Método y aparato para resistir la pérdida de red sin averías para un sistema de control de paso de turbinas eólicas.

En una turbina/generador eólico (10) que tiene un cubo giratorio (18),

al menos una pala (20) asegurada de forma giratoria a dicho cubo (18), un sistema de control de paso (30) para la regulación del paso de cada dicha pala (20), dicho sistema de control de paso (30) situado dentro de dicho cubo giratorio (18), una góndola estacionaria (14) y un conjunto de anillo colector (61) en una junta de un circuito eléctrico entre dicho cubo giratorio (18) y dicha góndola estacionaria (14), estando dispuesto funcionalmente dicho conjunto de anillo colector (61) para la transmisión de señales eléctricas entre los equipos situados dentro de dicho cubo giratorio (18) y los equipos situados dentro de dicha góndola estacionaria (14), un aparato para resistir la pérdida de red sin averías para dicho sistema de control de paso (30), que comprende:

una lógica del sistema de paso y circuitos de control, y un servo bus de alta potencia;

medios para detectar y monitorear la potencia en el lado giratorio de dicho conjunto de anillo colector (61); y, medios para suministrar potencia a dicho sistema de control de paso (30) desde las unidades de alimentación de emergencia (2, 3), pertenecientes a diferentes palas, cuando dicha potencia detectada cae a un nivel predeterminado, en donde dichos medios para suministrar potencia a dicho sistema de control de paso (30) incluyen un bloque de terminales (TB1), las unidades de alimentación de emergencia (2, 3) y los relés (RL1, RL2), en donde, cuando se interrumpe la corriente alterna, los relés (RL1, RL2) se cierran, lo que conecta las unidades de alimentación de emergencia (2, 3) con el bloque de terminales (TB1) para el funcionamiento de alimentación del servo por las unidades de alimentación de emergencia (2, 3), en donde la una unidad de alimentación (2) suministra potencia para la lógica del sistema de paso y los circuitos de control y la otra unidad de potencia (3) suministra potencia para el servo bus de alta potencia.

Método y aparato para resistir la pérdida de red sin averías para un sistema de control de paso de turbinas eólicas Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a las turbinas eólicas, más específicamente, a sistemas de control de paso para turbinas eólicas, y, aún más específicamente, a un método y aparato para resistir la pérdida de red sin averías para un sistema de control de paso de turbinas eólicas.

Antecedentes de la técnica

Como es bien sabido, una turbina eólica es una máquina que convierte la energía cinética del viento en energía mecánica. Si la energía mecánica se utiliza directamente por la maquinaria, tal como una bomba o piedras de molienda, la máquina se denomina normalmente molino de viento. Si la energía mecánica se convierte en electricidad, la máquina se denomina generador de viento. Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Wind turbine . Las turbinas eólicas se pueden clasificar adicionalmente por la estructura y la orientación basados en el eje alrededor del que gira la turbina. Las turbinas que giran sobre un eje horizontal se denominan turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT), mientras que las que giran alrededor de un eje vertical se denominan turbinas eólicas de eje vertical (VAWT). Las HAWT son más comunes que las VAWT. Wikipedia, supra.

En principio, la producción de potencia eléctrica con el viento es un proceso sencillo. La mayoría de las turbinas HAWT tienen tres grandes palas montadas en un cubo giratorio. Las palas están diseñadas aerodinámicamente para girar tan fácilmente como sea posible cuando el viento sobre las mismas (el número de palas puede variar). Las palas giratorias hacen girar un eje, que se conecta a través de una caja de engranajes a un generador que produce electricidad. La caja de engranajes y el generador se montan en una góndola que, a su vez, se monta encima de una torre. A medida que el viento sopla a través de las palas de la turbina, las mismas crean una "elevación", al igual que un ala de avión, y comienzan a girar. Las palas giratorias hacen girar un eje de baja velocidad a una velocidad relativamente baja, por lo general de 3-6 rpm. La caja de engranajes se conecta el eje de baja velocidad con un eje de alta velocidad que acciona el generador. El engranaje también aumenta la velocidad de giro del eje de alta velocidad a la velocidad de funcionamiento del generador. Esta velocidad de funcionamiento puede variar, pero normalmente está en el intervalo de 9-18 rpm. Este eje que gira rápidamente acciona el generador para producir potencia eléctrica. La salida eléctrica del generador se conecta a la red eléctrica más grande. Normalmente, generadores de gran capacidad proporcionan tensiones polifásicas con una frecuencia controlada sincronizada con la red. Las salidas del generador se conectan a la red a través de transformadores adecuados.

Las propias palas se pueden hacer girar, o pasar, también alrededor de sus ejes longitudinales, sin viento, para controlar la velocidad del rotor y evitar que el rotor gire con vientos que son demasiado altos o demasiado bajos para producir electricidad. También se pueden hacer pasar a una posición "de bandera" para evitar el giro en caso de una emergencia. (La turbina eólica incluye también normalmente un sistema de frenado de emergencia para detener el giro en caso de una emergencia). Las palas se hacen girar alrededor de sus ejes longitudinales por un sistema de control de paso. Existen diversas maneras diferentes de hacer esto, incluyendo actuadores y motores. El sistema de control de paso, que comprende motores o actuadores y fuentes de alimentación asociadas y la electrónica de control, se monta de forma convencional en el cubo de giro de la turbina. La alimentación se suministra al sistema de control de paso desde anillos colectores que transmiten potencia desde un bus/suministro estacionario montado en la góndola. La fuente de alimentación para el sistema de control de paso puede venir de un número de fuentes. Se puede proporcionar por la propia red principal a través de transformadores adecuados, o se puede proporcionar por el generador accionado por la turbina.

Históricamente, las turbinas eólicas han contribuido con un porcentaje muy bajo a las demandas de energía mundiales. Pero el agotamiento de los recursos naturales como el petróleo y el gas natural, los precios más altos asociados a estos recursos, y las ramificaciones políticas asociadas con la dependencia del petróleo extranjero, están cambiando el paisaje de la generación de energía. La industria está respondiendo con turbinas de capacidades más altas (calificaciones de 1,5 MW o más), una mejor tecnología, y parques eólicos que cuentan con un gran número de turbinas eólicas. Como se ha informado recientemente por CNNMoney.com, "las fuentes de la industria de energía eólica informaron que aproximadamente 15. megavatios de nueva capacidad de generación de energía eólica fueron instalados en todo el mundo en 26, un aumento del 25 por ciento desde el 25. La industria ha mantenido una tasa de crecimiento promedio de más del 17% durante los últimos cinco años, y las estimaciones de la industria proyectan una tasa de crecimiento similar y un valor total de mercado de equipos para producir energía eólica más de $18 mil millones para los próximos cinco años". http://monev.cnn.com/news/newsfeeds/articles/prnewswire/LAM3272Q7-1.htm . Estas estadísticas y previsiones son confirmadas por E.ON Netz, el operador de del sistema de transmisión alemán del Grupo E.ON, quien informó en 25: "En 24, Alemania volvió a ser el líder mundial global en la producción de energía eólica. Al final de 24, las plantas de energía eólica con una capacidad instalada de 16.4 MW suministrada a las redes eléctricas alemanas. De acuerdo con los estudios de la red por parte de la Deutsche Energie-Agentur (dena), se espera que la capacidad de energía eólica en Alemania aumente a 48. MW en 22, en torno a un aumento de

tres veces desde 24. Esto significa que Alemania sigue siendo indiscutiblemente el principal generador mundial de energía eólica. En 24, Alemania representó aproximadamente un tercio mundial y la mitad de la capacidad de energía eólica de Europa... En total, los parques eólicos alemanes generaron 26 mil millones de kWh de electricidad, que es aproximadamente el 4,7 % de la demanda bruta de Alemania. "Informe del viento del 25, E.ON Netz. En el pasado, cuando las turbinas eólicas jugaron un papel insignificante en la generación de potencia, podrían haberse ignorado en gran medida al considerar la estabilidad de la red. Esto ya no es el caso.

En respuesta a este crecimiento en la industria de turbinas eólicas y su impacto en la red nacional, la Comisión Federal Reguladora de Energía ("FERC") ha planteado requisitos mínimos para la respuesta de la planta eólica a ciertas condiciones de baja tensión en la red de distribución de potencia. Estos requisitos exigen que las turbinas eólicas se mantengan conectadas a la red durante condiciones de "pérdida de red" transitorias prescritas. Requisitos similares están siendo ordenados por las autoridades reguladoras y de conexión a la red en todo el mundo. Generalmente, describen la tensión que cae inmediatamente en t = a un nivel muy reducido tal como el 1 o el 15 % del nivel nominal de la línea y volviendo después gradualmente a al menos el 8 % de nivel nominal de la línea dentro de los tres segundos de t =. Los niveles son considerados como las tres fases combinadas y no en lo que respecta a las fases individuales. Los requisitos globales de la FERC, E.ON Netz (Alemania), HECO (Hawai), y la autoridad de redes española pueden, por ejemplo, satisfacerse por un perfil de la pérdida de alimentación simplificado descrito de la siguiente manera: el sistema de control de paso debe seguir funcionando normalmente cuando el nivel de tensión principal CA cae por debajo del 8 %, y tan bajo como cero, y se mantiene por debajo del 8 % durante al menos un período tan largo como tres segundos, momento en que el nivel principal de CA vuelve a un mínimo del 8 % del nivel nominal de la línea.

Esta operación continua del sistema de control de paso se conoce en la industria como la capacidad de "resistir sin averías". La misma describe ampliamente la capacidad del sistema de control de paso de funcionar durante una condición de "pérdida de red", es decir, una condición que corta la alimentación del sistema de control de paso por cualquier número de razones. Curiosamente, no todo el mundo en la industria define "la pérdida de red" de la misma manera, o intenta resolver el mismo problema, ni mucho menos de la misma manera. Para los fines de esta patente, definimos la pérdida de red como cualquier condición que interrumpe la alimentación... [Seguir leyendo]

1. En una turbina/generador eólico (1) que tiene un cubo giratorio (18), al menos una pala (2) asegurada de forma giratoria a dicho cubo (18), un sistema de control de paso (3) para la regulación del paso de cada dicha pala (2), dicho sistema de control de paso (3) situado dentro de dicho cubo giratorio (18), una góndola estacionaria (14) y un conjunto de anillo colector (61) en una junta de un circuito eléctrico entre dicho cubo giratorio (18) y dicha góndola estacionaria (14), estando dispuesto funcionalmente dicho conjunto de anillo colector (61) para la transmisión de señales eléctricas entre los equipos situados dentro de dicho cubo giratorio (18) y los equipos situados dentro de dicha góndola estacionaria (14), un aparato para resistir la pérdida de red sin averías para dicho sistema de control de paso (3), que comprende:

una lógica del sistema de paso y circuitos de control, y un servo bus de alta potencia; medios para detectar y monitorear la potencia en el lado giratorio de dicho conjunto de anillo colector (61); y, medios para suministrar potencia a dicho sistema de control de paso (3) desde las unidades de alimentación de emergencia (2, 3), pertenecientes a diferentes palas, cuando dicha potencia detectada cae a un nivel predeterminado, en donde dichos medios para suministrar potencia a dicho sistema de control de paso (3) incluyen un bloque de terminales (TB1), las unidades de alimentación de emergencia (2, 3) y los relés (RL1, RL2), en donde, cuando se interrumpe la corriente alterna, los relés (RL1, RL2) se cierran, lo que conecta las unidades de alimentación de emergencia (2, 3) con el bloque de terminales (TB1) para el funcionamiento de alimentación del servo por las unidades de alimentación de emergencia (2, 3), en donde la una unidad de alimentación (2) suministra potencia para la lógica del sistema de paso y los circuitos de control y la otra unidad de potencia (3) suministra potencia para el servo bus de alta potencia.

2. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho medio para detectar y monitorear la potencia comprende amplificadores operacionales (U1A, U2A, U1B, U2B, U4A, U4B) configurados para medir tensiones analógicas, y un microprocesador funcionalmente dispuesto para convertir dichas tensiones analógicas en señales digitales para su posterior procesamiento.

3. El aparato de acuerdo con la reivindicación 2, en el que dicho medio para detectar y monitorear la potencia detecta simultáneamente tres tensiones de fases diferentes.

4. El aparato de acuerdo con la reivindicación 2, en el que dicho microprocesador se dispone funcionalmente para sumar los cuadrados de las tensiones detectados y para enviar una señal para conectar una fuente de alimentación de reserva (44, 46) cuando el valor absoluto de la suma de las tensiones detectadas cae por debajo del 8 % de un nivel nominal.

5. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además medios para desconectar una fuente de alimentación principal para dicho sistema de control de paso (3) cuando dicha fuente de alimentación de reserva (52) está conectada.

6. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las tensiones trifásicas de alimentación se aplican y se miden en el lado giratorio de dicho conjunto de anillo colector (61), y dicho nivel predeterminado es de aproximadamente el 8 % del valor absoluto de la suma del valor cuadrado de las tensiones trifásicas.

7. Una turbina/generador eólico (1) que comprende:

un cubo giratorio (18);

al menos una pala (2) asegurada a dicho cubo (18);

un sistema de control de paso (3) para la regulación del paso de cada una de dichas palas (2), dicho sistema de control de paso (3) situado dentro de dicho cubo giratorio (18); una góndola estacionaria (14);

un conjunto de anillo colector (61) en una junta de un circuito eléctrico entre dicho cubo giratorio (18) y dicha góndola estacionaria (14), estando dispuesto funcionalmente dicho conjunto de anillo colector (61) para la transmisión de señales eléctricas entre los equipos situados dentro de dicho cubo giratorio (18) y los equipos situados dentro de dicha góndola estacionaria (14); y

un aparato para resistir la pérdida de red sin averías para dicho sistema de control de paso (3) de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

8. En una turbina/generador eólico (1) que tiene un cubo giratorio (18), al menos una pala (2) asegurada de forma giratoria a dicho cubo (18), un sistema de control de paso (3) para la regulación del paso de cada una de dichas palas (2), estando situado dicho sistema de control de paso (3) dentro de dicho cubo giratorio (18), una góndola estacionaria (14), y un conjunto de anillo colector (61) en una junta de un circuito eléctrico entre dicho cubo giratorio (18) y dicha góndola estacionaria (14), estando dispuesto funcionalmente dicho conjunto de anillo colector (61) para la transmisión de señales eléctricas entre los equipos situados dentro de dicho cubo (18) y los equipos situados dentro de dicha góndola giratoria estacionaria (14), un método para resistir la pérdida de red sin averías para dicho sistema de control de paso (3), que comprende las etapas de:

detectar y monitorear la potencia en el lado giratorio de dicho conjunto de anillo colector (61);

cerrar los relés (RL1, RL2) para conectar las unidades de alimentación de emergencia (2, 3), pertenecientes a

diferentes palas, con un bloque de terminales (TB1); y

suministrar potencia a dicho sistema de control de paso (3) desde las unidades de alimentación de emergencia (2, 3) cuando dicha potencia detectada cae a un nivel predeterminado, en donde la una unidad (2) suministra potencia para la lógica del sistema de paso y los circuitos de control y la otra unidad de potencia (3) suministra potencia para el bus de alta potencia.

9. El método de acuerdo con la reivindicación 8, que comprende además la etapa de desconectar dicha fuente de alimentación de reserva (52) cuando dicha potencia detectada vuelve a dicho nivel predeterminado.

1. El método de acuerdo con la reivindicación 8, en el que dicha detección y monitoreo de potencia se realiza con amplificadores operacionales (U1A, U2A, U1B, U2B, U4A, U4B) configurados para medir tensiones analógicas, y un microprocesador funcionalmente dispuesto para convertir dichas tensiones analógicas en señales digitales para su procesamiento posterior.

11. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha detección y monitoreo de potencia detecta tensiones trifásicas diferentes, simultáneamente.

12. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho microprocesador funciona para sumar los cuadrados de las tensiones detectadas y para enviar una señal para conectar una fuente de alimentación de reserva (44, 46) cuando el valor absoluto de la suma de las tensiones detectadas cae por debajo del 8 % de un nivel nominal.

13. El método de acuerdo con la reivindicación 8, que comprende además la etapa de desconectar una fuente de alimentación principal de dicho sistema de control de paso (3) cuando dicha fuente de alimentación de reserva (52) está conectada.

14. El método de acuerdo con la reivindicación 8, en el que las tensiones trifásicas de alimentación se aplican y se miden en el lado giratorio de dicho conjunto de anillo colector (61), y dicho nivel predeterminado es aproximadamente el 8 % del valor absoluto de la suma del valor cuadrado de todas las tensiones trifásicas.