ES2643238T3 - Turbina eólica con un generador principal y uno secundario, y método de operación de dicha turbina eólica - Google Patents

Turbina eólica con un generador principal y uno secundario, y método de operación de dicha turbina eólica Download PDF

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ES2643238T3 ES13163749.8T ES13163749T ES2643238T3 ES 2643238 T3 ES2643238 T3 ES 2643238T3 ES 13163749 T ES13163749 T ES 13163749T ES 2643238 T3 ES2643238 T3 ES 2643238T3
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Abstract

Una turbina eólica (100) del tipo de velocidad variable, que comprende: - una torre de la turbina eólica (101); - una góndola (103) dispuesta en dicha turbina eólica (100); - un buje del rotor de la turbina eólica (106) montado con la rotación permitida en dicha góndola (103), teniendo dicho buje del rotor de la turbina eólica (106) al menos una pala de la turbina eólica (105) montada en este; - un eje (201) acoplado a dicho buje del rotor de la turbina eólica (106) y, de manera opcional, a través de una caja de engranajes (202), - un generador principal (205), que a través de los cables eléctricos (300) tiene un estátor principal conectado eléctricamente a una conexión de la red (305) y un rotor principal conectado eléctricamente a - un convertidor back-to-back (301) en un extremo del convertidor del lado del generador (302), y donde el convertidor back-to-back (301) en un extremo del convertidor del lado de la red (303) está conectado eléctricamente a la conexión de la red (305); - un generador secundario (208) acoplado al eje (201, 204) a través de un acoplamiento mecánico (206), caracterizado por que el generador secundario (208) está conectado eléctricamente al rotor principal del generador principal (205) y al extremo del convertidor del lado del generador (302) del convertidor back-toback (301); y donde dicha turbina eólica (100) comprende, además: - un controlador (405) con capacidades de control y medios de conexión a: - un primer interruptor (401) entre el generador principal (205) y la conexión de la red (305); - un segundo interruptor (402) entre el extremo del convertidor del lado del generador (302) del convertidor back-to-back (301) y el generador secundario (208); - un tercer interruptor (403) entre el extremo del convertidor del lado del generador (302) del convertidor back-to-back (301) y el generador principal (205); y en la que el controlador (405) y los interruptores (401, 402, 403) se configuran de forma que activen/desactiven la potencia de dicho generador principal (205) y dicho generador secundario (208) al convertidor back-to-back (301) y a una red (304).

Description

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DESCRIPCION
Turbina eolica con un generador principal y uno secundario, y metodo de operacion de dicha turbina eolica Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a una turbina eolica con un generador principal y uno secundario, a un metodo de reacondicionamiento de una turbina eolica que tiene un generador principal para que tenga tambien un generador secundario y a un metodo de operacion de dichas turbinas eolicas.
En particular, la presente invencion se refiere a una turbina eolica del tipo de velocidad variable, que comprende: una torre de la turbina eolica; una gondola dispuesta en dicha turbina eolica; un buje del rotor de la turbina eolica montado con la rotacion permitida en dicha gondola, donde dicho buje del rotor de la turbina eolica tiene al menos una pala de turbina eolica montada en este, y un eje acoplado a dicho buje del rotor de la turbina eolica y, de manera opcional a traves de una caja de engranajes, a un generador principal que a traves de cables electricos tiene un estator principal conectado electricamente a una conexion de la red, y un rotor principal conectado electricamente a un convertidor back-to-back en un extremo del convertidor del lado del generador y donde el convertidor back-to- back en un extremo del convertidor del lado de la red esta conectado electricamente a la conexion de la red. La turbina eolica comprende ademas un generador secundario acoplado al eje a traves de un acoplamiento mecanico y conectado electricamente al rotor principal del generador principal y al extremo del convertidor del lado del generador del convertidor back-to-back.
Antecedentes de la invencion
Los antecedentes de la invencion son un dispositivo de generacion de potencia tnbrido del que existe constancia a partir del documento US 7.518.257 B2, que expone una turbina eolica con un generador electrico principal y un generador electrico auxiliar con caractensticas diferentes. El generador principal es una configuracion de generador de induccion doblemente alimentado (DFIG), mientras que el generador secundario es una configuracion de generador sincronizado (SG). El generador principal esta acoplado a un lado del primer generador del convertidor back-to-back mientras que el generador secundario esta acoplado a un lado del segundo generador del convertidor back-to-back. El generador secundario esta acoplado al enlace de CC en el convertidor y se utiliza para suministrar potencia al lado de la red del convertidor en el caso de un fallo en el tren motriz o de una cafda de potencia en la red. Esta configuracion tiene el inconveniente de que requiere la utilizacion de dos lados diferentes del generador, cada uno disenado para ajustarse al rango de potencia de un tipo particular de generador. Esto a su vez aumenta la complejidad y el numero de componentes del convertidor de potencia. Esta configuracion no proporciona medios para una transicion suave cuando se conmuta el generador DFIG, lo que puede introducir picos de potencia o momento en el tren motriz que den como resultado fallos durante el funcionamiento.
Es ampliamente conocido que los generadores de imanes permanentes son costosos y que los sistemas de turbinas eolicas con convertidores a escala completa son costosos.
Una solucion muy conocida a esto es una configuracion DFIG, donde el estator del generador esta conectado directamente a la red, y el rotor esta conectado a un convertidor back-to-back de un tamano menor. Esta configuracion es ampliamente conocida y ventajosa ya que en comparacion con una configuracion de convertidor a escala completa requiere unicamente un convertidor que tenga aproximadamente un tercio del tamano del convertidor necesario en una configuracion a escala completa, donde se convierte toda la potencia. Por tanto, el convertidor se hace mas pequeno, mas efectivo y mucho mas rentable.
No obstante, la configuracion DFIG tiene un inconveniente, ya que una turbina eolica no produce electricidad a velocidades del viento bajas.
En particular, existen sistemas DFIG en el mercado y estan disponibles facilmente en el rango de potencia del MW.
Los generadores de imanes permanentes (PM, por sus siglas en ingles) existen y son ventajosos debido a que no necesitan una potencia excitadora, y por tanto en turbinas eolicas tienen una eficiencia relativamente alta a todas las velocidades del viento. No obstante, los generadores basados en PM son costosos debido a los altos costos de los sistemas en el rango de potencia del MW.
El documento EP 1804372 A2 expone un sistema generador para su utilizacion en una turbina eolica que comprende una configuracion DFIG principal y un generador smcrono secundario, donde el estator del DFIG principal esta conectado directamente a un sistema de CA y el rotor esta conectado al lado del generador de un convertidor de potencia principal, que se conecta ademas en el lado de la red al sistema de CA. El generador secundario esta acoplado mecanicamente al eje principal, donde el generador secundario se conecta ademas a un circuito rectificador de un convertidor de potencia secundario. Una unidad de batena del convertidor de potencia secundario esta conectada al enlace de CC en el convertidor de potencia principal. El generador secundario se utiliza para suministrar potencia auxiliar al convertidor de potencia principal cuando la potencia principal falla.
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El documento US 2007/0216164 A1 expone una turbina eolica con una configuracion DFIG y una maquina excitadora. El estator del DFIG esta conectado directamente a una red y el rotor esta conectado al lado del generador de un convertidor de potencia. La maquina excitadora esta acoplada mecanicamente al eje principal y conectada al lado de la red del convertidor de potencia. En un modo de operacion smcrono, la maquina excitadora puede operar como un generador cuando la velocidad del rotor esta por debajo de una velocidad teorica, donde la potencia de la maquina excitadora se suministra al rotor del generador principal. En esta configuracion, el convertidor de potencia no esta conectado a la red, unicamente el estator del DFlG esta conectado a la red.
Objeto de la invencion
Es un objeto de la presente invencion proporcionar una turbina eolica del tipo de velocidad variable con una eficiencia relativamente alta en un rango amplio de velocidades del viento, que comienzan desde velocidades del viento bajas de tan solo, por ejemplo, aproximadamente 2 m/s.
Un objeto adicional de la presente invencion es proporcionar una turbina eolica del tipo de velocidad variable que sea efectiva y tenga un tamano razonable con respecto a los costes y el rango de potencia, y operacional a velocidades del viento mas altas de hasta, por ejemplo, aproximadamente 20 m/s.
Es un objeto de la presente invencion proporcionar una turbina eolica de un tipo de velocidad variable que se pueda controlar con facilidad en un rango amplio de velocidades del viento, que comienzan desde velocidades del viento bajas.
Es un objetivo de la presente invencion proporcionar una turbina eolica de velocidad variable que sea fiable y efectiva a velocidades del viento bajas, por ejemplo, por debajo de 3-6 o 5-6 m/s, asf como tambien a velocidades del viento mas altas.
Es un objeto de la presente invencion proporcionar un metodo para extender la utilidad de una turbina eolica existente con una velocidad variable; y en particular en el rango desde 1 MW, y preferentemente desde 1.5 MW y por encima.
Es un objeto de la presente invencion proporcionar un metodo de control de una turbina eolica con velocidad variable para proporcionar una eficiencia relativamente alta en un rango mas amplio de velocidades del viento, que comienzan desde velocidades del viento bajas de tan solo, por ejemplo, aproximadamente 2 m/s.
Descripcion de la invencion
En consecuencia, esto se logra mediante una turbina eolica del tipo de velocidad variable, que comprende:
- una torre de la turbina eolica;
- una gondola dispuesta en dicha turbina eolica;
- un buje del rotor de la turbina eolica montado con la rotacion permitida en dicha gondola, teniendo dicho buje del rotor de la turbina eolica al menos una pala de la turbina eolica montada en este;
- un eje acoplado a dicho buje del rotor de la turbina eolica y, de manera opcional, a traves de una caja de engranajes,
- un generador principal, que a traves de los cables electricos tiene un estator principal conectado electricamente a una conexion de la red y un rotor principal conectado electricamente a
- un convertidor back-to-back en un extremo del convertidor del lado del generador, y donde el convertidor back-to-back en un extremo del convertidor del lado de la red esta conectado electricamente a la conexion de la red;
- un generador secundario acoplado al eje a traves de un acoplamiento mecanico y conectado electricamente al rotor principal del generador principal y al extremo del convertidor del lado del generador del convertidor back-to-back;
- un controlador con capacidades de control y medios de conexion a:
- un primer interruptor entre el generador principal y la conexion de la red;
- un segundo interruptor entre el extremo del convertidor del lado del generador del convertidor back-to-back y el generador secundario;
- un tercer interruptor entre el extremo del convertidor del lado del generador del convertidor back- to-back y el generador principal;
y en la que el controlador y los interruptores se configuran de forma que activen/desactiven la potencia de dicho generador principal y dicho generador secundario al convertidor back-to-back y a una red.
De ese modo, se proporciona una configuracion de turbina eolica, donde la configuracion permite una eficiencia mas alta en un rango mas amplio de velocidades del viento, ya que el generador principal proporciona una eficiencia alta a velocidades del viento mas altas, y el generador secundario proporciona una eficiencia alta a velocidades del viento mas bajas, debido a la conexion eficiente del generador principal y del generador secundario y la utilizacion cruzada del convertidor back-to-back.
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En particular, la configuracion es adecuada para turbinas eolicas con una potencia teorica por encima de 1 MW, ya que esas turbinas tienen trenes motrices y componentes del sistema efectivos que incluyen sistemas de convertidores back-to-back fiables.
Por turbina eolica del tipo de velocidad variable se sobreentiende una turbina eolica donde el rotor eolico se pueda operar a velocidad variable mediante la utilizacion de un convertidor back-to-back o inversor insertado entre el generador y el punto de conexion de la red para permitir que la turbina eolica este conectada a una red electrica.
Habitualmente, el convertidor back-to-back es de aproximadamente un cuarto a un tercio de la potencia teorica y se configura de forma que equilibre o se ajuste a la potencia generada por un generador con las condiciones de potencia de una red.
De acuerdo con una realizacion de la turbina eolica, esta es especial ya que el generador principal es un generador DFIG.
Por tanto, se puede utilizar la tecnologfa de generadores estandar ampliamente conocida como parte de un tren motriz de la turbina eolica.
En particular, cuando la velocidad del viento esta por encima de, por ejemplo, 5-6 m/s, la turbina puede operar en un modo solo con DFIG, donde el estator del DFIG se conecta a la red y el rotor se conecta al convertidor back-to-back.
Dicho modo solo con DFIG es ventajoso para turbinas eolicas tfpicas de 1.0 MW o mas, y en particular ventajoso para una turbina eolica con una potencia nominal de 1.5 MW que a velocidades del viento de aproximadamente 5-6 m/s y por encima tiene una velocidad del rotor de aproximadamente 10-20 rpm, lo que genera una potencia nominal de 1.5 MW hasta velocidades del viento de aproximadamente 21 m/s, donde se desconecta la turbina eolica.
De acuerdo con una realizacion de la turbina eolica, esta es especial ya que dicho generador secundario es un generador de imanes permanentes, tal como un generador de imanes permanentes PMHS, PMMS, PMDD u otro alternativo o equivalente.
El generador de imanes permanentes tiene un acoplamiento mecanico al eje y su estator conectado electricamente entre el generador principal y el extremo del convertidor del lado del generador del convertidor back-to-back.
Por tanto, se puede utilizar la tecnologfa de generadores de imanes permanentes estandar ampliamente conocida de tamano relativamente pequeno.
En particular, cuando la velocidad del viento esta por debajo de dichos 5-6 m/s, la turbina puede operar en un modo solo con PM, donde el estator del DFIG se desconecta de la red y el rotor se desconecta del convertidor back-to- back.
En el modo PM, el estator del generador PM se conectara al convertidor back-to-back y trabajara en un modo de conversion de potencia total. Por tanto, la velocidad del rotor, del rotor, se puede reducir a velocidades del viento menores (de 5-6 m/s) e incluso muy bajas (por ejemplo, 1-2 m/s).
De acuerdo con una realizacion de la turbina eolica, esta es especial ya que dicho generador secundario tiene una salida de potencia maxima Ps de entre 50 kW y 230 kW, y/o el generador principal tiene una salida de potencia maxima Pp de al menos 1 MW, preferentemente de aproximadamente 1.5 MW.
De ese modo, se puede lograr una utilizacion optima del convertidor back-to-back ya que el convertidor back-to-back esta disenado habitualmente para aproximadamente un 20-35% de la potencia teorica del generador principal, y por tanto tiene una capacidad para admitir la potencia total del iman permanente.
Asimismo, comenzando con un generador secundario que tiene una salida de potencia maxima Ps de entre 50 kW y 230 kW y un convertidor back-to-back sobredimensionado, que se disena para ajustarse al generador principal con una salida de aproximadamente 1 MW, o preferentemente 1.5 MW, el generador de imanes permanentes podra captar energfa en los rangos de velocidades del viento mas bajas.
El acoplamiento de entrada y salida de los generadores principal y secundario se puede controlar. En un aspecto de la invencion, la configuracion de controlador e interruptor puede controlar la turbina eolica de modo que opere en un modo DFIG u opere en un modo PM.
Asimismo, el controlador y los interruptores se pueden utilizar para poner en marcha, detener, aumentar la potencia y disminuir la potencia de la turbina.
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En particular, el controlador y el interruptor se pueden utilizar para controlar el interruptor operativo entre los dos modos, es decir, el modo solo con DFIG y el modo solo con PM.
En un aspecto, el controlador detiene la turbina, es decir, inicia una secuencia de disminucion de la potencia que conduce a una detencion de la turbina. Esto va seguido de una secuencia de aumento de la potencia que conduce a una puesta en marcha del modo solo con DFIG o del modo solo con PM.
En un aspecto, el controlador reduce la salida de potencia a cero y mantiene la velocidad del rotor en un cierto valor, y a continuacion abre y cierra los interruptores, tal como se expone, de forma que este en el modo solo con DFIG o en el modo solo con PM. Conectandose despues a una red e incrementando la potencia hasta el nivel de potencia necesario o deseado.
En una realizacion preferida, hay un umbral de conexion (o cambio de modo) que es diferente a un umbral de desconexion (o cambio de modo), lo que evita de esa forma transiciones frecuentes entre los dos modos.
En un aspecto, hay un procedimiento o secuencia de puesta en marcha que depende de una entrada de la velocidad del viento. La secuencia de puesta en marcha se puede ejecutar tal como se expone anteriormente. La velocidad del viento se puede medir mediante un anemometro o un dispositivo de medicion de la velocidad del viento equivalente, o se puede inferir mediante la velocidad del rotor.
En un aspecto donde la velocidad del viento es baja, por ejemplo, 3-5 m/s, un rotor de tres palas tfpico con una potencia nominal de aproximadamente 1.5 MW rotara a aproximadamente 6-7 rpm, hay una secuencia y configuracion adicionales que inclinaran las palas para el denominado paso rapido, lo que reduce o elimina de esa forma el riesgo de alcanzar una frecuencia mecanica de resonancia de la torre cuando una pala pasa por la torre. Esta secuencia se puede calificar un modo de frecuencia 3P.
Cada una de las secuencias o modos operativos mencionados y los derivados de estos son adecuados para ser programados, y como tal constituyen metodos de operacion de la turbina eolica.
De acuerdo con una realizacion de la turbina eolica, esta es especial ya que dicho controlador se configura de forma que controle y regule continuamente al menos uno de dichos interruptores para un flujo de potencia entre desactivado (nula produccion de potencia) y activado (maxima produccion de potencia).
De esa manera, se pueden obtener modos operativos combinados. Asimismo, se puede evitar una conmutacion frecuente y se pueden lograr unas transiciones mas suaves, lo que reduce o incluso elimina potencialmente de esa manera los picos de potencia despues de la parte electrica del tren motriz, al igual que se pueden reducir potencialmente los picos mecanicos en los momentos, lo que reduce en general de esa manera la introduccion de fallos (electricos o mecanicos) durante el funcionamiento.
De acuerdo con una realizacion de la turbina eolica, esta es especial ya que dicho controlador se configura ademas de forma que controle dicho extremo del convertidor del lado del generador del convertidor back-to-back por medio de los controles del lado del generador y/o de forma que controle dicho extremo del convertidor del lado de la red del convertidor back-to-back por medio de los controles del lado de la red y/o de forma que controle la rotacion del rotor de la turbina eolica mediante los controles del rotor.
De esa manera se proporciona un control global e integrado del sistema de potencia de la turbina eolica y de la conexion a la red y la desconexion de esta.
En un aspecto de la invencion, se procesan las medidas de la situacion de la red y se utilizan para iniciar una conmutacion de un modo a otro modo operativo. Es decir, por ejemplo, de un modo solo con DFIG a un modo solo con PM o viceversa.
De acuerdo con una realizacion de la turbina eolica, esta es especial ya que dicho generador secundario comprende un eje del generador secundario acoplado mecanicamente mediante un acoplamiento a un eje del generador principal; donde el acoplamiento mecanico es preferentemente un acoplamiento del tipo con correa dentada.
De esa manera se proporciona un acoplamiento mecanico o transferencia de energfa efectivo y simple desde el eje del generador principal hasta el generador secundario. Asimismo, el generador secundario esta acoplado electricamente al convertidor back-to-back de una forma que utiliza los cables electricos entre el generador principal y el convertidor back-to-back.
De acuerdo con una realizacion de la turbina eolica, esta es especial ya que dicho generador secundario comprende un eje del generador secundario acoplado mecanicamente mediante un acoplamiento directamente a un eje del generador principal; donde el acoplamiento mecanico es preferentemente un acoplamiento directo de uno con otro, tal como una extension del eje.
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De esa manera se proporciona un acoplamiento directo o transferencia de ene^a efectivo y simple desde el eje del rotor hasta el generador secundario.
En un aspecto adicional, hay una disposicion de engranajes o una disposicion de acoplamiento entre el eje del generador principal y el eje del generador secundario.
De acuerdo con una realizacion de la turbina eolica, esta es especial ya que dicho generador secundario comprende un eje del generador secundario acoplado mecanicamente mediante un acoplamiento al eje; donde el acoplamiento mecanico es preferentemente un acoplamiento secundario del tipo con caja de engranajes.
De esa manera se proporciona un acoplamiento o transferencia de energfa efectivo y simple desde el eje del rotor hasta el generador secundario. Esta configuracion es particularmente ventajosa ya que proporciona dos trenes motrices distintos mas, ya que el generador secundario se puede acoplar al eje del rotor mas directamente. En principio, la turbina eolica se puede operar mientras se mantiene cualquiera de los sistemas generadores principal o secundario.
De acuerdo con una realizacion de la turbina eolica, esta es especial ya que la turbina eolica tiene palas que se pueden inclinar total o parcialmente.
Estas se pueden inclinar para reducir las cargas durante la conmutacion entre los modos operativos.
El objetivo de la invencion se cumple mediante un metodo de produccion de una turbina eolica tal como se expone, y que comprende los pasos de:
- proporcionar una turbina eolica del tipo de velocidad variable, que comprende:
- una torre de la turbina eolica;
- una gondola dispuesta en dicha turbina eolica;
- un buje del rotor de la turbina eolica montado con la rotacion permitida en dicha gondola, teniendo dicho buje del rotor de la turbina eolica al menos una pala de la turbina eolica montada en este;
- un eje acoplado a dicho buje del rotor de la turbina eolica y, de manera opcional, a traves de una caja de engranajes,
- un generador principal, que a traves de los cables electricos tiene un estator principal conectado directamente a una conexion de la red y un rotor principal conectado directamente a
- un convertidor back-to-back en un extremo del convertidor del lado del generador, y en la que el convertidor back-to-back en un extremo del convertidor del lado de la red esta conectado a la conexion de la red;
- proporcionar un generador secundario; y
- reacondicionar el generador secundario en el eje o en el eje del generador principal mediante un acoplamiento mecanico y conectar el generador secundario a los cables electricos entre el generador principal y el convertidor back-to-back y
- reacondicionar
- un primer interruptor entre el generador principal y la conexion de la red;
- un segundo interruptor entre el extremo del lado del generador del convertidor back-to-back y el generador secundario;
- un tercer interruptor entre el extremo del convertidor del lado del generador del convertidor back- to-back y el generador principal;
y en la que el controlador y los interruptores se configuran de forma que activen/desactiven la potencia de dicho generador principal y el generador secundario al convertidor back-to-back y a una red; y
- reacondicionar el controlador para controlar el convertidor back-to-back por medio de controles del generador/lado de la red.
De ese manera, las turbinas eolicas existentes se pueden volver a configurar de forma que se permita que los aparatos existentes se utilicen adicionalmente anadiendo un generador secundario y se extienda de ese modo el intervalo operativo y la salida de potencia global de la turbina eolica.
En particular, las turbinas eolicas con una potencia nominal de 1.5 MW son adecuadas para dicha conversion, ya que se ha descubierto que proporcionan suficiente energfa para justificar dicha accion de reacondicionamiento.
En particular, a las turbinas eolicas del tipo DFIG como generador principal se les puede anadir de manera ventajosa un generador de imanes permanentes como el generador secundario utilizando una configuracion la expuesta o sus variantes.
En una realizacion particular, el controlador se reacondiciona ademas para controlar la rotacion del rotor de la turbina eolica por medio de los controles del rotor.
Lo que proporciona de esa manera un metodo de control que regula la salida de potencia de la turbina eolica durante la transicion entre los diferentes modos operativos. En un aspecto, los controles del rotor permiten que el
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controlador reduzca la salida de potencia a cero y mantienen la velocidad del rotor en un cierto valor, despues de lo cual los interruptores estan en el modo solo con DFIG o en el modo solo con PM. Conectandose despues a una red e incrementando la potencia hasta el nivel de potencia necesario o deseado.
En consecuencia, el objetivo de la invencion se cumple mediante un metodo de operacion de una turbina eolica tal como se expone, donde
- el generador principal esta acoplado a un rotor de la turbina eolica y configurado de modo que genere una salida de potencia Pp cuando el rotor de la turbina eolica experimente una velocidad del viento entre una velocidad del viento principal minima Wp min y una velocidad del viento principal maxima Wp max; y
- el generador secundario esta acoplado a un rotor de la turbina eolica y configurado de modo que genere una salida de potencia Ps cuando el rotor de la turbina eolica experimente una velocidad del viento entre una velocidad del viento secundaria minima Ws min y una velocidad del viento secundaria maxima Ws max;
- y en la que el generador principal y los generadores secundarios se configuran de modo que produzcan una salida de potencia total P; donde el metodo de operacion comprende los pasos de
- operar la turbina eolica en un modo de operacion principal en el que la salida de potencia P proviene del generador principal cuando la velocidad del viento esta por encima de una velocidad
del viento de desacoplamiento Wdesacoplamiento;
- operar la turbina eolica en un modo de operacion secundario en el que la salida de potencia P proviene del generador secundario cuando la velocidad del viento esta por encima de una velocidad del viento de desacoplamiento Wdesacoplamiento;
y donde la velocidad del viento de desacoplamiento Wdesacoplamiento esta entre la velocidad del viento principal minima Ws min y la velocidad del viento secundaria maxima Ws max.
De esa manera, la turbina eolica puede operar en un modo principal, donde la energfa del rotor se transfiere al generador principal, o la turbina eolica puede operar en un modo secundario, donde la energfa del rotor se transfiere a un generador secundario.
En un aspecto de la invencion, el metodo de operacion se lleva a cabo utilizando una turbina eolica de acuerdo con lo expuesto.
En una realizacion particular, el generador principal es un DFIG y, por tanto, el modo principal es un modo DFIG.
En una realizacion particular, el generador secundario es un generador PM y, por tanto, el modo principal es un modo PM.
De acuerdo con una realizacion del metodo de operacion de una turbina eolica, donde la turbina eolica cambia de un modo de operacion a otro, que comprende los pasos de
- detectar un paso de la velocidad del viento de desacoplamiento Wdesacoplamiento,
- detener la rotacion del rotor de la turbina eolica, de la turbina eolica
- reiniciar la rotacion del rotor de la turbina eolica, de la turbina eolica, mediante
- la entrada en el modo de operacion principal si la velocidad del viento W es la velocidad del viento de desacoplamiento Wdesacoplamiento o esta por encima de esta, o
- la entrada en el modo de operacion secundario si la velocidad del viento W esta por debajo de la velocidad del viento de desacoplamiento Wdesacoplamiento.
De esa manera, se minimizan las cargas y deformaciones globales sobre el sistema mientras se cambia de modo operativo. Otra ventaja es que reduce los tamanos de los interruptores electricos y mecanicos necesarios para conmutar entre modos.
De acuerdo con una realizacion del metodo de operacion de una turbina eolica, la turbina eolica conmuta de un modo de operacion a otro, que comprende los pasos de
- reducir la salida de potencia P a cero mientras se mantiene el rotor de la turbina eolica a una cierta velocidad de rotacion
- cerrar los primeros interruptores y los terceros interruptores para conectar el generador principal a una red e incrementar la potencia hasta el nivel de potencia requerido
- operar en el modo de operacion principal o
- cerrar los segundos interruptores para conectar el segundo generador a una red e incrementar la potencia hasta el nivel de potencia requerido
- operar en el modo de operacion secundario.
De esa manera se obtiene un metodo robusto de conmutacion que minimiza las fuerzas sobre la turbina eolica durante la transicion de un modo a otro.
De acuerdo con una realizacion del metodo de operacion de una turbina eolica, este conlleva inclinar palas que se pueden inclinar total o parcialmente.
Descripcion de los dibujos
10
15
N.°
Pieza
100
Turbina eOlica
101
Torre
102
CimentaciOn
103
GOndola
104
Rotor de la turbina eOlica
105
Pala
106
Buje
107
Viento
108
Velocidad del viento
200
Tren motriz
201
Eje
202
Caja de engranajes
204
Eje del generador principal
205
Generador principal
206
Acoplamiento
207
Eje del generador secundario
208
Generador secundario
300
Cables electricos
301
Convertidor back-to-back
302
Extremo del convertidor del lado del generador
303
Extremo del convertidor del lado de la red
304
Red
305
ConexiOn a la red
401
Primer interruptor
402
Segundo interruptor
403
Tercer interruptor
405
Controlador
406
Controles del lado del generador
407
Controles del lado de la red
408
Controles del rotor
La invencion La figura 1 La figura 2 La figura 3
La figura 4 La figura 5
La figura 6
se describe umcamente a modo de ejemplo y haciendo referencia a los dibujos, donde: muestra una turbina eOlica;
muestra como el eje esta acoplado al generador principal y al generador secundario;
muestra disenos esquematicos A, B y C de configuraciones del generador principal y del
generador secundario;
muestra un esquema del controlador y del interruptor;
muestra una figura con las eficiencias de los trenes motrices de generadores DFIG, PMHS, PMMS y PMDD, asf como tambien la distribuciOn anual de vientos y la potencia de la turbina como una funciOn de la velocidad del viento (% de la potencia teOrica); y
muestra una curva de potencia de la salida combinada del generador principal y del generador secundario.
Descripcion detallada de la invencion
5
10
15
20
25
30
N.°
Pieza
500
Distribucion anual de vientos
501
Eficiencia del tren motriz DFIG
502
Eficiencia del tren motriz PMHS
503
Eficiencia del tren motriz PMMS
504
Eficiencia del tren motriz PMDD
505
Potencia de la turbina eolica
600
W
601
P
602
Pp
603
Ps
610
WpMIN
611
WpMAX
612
Wsmin
613
Wsmax
615
^Vteorica
616
P teorica
617
^Vdesconexion
618
^Vdesacoplamiento
619
P desacoplamiento
La figura 1 muestra una turbina eolica 100 con una torre 101 que se eleva desde una cimentacion 102 y termina en una gondola 103, con un rotor de la turbina eolica 104 que comprende, en esta realizacion, tres palas 105', 105'', 105''' montadas en un buje 106.
La gondola 103 se monta, con la rotacion permitida, en la torre 101 configurada para que este orientada al viento 108, de manera que el viento 107 hara rotar el rotor de la turbina 104 con una velocidad de rotacion que depende de la velocidad del viento 108.
La figura 2 muestra una realizacion de un tren motriz 200 colocado en la gondola 104 de la turbina eolica 100. El tren motriz 200 conecta el buje 106, a traves de un eje 201, a una caja de engranajes 202 que transforma la potencia al eje de un generador principal 204 que impulsa un generador principal 205. En esta realizacion, el eje del generador principal 204 transfiere la potencia a traves de un acoplamiento mecanico 206, fabricado como una disposicion del tipo de correa dentada, a un eje del generador secundario 207 que impulsa un generador secundario 208.
El generador principal 205 es un generador de tipo generador de induccion doblemente alimentado (DFIG). El generador secundario 208 es un generador de tipo con sistema de motor de imanes permanentes.
La figura 3 muestra tres realizaciones diferentes de configuraciones de generador principal y secundario. Las realizaciones en A, B y C se ejemplifican mediante disenos esquematicos de las configuraciones del tren motriz 200 para un viento 107 que interactua con el rotor de la turbina eolica 104 y transfiere potencia al eje 201 y desde ah a un generador principal 205 y a un generador secundario 208.
En todas las realizaciones, el generador principal 205 y el generador secundario 208 estan conectados a traves de cables electricos 300, adecuados para conducir potencia a los niveles requeridos a un convertidor back-to-back 301, en una configuracion donde los generadores 205, 208 se conectan al convertidor back-to-back 301 en un extremo del convertidor del lado del generador 302, y en la que el convertidor back-to-back 301 en su extremo del convertidor del lado de la red 303 se conecta a una red 304 en una conexion de la red 305. Una salida de electricidad del generador principal 205 esta acoplada directamente al punto de conexion de la red 305 a traves de los cables electricos 300 directos. Asimismo, una salida de potencia electrica del generador principal 205 esta acoplada al convertidor back-to-back 301 a traves de los cables electricos 300.
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65
En la realizacion mostrada en la figura 3A, el eje del generador principal 204 del generador principal 205 interactua con el eje 201 a traves de una caja de engranajes 202 que transforma la potencia a un eje del generador principal 204.
Asimismo, el eje del generador principal 204 interactua con un acoplamiento mecanico 206, que en esta realizacion es una disposicion de correa dentada 206' que transfiere potencia del eje del generador principal 204 al eje del generador secundario 207, que impulsa el generador secundario 208. La salida de electricidad del generador secundario 208 esta acoplada directamente a los cables electricos 300 entre la salida del generador principal 205 y el extremo del convertidor del lado del generador 302.
La figura 3B muestra otra realizacion en la que el eje del generador secundario 206 esta acoplado o unido mecanicamente de manera directa al eje del generador principal 204 a traves de una extension del eje 206''. La salida de electricidad del generador secundario 208 esta acoplada directamente a los cables electricos 300 entre la salida del generador principal 205 y el extremo del convertidor del lado del generador 302.
La figura 3C muestra otra realizacion en la que el eje del generador secundario 207 interactua con el eje 201 a traves de un acoplamiento mecanico 206, que es una caja de engranajes secundaria 206'''. La salida de electricidad del generador secundario 208 esta acoplada directamente a los cables electricos 300 entre la salida del generador principal 205 y el extremo del convertidor del lado del generador 302.
En la realizacion mostrada A, B y C, el generador principal 205 es un generador de tipo generador de induccion doblemente alimentado (DFIG). El generador secundario 208 es un generador de tipo de imanes permanentes (PM), tal como uno PMMS (sistema de motor de imanes permanentes), uno PMHS (smcrono de histeresis con imanes permanentes) o uno PMDD (de accionamiento directo con imanes permanentes).
La figura 4 muestra una realizacion representativa de una configuracion de control y conmutacion aplicada a la realizacion de la figura 3A.
En esta realizacion hay una primera disposicion de interrupcion 401 en los cables electricos 300, entre el generador principal 205 y el punto de conexion de la red 305. El primer interruptor 401 se configura de manera que cierre y abra la salida de potencia electrica del generador principal 205 directamente al punto de conexion de la red 305.
Hay una disposicion de interrupcion secundaria 402 entre el generador secundario 208 y el extremo del convertidor del lado del generador 302 del convertidor back-to-back 301. El segundo interruptor 402 se configura de manera que cierre y abra la salida de potencia electrica del generador secundario 208 al extremo del convertidor del lado del generador 302 del convertidor back-to-back 301.
Hay una tercera disposicion de interrupcion secundaria 403 entre el generador principal 205 y el extremo del convertidor del lado del generador 302 del convertidor back-to-back 301. El tercer interruptor 402 se configura de manera que cierre y abra la salida de potencia electrica del generador secundario 208 al extremo del convertidor del lado del generador 302 del convertidor back-to-back 301. En una realizacion alternativa, el segundo interruptor 402 y el tercer interruptor 403 se configuran como un interruptor SPDT.
Se supone que los interruptores 401, 402, 403 estan controlados mediante un controlador 405. El controlador 405 se puede configurar de manera que controle el extremo del convertidor del lado del generador 302 mediante los controles del lado del generador 406, con el fin de adaptar el convertidor back-to-back 301 a la potencia que fluye procedente de los generadores 205, 208 de acuerdo con las posiciones de los interruptores 401, 402, 403.
De manera similar, el controlador 405 se puede configurar de manera que controle el extremo del convertidor del lado de la red 303 mediante los controles del lado de la red 407.
El controlador 405 tambien controla elementos de la turbina eolica 100 y en particular la rotacion o funcionamiento del rotor de la turbina eolica 104 por medio de los controles del rotor 408.
La figura 5 muestra a modo de ejemplo, la eficiencia del tren motriz 200 de una turbina eolica 100 estandar de 1.5 MW como una funcion de la velocidad del viento 108 normalizada con respecto a la potencia teorica de la turbina eolica 100.
Se indica la distribucion anual de vientos 500 y se observa que tiene un maximo a aproximadamente un 39% de la potencia teorica, antes de que la distribucion anual de vientos 500 disminuya lentamente.
La grafica muestra la eficiencia del tren motriz del DFIG 501, que se observa que tiene un aumento escalonado desde un 0% hasta aproximadamente un 68% para una velocidad del viento respecto a la teorica 108 de aproximadamente un 35%, que esta justo por debajo del maximo de la distribucion anual de vientos 500, por lo que se captura la mayona de la energfa en el viento.
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La grafica muestra las eficiencias del tren motriz del generador secundario 208 de tipo de imanes permanentes: la eficiencia del tren motriz del PMHS 502, la eficiencia del tren motriz del PMMS 503 y la eficiencia del tren motriz del PMDD 504.
Las eficiencias del tren motriz de PM 502, 503, 504 muestran sustancialmente eficiencias a velocidades del viento 108 por debajo de la velocidad del viento de desconexion 108 del generador DFIG 205.
Por ultimo, la grafica muestra la curva de potencia de la potencia de la turbina eolica 505 para un tren motriz 200 que combina un generador principal 205 del tipo DFIG y un generador secundario 208 del tipo PM.
La figura 6 muestra un ejemplo de una curva de potencia de la salida combinada de un generador principal 205 y un generador secundario 206, segun se expone.
La grafica muestra la respuesta de la turbina eolica 100 para una velocidad del viento particular, W, 600, donde la turbina eolica 100 genera una salida de potencia P, 601. El generador principal 205 contribuye con una potencia Pp 602, y el generador secundario 208 contribuye con una potencia Ps 603.
El generador principal 205 tiene una salida de potencia positiva Pp entre una velocidad del viento minima Wpmin 610 y una velocidad del viento maxima Wpmax 611. El generador secundario 208 tiene una salida de potencia positiva Ps entre una velocidad del viento minima Wsmin 612 y una velocidad del viento maxima Wsmax 613.
La turbina eolica 100 se configura de manera que desde una velocidad del viento teorica Wteorica 615 y por encima produzca esencialmente la potencia teorica Pteorica 616. La turbina eolica 100 se configura ademas para desconectarse a una velocidad del viento Wdesconexion 617, velocidad del viento a la cual se detiene el rotor de la turbina eolica.
En particular, un experto en la tecnica se inspirara y sera capaz de elegir el generador de imanes permanentes PM, tal como un generador del tipo PMMS (sistema de motor de imanes permanentes) y hacer las configuraciones y controles adecuados.
De manera similar, un experto en la tecnica puede elegir unos generadores de tipo PMHS (smcrono de histeresis con imanes permanentes), de tipo PMDD (de accionamiento directo con imanes permanentes).

Claims (14)

  1. 5
    10
    15
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    Reivindicaciones
    1. Una turbina eolica (100) del tipo de velocidad variable, que comprende:
    - una torre de la turbina eolica (101);
    - una gondola (103) dispuesta en dicha turbina eolica (100);
    - un buje del rotor de la turbina eolica (106) montado con la rotacion permitida en dicha gondola (103), teniendo dicho buje del rotor de la turbina eolica (106) al menos una pala de la turbina eolica (105) montada en este;
    - un eje (201) acoplado a dicho buje del rotor de la turbina eolica (106) y, de manera opcional, a traves de una caja de engranajes (202),
    - un generador principal (205), que a traves de los cables electricos (300) tiene un estator principal conectado electricamente a una conexion de la red (305) y un rotor principal conectado electricamente a
    - un convertidor back-to-back (301) en un extremo del convertidor del lado del generador (302), y donde el convertidor back-to-back (301) en un extremo del convertidor del lado de la red (303) esta conectado electricamente a la conexion de la red (305);
    - un generador secundario (208) acoplado al eje (201, 204) a traves de un acoplamiento mecanico (206), caracterizado por que el generador secundario (208) esta conectado electricamente al rotor principal del generador principal (205) y al extremo del convertidor del lado del generador (302) del convertidor back-to- back (301); y donde dicha turbina eolica (100) comprende, ademas:
    - un controlador (405) con capacidades de control y medios de conexion a:
    - un primer interruptor (401) entre el generador principal (205) y la conexion de la red (305);
    - un segundo interruptor (402) entre el extremo del convertidor del lado del generador (302) del convertidor back-to-back (301) y el generador secundario (208);
    - un tercer interruptor (403) entre el extremo del convertidor del lado del generador (302) del convertidor back-to-back (301) y el generador principal (205);
    y en la que el controlador (405) y los interruptores (401, 402, 403) se configuran de forma que activen/desactiven la potencia de dicho generador principal (205) y dicho generador secundario (208) al convertidor back-to-back (301) y a una red (304).
  2. 2. Una turbina eolica (100) de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizada por que el generador principal (205) es un generador DFIG (205').
  3. 3. Una turbina eolica (100) de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, caracterizada por que dicho generador secundario (208) es un generador de imanes permanentes, tal como uno PMHS (208'), PMMS (208''), PMDD (208''') o un generador de imanes permanentes (208) alternativo o equivalente.
  4. 4. Una turbina eolica (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que dicho generador secundario (208) tiene una salida de potencia maxima (Ps) de entre 50 kW y 230 kW y/o el generador principal (205) tiene una salida de potencia maxima (Pp) de al menos 1 MW, preferentemente de aproximadamente 1.5 MW.
  5. 5. Una turbina eolica (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por que dicho controlador (405) se configura de forma que controle y regule continuamente al menos uno de dichos interruptores (401, 402, 403) para un flujo de potencia entre desactivado (nula produccion de potencia) y activado (maxima produccion de potencia).
  6. 6. Una turbina eolica (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por que dicho controlador (405) se configura ademas de forma que controle dicho extremo del convertidor del lado del generador (302) del convertidor back-to-back (301) por medio de los controles del lado del generador (406) y/o de forma que controle dicho extremo del convertidor del lado de la red (303) del convertidor back-to-back (301) por medio de los controles del lado de la red (407) y/o de forma que controle la rotacion del rotor de la turbina eolica (104) mediante los controles del rotor (408).
  7. 7. Una turbina eolica (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada por que dicho generador secundario (208) comprende un eje del generador secundario (207) acoplado mecanicamente a un eje del generador principal (204); donde el acoplamiento mecanico (206) es preferentemente un acoplamiento de tipo de correa dentada (206').
  8. 8. Una turbina eolica (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada por que dicho generador secundario (208) comprende un eje del generador secundario (207) acoplado mecanicamente de manera directa a un eje del generador principal (204); donde el acoplamiento mecanico (206) es preferentemente un acoplamiento directo de uno con otro, tal como una extension del eje (206'').
  9. 9. Una turbina eolica (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada por que dicho generador secundario (208) comprende un eje del generador secundario (207) acoplado mecanicamente mediante
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    un acoplamiento (206) al eje (201); donde el acoplamiento mecanico (206) es preferentemente un acoplamiento de tipo de caja de engranajes secundaria (206').
  10. 10. Un metodo de produccion de una turbina eolica (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 - 9, que comprende los pasos de:
    - proporcionar una turbina eolica (100) del tipo de velocidad variable, que comprende:
    - una torre de la turbina eolica (101);
    - una gondola (103) dispuesta en dicha turbina eolica (100);
    - un buje del rotor de la turbina eolica (106) montado con la rotacion permitida en dicha gondola (103), teniendo dicho buje del rotor de la turbina eolica (106) al menos una pala de la turbina eolica (105) montada en este;
    - un eje (201) acoplado a dicho buje del rotor de la turbina eolica (106) y, de manera opcional, a traves de una caja de engranajes (202),
    - un generador principal (205), que a traves de los cables electricos (300) tiene un estator principal conectado electricamente a una conexion de la red (305) y un rotor principal conectado electricamente a
    - un convertidor back-to-back (301) en un extremo del convertidor del lado del generador (302), y en el que el convertidor back-to-back (301) en un extremo del convertidor del lado de la red (303) esta conectado a la conexion de la red (305);
    - proporcionar un generador secundario (208); caracterizado por
    - reacondicionar el generador secundario (208) en el eje (201) o en el eje del generador principal (204) mediante un acoplamiento mecanico (206) y conectar electricamente el generador secundario (208) al rotor principal del generador principal (116) y al convertidor back-to-back (301); y
    - reacondicionar
    - un primer interruptor (401) entre el generador principal (205) y la conexion de la red (305);
    - un segundo interruptor (402) entre el extremo del lado del generador (302) del convertidor back-to- back (301) y el generador secundario (208);
    - un tercer interruptor (403) entre el extremo del convertidor del lado del generador (302) del convertidor back-to-back (301) y el generador principal (205);
    y en la que el controlador (405) y los interruptores (401, 402, 403) se configuran de forma que activen/desactiven la potencia de dicho generador principal (205) y generadores secundarios (208) al convertidor back-to-back (301) y a una red (304);
    - reacondicionar el controlador (405) para controlar el convertidor back-to-back (301) por medio de controles del generador/lado de la red (406, 407).
  11. 11. El metodo de produccion de una turbina eolica (100) de acuerdo con la reivindicacion 10, donde el controlador (405) se reacondiciona ademas de modo que controle la rotacion del rotor de la turbina eolica (104) por medio de los controles del rotor (408).
  12. 12. Un metodo de operacion de una turbina eolica (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 y donde
    - el generador principal (205) esta acoplado a un rotor de la turbina eolica (104) y configurado de modo que genere una salida de potencia Pp (602) cuando el rotor de la turbina eolica (104) experimente una velocidad del viento entre una velocidad del viento principal minima (Wp min) y una velocidad del viento principal maxima (Wp max); y
    - el generador secundario (208) esta acoplado a un rotor de la turbina eolica (104) y configurado de modo que genere una salida de potencia (Ps) cuando el rotor de la turbina eolica (104) experimente una velocidad del viento entre una velocidad del viento secundaria minima (Ws min) y una velocidad del viento secundaria maxima (Ws max);
    - y en la que el generador principal (205) y el generador secundario (208) se configuran de modo que produzcan una salida de potencia total (P); donde el metodo de operacion comprende los pasos de
    - operar la turbina eolica en un modo de operacion principal en el que la salida de potencia (P)
    proviene del generador principal (205) cuando la velocidad del viento esta por encima de una
    velocidad del viento de desacoplamiento (Wdesacoplamiento);
    - operar la turbina eolica en un modo de operacion secundario en el que la salida de potencia (P) proviene del generador secundario (208) cuando la velocidad del viento esta por debajo de la velocidad del viento de desacoplamiento (Wdesacoplamiento);
    - y donde la velocidad del viento de desacoplamiento (Wdesacoplamiento) esta entre la velocidad del viento principal minima (Ws min) y la velocidad del viento secundaria maxima (Ws max).
  13. 13. El metodo de operacion de una turbina eolica (100) de acuerdo con la reivindicacion 12, donde la turbina eolica (100) cambia de un modo de operacion a otro que comprende los pasos de:
    - detectar un paso de la velocidad del viento de desacoplamiento (Wdesacoplamiento);
    - detener la rotacion del rotor de la turbina eolica (104), de la turbina eolica (100),
    - reiniciar la rotacion del rotor de la turbina eolica (104), de la turbina eolica (100) mediante
    10
    15
    - la entrada en el modo de operacion principal si la velocidad del viento (W) es la velocidad del viento de desacoplamiento (Wdesacoplamiento) o esta por encima de esta, o
    - la entrada en el modo de operacion secundario si la velocidad del viento (W) esta por debajo de la velocidad del viento de desacoplamiento (Wdesacoplamiento).
  14. 14. El metodo de operacion de una turbina eolica (100) de acuerdo con la reivindicacion 12, donde la turbina eolica (100) cambia de un modo de operacion a otro que comprende los pasos de:
    - reducir la salida de potencia (P) a cero mientras se mantiene el rotor de la turbina eolica (104) a una cierta velocidad de rotacion
    - cerrar los primeros interruptores (401) y los terceros interruptores (403) para conectar el generador principal (205) a una red (305) e incrementar la potencia hasta el nivel de potencia requerido;
    - operar en el modo de operacion principal; o
    - cerrar los segundos interruptores (402) para conectar el segundo generador (208) a una red (305) e incrementar la potencia hasta el nivel de potencia requerido;
    - operar en el modo de operacion secundario.
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