Disposición de circuito rectificador de corriente para generadores con potencia variable dinámicamente.

Disposición de circuito rectificador de corriente para la transformación de una tensión de generador polifásica en una tensión continua de alto voltaje,

que está constituida por un transformador (200) con al menos un arrollamiento (210) en el lado primario por fase así como por una pluralidad de arrollamientos (220) en el lado segundario por fase, en la que, respectivamente, uno de los arrollamientos (220) en el lado secundario de diferente fase presenta una toma media y está conectado con una célula rectificadora (100) y estas células rectificadoras están conectadas entre sí con sus entradas de tensión continua (154) y sus salidas de tensión continua (152), en la que las células rectificadoras (100) están constituidas, respectivamente, por un rectificador de entrada (110) conectado con los arrollamientos secundarios (220) del transformador (200) y por dos convertidores descendentes (180, 190) conectados en serie y las tomas centrales de los arrollamientos secundarios (220) del transformador (200) están conectadas, respectivamente, con el punto medio del circuito en serie de los convertidores ascendentes de la célula rectificadora conectada con el arrollamiento secundario y en la que el punto medio del circuito en serie de las células rectificadoras (100) se encuentra en potencial de tierra (74).

Disposición de circuito rectificador de corriente para generadores con potencia variable dinámicamente

La invención describe una disposición de circuito rectificador de corriente para la transformación de una tensión trifásica de medio generador en una tensión continua de alto voltaje para el empleo como convertidor entre un generador con potencia de salida variable dinámicamente y con una conexión de tención continua de alto voltaje hacia un inversor. Tales potencias de salida variables dinámicamente de los generadores aparecen, por ejemplo en instalaciones de energía eólica. En la disposición de varias instalaciones de energía eólica para formar los llamados parques eólicos se conectan de acuerdo con el estado de la técnica las instalaciones individuales de energía eólica con un inversor común, que sirve para la alimentación de corriente en una red de corriente, con una conexión de tensión continua de alto voltaje.

De acuerdo con el estado de la técnica, en este caso encuentran aplicación para la generación de corriente con preferencia generadores de la clase de tensión media. Las tres fases de las salidas de estos generadores están conectadas con un transformador, que transforma la tensión media en alta tensión del orden de magnitud de 100000 voltios. Esta tensión alterna generada es rectificada a continuación por medio de un rectificador de diodos de alta tensión y alimentada a la conexión de tensión continua de alto voltaje.

Otra configuración muy moderna de los generadores así como una descripción general de la disposición mencionada anteriormente de instalaciones de energía eólica se ha presentado, por ejemplo, por F. Owman en la Conferencia "Windpower 2001", Junio, Washington, D. C. Los generadores presentados aquí generan directamente una tensión alterna de alto voltaje, con lo que se puede prescindir de un transformador conectado a continuación para la generación de la misma.

En el estado de la técnica descrito es un inconveniente en este caso que, naturalmente las tensiones de salida de las instalaciones de energía eólica individuales no son idénticas, puesto que también dentro de un parque eólico predominan velocidades del viento al menos insignificantemente diferentes en lugares diferentes y de esta manera las velocidades giratorias de todos los rotores y, por lo tanto, también la velocidad de rotación de todos los generadores no son idénticas. Esto tiene como consecuencia que las tensiones generadas para la alimentación en la conexión de la tensión continua de alto voltaje tampoco son idénticas. Para poder compensar velocidades giratorias diferentes en al menos una medida insignificante se emplean como generadores con preferencia máquinas síncronas, puesto que estas máquinas síncronas están excitadas desde el exterior. A través de una adaptación adecuada de la excitación de cada generador se pueden adaptar sus velocidades de rotación entre sí. De esta manera es posible mantener constantes las tensiones de salida de todas las instalaciones de energía eólica de un parque eólico y de esta manera posibilitar ya la conexión de la tensión continua de alto voltaje, reduciendo, sin embargo, el rendimiento de la instalación de energía eólica. A pesar de todo, aquí no es posible un empleo de generadores excitados permanentemente, puesto que aquí falta la influencia sobre su velocidad giratoria a través de la excitación externa.

Además, en el estado de la técnica descrito es un inconveniente que en oposición a las velocidades del viento localmente diferentes en un parque eólico, las velocidades del viento diferentes en el tiempo oscilan, naturalmente, e4sencialmente mucho. Una compensación completa de estas oscilaciones, que conduce a una tensión temporalmente constante de la conexión de la tensión continua de alto voltaje, solamente es posible en una medida limitada.

Por lo tanto, las oscilaciones mayores de la velocidad del viento conducen forzosamente a una tensión variable en el tiempo de la conexión de la tensión continua de alto voltaje. El inversor alimentado desde la conexión de la tensión continua de alto voltaje está diseñado para una tensión determinada de esta conexión de la tensión continua de alto voltaje. En el caso de que esta tensión teórica corresponda a la tensión máxima de la conexión de la tensión continua de alto voltaje, esto da como resultado exactamente para esta tensión una alimentación muy efectiva a la red de corriente. No obstante, en este caso a velocidades del viento claramente más reducidas y con los valores de la tensión claramente más reducidos implicados con ello en la conexión de la tensión continua de alto voltaje no es posible ya la alimentación a la red. Por lo tanto, el inversor de acuerdo con el estado de la técnica se diseña para una tensión más reducida, por ejemplo para la mitad de la tensión, que la tensión máxima de la conexión de la tensión continua de alto voltaje. En este diseño, por una parte, con tensión máxima en la conexión de la tensión continua de alto voltaje, la tensión cedida a la red debe alcanzar el mismo valor que en el diseño mencionado anteriormente sobre esta tensión máxima. Por lo tanto, el inversor diseñado para tensión más baja debe sobredimensionarse en comparación con un inversor dimensionado para el valor máximo. Por lo tanto, condicionado por los diferentes valores de la tensión en la conexión de la tensión continua de alto voltaje, no es posible un dimensionado óptimo del inversor para varios estados de funcionamiento, es decir, para diferentes velocidades del viento.

De la misma manera, en el estado de la técnica mencionado es un inconveniente que condicionado por el rectificador de diodos de alta tensión, la corriente del generador es de forma sinusoidal y, por lo tanto, el generador

con número de revoluciones dato no puede ceder su potencia normal, lo que conduce de la misma manera a un rendimiento reducido de la instalación de energía eólica.

Por otra parte, se conoce a partir del estado de la técnica, por ejemplo, en el documento US 5.625.545 colocar abierta una disposición en cascada de células del mismo tipo de una funcionalidad determinada. Esta publicación describe un accionamiento AC-AC de dos cuadrantes para motores de corriente alterna. En este caso, encuentra aplicación un transformador con una pluralidad de arrollamientos secundarios. Estos arrollamientos secundarios alimentan células en cascada con salida monofásica de la tensión alterna. Este circuito en serie de las células individuales sirve para la multiplicación de la tensión en una derivación.

La presente invención tiene el cometido de presentar una disposición de circuito de rectificador de corriente para la transformación de una tensión alterna en una tensión continua de alto voltaje, que permite el empleo de una pluralidad de realizaciones del generador, genera una tensión continua de alto voltaje constante independiente del número de revoluciones del generador y genera corrientes aproximadamente sinusoidales del generador.

El cometido se soluciona a través de un circuito rectificador de corriente con las características de la reivindicación 1. Los desarrollos preferidos se encuentran en las reivindicaciones dependientes.

Una disposición de circuito rectificador de corriente para la conversión de una tensión polifásica, con preferencia trifásica del generador, con preferencia en la zona de la tensión media, en una tensión continua de alto voltaje del tipo de la invención está constituida por los siguientes componentes esenciales: un transformador y una pluralidad de células rectificadoras. El transformador está constituido por al menos un arrollamiento en el lado primario por fase así como una pluralidad de arrollamientos en el lado secundario por fase. Respectivamente, tres de estos arrollamientos en el lado secundario de diferente fase están conectados con una célula rectificadora. Las entradas y salidas de estas células rectificadoras están conectadas entre sí de tal manera que, respectivamente, la salida de una célula está conectada con la entrada de la célula siguiente y de esta manera resulta un circuito en serie en cascada. El transformador se puede suprimir también aquí, en el caso de que se emplee en el lado del generador de tensión media un generador de alta tensión, que proporciona la tensión necesaria directamente en sus salidas.

Una célula rectificadora de acuerdo con la invención está constituida, por su parte, por un rectificador de entrada y por dos convertidores ascendentes conectados en serie, de manera que la toma media del arrollamiento secundario del transformador está conectada con los puntos medios del circuito en serie de los convertidores ascendentes.

1. Disposición de circuito rectificador de corriente para la transformación de una tensión de generador polifásica en una tensión continua de alto voltaje, que está constituida por un transformador (200) con al menos un arrollamiento (210) en el lado primario por fase así como por una pluralidad de arrollamientos (220) en el lado segundario por fase, en la que, respectivamente, uno de los arrollamientos (220) en el lado secundario de diferente fase presenta una toma media y está conectado con una célula rectificadora (100) y estas células rectificadoras están conectadas entre sí con sus entradas de tensión continua (154) y sus salidas de tensión continua (152), en la que las células rectificadoras (100) están constituidas, respectivamente, por un rectificador de entrada (110) conectado con los arrollamientos secundarios (220) del transformador (200) y por dos convertidores descendentes (180, 190) conectados en serie y las tomas centrales de los arrollamientos secundarios (220) del transformador (200) están conectadas, respectivamente, con el punto medio del circuito en serie de los convertidores ascendentes de la célula rectificadora conectada con el arrollamiento secundarlo y en la que el punto medio del circuito en serie de las células rectificadoras (100) se encuentra en potencial de tierra (74).

2. Disposición de circuito rectificador de corriente de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el rectificador de entrada (110) es un rectificador trifásico de diodos.

3 Disposición de circuito rectificador de corriente de acuerdo con la reivindicación 1, en la que cada convertidor ascendente está constituido por un conmutador de semiconductores de potencia (122, 124) con diodo (126, 128) conectado antiparalelo de al menos una bobina (150), con un diodo (132, 134) y un condensador (142, 144).

4 Disposición de circuito rectificador de corriente de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el circuito en serie de los convertidores ascendentes está configurado como un circuito en serie de dos conmutadores de semiconductores de potencia (122, 124), respectivamente, con diodo (126, 128) conectado antiparalelo al mismo de al menos dos bobinas (150), con un circuito en serie de condensadores (142, 144) así como, respectivamente, con un diodo (154) en la entrada y con un diodo (152) en la salida de la célula rectificadora (100), en la que el colector del primer conmutador de semiconductores de potencia (122) está conectado con una salida positiva del rectificador de entrada (110) y el emisor del segundo conmutador de potencia (124) está conectado con la salida negativa del rectificador de entrada (110), el ánodo del diodo de salida (132) está conectado con el colector del primer conmutador de semiconductores de potencia (122) y la salida positiva del rectificador de entrada (110), el diodo está conectado con el primer condensador (142) y con la salida (152) de la célula rectificadora (100), el cátodo del diodo de entrada (134) está conectado con el emisor del segundo conmutador de semiconductores (124) y con la salida negativa del rectificador de entrada (110), el ánodo está conectado con el segundo condensador (144) y con la entrada de la célula rectificadora (110) y el pivote medio del arrollamiento secundario (220) del transformador (200) está conectado con el punto medio del circuito en serie de los conmutadores semiconductores de potencia (122, 124) y con el punto medio del circuito en serie de los condensadores (142, 144).

5. Disposición de circuito rectificador de corriente de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la bobina del primer convertidor ascendente (180) está dispuesta entre la salida positiva el rectificador de entrada (110) y el colector del primer conmutador de semiconductores de potencia (122) y la bobina del segundo convertidor ascendente (190) está dispuesta entre la salida negativa del rectificador de entrada (110) y el emisor del segundo conmutador de semiconductores (124).

6. Disposición de circuito rectificador de corriente de acuerdo con la reivindicación 1, en la que las bobinas (150) de los convertidores ascendentes (180, 190) están dispuestas en las entradas de la tensión alterna del rectificador (110).

7. Disposición de circuito rectificador de corriente de acuerdo con la reivindicación 1, en la que los conmutadores de semiconductores de potencia (122, 124) son IGBTs (transistores bipolares de puerta aislada) o IGCT (tiristores conmutador de puerta aislada).