ES3015036T3

ES3015036T3 - Electrical power circuit and method of operating same

Info

Publication number: ES3015036T3
Application number: ES17179970T
Authority: ES
Inventors: Harold Robert Schnetzka; Anthony Michael Klodowski; Sidney Allen Barker
Original assignee: General Electric Renovables Espana SL
Current assignee: General Electric Renovables Espana SL
Priority date: 2016-07-25
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2025-04-28
Anticipated expiration: 2037-07-06
Also published as: DK3276819T3; US20180026563A1; EP3276819A1; US10340829B2; EP3276819B1

Abstract

El presente objeto se refiere a un circuito eléctrico conectado a una red eléctrica 242 y a su método de funcionamiento. El circuito eléctrico cuenta con un convertidor de potencia 210 acoplado eléctricamente a un generador 118, como un generador de inducción de doble alimentación, con un rotor 122 y un estator 120. Por lo tanto, el método incluye el funcionamiento de las conexiones 124 del rotor 122 del generador 118 en configuración en estrella durante un primer rango de velocidad de operación. Además, el método incluye la monitorización de la velocidad del rotor 122 del generador 118. Por lo tanto, el método también incluye la transición de las conexiones 118 del rotor 122 de la configuración en estrella a la configuración delta si la velocidad del rotor cambia a un segundo rango de velocidad de operación. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Circuito de potencia eléctrica y procedimiento de operación del mismo

[0001] La presente divulgación se refiere, en general, a turbinas eólicas y, más en particular, a un circuito de potencia eléctrica, tal como un circuito de potencia eléctrica de turbina eólica, y a un procedimiento de operación del mismo para incrementar un intervalo de operación de velocidad de rotor del mismo.

[0002] La energía eólica se considera una de las fuentes de energía más limpias y más respetuosas con el medioambiente disponibles actualmente, y las turbinas eólicas han obtenido una creciente atención a este respecto. Una turbina eólica moderna incluye típicamente una torre, generador, caja de engranajes, góndola y una o más palas de rotor. Las palas de rotor captan la energía cinética del viento usando principios de perfil alar conocidos. Por ejemplo, las palas de rotor típicamente tienen el perfil de sección transversal de un perfil alar de modo que, durante el funcionamiento, el aire fluye sobre la pala produciendo una diferencia de presión entre los lados. En consecuencia, una fuerza de sustentación, que se dirige desde un lado de presión hacia un lado de succión, actúa sobre la pala. La fuerza de sustentación genera un par de torsión en el eje de rotor principal, que está engranado a un generador para producir electricidad.

[0003] Durante el funcionamiento, el viento incide sobre las palas de rotor y las palas transforman la energía eólica en un par de torsión de rotación mecánico que acciona de forma rotatoria un eje lento. El eje lento está configurado para accionar la caja de engranajes que posteriormente aumenta la baja velocidad de rotación del eje lento para accionar un eje rápido a una velocidad de rotación incrementada. El eje rápido está acoplado de forma rotatoria, en general, a un generador para accionar de forma rotatoria un rotor de generador. Como tal, se puede inducir un campo magnético rotatorio por el rotor de generador y se puede inducir una tensión dentro de un estátor de generador que está acoplado magnéticamente al rotor de generador. La potencia eléctrica asociada se puede transmitir a un transformador principal que típicamente está conectado a una red eléctrica por medio de un disyuntor. Por tanto, el transformador principal aumenta la amplitud de tensión de la potencia eléctrica de modo que la potencia eléctrica transformada se pueda transmitir además a la red eléctrica.

[0004] En muchas turbinas eólicas, el rotor de generador se puede acoplar eléctricamente a un convertidor de potencia bidireccional que incluye un convertidor de lado de rotor unido a un convertidor de lado de línea por medio de un enlace de CC regulado(“DC link").Más específicamente, algunas turbinas eólicas, tales como sistemas de generadores de inducción doblemente alimentados (DFIG) accionados por viento o sistemas de conversión de potencia total, pueden incluir un convertidor de potencia con una topología CA-CC-CA. Los convertidores de potencia estándar típicamente incluyen un circuito puente, un filtro de potencia y un circuito decrowbaropcional. El circuito puente incluye típicamente una pluralidad de celdas, por ejemplo, uno o más elementos de conmutación de potencia y/o uno o más diodos.

[0005] El documento EP 0 821 467 A1 describe que la velocidad de rotor de una máquina rotatoria de doble alimentación (motor) se incrementa al incrementar la frecuencia de convertidor a un valor dado inferior a la velocidad de sincronización mientras las espiras del estátor están en cortocircuito. A continuación, se aplica la tensión de red al estátor y se reduce la frecuencia de convertidor para hacer que la máquina gire a una segunda velocidad. En este punto, se cambia la proporción de transformación de la máquina y se reduce la frecuencia a la velocidad nominal de la máquina, estando definidas las tres velocidades por la carga. La proporción de transformación es la proporción de la tensión primaria aplicada a través de los terminales de un rotor estacionario con respecto a la tensión secundaria que aparece a través del estátor y está controlada por un dispositivo de adaptación que conmuta de un valor menor a uno mayor. Además, el documento US 2005/179331 A1 describe un aparato para la conversión de energía eléctrica en energía mecánica y viceversa que incluye una máquina de inducción de rotor bobinado provista de un estátor y un rotor conectados ambos a una misma línea trifásica a través de respectivas líneas de conexión, un motor conectado al rotor y que puede llevarlo a una velocidad dos veces la velocidad sincrónica, así como un transformador reductor y un conmutador dispuestos en las líneas de conexión de tal manera que permiten realizar la conexión en paralelo del estátor o del rotor. Como consecuencia, la máquina genera el doble de potencia disponible para un tamaño y peso dados de hierro y cobre, porque la velocidad de rotación de la máquina es el doble de la velocidad sincrónica y porque tiene una doble conexión a la línea. De esta manera, la máquina de inducción puede funcionar como generador o como motor sincrónico. Además, el documento US 8.853.876 B1 describe un procedimiento para operar un sistema de generación de potencia que suministra potencia para su aplicación a una carga. El procedimiento incluye recibir, en un convertidor de potencia, una potencia de corriente alterna generada por un generador que funciona a una velocidad que es sustancialmente igual a su velocidad sincrónica y convertir, con el convertidor de potencia, la potencia de corriente alterna en una potencia de salida, en el que el convertidor de potencia incluye al menos un elemento de conmutación. Además, el procedimiento incluye recibir una instrucción de control para controlar una frecuencia de conmutación del al menos un elemento de conmutación y ajustar la frecuencia de conmutación a una frecuencia de conmutación ajustada que sea sustancialmente igual a una frecuencia fundamental de la carga.

[0006] Cuando la turbina eólica está funcionando dentro de un intervalo de operación de baja velocidad de rotor, la producción anualizada de energía (AEP) se reduce debido a los períodos de tiempo de producción cero/fuera de línea de la turbina eólica. Como tal, sería beneficioso incrementar el intervalo de RPM (rotaciones por minuto) de operación de la turbina eólica para reducir dichos períodos de tiempo de producción cero/fuera de línea para incrementar la AEP y reducir el coste nivelado de la electricidad con un riesgo y un coste mínimos.

[0007]Por tanto, un sistema y procedimiento para operar el sistema de potencia de turbina eólica que permita más oportunidades para aprovechar la energía eólica cuando se opera a bajos niveles de RPM serían bienvenidos en la técnica. En consecuencia, la presente divulgación está dirigida a un sistema y procedimiento para operar el sistema de potencia de turbina eólica para incrementar un intervalo de operación de velocidad de rotor del mismo para abordar los problemas mencionados anteriormente.

[0008]Diversos aspectos y ventajas de la invención se expondrán en parte en la siguiente descripción, o pueden ser evidentes a partir de la descripción, o se pueden aprender a través de la puesta en práctica de la invención.

[0009]La presente invención se define por las reivindicaciones adjuntas.

[0010]Diversas características, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor con referencia a la siguiente descripción. Los dibujos adjuntos, que se incorporan en y constituyen una parte de esta memoria descriptiva, ilustran modos de realización de la invención y, conjuntamente con la descripción, sirven para exponer los principios de la invención.

[0011]En los dibujos:

la FIG. 1 ilustra una vista en perspectiva de una parte de un modo de realización de una turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 2 ilustra una vista esquemática de un modo de realización de un sistema eléctrico y de control adecuado para su uso con la turbina eólica mostrada en la FIG. 1;

la FIG. 3 ilustra un diagrama de bloques de un modo de realización de un controlador adecuado para su uso con la turbina eólica mostrada en la FIG. 1;

la FIG. 4 ilustra un diagrama de flujo de un modo de realización de un procedimiento para operar un circuito de potencia eléctrica conectado a una red eléctrica de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 5 ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de conexiones de rotor de un rotor de un generador de un sistema de potencia de turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación, ilustrando en particular una configuración en estrella y una configuración delta, respectivamente;

la FIG. 6 ilustra un gráfico de un modo de realización de la velocidad de rotor, la frecuencia EMF de rotor y el deslizamiento de rotor (eje x) frente a la tensión de rotor E<r>(eje y) de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 7 ilustra un gráfico de un modo de realización de histéresis de RPM de acuerdo con la presente divulgación; y

la FIG. 8 ilustra un diagrama de flujo de otro modo de realización de un procedimiento para operar una turbina eólica conectada a una red eléctrica de acuerdo con la presente divulgación.

[0012]En general, la presente materia objeto está dirigida a un sistema y procedimiento para operar un circuito de potencia eléctrica, por ejemplo, un sistema de potencia de turbina eólica, conectado a una red eléctrica para incrementar un intervalo de operación de velocidad de rotor del mismo. Además, el circuito de potencia eléctrica tiene un convertidor de potencia acoplado eléctricamente a un generador que tiene un rotor y un estátor. Por tanto, el procedimiento incluye operar conexiones de rotor del rotor del generador en una configuración en estrella durante un primer intervalo de operación de velocidad de rotor. El procedimiento incluye además monitorizar una velocidad de rotor del rotor del generador y la transición de las conexiones de rotor del rotor de la configuración en estrella a una configuración delta si la velocidad de rotor cambia a un segundo intervalo de operación de velocidad de rotor para incrementar el intervalo de operación de velocidad de rotor del generador.

[0013]La presente divulgación proporciona muchas ventajas no presentes en la técnica anterior. Por ejemplo, incrementar el intervalo de operación de la velocidad de rotor del generador puede permitir una producción anualizada de energía (AEP) incrementada. Además, incrementar el intervalo de operación de la velocidad de rotor del generador también puede proporcionar una reducción en el coste de la electricidad para soluciones de energía renovable, ya que puede reducir los períodos de tiempo fuera de línea/sin producción y permitir más oportunidades para aprovechar la energía eólica cuando se opera a niveles de velocidad de rotor muy bajos.

[0014]En referencia ahora a los dibujos, la FIG. 1 ilustra una vista en perspectiva de una parte de una turbina eólica 100 ejemplar de acuerdo con la presente divulgación que está configurada para implementar el procedimiento y aparato como se describe en el presente documento. La turbina eólica 100 incluye una góndola 102 que aloja típicamente un generador (no mostrado). La góndola 102 está montada en una torre 104 que tiene cualquier altura adecuada que facilite el funcionamiento de la turbina eólica 100 como se describe en el presente documento. La turbina eólica 100 también incluye un rotor 106 que incluye tres palas 108 unidas a un buje rotatorio 110. De forma alternativa, la turbina eólica 100 puede incluir cualquier número de palas 108 que facilite el funcionamiento de la turbina eólica 100 como se describe en el presente documento.

[0015]En referencia a la FIG. 2, se ilustra una vista esquemática de un sistema eléctrico y de control 200 ejemplar que se puede usar con la turbina eólica 100. Durante el funcionamiento, el viento incide en las palas 108 y las palas 108 transforman la energía eólica en un par de torsión de rotación mecánico que acciona de forma rotatoria un eje lento 112 por medio del buje 110. El eje lento 112 está configurado para accionar una caja de engranajes 114 que, posteriormente, aumenta la baja velocidad de rotación del eje lento 112 para accionar un eje rápido 116 a una velocidad de rotación incrementada. El eje rápido 116 está acoplado de forma rotatoria, en general, a un generador 118 para accionar de forma rotatoria un rotor de generador 122. En un modo de realización, el generador 118 puede ser un generador (asíncrono) de inducción doblemente alimentado (DFIG) trifásico de rotor bobinado, que incluye un estátor de generador 120 acoplado magnéticamente a un rotor de generador 122. Como tal, se puede inducir un campo magnético rotatorio por el rotor de generador 122 y se puede inducir una tensión dentro de un estátor de generador 120 que esté acoplado magnéticamente al rotor de generador 122. En un modo de realización, el generador 118 está configurado para convertir la energía mecánica de rotación en una señal de energía eléctrica de corriente alterna (CA) trifásica sinusoidal en el estátor de generador 120. La potencia eléctrica asociada se puede transmitir a un transformador principal 234 por medio de un bus de estátor 208, un conmutador de sincronización de estátor 206, un bus de sistema 216, un disyuntor de circuito de transformador principal 214 y un bus de lado de generador 236. El transformador principal 234 aumenta la amplitud de tensión de la potencia eléctrica de modo que la potencia eléctrica transformada se pueda transmitir además a una red por medio de un disyuntor de circuito de red 238, un bus de lado de disyuntor 240 y un bus de red 242.

[0016]Además, el sistema eléctrico y de control 200 puede incluir un controlador de turbina eólica 202 configurado para controlar cualquiera de los componentes de la turbina eólica 100. Por ejemplo, como se muestra en particular en la FIG. 3, el controlador 202 puede incluir uno o más procesadores 204 y dispositivos de memoria asociados 207 configurados para realizar una variedad de funciones implementadas por ordenador (por ejemplo, realizar los procedimientos, etapas, cálculos y similares, y almacenar datos pertinentes como se divulga en el presente documento). Adicionalmente, el controlador 202 también puede incluir un módulo de comunicaciones 209 para facilitar las comunicaciones entre el controlador 202 y los diversos componentes de la turbina eólica 100, por ejemplo, cualquiera de los componentes de la FIG. 2. Además, el módulo de comunicaciones 209 puede incluir una interfaz de sensor 211 (por ejemplo, uno o más convertidores de analógico a digital) para permitir que las señales transmitidas desde uno o más sensores se conviertan en señales que se puedan entender y procesar por los procesadores 204. Se debe apreciar que los sensores (por ejemplo, los sensores 252, 254, 256, 258) se pueden acoplar de forma comunicativa al módulo de comunicaciones 209 usando cualquier medio adecuado. Por ejemplo, como se muestra en la FIG. 3, los sensores 252, 254, 256, 258 se pueden acoplar a la interfaz de sensor 211 por medio de una conexión por cable. Sin embargo, en otros modos de realización, los sensores 252, 254, 256, 258 se pueden acoplar a la interfaz de sensor 211 por medio de una conexión inalámbrica, tal como usando cualquier protocolo de comunicaciones inalámbricas adecuado conocido en la técnica. Como tal, el procesador 204 se puede configurar para recibir una o más señales de los sensores.

[0017]Como se usa en el presente documento, el término "procesador" no solo se refiere a circuitos integrados a los que se hace referencia en la técnica como que están incluidos en un ordenador, sino que también se refiere a un controlador, un microcontrolador, un microordenador, un controlador de lógica programable (PLC), un circuito integrado específico de la aplicación y otros circuitos programables. El procesador 204 también está configurado para calcular algoritmos de control avanzados y comunicarse con una variedad de protocolos basados en Ethernet o en serie (Modbus, OPC, CAN, etc.). Adicionalmente, el/los dispositivo(s) de memoria 207 puede(n) comprender en general un elemento(s) de memoria, incluyendo, pero sin limitarse a, medio legible por ordenador (por ejemplo, memoria de acceso aleatorio (RAM)), medio no volátil legible por ordenador (por ejemplo, una memoriaflash),un disquete, una memoria de solo lectura en disco compacto (CD-ROM), un disco magnetoóptico (MOD), un disco versátil digital (DVD) y/u otros elementos de memoria adecuados. Dicho(s) dispositivo(s) de memoria 207 se puede(n) configurar, en general, para almacenar instrucciones legibles por ordenador adecuadas que, cuando se implementan por el/los procesador(es) 204, configuran el controlador 202 para realizar las diversas funciones como se describe en el presente documento.

[0018]En referencia de nuevo a la FIG. 2, el estátor de generador 120 se puede acoplar eléctricamente a un conmutador de sincronización de estátor 206 por medio de un bus de estátor 208. En un modo de realización, para facilitar la configuración de DFIG, el rotor de generador 122 tiene conexiones de rotor 124 que están acopladas eléctricamente a un conjunto de conversión de potencia bidireccional 210 o un convertidor de potencia por medio de un bus de rotor 212. De forma alternativa, el rotor de generador 122 se puede acoplar eléctricamente al bus de rotor 212 por medio de cualquier otro dispositivo que facilite el funcionamiento del sistema eléctrico y de control 200 como se describe en el presente documento. En otro modo de realización, el conmutador de sincronización de estátor 206 se puede acoplar eléctricamente a un disyuntor de circuito de transformador principal 214 por medio de un bus de sistema 216.

[0019]El conjunto de conversión de potencia 210 puede incluir un filtro de rotor 218 que está acoplado eléctricamente al rotor de generador 122 por medio del bus de rotor 212. Además, el filtro de rotor 218 puede incluir un reactor de lado de rotor. Un bus de filtro de rotor 219 acopla eléctricamente el filtro de rotor 218 a un convertidor de potencia de lado de rotor 220. Además, el convertidor de potencia de lado de rotor 220 se puede acoplar eléctricamente a un convertidor de potencia de lado de línea 222 por medio de un único enlace de corriente continua (CC) 244. De forma alternativa, el convertidor de potencia de lado de rotor 220 y el convertidor de potencia de lado de línea 222 se pueden acoplar eléctricamente por medio de enlaces de CC individuales y separados. Además, como se muestra, el enlace de CC 244 puede incluir un riel positivo 246, un riel negativo 248 y al menos un condensador 250 acoplado entre ellos.

[0020]Además, un bus de convertidor de potencia de lado de línea 223 puede acoplar eléctricamente el convertidor de potencia de lado de línea 222 a un filtro de línea 224. Además, un bus de línea 225 puede acoplar eléctricamente el filtro de línea 224 a un contactor de línea 226. Además, el filtro de línea 224 puede incluir un reactor de lado de línea. Además, el contactor de línea 226 se puede acoplar eléctricamente a un disyuntor de circuito de conversión 228 por medio de un bus de disyuntor de circuito de conversión 230. Además, el disyuntor de circuito de conversión 228 se puede acoplar eléctricamente al disyuntor de circuito de transformador principal 214 por medio de un bus de sistema 216 y un bus de conexión 232. El disyuntor de circuito de transformador principal 214 se puede acoplar eléctricamente a un transformador principal de potencia eléctrica 234 por medio de un bus de lado de generador 236. El transformador principal 234 se puede acoplar eléctricamente a un disyuntor de circuito de red 238 por medio de un bus de lado de disyuntor 240. El disyuntor de circuito de red 238 se puede conectar a la red de transmisión y distribución de potencia eléctrica por medio de un bus de red 242.

[0021]En funcionamiento, la potencia de corriente alterna (CA) generada en el estátor de generador 120 por la rotación del rotor 106 se proporciona por medio de una ruta doble al bus de red 242. Las rutas dobles están definidas por el bus de estátor 208 y el bus de rotor 212. En el lado de bus de rotor 212, se proporciona potencia de CA multifásica (por ejemplo, trifásica) sinusoidal al conjunto de conversión de potencia 210. El convertidor de potencia de lado de rotor 220 convierte la potencia de CA proporcionada desde el bus de rotor 212 en potencia de CC y proporciona la potencia de CC al enlace de CC 244. Los elementos de conmutación (por ejemplo, IGBT) usados en circuitos puente del convertidor de potencia de lado de rotor 220 se pueden modular para convertir la potencia de CA proporcionada desde el bus de rotor 212 en potencia de CC adecuada para el enlace de CC 244.

[0022]El convertidor de lado de línea 222 convierte la potencia de CC en el enlace de CC 244 en potencia de salida de CA adecuada para el bus de red eléctrica 242. En particular, los elementos de conmutación (por ejemplo, IGBT) usados en los circuitos puente del convertidor de potencia de lado de línea 222 se pueden modular para convertir la potencia de CC en el enlace de CC 244 en potencia de CA en el bus de lado de línea 225. La potencia de CA del conjunto de conversión de potencia 210 se puede combinar con la potencia del estátor 120 para proporcionar potencia multifásica (por ejemplo, potencia trifásica) que tenga una frecuencia mantenida sustancialmente a la frecuencia del bus de red eléctrica 242 (por ejemplo, 50 Hz/60 Hz). Se debe entender que el convertidor de potencia de lado de rotor 220 y el convertidor de potencia de lado de línea 222 pueden tener cualquier configuración que use cualquier dispositivo de conmutación que facilite el funcionamiento del sistema eléctrico y de control 200 como se describe en el presente documento.

[0023]Además, el conjunto de conversión de potencia 210 se puede acoplar en comunicación electrónica de datos con el controlador de turbina 202 y/o un controlador de convertidor 262 separado o solidario para controlar el funcionamiento del convertidor de potencia de lado de rotor 220 y el convertidor de potencia de lado de línea 222. Por ejemplo, durante el funcionamiento, el controlador 202 se puede configurar para recibir una o más señales de medición de tensión y/o corriente eléctrica desde el primer grupo de sensores de tensión y corriente eléctrica 252. Por tanto, el controlador 202 se puede configurar para monitorizar y controlar al menos algunas de las variables operativas asociadas con la turbina eólica 100 por medio de los sensores 252. En el modo de realización ilustrado, cada uno de los sensores 252 se puede acoplar eléctricamente a cada una de las tres fases del bus de red de potencia 242. De forma alternativa, los sensores 252 se pueden acoplar eléctricamente a cualquier parte del sistema eléctrico y de control 200 que facilite el funcionamiento del sistema eléctrico y de control 200 como se describe en el presente documento. Además de los sensores descritos anteriormente, los sensores también pueden incluir un segundo grupo de sensores de tensión y corriente eléctrica 254, un tercer grupo de sensores de tensión y corriente eléctrica 256, un cuarto grupo de sensores de tensión y corriente eléctrica 258 (todos mostrados en la FIG. 2) y/o cualquier otro sensor adecuado.

[0024]También se debe entender que se puede emplear un número o tipo cualquiera de sensores de tensión y/o corriente eléctrica dentro de la turbina eólica 100 y en cualquier ubicación. Por ejemplo, los sensores pueden ser transformadores de corriente, sensores de derivación, bobinas de Rogowski, sensores de corriente de efecto Hall, unidades de mediciones microinerciales (MIMU) o similares, y/o cualquier otro sensor de tensión o corriente eléctrica adecuado conocido ahora o desarrollado más tarde en la técnica.

[0025]Por tanto, el controlador de convertidor 262 está configurado para recibir una o más señales de realimentación de tensión y/o corriente eléctrica desde los sensores 252, 254, 256, 258. Más específicamente, en determinados modos de realización, las señales de realimentación de corriente o tensión pueden incluir al menos una de señales de realimentación de corriente de línea, señales de realimentación de convertidor de lado de línea, señales de realimentación de convertidor de lado de rotor, señales de realimentación de corriente de estátor, señales de realimentación de tensión de línea o señales de realimentación de tensión de estátor. Por ejemplo, como se muestra en el modo de realización ilustrado, el controlador de convertidor 262 recibe señales de medición de tensión y corriente eléctrica desde el segundo grupo de sensores de tensión y corriente eléctrica 254 acoplado en comunicación electrónica de datos con el bus de estátor 208. El controlador de convertidor 262 también puede recibir el tercer y cuarto grupo de señales de medición de tensión y corriente eléctrica desde el tercer y cuarto grupo de sensores de tensión y corriente eléctrica 256, 258. Además, el controlador de convertidor 262 se puede configurar con cualquiera de las características descritas en el presente documento con respecto al controlador principal 202. Además, el controlador de convertidor 262 puede estar separado de o solidario con el controlador principal 202. Como tal, el controlador de convertidor 262 está configurado para implementar las diversas etapas de procedimiento como se describe en el presente documento y se puede configurar de forma similar al controlador de turbina 202.

[0026]La magnitud en operación instantánea permitida máxima del enlace de CC 244 está determinada por el diseño de los convertidores de lado de línea y de lado de rotor 220, 222, incluyendo, pero sin limitarse a, la selección de los tipos y especificaciones de dispositivos de conmutación de potencia, la selección del tipo y especificaciones de la capacitancia de enlace de Cc , elementos no excitados tales como la inductancia parásita y el funcionamiento de los accionadores de compuerta que rigen la conmutación de los dispositivos de potencia y, en consecuencia, la sobretensión momentánea transitoria vista por los dispositivos de conmutación de potencia. Además, la consigna de tensión en operación de enlace de CC en estado estable afecta una serie de elementos que incluyen, pero sin limitarse a, la magnitud máxima de tensión de CA fundamental disponible en los convertidores de lado de rotor y de línea 220, 222, las pérdidas de semiconductores y la tasa de fallas de los dispositivos de conmutación.

[0027]La tensión de salida fundamental disponible máxima en el rotor 122 y el convertidor de lado de línea 222 es una función del diseño de modulador de convertidor elevador, la magnitud de la tensión de enlace de CC y el índice de modulación. Por tanto, si el convertidor de potencia 210 usa una modulación vectorial espacial (SVM) típica, la ganancia de tensión V<g>desde el enlace de CC 244 a cualquier salida de línea a línea (línea o rotor) sin sobremodulación se representa por la ecuación (1) a continuación:

V3= (1,15) * y *<y>'2 Ecuación (1}

[0028]La tensión de lado de rotor del convertidor de lado de rotor 220 se puede calcular en función de la frecuencia y tensión de estátor, un número de polos, la velocidad de rotor, la impedancia de la máquina y la proporción de espiras, y la corriente de estátor y rotor. Para maximizar el intervalo de tensión de operación del generador 118, la consigna de tensión en operación de enlace de CC en estado estable del convertidor de potencia 210 se debe establecer lo más alto posible. Por el contrario, para obtener robustez con respecto a la capacidad de tensión de red (por ejemplo, mantenimiento de conexión en caso de alta tensión (HVRT) y capacidad de operación en isla), se requiere un margen entre la consigna de tensión en operación de enlace de C<c>en estado estable y la tensión de enlace de CC instantánea permitida máxima para evitar fallas de componentes, lo que requiere una consigna de tensión de enlace de CC en estado estable menor. Minimizar los efectos de fiabilidad del agotamiento de evento único (SEB) y/o la radiación cósmica terrestre también requiere una minimización de la consigna de tensión de enlace de CC en estado estable.

[0029]En determinados modos de realización, cabe destacar que no se requiere, ni se desea, la operación de la tensión de enlace de CC al nivel requerido para cumplir con los puntos extremos del intervalo de velocidad de rotor en operación extendido. Por ejemplo, cuando se opera a velocidades cercanas a la velocidad sincrónica del generador 118, la consigna de tensión de enlace de CC se puede reducir a un nivel dictado únicamente por el valor pico de la tensión de lado de línea, más cierto margen adicional para permitir el forzamiento de la corriente a través de los inductores de lado de línea o de lado de rotor. Al reducir la consigna de tensión de enlace de CC cuando se permite por las RPM en operación, la presente divulgación reduce las pérdidas de convertidor, proporciona un margen de tensión de enlace de CC adicional para eventos de HVRT e incrementa la fiabilidad de dispositivo de conmutación de potencia.

[0030]En referencia ahora a la FIG. 4, se ilustra un diagrama de flujo de un modo de realización de un procedimiento 350 para operar un sistema de potencia eléctrica (por ejemplo, el sistema de potencia de turbina eólica de la FIG. 2). Como se muestra en 352, el procedimiento 350 incluye operar las conexiones de rotor 124 del rotor 122 del generador 118 en una configuración en estrella (FIG. 5) durante un primer intervalo de operación de velocidad de rotor. Por ejemplo, como se muestra en el gráfico 300 de la FIG. 6, el primer intervalo de operación de velocidad de rotor puede incluir velocidades de rotor iguales o superiores a la velocidad sincrónica 302 de la turbina eólica 100. Más específicamente, en determinados modos de realización, para un convertidor de potencia de 60 hercios, el primer intervalo de operación de velocidad de rotor puede incluir velocidades de rotor de aproximadamente 1200 rotaciones por minuto (RPM) a aproximadamente 1600 RPM. Además, la FIG. 6 ilustra las limitaciones de las RPM en operación en base a que el convertidor de potencia 210 solo esté a punto de emitir una tensión de rotor limitada.

[0031]Todavía en referencia a la FIG. 4, como se muestra en 354, el procedimiento 350 incluye monitorizar una velocidad de rotor del rotor 122 del generador 118 durante el funcionamiento del mismo, por ejemplo, por medio de uno o más sensores 252, 254, 256, 258. Por ejemplo, en modos de realización particulares, el/los sensor(es) 252, 254, 256, 258 puede(n) incluir sensores de corriente eléctrica o tensión configurados para generar una o más señales de realimentación de corriente o tensión del circuito de potencia eléctrica 200, así como un sensor de RPM en el tren de potencia.

[0032]Como se muestra en 356, el procedimiento 350 también incluye la transición de las conexiones de rotor del rotor del rotor 122 de la configuración en estrella a una configuración delta si la velocidad de rotor cambia a un segundo intervalo de operación de velocidad de rotor. Por ejemplo, como se muestra en el gráfico 300 de la FIG.

6, el segundo intervalo de operación de velocidad de rotor puede incluir velocidades de rotor inferiores a una velocidad sincrónica 302 de la turbina eólica 100. Más específicamente, en un modo de realización, para un convertidor de potencia de 60 hercios, el primer intervalo de operación de velocidad de rotor puede incluir de aproximadamente 800 rotaciones por minuto (RPM) a aproximadamente 1200 RPM, tal como de aproximadamente 825 RPM a aproximadamente 875 RPM, como se muestra en la FIG. 7. Se debe entender además que el segundo intervalo de operación de velocidad de rotor también puede depender de otros factores diversos, tales como la proporción de espiras del generador 118 y/o una proporción de transmisión de la caja de engranajes 114, que se debe producir a una frecuencia de rotor de convertidor/RPM a o inferior a una magnitud que permita que la corriente del convertidor de potencia 210 permanezca en o inferior a su valor nominal una vez que la máquina está conectada en la configuración delta.

[0033]En referencia ahora a la FIG. 5, se ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de una configuración de contactor estrella-delta de las conexiones de rotor 124 (FIG. 2) de acuerdo con la presente divulgación. Se debe entender que la FIG. 5(A) ilustra el uso de un arrancador(“starter’)de motor estrella-delta convencional insertado entre el rotor de generador 122 y el convertidor de potencia 210, donde uno de los contactores (por ejemplo, el contactor 1M) para cada fase está siempre cerrado. En modos de realización alternativos, como se muestra en la FIG. 5(B), cada fase de la configuración estrella-delta puede incluir un único contactor (es decir, el contactor 2M) de acuerdo con la presente divulgación. Más específicamente, los diagramas superiores (FIG. 5A y 5B) ilustran diversos modos de realización de una configuración de contactor estrella-delta del circuito de potencia eléctrica 200, mientras que las FIGS. 5C y 5D ilustran las configuraciones en estrella y delta, respectivamente. Por tanto, como se muestra en el modo de realización ilustrado, para operar las conexiones de rotor 124 del rotor 122 del generador 118 en una configuración en estrella (FIG. 5C), los contactores 1M y S están cerrados para el primer intervalo de operación de velocidad de rotor. Por el contrario, para operar las conexiones de rotor 124 del rotor 122 del generador 118 en una configuración delta (FIG. 5D), los contactores 1M y 2M están cerrados y los contactores S están abiertos, por ejemplo, durante el segundo intervalo de operación de velocidad de rotor. Como tal, al realizar la transición de las conexiones de rotor del rotor 122 de la configuración en estrella a la configuración delta en el extremo inferior del intervalo de RPM (es decir, de aproximadamente 800 RPM a aproximadamente 1200 RPM, más preferentemente de aproximadamente 825 RPM a aproximadamente 875 RPM como se muestra en la FIG. 7), se incrementa el intervalo global de operación de velocidad de rotor para el circuito de potencia eléctrica 200. Por ejemplo, en determinados modos de realización, el intervalo global de operación de velocidad de rotor incrementado puede ser mayor que el intervalo de operación inicial en de aproximadamente un 15 % a aproximadamente un 20 %. Además, la transición de estrella a delta está configurada para incrementar la corriente vista por el convertidor de potencia 210 en la raíz cuadrada de 3; sin embargo, el convertidor de potencia 210 puede operar a este nivel de corriente de carga. Además, como se muestra en la FIG. 7, la transición de la configuración en estrella a la configuración delta y viceversa puede incluir histéresis de RPM en el controlador 202 para evitar una transición excesiva, es decir, la transición se debe producir rápidamente.

[0034]En modos de realización adicionales, durante la transición de la configuración en estrella a la configuración delta, se pueden producir una cualquiera o más de las siguientes condiciones: el estátor de generador 120 puede permanecer conectado, el par de torsión se puede variar gradualmente hasta cero, los IGBT de rotor de convertidor de potencia pueden detener el control de puerta, el contactor S se puede desconectar, el contactor 2M se puede conectar, la tensión de salida de convertidor de rotor se puede sincronizar con la tensión de rotor, los IGBT de rotor se pueden habilitar y/o el par de torsión se puede aumentar gradualmente. Además, durante el tiempo que se produce este proceso, la velocidad de pala de rotor se incrementa ya que la energía del viento no tiene sumidero de energía, por lo que el tiempo asignado para realizar la transición debe ser lo suficientemente corto para evitar un nivel excesivo de incremento de las RPM de pala. Por tanto, como se muestra en la FIG. 7, el nivel mínimo de histéresis de RPM está determinado por el tiempo requerido para llevar a cabo el proceso anterior y el análisis relacionado del incremento de velocidad que se puede esperar durante este período de tiempo.

[0035] En otros modos de realización, durante la transición de la configuración delta a la configuración en estrella, se pueden producir una cualquiera o más de las siguientes condiciones: el estátor de generador 120 puede permanecer conectado, el par de torsión se puede variar gradualmente hasta cero, los IGBT de rotor de convertidor pueden detener el control de puerta, el contactor 2M se puede desconectar, el contactor S se puede conectar, la tensión de salida de convertidor de rotor se puede sincronizar con la tensión de rotor, los IGBT de rotor se pueden habilitar y/o el par de torsión se puede aumentar gradualmente.

[0036] Más específicamente, en modos de realización particulares, para un convertidor de potencia de 60 hercios, el intervalo global de operación de velocidad de rotor, antes de la transición de las configuraciones en estrella a la configuración delta, puede incluir velocidades de rotor de aproximadamente 800 rotaciones por minuto (RPM) a aproximadamente 1600 RPM. Como tal, en determinados modos de realización, el cambio puede incrementar el intervalo global de operación de velocidad de rotor de aproximadamente 800 RPM-1600 RPM a aproximadamente 659 RPM-1600 RPM, más preferentemente, de aproximadamente 510 RPM-1600 RPM y, todavía más preferentemente de aproximadamente 334 RPM-1600 RPM. Más específicamente, cuando la tensión de enlace de CC del convertidor de potencia 210 está limitado a aproximadamente 1051 V, el intervalo global de operación de velocidad de rotor se puede incrementar de 800 RPM-1600 RPM a aproximadamente 510 RPM-1600 RPM, dependiendo del diseño de sistema, la proporción de espiras de máquina, la proporción de caja de engranajes, etc.). Además, cuando se permite que el enlace de CC 244 se incremente a 1300 V en ambos extremos del intervalo de RPM (es decir, el intervalo superior e inferior), el intervalo global de operación de velocidad de rotor se puede incrementar de 800 RPM-1600 RPM a aproximadamente 334<r>P<m>-1600 RPM, nuevamente, dependiendo del diseño de sistema, la proporción de espiras de máquina, la proporción de caja de engranajes, etc.

[0037] Para determinados modos de realización, la transición de la configuración en estrella a la configuración delta se puede lograr en un lapso de tiempo corto, por ejemplo, de aproximadamente 0,1 segundos a aproximadamente 1 segundo, tal como aproximadamente 0,5 segundos, sin la preocupación de problemas de sobrevelocidad. Más específicamente, en determinados modos de realización, para evitar condiciones de sobrevelocidad, el sistema 200 permanece en línea estando interrumpida la generación de potencia hasta que se completa el cambio, haciendo que se produzca el cambio en el extremo inferior del intervalo de RPM en operación de la turbina eólica, apagando el convertidor de potencia 210, manteniendo el estátor 120 en un estado energizado y/o detectando la tensión de fuerza contraelectromotriz (EMF) de rotor para la sincronización de convertidor de lado de línea una vez que se logra el cambio de la configuración en estrella a la configuración delta (o viceversa).

[0038] En referencia ahora a la FIG. 8, se ilustra un diagrama de flujo de otro modo de realización de un procedimiento 400 para operar un circuito de potencia eléctrica conectado a una red eléctrica (por ejemplo, el sistema de turbina eólica 100 de la FIG. 2). Por tanto, como se muestra en 402, el procedimiento 400 incluye monitorizar una velocidad de rotor del rotor del generador 118. Como se muestra en 404, el procedimiento 400 también incluye conexiones de rotor en operación del rotor 122 del generador 118 en una configuración en estrella durante un primer intervalo de operación de velocidad de rotor. Además, como se muestra en 406, el procedimiento 400 incluye operar las conexiones de rotor del rotor 122 del generador 118 en una configuración delta durante un intervalo de operación de baja velocidad de rotor. Se debe entender que el procedimiento puede incluir además cualquiera de las etapas y/o características adicionales como se describe en el presente documento.

Claims

REIVINDICACIONES

i. Un procedimiento (400) para operar un circuito de potencia eléctrica (200) conectado a una red eléctrica (242), teniendo el circuito de potencia eléctrica un convertidor de potencia (210) que comprende un enlace de CC (244), el convertidor de potencia (210) acoplado eléctricamente a un generador de inducción doblemente alimentado, DFIG, trifásico (118) que tiene un rotor (122) y un estátor (120), comprendiendo el DFIG (118) una velocidad sincrónica, comprendiendo el circuito de potencia eléctrica (200) un primer intervalo de operación de velocidad de rotor de velocidades de rotor iguales y superiores a la velocidad sincrónica del DFIG (118) y un segundo intervalo de operación de velocidad de rotor de velocidades de rotor inferiores a la velocidad sincrónica del DFIG (118), comprendiendo el procedimiento:

monitorizar (402) una velocidad de rotor del rotor (122) del DFIG (118);

operar (404) las conexiones de rotor (124) del rotor (122) del DFIG (118) en una configuración en estrella durante el primer intervalo de operación de velocidad de rotor; y

realizar una transición de las conexiones de rotor (124) del rotor (122) de la configuración en estrella a una configuración delta si la velocidad de rotor cambia al segundo intervalo de operación de velocidad de rotor para incrementar un intervalo global de operación de velocidad de rotor del circuito de potencia eléctrica (200).
2. El procedimiento (400) de la reivindicación 1, en el que la transición de la configuración en estrella a la configuración delta y viceversa incluye histéresis de RPM para evitar una transición excesiva.
3. El procedimiento (400) de la reivindicación 2, en el que la transición de la configuración en estrella a la configuración delta y viceversa se realiza en un subintervalo del segundo intervalo de operación de velocidad de rotor.
4. El procedimiento (400) de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además la transición de las conexiones de rotor (124) del rotor (122) de la configuración en estrella a la configuración delta mientras el circuito de potencia eléctrica (200) permanece en línea.
5. El procedimiento (400) de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que un intervalo global de operación de velocidad de rotor inicial del circuito de potencia eléctrica antes de la transición comprende de aproximadamente 800 rotaciones por minuto, RPM, a aproximadamente 1600 RPM, y un intervalo global de operación de velocidad de rotor posterior comprende de aproximadamente 334 RPM a aproximadamente 1600 RPM cuando se permite que el enlace de CC (244) se incremente a 1300 V en ambos extremos del intervalo de RPM.
6. El procedimiento (400) de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además monitorizar la velocidad de rotor del rotor (122) del DFIG (118) por medio de uno o más sensores (252, 254, 256, 258).
7. El procedimiento (400) de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la transición de las conexiones de rotor (124) del rotor (122) de la configuración en estrella a la configuración delta se realiza si la velocidad de rotor sobrepasa un valor predefinido dentro del segundo intervalo de operación de velocidad de rotor, y/o en el que el intervalo global de operación de velocidad de rotor del circuito de potencia eléctrica (200) se incrementa en de aproximadamente un 15 % a aproximadamente un 20 % o incluso en de aproximadamente un 15 % a aproximadamente un 58 %.
8. Un circuito de potencia eléctrica (200), que comprende:

un generador de inducción doblemente alimentado, DFIG, trifásico (118) que tiene un rotor (122) y un estátor (120), comprendiendo el DFIG (118) una velocidad sincrónica, comprendiendo el circuito de potencia eléctrica (200) un primer intervalo de operación de velocidad de rotor de velocidades de rotor iguales y superiores a la velocidad sincrónica del DFIG (118) y un segundo intervalo de operación de velocidad de rotor de velocidades de rotor inferiores a la velocidad sincrónica del DFIG (118);

un convertidor de potencia (210) que comprende un convertidor de lado de línea (222) acoplado eléctricamente a una red eléctrica (242) y un convertidor de lado de rotor (220) acoplado eléctricamente al DFIG (118); y

un controlador (202) acoplado de forma comunicativa a al menos uno del convertidor de potencia (210) y el DFIG (118), el controlador (202) configurado para realizar las siguientes operaciones:

monitorizar una velocidad de rotor del rotor (122) del DFIG (118) por medio de uno o más sensores (252, 254, 256, 258);

operar las conexiones de rotor (124) del rotor (122) del DFIG (118) en una configuración en estrella durante el primer intervalo de operación de velocidad de rotor; y

realizar una transición de las conexiones de rotor (124) del rotor (122) de la configuración en estrella a una configuración delta si la velocidad de rotor cambia al segundo intervalo de operación de velocidad de rotor para incrementar un intervalo global de operación de velocidad de rotor del circuito de potencia eléctrica (200).
9. El circuito de potencia eléctrica (200) de la reivindicación 8, en el que la transición de la configuración en estrella a la configuración delta y viceversa incluye histéresis de RPM para evitar una transición excesiva.
10. El circuito de potencia eléctrica (200) de cualquiera de las reivindicaciones 8 a 9, que comprende además la transición de las conexiones de rotor (124) del rotor (122) de la configuración en estrella a la configuración delta mientras el circuito de potencia eléctrica (200) permanece en línea.
11. El circuito de potencia eléctrica (200) de la reivindicación 10, en el que la transición de las conexiones de rotor (124) del rotor (122) de la configuración en estrella a la configuración delta incrementa el intervalo global de operación de velocidad de rotor de aproximadamente 800 rotaciones por minuto, RPM, a aproximadamente 1600 RPM a un intervalo global de operación de velocidad de rotor incrementado de aproximadamente 334 RPM a aproximadamente 1600 RpM cuando se permite que un enlace de CC (244) del convertidor de potencia (210) se incremente a 1300 V en ambos extremos del intervalo de RPM.
12. El circuito de potencia eléctrica (200) de cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, en el que el uno o más sensores comprenden sensores de corriente eléctrica o tensión configurados para generar una o más señales de realimentación de corriente o tensión del circuito de potencia eléctrica, y/o un sensor de RPM.
13. El circuito de potencia eléctrica (200) de cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, en el que el circuito de potencia eléctrica (200) es parte de un sistema de potencia de turbina eólica (100).
14. El circuito de potencia eléctrica (200) de cualquiera de las reivindicaciones 8 a 13, en el que el controlador (202) está, para realizar la transición de las conexiones de rotor (124) del rotor (122) de la configuración en estrella a la configuración delta, acoplado de forma comunicativa a un arrancador de motor estrella-delta dispuesto entre el rotor (122) y el convertidor de potencia (210), y/o en el que el controlador (202) está acoplado de forma comunicativa a contactores (M1, M2, M2, S) y configurado para realizar la transición, por medio de los contactores (M1, M2, M2, S), de las conexiones de rotor del rotor (122) entre la configuración en estrella y la configuración delta.