tres fases del estator del generador. La generación de las ondas sinusoidales se basa en las propiedades del generador, es decir un modelo equivalente para el generador cuando funciona en su estado estacionario se deriva de las características eléctricas y mecánicas del generador en el que el sistema de control se diseña basándose en el tipo de generador usado (por ejemplo asincrono o síncrono).

Normalmente la generación de una de las ondas sinusoidales en el sistema trifásico se realiza independientemente de las otras ondas sinusoidales, es decir este tipo de sistemas de control funcionan como tres controles de sistema monofásico independientes en lugar de como un control común de un sistema trifásico. Este hecho tiene como resultado que cualquier desequilibrio en el sistema trifásico o cualquier interacción entre las fases no se considerará en este tipo de control. Además, resulta evidente que el modelo de generador sólo será válido durante el funcionamiento en estado estacionario del generador. Durante el funcionamiento transitorio del generador (arranque, parada, cambios de carga, etc.) el control permitirá por tanto altos transitorios de tensión y corriente de pico. Esto da como resultado una disminución de la eficiencia de la conversión de potencia así como la necesidad de sobredimensionar los componentes eléctricos del sistema WTG para hacer frente a las sobreintensidades y sobretensiones transitorias.

Para superar los inconvenientes de la estructura de control anterior se ha presentado una estructura de control alternativa denominada generalmente Control de Campo Orientado (FOC). La idea principal detrás del FOC es controlar las corrientes de estator del generador usando una representación vectorial de las corrientes. Más específicamente, el FOC se basa en transformaciones de coordenadas que transforman un sistema dependiente del tiempo y la velocidad de tres fases en un sistema invariable en el tiempo de dos coordenadas.

La ventaja de realizar una transformación a partir de un sistema de coordenadas estacionario de tres fases a un

sistema de coordenadas giratorio es que el control del generador puede realizarse controlando magnitudes de CC. La transformación se realiza en dos etapas: 1) transformación del sistema de coordenadas estacionario abe de tres fases a un sistema de coordenadas estacionarlo de dos fases denominado a(5 (conocida como transformación de Clarke), y 2) transformación del sistema de coordenadas estacionario ap a un sistema de coordenadas giratorio dq 5 (conocida como transformación de Park). Más específicamente, la transformación del marco de referencia abe natural al marco de referencia dq síncrono se obtiene mediante las ecuaciones

y

queda

k A oJ=k

k °J=K A

k j = k b,

donde =o)t es el ángulo entre el eje a estacionario y el eje d síncrono.

Controlar un generador por medio de FOC requiere la provisión de una componente de par motor alineada de eje q y una componente de flujo alineada de eje d como entrada para el sistema. Tal como se explicó anteriormente, las 15 componentes orientadas d y q son transformaciones a partir del sistema de coordenadas de tres fases estacionario lo que implica que el FOC, debido al acoplamiento directo de las magnitudes eléctricas trifásicas, aceptará el funcionamiento tanto de estado estacionario como transitorio del sistema independientemente del modelo de generador.

El par motor electromecánico Tem del generador en el sistema de coordenadas dq puede expresarse como

T oc NP i

* EM 1 rotor ^Oestator

lo que facilita la aplicación de control de par motor directo en comparación con el primer tipo de sistema de control dado a conocer anteriormente. Más específicamente, manteniendo la amplitud del flujo de rotor a un valor fijado es posible controlar la componente de par motor de la corriente de estator debido a la relación lineal entre el par motor y la componente de par motor iqestator.

Otra ventaja técnica del FOC comparado con el control trifásico directo es el nivel existente de conocimiento técnico que se ha puesto en práctica en la industria de los accionamientos de CC. Esto conduce a una reducción sustancial en el tiempo entre diseño y comercialización de cualquier accionamiento que se controle usando un controlador FOC.

El documento US58339 da a conocer una turbina eólica de velocidad variable que comprende un rotor de turbina 3 que impulsa un generador multifásico, un convertidor de potencia con conmutadores que controlan... [Seguir leyendo]

Método para generar un vector de referencia de flujo del estator 'F's para controlar un generador (11, 51, 71) que comprende un estator y un rotor, comprendiendo dicho método:

determinar una primera componente de vector de referencia de flujo del estator T*si correspondiente a un flujo de magnetización *Pmag de una magnitud deseada para el generador (11, 51, 71),

determinar una magnitud de una corriente equivalente correspondiente a un flujo del estator de producción de potencia y/o par motor *PPar motor de una magnitud deseada para el generador,

determinar una corriente de estator real |is| y limitar la magnitud de la corriente equivalente si la corriente de estator real está por encima de un umbral predefinido (lsmáx),

determinar una segunda componente de vector de referencia de flujo del estator *P*s2 = ls U basándose en la corriente equivalente limitada, y

determinar un vector de referencia de flujo del estator *P*S basándose en las componentes de vector de referencia de flujo del estator primera y segunda.

Método según la reivindicación 1, en el que la primera componente de vector de referencia de flujo del estator se basa en el flujo de magnetización y una posición angular del rotor.

Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que la segunda componente de vector de referencia de flujo del estator se basa en el flujo del estator de producción de potencia y/o par motor y una posición angular del rotor.

Método según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que la segunda componente de referencia de vector de flujo del estator está adelantada con respecto a la primera componente de vector de referencia de flujo del estator en 9°.

Método según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, que comprende

determinar un valor de referencia de potencia correspondiente a una potencia de salida de una magnitud deseada del generador(11, 51, 71),

comparar el valor de referencia de potencia con un valor de potencia real correspondiente a la potencia de salida real del generador (11, 51, 71) y

determinar la magnitud de la corriente equivalente basándose en la diferencia entre el valor de referencia de potencia y el valor de potencia real.

Método según la reivindicación 5, en el que la diferencia entre el valor de referencia de potencia y el valor de potencia real se sustituye por un valor cero para determinar la magnitud de la corriente equivalente si la corriente de estator real está por encima del umbral predefinido.

Método según la reivindicación 6, en el que la diferencia entre el valor de referencia de potencia y el valor de potencia real se restaura para determinar la magnitud de la corriente equivalente si se altera el signo de la diferencia.

Método según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que la magnitud de la corriente equivalente se ajusta basándose en una velocidad de giro del generador (11, 51, 71).

Método según cualquiera de las reivindicaciones 5-8, en el que el estator del generador (11, 51, 71) está conectado a conmutadores (52, 53) en un convertidor de potencia (13) y los conmutadores (52, 53) se accionan en correspondencia con el vector de referencia de flujo del estator total determinado para adaptar al menos una magnitud eléctrica de estator para obtener dicha magnitud de potencia de generador deseada.

Método según la reivindicación 9, que comprende

estimar un vector de flujo del estator real del generador (11, 51, 71),

determinar un vector de diferencia de flujo del estator entre el vector de referencia de flujo del estator total determinado y el vector de flujo del estator estimado, y

accionar dichos conmutadores (52, 53) en correspondencia con el vector de diferencia de flujo del estator determinado para adaptar al menos una magnitud eléctrica de estator para obtener dicha magnitud de potencia de generador deseada.

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Método según cualquiera de las reivindicaciones 1-1, en el que el generador (11, 51, 71) es un generador de ¡manes permanentes (11, 51, 71), un generador bobinado (11, 51, 71) o un generador de Inducción (11, 51, 71).

Aparato para generar un vector de referencia de flujo del estator 'F's para controlar un generador (11, 51, 71) que comprende un estator y un rotor, comprendiendo dicho aparato:

un primer generador de vector (87) para determinar una primera componente de vector de referencia de flujo del estator 'FVi correspondiente a un flujo de magnetización Tmag de una magnitud deseada para el generador (11, 51, 71),

un controlador de potencia (79, 81, 82) para determinar una magnitud de corriente equivalente correspondiente a un flujo del estator de producción de potencia y/o par motor Ypar motor de una magnitud deseada para el generador (11, 51, 71), y

un combinador para determinar un vector de referencia de flujo del estator 'F's basándose en la primera componente de vector de referencia de flujo del estator 'F'si y una segunda componente de vector de referencia de flujo del estator, caracterizado por

un limitador de corriente (86) para determinar una corriente de estator real |is| y limitar la magnitud de la corriente equivalente si la corriente de estator real está por encima de un umbral predefinido (lsmáx) y

un segundo generador de vector (88) para determinar la segunda componente de vector de referencia de flujo del estator = U Ls basándose en la corriente equivalente limitada.

Aparato según la reivindicación 12, en el que el primer generador de vector (87) está adaptado para determinar la primera componente de vector de referencia de flujo del estator basándose en el flujo de magnetización y una posición angular del rotor.

Aparato según la reivindicación 12 ó 13, en el que el segundo generador de vector (88) está adaptado para determinar la segunda componente de vector de referencia de flujo del estator basándose en el flujo del estator de producción de potencia y/o par motor y una posición angular del rotor.

Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 12-14, que comprende un bloque de adelanto de fase para situar la segunda componente de referencia de vector de flujo del estator con un adelanto de 9° con respecto a la primera componente de vector de referencia de flujo del estator.

Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 12-15, que comprende

una entrada para recibir un valor de referencia de potencia correspondiente a una potencia de salida de una magnitud deseada del generador (11, 51, 71),

un comparador para comparar el valor de referencia de potencia con un valor de potencia real correspondiente a la potencia de salida real del generador (11, 51, 71), en el que el controlador de potencia (79, 81, 82) está adaptado para determinar la magnitud de corriente equivalente basándose en la diferencia entre el valor de referencia de potencia y el valor de potencia real.

Aparato según la reivindicación 16, en el que el controlador de potencia (79, 81, 82) está adaptado para sustituir la diferencia entre el valor de referencia de potencia y el valor de potencia real por un valor cero para determinar la magnitud de la corriente equivalente si la corriente de estator real está por encima del umbral predefinido.

Aparato según la reivindicación 17, en el que el controlador de potencia (79, 81, 82) está adaptado para restaurar la diferencia entre el valor de referencia de potencia y el valor de potencia real i para determinar la magnitud de la corriente equivalente si se altera el signo de la diferencia.

Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 12-18, en el que el controlador de potencia (79, 81, 82) está adaptado para ajustar la magnitud de la corriente equivalente basándose en una velocidad de giro del generador (11, 51, 71).

Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 16-19, en el que el estator del generador (11, 51, 71) está conectado a conmutadores (52, 53) en un convertidor de potencia (79, 81, 82) y el convertidor de potencia (79, 81, 82) está adaptado para accionar los conmutadores (52, 53) en correspondencia con el vector de referencia de flujo del estator total determinado para adaptar al menos una magnitud eléctrica de estator para obtener dicha magnitud de potencia de generador deseada.

Aparato según la reivindicación 2, que comprende:

un calculador de flujo (78) para estimar un vector de flujo del estator real del generador,

un comparador para determinar un vector de diferencia de flujo del estator entre el vector de referencia de flujo del estator total determinado y el vector de flujo del estator estimado, en el que el convertidor de potencia (79, 81, 82) está adaptado para accionar dichos conmutadores (52, 53) en correspondencia con el vector de diferencia de flujo del estator determinado para adaptar al menos una magnitud eléctrica de 5 estator para obtener dicha magnitud de potencia de generador deseada.

22. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 12-21, en el que el generador (11, 51, 71) es un generador de ¡manes permanentes (11, 51, 71), un generador bobinado (11, 51, 71) o un generador de inducción.