Turbina eólica con convertidores paralelos que utilizan una pluralidad de devanados del transformador aislados.

Un sistema (10) de potencia para proporcionar una potencia de salida a una carga (21),

comprendiendo elsistema:

un generador (14) configurado para generar una potencia de entrada de corriente alterna en un sistema (20)convertidor de potencia;

un sistema (20) convertidor de potencia acoplado al generador (14) e interconectados para generar una potenciade salida y proporcionar potencia de salida a la carga (21), en el que el sistema (20) convertidor de potenciaincluye una pluralidad de hilos (20 -1, 20-2, 20-3, 20-n) del convertidor paralelos, comprendiendo cada hilo (20-1...20-n) del convertidor paralelo un puente (30) del convertidor del generador, un enlace (35) CD y un puente(40) del convertidor de carga;

un sistema (24) de control del convertidor acoplado al sistema (20) convertidor de potencia y configurado paraaccionar el sistema (20) convertidor de potencia para reducir los componentes armónicos en la potencia desalida o en la potencia de entrada de corriente alterna; y

medios de aislamiento de la potencia de salida al sistema (20) convertidor de potencia desde el generador (14),adaptados para evitar la circulación de corriente en modo común entre los hilos (20-1, 20-2, 20-3, 20-n) delconvertidor paralelos, comprendiendo dichos medios de aislamiento un transformador (25) principal que incluyeuna pluralidad de conjuntos de devanados (305, 310, 315, 320) de potencia trifásicos aislados para cada hilo(20-1... 20-n) del convertidor paralelo respectivo, en el que cada conjunto de la pluralidad de conjuntos dedevanados (305, 310, 315, 320) de potencia trifásicos aislados del transformador (25) principal estáinterconectado con solamente uno de un hilo del convertidor paralelo correspondiente de la pluralidad de hilos(20 -1, 20-2, 20-3, 20-n) del convertidor paralelos.

Turbina eólica con convertidores paralelos que utilizan una pluralidad de devanados del transformador aislados La invención se refiere, en general, a generadores de turbinas eólicas y, más específicamente, a un procedimiento de interconexión de convertidores de potencia paralelos para que los generadores de turbinas eólicas eliminen una corriente en modo común, que circula entre los convertidores de potencia paralelos.

En general, las turbinas eólicas utilizan el viento para generar electricidad. El viento hace girar múltiples palas conectadas a un rotor. El giro de las palas causado por el viento hace girar un eje del rotor, que se conecta a un generador que genera la electricidad. Específicamente, el rotor se monta dentro de un alojamiento o góndola, que se sitúa en la parte superior de una armadura o torre tubular, que puede ser tan alta como aproximadamente 100 metros. Las turbinas eólicas de grado de utilidad (por ejemplo, las turbinas eólicas diseñadas para suministrar energía eléctrica a una red de suministro eléctrico) pueden tener grandes rotores (por ejemplo, de 30 o más metros de diámetro) .Las palas en estos rotores transforman la energía eólica en un par o fuerza de giro que excita uno o más generadores, acoplados giratoriamente al rotor a través de una caja de engranajes. La caja de engranajes se puede utilizar para intensificar la velocidad de giro inherentemente baja del rotor de la turbina para que el generador convierta eficazmente la energía mecánica en energía eléctrica, que se proporciona a una red de suministro eléctrico. Algunas turbinas utilizan generadores que se acoplan directamente al rotor sin utilizar una caja de engranajes. Diversos tipos de generadores se pueden utilizar en estas turbinas eólicas.

Muchos dispositivos, tales como turbinas eólicas, incluyen sistemas convertidores de potencia. Un sistema convertidor de potencia se utiliza normalmente para convertir una tensión de entrada, que puede ser una corriente alterna de frecuencia fija, corriente alterna de frecuencia variable o corriente continua, en un nivel de frecuencia y tensión de salida deseada. Un sistema convertidor suele incluir diversos conmutadores semiconductores de potencia, tales como los transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) , tiristores conmutados de compuerta integrada (IGCT o TCG) , o transistores de efecto de campo semiconductores de óxido de metal (MOSFET) que se activan a ciertas frecuencias para generar la tensión y frecuencia de salida del convertidor deseadas. La tensión de salida del convertidor se proporciona después a diferentes cargas. Las cargas como se utilizan en la presente memoria pretenden incluir ampliamente motores, redes de energía y cargas resistivas, por ejemplo.

El documento EP1 796 254 desvela un sistema convertidor de potencia y procedimiento que utiliza una pluralidad de hilos del convertidor.

La Figura 1 es un diagrama de bloques de un sistema de potencia típico acoplado a una turbina eólica con generador de campo devanado síncrono o de imán permanente e implementado de acuerdo con un aspecto de la invención. El sistema 10 de potencia se configura para proporcionar potencia de salida CA a la red 21. Una turbina 12 eólica se configura para la conversión de la energía eólica en energía mecánica. La turbina eólica se acopla a través de una caja 19 de engranajes al generador 14 o, como alternativa, se acopla directamente al generador 14. La energía eólica es capturada por el giro de las palas de la turbina eólica, y el generador 14 se configura por un sistema 20 convertidor de potencia controlado por el sistema 24 de control del convertidor para generar una potencia de entrada de frecuencia variable. La potencia se transforma en la tensión apropiada por uno o más transformadores 22 y se suministra a la red 21 eléctrica.

Para dar cabida a la necesidad de una mayor potencia de parques eólicos, las turbinas eólicas individuales están siendo provistas cada vez más de una mayor capacidad de potencia de salida. Para dar cabida a la mayor potencia de salida de los generadores de turbinas eólicas, algunos sistemas de turbinas eólicas están provistos de múltiples convertidores paralelos (también conocidos como hilos del convertidor) . Los múltiples convertidores paralelos pueden proporcionar también una ventaja en los convertidores eólicos debido al deseo de la alta disponibilidad y baja distorsión.

Por lo general, los sistemas convertidores de potencia utilizan múltiples puentes del convertidor de potencia paralelos con control de activación para ampliar la capacidad de manipulación de potencia. En aplicaciones de turbinas eólicas, un puente convertidor de potencia se refiere, generalmente, a un circuito convertidor trifásico con seis conmutadores de potencia. Para satisfacer los requisitos de calidad de potencia tanto del lado de la red como del lado de la máquina, tales sistemas utilizan, generalmente, filtros muy grandes y costosos para suavizar las formas de onda moduladas de ancho de impulso. Tales sistemas causan, a veces, el recalentamiento del generador y/o de los transformadores y otros equipos sensibles a la distorsión debido a los altos componentes armónicos, cuando se minimizan los filtros grandes y costosos.

La Figura 2 es un diagrama de bloques de un sistema de potencia típico que emplea múltiples convertidores paralelos. El sistema 10 de potencia se configura para suministrar potencia a una carga 21. Una fuente 14 de generación se configura para generar una potencia de entrada de CA. La potencia de entrada de CA se suministra al sistema 20 convertidor de potencia. El sistema 20 convertidor de potencia comprende del convertidor 20-1 al 20-n. Los convertidores se acoplan en paralelo y se configuran para recibir la potencia de entrada de CA de la fuente 14 de generación. El sistema 20 convertidor de potencia se configura para convertir la potencia de entrada de CA en una potencia de salida de CA. La potencia de salida de CA se proporciona a la carga 21. Las cargas pueden incluir

motores, redes de energía y cargas resistivas, por ejemplo. Aunque las redes son tradicionalmente proveedores de energía, en la mayoría de las realizaciones del sistema de la turbina eólica, la potencia de la turbina eólica se suministra a una red de suministro eléctrico, que actúa como una carga.

La pluralidad de múltiples convertidores paralelos, cada uno de los que (también denominados hilos) tiene una fracción de la valuación nominal neta del sistema. Estos hilos del convertidor están vinculados entre sí tanto en los extremos de entrada como de salida para formar una valuación de corriente/potencia neta en la entrada y salida que está directamente relacionada con el número de hilos del convertidor paralelos. Típicamente, un lado del convertidor se conecta a una fuente de energía común (por ejemplo, la red) y el otro a una planta (por ejemplo, un generador) . El circuito que conecta el convertidor a la red eléctrica estará normalmente referenciado a tierra. Por razones de coste y tamaño, cada hilo se conecta a un punto común en la red y en la planta con conductores que se dimensionan de acuerdo con la valuación de cada hilo y no del sistema de valuación.

El sistema 24 de control del convertidor se configura para proporcionar señales de control para el funcionamiento del sistema 20 convertidor de potencia. El sistema 24 de control del convertidor se acopla al sistema 20 convertidor de potencia y se configura para accionar el sistema convertidor de acuerdo con patrones de conmutación designados previamente. Los patrones de conmutación designados previamente proporcionados por el sistema 24 de control del convertidor pueden proporcionar la activación síncrona de los múltiples convertidores paralelos (20-1 a 20-n) o pueden proporcionar una manera intercalada de control para cada hilo del convertidor con señales de activación de fase desplazada para reducir la conmutación global de los componentes armónicos debido a la cancelación de las formas de onda de fase desplazada.

La Figura 3 es un diagrama de bloques de un hilo típico de un sistema convertidor de potencia. Las realizaciones de la turbina eólica, por ejemplo, comprenden típicamente sistemas convertidores de potencia trifásicos. El convertidor 20-1 representa un hilo del sistema 20 convertidor de potencia.

El convertidor 20-1 comprende un puente 30 convertidor del generador para la conversión CA-CC, un enlace 35 CC, y un puente 40 convertidor de carga para la conversión CC-CA a una tensión y frecuencia adecuados. El puente 30 convertidor del generador se puede implementar utilizando seis conmutadores 45 semiconductores de potencia. Del mismo modo, el puente 40 del lado de la carga se puede implementar utilizando seis conmutadores... [Seguir leyendo]

1. Un sistema (10) de potencia para proporcionar una potencia de salida a una carga (21) , comprendiendo el sistema:

un generador (14) configurado para generar una potencia de entrada de corriente alterna en un sistema (20) convertidor de potencia; un sistema (20) convertidor de potencia acoplado al generador (14) e interconectados para generar una potencia de salida y proporcionar potencia de salida a la carga (21) , en el que el sistema (20) convertidor de potencia incluye una pluralidad de hilos (20 -1.

2. 2.

2. 3.

2. n) del convertidor paralelos, comprendiendo cada hilo (201...20-n) del convertidor paralelo un puente (30) del convertidor del generador, un enlace (35) CD y un puente (40) del convertidor de carga; un sistema (24) de control del convertidor acoplado al sistema (20) convertidor de potencia y configurado para accionar el sistema (20) convertidor de potencia para reducir los componentes armónicos en la potencia de salida o en la potencia de entrada de corriente alterna; y medios de aislamiento de la potencia de salida al sistema (20) convertidor de potencia desde el generador (14) , adaptados para evitar la circulación de corriente en modo común entre los hilos (20-1.

2. 2.

2. 3.

2. n) del convertidor paralelos, comprendiendo dichos medios de aislamiento un transformador (25) principal que incluye una pluralidad de conjuntos de devanados (305, 310, 315, 320) de potencia trifásicos aislados para cada hilo (20-1...

2. n) del convertidor paralelo respectivo, en el que cada conjunto de la pluralidad de conjuntos de devanados (305, 310, 315, 320) de potencia trifásicos aislados del transformador (25) principal está interconectado con solamente uno de un hilo del convertidor paralelo correspondiente de la pluralidad de hilos (20 -1.

2. 2.

2. 3.

2. n) del convertidor paralelos.

2. El sistema (10) de potencia de cualquier reivindicación anterior, en el que el conjunto de devanados de potencia aislados comprende un devanado (25-1) de potencia trifásico y cada uno de la pluralidad de hilos (20-1.

2. 2.

2. 3.

2. n) del convertidor paralelos comprende una entrada (340, 345, 350, 355) de potencia trifásica.

3. El sistema (10) de potencia de cualquier reivindicación anterior, en el que los devanados de potencia trifásicos comprenden:

devanados (310, 315, 320, 325) de salida de potencia del generador conectados en estrella.

4. El sistema (10) de potencia de la reivindicación 1 o reivindicación 2, en el que los devanados de potencia trifásicos comprenden:

devanados (405, 410, 415, 420) de salida de potencia del generador conectados en triángulo.

5. El sistema (10) de potencia de la reivindicación 1 o reivindicación 2, en el que los devanados de potencia trifásicos comprenden:

devanados de salida de potencia del generador conectados en estrella.

6. El sistema (10) de potencia de cualquier reivindicación anterior, en el que el generador (14) comprende un generador de la turbina (12) eólica.

7. El sistema (10) de potencia de cualquier reivindicación anterior, en el que la carga (21) comprende una red de energía eléctrica.

8. El sistema (10) de potencia de cualquier reivindicación anterior, en el que el sistema (24) de control del convertidor excita los hilos (20-1.

2. 2.

2. 3.

2. n) del convertidor paralelos del sistema (20) convertidor de potencia de acuerdo con un esquema de control intercalado.

9. El sistema (10) de potencia de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el sistema (24) de control del convertidor excita los hilos (20-1.

2. 2.

2. 3.

2. n) del convertidor paralelos del sistema (20) convertidor de potencia de acuerdo con un esquema de control no intercalado.