ES2623631T3

ES2623631T3 - Método para hacer funcionar una unidad de disipación de potencia en una turbina eólica

Info

Publication number: ES2623631T3
Application number: ES15159313.4T
Authority: ES
Inventors: Amit Kumar Gupta; Sridhar Sahukari
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2010-01-04
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2017-07-11
Anticipated expiration: 2030-12-16
Also published as: US20110163546A1; US8183706B2; ES2542534T3; US8093742B2; EP2360375A2; US20110163544A1; EP2360375B1; EP2918826B1; CN102142687A; EP2360375A3; EP2918826A1

Abstract

Turbina eólica de velocidad variable (1) que comprende: un generador (101); un convertidor de potencia (102) para convertir al menos una parte de la potencia eléctrica generada por el generador (101), comprendiendo el convertidor de potencia (102) un convertidor de lado del generador (110), un convertidor de lado de la red de suministro (111) y un enlace de CC (112) entre los mismos; y una unidad de disipación de potencia (105) acoplada de manera operativa al enlace de CC (112); caracterizada porque la turbina eólica de velocidad variable (1) comprende además un controlador (121), en la que el controlador (121) está adaptado para: determinar la potencia extraída del viento, la potencia suministrada por la turbina eólica (1) y la pérdida de potencia en la unidad de disipación de potencia (105); determinar la diferencia entre la potencia extraída del viento y la suma de la potencia suministrada por la turbina eólica (1) y la pérdida de potencia en la unidad de disipación de potencia (105); y activar la unidad de disipación de potencia (105) cuando la diferencia entre la potencia supera un umbral de diferencia de potencia predefinido.

Description

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DESCRIPCION

Metodo para hacer funcionar una unidad de disipacion de potencia en una turbina eolica Campo de la invencion

La presente invencion se refiere, en general, a una turbina eolica y, en particular, a un metodo para hacer funcionar una unidad de disipacion de potencia en una turbina eolica.

Antecedentes de la invencion

Una turbina eolica es un sistema de conversion de energfa que convierte la energfa cinetica del viento en energfa electrica para redes de suministro electrico generales. Espedficamente, el viento se aplica a las palas de turbina eolica de la turbina eolica para hacer rotar un rotor. La energfa mecanica del rotor en rotacion se convierte a su vez en energfa electrica mediante un generador electrico. Dado que la velocidad del viento fluctua, la fuerza aplicada a las palas eolicas y por tanto la velocidad de rotacion del rotor puede variar. Sin embargo, las redes de suministro electrico requieren que la turbina eolica proporcione una potencia electrica a frecuencia constante.

Un tipo de turbina eolica que proporciona potencia electrica a frecuencia constante es una turbina eolica de velocidad fija. Este tipo de turbina eolica requiere un rotor de generador que rota a una velocidad constante. Una desventaja de una turbina eolica de velocidad fija de este tipo es que no aprovecha toda la energfa del viento a altas velocidades y debe desactivarse a bajas velocidades de viento. Otro tipo de turbina eolica es una turbina eolica de velocidad variable. Este tipo de turbina eolica permite que el generador rote a velocidades variables para adaptarse a las velocidades fluctuantes del viento. Al variar la velocidad de rotacion del rotor de generador, la conversion de energfa puede optimizarse a lo largo de una gama mas amplia de velocidades de viento.

Una turbina eolica de velocidad variable incluye habitualmente un convertidor de potencia que tiene un convertidor de lado del generador acoplado a un convertidor de lado de la red de suministro a traves de un enlace de corriente continua (CC). El convertidor de lado del generador regula la potencia del generador. Esta potencia pasa por el enlace de CC, y finalmente se alimenta a la red a traves del convertidor de lado de la red de suministro. Lo mismo es valido para los sistemas de generador de induccion de doble alimentacion (DFIG) en los que solo una parte de la potencia del generador pasa a traves del convertidor de potencia.

En condiciones normales, la energfa o potencia electrica procedente del generador se suministra a la red a traves del convertidor de potencia. Dicho de otro modo, la energfa captada del viento por la turbina eolica se pasa a la red. Por tanto, puede decirse que hay un equilibrio de potencia en condiciones normales. Sin embargo, cuando hay una rafaga de viento repentina y/o un fallo de la red, este equilibrio de potencia puede verse alterado, dando como resultado la generacion de mas potencia que potencia suministrada a la red. Tal desequilibrio de potencia podna llevar a oscilaciones no deseadas de la torre, a un dano del tren de accionamiento o a una desconexion de la turbina.

Espedficamente, la salida de potencia del generador en respuesta a una rafaga de viento repentina puede aproximarse como entrada en rampa al sistema de potencia en la turbina eolica con una pendiente pronunciada. Tal progresion en rampa de la carga es uno de los comportamientos de carga mas diffciles para un sistema de control en la turbina eolica. Una turbina eolica normalmente se enfrenta a una rafaga de viento ajustando el paso de las palas para reducir la velocidad del rotor tal como se da a conocer, por ejemplo, en los documentos US 2009/0224542 y EP 2107236. Sin embargo, debido a la dinamica de un controlador de paso, el ajuste de paso de la pala puede no ser lo suficientemente rapido para responder a la rafaga de viento repentina. Por tanto, esto da como resultado el aumento repentino en la potencia generada por el generador, lo que lleva a las oscilaciones no deseadas de la torre, etc., tal como se menciono anteriormente.

Cuando hay un fallo de la red, por ejemplo un evento de baja tension, se produce una cafda repentina en la demanda de potencia activa desde la red. Como el ajuste de paso de las palas no puede responder lo suficientemente rapido para reducir la generacion de potencia, se produce un desequilibrio de potencia en la turbina eolica. El documento US 7.411.309 da a conocer el uso de un circuito de proteccion de palanca (crowbar) durante eventos de baja tension en la red. El circuito de proteccion de palanca esta acoplado al enlace de CC entre el convertidor de lado del generador y el convertidor de lado de la red de suministro. Cuando la tension del enlace de CC supera un valor predeterminado (debido a un fallo de la red), el circuito en corto se activa para drenar el exceso de potencia de generador, reduciendo asf la tension del enlace de CC.

El uso de un circuito en corto o un circuito de carga de volcado puede proporcionar una buena manera para disipar el exceso de potencia durante un evento de desequilibrio de potencia. El circuito de carga de volcado se activa detectando un aumento anomalo en la tension del enlace de Cc o una cafda repentina en la tension de red. Sin embargo, puede que no sea el metodo mas eficaz para enfrentarse a eventos de desequilibrio de potencia tales como una rafaga de viento, o en condiciones extremas cuando una rafaga de viento y un fallo de la red suceden al mismo tiempo. Ademas, en este metodo, el banco de resistencias en el circuito de carga de volcado esta sometido a demasiados esfuerzos.

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El documento WO 2008/104017 describe un metodo y un aparato para generacion de potencia, y en particular un metodo y un aparato para el control de generacion de potencia electrica para usar principalmente con turbinas eolicas. Se describe un metodo de generacion de potencia electrica que incluye las etapas de recibir potencia en forma de corriente alterna, rectificar dicha potencia de corriente alterna para dar potencia de corriente continua, controlar dicha potencia de corriente continua para producir potencia de corriente continua controlada, e invertir dicha potencia de corriente continua casi constante para producir corriente alterna.

Es por tanto un objeto de la invencion proporcionar una manera mejorada de gestionar el exceso de potencia generada en la turbina eolica en un evento de desequilibrio de potencia.

Sumario de la invencion

Segun un primer aspecto de la invencion se proporciona una turbina eolica de velocidad variable. La turbina eolica comprende un generador, un convertidor de potencia para convertir al menos una parte de la potencia electrica generada por el generador, en la que el convertidor de potencia comprende un convertidor de lado del generador, un convertidor de lado de la red de suministro y un enlace de CC entre los mismos, una unidad de disipacion de potencia acoplada de manera operativa al enlace de CC y un controlador. El controlador esta adaptado para determinar la potencia extrafda del viento, la potencia suministrada por la turbina eolica y la perdida de potencia en la unidad de disipacion de potencia, determinar la diferencia entre la potencia extrafda del viento y la suma de la potencia suministrada por la turbina eolica y la perdida de potencia en la unidad de disipacion de potencia y activar la unidad de disipacion de potencia cuando la diferencia de potencia supera un umbral de diferencia de potencia predefinido.

Segun una realizacion, el controlador esta adaptado ademas para establecer un factor de trabajo para hacer funcionar la unidad de disipacion de potencia a un valor diferente de cero cuando se supera el umbral de diferencia de potencia predefinido, activando asf la unidad de disipacion de potencia.

Segun un segundo aspecto de la invencion se proporciona un metodo para hacer funcionar una unidad de disipacion de potencia en una turbina eolica. La turbina eolica comprende un convertidor de potencia para convertir al menos una parte de la potencia electrica generada por un generador. El convertidor de potencia comprende un convertidor de lado del generador, un convertidor de lado de la red de suministro y un enlace de CC entre los mismos. La unidad de disipacion de potencia esta acoplada de manera operativa al enlace de CC. El metodo comprende determinar la potencia extrafda del viento, la potencia suministrada por la turbina eolica y la perdida de potencia en la unidad de disipacion de potencia, determinar la diferencia entre la potencia extrafda del viento y la suma de la potencia suministrada por la turbina eolica y la perdida de potencia en la unidad de disipacion de potencia, y activar la unidad de disipacion de potencia cuando la diferencia entre la potencia supera un umbral de diferencia predefinido.

Segun una realizacion, el metodo comprende ademas establecer un factor de trabajo para hacer funcionar la unidad de disipacion de potencia a un valor diferente de cero cuando se supera el umbral de diferencia de potencia predefinido, activando asf la unidad de disipacion de potencia.

Se describen realizaciones preferidas en las reivindicaciones dependientes.

Cabe destacar que un experto en la tecnica reconocera facilmente que cualquier caractenstica descrita en combinacion con el primer aspecto de la invencion tambien puede combinarse con el segundo aspecto de la invencion, y viceversa.

Breve descripcion de los dibujos

La invencion se entendera mejor con referencia a la descripcion detallada cuando se considere junto con los ejemplos no limitativos y los dibujos adjuntos.

La figura 1 muestra una estructura general de una turbina eolica.

La figura 2 muestra un diseno de sistema electrico de la turbina eolica con un circuito de unidad de disipacion de potencia o troceador (chopper).

La figura 3 muestra un algoritmo de control para hacer funcionar el circuito troceador cuando hay un desequilibrio de potencia en la turbina eolica segun una realizacion.

La figura 4 muestra un algoritmo de control para hacer funcionar el circuito troceador cuando hay un desequilibrio de potencia extremo en la turbina eolica segun una realizacion.

La figura 5 muestra un algoritmo de control global para hacer funcionar el circuito troceador segun una realizacion.

La figura 6 muestra un diagrama de flujo de un metodo para hacer funcionar el circuito troceador en la turbina eolica segun una realizacion.

La figura 7 muestra un diagrama de flujo de un metodo para hacer funcionar el circuito troceador en la turbina eolica

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cuando hay un desequilibrio de potencia extremo en la turbina eolica segun una realizacion.

La figura 8 muestra un diagrama de flujo de un metodo para hacer funcionar el circuito troceador en la turbina eolica segun una realizacion adicional.

Descripcion detallada de la invencion

La figura 1 muestra una configuracion general de una turbina eolica 1. La turbina eolica 1 incluye una torre 2 que tiene varias secciones de torre, una gondola 3 colocada encima de la torre 2 y un rotor 4 que se extiende desde la gondola 3. La torre 2 se levanta sobre una cimentacion 7 construida en el suelo. El rotor 4 puede rotar con respecto a la gondola 3 e incluye un buje 5 y una o mas palas 6. El viento que incide sobre las palas 6 hace que el rotor 4 rote con respecto a la gondola 3. La energfa mecanica procedente de la rotacion del rotor 4 se convierte en energfa electrica mediante un generador (no mostrado) en la gondola 3. La energfa electrica se convierte posteriormente en una potencia electrica de frecuencia fija mediante un convertidor de potencia para su suministro a una red de suministro electrico. La turbina eolica tambien puede formar parte de un parque eolico o una central de energfa eolica que comprende una pluralidad de turbina eolicas. Toda la potencia electrica generada por las turbinas eolicas individuales en el parque eolico se combina y suministra a la red de suministro electrico a traves de un punto de acoplamiento comun (PCC).

Aunque la turbina eolica 1 mostrada en la figura 1 tiene tres palas 6, cabe destacar que una turbina eolica puede tener un numero diferente de palas. Es comun encontrar turbinas eolicas que tienen de dos a cuatro palas. La turbina eolica 1 mostrada en la figura 1 es una turbina eolica de eje horizontal (HAWT, Horizontal Axis Wind Turbine) puesto que el rotor 4 rota alrededor de un eje horizontal. Cabe destacar que el rotor 4 puede rotar alrededor de un eje vertical. Una turbina eolica de este tipo en la que el rotor rota alrededor del eje vertical se conoce como turbina eolica de eje vertical (VAWT, Vertical Axis Wind Turbine). Las realizaciones descritas en lo sucesivo no se limitan a HAWT con 3 palas. Pueden implementarse tanto en HAWT como en VAWT y tener cualquier numero de palas 6 en el rotor 4.

La figura 2 muestra un sistema electrico de la turbina eolica que tiene una unidad de disipacion de potencia o un circuito troceador 105 segun una realizacion. El sistema electrico incluye un generador 101, un convertidor de potencia 102 y un transformador principal 103. El sistema electrico esta conectado a una red de suministro electrico 107. El convertidor de potencia 102 incluye un convertidor de lado del generador 110 y un convertidor de lado de la red de suministro 111 conectados a traves de un enlace de corriente continua (CC) 112. El enlace de CC 112 incluye un condensador de enlace de CC 113. El circuito troceador 105 esta conectado al enlace de CC 112 e incluye un interruptor SW1 y una resistencia 114.

El generador 101 convierte la energfa o potencia mecanica en energfa o potencia electrica que tiene corriente y tension de CA (corriente alterna) (denominadas conjuntamente “senales de CA”), y proporciona las senales de cA generadas al convertidor de lado del generador 110. Las senales de CA procedentes del generador tienen una frecuencia variable, debido al viento variable. El convertidor de lado del generador 110 convierte o rectifica las senales de CA para dar una tension de CC (corriente continua) y una corriente de CC (conocidas conjuntamente como “senales de CC”) que se aplican al enlace de CC 112. El convertidor de lado de la red de suministro 111 convierte las senales de Cc en el enlace de CC 112 en senales de CA de frecuencia fija para la red de suministro electrico 107. La potencia que comprende las senales de CA de frecuencia fija en la salida del convertidor de lado de la red de suministro 111 se eleva por el transformador principal 103 a un nivel adecuado para su recepcion y transmision por la red de suministro electrico 107.

El funcionamiento del convertidor de lado del generador 110 se controla mediante un controlador de generador 121, y el funcionamiento del convertidor de lado de la red de suministro 111 se controla mediante un controlador de red de suministro 122. El controlador de generador 121 y el controlador de red de suministro 122 forman parte de un controlador de convertidor 120. Un controlador de turbina eolica 123 proporciona un control global del funcionamiento de la turbina eolica. Por ejemplo, el controlador de turbina eolica 123 puede recibir informacion (por ejemplo velocidad del viento) desde sensores externos (por ejemplo un anemometro) y proporciona una senal de control a un control de paso (no mostrado) para ajustar el paso de las palas para obtener una velocidad del rotor deseada. El controlador de turbina eolica 123 tambien puede proporcionar senales de control al controlador de convertidor 120 para controlar los convertidores 110 y 111.

Durante el funcionamiento normal de la turbina eolica, la potencia electrica generada por el generador se convierte por el convertidor de potencia 102 en potencia que tiene senales de CA de frecuencia fija para su suministro a la red de suministro electrico 107. El interruptor SW1 esta abierto, y por tanto no se disipa potencia en la resistencia 114. Dicho de otro modo, suponiendo que no se producen perdidas, casi toda la potencia generada por el generador se suministra a la red de suministro electrico 107, y existe un “equilibrio de potencia” en la turbina eolica. Cuando se produce una cafda de tension en la red de suministro electrico 107 (evento de baja tension) que da como resultado una disminucion en la potencia activa transferida por el convertidor de lado de la red de suministro para su suministro a la red de suministro y/o cuando se produce una rafaga de viento repentina que provoca un aumento repentino en la velocidad de rotacion de las palas de la turbina eolica (evento de rafaga de viento), la potencia generada por el generador supera la potencia suministrada a la red de suministro electrico 107. Dicho de otro modo,

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existe un “desequilibrio de potencia” en la turbina eolica. Como se menciono anteriormente, tal desequilibrio de potencia en la turbina eolica lleva a efectos no deseados tales como oscilaciones de la torre, dano en el tren de accionamiento o desconexion de la turbina.

Cuando hay un desequilibrio de potencia en la turbina eolica, cualquier exceso de potencia que no se suministra a la red 107 se disipa mediante la resistencia 114 en el circuito troceador 105 cerrando el interruptor SW1. Segun una realizacion, el funcionamiento (apertura y cierre) del interruptor SW1 se controla de modo que la resistencia 114 en el circuito troceador 105 solo disipa el exceso de potencia en la turbina eolica. Dicho de otro modo, el circuito troceador 105 solo se activa cuando hay un desequilibrio de potencia en la turbina eolica, y solo durante un periodo justo suficiente para disipar el exceso de potencia. El control del funcionamiento del interruptor SW1, y por tanto el funcionamiento del circuito troceador 105, se describiran mas adelante con referencia a la figura 3.

Cabe destacar que el sistema electrico descrito con referencia a la figura 2 es solo un ejemplo de la configuracion electrica de la turbina eolica y solo se muestran los componentes principales para ilustrar las realizaciones. La presente invencion no estara limitada a la configuracion exacta del sistema electrico mostrada en la figura 2. Son posibles otras configuraciones electricas. Por ejemplo, puede usarse una configuracion de generador de induccion de doble alimentacion (DFIG) en otras realizaciones. Ademas, muchos componentes en el sistema electrico de la turbina eolica no se muestran en la figura 2. Por ejemplo, el sistema electrico puede incluir filtros entre el generador 101 y el convertidor de potencia 102, y entre el convertidor de potencia 102 y el transformador principal 103. Ademas, puede haber interruptores dispuestos en diversas ubicaciones para conectar o desconectar determinados componentes de la turbina. La resistencia 114 en el circuito troceador 105 puede incluir una unica resistencia o un banco de resistencias.

No es necesario que el sistema electrico mostrado en la figura 2 se conecte a la red de suministro electrico 107. Puede conectarse a una carga de CA o CC. Si se conecta a una carga de CC, el convertidor de lado de la red de suministro 111 y el transformador 103 pueden omitirse, y el enlace de CC 112 puede conectarse directamente a la carga de CC. Alternativamente, puede disponerse un convertidor CC-CC entre el enlace de CC 112 y la carga de CC para elevar o reducir la tension de CC en el enlace de CC 112 hasta una tension de CC adecuada para la carga de CC.

La figura 3 muestra un algoritmo de control para hacer funcionar el circuito troceador cuando hay un desequilibrio de potencia en la turbina eolica segun una realizacion. La tension en el enlace de CC 210 se usa como uno de los factores para decidir si el circuito troceador debe activarse. Esto se debe a que cualquier potencia electrica procedente del generador, si no se transfiere a la red de suministro o a la carga, lleva a un aumento en la tension del enlace de CC. Por tanto, en este algoritmo de control, no es necesario detectar un desequilibrio de potencia por separado puesto que el circuito troceador se activa automaticamente en caso de desequilibrio de potencia como resultara evidente a partir de la siguiente descripcion.

En el algoritmo de control de la figura 3, se obtienen una funcion de la tension del enlace de CC de referencia predefinida 202 y una funcion de una tension del enlace de CC real 203. Como se menciono anteriormente, la funcion f(X) de la tension del enlace de CC real (y tambien la funcion de la tension del enlace de CC de referencia predefinida) puede ser cualquier expresion matematica de la tension del enlace de CC, tal como f(X) = X, f(X) = aX +b, o f(X) = X2, o cualquier relacion polinomica, donde a y b son constantes y X es la tension del enlace de CC real. En esta realizacion, la funcion de la tension del enlace de CC real es X2. La funcion de la tension del enlace de CC de referencia predefinida tambien usa la misma funcion en esta realizacion.

La diferencia entre los cuadrados de la tension del enlace de CC real 203 y la tension del enlace de CC de referencia predefinida 202 se obtiene como tension de error del enlace de CC 205. Un controlador PI (proporcional integral) 201 recibe la tension de error del enlace de CC 205 como entrada y emite una potencia de error del enlace de CC 206. Segun una realizacion, el algoritmo de control incluye ademas determinar una potencia de alimentacion directa. La potencia de alimentacion directa es la diferencia entre la potencia suministrada al convertidor de lado del generador 207 y la potencia transferida por el convertidor de lado de la red de suministro 208.

En condiciones normales cuando hay un equilibrio de potencia en la turbina eolica, la potencia de alimentacion directa es aproximadamente cero, suponiendo que no hay perdida de potencia. Sin embargo cuando se produce una rafaga de viento y/o un fallo de la red que llevan a un desequilibrio de potencia, la potencia de alimentacion directa pasa a ser diferente de cero. La adicion de la potencia de alimentacion directa a la potencia de error del enlace de CC 206 lleva a una activacion rapida del circuito troceador.

La potencia suministrada al convertidor de lado del generador 207 puede expresarse como:

~ Vam 1am + ^bm Km + ^cm Km > O )

donde Pm es la potencia suministrada al convertidor de lado del generador desde el generador, Vam, Vbm y Vcm son las tensiones de fase en los terminales del generador, e Iam Ibm e Icm son las corrientes a traves de los terminales del generador. Las corrientes Iam, Ibm, Icm pueden medirse entre el convertidor de potencia y el generador. Las tensiones Vam, Vbm, Vcm pueden medirse en los terminales del generador directamente. Si no es posible medir las tensiones

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Vam, Vbm, Vcm en los terminales del generador, pueden usarse tensiones de referencia en los terminales del convertidor. Usando las tensiones de referencia en los terminales del convertidor y corrientes medidas en los terminales del generador, la potencia procedente del generador en el sistema de coordenadas ap puede proporcionarse como:

Pmo$ = 1,5 (vaia + vpip) (2)

donde Puap es Pm en el sistema de coordenadas ap, va Vp e ia ,ip son tensiones y corrientes en las coordenadas a y p, respectivamente.

En una realizacion alternativa, la potencia suministrada al convertidor de lado del generador desde el generador Pm se estima usando la siguiente expresion:

P = P - P - P

M Viento L, Tren de acc. 1 L,Generador

donde Pviento es la potencia extrafda del viento, PL,Tren de acc. son las perdidas en el tren de accionamiento y PL,Generador son las perdidas en el generador. Para una velocidad y un par motor dados, PL,Tren de acc. y PL,Generador pueden obtenerse usando una tabla de consulta para una caja de engranajes y un generador dados. La ventaja de estimar Pm usando la ecuacion (3) es que Pm puede obtenerse mas rapido en comparacion con usando la ecuacion (1).

La potencia transferida por el convertidor de lado de la red de suministro 208 puede expresarse como:

rc = vagiog+vbgibg+vcsics (4)

donde Pg es la potencia transferida por el convertidor de lado de la red de suministro, Vag, Vbg y Vcg son las tensiones en los terminales del convertidor, e lag, Ibg e Icg son las corrientes a traves de los terminales del convertidor. Si las tensiones en los terminales del convertidor Vag, Vbg, Vcg no pueden obtenerse, por ejemplo debido a una conmutacion del convertidor, en su lugar pueden usarse tensiones de referencia para el convertidor. Usando las tensiones de referencia para el convertidor y corrientes medidas en los terminales del convertidor, la potencia transferida por el convertidor de lado de la red de suministro en el sistema de coordenadas ap puede proporcionarse como:

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PCofi = 1,5 (vja + Vpip)

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donde PGap es Pg en el sistema de coordenadas ap, va Vp e ia ,ip son tensiones y corrientes en las coordenadas a y p, respectivamente.

La potencia total Ptotai que va a disiparse 209 es la suma de la potencia de error del enlace de CC 206 y la potencia de alimentacion directa (Pm - Pg). La potencia maxima que puede disiparse por el circuito troceador puede determinarse de la siguiente manera:

imagen1

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donde Pmax es la potencia maxima que puede disiparse por la resistencia o banco de resistencias en el circuito troceador, Vcc es la tension del enlace de CC real y Rtroceador es la resistencia de la resistencia en el circuito troceador. El valor de resistencia Rtroceador de la resistencia se selecciona normalmente de modo que Pmax es mayor que una potencia maxima anticipada que puede ser necesario disipar en un evento de rafaga de viento y/o fallo de la red. En una realizacion, el valor de Rtroceador se elige de modo que Pmax es de aproximadamente el 10-20% mayor que la potencia de salida nominal de la turbina.

El factor de trabajo para hacer funcionar el circuito troceador se determina como la razon entre la potencia total que va a disiparse Ptotai y la potencia maxima Pmax, es decir:

DR =3o!oL

p

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donde DRi es el factor de trabajo. Como la potencia total Ptotai es siempre menor que la potencia maxima Pmax, el factor de trabajo tiene un valor de desde 0 hasta 1.

En condiciones normales, cuando no hay un desequilibrio de potencia en la turbina eolica, la tension en el enlace de CC se regula mediante un controlador de enlace de CC a una tension del enlace de CC preestablecida. La tension del enlace de CC preestablecida es el nivel de tension que se mantiene en el enlace de CC en condiciones normales. La tension del enlace de CC de referencia Vccref esta predefinida o se establece a un valor que es superior

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a esta tension del enlace de CC preestablecida. Por tanto en condiciones normales, la potencia de error del enlace de CC 206 es negativa puesto que la tension del enlace de CC (que se regula a la tension del enlace de CC preestablecida) tiene un valor inferior a la tension del enlace de cC de referencia. La potencia de alimentacion directa (Pm - Pg) sera aproximadamente cero, y por tanto Ptotai, es negativa. Por consiguiente, el factor de trabajo es cero. El interruptor SW1 no se enciende, y el circuito troceador no se activa.

Cuando hay un desequilibrio de potencia, tanto la potencia de error del enlace de CC 206 como la potencia de alimentacion directa (Pm - Pg) pasan a ser diferentes de cero. Esto da como resultado que la potencia total pase a ser diferente de cero. Por tanto, el factor de trabajo tendra ahora un valor diferente de cero de desde 0 hasta 1. Cuando el factor de trabajo tiene un valor de 0,5, el circuito troceador solo se activa o enciende durante el 50% del tiempo en un ciclo de trabajo. De manera similar cuando el factor de trabajo tiene un valor de 0,3, el circuito troceador solo se activa durante el 30% del tiempo en un ciclo de trabajo.

Por consiguiente, el circuito troceador no se activa todo el tiempo cuando hay un desequilibrio de potencia para disipar la potencia, sino solo durante un periodo de tiempo apropiado dependiendo de la magnitud del desequilibrio de potencia en la turbina eolica controlada por el factor de trabajo. Por tanto, se garantiza la eficiencia y eficacia del circuito troceador puesto que solo se disipa la potencia que no se suministra a la red de suministro. El uso de potencia de alimentacion directa tambien garantiza una activacion rapida del circuito troceador en caso de desequilibrio de potencia en la turbina eolica. Por tanto la oscilacion de la torre de turbina eolica debido a una rafaga de viento repentina y/o un fallo de la red puede evitarse puesto que ahora el circuito troceador puede activarse rapidamente.

El algoritmo de control de la figura 3 se ha descrito con referencia a la turbina basada en convertidor de escala completa mostrada en la figura 2. Cabe destacar que el algoritmo de control descrito con referencia a la figura 3 tambien puede aplicarse en un sistema DFIG. En la turbina basada en convertidor de escala completa mostrada en la figura 2, la potencia transferida por el convertidor de lado de la red de suministro 111 es aproximadamente igual a la potencia suministrada a la red 107 si se supone que cualquier perdida de potencia entre la salida del convertidor de lado de la red de suministro 111 y la red de suministro 107 es despreciable. De manera similar, la potencia suministrada al convertidor de lado del generador 110 es aproximadamente igual a la potencia generada desde el generador 101, suponiendo perdidas de potencia despreciables entre la salida del generador 101 y el convertidor de lado del generador 110.

En un sistema DFIG, la potencia suministrada a la red de suministro es la suma de la potencia transferida por el convertidor de lado de la red de suministro 111 y la potencia transferida a traves de los devanados de estator. La potencia generada desde el generador 101 es la suma de la potencia suministrada al convertidor de lado del generador 110 y la potencia transferida a traves de los devanados de estator.

La figura 4 muestra un algoritmo de control para hacer funcionar el circuito troceador cuando hay un desequilibrio de potencia extremo y repentino en la turbina eolica segun una realizacion. Se obtienen la potencia extrafda del viento Pviento, la potencia suministrada a la red o a la carga Pred y la perdida de potencia en el circuito troceador Pi_,troceador. Se determina la diferencia de potencia Pdif entre la potencia extrafda del viento Pviento y la potencia suministrada a la red de suministro Pred y la perdida de potencia en el circuito troceador Pi_,troceador. Espedficamente, se determina la diferencia de potencia usando la siguiente expresion:

P = p _ p _ p,

*■ dif A viento L Red 1 Ls troceador

La diferencia de potencia Pdif se compara con un umbral de diferencia de potencia predefinido Pumbral. Si la diferencia de potencia Pdif supera el umbral de diferencia predefinido Pumbral, se enciende el circuito troceador, es decir el factor de trabajo DR2 para hacer funcionar el circuito troceador se establece a 1. De lo contrario, DR2 se establece a 0. El umbral Pumbral se establece a un valor de tal modo que solo se supera cuando la diferencia Pdif es grande, por ejemplo durante condiciones de rafagas de viento extremas y/o fallos extremos. Pumbral puede almacenarse en una tabla de consulta para diversas condiciones rafagas de viento y/o fallos extremos.

La potencia procedente del viento puede determinarse usando la siguiente expresion:

imagen2

donde p es la densidad del aire, A es el area del rotor, Vviento es la velocidad del viento, Cp es el coeficiente de potencia del rotor, 0 es el angulo de paso y X es la velocidad periferica. Suponiendo un area del rotor A y una densidad del aire p constantes, la potencia procedente del viento Pviento es proporcional a Vviento3Cp (0, X). El uso directo de la velocidad del viento Vviento proporciona un metodo muy rapido para determinar si hay un evento de rafaga de viento.

Como se menciono anteriormente, en el sistema de turbina eolica basada en convertidor de escala completa, la potencia suministrada a la red de suministro Pred es aproximadamente igual a la potencia transferida por el convertidor de lado de la red de suministro 111. Por tanto, la potencia suministrada a la red de suministro puede

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15

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30

35

40

45

50

55

determinarse usando la ecuacion (4) como se comento anteriormente. En el sistema DFIG, la potencia suministrada a la red de suministro Pred es la suma de la potencia transferida por el convertidor de lado de la red de suministro 111 y la potencia transferida a traves de los devanados de estator puesto que el estator esta directamente acoplado a la red de suministro.

La perdida de potencia en el circuito troceador Pi_,troceador es:

P, =VCC2 / R xDR

L, troceador cc troceador

(11)

donde Vcc es la tension del enlace de CC y DR es el factor de trabajo del circuito troceador. Cabe destacar que DR puede ser igual al factor de trabajo DR2 en la realizacion en la que solo se utiliza el algoritmo de control en la figura 4 o se obtiene tomando un maximo (MAX) de DR1 y DR2 en una realizacion en la que se usan los dos algoritmos de control en la figura 3 y la figura 4 (vease la figura 5). Cuando el circuito troceador no esta activado, la perdida de potencia en el circuito troceador Pi_,troceador es cero puesto que DR es cero.

Cuando no hay una rafaga de viento o fallo de la red, la potencia suministrada a la red Pred es aproximadamente igual a la potencia extrafda del viento Pviento, suponiendo perdidas despreciables en el tren de accionamiento. La perdida de potencia en el circuito troceador Pi_,troceador es cero si el circuito troceador no esta activado. En cualquier momento dado, puede suponerse que la suma de la potencia suministrada a la red de suministro Pred y la perdida de potencia en el circuito troceador Pi_,troceador es el consumo de potencial total en la turbina eolica (suponiendo que no hay otras perdidas en el tren de accionamiento de la turbina eolica). Cuando se produce una rafaga de viento y/o un fallo de la red extremo, la diferencia de potencia Pdif entre Pviento y la potencia total consumida, Pred y Pi_,troceador pueden pasar a ser significativamente grandes. Esto puede llevar a una velocidad excesiva del generador, vibracion de la torre y/o desconexion de la turbina. La diferencia de potencia Pdif se compara con el umbral de diferencia Pumbral. Este umbral de diferencia Pumbral puede tabularse en una tabla de consulta, y es el lfmite en el cual empiezan a producirse problemas tales como vibracion de la torre y desconexion de la turbina. Cuando el umbral de diferencia Pdif supera el umbral de diferencia Pumbral, el circuito troceador se activa para reducir la diferencia de potencia Pdif.

Por consiguiente, el uso del algoritmo de control en la figura 4 para controlar el funcionamiento del circuito troceador proporciona una manera rapida y eficaz de activar el circuito troceador en caso de condiciones de rafagas de viento y/o fallos de la red extremos y repentinos.

En una realizacion, el algoritmo de control en la figura 4 se usa junto con el algoritmo de control mostrado en la figura 3 para hacer funcionar el circuito troceador en caso de desequilibrio de potencia en la turbina eolica. Cuando se produce una rafaga de viento y/o un fallo de la red, el funcionamiento del circuito troceador se controla mediante el factor de trabajo obtenido usando el algoritmo de control de la figura 3. En condiciones de rafagas de viento o fallos extremos y repentinos, el algoritmo de control de la figura 4 se usa para activar el circuito troceador. Tal disposicion en la que se usan ambos algoritmos de control se muestra en la figura 5.

En la figura 5, el algoritmo de control descrito con referencia a la figura 3 se representa como bloque 300 y el algoritmo de control descrito con referencia a la figura 4 se representa como bloque 301. Las salidas del bloque 300 y el bloque 301 se proporcionan como entradas a un bloque de funcion MAX 302. La salida del bloque de funcion MAX 302 se proporciona como senal de control para controlar el funcionamiento del circuito troceador. Espedficamente, la salida 303 del bloque de funcion MAX 302 es el factor de trabajo a partir del algoritmo de control de la figura 3 cuando hay un desequilibrio de potencia en la turbina eolica. En caso de desequilibrio de potencia extremo, el factor de trabajo en la salida 303 del bloque de funcion MAX 302 proporciona un valor de 1 debido a que la salida del bloque 301 es 1. Dicho de otro modo, siempre que uno de los algoritmos de control proporcione un factor de trabajo diferente de cero, se activa el circuito troceador.

Cabe destacar que la configuracion en la figura 5 es meramente un ejemplo ilustrativo de como pueden usarse los algoritmos de control mostrados en la figura 3 y la figura 4 en combinacion entre sf. En otras realizaciones son posibles otros tipos de configuraciones, por ejemplo aplicar una funcion O en las salidas de los bloques 300 y 301. Los algoritmos de control descritos anteriormente con referencia a la figura 3 y la figura 4 pueden implementarse en el controlador de convertidor 120 y/o el controlador de turbina eolica 123 de la figura 2. Tambien es posible implementar los algoritmos de control usando un controlador independiente y/o separado (no mostrado en la figura 2). Tambien cabe destacar que es posible usar solo uno de los algoritmos de control descritos con referencia a la figura 3 o la figura 4 para controlar el circuito troceador en otras realizaciones.

La figura 6 muestra un diagrama de flujo de un metodo para hacer funcionar la unidad de disipacion de potencia en la turbina eolica segun una realizacion. La etapa 400 incluye obtener una senal de error de tension del enlace de CC. La senal de error de tension del enlace de CC es la diferencia entre una funcion de la tension del enlace de CC real y una funcion de la tension del enlace de CC de referencia predefinida. Como se menciono anteriormente, la funcion de la tension del enlace de CC real y de referencia predefinida puede incluir cualquier expresion matematica relativa a la tension del enlace de CC. En una realizacion, la funcion es los cuadrados de la tension del enlace de CC real y la tension del enlace de CC de referencia predefinida.

La etapa 410 incluye determinar la potencia de error del enlace de CC y la potencia de alimentacion directa. La

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40

potencia de error del enlace de CC se determina basandose en la senal de error de tension del enlace de CC. Como se menciono anteriormente, la potencia de error del enlace de CC puede determinarse usando el controlador PI con la senal de error de tension del enlace de CC como entrada. En una realizacion, la potencia de alimentacion directa incluye la diferencia entre la potencia suministrada al convertidor de lado del generador y la potencia transferida por el convertidor de lado de la red de suministro. La etapa 420 incluye generar el factor de trabajo para hacer funcionar la unidad de disipacion de potencia. En una realizacion, el factor de trabajo se usa para hacer funcionar la unidad de disipacion de potencia. El circuito troceador tal como se ha descrito con referencia a la figura 2 anteriormente es un ejemplo de la unidad de disipacion de potencia. El factor de trabajo se genera basandose en la potencia de error del enlace de CC y la potencia de alimentacion directa. En una realizacion, el factor de trabajo es la razon entre la potencia que va a disiparse mediante la unidad de disipacion de potencia y la potencia maxima que puede disipar la unidad de disipacion de potencia. La potencia que va a disiparse es la suma de la potencia de error del enlace de CC y la potencia de alimentacion directa en una realizacion. A continuacion se repiten las etapas 400 a 420, de modo que el factor de trabajo se actualiza constantemente.

La figura 7 muestra un diagrama de flujo de un metodo para hacer funcionar el circuito troceador en la turbina eolica cuando hay un desequilibrio de potencia extremo en la turbina eolica segun una realizacion. La etapa 500 incluye determinar la potencia extrafda del viento, la potencia suministrada por la turbina eolica y la perdida de potencia en la unidad de disipacion de potencia. La unidad de disipacion de potencia puede ser un circuito troceador en una realizacion. Como se describio anteriormente, la potencia procedente del viento puede determinarse usando la ecuacion (10) en una realizacion. La perdida de potencia en la unidad de disipacion de potencia puede determinarse usando la ecuacion (11). La perdida de potencia en la unidad de disipacion de potencia es cero si el circuito troceador no esta activado.

La etapa 510 incluye determinar si la diferencia de potencia entre la potencia extrafda del viento y la suma de la potencia suministrada a la red de suministro y la perdida de potencia procedente del circuito troceador supera el umbral de diferencia de potencia. Si la diferencia de potencia supera el umbral de diferencia de potencia, el factor de trabajo se establece a 1 en la etapa 520. De lo contrario, el factor de trabajo se establece a 0 (tambien en la etapa 520). A continuacion se repiten las etapas 500 a 520, de modo que el factor de trabajo se actualiza constantemente.

La figura 8 muestra un diagrama de flujo de un metodo para hacer funcionar la unidad de disipacion de potencia en la turbina eolica segun una realizacion adicional. En esta realizacion, los metodos tal como se definen en las etapas 400 a 420 y las etapas 500 a 520 se usan de manera concurrente para controlar el funcionamiento de la unidad de disipacion de potencia. Las etapas 400 a 420 ya se han descrito con referencia a la figura 6 y las etapas 500 a 520 ya se han descrito con referencia a la figura 7. Las etapas 400 a 420 y las etapas 500 a 520 se repiten para actualizar constantemente el factor de trabajo.

La etapa 540 incluye determinar un maximo de los factores de trabajo de la etapa 420 y la etapa 520, y activar la unidad de disipacion de potencia en la etapa 550 basandose en el maximo de los dos factores de trabajo. Cabe destacar que la unidad de disipacion de potencia solo se activa cuando el maximo de los factores de trabajo tiene un valor diferente de cero.

Se destacara que las realizaciones descritas anteriormente son posibles ejemplos de implementaciones que simplemente se exponen para entender mejor los principios de la invencion. El experto en la tecnica puede realizar muchas variaciones y modificaciones de la(s) realizacion/realizaciones descrita(s) anteriormente, estando previsto que dichas variaciones y modificaciones se incluyan en el presente documento dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims

10

15

2.

20

3.

25

4.

30

5.

35

6.

40

7.

REIVINDICACIONES

Turbina eolica de velocidad variable (1) que comprende: un generador (101);

un convertidor de potencia (102) para convertir al menos una parte de la potencia electrica generada por el generador (101), comprendiendo el convertidor de potencia (102) un convertidor de lado del generador (110), un convertidor de lado de la red de suministro (111) y un enlace de CC (112) entre los mismos; y

una unidad de disipacion de potencia (105) acoplada de manera operativa al enlace de CC (112);

caracterizada porque

la turbina eolica de velocidad variable (1) comprende ademas un controlador (121), en la que el controlador (121) esta adaptado para:

determinar la potencia extrafda del viento, la potencia suministrada por la turbina eolica (1) y la perdida de potencia en la unidad de disipacion de potencia (105);

determinar la diferencia entre la potencia extrafda del viento y la suma de la potencia suministrada por la turbina eolica (1) y la perdida de potencia en la unidad de disipacion de potencia (105); y

activar la unidad de disipacion de potencia (105) cuando la diferencia entre la potencia supera un umbral de diferencia de potencia predefinido.

Turbina eolica de velocidad variable (1) segun la reivindicacion 1, en la que el controlador (121) esta adaptado ademas para establecer un factor de trabajo para hacer funcionar la unidad de disipacion de potencia (105) a un valor diferente de cero cuando se supera el umbral de diferencia de potencia predefinido, activando asf la unidad de disipacion de potencia (105).

Turbina eolica de velocidad variable (1) segun la reivindicacion 1, en la que el controlador (121) esta adaptado para determinar la potencia extrafda del viento segun la siguiente expresion:

imagen1

donde p es la densidad del aire, A es el area de rotor del generador (101), Vviento es la velocidad del viento, Cp es un coeficiente de potencia del rotor, 0 es el angulo de paso y X es la velocidad periferica del generador (101).

Turbina eolica de velocidad variable (1) segun la reivindicacion 1, en la que el controlador (121) esta adaptado para determinar la potencia suministrada por la turbina eolica (1) segun la siguiente expresion:

PG = KJag + Vbghg + Vcjcg

donde Pg es la potencia transferida por el convertidor de lado de la red de suministro (111), Vag, Vbg y Vcg son las tensiones en los terminales del convertidor de lado de la red de suministro (111), e lag, Ibg e leg son las corrientes a traves de los terminales del convertidor de lado de red de suministro (111).

Turbina eolica de velocidad variable (1) segun la reivindicacion 1, en la que el controlador (121) esta adaptado para determinar la perdida de potencia en la unidad de disipacion de potencia (105) segun la siguiente expresion:

imagen2

donde Vcc es la tension del enlace de CC, Rtroceador es la resistencia de una resistencia en la unidad de disipacion de potencia (105) y DR es el factor de trabajo de la unidad de disipacion de potencia (105).

Turbina eolica de velocidad variable (1) segun la reivindicacion 1, en la que la unidad de disipacion de potencia (105) comprende al menos un interruptor (SW1) y una resistencia (114).

Metodo para hacer funcionar una unidad de disipacion de potencia (105) en una turbina eolica (1), comprendiendo la turbina eolica (1) un convertidor de potencia (102) para convertir al menos una parte de la potencia electrica generada por un generador (101), en el que el convertidor de potencia (102) comprende un convertidor de lado del generador (110), un convertidor de lado de la red de suministro (111) y un enlace de CC (112) entre los mismos, la unidad de disipacion de potencia (105) esta acoplada de

manera operativa al enlace de CC (112), caracterizado porque el metodo comprende:

5 determinar la diferencia entre la potencia extrafda del viento y la suma de la potencia suministrada por la

turbina eolica (1) y la perdida de potencia en la unidad de disipacion de potencia (105); y

8. Metodo segun la reivindicacion 7, que comprende ademas establecer un factor de trabajo para hacer 10 funcionar la unidad de disipacion de potencia (105) a un valor diferente de cero cuando se supera el umbral

de diferencia de potencia predefinido, activando asf la unidad de disipacion de potencia (105).