ES3034007T3 - Battery-supported braking system for a wind turbine - Google Patents

Abstract

La presente divulgación se refiere a un sistema de protección (102) para un sistema de energía de turbina eólica (100) conectado a una red eléctrica (82). El sistema de protección (102) incluye un circuito de freno principal (104) con al menos un elemento resistivo de freno (116) y al menos un elemento interruptor de freno (120, 122), un elemento de almacenamiento (118) y un controlador (75). El elemento resistivo de freno está conectado a al menos uno de los siguientes: un enlace de CC (68) de un convertidor de potencia (65) del sistema de energía de turbina eólica, los devanados de un rotor (80) de un generador (24) o los devanados de un estator (78) del generador del sistema de energía de turbina eólica a través del elemento interruptor de freno. El sistema de baterías (130) está conectado al generador a través de un elemento interruptor de batería. Además, el controlador está configurado para desconectar el convertidor de potencia y el generador de la red eléctrica y conectar al menos uno del circuito de freno principal o el sistema de batería al generador en respuesta a la detección de un evento de pérdida de torque electromagnético (EM) para generar un torque EM. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de frenado asistido por batería para una turbina eólica

[0001]La presente divulgación se refiere, en general, a turbinas eólicas y, más en particular, a un sistema de frenado asistido por batería y a un procedimiento de operación del mismo.

[0002]La energía eólica se considera una de las fuentes de energía más limpias y más ecológicas disponibles en la actualidad, y las turbinas eólicas han obtenido una creciente atención a este respecto. Una turbina eólica moderna incluye típicamente una torre, un generador, una caja de engranajes, una góndola montada en la torre y un rotor acoplado a la góndola. El rotor incluye típicamente un buje rotatorio y una pluralidad de palas de rotor acopladas a y que se extienden hacia afuera desde el buje. Las palas de rotor captan la energía cinética del viento usando principios de perfil alar conocidos. Más específicamente, las palas de rotor transmiten la energía cinética en forma de energía de rotación para girar un eje que acopla las palas del rotor a la caja de engranajes o, si no se usa la caja de engranajes, directamente al generador. El generador, a continuación, convierte la energía mecánica en energía eléctrica que se puede distribuir a una red eléctrica. El documento EP 1863 162 A2 se refiere a un sistema de protección y freno eléctrico redundante para generadores eléctricos. El documento US 2013/0334818 A1 se refiere al frenado dinámico de una turbina eólica durante una falla. El documento US 2011/0187108 A1 se refiere a un procedimiento para controlar un generador de turbina eólica. El documento US 2007/0216164 A1 se refiere a una turbina eólica de velocidad variable que tiene una máquina excitatriz y un convertidor de potencia no conectado a la red.

[0003]En un generador de turbina eólica, tal como un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG), un estátor está conectado directamente a la red eléctrica y un rotor está conectado a la red eléctrica por medio de un convertidor de potencia de CA-CC-CA. Cuando el generador está en el modo de generación de potencia, un par de torsión electromagnético (EM) del generador se controla por un controlador para que coincida con un par de torsión mecánico de la turbina eólica. Si se produce un evento de pérdida de red o fallo repentino del convertidor, el convertidor pierde la capacidad de controlar el par de torsión EM y el par de torsión EM se reduce a cero dentro de 100-200 milisegundos. Por el contrario, se necesitan decenas de segundos o un par de minutos para que el par de torsión mecánico se reduzca a cero cuando el par de torsión mecánico se reduce solo por el funcionamiento mecánico depitchearlas palas de la turbina eólica. Debido a la pérdida repentina del par de torsión EM y la lenta disminución del par de torsión mecánico, el rotor se puede acelerar hasta sobrepasar una velocidad nominal incluso cuando las palas de la turbina eólica sepitcheana la tasa (“rate”) más rápida viable. La aceleración del rotor combinada con la pérdida de empuje aerodinámico debido alpitcheorápido de las palas da como resultado una alta carga en la estructura mecánica de turbina, especialmente en la torre, las palas y el buje. Por lo tanto, la necesidad de resistir el evento de pérdida de par de torsión EM repentino normalmente impulsa el diseño de la mayoría de los componentes de turbina eólica.

[0004]Los rotores grandes siguen siendo la tendencia más dominante en la industria eólica en los últimos años, ya que impulsan una economía de proyecto atractiva. Pero los rotores más grandes, con masa más pesada y mayor inercia, dan lugar a cargas incrementadas en los componentes mecánicos y estructurales de turbina. Se observa que la carga máxima en los componentes mecánicos de turbina está determinada por qué tan bien se controla el exceso de velocidad de rotor durante un evento de apagado en respuesta a una falla extrema de pérdida de contra par de torsión repentina. Como tal, en algunos sistemas se coloca un freno mecánico en el eje rápido para reducir el exceso de velocidad de rotor. Sin embargo, el sistema de frenado mecánico tiene determinadas desventajas, tales como un par de torsión de frenado infranominal (~0,5 pu), un tiempo de respuesta más lento (3 4 segundos), así como el desgaste de sus componentes.

[0005]Por tanto, una capacidad de frenado potenciada combinada con el sistema de freno mecánico existente podría ayudar a la turbina eólica a gestionar mejor las cargas durante eventos extremos. Además, en un esfuerzo por proporcionar un apagado de turbina más suave, algunos sistemas modernos emplean un amortiguador de par de torsión de 10 segundos; sin embargo, dichos sistemas suponen la disponibilidad del convertidor. Por tanto, existe la necesidad de un sistema de frenado mejorado que aborde los problemas mencionados anteriormente.

[0006]Diversos aspectos y ventajas de la invención se expondrán en parte en la siguiente descripción, o pueden estar claros a partir de la descripción, o se pueden aprender a través de la práctica de la invención.

[0007]La presente invención está definida por las reivindicaciones adjuntas.

[0008]Diversas características, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor con referencia a la siguiente descripción y reivindicaciones adjuntas. Los dibujos adjuntos ilustran modos de realización de la invención y, conjuntamente con la descripción, sirven para exponer los principios de la invención.

[0009]En los dibujos:

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

rip

la FIG. 2 ilustra una vista interna simplificada de un modo de realización de una góndola de una turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 3 ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de componentes adecuados que se pueden incluir dentro de un controlador de turbina (o un controlador de convertidor) de una turbina eólica o un controlador de un sistema de frenado de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 4 ilustra una representación esquemática de un modo de realización de un sistema de potencia de turbina eólica, que ilustra, en particular, un sistema de frenado de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 5 ilustra una representación esquemática de otro modo de realización de un sistema de potencia de turbina eólica, que ilustra, en particular, un sistema de frenado de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 6 ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de un sistema de batería de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 7 ilustra un diagrama esquemático de otro modo de realización de un sistema de batería de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 8 ilustra un diagrama esquemático de aún otro modo de realización de un sistema de batería de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 9 ilustra un diagrama de flujo de un modo de realización de un procedimiento para proteger un sistema de potencia de turbina eólica conectado a una red eléctrica de acuerdo con la presente divulgación; y

la FIG. 10 ilustra un diagrama de flujo de otro modo de realización de un procedimiento para proteger un sistema de potencia de turbina eólica conectado a una red eléctrica de acuerdo con la presente divulgación.

[0010]Ahora se hará referencia en detalle a modos de realización de la invención, de los que uno o más ejemplos se ilustran en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la invención, no de limitación de la invención. De hecho, será evidente para los expertos en la técnica que se pueden realizar diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance o espíritu de la invención. Por ejemplo, se pueden usar características ilustradas o descritas como parte de un modo de realización con otro modo de realización para proporcionar todavía otro modo de realización. Por tanto, se pretende que la presente invención cubra dichas modificaciones y variaciones como vienen dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas y sus equivalentes.

[0011]A menos que se defina de otro modo, los términos técnicos y científicos usados en el presente documento tienen el mismo significado que se entiende comúnmente por un experto en la técnica a la que pertenece la divulgación. Los términos "primero", "segundo" y similares, como se usan en el presente documento, no indican ningún orden, cantidad o importancia, sino que se usan para distinguir un elemento de otro. Los términos "un" y "una" no indican una limitación de cantidad, sino más bien indican la presencia de al menos uno de los elemento a los que se hace referencia. El término "o" pretende ser inclusivo y significar cualquiera, varios o bien todos los elementos enumerados. El uso de "que incluye", "que comprende" o "que tiene" y variaciones de los mismos en el presente documento pretende englobar los elementos enumerados después de esto y equivalentes de los mismos así como elementos adicionales. Los términos "conectado" y "acoplado" no están restringidos a conexiones o acoplamientos físicos o mecánicos, y pueden incluir conexiones o acoplamientos eléctricos, ya sean directos o indirectos. Los términos "circuito", "circuitos" y "controlador" pueden incluir un único componente o una pluralidad de componentes, que son componentes activos y/o bien pasivos y se pueden conectar o de otro modo acoplar opcionalmente entre sí para proporcionar la función descrita.

[0012]En general, la presente divulgación está dirigida a un sistema de protección para un sistema de potencia de turbina eólica conectado a una red eléctrica y un procedimiento para operar el mismo. Más específicamente, el sistema de protección incluye, en general, un circuito de freno principal, un sistema de batería y un controlador. El circuito de freno principal tiene al menos un elemento resistivo de freno y al menos un elemento conmutador de freno. Además, el elemento resistivo de freno está acoplado a un enlace de CC del convertidor de potencia del sistema de potencia de turbina eólica o a los devanados de un estátor de generador o de un rotor de generador del sistema de potencia de turbina eólica por medio del elemento conmutador de freno. Además, el sistema de batería está acoplado al generador por medio de un elemento conmutador de batería e incluye al menos un elemento resistivo de batería. Como tal, el controlador está configurado para desconectar el convertidor de potencia y el generador de la red eléctrica y conectar al menos uno del circuito de freno principal o el sistema de batería al generador en respuesta a la detección de un evento de pérdida de par de torsión electromagnético (EM) para generar un par de torsión EM. por tanto, el controlador puede usar el circuito de freno principal, el sistema de batería o ambos, dependiendo de la disponibilidad del convertidor, para generar el par de torsión EM.

[0013]En consecuencia, la presente divulgación proporciona muchas ventajas no incluidas en la técnica anterior. Por ejemplo, el sistema y procedimiento de la presente divulgación proporcionan una turbina de menor coste puesto que no se requieren componentes más grandes para manipular los eventos de par de torsión EM. Además, el sistema y procedimiento de la presente divulgación mejoran la fiabilidad de las tecnologías de frenado conocidas para cubrir casos de indisponibilidad del convertidor.

[0014]En referencia ahora a los dibujos, la FIG. 1 ilustra una vista en perspectiva de un modo de realización de una turbina eólica 10. Como se muestra, la turbina eólica 10, en general, incluye una torre 12 que se extiende desde una superficie de soporte 14, una góndola 16, montada en la torre 12, y un rotor 18 acoplado a la góndola 16. El rotor 18 incluye un buje 20 rotatorio y al menos una pala de rotor 22 acoplada a y que se extiende hacia afuera desde el buje 20. Por ejemplo, en el modo de realización ilustrado, el rotor 18 incluye tres palas de rotor 22. Sin embargo, en un modo de realización alternativo, el rotor 18 puede incluir más o menos de tres palas de rotor 22. Cada pala de rotor 22 se puede espaciar alrededor del buje 20 para facilitar la rotación del rotor 18 para posibilitar que la energía cinética se transfiera, a partir del viento, en energía mecánica usable y, posteriormente, en energía eléctrica. Por ejemplo, el buje 20 se puede acoplar de forma rotatoria a un generador eléctrico 24 (FIG.

2) situado dentro de la góndola 16 para permitir que se produzca energía eléctrica.

[0015]En referencia ahora a la FIG. 2, se ilustra una vista interna simplificada de un modo de realización de la góndola 16 de la turbina eólica 10 mostrada en la FIG. 1. Como se muestra, un generador 24 se puede disponer dentro de la góndola 16. En general, el generador 24 se puede acoplar al rotor 18 para producir potencia eléctrica a partir de la energía de rotación generada por el rotor 18. Por ejemplo, como se muestra en el modo de realización ilustrado, el rotor 18 puede incluir un eje de rotor 32 acoplado al buje 20 para la rotación con el mismo. El eje de rotor 32, a su vez, se puede acoplar de forma rotatoria a un eje de generador 34 del generador 24 a través de una caja de engranajes 36. Como se entiende, en general, el eje de rotor 32 puede proporcionar una entrada de baja velocidad y alto par de torsión a la caja de engranajes 36 en respuesta a la rotación de las palas de rotor 22 y del buje 20. La caja de engranajes 36 puede estar configurada, a continuación, para convertir la entrada de baja velocidad y alto par de torsión en una salida de alta velocidad y bajo par de torsión para accionar el eje de generador 34 y, por tanto, el generador 24.

[0016]Además, el controlador de turbina 26 también se puede ubicar dentro de la góndola 16. Como se entiende en general, el controlador de turbina 26 se puede acoplar de forma comunicativa a cualquier número de los componentes de la turbina eólica 10 para controlar el funcionamiento de dichos componentes. Por ejemplo, como se indica anteriormente, el controlador de turbina 26 se puede acoplar de forma comunicativa a cada mecanismo de ajuste depitch30 de la turbina eólica 10 (de los que se muestra uno) para facilitar la rotación de cada pala de rotor 22 alrededor de su eje depitch28.

[0017]En general, cada mecanismo de ajuste depitch30 puede incluir cualesquiera componentes adecuados y puede tener cualquier configuración adecuada que permita que el mecanismo de ajuste depitch30 funcione como se describe en el presente documento. Por ejemplo, en varios modos de realización, cada mecanismo de ajuste depitch30 puede incluir un motor de accionamiento depitch38 (por ejemplo, cualquier motor eléctrico adecuado), una caja de engranajes de accionamiento depitch40 y un piñón de accionamiento depitch42. En dichos modos de realización, el motor de accionamiento depitch38 se puede acoplar a la caja de engranajes de accionamiento depitch40 de modo que el motor de accionamiento depitch38 imparta fuerza mecánica a la caja de engranajes de accionamiento depitch40. De forma similar, la caja de engranajes de accionamiento depitch40 se puede acoplar al piñón de accionamiento depitch42 para su rotación con el mismo. El piñón de accionamiento depitch42, a su vez, puede estar en engranaje de rotación con un rodamiento depitch44 acoplado entre el buje 20 y una pala de rotor 22 correspondiente de modo que la rotación del piñón de accionamiento depitch42 provoca la rotación del rodamiento depitch44. Por tanto, en dichos modos de realización, la rotación del motor de accionamiento depitch38 acciona la caja de engranajes de accionamiento depitch40 y el piñón de accionamiento depitch42, rotando, de este modo, el rodamiento depitch44 y la pala de rotor 22 alrededor del eje depitch28.

[0018]En modos de realización alternativos, se debe apreciar que cada mecanismo de ajuste depitch30 puede tener cualquier otra configuración adecuada que facilite la rotación de una pala de rotor 22 alrededor de su eje depitch28. Por ejemplo, son conocidos mecanismos de ajuste depitch30 que incluyen un dispositivo accionado hidráulico o neumático (por ejemplo, un cilindro hidráulico o neumático) configurado para transmitir energía de rotación al rodamiento depitch44, provocando, de este modo, que la pala de rotor 22 rote alrededor de su eje depitch28. Por tanto, en varios modos de realización, en lugar del motor de accionamiento depitcheléctrico 38 descrito anteriormente, cada mecanismo de ajuste depitch30 puede incluir un dispositivo accionado hidráulico o neumático que utilice presión de fluido para aplicar un par de torsión al rodamiento depitch44.

[0019]Todavía en referencia a la FIG. 2, la turbina eólica 10 también puede incluir una pluralidad de sensores (por ejemplo, tales como los sensores 46, 48) para monitorizar uno o más parámetros de funcionamiento y/o condiciones del viento de la turbina eólica 10. Como se usa en el presente documento, un parámetro o condición de la turbina eólica 10 se "monitoriza" cuando se usa un sensor para determinar su valor actual. Por tanto, el término "monitor" y variaciones del mismo se usan para indicar que los sensores 46, 48 no necesitan proporcionar una medición directa del parámetro y/o condición que se está monitorizando. Por ejemplo, los sensores 46, 48 se pueden usar para generar señales relacionadas con el parámetro y/o condición que se está monitorizando, que, a continuación, se pueden utilizar por el controlador de turbina 26 u otro dispositivo adecuado para determinar el parámetro y/o condición real. Más específicamente, en determinados modos de realización, el/los sensor(es) 46, 48 se puede(n) configurar para monitorizar la velocidad del rotor 18 y/o el eje de rotor 32, la velocidad del generador 24 y/o el eje de generador 34, el par de torsión en el eje de rotor 32 y/o el eje de generador 34, la tensión o corriente de estátor y/o de rotor, la velocidad del viento y/o la dirección del viento, y/o cualesquiera otros parámetros y/o condiciones de funcionamiento adecuados.

[0020]En referencia ahora a la FIG. 3, se ilustra un diagrama de bloques de un modo de realización de componentes adecuados que se pueden incluir dentro del controlador de turbina 26 (o un controlador de convertidor 75) de acuerdo con aspectos de la presente divulgación. Como se muestra, el controlador de turbina 26 puede incluir uno o más procesadores 50 y dispositivos de memoria 52 asociados configurados para realizar una variedad de funciones implementadas por ordenador (por ejemplo, realizar los procedimientos, etapas, cálculos y similares divulgados en el presente documento). 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 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. Adicionalmente, el/los dispositivo(s) de memoria 52 puede(n) comprender, en general, 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, un disco compacto de memoria de solo lectura (CD-ROM), un disco magnetoóptico (MOD), un disco versátil digital (DVD) y/u otros elementos de memoria adecuados. Dicho(s) dispositivo(s) de memoria 52 se puede(n) configurar, en general, para almacenar instrucciones legibles por ordenador adecuadas que, cuando se implementan por el/los procesador(es) 50, configuran el controlador de turbina 26 para realizar diversas funciones que incluyen, pero sin limitarse a, transmitir señales de control adecuadas a uno o más de los componentes de turbina eólica, monitorizar diversos parámetros y/o condiciones de la turbina eólica 10 y diversas otras funciones implementadas por ordenador adecuadas.

[0021]Adicionalmente, el controlador de turbina 26 también puede incluir un módulo de comunicaciones 54 para facilitar las comunicaciones entre el controlador 26 y los diversos componentes de la turbina eólica 10. Por ejemplo, el módulo de comunicaciones 54 puede servir como interfaz para permitir que el controlador de turbina 26 transmita señales de control a cada mecanismo de ajuste depitch30 para controlar el ángulo depitchde las palas de rotor 22. Además, el módulo de comunicaciones 54 puede incluir una interfaz de sensor 56 (por ejemplo, uno o más convertidores de analógico a digital) para permitir que las señales transmitidas desde los sensores 46 de la turbina eólica 10 se conviertan en señales que se pueden entender y procesar por los procesadores 50. Además, se debe apreciar que el/los sensor(es) 46, 48 se puede(n) acoplar de forma comunicativa al módulo de comunicaciones 54 usando cualquier medio adecuado. Por ejemplo, como se muestra en la FIG. 3, los sensores 46, 48 se pueden acoplar a la interfaz de sensor 56 por medio de una conexión por cable. Sin embargo, en otros modos de realización, los sensores 46, 48 se pueden acoplar a la interfaz de sensor 56 por medio de una conexión inalámbrica, tal como usando cualquier protocolo de comunicaciones inalámbricas adecuado conocido en la técnica. Se debe entender que el controlador de convertidor 75 como se describe en el presente documento puede incluir cualquiera de los componentes del controlador de turbina 26.

[0022]En referencia ahora a la FIG. 4, se ilustra una representación esquemática de un sistema de potencia de turbina eólica 100 que incluye un sistema de frenado 102 de acuerdo con un modo de realización de la presente divulgación. Como se menciona, el sistema de potencia de turbina eólica 100 incluye una pluralidad de palas de rotor 22 acopladas al eje principal 32. Además, el generador 24 incluye un estátor 78 y un rotor 80. De este modo, el rotor 80 está acoplado mecánicamente al eje principal 32 por medio de la caja de engranajes 36. Además, en determinados modos de realización, el generador 24 puede ser un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG). Además, como se muestra, el sistema de potencia de turbina eólica 100 también incluye un convertidor de potencia 65 que tiene un convertidor de lado de rotor 66, un enlace de CC 68, un convertidor de lado de red 70 y un controlador de convertidor 75. Más específicamente, como se muestra, el enlace de CC 68 del convertidor de potencia 65 está acoplado entre el convertidor de lado de rotor 66 y el convertidor de lado de red 70. Además, el enlace de CC 68 puede incluir uno o más condensadores 76 para mantener pequeña la variación de tensión (rizados) en la tensión de enlace de CC. Como tal, el controlador de convertidor 75 está configurado para controlar los diversos componentes del convertidor de potencia 65, tal como el convertidor de lado de rotor 66, el enlace de CC 68 y/o el convertidor de lado de red 70. Además, el sistema de potencia de turbina eólica 100 también incluye primer y segundo elementos conmutadores 72, 74. Más específicamente, en determinados modos de realización, el primer elemento conmutador 72 puede ser un fusible eléctrico o un disyuntor de circuito y el segundo elemento conmutador 74 puede ser un contactor.

[0023]Los devanados del estátor 78 (a continuación en el presente documento denominados "devanados de estátor") están acoplados a una red eléctrica 82 por medio del primer y segundo conmutador 72, 74, así como de un transformador 84. Se debe entender que el transformador 84 puede incluir un único transformador de tres devanados como se muestra, así como dos transformadores, con un transformador entre el estátor 78 y la red 82 y un transformador entre el convertidor de potencia 65 y la red 82. En dichos modos de realización, el transformador 84 está configurado para proporcionar tres tensiones diferentes, lo que puede ayudar a evitar la necesidad de elementos resistivos con clasificación de tensión media y/o un conmutador de inyección directa (DI). Los devanados del rotor 80 (a continuación en el presente documento denominados "devanados de rotor") están acoplados a la red eléctrica 82 por medio del convertidor de potencia 65 y el primer elemento conmutador 72. Además, el convertidor de lado de red 70 está acoplado a puntos de conexión entre los primer y segundo elementos conmutadores 72, 74.

[0024]Todavía en referencia a la FIG. 4, el sistema de frenado 102 se proporciona de acuerdo con aspectos de la presente invención para proteger el generador 24 y la caja de engranajes 36 durante la pérdida del par de torsión electromagnético (EM) (es decir, durante un evento de pérdida de par de torsión EM) en el generador 24. Más específicamente, en determinados modos de realización, los eventos de pérdida de par de torsión EM como se describe en el presente documento pueden incluir una pérdida de red y/o una falla o desconexión (“trip”) de sistema de potencia. Por tanto, como se muestra, el sistema de frenado 102, en general, incluye un circuito de freno principal 104, un freno mecánico 108 acoplado al eje principal 32 y un sistema de batería 130. Además, el sistema de frenado 102 se puede controlar por medio de un controlador, tal como el controlador de convertidor 75. En determinados modos de realización, el freno mecánico 108 incluye al menos una pastilla de freno 110 que se puede presionar sobre un disco de freno 112 para provocar una fricción entre la pastilla de freno 110 y el disco de freno 112, de modo que se pueda reducir la velocidad de rotación del eje principal 32 o para inhibir un movimiento de rotación del eje principal 32. Por ejemplo, la pastilla de freno 110 se puede presionar mecánicamente contra el disco de freno 112. Además, como se muestra, el circuito de freno principal 104 está acoplado al enlace de CC 68.

[0025]En modos de realización particulares, el circuito de freno principal 104 incluye al menos un elemento resistivo de freno y al menos un elemento conmutador de freno. Más específicamente, como se muestra en la FIG.

4, el circuito de freno principal 104 incluye un elemento de conmutación de lado de rotor 114, un elemento resistivo de lado de rotor 116 y un elemento de almacenamiento 118. Además, como se muestra, el elemento resistivo de lado de rotor 116 y el elemento de almacenamiento 118 están acoplados al enlace de CC 68 usando el elemento conmutador de lado de rotor 114. El elemento resistivo de lado de rotor 116 puede incluir una resistencia, por ejemplo, o cualquier dispositivo de descarga de potencia. El elemento de almacenamiento 118 puede incluir una batería, por ejemplo, o cualquier dispositivo de almacenamiento de energía. En un modo de realización, la batería puede ser una batería recargable. En otro modo de realización, el elemento conmutador de lado de rotor 114 puede incluir un primer troceador de CC 120 y un segundo troceador de CC 122. En dichos modos de realización, el elemento resistivo de lado de rotor 116 se puede acoplar al enlace de CC 68 usando el primer cortador de CC 120, mientras que el elemento de almacenamiento 118 se puede acoplar al enlace de CC 68 usando el segundo cortador de CC 122.

[0026]El sistema de batería 130 está acoplado a dos fases o tres fases del rotor 80.

[0027]Además, la FIGS. 6 a 8 ilustran diversos diagramas esquemáticos de múltiples modos de realización del sistema de batería 130. Como se muestra, el sistema de batería 130 incluye una batería 130 acoplada al generador 24 por medio de un elemento conmutador de batería 132. Además, como se muestra en el diagrama básico de la FIG. 6, el sistema de batería 130 incluye un elemento resistivo de batería 134.

[0028]Más específicamente, el elemento resistivo de batería 134 puede incluir una resistencia o cualquier otro dispositivo de descarga de potencia. Además, el elemento conmutador de batería 132 puede incluir cualquier elemento de conmutación adecuado tal como, por ejemplo, un contactor. En otros modos de realización, como se muestra en la FIG. 7, el sistema de batería 130 puede incluir una pluralidad de elementos resistivos de batería 134, teniendo uno o más de los elementos resistivos de batería 134 un contactor paralelo 138. De forma alternativa, como se muestra en la FIG. 8, el sistema de batería 130 también puede incluir al menos un inductor 140 así como un convertidor de CA-CC o CC-CC bidireccional adicional 142. Por tanto, los modos de realización de las FIGS. 7 y 8 representan un sistema de batería que tiene controlabilidad.

[0029]Durante las operaciones normales del sistema de potencia de turbina eólica 100, los primer y segundo elementos conmutadores 72, 74 se encienden. Como tal, si el generador 24 funciona en modo supersincrónico, los devanados del estátor 78 suministran potencia eléctrica a la red eléctrica 82 por medio de los primer y segundo elementos conmutadores 72, 74 y los devanados del rotor 80 suministran potencia eléctrica a la red eléctrica 82 por medio del convertidor de potencia 65 y el primer elemento conmutador 74. Es decir, la turbina eólica 100 proporciona la máxima potencia eléctrica de salida. De forma alternativa, si el generador 24 funciona en modo subsincrónico, los devanados del estátor 78 suministran potencia eléctrica a la red eléctrica 82 por medio de los primer y segundo elementos conmutadores 72, 74 y los devanados del rotor 80 extraen potencia eléctrica de la red eléctrica 82 por medio del primer elemento conmutador 74 y el convertidor de potencia 65. Es decir, la turbina eólica 100 proporciona una potencia eléctrica de salida reducida.

[0030]Sin embargo, en el caso de un evento de pérdida de par de torsión EM, el controlador de convertidor 75 está configurado para controlar el primer elemento conmutador 72 para desacoplar el convertidor de potencia 65 y el generador 24 de la red eléctrica 82. Además, el controlador de convertidor 75 está configurado para controlar el segundo elemento conmutador 74 para acoplar los devanados del estátor 78 al convertidor de potencia 65 y al generador 24 en respuesta al evento de pérdida de par de torsión EM, de modo que una salida de potencia eléctrica de los devanados de estátor se transmite al elemento resistivo de lado de rotor 114 a través del segundo elemento conmutador 74 y el convertidor de lado de red 70 y se consume por el elemento resistivo de lado de rotor 114. Además, el controlador de convertidor 75 está configurado para conectar el circuito de freno principal 104 y/o el sistema de batería 130 al generador 24 en respuesta a la detección de un evento de pérdida de par de torsión electromagnético (EM) para generar un par de torsión EM.

[0031]En un modo de realización, la pérdida de par de torsión EM en el generador 24 se puede producir debido a un fallo del convertidor de potencia 65, un fallo del generador 24, la apertura del segundo elemento conmutador 74, una pérdida de tensión de estátor, un evento de pérdida de red, etc. Como ejemplo no limitante, un sensor de tensión de estátor y un sensor de corriente de estátor (no mostrados) pueden detectar el evento de pérdida de red y, si la tensión de estátor detectada y/o la corriente de estátor detectada son mayores o más pequeñas que un valor predeterminado, el controlador de convertidor 75 está configurado para determinar que se ha producido el evento de pérdida de red.

[0032]En modos de realización adicionales, el controlador de convertidor 75 puede estar configurado para determinar si la falla o desconexión de sistema de potencia es crítica o no crítica. Como se usa en el presente documento, una falla o desconexión de sistema de potencia crítica, en general, corresponde a que el convertidor de potencia 65 no está disponible para usarse para el frenado, mientras que una falla o desconexión de sistema de potencia no crítica, en general, corresponde a que el convertidor de potencia 65 está disponible para usarse para el frenado. Como tal, en determinados modos de realización, si el convertidor de potencia 65 está disponible, el controlador de convertidor 75 está configurado para activar el circuito de freno principal 104 y/o el sistema de batería 130 para generar par de torsión EM. Más específicamente, en un modo de realización, el controlador de convertidor 75 está configurado para controlar el elemento conmutador de lado de rotor 114 del circuito de freno principal 104 para acoplar al menos uno del elemento resistivo de lado de rotor 116 y/o el elemento de almacenamiento 118 al enlace de CC 68 para generar el par de torsión EM en el generador 24 en respuesta al evento de pérdida de par de torsión EM, por ejemplo, durante un modo supersincrónico del generador 24. En otros modos de realización, el controlador de convertidor 75 está configurado para controlar el elemento conmutador de lado de rotor 114 para acoplar el elemento de almacenamiento 118 al enlace de CC 68 para generar el par de torsión EM en el generador 24 en respuesta al evento de pérdida de red durante un modo subsincrónico del generador 24. Además, el controlador de convertidor 75 puede estar configurado para controlar el elemento conmutador de batería 132 para conectar el elemento resistivo de batería 134 al generador 24 para generar el par de torsión EM. Como tal, el circuito de freno principal 104 se puede usar solo o junto con el sistema de batería 130 para generar el par de torsión EM. Por el contrario, si el convertidor de potencia 65 no está disponible, el controlador de convertidor 75 está configurado para controlar el elemento conmutador de batería 132 para conectar el elemento resistivo de batería 134 del sistema de batería 130 al generador 24 para generar el par de torsión EM, en lugar de usar el circuito de freno principal 104 (que depende de la disponibilidad de convertidor).

[0033]Después de activar el circuito de freno principal 104 y/o el sistema de batería 130, el controlador de convertidor 75 puede estar configurado además para ajustar uno o más ángulos depitchde las palas de rotor 22 para reducir la velocidad del rotor. Si la velocidad del rotor reducida es mayor que un umbral, el controlador de convertidor 75 está configurado además para activar el freno mecánico 108 para apagar el sistema de potencia de turbina eólica 100.

[0034]En referencia ahora a la FIG. 5, se ilustra una representación esquemática de otro modo de realización del sistema de potencia de turbina eólica 100 que incluye el sistema de frenado 102 de acuerdo con la presente divulgación. Además, como se muestra, el sistema de frenado 102 de la FIG. 5 está configurado de forma similar al modo de realización de la FIG. 4; excepto que el sistema de frenado 102 de la FIG. 5 está acoplado a los devanados del estátor 78. En determinados modos de realización, se entiende por los expertos en la técnica que el circuito de freno principal 104 se puede acoplar tanto al enlace de CC 68 como a los devanados del estátor 78. De forma similar a la FIG. 4, sin embargo, el sistema de batería 130 se puede acoplar al generador 24 por medio de un elemento conmutador de batería 132 y puede incluir un elemento resistivo de batería 134. Además, al igual que el sistema de frenado 102 de la FIG. 4, el controlador de convertidor 75 está configurado para activar el circuito de freno principal 104 y/o el sistema de batería 130 para generar el par de torsión EM en el generador 24 en respuesta a la pérdida de par de torsión EM en el generador 24.

[0035]Más específicamente, como se muestra, el circuito de freno principal 104 incluye elementos conmutadores de lado de estátor 124 y elementos resistivos de lado de estátor 126. Los elementos resistivos de lado de estátor 126 están acoplados entre los elementos conmutadores de lado de estátor 124 y el suelo. En otros modos de realización, los elementos resistivos de lado de estátor 126 están acoplados entre los elementos conmutadores de lado de estátor 124 y un potencial predeterminado. Cada uno de los elementos resistivos de lado de estátor 126 puede incluir una resistencia, por ejemplo, o cualquier dispositivo de amortiguación de potencia.

[0036] En un modo de realización de este tipo, el controlador de convertidor 75 está configurado para controlar el primer elemento conmutador 72 para desacoplar los devanados del estátor 78 y el convertidor de potencia 65 de la red eléctrica 82 en respuesta al evento de pérdida de par de torsión EM. Además, el controlador de convertidor 75 está configurado para controlar los elementos conmutadores de lado de estátor 124 para acoplar los respectivos elementos resistivos de lado de estátor 126 a los respectivos devanados de estátor en respuesta al evento de pérdida de par de torsión EM, de modo que los devanados del estátor 78 suministran potencia eléctrica a los elementos resistivos de lado de estátor 126 por medio de los elementos conmutadores de lado de estátor 124.

[0037] El controlador de convertidor 75 está configurado además para controlar el segundo elemento conmutador 74 para acoplar los devanados del estátor 78 al convertidor de potencia 65 en respuesta al evento de pérdida de par de torsión EM de modo que los devanados del rotor 80 suministran potencia eléctrica a los elementos resistivos de lado de estátor 126 por medio del convertidor de potencia 65, el segundo elemento conmutador 74 y los elementos conmutadores de lado de estátor 124 durante el modo supersincrónico del generador 24. Además, los devanados del rotor 80 extraen corriente de los devanados del estátor 78 por medio del convertidor de potencia 65 y el segundo elemento conmutador 74 durante el modo subsincrónico del generador 24. Por lo tanto, el par de torsión EM también se genera en el generador 24. Además, el controlador de convertidor 75 está configurado para conectar el sistema de batería 130 al generador 24 en respuesta a la detección de un evento de pérdida de par de torsión electromagnético (EM) para generar un par de torsión EM.

[0038] En modos de realización adicionales, el controlador de convertidor 75 puede estar configurado para determinar si la falla o desconexión de sistema de potencia es crítica o no crítica. Como tal, en determinados modos de realización, si el convertidor de potencia 65 está disponible, el controlador de convertidor 75 está configurado para activar el circuito de freno principal 104 y/o el sistema de batería 130 para generar par de torsión EM. Más específicamente, en un modo de realización, el controlador de convertidor 75 está configurado para controlar el elemento conmutador de lado de rotor 124 del circuito de freno principal 104 para acoplar el/los elemento(s) resistivo(s) 126 al enlace de CC 68 para generar el par de torsión EM en el generador 24 en respuesta al evento de pérdida de par de torsión EM, por ejemplo, durante un modo supersincrónico del generador 24. Además, el controlador de convertidor 75 puede estar configurado para controlar el elemento conmutador de batería 132 para conectar el sistema de batería 130 al generador 24 para generar el par de torsión EM. Como tal, el circuito de freno principal 104 se puede usar solo o junto con el sistema de batería 130 para generar el par de torsión EM. Por el contrario, si el convertidor de potencia 65 no está disponible, el controlador de convertidor 75 está configurado para controlar el elemento conmutador de batería 132 para conectar el sistema de batería 130 al generador 24 para generar el par de torsión EM, en lugar de usar el circuito de freno principal 104.

[0039] Como se describe anteriormente, el par de torsión EM se regenera en el generador 24 si se ha producido la pérdida del par de torsión EM en el generador 24, pero no se reduce a cero inmediatamente. Como tal, el sistema de frenado 102 de la presente divulgación proporciona asistencia de frenado que posibilita que el sistema de potencia de turbina eólica 100 se apague de una manera mucho más suave, reduciendo, de este modo, las cargas en los componentes mecánicos del sistema de potencia de turbina eólica 100.

[0040] En referencia ahora a la FIG. 9, se ilustra un diagrama de flujo de un modo de realización de un procedimiento 150 para proteger un sistema de potencia de turbina eólica 100 conectado a una red eléctrica 82, por ejemplo, usando el circuito de freno principal 104 y/o el sistema de batería 130 como se describe en el presente documento, de acuerdo con la presente divulgación. Como se muestra, el procedimiento 150 comienza en 152. Como se muestra en 154, el sistema de potencia de turbina eólica 100 funciona en un modo de funcionamiento normal. Como se muestra en 156, el procedimiento 150 incluye monitorizar, por medio de uno o más sensores (por ejemplo, los sensores 46, 48), uno o más parámetros de funcionamiento de la red eléctrica 82 que se pueden usar por el controlador de convertidor 75 para determinar si se está produciendo un evento de pérdida de par de torsión electromagnético (EM). Por tanto, como se muestra en 158, el controlador de convertidor 75 (por ejemplo, por medio de uno o más algoritmos de control almacenados en el mismo) está configurado para determinar si se está produciendo o se ha producido un evento de pérdida de par de torsión EM en base a los datos de sensor. Si no se detecta ningún evento de pérdida de par de torsión EM, el procedimiento comienza nuevamente en 152 (es decir, continúa monitorizando el sistema de potencia 100). Si se detecta un evento de pérdida de par de torsión EM, como se muestra en 160 y 162, el procedimiento 150 incluye desconectar el convertidor de potencia 65 y el generador 24 del sistema de potencia de turbina eólica 100 de la red eléctrica 82 y conectar el circuito de freno principal 104 y el sistema de batería 130 al generador 24 del sistema de potencia de turbina eólica 100 para generar un par de torsión EM. Además, como se muestra en 164, el procedimiento 150 también incluye generar el par de torsión EM por medio de al menos uno del circuito de freno principal 104 o el sistema de batería 130 en respuesta a la detección del evento de pérdida de par de torsión EM.

[0041] En referencia ahora a la FIG. 10, se ilustra un diagrama de flujo de otro modo de realización de un procedimiento 200 para proteger un sistema de potencia de turbina eólica 100 conectado a una red eléctrica 82, por ejemplo, usando el circuito de freno principal 104 y/o el sistema de batería 130 como se describe en el presente documento, de acuerdo con la presente divulgación. Como se muestra, el procedimiento 200 comienza en 202. Como se muestra en 204, el sistema de potencia de turbina eólica 100 funciona en un modo de funcionamiento normal. Como se muestra en 206, el procedimiento 200 incluye monitorizar, por medio de uno o más sensores (por ejemplo, los sensores 46, 48), uno o más parámetros de funcionamiento de la red eléctrica 82 que se pueden usar por el controlador de convertidor 75 para determinar si se está produciendo un evento de pérdida de par de torsión electromagnético (EM). Por tanto, como se muestra en 208, el controlador de convertidor 75 (por ejemplo, por medio de uno o más algoritmos de control almacenados en el mismo) está configurado para determinar si se está produciendo o se ha producido un evento de pérdida de par de torsión EM en base a los datos de sensor. Si no se detecta ningún evento de pérdida de par de torsión EM, el procedimiento comienza nuevamente en 202 (es decir, continúa monitorizando el sistema de potencia 100). Si se detecta un evento de pérdida de par de torsión EM, como se muestra en 210, el procedimiento 200 incluye desconectar el convertidor de potencia 65 y el generador 24 del sistema de potencia de turbina eólica 100 de la red eléctrica 82. Además, como se muestra en 212, el procedimiento 100 incluye determinar si el evento de pérdida de par de torsión EM es crítico o no crítico. Si no es crítico (es decir, el convertidor de potencia 65 está disponible), como se muestra en 214, el procedimiento 200 incluye generar un par de torsión EM por medio del sistema de batería 130 y/o el convertidor de potencia 65. Si es crítico (es decir, el convertidor de potencia 65 no está disponible), como se muestra en 216, el procedimiento 200 incluye generar un par de torsión EM solo por medio del sistema de batería 130. Esta descripción escrita usa ejemplos para divulgar la invención, incluyendo el modo preferente, y también para posibilitar que cualquier experto en la técnica ponga en práctica la invención, incluyendo fabricar y usar cualesquiera dispositivos o sistemas y realizar cualesquiera procedimientos incorporados.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de protección (102) para un sistema de potencia de turbina eólica (100) conectado a una red eléctrica (82), teniendo el sistema de potencia de turbina eólica (100) un generador (24) con un estátor (78) y un rotor (80) y un convertidor de potencia (65) que tiene un convertidor de lado de rotor (66), un convertidor de lado de red (70) y un enlace de CC (68) configurado entre ellos, comprendiendo el sistema de protección (102):

un circuito de freno principal (104) que tiene al menos un elemento resistivo de freno y al menos un elemento conmutador de freno, acoplado el elemento resistivo de freno a al menos uno del enlace de CC (68) del convertidor de potencia (65), devanados del rotor (80) del generador (24) o devanados del estátor (78) del generador (24) por medio del elemento conmutador de freno;

un sistema de batería (130) acoplado al generador (24) por medio de un elemento conmutador de batería (132), en el que el sistema de batería (130) está acoplado a dos fases o tres fases del rotor (80), comprendiendo el sistema de batería (130) un elemento resistivo de batería (134); y

un controlador (75) configurado para desconectar el convertidor de potencia (65) y el generador (24) de la red eléctrica (82) y conectar al menos uno del circuito de freno principal (104) o el sistema de batería (130) al generador (24) en respuesta a la detección de un evento de pérdida de par de torsión electromagnético (EM) para generar un par de torsión EM.

2. El sistema de protección (102) de la reivindicación 1, que comprende además un primer elemento conmutador (72) acoplado entre el convertidor de potencia (65) y el generador (24) y la red eléctrica (82).

3. El sistema de protección (102) de la reivindicación 2, en el que el controlador (75) está configurado además para desconectar el convertidor de potencia (65) y el generador (24) de la red eléctrica (82) por medio del primer elemento conmutador (72).

4. El sistema de protección (102) de las reivindicaciones 1, 2 o 3, en el que el evento de pérdida de par de torsión EM comprende al menos uno de una pérdida de red o una falla o desconexión de sistema de potencia.

5. El sistema de protección (102) de la reivindicación 4, en el que el controlador (75) está configurado además para determinar si la falla o desconexión de sistema de potencia es crítica de modo que el convertidor de potencia (65) no está disponible para su uso para el frenado, o no crítica de modo que el convertidor de potencia (65) está disponible para su uso para el frenado.

6. El sistema de protección (102) de la reivindicación 5, en el que, si el convertidor de potencia (65) está disponible, el controlador (75) está configurado para controlar el elemento conmutador de freno del circuito de freno principal (104) para conectar el elemento resistivo de freno al generador (24) para generar el par de torsión EM.

7. El sistema de protección (102) de la reivindicación 6, en el que, si el convertidor de potencia (65) no está disponible, el controlador (75) está configurado para controlar el elemento conmutador de batería del sistema de batería (130) para conectar el elemento resistivo de batería (134) al generador (24) para generar el par de torsión EM.

8. El sistema de protección (102) de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además un elemento de almacenamiento (118), en el que el controlador (75) está configurado además para controlar el elemento conmutador de freno para conectar al menos uno del elemento resistivo de freno o el elemento de almacenamiento (118) al enlace de CC (68) en respuesta al evento de pérdida de par de torsión EM.

9. El sistema de protección (102) de la reivindicación 8, en el que el elemento conmutador de freno comprende un primer troceador de CC (122) acoplado al elemento de almacenamiento (118) y al enlace de CC (68) y un segundo troceador de CC (120) acoplado al elemento resistivo de freno y al enlace de CC (68).

10. El sistema de protección (102) de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además un segundo elemento conmutador (74), en el que el controlador (75) está configurado además para controlar el segundo elemento conmutador (74) para desacoplar los devanados del estátor (78) del convertidor de lado de red (70) y acoplar el elemento resistivo de freno a los devanados del estátor (78) en respuesta al control de evento de pérdida de par de torsión EM.

11. Un procedimiento (150) para proteger un sistema de potencia de turbina eólica (100) conectado a una red eléctrica (82), teniendo el sistema de potencia de turbina eólica (100) un generador (24) con un estátor (78) y un rotor (80) y un convertidor de potencia (65) que tiene un convertidor de lado de rotor (66), un convertidor de lado de red y un enlace de CC (68) configurado entre ellos, comprendiendo el procedimiento:

monitorizar (156), por medio de uno o más sensores (46,48), una o más condiciones de funcionamiento de la red eléctrica (82);

determinar (158), por medio de un controlador (75), si se está produciendo un evento de pérdida de par de torsión electromagnético (EM) en la red eléctrica (82) en base a una o más condiciones de funcionamiento;caracterizado por:

en respuesta a la detección del evento de pérdida de par de torsión EM, desconectar (160), por medio del controlador (75), el convertidor de potencia (65) y el generador (24) de la red eléctrica (82) y conectar un circuito de freno principal (104) y un sistema de batería (130) al generador (24) para generar un par de torsión EM, en el que el sistema de batería (130) está acoplado a dos fases o tres fases del rotor (80), comprendiendo el sistema de batería (130) un elemento resistivo de batería (134); y

generar (164) el par de torsión EM por medio de al menos uno del circuito de freno principal (104) o del sistema de batería (130).

12. El procedimiento (150) de la reivindicación 11, que comprende además determinar (212) si la falla o desconexión de sistema de potencia es crítico de modo que el convertidor de potencia (65) no está disponible para su uso para el frenado, o no crítico de modo que el convertidor de potencia (65) está disponible para su uso para el frenado, en el que, si la falla o desconexión de sistema de potencia es crítico, el procedimiento comprende generar (216) el par de torsión EM por medio del sistema de batería (130), y si la falla o desconexión de sistema de potencia no es crítico, el procedimiento comprende generar (214) el par de torsión EM por medio del circuito de freno principal (104).

13. El procedimiento (150) de la reivindicación 12, en el que, si la falla o desconexión de sistema de potencia es crítica, el procedimiento comprende generar el par de torsión EM por medio del sistema de batería (130), y si la falla o desconexión de sistema de potencia no es crítica, el procedimiento comprende generar el par de torsión EM pivotando (214) entre el circuito de freno principal (104) y el sistema de batería (130).

14. El procedimiento (150) de las reivindicaciones 11, 12 o 13, que comprende además controlar el circuito de freno principal (104) por medio de un elemento conmutador de freno del mismo para conectar al menos uno de un elemento resistivo de freno o un elemento de almacenamiento (118) del circuito de freno principal (104) al enlace de CC (68) en respuesta al evento de pérdida de par de torsión EM.