ES2925012T3

ES2925012T3 - Circuito para uso con convertidor de potencia

Info

Publication number: ES2925012T3
Application number: ES11152181T
Authority: ES
Inventors: Anthony Michael Klodowski
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2022-10-13
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: CN102142691A; US20110141637A1; EP2355296A1; US8120885B2; EP2355296B1; DK2355296T3; CN102142691B

Abstract

En una realización, un circuito 100 incluye: un primer interruptor 120, 220 conectado en serie a una primera resistencia de descarga 130, 230, el primer interruptor y la primera resistencia de descarga conectados a un bus de CC positivo 170, 270; un segundo interruptor conectado en serie a una segunda resistencia de descarga 132, 232, el segundo interruptor y la segunda resistencia de descarga conectados a un bus de CC negativo 180, 280; y un banco de condensadores 140 para almacenar un voltaje de CC positivo y negativo, incluyendo el banco de condensadores un primer condensador en paralelo con el primer interruptor y la primera resistencia de descarga, y un segundo condensador en paralelo con el segundo interruptor y la segunda resistencia de descarga, donde el primer interruptor 120, 220 opera independientemente del segundo interruptor 122, 222 para descargar el voltaje CC positivo a través de la primera resistencia de descarga 130, 230 y el segundo interruptor opera independientemente del primer interruptor para descargar el voltaje CC negativo a través de la segunda resistencia de descarga 132, 232. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Circuito para uso con convertidor de potencia

[0001] La materia divulgada en el presente documento se refiere en general a energías renovables y, más concretamente, a un circuito para su uso con un convertidor de potencia utilizado con una unidad de potencia basada en energías renovables.

[0002] Las turbinas eólicas son un tipo de unidad de potencia basada en energías renovables que compite con las formas tradicionales de generación de potencia eléctrica. Por ello, las turbinas eólicas dependen de medios rentables, fiables y seguros para captar la energía del viento y convertirla en potencia eléctrica apta para ser suministrada a kilómetros de distancia. En funcionamiento, las turbinas eólicas tienen múltiples palas giratorias conectadas a un eje rotor que giran gracias al viento. La rotación de las palas por el viento hace girar el eje del rotor para generar un par o fuerza de rotación que impulsa uno o varios generadores para convertir la energía mecánica en potencia eléctrica. La potencia eléctrica generada por el generador se distribuye hacia abajo a través de la torre hasta una red de suministro a través de un transformador.

[0003] Generalmente, se utiliza una tensión media para recoger la potencia eléctrica de las turbinas eólicas en una aplicación típica de generación de energía eólica. Se utiliza un convertidor de potencia en el lado de generador o en el lado de línea, o en ambos. En los sistemas de media tensión se suele utilizar un puente de 3 niveles como convertidor de potencia. Un requisito de producto para el convertidor de puente de 3 niveles es que la tensión positiva del bus de corriente continua (CC) y la tensión negativa del bus de CC permanezcan iguales, de modo que el bus de CC neutra esté equilibrado. Además, la tensión positiva del bus de CC y la tensión negativa del bus de CC deben estar limitadas a una tensión máxima de operación. Si se produce un fallo en la red, el control del bus de CC neutra puede restringirse temporalmente. Además, durante un fallo de la red, o durante la recuperación después de un fallo de la red, la tensión del bus de CC puede sobrepasar y superar la tensión máxima de operación. Además, si se produce un fallo en la red, puede fluir potencia neta en los buses de CC positiva a los buses de CC negativa que debe disiparse.

[0004] Se divulgan varias soluciones para disipar la potencia regenerativa durante un fallo de la red y controlar las tensiones del bus de CC con un circuito. En una realización, el circuito incluye un primer conmutador conectado en serie a una primera resistencia de descarga, el primer conmutador y la primera resistencia de descarga conectados a un bus de CC positiva; un segundo conmutador conectado en serie a una segunda resistencia de descarga, el segundo conmutador y la segunda resistencia de descarga conectados a un bus de CC negativa y una batería de condensadores para almacenar una tensión de CC positiva y una tensión de CC negativa, incluyendo la batería de condensadores un primer condensador en paralelo con el primer conmutador y la primera resistencia de descarga, y un segundo condensador en paralelo con el segundo conmutador y la segunda resistencia de descarga, en el que el primer conmutador opera independientemente del segundo conmutador para descargar la tensión de CC positiva a través de la primera resistencia de descarga y el segundo conmutador opera independientemente del primer conmutador para descargar la tensión de CC negativa a través de la segunda resistencia de descarga.

[0005] EP 0250719 da a conocer un método para operar un dispositivo de equilibrado y freno para convertidores con alta tensión de circuito intermedio con bajas pérdidas.

[0006] EP 1443634 se refiere a un sistema de accionamiento de un inversor con configuraciones cambiantes.

[0007] WO 2006/069569 trata de un método de control de una turbina eólica conectada a una red eléctrica.

[0008] Diversos aspectos y realizaciones de la presente invención se definen en las reivindicaciones adjuntas.

[0009] Varias características de esta invención se entenderán más fácilmente a partir de la siguiente descripción detallada de los diversos aspectos de la invención tomados conjuntamente con los dibujos que se acompañan y que representan diversas realizaciones de la invención, en las que:

La FIG. 1 muestra un diagrama de circuito según una realización de la presente invención.

La FIG. 2 muestra un diagrama de circuito según una realización de la presente invención.

La FIG. 3 muestra un diagrama de circuito de un convertidor de potencia según una realización de la presente invención.

La FIG. 4 muestra una ilustración esquemática de una unidad de potencia eólica según una realización de la presente invención.

[0010] Se observa que los dibujos de la invención no están necesariamente a escala. Los dibujos pretenden representar únicamente aspectos típicos de la invención y, por lo tanto, no deben considerarse como una limitación del alcance de la invención. En los dibujos, la numeración similar representa elementos similares entre los dibujos.

[0011] Como se ha indicado anteriormente, algunos aspectos de la invención permiten disipar la potencia regenerativa y controlar las tensiones del bus de CC durante un fallo de la red. Aunque las diversas realizaciones de la presente invención descritas en el presente documento están dirigidas al uso de un circuito con una turbina eólica, las realizaciones de la presente invención tienen una aplicación de uso más amplia que con una unidad de potencia eólica. En particular, varias realizaciones de la presente invención son adecuadas para cualquier unidad de generación de potencia como, por ejemplo, una unidad de potencia basada en energías renovables. Una lista ilustrativa, pero no exhaustiva, de unidades de potencia basadas en energías renovables que pueden ser adecuadas para su uso con la presente invención puede incluir la energía solar, los sistemas de almacenamiento de energía en baterías, el agua, la geotermia, etc. Los expertos en la materia podrían aplicar los principios de las diversas realizaciones de la presente invención al convertidor de potencia utilizado con cada una de estas unidades de potencia basadas en energías renovables y al transformador utilizado para distribuir la potencia a la red eléctrica.

[0012] Refiriéndose a los dibujos, la FIG.1 es un diagrama de circuito según una realización de la presente invención. El circuito 100 se muestra incluyendo un primer conmutador 120 conectado en serie a una primera resistencia de descarga 130 y un segundo conmutador 122 conectado en serie a una segunda resistencia de descarga 132. El primer conmutador 120 y la primera resistencia de descarga 130 están conectados a un bus de CC positiva 170. El segundo conmutador 122 y la segunda resistencia de descarga 132 están conectados a un bus de CC negativa 180. El circuito 100 también incluye una batería de condensadores 140 para almacenar una tensión de CC positiva y una tensión de CC negativa. La batería de condensadores 140 incluye un primer condensador 142 (que incluye una tensión de CC positiva) en paralelo con el primer conmutador 120 y la primera resistencia de descarga 130. La batería de condensadores 140 también incluye un segundo condensador 144 (que incluye una tensión de CC negativa) en paralelo con el segundo conmutador 122 y la segunda resistencia de descarga 132. Los elementos mostrados como conmutadores, resistencias de descarga y condensadores pueden estar formados por dispositivos más pequeños operados en paralelo o en serie para realizar una función neta de un único conmutador, resistencia de descarga o condensador más grande con una tensión y/o corriente nominal superior a la de los componentes individuales.

[0013] El primer conmutador 120 y el segundo conmutador 122 se muestran como transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). Sin embargo, los expertos en la materia reconocerán que en lugar de los IGBT puede utilizarse cualquier dispositivo de conmutación conocido actualmente o desarrollado posteriormente. Por ejemplo, el primer conmutador 120 y el segundo conmutador 122 pueden incluir también tiristores de cierre de puerta (GTO), tiristores integrados de conmutación de puerta (IGCT), transistores de inyección de puerta mejorada (IEGT), transistores bipolares, MOSFET, tiristores de conmutación de puerta (MCT) y posiblemente rectificadores de conmutación forzada controlados de silicio (SCR).

[0014] El circuito 100 puede incluir al menos una unidad de detección, como la unidad de detección 150 y la unidad de detección 152, configuradas para medir una tensión a través del primer condensador 142 y el segundo condensador 144, respectivamente. Durante el funcionamiento del circuito 100, si la unidad de detección 150 detecta una sobretensión a través del primer condensador 142, el primer conmutador 120 opera, independientemente del segundo conmutador 122, para descargar la tensión positiva de CC. A la inversa, si la unidad de detección 152 detecta que hay una sobretensión en el segundo condensador 144, el segundo conmutador 122 opera, independientemente del primer conmutador 120, para descargar la tensión continua negativa. Además, si ambas unidades de detección 150, 152 detectan que hay una sobretensión a través del primer condensador 142 y del segundo condensador 144, el primer conmutador 120 y el segundo conmutador 122 pueden, de forma independiente y simultánea, operar para descargar la tensión de CC positiva y la tensión de CC negativa. Alternativamente, si las unidades de detección 150, 152 detectan un desequilibrio entre la tensión positiva del bus de CC y la tensión negativa del bus de CC, el conmutador 120, 122 que está asociado con la tensión más alta a través del condensador 142, 144 se enciende para descargar la tensión positiva de CC o la tensión negativa de CC. Además, en el caso de un desequilibrio, ambos conmutadores 120, 122 pueden encenderse al mismo tiempo para descargar la tensión de CC positiva y la tensión de CC negativa; sin embargo, el conmutador 120, 122 asociado con la tensión más alta se enciende durante un periodo de tiempo más largo para equilibrar la tensión de CC positiva y la tensión de CC negativa.

[0015] Refiriéndose ahora a la FIG. 2, se muestra una realización alternativa de un circuito 200. El circuito 200 puede incluir (además de las características reveladas anteriormente con respecto a la FIG. 1) una pluralidad de conmutadores adicionales y una pluralidad de resistencias de descarga adicionales conectadas al bus positivo de CC 270 y al bus negativo de CC 280. Esto puede permitir la capacidad de disipar más potencia o de controlar la potencia disipada de forma más suave. Por ejemplo, como se muestra en la FIG. 2, el circuito 200 incluye un tercer conmutador 224 conectado en serie a una tercera resistencia de descarga 234. El tercer conmutador 224 y la tercera resistencia de descarga 234 están conectados al bus positivo de CC 270 y en paralelo con el primer conmutador 220 y la primera resistencia de descarga 230. El circuito 200 también incluye un cuarto conmutador 226 y una cuarta resistencia de descarga 236. El cuarto conmutador 226 y la cuarta resistencia de descarga 236 están conectados al bus de CC negativa 280 y en paralelo con el segundo conmutador 222 y la segunda resistencia de descarga 232. Aunque la FIG. 2 sólo ilustra el circuito 200 para incluir el tercer conmutador 224 con la tercera resistencia de descarga 234 y el cuarto conmutador 226 con la cuarta resistencia de descarga 236, el circuito 200 puede incluir una pluralidad de conmutadores adicionales y una pluralidad de resistencias de descarga adicionales que funcionan de forma independiente.

[0016] Refiriéndose ahora a la FIG. 1, el circuito 100 puede incluir una pluralidad de diodos 160, 162, 164, 166. Alternativamente, refiriéndose a la FIG. 2, el circuito 200 puede incluir además una pluralidad de diodos 268, 272, 274 y 276. En cualquier realización, la pluralidad de diodos puede estar incluida normalmente en un paquete como parte de un dispositivo de potencia disponible comercialmente o para controlar cualquier efecto parasitario del circuito de potencia cuando los conmutadores se apagan. La pluralidad de diodos 160, 162, 164, 166, 268, 272, 274 y 276 puede conectarse en paralelo a las resistencias de descarga 230, 232, 234 y 236 y en paralelo a los conmutadores 220, 222, 224 y 226. Sin embargo, una realización alternativa puede incluir sólo la pluralidad de diodos 160, 164, 268 y 274 conectados en paralelo a las resistencias de descarga 230, 232, 234 y 236.

[0017] Refiriéndose ahora a la FIG. 3, se muestra un diagrama de circuito de un convertidor de potencia 300 para su uso con el circuito 100, 200 (FIGS. 1 y 2) de acuerdo con una realización de la presente invención. Como se muestra, el convertidor de potencia 300 es un convertidor de puente de 3 niveles que incluye tres series de cuatro IGBT, con cada IGBT en paralelo con un diodo. El convertidor de puente de 3 niveles 300 está conectado al bus de CC positiva 170, 270, al bus de CC neutra 175, 275, y al bus de CC negativa 180, 280. El bus de CC positiva 170, 270, el bus de CC neutra 175, 275, y el bus de CC negativa 180, 280 del convertidor de potencia 300 son los mismos que el bus de CC positiva 170, 270, el bus de CC neutra 175, 275, y el bus de CC negativa 180, 280 del circuito 100, 200. El convertidor de potencia 300 incluye terminales de entrada 310 para conectarse a un generador 50 (FIG. 4) o a un transformador 400 (FIG. 4).

[0018] A continuación se comentan ejemplos de situaciones en las que puede producirse una sobretensión. Un ejemplo es que, durante un fallo de la red, la potencia puede seguir siendo creada por el generador, pero no fluirá a la red eléctrica. En este caso, esta potencia se disipa a través de la primera resistencia de descarga 130 y la segunda resistencia de descarga 132. Otro ejemplo es que, durante un fallo de la red o la recuperación tras un fallo de la red, la tensión del bus de CC puede sufrir un pico. La primera resistencia de descarga 130 y/o la segunda resistencia de descarga 132 pueden activarse para controlar la tensión hasta que se obtenga un control normal de la red. Un fallo de la red también puede hacer que la tensión de CC positiva y la tensión de CC negativa se desequilibren. Sin embargo, para una operación correcta, un convertidor de puente de 3 niveles requiere que estas dos tensiones permanezcan equilibradas. La primera resistencia de descarga 130 o la segunda resistencia de descarga 132 pueden activarse para reducir el desequilibrio entre la tensión continua positiva o la tensión continua negativa. Además, si ciertos dispositivos de potencia de un convertidor de 3 niveles entran en cortocircuito, por ejemplo, los diodos internos 396 o los IGBT internos 394 o los diodos 390 conectados al bus de CC neutra 175 (FIG. 3), puede producirse una sobretensión, conocida por los expertos en la materia como "duplicación de tensión" ("voltaje doubler”), que hará que el primer condensador 142 o el segundo 144 se carguen hasta aproximadamente el doble del valor de operación normal. La primera resistencia de descarga 130 o la segunda resistencia de descarga 132 pueden activarse para controlar la sobretensión.

[0019] Refiriéndose ahora a la FIG. 4, se muestra una ilustración esquemática de una unidad de potencia eólica según una realización de la presente invención. La unidad de potencia eólica incluye al menos una turbina eólica 10 que incluye un generador 50. La unidad de potencia eólica también incluye un convertidor de potencia 300, como un convertidor de 3 niveles (FIG. 3) en el lado de línea y en el lado de generador. Un transformador 400 está configurado para transferir la potencia eléctrica del convertidor de potencia 300 a la red eléctrica.

[0020] La terminología utilizada en el presente documento tiene por objeto describir únicamente las realizaciones particulares y no pretende ser limitativa de la divulgación. Tal y como se utiliza en este documento, las formas singulares "un/a", y "el/la" pretenden incluir también las formas plurales, a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Se entenderá además que los términos "comprende" y/o "que comprende", cuando se utilizan en esta especificación, especifican la presencia de características, números enteros, etapas, operaciones, elementos y/o componentes indicados, pero no excluyen la presencia o adición de una o más características, números enteros, etapas, operaciones, elementos, componentes y/o grupos de ellos.

[0021] Esta descripción escrita utiliza ejemplos para divulgar la invención, incluyendo el modo preferente, y también para permitir a cualquier persona experta en la materia practicar la invención, incluyendo la fabricación y el uso de cualquier dispositivo o sistema y la realización de cualquier método incorporado. El alcance patentable de la invención está definido por las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una unidad de potencia, que comprende:

al menos una turbina eólica (10) que incluye un generador (50); caracterizada porque:

al menos un convertidor de potencia (300), siendo dicho convertidor de potencia (300) un convertidor de puente de 3 niveles que incluye tres series de cuatro IGBT con cada IGBT en paralelo con un diodo, estando dicho convertidor de puente conectado a un bus de CC positiva (170, 270), un bus neutro de CC (175, 275) y un bus de CC negativa (180, 280), e incluyendo terminales de entrada (310) conectados al generador (50) o a un transformador (400); dicho transformador (400) estando configurado para transferir potencia eléctrica desde el al menos un convertidor de potencia (300) a una red eléctrica; y

un circuito (100, 200), que comprende:

un primer conmutador (120, 220) conectado en serie a una primera resistencia de descarga (130, 230), el primer conmutador (120, 220) y la primera resistencia de descarga (130, 230) conectados directamente al bus de corriente continua (CC) positiva (170, 270);

un segundo conmutador (122, 222) conectado en serie a una segunda resistencia de descarga (132, 232), el segundo conmutador (122, 222) y la segunda resistencia de descarga (132, 232) conectados directamente al bus de CC negativa (180, 280);

una batería de condensadores (140) para almacenar una tensión de CC positiva y una tensión de CC negativa, incluyendo la batería de condensadores (140) un primer condensador (142) en paralelo con el primer conmutador (122, 222) y la primera resistencia de descarga (130, 230) y un segundo condensador (144) en paralelo con el segundo conmutador (122, 222) y la segunda resistencia de descarga (132, 232), en el que el primer condensador (142) está directamente conectado al bus de CC positiva (170, 270) y el segundo condensador (144) está directamente conectado al bus de CC negativa (180, 280);

una primera unidad de detección (150) conectada en paralelo con el primer condensador (142) y conectada directamente al bus de CC positiva (170, 270); y

una segunda unidad de detección (152) conectada en paralelo con el segundo condensador (144) y directamente conectada al bus de CC negativa (180, 280), en la que la primera y la segunda unidad de detección (150, 152) están configuradas para medir una tensión a través del primer condensador (142) y del segundo condensador (144), respectivamente, y detectar una sobretensión;

en el que el circuito (100, 200) comprende además una pluralidad de diodos (160, 162, 164, 166, 268, 272, 274, 276), en el que cada diodo (160, 162, 164, 166, 268, 272, 274, 276) está conectado en paralelo a cada conmutador (120, 122, 220, 222, 224, 226) y/o a cada resistencia de descarga (130, 132, 230, 232, 234, 236); y

en el que, en respuesta a una sobretensión detectada en el primer condensador (142), el primer conmutador (120, 220) opera independientemente del segundo conmutador (122, 222) para descargar la tensión de CC positiva a través de la primera resistencia de descarga (130, 230) y, en respuesta a una sobretensión detectada en el segundo condensador (144) el segundo conmutador (122, 222) opera independientemente del primer conmutador (120, 220) para ^{descargar la tensión de c}C ^{negativa a través de la segunda resistencia de descarga (132, 232)}con el fin de disipar la potencia creada por el generador (50) durante un fallo de la red.

2. La unidad de potencia de la reivindicación 1, en la que el circuito (100, 200) comprende además una pluralidad de conmutadores adicionales (224) y una pluralidad de resistencias de descarga adicionales (234), cada conmutador adicional (224) conectado en serie a una resistencia de descarga adicional (234), cada conmutador adicional (224) y cada resistencia de descarga adicional (234) conectados al bus de CC positiva (170, 270), y en paralelo con el primer conmutador (120, 220) y la primera resistencia de descarga (130, 230).

3. La unidad de potencia de cualquier reivindicación anterior, en la que el circuito (100, 200) comprende además una pluralidad de conmutadores adicionales (226) y una pluralidad de resistencias de descarga adicionales (236), cada conmutador adicional (226) conectado en serie a una resistencia de descarga adicional (236), cada conmutador adicional (226) y cada resistencia de descarga adicional (236) conectados al bus de CC negativa (180, 280), y en paralelo con el segundo conmutador (122, 222) y la segunda resistencia de descarga (132, 232).