Método para hacer funcionar una unidad de disipación de potencia en una turbina eólica.

Turbina eólica de velocidad variable que comprende:

un generador (100);

un convertidor de potencia (102) para convertir al menos una parte de la potencia eléctrica generada por el generador, comprendiendo el convertidor de potencia un convertidor de lado del generador (110), un convertidor de lado de la red de suministro (111) y un enlace de corriente continua, CC, (113) entre los mismos;

una unidad de disipación de potencia (105) acoplada de manera operativa al enlace de CC (113); y

un controlador (120), en la que el controlador (120) está adaptado para:

determinar una señal de error de tensión del enlace de CC (205), siendo la señal de error de tensión del enlace de CC (205) la diferencia entre una función de una tensión del enlace de CC real (210) y una función de una tensión del enlace de CC de referencia predefinida (211);

determinar una potencia de error del enlace de CC (206) basándose en la señal de error de tensión del enlace de CC (205);

determinar una potencia de alimentación directa; y

generar un factor de trabajo (DR) para hacer funcionar la unidad de disipación de potencia basándose en la potencia de error del enlace de CC y la potencia de alimentación directa.

Método para hacer funcionar una unidad de disipación de potencia en una turbina eòlica Campo de la invención

La presente invención se refiere, en general, a una turbina eòlica y, en particular, a un método para hacer funcionar una unidad de disipación de potencia en una turbina eòlica.

Antecedentes de ia invención

Una turbina eòlica es un sistema de conversión de energía que convierte la energía cinética del viento en energía eléctrica para redes de suministro eléctrico generales. Específicamente, el viento se aplica a las palas de turbina eòlica de la turbina eòlica para hacer rotar un rotor. La energía mecánica del rotor en rotación se convierte a su vez en energía eléctrica mediante un generador eléctrico. Dado que la velocidad del viento fluctúa, la fuerza aplicada a las palas eólicas y por tanto la velocidad de rotación del rotor puede variar. Sin embargo, las redes de suministro eléctrico requieren que la turbina eòlica proporcione una potencia eléctrica a frecuencia constante.

Un tipo de turbina eòlica que proporciona potencia eléctrica a frecuencia constante es una turbina eòlica de velocidad fija. Este tipo de turbina eòlica requiere un rotor de generador que rota a una velocidad constante. Una desventaja de una turbina eòlica de velocidad fija de este tipo es que no aprovecha toda la energía del viento a altas velocidades y debe desactivarse a bajas velocidades de viento. Otro tipo de turbina eòlica es una turbina eòlica de velocidad variable. Este tipo de turbina eòlica permite que el generador rote a velocidades variables para adaptarse a las velocidades fluctuantes del viento. Al variar la velocidad de rotación del rotor de generador, la conversión de energía puede optimizarse a lo largo de una gama más amplia de velocidades de viento.

Una turbina eòlica de velocidad variable incluye habitualmente un convertidor de potencia que tiene un convertidor de lado del generador acoplado a un convertidor de lado de la red de suministro a través de un enlace de corriente continua (CC). El convertidor de lado del generador regula la potencia del generador. Esta potencia pasa por el enlace de CC, y finalmente se alimenta a la red a través del convertidor de lado de la red de suministro. Lo mismo es válido para los sistemas de generador de inducción de doble alimentación (DFIG) en los que sólo una parte de la potencia del generador pasa a través del convertidor de potencia.

En condiciones normales, la energía o potencia eléctrica procedente del generador se suministra a la red a través del convertidor de potencia. Dicho de otro modo, la energía captada del viento por la turbina eòlica se pasa a la red. Por tanto, puede decirse que hay un equilibrio de potencia en condiciones normales. Sin embargo, cuando hay una ráfaga de viento repentina y/o un fallo de la red, este equilibrio de potencia puede verse alterado, dando como resultado la generación de más potencia que potencia suministrada a la red. Tal desequilibrio de potencia podría llevar a oscilaciones no deseadas de la torre, a un daño del tren de accionamiento o a una desconexión de la turbina.

Específicamente, la salida de potencia del generador en respuesta a una ráfaga de viento repentina puede aproximarse como entrada en rampa al sistema de potencia en la turbina eòlica con una pendiente pronunciada. Tal progresión en rampa de la carga es uno de los comportamientos de carga más difíciles para un sistema de control en la turbina eòlica. Una turbina eòlica normalmente se enfrenta a una ráfaga de viento ajustando el paso de las palas para reducir la velocidad del rotor tal como se da a conocer, por ejemplo, en los documentos US 2009/0224542 y EP 2107236. Sin embargo, debido a la dinámica de un controlador de paso, el ajuste de paso de la pala puede no ser lo suficientemente rápido para responder a la ráfaga de viento repentina. Por tanto, esto da como resultado el aumento repentino en la potencia generada por el generador, lo que lleva a las oscilaciones no deseadas de la torre, etc., tal como se mencionó anteriormente.

El documento WO 2008/121868 da a conocer un regulador de tensión de CC que puede usarse para controlar la tensión de la barra colectora de CC de un generador de inducción de doble alimentación de una turbina eòlica. El regulador de tensión de CC incluye un panel de control de potencia de regulador de tensión de CC, un dispositivo de conmutación, una resistencia y un diodo de retorno, y está configura do para proteger el convertidor del generador de inducción y también reducir los pares motores transitorios en el árbol de generador durante las irregularidades de tensión.

Cuando hay un fallo de la red, por ejemplo un evento de baja tensión, se produce una caída repentina en la demanda de potencia activa desde la red. Como el ajuste de paso de las palas no puede responder lo suficientemente rápido para reducir la generación de potencia, se produce un desequilibrio de potencia en la turbina eòlica. El documento US 7.411.309 da a conocer el uso de un circuito de protección de palanca (crowbar) durante eventos de baja tensión en la red. El circuito de protección de palanca está acoplado al enlace de CC entre el convertidor de lado del generador y el convertidor de lado de la red de suministro. Cuando la tensión del enlace de CC supera un valor predeterminado (debido a un fallo de la red), el circuito en corto se activa para drenar el exceso de potencia de generador, reduciendo así la tensión del enlace de CC.

El uso de un circuito en corto o un circuito de carga de volcado puede proporcionar una buena manera para disipar

el exceso de potencia durante un evento de desequilibrio de potencia. El circuito de carga de volcado se activa detectando un aumento anómalo en la tensión del enlace de CC o una caída repentina en la tensión de red. Sin embargo, puede que no sea el método más eficaz para enfrentarse a eventos de desequilibrio de potencia tales como una ráfaga de viento, o en condiciones extremas cuando una ráfaga de viento y un fallo de la red suceden al mismo tiempo. Además, en este método, el banco de resistencias en el circuito de carga de volcado está sometido a demasiados esfuerzos.

Es por tanto un objeto de la Invención proporcionar una manera mejorada de gestionar el exceso de potencia generada en la turbina eòlica en un evento de desequilibrio de potencia.

Sumario de ia invención

Según un primer aspecto de la Invención se proporciona una turbina eòlica de velocidad variable. La turbina eòlica comprende un generador, un convertidor de potencia para convertir al menos una parte de la potencia eléctrica generada por el generador, una unidad de disipación de potencia acoplada de manera operativa a un enlace de CC (corriente continua) del convertidor de potencia y un controlador. El controlador está adaptado para determinar una señal de error de tensión del enlace de CC, siendo la señal de error de tensión del enlace de CC la diferencia entre una función de una tensión del enlace de CC real y una función de una tensión del enlace de CC de referencia predefinida, determinar una potencia de error del enlace de CC basándose en la señal de error de tensión del enlace de CC, determinar una potencia de alimentación directa y generar un factor de trabajo para hacer funcionar la unidad de disipación de potencia basándose en la potencia de error del enlace de CC y la potencia de alimentación directa.

El convertidor de potencia Incluye un convertidor de lado del generador para convertir al menos una parte de potencia de CA procedente del generador en potencia de CC, un convertidor de lado de la red de suministro para convertir la potencia de CC en potencia de CA que tiene una frecuencia fija y un enlace de CC entre el convertidor de lado del generador y el convertidor de lado de la red de suministro.

El generador es una máquina electromecánica que puede convertir energía mecánica en energía eléctrica. El generador usado en la turbina eòlica puede ser cualquier tipo de generador incluyendo, pero sin limitarse a, un generador de ¡manes permanentes, un generador de Inducción de doble alimentación y un generador de inducción de jaula de ardilla. La potencia eléctrica procedente del generador tiene una frecuencia variable debido a la velocidad de rotación variable del rotor. Una parte o toda la energía o potencia eléctrica generada por el generador se convierte por el convertidor de potencia en una potencia eléctrica de frecuencia fija adecuada para su suministro a una carga o a una red de suministro eléctrico.

La carga puede ser una carga de CC o CA (comente alterna). Para el suministro de potencia a la red de suministro, el convertidor de potencia convierte la potencia eléctrica... [Seguir leyendo]

Turbina eòlica de velocidad variable que comprende: un generador (100);

un convertidor de potencia (102) para convertir al menos una parte de la potencia eléctrica generada por el generador, comprendiendo el convertidor de potencia un convertidor de lado del generador (110), un convertidor de lado de la red de suministro (111) y un enlace de corriente continua, CC, (113) entre los mismos;

una unidad de disipación de potencia (105) acoplada de manera operativa al enlace de CC (113); y

un controlador (120), en la que el controlador (120) está adaptado para:

determinar una señal de error de tensión del enlace de CC (205), siendo la señal de error de tensión del enlace de CC (205) la diferencia entre una función de una tensión del enlace de CC real (210) y una función de una tensión del enlace de CC de referencia predefinida (211 );

determinar una potencia de error del enlace de CC (206) basándose en la señal de error de tensión del enlace de CC (205);

determinar una potencia de alimentación directa; y

generar un factor de trabajo (DR) para hacer funcionar la unidad de disipación de potencia basándose en la potencia de error del enlace de CC y la potencia de alimentación directa.

Turbina eòlica de velocidad variable según la reivindicación 1, en la que la unidad de disipación de potencia (105) comprende al menos un ¡nterruptor(SWI) y una resistencia (114).

Turbina eòlica de velocidad variable según las reivindicaciones 1 ó 2, en la que la señal de error de tensión del enlace de CC es la diferencia entre los cuadrados de la tensión del enlace de CC real (210) y la tensión del enlace de CC de referencia predefinida (211).

Turbina eòlica de velocidad variable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el controlador comprende además un controlador proporcional-integral, Pl, (201) para determinar la potencia de error del enlace de CC (206) basándose en la señal de error de tensión del enlace de CC (205).

Turbina eòlica de velocidad variable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el controlador (120) está adaptado además para determinar la potencia de alimentación directa basándose en la diferencia entre una potencia suministrada al convertidor de lado del generador (207) y una potencia transferida por el convertidor de lado de la red de suministro (208).

Turbina eòlica de velocidad variable según la reivindicación 5, en la que el controlador (120) está adaptado además para estimar la potencia suministrada al convertidor de lado del generador (207) basándose en la diferencia entre la potencia extraída del viento y pérdidas de potencia en el generador y en un tren de accionamiento de la turbina eòlica.

Turbina eòlica de velocidad variable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el controlador (120) está adaptado además para generar el factor de trabajo (DR):

determinando una potencia que va a disiparse mediante la unidad de disipación de potencia;

determinando una potencia máxima que puede disiparse mediante la unidad de disipación de potencia; y

determinando la razón de la potencia que va a disiparse y la potencia máxima, obteniendo así el factor de trabajo.

Turbina eòlica de velocidad variable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el controlador (120) está adaptado además para:

determinar la potencia extraída del viento, la potencia suministrada por la turbina eòlica y la pérdida de potencia en la unidad de disipación de potencia;

determinar la diferencia entre la potencia extraída del viento y la suma de la potencia suministrada por la turbina eòlica y la pérdida de potencia en la unidad de disipación de potencia; y

activar la unidad de disipación de potencia cuando la diferencia entre la potencia supera un umbral de diferencia de potencia predefinido.

10.

11.

20 12.

13.

Método para hacer funcionar una unidad de disipación de potencia en una turbina eólica, comprendiendo la turbina eólica un convertidor de potencia para convertir al menos una parte de la potencia eléctrica generada por un generador, en el que el convertidor de potencia comprende un convertidor de lado del generador, un convertidor de lado de la red de suministro y un enlace de corriente continua, CC, entre los mismos, la unidad de disipación de potencia está acoplada de manera operativa al enlace de CC, comprendiendo el método:

obtener una señal de error de tensión del enlace de CC, siendo la señal de error de tensión del enlace de CC la diferencia entre una función de una tensión del enlace de CC real y una función de una tensión del enlace de CC de referencia predefinida;

determinar una potencia de error del enlace de CC basándose en la señal de error de tensión; determinar una potencia de alimentación directa; y

generar un factor de trabajo para hacer funcionar la unidad de disipación de potencia basándose en la potencia de error del enlace de CC y la potencia de alimentación directa.

Método según la reivindicación 9, en el que la señal de error de tensión del enlace de CC se determina a partir de la diferencia entre los cuadrados de la tensión del enlace de CC real y la tensión del enlace de CC de referencia predefinida.

Método según las reivindicaciones 9 ó 10, en el que la potencia de error del enlace de CC se determina basándose en la señal de error de tensión del enlace de CC usando un controlador Pl (proporcional-

¡ntegral).

Método según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el que la potencia de alimentación directa se determina basándose en la diferencia entre una potencia suministrada al convertidor de lado del generador y una potencia transferida por el convertidor de lado de la red de suministro.

Método según la reivindicación 12, en el que la potencia generada por el generador se estima basándose en la diferencia entre la potencia extraída del viento y pérdidas de potencia en el generador y en un tren de accionamiento de la turbina eólica.

14. Método según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, en el que la generación del factor de trabajo comprende:

determinar una potencia que va a disiparse mediante la unidad de disipación de potencia;

determinar una potencia máxima que puede disiparse mediante la unidad de disipación de potencia; y

30 determinar la razón de la potencia que va a disiparse y la potencia máxima, obteniendo así el factor de

trabajo.

15. Método según las reivindicaciones 9 a 14, que comprende además:

determinar la potencia extraída del viento, la potencia suministrada por la turbina eólica y la pérdida de potencia en la unidad de disipación de potencia;

35 determinar la diferencia entre la potencia extraída del viento y la suma de la potencia suministrada por la

turbina eólica y la pérdida de potencia en la unidad de disipación de potencia; y

activar la unidad de disipación de potencia cuando la diferencia entre la potencia supera un umbral de diferencia de potencia predefinido.