ES2371155T3

ES2371155T3 - Procedimiento para conectar un generador de inducción a una red de corriente alterna y circuito eléctrico para llevar a cabo dicho procedimiento.

Info

Publication number: ES2371155T3
Application number: ES98111683T
Authority: ES
Inventors: Carsten Henriksen
Original assignee: Mita Teknik AS
Current assignee: Mita Teknik AS
Priority date: 1997-06-26
Filing date: 1998-06-25
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2018-06-25
Also published as: EP0887905A2; US6323624B1; JP3897365B2; WO1999000883A3; EP0887905A3; NO321394B1; JP2002506607A; DK75897A; NO996414D0; WO1999000883A2; EP0887905B1; DK174291B1; NO996414L; AU7907698A

Abstract

LA INVENCION SE REFIERE A UN PROCEDIMIENTO PARA CONECTAR UN GENERADOR ASINCRONO POLIFASICO A UNA RED DE TENSION ALTERNA POLIFASICA. LA CONEXION SE LLEVA A CABO POR MEDIO DE TIRISTORES O DISPOSITIVOS DE CONEXION VARIABLES (AJUSTABLES) SIMILARES, EL GRADO DE CONEXION VARIA DURANTE EL TRANSCURSO DE LA CONEXION CONTROLADA, QUE SE CONTROLA EN CONSIDERACION AL DESEO DE UNA CONEXION "SOFT" A LA RED Y A LA LIMITACION DEL AMPERAJE MAXIMO DURANTE EL TRANSCURSO DE LA CONEXION. DURANTE EL TRANSCURSO COMPLETO DE LA CONEXION SE LLEVA A CABO UNA DETERMINACION CONTINUA DEL ANGULO DE FASE DEL GENERADOR PH , Y SOBRE LA BASE DE ESTA DETERMINACION SE LLEVA A CABO UN AJUSTE CONTINUO DE LOS TIRISTORES, DE ESTA FORMA SE OBTIENE LA CONEXION DESEADA DE CARGA SUCESIVA DEL GENERADOR A LA RED (CONEXION "SOFT"). ADEMAS, EL PROCEDIMIENTO INCLUYE UN NUEVO METODO PARA DETERMINAR EL ANGULO DE FASE DEL GENERADOR PH REGISTRANDO EL TIEMPO DE CIRCULACION CERO DE LA TENSION DE FASE, Y AL MISMO TIEMPO LA DETECCION DEL PUNTO DE CIRCULACION CERO DE LA TENSION DEL TIRISTOR RESPECTIVO CON UN METODO DE MEDIDA BASADO EN LA MEDICION DE LA TENSION DEL TIRISTOR. LA NOVEDAD DE LA INVENCION RESIDE EN AJUSTAR EL PUNTO DE ENCENDIDO DE LOS TIRISTORES SUCESIVAMENTE AL ANGULO DE FASE PH , DE ESTA FORMA SE INCREMENTA EL GRADO DE CONEXION RESULTANTE PARA LOS TIRISTORES A UNA VELOCIDAD CONTROLADA A PESAR DE LAS VARIACIONES REGISTRADAS EN EL ANGULO DE FASE DURANTE EL TRANSCURSO DE LA CONEXION. POR EJEMPLO, EL ANGULO DE APERTURA DEL TIRISTOR SE REDUCE CUANDO PH SE INCREMENTA Y ASI S UCESIVAMENTE.

Description

Procedimiento para conectar un generador de inducción a una red de corriente alterna y circuito eléctrico para llevar a cabo dicho procedimiento

La invención se refiere a un procedimiento para conectar un generador de inducción a una corriente alterna y a un circuito eléctrico para llevar a cabo el procedimiento.

Si un motor asíncrono es accionado por debajo del número de rotación síncrona, la máquina funcionará como un generador eléctrico que transfiere la potencia de salida inducida del eje mecánico en potencia eléctrica. Con tal de que la máquina - ahora como generador de inducción - esté conectada a una red de corriente alterna, la corriente generada será enviada hacia ella. Esta característica se utiliza en tipos de turbinas eólicas y sistemas de energía similares para la utilización de fuentes de energía estocásticas. Debe apreciarse que son utilizadas con este fin máquinas asíncronas desarrolladas generalmente en el funcionamiento de generadores.

Especialmente en conexión con las turbinas eólicas la conexión de la red conlleva grandes dificultades debido a la naturaleza inestable del viento. Si se imagina que la velocidad del viento puede ajustarse como otro parámetro operativo controlable, se podría incrementar lentamente el viento hasta que el rotor de la turbina eólica esté rotando solo con una velocidad correspondiente al número orbital del generador síncrono. Cuando las fases se ajustan de forma síncrona, la conexión de la red puede llevarse a cabo por medio de un relé o una máquina de contacto eléctrico sencilla similar sin conllevar una impulsión sobre la red o transiciones del par en el sistema de la turbina, esto es, el rotor, el engranaje y el generador). Pero no es tan sencillo en el mundo real.

En la práctica, se tiene que tener naturalmente en cuenta la velocidad variable e inconstante, la naturaleza incalculable del viento. Constituye un problema serio en conexión con las turbinas eólicas el hecho de que especialmente la velocidad del viento y con ello el contenido de la energía puede cambiar muy rápidamente. Por consiguiente, cuando se produzcan ráfagas fuertes, el rotor de la turbina eólica puede acelerarse por debajo del número orbital síncrono en un periodo de tiempo muy corto, con tal de que se empiece de un estado de no carga, en el que la turbina rota con velocidad subsíncrona, y cuando, por consiguiente, el generador , está descargado. La conexión del generador a la red tiene que efectuarse en este preciso momento cuando la velocidad síncrona ha pasado, o la turbina eólica se acerroje. Es necesario emprender la conexión “suave” con el fin de proporcionar unos impulsos grandes inaceptables de los impulsos de la red y unos impulsos del par torsor del rotor en el curso de la conexión. Ello significa que, durante el periodo de conexión, la transmisión de potencia entre el generador y la red tiene que incrementarse gradualmente de un mínimo hasta una potencia completamente conectada. Esta exigencia es, sin embargo, contradictoria con la exigencia de una rápida conexión del generador a la red, cuando las condiciones dinámicas alrededor de la turbina lo demanden, esto es, cuando la turbina eólica esté expuesta a ráfagas de viento grandes como las descritas. En la práctica es necesario optar por un compromiso, en el que la conexión del generador se mantenga durante un periodo de conexión controlado, con lo que los efectos, en parte sobre la red, en parte debidos a la construcción de la turbina eólica en cuanto tal (carga del par torsor del engranaje y del eje del rotor, influencias de pliegue sobre las alas, etc.) se mantengan dentro de valores limitados aceptables. Con este fin, se han desarrollado diferentes tipos de conexiones eléctricas y diferentes conexiones del generador y principios de control.

La base del ajuste de conexión en la conexión conocida es, por ejemplo, la medición de la tensión del generador resultante. Aquí, la cuestión de efectuar la conexión sobre la base de una medición indirecta, como la de la tensión del generador y de la intensidad de la corriente del generador depende de muchos factores. Por consiguiente, no se puede calcular un ajuste preciso sin que se produzcan transiciones del momento entre la red y la turbina durante diferentes condiciones operativas, especialmente durante el periodo de conexión. En dichos ajustes conocidos puede ser difícil mantener las transiciones del momento, y a partir de éstas los siguientes impulsos de la red dentro de los límites efectuados por el propietario de la red. Resulta especialmente difícil reducir las transiciones del momento, cuando el efecto generado es pequeño en proporción a la potencia normal del generador.

Una conexión eléctrica descrita más adelante, en la que la conexión de la red se lleva a cabo a través de tristores o elementos similares de conexión ajustables, variables, es conocida a partir de la descripción de la Patente estadounidense No. 4,656,413. El ángulo de abertura de los tristores y, con ello, el grado de conexión - son controlados por medio de una medición de la tensión del generador y de la corriente del generador. Más allá de ello, el número de revoluciones del generador es medida con un contador de revoluciones para la determinación de los límites de seguridad, y el sistema presenta otros medios adicionales para la medición de la velocidad del viento. Cuando la velocidad del viento está por debajo de un nivel fijo, la conexión eléctrica entre la red y el generador se desconecta. En la práctica, se ha puesto en evidencia a partir de la conexión y de la forma de funcionamiento que el propio consumo no puede situarse por debajo del 4 - 8%, especialmente debido a la excitación del generador de inducción. Cuando la turbina eólica está en una posición de viento bajo, esto es, cuando la turbina está conectada a la red y el generador solo produce una potencia mínima, entonces el propio consumo sigue siendo del 4 - 8% del máximo efecto, que el generador puede producir. Es evidente que ello es inaceptable desde el punto de vista económico. Además de ello, la conexión eléctrica indica una forma de control en la que el generador queda desconectado por la acción de un viento bajo para evitar que la red traccione el generador como un motor. El

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resultado de ello incluye conexiones y desconexiones repetidas durante este estado de funcionamiento. Cada conexión implica unos impactos del par torsor no deseados sobre el sistema del rotor y un impulso sobre la red.

Con independencia del incremento gradual del ángulo de abertura 1 de los tristores después de un programa preparado de antemano (ramp) y debido a este grado de conexión gradual subsecuente sobre la red durante el paso del generador de inducción del número de rotación asíncrono, aparece en el sistema un gran impulso no deseado durante el periodo de conexión. La forma más fácil de explicar este impulso es que el ángulo de fase < de la máquina asíncrona aumenta de modo considerable, cuando la máquina produce la conversión del motor en marcha al generador en marcha, esto es, durante el paso del número de rotación síncrono. El ángulo de fase < afecta a la eficiencia del tiempo de la apertura de los tristores, de forma que el tiempo de apertura aumenta cuando el ángulo L aumenta (con tal de que el ángulo de abertura de los tristores quede inmodificado). Esto significa que un incremento gradual del ángulo de abertura de los tristores por sí solo no resulta suficiente para asegurar un proceso de conexión “suave” sin impulsos. Se dice en términos populares que el grado de conexión de los tristores se autoincrementa en un intervalo de conexión estrecho alrededor del número de rotación síncrono. Es necesario un control más inteligente de los tristores, en el que entre los distintos parámetros de funcionamiento sea necesario prestar atención a los cambios del ángulo de fase < durante el proceso, si se pretende conseguir un límite del amperaje durante el proceso de conexión e inmediatamente después de éste.

El deseo de poner un límite a la resistencia de la conexión no solo se debe a la condición técnica acerca de la construcción de la turbina – sobre este punto se piensa en un servicio activo mecánico prolongado de los engranajes y las alas, etc., cuando los impactos sobre el par son limitados - sino también debido al hecho de que hoy en día diversos propietarios de red demandan que la corriente del sistema de energía eólica conectada satisfaga las demandas específicas adicionales de un amperaje de conexión máximo. La finalidad de la presente invención es precisamente mostrar un principio de conexión y una conexión que satisfaga esta demanda.

La invención se refiere a un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 y a un circuito eléctrico de acuerdo con la reivindicación 5, y hace posible la consecución de la conexión pretendida ajustable, sin etapas durante y después del paso del número de rotación síncrono. El grado de conexión de los tristores se ajusta de forma continua mediante el control del punto de ignición y del ángulo de abertura del tristor durante todo el periodo de conexión. En cualquier momento el punto de ignición es calculado sobre la base del ángulo de fase < entre otras cosas, pero, así mismo, pueden ser incluidos otros parámetros operativos en el cálculo, entre otras cosas, el número de rotación del generador, la aceleración del generador, y el amperaje generado. De acuerdo con la invención, el cálculo puede llevarse a cabo por medio de un algoritmo instalado por un microprocesador basado en una computadora de acuerdo con la reivindicación 5. Las características específicas del generador en cuestión pueden, así mismo, ser instaladas en la computadora como un conjunto de parámetros del generador, con lo que no necesitan ser desarrollados algoritmos específicos para cada nuevo tipo de generador.

Es necesario conocer el actual punto de paso cero de los tristores en la fase en cuestión con el fin de decidir el ángulo de fase < de acuerdo con la introducción de la reivindicación 1. De acuerdo con la invención, la determinación del paso cero puede producirse con ventaja mediante una medición de la tensión sobre el tristor, de acuerdo con lo definido en la reivindicación 2. Mediante la utilización del principio de optoconexión para la detección del paso cero, de acuerdo con lo definido en la reivindicación 5, se asegura una precisa y firme determinación del tiempo para la circulación cero y con ello el ángulo de fase <. El principio de optoconexión se distingue por ser insensible a los ruidos transitorios y a otros tipos de ruidos eléctricos y electromagnéticos. Los resultados de la medición de la corriente, la tensión y el paso cero en la fase en cuestión son enviados a la computadora mencionada (o al circuito análogo, si se utiliza) la cual, sobre la base del ángulo de fase, calcula el punto de ignición de los tristores. El ajuste se efectúa, conectando de esta manera de forma el grado de conexión producido en los tristores se incrementa a una tasa controlada durante el proceso de conexión con independencia de las variaciones registradas en el ángulo de fase, esto es, el elemento principal del ángulo de abertura de los tristores se reduce cuando κ aumenta, etc. En el ajuste debe tomarse en consideración principalmente que el amperaje producido por el generador no espera un valor máximo predeterminado durante y después del paso del número de rotación síncrono. Debido a causas evidentes ello significa una conexión suave, cuidadosa del generador, sin impactos del par torsor, esto es, de acuerdo con la invención la conexión asegura de forma óptima que el engranaje, el eje del rotor, las alas y otros componentes mecánicos vitales tengan una duración de servicio lo más larga posible.

La invención puede analizarse de forma adicional en conexión con los dibujos, en los que

La figura 1 muestra un diagrama de un circuito eléctrico de acuerdo con la invención,

la figura 2 muestra las curvas de la corriente, el ángulo de fase, y el ángulo de abertura de los tristores de acuerdo con una forma de realización del procedimiento de la invención durante el tiempo de conexión,

la figura 3 es una sección de tamaño ampliado de las mismas curvas mostradas en un intervalo más estrecho alrededor del número de rotación síncrono.

La figura 1 muestra un circuito para la conexión de un generador inducción 1 de turbina eólica de y una red de corriente alterna trifásica 2 que utiliza una batería de tristores, la cual se compone de una totalidad de 6 tristores

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individuales 4. Los tristores están instalados dentro de su propio conductor de fase, R S T dos y dos, de forma que los dos tristores de cada fase están conectados de forma independiente en paralelo y se sitúan opuestos. Además, los tristores funcionan de manera tradicional mediante la abertura de su propio semiperiodo durante un periodo completo de corriente alterna, cuando los tristores son iluminados con un ángulo de abertura completa. Si los tristores solo están iluminados parcialmente, esto es, con un ángulo de apertura inferior a 180º, entonces el tiempo de apertura eficiente y, por tanto, el grado de conexión, se reducirá en la medida correspondiente. Esta característica se utiliza para el ajuste de la conexión como ya se ha descrito.

Así mismo, la conexión eléctrica incluye una circulación de medición 5 para la determinación del ángulo de fase < en un circuito de ignición 6 para generar unos impulsos de ignición hacia los tristores 4. El circuito de ignición 6 contiene, con este fin, sus propios dispositivos de cálculo y de datos, los cuales, sobre la base de los diferentes parámetros operativos medidos - entre otros el ángulo de fase < y el amperaje generado - y los datos fijos del sistema instalado - por ejemplo los datos fijados por el generador - calculan el punto de ignición, esto es, el ángulo de abertura por medio de un algoritmo apropiado.

El circuito de medición 5 se basa en un principio óptico nuevo, en el que la circulación fuera de la corriente de cada tristor individual es detectada por un diodo fotoemisor 7 conectado en paralelo sobre el tristor y con la misma dirección de guía que este tristor. El diodo fotoemisor es iluminado como un voltaje de aproximadamente 70 V, esto es el diodo fotoemisor está apagado, cuando el tristor está encendido, y encendido cuando el voltaje del tristor es mayor de 70 V, esto es, cuando el tristor está bloqueado. Cuando el tristor se sitúa en estado bloqueado, cuando la corriente pasa por cero, por consiguiente ese punto siempre será detectado por el diodo fotoemisor, expresado por la simultánea descarga eléctrica del diodo fotoemisor (esto es, emisión de luz, que puede ser detectada). El diodo fotoemisor, sin embargo, no se enciende antes de que el voltaje del tristor se haya incrementado hasta más de 70 V, esto es, con un cierto retraso. Por lo que respecta a los periodos este desfase carece de importancia práctica. En el cálculo el ángulo de fase puede ser ajustado con respecto al desfase del diodo fotoemisor.

El diodo fotoemisor 7 es explorado por el fotodesmodulador 8 situado enfrente del diodo fotoemisor. Como alternativa, puede ser utilizada una optoconexión apropiada en sustitución del conjunto diodo fotoemisor / fotodesmodulador 7, 8. En la emisión de luz del diodo fotoemisor, el fotodesmulador proporciona una señal, la cual es transmitida al circuito de ignición 6. El circuito de ignición recibe así mismo una señal de tensión Uf desde la respectiva fase T, y a partir de esta señal se detecta la tensión y el paso cero de la fase <. Sobre la base de los dos valores del tiempo del paso cero de potencia y de paso cero de tensión, respectivamente, se fija el ángulo de fase κ. El sistema de medición se califica por su carácter simple y válido (con precisión), y el sistema es extensible al mismo tiempo a los ruidos eléctricos transitorios.

Las curvas de las figuras 2 y 3 ejemplifican la forma en que el ángulo de abertura de los tristores puede ser ajustado como una función del ángulo de fase < durante el periodo de conexión. Además, se hace referencia a la explicación de los principios de ajuste ya definidos en la parte introductoria de la descripción. Está marcado en las curvas de la figura 3 la forma en que el ángulo de abertura de los tristores en principio se reduce cuando el ángulo < se incrementa, etc.

A modo de ejemplo, el procedimiento y el circuito eléctrico pueden, así mismo, ser utilizados para conectar el generador de inducción en un número de rotación sobresíincrono o subsíncrono.

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Claims

REIVINDICACIONES

1.- Procedimiento para conectar un generador de inducción polifásico (1) a una red polifásica de corriente alterna, de forma que la conexión se lleva a cabo por medio de unos tristores cuyo ángulo de abertura se diversifica durante un periodo de conexión controlado, el cual es accionado en consideración al deseo de una conexión “suave” con la red y un límite del amperaje máximo durante el periodo de conexión, este procedimiento consiste más precisamente en la adopción, durante la totalidad del periodo de conexión de una determinación continua del ángulo de fase < del generador en base al cual se efectúa un ajuste continuo del ángulo de abertura de los tristores, de tal manera que la conexión percibida del generador dentro de la red se obtiene en un acoplamiento suave, el cual procedimiento comprende así mismo una etapa de determinación del ángulo de fase < del generador mediante el registro del tiempo del paso cero de la tensión de fase (Uf) de la red y una detección simultánea del tiempo del paso de potencia cero del tristor respectivo, por medio de lo cual la diferencia entre los dos periodos indica una expresión del ángulo de fase (<) en la respectiva fase, caracterizado por el hecho de que el tiempo de ignición de los tristores es corregido de forma sucesiva en relación al ángulo de fase determinado, de tal manera que el ángulo de abertura resultante de los tristores se reducirá o aumentará a una tasa controlada del periodo de conexión, dicha corrección consiste en más concretamente en que la influencia de las variaciones del ángulo de fase (<) durante y después del número de rotación síncrono o del ángulo de abertura del tristor es compensada por la corrección continua del tiempo de ignición del tristor, de tal manera que el ángulo de abertura del tristor disminuye cuando el ángulo de fase determinado aumenta y viceversa, de tal manera que en el momento del ajuste del ángulo de abertura se consigue principalmente que el amperaje producido por el generador no exceda de un valor predeterminado durante y después del paso de la etapa síncrona del número determinante.
2.- Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la detección del tiempo de paso de potencia cero de los tristores es iniciado mediante la medición de la tensión del tristor.
3.- Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, que comprende así mismo la instalación de un circuito electrónico para controlar los elementos de conexión (esto es, el punto de ignición, cuando se trata de los tristores) un algoritmo calcula actualmente el punto de ignición en base a la fase determinada (<) considerando otros parámetros de cálculo determinantes, los cuales pueden ser específicos del generador de inducción en cuestión, y los cuales pueden ser determinados por cálculo y /o de forma empírica.
4.- Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1, 2 o 3, que comprende una regulación DP o DPI, cuando el amperaje producido por el generador forma parte de un parámetro del ajuste principal, y cuando se tiene en cuenta la frecuencia y la aceleración del generador.
5.- Circuito eléctrico que comprende unos medios para conectar un generador de inducción polifásico (1) a una red de corriente alterna polifásica (2) de acuerdo con el procedimiento de las reivindicaciones 1 a 4, en el que los tristores comprenden dos tristores paralelos opuestos (4) para cada fase, un circuito de ignición electrónico para los tristores que contiene unos dispositivos de cálculo y unos datos, por ejemplo, en forma de un microprocesador basado en computadora para el cálculo del punto de descarga eléctrica, como alternativa en forma de circuito de ajuste análogo con la misma función, y un circuito de medición (5) para detectar el ángulo de fase, en el que el circuito de medición electrónico comprende dos diodos fotoemisores (7) en paralelo con su respectivo tristor (4) en un conductor de fase determinado, por medio de la cual un diodo fotoemisor está encendido cuando el tristor está apagado, esto es, cuando hay una tensión sobre el tristor, y está apagado cuando el tristor está encendido, por medio de lo cual, para cada diodo fotoemisor un optoacoplador (8), un fotodetector o un elemento óptico similar detecta el punto de descarga eléctrica del diodo fotoemisor (7), qué punto - que indique el paso cero de la tensión del tristor que se corresponda con el momento de extinción del tristor - forma parte de la determinación del ángulo de fase (<) de la fase en cuestión, y por medio de lo cual el circuito comprende así mismo unos medios para medir la tensión de fase (Uf) de la red en cada fase, utilizándose dicha medición para determinar el paso cero de la tensión de las fases respectivas de la red.

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