ES2398174A1

ES2398174A1 - Sistema de control de un convertidor.

Info

Publication number: ES2398174A1
Application number: ES201001164A
Authority: ES
Inventors: Rosa LAFORGA GALLO; Ramón SANTAMARÍA ISLA; Marta SOTO APERRIBAY
Original assignee: Gamesa Innovation and Technology SL
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy Innovation and Technology SL
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2013-03-14
Anticipated expiration: 2030-09-09
Also published as: CN102403729A; US20120063182A1; ES2730598T3; EP2448080A2; EP2448080B1; CN102403729B; US8923023B2; EP2448080A3; ES2398174B1

Abstract

Sistema de control de un convertidor acoplado entre un generador de un aerogenerador y la red de distribución de energía eléctrica, que dispone de al menos dos módulos convertidores conectados en paralelo cuya activación/desactivación se lleva a cabo por patrones desfasados de modulación por anchura de pulsos (PWM). El dispositivo de control garantiza la conmutación dinámica de los módulos convertidores independientemente de la activación o desactivación de al menos un módulo convertidor entregando constantemente potencia eléctrica a la red de distribución.

Description

SISTEMA DE CONTROL DE UN CONVERTIDOR

Objeto de la invención

5 10: El objeto de la invención está relacionado con el campo de la generación de energía eléctrica de una turbina eólica conectada a una red de suministro eléctrico, y específicamente con las turbinas eólicas y los sistemas de conversión de energía eléctrica que incluyen módulos convertidores para suministrar energía eléctrica a la red de suministro eléctrico Antecedentes de la invención

15: Los aerogeneradores con velocidad de rotor variable se conectan a la red de distribución eléctrica a través de un convertidor de potencia que transforma la corriente alterna producida en un generador, que por regla general se encuentra acoplado a las palas a través de un multiplicador de velocidad, en una corriente alterna de frecuencia y amplitud ajustables.

2 o 25: Para aplicaciones de alta potencia, es habitual implementar convertidores constituidos en diferentes módulos conectados entre sí en paralelo, los cuales permiten una mayor maniobrabilidad de la entrega de potencia en la red. Para lograr la mayor potencia posible, los elementos de dichos módulos convertidores se encuentran sobredimensionados, por lo que, dado que dicha potencia máxima únicamente es entregada a la red en ocasiones muy puntuales, se hace necesaria la correcta optimización de los diferentes módulos para una correcta gestión de cada punto de operación del convertidor.

3 o: Concretamente, en el caso de los aerogeneradores de velocidad variable en los que la potencia producida por el generador depende directamente de la velocidad del viento, la entrega de una energía eléctrica de alta calidad a la red de distribución eléctrica resulta compleja. Por otro lado, la propia conexión del inversor de red a la red de distribución eléctrica, produce armónicos que deben ser eliminados, ya que, en caso contrario, pueden provocar un fallo en el aerogenerador con la consecuente parada de la máquina.

Se conocen en el Estado de la Técnica diferentes estrategias de activación y

desactivación de los módulos convertidores de un convertidor de potencia, que

tratan de solventar la aparición de armónicos con el objetivo de lograr una mayor

eficacia y fiabilidad de dichos convertidores.

5

Un ejemplo de estrategia de conmutación de convertidores modulares

conectados en paralelo, se muestra en la patente US 2008/0031024 que describe

un convertidor modular formado por al menos dos módulos acoplados en paralelo,

controlados mediante un medio de control. La invención mejora la influencia de los

10: armónicos en la red, ocasionados por la conexión del convertidor a la misma,

mediante la conexión de tantos módulos convertidores como sean necesarios en un

tiempo determinado, es decir, en función del viento y la potencia a obtener, activa o

desactiva los módulos convertidores para entregar a la red la potencia necesaria.

15: Otra estrategia de control es la descrita por el solicitante de la presente

invención en la Patente Europea EP1768223, que describe un método para la

utilización de un sistema convertidor de turbina eólica, que incluye módulos

convertidores conectados en paralelo y capaces de convertir la energía eléctrica,

generada por un generador, en energía eléctrica aplicable a una red de suministro

2o: eléctrico. El método, determina la activación/desactivación de los módulos

convertidores en respuesta a parámetros relacionados con la cantidad variable de

energía eléctrica que produce el generador, como por ejemplo; temperaturas de los

componentes del módulo convertidor, potencia aparente de referencia y potencia

activa de referencia para el sistema convertidor, una referencia de corriente al

2 5: sistema convertidor, un valor medido de la energía aparente producida por el

generador o la energía aparente suministrada a la red, un valor medido de la

energía activa producida por el generador o la energía activa suministrada a la red,

y un valor medido de la corriente producida por el generador o la corriente

suministrada a la red.

30

Así mismo, el Estado de la Técnica también contempla la posibilidad de

desconexión de módulos de forma breve o forma prolongada y propone la

activación/desactivación de los módulos convertidores mediante patrones de

modulación por anchura de pulsos (PWM), de manera que dos o más convertidores

se desfasen entre sí, reduciendo los componentes armónicos procedentes de la PWM y, por lo tanto, mejorando la calidad de la señal de tensión que se aplica a la red de suministro eléctrico.

5 1 o: Sin embargo, esta solución plantea el inconveniente de que, cuando es necesario variar el número de convertidores conectados y por lo tanto, el desfase de conmutación marcado en los patrones PWM, se hace necesario parar dicha conmutación, reconfigurar los diferentes módulos con el nuevo desfase y después volverlos a conectar. Es decir, hay que parar la entrega de energía eléctrica a la red, ya que si se activa o desactiva un nuevo módulo convertidor, se producen picos de corriente que hacen saltar las alarmas de sobrecorriente y el aerogenerador entra en parada de emergencia. Estas paradas originan cuantiosas pérdidas de producción.

15: Descripción de la invención

2 o: De acuerdo con la presente invención se propone un sistema de control de un convertidor de turbina eólica, que incluye al menos dos módulos convertidores conectados en paralelo y capaces de convertir la energía eléctrica, generada por un generador, en energía eléctrica aplicable a una red de suministro eléctrico y que permite aumentar o disminuir el número de módulos convertidores activados en función de la velocidad del viento.

2 5: Es otro objeto de la presente invención proporcionar un método de control que mediante una conexión PWM sincronizada de módulos convertidores garantice el mínimo armónico en la red de distribución.

3o: Es otro objeto de la invención garantizar una conmutación dinámica entre módulos convertidores, durante la entrega de energía eléctrica a la red de distribución, sin que salten las protecciones de sobrecorriente y sin que se produzcan picos de tensión por la conexión o desconexión de diferentes módulos según las necesidades de la red.

Para ello la invención está constituida por un sistema de control conectado al

convertidor y al generador del aerogenerador.

5: El sistema de control calcula el número de convertidores que deben estar conectados para obtener una determinada potencia en función de la velocidad de viento y unos parámetros de potencia previamente establecidos garantizando la máxima eficiencia y fiabilidad del convertidor.

1 o: Posteriormente, en función del número de módulos activados determina el número de módulos convertidores a activar/desactivar, calculando por otro lado el nuevo offset de conmutación de los módulos convertidores que deben permanecer activados.

15: El sistema de control reconfigura los módulos de control activados modificando sus offsets (desfases) de conmutación de forma gradual y continua, garantizando que no se producen picos de corriente en la red de distribución.

20: Estos y otros aspectos de la invención se describirán de una forma más detallada con ayuda de los dibujos e implementaciones que se describen a continuación Breve descripción de los dibujos

25: La figura 1 muestra un ejemplo de implementación de un sistema de control según la invención conectado a un convertidor de un aerogenerador. La figura 2A muestra una gráfica de la señal de corriente de red sin el sistema de control de la invención y la figura 28 muestra una gráfica de la señal de corriente de red con el sistema de control de la invención.

30: La figura 3A muestra una gráfica de la señal de la corriente del lado de red para un cambio de offset correspondiente a una variación de los módulos convertidores conectados.

La figura 38 muestra una gráfica de la señal de la corriente del lado del

generador en correspondencia con la figura anterior.

Descripción de una realización preferencial

5 10 15 2 o: La figura 1 ilustra un convertidor (1) que incluye al menos dos módulos convertidores (2) convencionales conectados en paralelo y que se encuentra conectado a un generador (3) de un aerogenerador, un transformador (4) que conecta la señal del sistema convertidor (1) a la red de suministro eléctrico (5) y un interruptor automático (6). Cada módulo convertidor (2) del convertidor (1) incluye un contactar de generador (kgen) para desconectar el generador (3) de los mecanismos electrónicos del módulo convertidor (2), un inductor (2.1) para suavizar la corriente del generador, un inversor del generador (2.2) para transformar la señal CA del generador (3) en una señal ce, un condensador del bus ce (2.3) para filtrar las variaciones de la señal CC, un freno de chopper (2.4) para disipar la tensión residual, un inversor del lado de la red (2.5) para transformar la señal CC en una señal CA, y una inductancia (2.6) que en combinación con condensadores reduce los armónicos de la señal de tensión que se aplica a la red de suministro eléctrico (5).

2 5: El módulo convertidor (2) también incluye un contactar de red (kgrid) para desconectar la red de suministro eléctrico (5) de la electrónica del módulo convertidor (2) y un interruptor automático (2.8) para desconectar la red de suministro eléctrico (5) del módulo convertidor (2) en caso de sobretensión o sobrecorriente.

3 o: Según la invención, tal y como se muestra en la figura 1, el convertidor (1) se encuentra conectado a un sistema de control (7) que a su vez está conectado al generador (3) del aerogenerador, que garantiza la eficacia de funcionamiento del convertidor (1) así como la calidad de la señal de tensión que se aplica a la red de suministro eléctrico (5).

Antes de que los módulos convertidores (2) puedan suministrar energía

eléctrica a la red de suministro eléctrico (5), deben activarse por transición desde un estado de desconexión inicial a un estado final totalmente operativo que se controla mediante dicho sistema de control (7).

5 1 o: El inversor del lado generador (2.2) y el inversor del lado de la red (2.5) de cada módulo convertidor (2) se activan aplicando señales eléctricas de activación, como señales de tensión con modulación por anchura de pulsos (PWM), y se desactivan aplicando señales eléctricas de desactivación, como señales con tensión cero a la puerta de los transistores del inversor del lado generador (2.2) y del inversor del lado de la red (2.5), siendo estos transistores de tipo IGBT.

15: La duración de una transición del estado activo al estado de desactivación del módulo convertidor (2), o la duración de la transición opuesta, del estado de desactivación al estado activo, del módulo convertidor (2) puede estar entre 1 y 1 O segundos.

2o 2 5: Para conseguir la mejor eficacia del convertidor (1 ), el número de módulos convertidores (2) activos debe adaptarse a la cantidad real de energía eléctrica producida por el generador (3). Para ello, el sistema de control (7) calcula una corriente de conmutación dinámica los en función de la diferencia entre la corriente a producir !producible y la corriente real del convertidor lconv_real (siendo esta la suma de todas las corrientes reales de los diferentes módulos convertidores). La interpolación entre dicha corriente de conmutación dinámica los y una tabla de parámetros relacionados con la velocidad del viento determinará el número de convertidores que deben activarse.

3 o: De cara a evitar que siempre se activen y/o desactiven los mismos módulos (2), el sistema de control (7) dispone de al menos una secuencia de activación que determina el orden en el que los módulos convertidores (2) se activarán y/o desactivarán. Así mismo, en el caso de que se deba activar el siguiente módulo convertidor (2), según la secuencia de activación prefijada, y éste no esté listo, el sistema de control (7) activará el siguiente módulo convertidor (2) según dicha secuencia de activación.

Por otro lado, el sistema de control (7) de la invención conmuta el inversor del lado de la red (2.3) en función de una modulación por anchura de pulsos (PWM) mediante la cual se reducen los armónicos generados por la técnica de modulación por anchura de pulsos, garantizando que los patrones de modulación por anchura

5 de pulsos (PWM) de dos o más módulos convertidores (2) se desfasan entre sí. Dicho desfase dependerá del número de módulos convertidores (2) que deban estar conectados para garantizar la eficacia del convertidor (1) en función de la cantidad de energía producida por el generador (1).

10 El sistema de control (7) regula de forma dinámica el paso de un desfase X, para un número determinado de módulos convertidores (2) activados, a otro desfase Y, en relación a un número mayor o menor de módulos convertidores (2) conectados, para ello antes de activar o desactivar el módulo convertidor correspondiente aumenta o disminuye gradualmente el desfase existente entre los

15 módulos convertidores conectados, garantizando la continuación de la conmutación durante esta variación gradual del desfase, evitando de esta manera tener que dejar de entregar potencia a la red de suministro eléctrico (5), así como la aparición de picos de corriente que provoquen una alarma que haga detener el aerogenerador.

20 Las figuras 2A y 28 muestran la señal de corriente de red, con y sin el sistema de control respectivamente, para una variación de offset (desfase) de 90° a 180°, es decir, para una variación de 4 a 2 módulos convertidores. Tal y como se observa en la gráfica de la figura 2A, en la señal de corriente de red sin el sistema de control de la invención, cuando se produce una variación en el número de

2 5 módulos convertidores conectados se producen unos picos de corriente que provocan sobrecorrientes que generan unas alarmas que hacen detener la producción de energía eléctrica. En la figura 28, se muestra la señal de corriente entregada a la red por un convertidor provisto del sistema de control de la invención, en dicha señal de corriente se observa la no existencia de picos de corriente.

30 Como ya se ha indicado anteriormente, el sistema de control (7) comprueba la cantidad real de energía eléctrica producida por el generador (3) y en función de unos parámetros de potencia preestablecidos relacionados con la velocidad del viento existente, determina (7.1) el número de módulos convertidores (2) que deben

estar activados, fijando (7.2) a su vez el patrón de desfase de modulación por anchura de pulsos (PWM) entre los módulos convertidores (2) que deben estar activados y variando (7.3) de forma gradual, mediante una señal rampeada, los desfases entre los módulos convertidores (2) activados hasta alcanzar el desfase del patrón de modulación determinado en los cálculos realizados (ver figuras 3A y 38).

Claims

Reivindicaciones

1.-Sistema de control de un convertidor acoplado entre un generador de un aerogenerador y la red de distribución de energía eléctrica, que dispone de al 5 menos dos módulos convertidores conectados en paralelo cuya activación/desactivación se lleva a cabo por patrones desfasados de modulación por anchura de pulsos (PWM), caracterizado porque el sistema de control (7) activa o desactiva al menos un módulo convertidor (2) de forma dinámica sin desconectar el convertidor (1) de la red de distribución eléctrica (5) manteniendo

10 constante y sin alteraciones significativas la calidad de la energía eléctrica entregada a la red de distribución (5).
2.-Sistema de control de un convertidor, según la primera reivindicación, caracterizado porque varía el número de los módulos convertidores (2) activados

15 mediante un patrón de modulación PWM que modifica los desfases de conmutación de los módulos activados de forma gradual y continua, hasta alcanzar el nuevo patrón de desfases de conmutación de los módulos convertidores (2) y garantiza la conmutación a lo largo de toda la variación gradual del desfase entre módulos (2).

20 3.-Sistema de control de un convertidor, según la primera reivindicación, caracterizado porque determina el número de módulos convertidores (2) a activar/desactivar en función la cantidad real de energía eléctrica producida por el generador (3) y de unos parámetros de potencia predeterminados en relación con la velocidad del viento existente.

25 4.-Sistema de control de un convertidor, según la primera reivindicación, caracterizado porque determina al menos una secuencia de activación/desactivación de los módulos convertidores que marca el orden en el que los módulos convertidores (2) se activarán y/o desactivarán.

30 5.-Sistema de control de un convertidor según la primera reivindicación, caracterizado porque se conecta entre un generador (3) y un convertidor (1) de un aerogenerador.