Procedimiento y sistema de control para un generador en una turbina de viento que tiene una pluralidad de bobinas de estator que tienen acoplamiento magnético mutuo.

El procedimiento y el sistema del mismo calculan corrientes continua y de cuadratura basadas en la corriente de fase determinada y un primer ángulo del rotor. Éste genera entonces una señal de control continua y de cuadratura. Éste determina un voltaje inducido resultante en sistema de coordenadas continuo-cuadratura causado por el acoplamiento magnético de las bobinas y por el movimiento del rotor. Éste calcula entonces el ángulo del voltaje inducido resultante. Éste calcula entonces un ángulo del rotor modificado mediante la adición de dicho ángulo del voltaje inducido resultante a dicho primer ángulo del rotor. Éste determina una corriente continua y de cuadratura modificadas basadas en dichas corrientes de fase y en dicho ángulo del rotor modificado para tener en consideración el acoplamiento magnético de la pluralidad de las bobinas del estator y genera señales control modificada directa y modificada de forma correspondiente.

PROCEDIMIENTO Y SISTEMA DE CONTROL PARA GENERADORES DE TURBINAS DE VIENTO

Campo de la invención 5

La presente solicitud de invención se refiere a un sistema de control y a un procedimiento de control para generadores de motores eléctricos que tienen bobinas de estator múltiples. Dichos generadores de bobinas son preferentemente generadores magnéticos permanentes y están conectados a conversores en aplicaciones de turbinas de viento.

Antecedentes de la invención Las turbinas de viento pueden utilizar diversos sistemas de 15 bobinas que normalmente están dispuestos sobre o alrededor del estator de un generador o motores eléctricos.

La figura 1 muestra un sistema generador-conversor estándar con una pluralidad de bobinas en una turbina de viento. Durante su funcionamiento, un rotor de turbina de viento conduce un generador a través de una caja de 2 o engranajes. La caja de engranajes se omite en algunos diseños de turbina de viento, donde el rotor de la turbina de viento conduce al generador directamente. El generador tiene seis sistemas de bobina, tal como se ejemplifica en la figura 1. Cada sistema de bobina está conectado a un módulo conversor separado (1, 2, ... , 6) . Los módulos del conversor están preferentemente conectados en paralelo, y las salidas de los módulos del conversor están ventajosamente conectadas a un transformador, que transforma el voltaje de los conversores, usualmente 690 V, al voltaje de red en el punto de conexión de la turbina de viento, usualmente entre 10 Y 36 kV. Se conocen en la técnica anterior procedimientos para estimar y 3 o optimizar los parámetros del generador. El documento EP-A 1-1956380 describe un procedimiento y un dispositivo relacionado para estimar dos corrientes que fluyen simultáneamente a través de respectivas bobinas de carga eléctrica de múltiples fases conducida en modo de modulación de vector de espacio (SVM) . Este documento se refiere a la técnica de muestreo en una carga eléctrica de múltiples fases, por ejemplo un motor eléctrico de 3 fases. Los sistemas de bobinas triples en la carga del motor eléctrico sin embargo no se describen en dicho documento. El documento EP-A 1-1956380 mide dos corrientes simultáneamente con sólo un conversor analógico-a-digital (AJO) . Esto se realiza creando primero una primera corriente. A continuación, la segunda corriente se muestrea dos veces, yel retraso de muestreo entre mediciones de corriente se compensa mediante cálculos aritméticos.

El documento US20020070713 describe un procedimiento de control de un generador de inducción utilizando bobinas detectoras de flujo. Este documento se refiere exclusivamente al control de un generador de inducción y se refiere a sistemas de bobina única. Se utilizan referencias para voltajes de flujo y enlace OC para obtener referencias directas y cuadraturas de voltaje. Idealmente, sería deseable que los conversores (1, 2, ... , 6) no necesiten información sobre parámetros, tales como corrientes, voltajes, potencia y otros, de ninguno de los otros conversores para realizar un control óptimo del generador o motor eléctrico. Desafortunadamente, si los sistemas de bobinas múltiples están acoplados magnéticamente, la corriente o potencia en un sistema de bobinas influencia sobre las propiedades eléctricas en los sistemas de bobinas circundantes y el control óptimo mediante procedimientos y sistemas de control convencionales no es posible.

2 o Por lo tanto, las corrientes en un sistema de bobinas provocan que los voltajes adicionales sean inducidos en los sistemas de bobinas circundantes. Además de estos voltajes, el movimiento de los imanes relativos a las bobinas también induce voltaje. Por lo tanto, un objeto de la presente invención es proporcionar un controlador de generador que funcione de una manera óptima sin importar el acoplamiento magnético entre los sistemas de bobinas. La optimización del generador o motor eléctrico incluye la capacidad de que el generador funcione con la mejor eficiencia posible. Es decir, optimizando la salida de potencia de la turbina de viento a todas las velocidades y a todos los niveles de potencia, pero 3 o también optimizando la estabilidad del control del generador, por ejemplo en el caso de rachas de viento y perturbaciones sobre la red eléctrica. Los sistemas generador-conversor de la técnica anterior no consideran el acoplamiento magnético no deseado entre las bobinas y los sistemas de control existentes, no tienen en cuenta los efectos de acoplamiento mutuo entre múltiples bobinas. Es el objeto de la presente invención proporcionar un sistema y un procedimiento de control que compense dichos acoplamientos magnéticos no deseados en el contexto de un generador o motor eléctrico con bobinas múltiples del estator.

Descripción de la invención El procedimiento y el sistema de control según la presente invención se basan en estimar un voltaje inducido resultante que aparece a partir del acoplamiento magnético entre las bobinas del estator. Esto se logra mediante la adición vectorial del voltaje debido a corrientes en sistemas circundantes y el voltaje debido al movimiento de imanes en el generador. Dicha estimación se basa en corrientes (id e iq) , referencias de voltaje (ud y uq) , velocidad del generador (ro) e inductancias del generador (Ld y Lq) . El ángulo del voltaje inducido resultante se calcula y se añade al ángulo del rotor.

Una estimación de voltaje inducido preferida puede darse mediante una relación lineal, tal como se muestra en las ecuaciones:

ed :::::: Ud -OJLqiq

ed :::::: Uq + OJLdid Sin embargo, son posibles otras relaciones matemáticas. Puede 2 O ser que se considere un generador pequeño y las pérdidas óhmnicas (Rid y Riq) no pueden ser desatendidas. Por lo tanto, si se considera los términos de resistencia, las ecuaciones de estimación de voltaje resultan como:

ed :::::: Ud -OJLqiq + Rid ed :::::: Uq + OJLdid + Riq

Por otra parte, puede ser que cambios en la corriente continua (id) con el tiempo y cambios en la corriente de cuadratura (iq) sean significativos. Las siguientes relaciones resultan:

En otra realización, tanto la resistencia óhmnica como los cambios de tiempo de corrientes pueden considerarse ambos como significativos. Las ecuaciones resultan entonces en:

El sistema y procedimiento de control usa el ángulo del voltaje inducido estimado para definir un sistema de coordenadas modificado (cd, cq) , en el cual se basa el control. Este sistema de coordenadas (cd, cq) modificado diferirá del sistema de coordenadas (d, q) tradicionalmente utilizado debido al voltaje adicional causado por el acoplamiento magnético.

Figuras La figura 1 muestra un generador de turbina de viento que tiene múltiples cableados y conversores según la técnica anterior. 15 La figura 2 muestra una sección de un generador que tiene un estator con múltiples disposiciones de cableados según la técnica anterior.

La figura 3 muestra una vista desplegada en dos dimensiones de parte de un generador que tiene sistemas de bobinas múltiples en una pluralidad de ranuras según la técnica anterior.

La figura 4 muestra una adición de suma teniendo en cuenta el acoplamiento magnético de una pluralidad de bobinas según la presente invención. La figura 5 muestra un diagrama de bloques de la disposición del sistema de control.

Descripción de las realizaciones preferidas La figura 2 muestra una parte del estator en un generador con sistemas de bobinas múltiples, donde cada ranura está ocupada por dos 3 O bobinas. La bobinas de los sistemas de bobinas adyacentes 1 y 6 están compartiendo ranuras donde los 2 sistemas de bobinas están superpuestos. Los nombres de las bobinas indican el número de sistema de bobina seguido por la designación de fase, por ejemplo 6W es la fase W del sistema de bobinas 6.

La figura 3 muestra una vista estirada en dos dimensiones del sistema de bobinas en un generador con sistemas de bobinas múltiples. Aquí puede verse que las corrientes en un sistema de bobinas crean flujos que influencian el sistema de bobinas circundante mediante la inducción de voltaje en el mismo.

Las figuras 4a, 4b muestran diagramas de vectores del generador magnético permanente. La figura 4a muestra el sistema de coordenadas (d, q) tradicional para una máquina de imán permanente (PM) . En este sistema de coordenadas, el flujo entre los imanes permanentes 4JPM está por definición orientado a lo largo del eje d, mientras que el voltaje inducido a partir de los imanes (back-emf) el¡JPM está...

modificada (i_cq) , y

- transformar dicha señal de control continua modificada (Vd_ref) y dicha señal de control de cuadratura modificada (Vq_ref) en voltajes de fase de control (UM_123) de un sistema de coordenadas estacionario (abc) , y

- aplicar dichos voltajes de fase de control (UM_123) para controlar el generador.

2. Procedimiento de control según la reivindicación 1, en el que la etapa de determinación de un voltaje inducido resultante (ed, eq) en el sistema de coordenadas continuo-cuadratura (d, q) causado por el acoplamiento magnético de la bobinas, se utiliza la siguiente fórmula:

ed :::::: Ud -OJLqiq

ed :::::: Uq + OJL) d donde ud, uq son los voltajes de referencia, O) es la velocidad del rotor del generador, Ld, Lq son inductancias e iq, id son corrientes en el sistema de 15 coordenadas continuo-cuadratura.

3. Procedimiento de control según la reivindicación 2, en el que la etapa de determinación de un voltaje inducido resultante (ed, eq) en el sistema de coordenadas continuo-cuadratura (d, q) causado por el acoplamiento magnético de las bobinas, se utiliza la siguiente fórmula:

donde ud, uq son los voltajes de referencia, O) es la velocidad del rotor del generador, Ld, Lq son inductancias e iq, id son corrientes en el sistema de coordenadas continuo-cuadratura.

4. Procedimiento de control según la reivindicación 1, en el que la etapa de determinación de un primer ángulo del rotor (RHO_EL) incluye multiplicar una posición mecánica del rotor (RHO_ENC) con un número de par de polo generador (P) .

5. Procedimiento de control según la reivindicación 1, en el que la 3 o etapa de determinación de dicho voltaje inducido resultante (ed, eq) se logra mediante medición, cálculo, estimación o simulación.

6. Procedimiento de control según la reivindicación 1, en el que el módulo de control (PI) incluye un módulo proporcional-integrador, una derivada proporcional-integradora, un módulo de lógica difusa, un módulo controlador adaptativo, un módulo de control de colocación del polo, módulos de control RST o un módulo de control de avance-retraso.

7. Sistema de control para un generador en una turbina de viento que tiene una pluralidad de bobinas de estator que tienen un acoplamiento magnético mutuo, comprendiendo dicho sistema de control:

- medios para determinar corrientes de fase (IM_123) de dicho 10 generador, y -medios para determinar un primer ángulo del rotor (RHO_EL) respecto a un sistema de coordenadas estacionario (abc) , y -medios para calcular la corriente continua (id) y la corriente de cuadratura (iq) de dicho generador basadas en dichas corrientes de fase 15 (IM_123) Y dicho primer ángulo del rotor (RHO_EL) , y

- medios para generar una señal de control continua y una señal de control de cuadratura mediante un módulo de control (PI) basado en dicha corriente continua (id) y dicha corriente de cuadratura (iq) , estando dicho procedimiento caracterizado por el hecho de que comprende:

2 o -medios para determinar un voltaje inducido resultante (ed, eq) en el sistema de coordenadas continuo-cuadratura (d, q) causado mediante el acoplamiento magnético de bobinas y mediante el movimiento del rotor, estando dicha determinación basada en dichas corrientes continua (id) y de cuadratura (iq) , la señal de control continua y la señal de control de cuadratura, la velocidad del rotor del generador (ro) y las inductancias del generador (Ld, Lq) en el sistema de coordenadas continuo-cuadratura (d, q) , y -medios para calcular el ángulo de dicho voltaje inducido resultante (ed, eq) debido al acoplamiento magnético de la bobina y el movimiento del rotor respecto al sistema de coordenadas estacionario (abc) , y 3 o -medios para determinar un ángulo de rotor modificado (RHO_EL_C) mediante la adición de dicho ángulo del voltaje inducido resultante (ed, eq) a dicho primer ángulo del rotor (RHO _EL) , Y

- medios para determinar una corriente continua modificada (icd) y una corriente de cuadratura modificada (i_cq) basada en dichas 35 corrientes de fase (IM_123) y en dicho ángulo de rotor modificado (RHO_EL_C) de forma tal que se toma en consideración el acoplamiento

magnético de la pluralidad de bobinas del estator, y

- medios para generar una señal de control continua modificada (vd_ref) y una señal de control de cuadratura modificada (Vq_ref) mediante dicho módulo de control (PI) basado en dicha corriente continua modificada

(Lcd) y corriente de cuadratura modificada (i_cq) , y

- medios para transformar dicha señal de control continua modificada (Vd_ref) y dicha señal de control de cuadratura modificada (Vq_ref) en voltajes de fase de control (UM_123) de un sistema de coordenadas estacionarias (abc) , y

- medios para aplicar dichos voltajes de fase de control (UM_123) a dicho generador.

8. Sistema de control según la reivindicación 7, en el que los medios para determinar un primer ángulo del rotor (RHO_EL) incluyen medios para multiplicar una posición mecánica del rotor (RHO_ENC) con un número de par de polo del generador (P) .

9. Disposición de control para un generador o motor eléctrico, que comprende un generador conectado a una pluralidad de módulos conversores (1, 2, ... , 6) que se puede conectar a un sistema de red y un sistema de control según la reivindicación 6, que comprende además dicha 2 O disposición de control una unidad de control de nivel superior que tiene medios de memoria con un modelo de las inductancias mutuas entre diferentes bobinas del estator.

10. Disposición el control para un generador o motor eléctrico, que comprende un generador conectado a una pluralidad de módulos conversores (1, 2, ... , 6) pueden conectarse a un sistema de red y un sistema de control según la reivindicación 6, teniendo uno de dichos módulos conversores (1, 2, ... , 6) medios de memoria con un modelo de las inductancias mutuas entre diferentes bobinas del estator.