ES2330036T3 - Procedimientos y sistema de baterias de reserva para el control del paso. - Google Patents

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Abstract

Un aparato para controlar el paso de un álabe (108) de una turbina eólica (100), comprendiendo dicho aparato: un sistema de control (406) del paso que comprende un convertidor de potencia (404) basado en MOSFET; un enlace de CC (410) que tiene un condensador de enlace de CC (416) y configurado para suministrar potencia a dicho sistema de control del paso por medio de dicho convertidor de potencia (404) basado en MOSFET; una fuente (400) de una potencia de entrada de CA para suministrar potencia a dicho enlace de CC; y una batería de reserva (408) configurada para no suministrar energía al enlace de CC cuando está disponible una potencia total de entrada de CA; y así mismo en el que dicho aparato está configurado para: utilizar la energía almacenada en dicho condensador de enlace de CC (416) para suministrar potencia a dicho sistema de control del paso por medio de dicho convertidor de potencia (404) basado en MOSFET durante una pérdida o bajada de la potencia de entrada de CA; y mantener la carga sobre dicho condensador de enlace de CC utilizando dicha batería de reserva cuando la tensión a través de dicho condensador de enlace de CC baja durante dicha provisión de potencia a dicho sistema de control del paso; caracterizado por ser dicha fuente de CA (400) una fuente no regenerativa, y ser dicho enlace de CC (510) común a una pluralidad de sistemas de motores de control del paso, y así mismo en el que dicho mantenimiento de la carga sobre el condensador de enlace de CC (416), al utilizar la batería de reserva cargada (408), comprende también el suministro de corriente desde la batería de reserva hasta el enlace de CC común.

Description

Procedimientos y sistema de baterías de reserva para el control del paso.
La presente invención se refiere, en general, al campo de los sistemas de energía de turbinas eólicas y, más concretamente, a unos sistemas de control del paso de turbinas eólicas.
En una turbina eólica convencional, un sistema de control del paso que incorpora un puente totalmente regenerativo de rectificador controlado por silicio (SCR) acciona en serie un motor de CC de 4,2 KW. Este tipo de sistema ha sido utilizado en accionamientos por servomotor durante muchos años y se encuentra disponible en el mercado. El accionamiento por SCR tiene la ventaja de su sencillez, pero puede no ser capaz de proporcionar el nivel de rendimiento del sistema de paso que puede requerirse en turbinas eólicas mas recientes y/o de mayor tamaño.
En el caso de una pérdida de la potencia de entrada de CA, al menos un sistema de turbina eólica conocido regula el paso de los álabes de la turbina eólica utilizando unas baterías de emergencia de control del paso. El paso de los álabes es controlado hasta una posición que impediría la velocidad excesiva de los álabes. La caída de la tensión de CA es detectada por el sistema del control del paso y el sistema de emergencia del paso es activado. El sistema de control de la turbina eólica modula el sistema de emergencia del paso e intenta mantener la velocidad rotacional del cubo por debajo de los límites de una velocidad excesiva. En muchos casos, el control de la turbina falla y detiene la turbina. Sin embargo, los sistemas de turbina eólica conocidos utilizan unos condensadores de enlace de la CC y un circuito convertidor de energía de puente en H, y no tienen la capacidad de regular el paso de los álabes utilizando este circuito una vez que la pequeña cantidad de energía almacenada en los condensadores de enlace de CC se
agota.
El documento WO 2005/017350 divulga una planta de energía eólica que incorpora una fuente de alimentación de reserva de CC conectable a un mecanismo de accionamiento de ajuste de los álabes por medio de un convertidor que comprende un circuito intermedio de CC.
Un aspecto de la presente invención proporciona, por consiguiente, un aparato para controlar el paso de un álabe de una turbina eólica, comprendiendo dicho aparato los rasgos distintivos de la reivindicación 1.
Las configuraciones de las diversas formas de realización de la presente invención son, por tanto, susceptibles de proporcionar un funcionamiento con apoyo de baterías de los accionamientos por motor del control del paso, el cual incrementa la disponibilidad de la turbina eólica mediante la posibilidad de su funcionamiento a través de perturbaciones de rejilla.
A continuación se describirán diversos aspectos y formas de realización de la presente invención en combinación con los dibujos que se acompañan, en los cuales:
La Figura 1 es un dibujo de una configuración ejemplar de una turbina eólica.
La Figura 2 es una vista en perspectiva recortada de una barquilla de la configuración de turbina eólica ejemplar mostrada en la Figura 1.
La Figura 3 es un diagrama de bloques de una configuración de un sistema de control destinado a la configuración de turbina eólica mostrada en la Figura 1.
La Figura 4 es un diagrama esquemático de bloques representativo de algunas configuraciones de la presente invención para controlar un sistema del control del paso de una turbina eólica.
Las Figuras 5A y 5B son diagramas esquemáticos de bloques representativos de algunas configuraciones de la presente invención para controlar una pluralidad de sistemas de control del paso de una turbina eólica que utiliza una fuente no regenerativa.
Las Figuras 6A y 6B son diagramas esquemáticos de bloques representativos de algunas configuraciones de la presente invención, para controlar una pluralidad de sistemas de control del paso de una turbina eólica que utiliza una fuente regenerativa.
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En algunas configuraciones de la diversas formas de realización de la presente invención un diseño de control del paso de turbina eólica único presenta ventajas de coste y rendimiento respecto de los sistemas conocidos. Un accionamiento por motor de turbina eólica único está provisto de un puente no regenerativo que suministra una tensión de CC a un puente en H que comprende cuatro dispositivos de conmutación activos (por ejemplo, MOSFETs conectados en paralelo en algunas configuraciones). Un condensador de enlace de CC suaviza la tensión de enlace de la CC y actúa como un sumidero y una fuente de energía del motor de CC excitado en serie. El diseño, así mismo, incluye un sistema de emergencia del paso que utiliza unas baterías y unos contactores para controlar el paso de los álabes hasta una posición caracterizada.
En algunas configuraciones y con referencia a la Figura 1, una turbina eólica 100 comprende una barquilla 102 que alberga un generador (no mostrado en la Figura 1). La barquilla 102 está montada encima de una elevada torre 104, de la cual solo se muestra una porción en la Figura 1. La turbina eólica 100 comprende así mismo un rotor 106 que incluye uno o más álabes 108 del rotor fijados a un cubo rotatorio 110. Aunque la turbina eólica 100 ilustrada en la Figura 1 incluye tres álabes 108 del rotor, no hay límites específicos acerca del número de álabes 108 del rotor requeridos por diversas formas de realización de la presente invención.
Con referencia a la Figura 2, diversos componentes están alojados dentro de la barquilla 102 encima de la torre 104 de la turbina eólica 100. La altura de la torre 104 se selecciona en base a factores y condiciones conocidos en la técnica. En algunas configuraciones, uno o más microcontroladores, situados dentro del panel de control 112, comprenden un sistema de control y son utilizados para la vigilancia y control del sistema global que incluye la regulación del paso y de la velocidad, la aplicación del árbol de gran velocidad y del freno de guiñada y de la bomba y la verificación de los fallos. En algunas configuraciones se utilizan arquitecturas de control distribuidas o centralizadas
alternativas.
En algunas configuraciones, el sistema de control suministra unas señales de control a un mecanismo de accionamiento 114 del paso de los álabes para controlar el paso de los álabes 108 (no mostrados en la Figura 2) que accionan el cubo 110 como consecuencia del viento. En la configuración ilustrada, el cubo 110 aloja tres álabes 108, pero otras configuraciones pueden utilizar un número indeterminado de álabes. En algunas configuraciones los pasos de los álabes 108 son controlados de forma individual mediante el mecanismo de accionamiento 114 del paso de los álabes. El cubo 110 y los álabes 108 constituyen conjuntamente el rotor 106 de la turbina eólica.
El tren de accionamiento de la turbina eólica incluye un árbol principal 116 del rotor (también designado como "árbol de baja velocidad") conectado al cubo 110 y soportado por un cojinete principal 130 y, en el extremo opuesto del árbol 116, a una caja de engranajes 118. La caja de engranajes 118, en algunas configuraciones, utiliza una geometría de trayectoria doble para accionar un árbol incluido de gran velocidad. El árbol de gran velocidad (no mostrado en la Figura 2) es utilizado para accionar el generador 120, el cual está montado sobre el bastidor principal 132. En algunas configuraciones, el par del rotor es transmitido por medio del acoplamiento 122. El generador 120 puede ser de cualquier tipo apropiado, por ejemplo, un generador de inducción con rotor devanado.
Un mecanismo de accionamiento de guiñada 124 y una plataforma de guiñada 126 proporcionan un sistema de orientación de la turbina eólica 100. Una veleta 128 proporciona información al sistema de orientación de guiñada, incluyendo la dirección del viento instantánea medida y la velocidad del viento en la turbina eólica. En algunas configuraciones, el sistema de guiñada está montado sobre una brida dispuesta encima de la torre 104.
En algunas configuraciones y con referencia a la Figura 3, un sistema de control 300 de la turbina eólica 100 incluye un bus 302 u otro dispositivo de comunicaciones para comunicar información. Un(os) procesador(es) 304 está(n) acoplado(s) al bus 302 para procesar información, incluyendo información procedente de unos sensores configurados para medir desplazamientos o momentos. El sistema de control 300 incluye así mismo una memoria de acceso aleatorio (RAM) 306 y/u otro(s) dispositivo (s) de almacenamiento 308. La RAM 306 y el(los) dispositivo(s) de almacenamiento 308 está(n) acoplado(s) al bus 302 para almacenar y transferir información e instrucciones que serán ejecutadas por el(los) procesador(es) 304. La RAM 306 (y también el(los) dispositivo(s) de almacenamiento 308, si es necesario) puede(n) también ser utilizado(s) para almacenar variables temporales u otra información intermedia durante la ejecución de las instrucciones por parte del(de los) procesador(es) 304. El sistema de control 300 puede así mismo incluir una memoria de solo lectura (ROM) y/u otro dispositivo de almacenamiento estático 310, el cual es acoplado al bus 302 para almacenar y proporcionar información e instrucciones estáticas (esto es, no cambiantes) al(a los) procesador(es) 304. Uno(unos) dispositivo(s) de entrada/salida 312 puede(n) incluir cualquier dispositivo conocido en la técnica para suministrar datos de entrada al sistema de control 300 y para suministrar las salidas de control de guiñada y de control del paso. Las instrucciones son suministradas a la memoria a partir de un dispositivo de almacenamiento, como por ejemplo un disco magnético, un circuito integrado de memoria de solo lectura (ROM), un CD-ROM, un DVD, por medio de una conexión a distancia que sea cableada o inalámbrica que proporcione acceso a uno o más medios electrónicamente accesibles, etc. En algunas formas de realización, puede ser utilizado un sistema de circuitos por cable alámbrico en lugar de o en combinación con las instrucciones software. De esta forma, la ejecución de las secuencias de las instrucciones no se limita a ninguna combinación específica de conjunto de circuitos hardware o software. Una interconexión de sensor 314 es una interconexión que posibilita que el sistema de control 300 comunique con uno o más sensores. La interconexión de sensor 314 puede ser o puede comprender, por ejemplo, uno o más convertidores de analógico a digital que conviertan la señales analógicas en señales digitales que puedan ser utilizadas por el(los) procesador(es) 304.
En algunas configuraciones de las diversas formas de realización de la presente invención y con referencia a la Figura 4, en el caso de que se produzca una pérdida de potencia de entrada de la CA procedente de una fuente 400 y para impedir la velocidad excesiva de la turbina, los pasos de los álabes son controlados utilizando un MOSFET 402 en base a un convertidor de potencia 404. El convertidor de potencia 404 comprende parte de un sistema de control 406 del paso. (Para que quede constancia y por razones de comodidad, tal y como se utiliza en la presente memoria, la fuente de entrada de CA 400 se refiere a un puente rectificador o a un puente IGBT o MOSFET. Se entiende que este puente está destinado a ser electrificado por un generador, una línea de transporte de energía, una potencia de rejillas, o alguna otra fuente de potencia de CA, la cual puede o puede no comprender el generador 120). Una batería de reserva 408 está dispuesta para posibilitar el control de paso de los álabes 108 (mostrados en la
Figura 1) en el caso de una pérdida de potencia de entrada de CA o de una bajada de potencia. La batería 408 (la cual puede comprender una o más células eléctricas o una pluralidad de baterías con múltiples células, o cualquier combinación de éstas) está conectada al enlace de CC 410 a través de un diodo 412 y de un fusible 414. Bajo condiciones normales, el diodo 412 está en polarización invertida y no fluye ninguna corriente desde la batería 408 hasta el enlace de CC 410. En esta situación, la batería 408 está cargada y su estado está vigilado, pero no suministra energía al enlace de CC 410.
Cuando la tensión del enlace de CC 410 cae por debajo de la tensión de la batería 408, la corriente fluye de la batería 408 a través del diodo 412 y del fusible 414 para mantener la carga en el condensador 416 del enlace de CC. El diodo 412 impide una carga descontrolada de la batería 408 cuando la tensión del enlace de CC es más alta que la tensión de la batería. El fusible 414 evita daños a la batería 408 en el caso de que se produzca un cortocircuito en el enlace de CC 410. La batería de reserva 408 del enlace de CC 410 posibilita que el sistema de control 406 del paso mantenga el control activo de la posición del álabe 108 cuando se produzca un supuesto de pérdida o caída de la potencia de CA.
En algunas configuraciones de diversas formas de realización de la presente invención y con referencia a las Figuras 5A y 5B, se proporciona un sistema de control del paso de varias unidades de una turbina eólica. Una fuente no regenerativa 400 de potencia de CA puede suministrar múltiples sistemas de control 406 del paso utilizando un enlace de CC 510. El enlace común de CC 510 es soportado mediante el empleo de una batería 408. En algunas configuraciones, los sistemas de control 406 del paso sobre el enlace de CC común 510 intercambian la potencia real durante el funcionamiento y reducen la demanda de potencia sobre la batería 408 en el caso de que una interrupción caída de la potencia de CA. Así mismo, en algunas configuraciones y con referencia a las Figuras 6A y 6B, los sistemas de control 406 del paso con un enlace de CC común 510 son suministrados mediante una fuente totalmente regenerativa controlada por IGBT o MOSFET 602. La batería 408 es utilizada en esta configuración para soportar el enlace de CC 510 en el caso de interrupciones de potencia.
Se apreciará, por tanto, que las configuraciones de las diversas formas de realización de la presente invención, son susceptibles de proporcionar un funcionamiento con la ayuda de baterías de los accionamientos por motor de control del paso, lo que incrementa la disponibilidad de la turbina eólica permitiendo el funcionamiento mediante las perturbaciones de rejilla.
Las configuraciones de las formas de realización de la presente invención no se limitan a las turbinas eólicas que incorporan cualquier número específico de álabes. Por ejemplo, las turbinas con uno, dos, o tres álabes (o más) pueden utilizar las configuraciones de las diversas formas de realización de la presente invención para controlar el ángulo del álabe en el supuesto de una pérdida de potencia de CA, incrementando, por consiguiente, la disponibilidad de la turbina respecto de las turbinas que no tienen una capacidad de control del paso por enlace de CC.
Aunque la invención ha sido descrita en términos de diversas formas de realización específicas, los expertos en la materia advertirán que la invención puede llevarse a la práctica con modificaciones dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones.
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Lista de piezas
1
2

Claims (8)

1. Un aparato para controlar el paso de un álabe (108) de una turbina eólica (100), comprendiendo dicho aparato:
\quad
un sistema de control (406) del paso que comprende un convertidor de potencia (404) basado en MOSFET;
\quad
un enlace de CC (410) que tiene un condensador de enlace de CC (416) y configurado para suministrar potencia a dicho sistema de control del paso por medio de dicho convertidor de potencia (404) basado en MOSFET;
\quad
una fuente (400) de una potencia de entrada de CA para suministrar potencia a dicho enlace de CC; y
\quad
una batería de reserva (408) configurada para no suministrar energía al enlace de CC cuando está disponible una potencia total de entrada de CA; y así mismo en el que dicho aparato está configurado para:
utilizar la energía almacenada en dicho condensador de enlace de CC (416) para suministrar potencia a dicho sistema de control del paso por medio de dicho convertidor de potencia (404) basado en MOSFET durante una pérdida o bajada de la potencia de entrada de CA; y
mantener la carga sobre dicho condensador de enlace de CC utilizando dicha batería de reserva cuando la tensión a través de dicho condensador de enlace de CC baja durante dicha provisión de potencia a dicho sistema de control del paso;
caracterizado por
ser dicha fuente de CA (400) una fuente no regenerativa, y ser dicho enlace de CC (510) común a una pluralidad de sistemas de motores de control del paso, y así mismo en el que
dicho mantenimiento de la carga sobre el condensador de enlace de CC (416), al utilizar la batería de reserva cargada (408), comprende también el suministro de corriente desde la batería de reserva hasta el enlace de CC común.
2. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende así mismo un diodo (412), en el que dicho diodo es de polarización inversa y está montado en serie con dicha batería de reserva (408) de manera que, cuando está disponible una potencia total de entrada de CA, dicha batería de reserva no suministra potencia a dicho enlace de CC (410).
3. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende así mismo un diodo (412) de polarización directa y un fusible (414), en el que para mantener la carga sobre dicho condensador de enlace de CC (416), dicho aparato está también configurado para descargar dicha batería de reserva (408) a través de dicho diodo de polarización directa y dicho fusible.
4. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1 configurado también para intercambiar la potencia efectiva entre dicha pluralidad de sistemas (406) de control del paso durante el funcionamiento con la potencia total de entrada de CA.
5. Un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en el que dicha fuente (400) de una potencia de entrada de CA comprende una fuente totalmente regenerativa (600) controlada por IGBT o MOSFET (602).
6. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 5 para controlar un sistema de control del paso de varias unidades de una turbina eólica (100), en el que dicho aparato comprende una pluralidad de sistemas de control (406) del paso, dicho enlace de CC (510) es común a dicha pluralidad de sistemas de control del paso, y así mismo en el que
para mantener la carga sobre dicho condensador de enlace de CC (416), al utilizar dicha batería de reserva cargada (408), dicho aparato está también configurado para suministrar corriente desde dicha batería de reserva hasta dicho enlace de CC común.
7. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 6 configurado así mismo para intercambiar la potencia efectiva entre dicha pluralidad de sistemas de control (406) del paso durante el funcionamiento con la potencia total de entrada de CA.
8. Una turbina eólica (100) que comprende:
\quad
al menos un álabe (108) y un generador (120) acoplado a dicho álabe y configurado para generar una potencia de CA; y
\quad
un aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 para controlar el paso del al menos un álabe (108).
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