Red aislada y procedimiento para el funcionamiento de una red aislada.

Red aislada eléctrica (45) con al menos un primer productor de energía que utiliza una fuente de energía regenerativa,

siendo el productor de energía una instalación de energía eólica (10) con un primer generador (32), estando previsto un segundo generador (36) que se puede acoplar a un motor de combustión interna (30), presentando la instalación de energía eólica (10) una barra colectora, que conduce una tensión continua, para alimentar la energía producida a la red aislada eléctrica (45) que conduce una tensión alterna, de modo que al no superarse la potencia necesaria de los productores de energía, que utilizan la fuente de energía regenerativa, se utilizan primero dispositivos de almacenamiento temporal eléctrico (12, 14, 18) para entregar energía a la red aislada eléctrica (45) y los dispositivos de almacenamiento temporal del tipo de un bloque de acumulador (14) o un dispositivo de almacenamiento de batería (18) se utilizan solo para apoyar la red, si la potencia necesaria en la red aislada eléctrica (45) no puede ser suministrada o solo puede ser suministrada de manera insuficiente por las fuentes de energía regenerativa,

caracterizada por que

la instalación de energía eólica (10) se puede regular con respecto a su velocidad de giro y ajuste de pala y está previsto un dispositivo conectado a la barra colectora para detectar la potencia necesaria en la red aislada eléctrica (45) y está previsto un generador síncrono (32) que tiene la función de un formador de red, pudiendo funcionar al respecto el generador síncrono (32) en el modo motor y poniendo a disposición la instalación de energía eólica (10) la energía necesaria para el modo motor.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2003/001981.

Solicitante: Wobben Properties GmbH.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: Dreekamp 5 26605 Aurich ALEMANIA.

Inventor/es: WOBBEN, ALOYS.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H02J3/40 SECCION H — ELECTRICIDAD.H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA.H02J CIRCUITOS O SISTEMAS PARA LA ALIMENTACION O DISTRIBUCION DE ENERGIA ELECTRICA; SISTEMAS PARA LA ACUMULACION DE ENERGIA ELECTRICA (circuitos de alimentación de energía paralos aparatos de medida de rayos X, rayos gamma, radiaciones corpusculares o de las radiaciones cósmicas G01T 1/175; circuitos de alimentación de energía eléctrica especialmente adaptados para su uso en relojes electrónicos sin partes móviles G04G 19/00; para computadores digitales G06F 1/18; para los tubos de descargar H01J 37/248; circuitos o aparatos para la conversión de la potencia eléctrica, disposiciones para su control o regulación H02M; control de una combinación máquina motriz-generador, control interrelacionado de varios motores H02P; control de energía a alta frecuencia H03L; utilización complementaria de línea o red de energía para transmisión de información H04B). › H02J 3/00 Circuitos para redes principales o de distribución, de corriente alterna. › Sincronización de un generador para su conexión a una red o a otro generador.
  • H02J7/34 H02J […] › H02J 7/00 Circuitos para la carga o despolarización de baterías o para suministrar cargas desde baterías. › Funcionamiento en paralelo, en las redes, de baterías con otras fuentes de corriente continua, p. ej. batería de compensación (H02J 7/14 tiene prioridad).
  • H02J9/08 H02J […] › H02J 9/00 Circuitos para alimentación de potencia de emergencia o de reserva, p. ej. para alumbrado de emergencia (con posibilidad de carga de una batería de reserva H02J 7/00). › requiriendo el arranque de una máquina motriz.

PDF original: ES-2542327_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Red aislada y procedimiento para el funcionamiento de una red aislada La presente invención se refiere a una red aislada eléctrica con al menos un productor de energía acoplado a un primer generador. Está previsto además un segundo generador que se puede acoplar a un motor de combustión interna. En el caso de tales redes aisladas, el productor de energía unido con el primer generador es a menudo un productor de energía regenerativa, por ejemplo, una instalación de energía eólica, una central hidroeléctrica, etc.

Tales redes aisladas son conocidas en general y sirven en particular para suministrar corriente a zonas que no están conectadas a una red de suministro de corriente central y en las que, sin embargo, se dispone de fuentes de energíaregenerativa, como el viento y/o el sol y/o la fuerza hidráulica, entre otros. Éstas pueden ser, por ejemplo, islas o zonas aisladas o de difícil acceso con particularidades relativas al tamaño, a la ubicación y/o a las condiciones meteorológicas. Sin embargo, en estas zonas es necesario también un suministro de corriente, agua y calor. La energía necesaria al respecto, al menos la energía eléctrica, es proporcionada y distribuida por la red aislada. No obstante, los equipos eléctricos modernos requieren para un correcto funcionamiento el cumplimiento de valores límites relativamente estrechos con fluctuaciones de tensión y/o de frecuencia en la red aislada.

Para poder cumplir estos valores límites se utilizan, entre otros, los llamados sistemas eólico-diésel, en los que se utiliza una instalación de energía eólica como fuente de energía primaria. La tensión alterna, producida por la instalación de energía eólica, se rectifica y se convierte a continuación en una tensión alterna con la frecuencia de red requerida por medio de un convertidor. De esta manera se produce una frecuencia de red independiente de la velocidad del generador de la instalación de energía eólica y, por tanto, de su frecuencia.

Por consiguiente, la frecuencia de la red es determinada por el convertidor. A este respecto se disponen de dos variantes diferentes. Una variante consiste en un llamado convertidor conmutado automáticamente que es capaz por sí mismo de producir una frecuencia de red estable. Sin embargo, tales convertidores conmutados automáticamente requieren un esfuerzo técnico alto y son correspondientemente costosos. Una variante alternativa a los convertidores conmutados automáticamente son los convertidores conmutados por la red que sincronizan la frecuencia de su tensión de salida con una red existente. Tales convertidores son mucho más económicos que los convertidores conmutados automáticamente, pero necesitan siempre una red, con la que se puedan sincronizar. Por tanto, para un convertidor conmutado por la red se ha de poder disponer siempre de un formador de red que proporcione las magnitudes de ajuste necesarias para la conmutación por red del convertidor. En el caso de redes aisladas conocidas, tal formador de red es, por ejemplo, un generador síncrono accionado por un motor de combustión interna (motor diésel) .

Esto significa que el motor de combustión interna debe estar funcionando continuamente para accionar el generador síncrono como formador de red. Esto resulta desventajoso también desde el punto de vista de los requerimientos de mantenimiento, del consumo de combustible y del impacto medioambiental debido a los gases de escape, porque, incluso cuando el motor de combustión interna ha de proporcionar sólo una fracción de su potencia disponible para el accionamiento del generador como formador de red, siendo esta potencia a menudo sólo de 3 a 5 kW, el consumo de combustible es considerable y asciende a varios litros de combustible por hora.

Otro problema en las redes aisladas conocidas radica también en que deberían existir cargas reactivas, identificadas como "dump loads", que consumen el exceso de energía eléctrica generada por el productor de energía primaria con el fin de que el productor de energía primaria no funcione en vacío en caso de la desconexión de consumidores, lo que puede provocar a su vez daños mecánicos en el productor de energía primaria debido a una velocidad demasiado alta. Esto es muy problemático en particular en instalaciones de energía eólica como productores de energía primaria.

La publicación alemana para información de solicitud de patente DE4232516A1 se refiere a un sistema de suministro de energía modular autónomo para redes aisladas. Este documento propone utilizar, en vez de un convertidor reversible conmutado por la red para la compensación de la potencia activa, así como en vez de un compensador síncrono para la compensación de la potencia reactiva, un sistema de alimentación ininterrumpida (SAI) con grupo electrógeno de emergencia conectado en la entrada. La solicitud de patente internacional con el número de publicación WO02/21661A1, que se ha de considerar sólo como estado de la técnica conforme al artículo 54 (3) del Convenio sobre la Patente Europea (CPE) , se refiere a una red aislada y a un procedimiento para el funcionamiento de la misma. Según esta solicitud de patente se propone una red aislada eléctrica con una instalación de energía eólica con un generador como primer productor de energía, estando previsto un segundo generador que se puede acoplar a un motor de combustión interna, pudiéndose regular una instalación de energía eólica con respecto a su velocidad y ajuste de pala y presentando un acoplamiento mecánico entre el segundo generador y el motor de combustión interna.

Como estado de la técnica se remite a los documentos DE4232516A, ZEEUW DE W. J. ET AL: "ON THE COMPONENTS OF A WIND TURBINE AUTONOMOUS ENERGY SYSTEM", PROCEEDINGS OF THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON ELECTRICAL MACHINES. LAUSANA, SUIZA, 18 al 21 de septiembre de

1984, ZÚRICH, SWISS FED. INST. TECHNOLOGY, CH, tomo PART 1 CONF. 1984, 18 de septiembre de 1984 (1984-09-18) , páginas 193-196, XP001031999, DE20002237U, WICHERT B.: "PV-diesel hybrid energy systems for remote area power generation -A review of current practice and future developments", RENEWABLE AND SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS, ELSEVIERS SCIENCE, NUEVA YORK, NY, US, tomo 1, número 3, 1ro de septiembre de 1997 (1997-09-01) , páginas 209-228, XP004268401, BLEIJS J.A.M. ET AL: "A wind/diesel system with flywheel energy buffer", 19930905; 19930905-19930908, tomo 2, 5 de septiembre de 1993 (1993-09-05) , páginas 995-999, XP010278877, DE3922573A1, WO02/21661A1, EP1323222A1 y JP2000073931A.

La invención tiene el objetivo de evitar las desventajas mencionadas arriba y mejorar el grado de efectividad de una red aislada.

El objetivo se consigue según la invención con una red aislada eléctrica con las características de la reivindicación 1 16, así como con un procedimiento para controlar el funcionamiento de una red aislada de acuerdo con la reivindicación 17. En las reivindicaciones secundarias se describen variantes ventajosas.

La invención se basa en el conocimiento de que el segundo generador, que tiene la función de formador de red, se puede accionar también con la energía eléctrica del productor de energía primaria (la instalación de energía eólica) , de modo que el motor de combustión interna puede estar desconectado completamente y desacoplado del segundo generador. En este caso, el segundo generador ya no se encuentra en el modo generador, sino en el modo motor, suministrando el productor de energía primaria o su generador la energía eléctrica necesaria al respecto. Si el acoplamiento entre el segundo generador y el motor de combustión interna es un acoplamiento electromagnético, este acoplamiento se puede activar mediante la solicitación con energía eléctrica del productor de energía primaria o su generador. Si la energía eléctrica se desconecta en el acoplamiento, el acoplamiento se separa. El segundo generador se solicita y se acciona a continuación, como se describe arriba, con energía eléctrica del productor de energía primaria al no estar en funcionamiento el motor de combustión interna (modo motor) , por lo que el formador de red se mantiene funcionando a pesar de estar desconectado el motor de combustión interna. Tan pronto se necesite una conexión del motor de combustión interna y, por tanto, el modo generador del segundo generador, el motor de combustión interna se puede poner en marcha y acoplar al segundo generador mediante el acoplamiento activable por electricidad para su accionamiento con el fin de que este segundo generador pueda proporcionar energía adicional en el modo generador a la red aislada eléctrica.

La utilización de una instalación de energía eólica completamente regulable permite prescindir de "dump loads", ya que la instalación de energía... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Red aislada eléctrica (45) con al menos un primer productor de energía que utiliza una fuente de energía regenerativa, siendo el productor de energía una instalación de energía eólica (10) con un primer generador (32) , estando previsto un segundo generador (36) que se puede acoplar a un motor de combustión interna (30) , presentando la instalación de energía eólica (10) una barra colectora, que conduce una tensión continua, para alimentar la energía producida a la red aislada eléctrica (45) que conduce una tensión alterna, de modo que al no superarse la potencia necesaria de los productores de energía, que utilizan la fuente de energía regenerativa, se utilizan primero dispositivos de almacenamiento temporal eléctrico (12, 14, 18) para entregar energía a la red aislada eléctrica (45) y los dispositivos de almacenamiento temporal del tipo de un bloque de acumulador (14) o un dispositivo de almacenamiento de batería (18) se utilizan solo para apoyar la red, si la potencia necesaria en la red aislada eléctrica (45) no puede ser suministrada o solo puede ser suministrada de manera insuficiente por las fuentes de energía regenerativa, caracterizada por que

la instalación de energía eólica (10) se puede regular con respecto a su velocidad de giro y ajuste de pala y está previsto un dispositivo conectado a la barra colectora para detectar la potencia necesaria en la red aislada eléctrica (45) y está previsto un generador síncrono (32) que tiene la función de un formador de red, pudiendo funcionar al respecto el generador síncrono (32) en el modo motor y poniendo a disposición la instalación de energía eólica (10) la energía necesaria para el modo motor.

2. Red aislada eléctrica de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que el primer productor de energía presenta un generador síncrono que contiene un inversor con un circuito intermedio de tensión continua (28) con al menos un primer rectificador (20) y un convertidor (24) .

3. Red aislada eléctrica de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada por al menos un elemento eléctrico, conectado al circuito intermedio de tensión continua (28) , para alimentar energía eléctrica con tensión continua.

4. Red aislada eléctrica de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada por que el elemento eléctrico es un elemento fotovoltaico (12) y/o un dispositivo de almacenamiento de energía mecánica y/o un dispositivo de almacenamiento electroquímico y/o un condensador y/o un dispositivo de almacenamiento químico como dispositivo de almacenamiento temporal eléctrico (12, 14, 18) .

5. Red aislada eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por un volante de inercia que se puede acoplar al segundo o a un tercer generador (32, 36) .

6. Red aislada eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por varios motores de combustión interna (30) que se pueden acoplar respectivamente a un generador (32, 36) .

7. Red aislada eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por un control (42) para controlar la red eléctrica (45) .

8. Red aislada eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 a 7, caracterizada por un convertidor elevador/reductor (22) entre el elemento eléctrico y el circuito intermedio de tensión continua (28) .

9. Red aislada eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 a 8, caracterizada por circuitos de carga/descarga (26) entre el elemento de almacenamiento eléctrico y el circuito intermedio de tensión continua (28) .

10. Red aislada eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 a 9, caracterizada por un volante de inercia con un generador y un rectificador (20) conectado a continuación para alimentar energía eléctrica al circuito intermedio de tensión continua (28) .

11. Red aislada eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por que todos los productores de energía (10, 12) y dispositivos de almacenamiento temporal (14, 16, 18) , que utilizan fuentes de energía regenerativa, alimentan a un circuito intermedio de tensión continua común (28) .

12. Red aislada eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por un convertidor

(34) conmutado por la red.

13. Red aislada eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por que la energía para el funcionamiento del acoplamiento electromagnético (34) es proporcionada por un dispositivo de almacenamiento eléctrico y/o por el productor de energía primaria.

14. Red aislada de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por que a la red aislada

(45) está conectada una planta desalinizadora de agua de mar/planta productora de agua de uso industrial que produce agua de uso industrial (agua potable) , si el suministro de potencia de los productores de energía primaria es mayor que el consumo de potencia de los demás consumidores eléctricos conectados a la red aislada (45) .

15. Red aislada de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por que está prevista una central de acumulación por bombeo que recibe su energía eléctrica del productor de energía primaria.

16. Red aislada de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por que el generador se puede unir mediante un acoplamiento a un motor de combustión interna que está desconectado, si la potencia eléctrica del productor de energía primaria es mayor o aproximadamente igual a la potencia de consumo eléctrico en la red aislada.

17. Procedimiento para controlar el funcionamiento de una red aislada eléctrica (45) con al menos un primer productor de energía que utiliza una fuente de energía regenerativa, siendo el productor de energía una instalación de energía eólica (10) con un primer generador (32) , estando previsto un segundo generador (36) que se puede acoplar a un motor de combustión interna (30) , presentando la instalación de energía eólica (10) una barra colectora, que conduce una tensión continua, para alimentar la energía producida a la red aislada eléctrica (45) que conduce una tensión alterna, de modo que al no superarse la potencia necesaria de los productores de energía, que utilizan la fuente de energía regenerativa, se utilizan primero dispositivos de almacenamiento temporal eléctrico (12, 14, 18) para entregar energía a la red aislada eléctrica (45) y los dispositivos de almacenamiento temporal del tipo de un bloque de acumulador (14) o un dispositivo de almacenamiento de batería (18) se utilizan solo para apoyar la red, si la potencia necesaria en la red aislada eléctrica (45) no puede ser suministrada o solo puede ser suministrada de manera insuficiente por las fuentes de energía regenerativa, pudiéndose regular la instalación de energía eólica (10) con respecto a su velocidad de giro y ajuste de pala y estando previsto un dispositivo conectado a la barra colectora para detectar la potencia necesaria en la red aislada eléctrica (45) , y estando previsto un generador síncrono (32) que tiene la función de un formador de red, pudiendo funcionar al respecto el generador síncrono (32) en el modo motor y poniendo a disposición la instalación de energía eólica (10) la energía necesaria para el modo motor,

caracterizado por que

la instalación de energía eólica (10) se controla de tal modo que produce siempre solo la potencia eléctrica necesaria, si el consumo de la potencia eléctrica en la red es menor que la capacidad de producción de energía eléctrica de la instalación de energía eólica.

18. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado por que al no superarse la potencia necesaria de los productores de energía (10, 12) , que utilizan la fuente de energía regenerativa, se utilizan primero dispositivos de almacenamiento temporal eléctrico (14, 16, 18) para entregar energía.

19. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 17 y 18, caracterizado por que están previstos motores de combustión interna (30) para accionar al menos un segundo generador (32) y los motores de combustión interna (30) se conectan solo si la potencia entregada por los productores de energía (10, 12) , que utilizan las fuentes de energía regenerativa, y/o por los dispositivos de almacenamiento temporal eléctrico (14, 16, 18) no supera un valor umbral predefinible durante un espacio de tiempo predefinible.

20. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 19, caracterizado por que para cargar los dispositivos de almacenamiento temporal (14, 16, 18) a partir de las fuentes regenerativas se produce más energía que la necesaria para los consumidores de la red.

21. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 17 a 20, caracterizado por que para eliminar las inestabilidades de frecuencia o las desviaciones de la frecuencia de la red respecto a su valor nominal se utilizan preferentemente dispositivos de almacenamiento temporal eléctrico (14, 16, 18) para entregar energía, que se pueden cargar o descargar a menudo con rapidez, sin pérdidas de capacidad esencialmente irreversibles.

22. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 17 a 21, caracterizado por que se utilizan preferentemente dispositivos de almacenamiento temporal (14, 16, 18) del tipo de un bloque de acumulador (14) o un dispositivo de almacenamiento de batería para apoyar la red, si la potencia necesaria en la red no puede ser suministrada o solo puede ser suministrada de manera insuficiente por fuentes de energía regenerativa.

23. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 17 para controlar el funcionamiento de la red aislada, con la utilización de un generador síncrono (32) como formador de red para un convertidor (34) conmutado por la red para alimentar una tensión alterna a una red aislada eléctrica, funcionando el generador (32) en el modo motor y accionándose el generador mediante un volante de inercia y/o mediante la puesta a disposición de energía eléctrica de un productor regenerativo.

 

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