ES2841104T3 - Procedimientos y sistemas para transmisión de energía de corriente continua - Google Patents

Abstract

Un sistema de transmisión de energía de corriente continua (CC) (10) que comprende: una primera pluralidad de sistemas colectores de energía conectados en serie (12); y al menos un conductor de CC superconductor acoplado a dicha primera pluralidad de sistemas colectores de energía conectados en serie y configurado para transmitir energía generada por dicha primera pluralidad de sistemas colectores de energía a una carga remota (42); en el que cada sistema colector de energía de dicha primera pluralidad de sistemas colectores de energía conectados en serie (12) comprende una fuente de energía (52) y un convertidor de corriente alterna (CA) a CC (54), y en el que dichos convertidores de CA a CC (54) se controlan para facilitar una corriente sustancialmente constante a dicho al menos un conductor de CC superconductor; y que comprende además un conectador de conductores de corriente continua (CC) superconductores (30); y en el que la primera pluralidad de sistemas colectores de energía (12) está acoplada al conectador de conductores de CC superconductores (30) mediante un primer conductor (32) y al menos una segunda pluralidad de sistemas colectores de energía (14) está acoplada a un conectador (30) mediante un segundo conductor (34); y en el que un conectador de conductores de CC superconductores (30) está acoplado a al menos un conductor de CC superconductor de alta temperatura (40) para transmisión de la energía generada por unos sistemas (12, 14) a una ubicación remota (42) y en el que un conectador de conductores de CC superconductores (30) acopla los conductores (32, 34) a un conductor de CC superconductor (40); y en el que el al menos un conductor de CC superconductor (40) está incluido dentro de un cable de CC superconductor que incluye una pluralidad de conductores de CC superconductores eléctricamente aislados; y en el que un cable de CC superconductor incluye un primer conjunto de conductores (200) y un segundo conjunto de conductores (210) en el que unos conductores del primer conjunto de conductores (200) están acoplados a los sistemas colectores de energía (12, 14) y configurados para transmitir energía a una red de CA remota (48) y unos conductores del segundo conjunto de conductores (210) son una ruta de retorno entre la red de CA (48) y los sistemas colectores de energía (12, 14); y en el que el sistema de transmisión de energía está configurado de modo que se transmite energía a una corriente sustancialmente constante y en el que el cable de CC superconductor tiene una corriente optimizada, de modo que unas corrientes dentro de cada subcable de dicho primer y segundo conjunto de conductores (200) y (210) se controlan para que sean sustancialmente constantes e idénticas en todo momento.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimientos y sistemas para transmisión de energía de corriente continua

[0001] Los modos de realización descritos en el presente documento se refieren en general a la transmisión de energía desde una pluralidad de sistemas de generación de energía localizados remotamente, y más específicamente, a la transmisión de energía de corriente continua (CC) desde los sistemas de generación de energía a una ubicación remota por medio de un sistema de transmisión por cable de CC superconductor.

[0002] En las aplicaciones de generación distribuida, el sitio de generación de energía es remoto con respecto a la red eléctrica disponible o del punto de carga, y la energía en masa a menudo se transmite a largas distancias. En un parque eólico marino, por ejemplo, la energía generada por generadores de turbinas eólicas individuales se procesa típicamente mediante convertidores electrónicos de energía para convertir una salida de tensión variable y frecuencia variable en una salida de tensión fija y frecuencia fija. Los generadores de turbinas eólicas individuales funcionan a diferentes velocidades y, por lo tanto, la frecuencia de la salida de cada generador puede ser diferente. Cuando se usa un sistema de transmisión de corriente alterna (CA) para transmitir la energía generada a la red eléctrica en tierra, las salidas de los generadores individuales se deben sincronizar con la frecuencia de la red de servicios públicos antes de aplicar la energía a la red eléctrica. Un sistema colector, que incluye transformadores y aparamenta para aislar turbinas individuales y aumentar las tensiones, normalmente hasta decenas de kilovoltios, recopila a continuación la energía generada por las turbinas. El sistema colector se conecta por cable a una subestación en tierra que incrementa aún más la tensión, normalmente hasta centenares de kilovoltios (kV). A continuación, se transmite a través de un cable submarino hasta una subestación en tierra, donde se acopla a la red eléctrica en tierra a través de paramenta y transformadores de aislamiento.

[0003] Para aplicaciones donde la energía en masa se transmite a largas distancias, la transmisión de corriente alterna de alta tensión (HVAC) convencional conlleva problemas técnicos. Además, las líneas de transmisión HVAC son inapropiadas para su uso en áreas de densa población y no son una solución eficaz para los parques eólicos marinos donde es preciso usar cables submarinos para la transmisión de energía. La capacitancia hace que fluya corriente de carga a lo largo de un cable de CA. Debido a que el cable de CA necesita transportar esta corriente, así como la corriente de fuente útil, esta limitación física reduce la capacidad de transporte de la fuente del cable de CA. Debido a que la capacitancia se distribuye a lo largo de todo el cable, las longitudes más largas dan como resultado una mayor capacitancia y una mayor corriente de carga resultante. Para transmitir la corriente de carga y la corriente de fuente útil, los cables de CA se deben sobrevalorar, lo que incrementa el coste del cable de CA. A medida que se incrementa la tensión de diseño del sistema de cable para reducir al mínimo las pérdidas de línea y la caída de tensión, la corriente de carga también se incrementa.

[0004] Se describen diversos sistemas colectores y de transmisión convencionales, por ejemplo, en los documentos US 2008/0137382 y JP 2003 333746.

[0005] La transmisión de CC se puede lograr más eficazmente en distancias más largas que la transmisión de CA. La transmisión de CC de media tensión (MV) o alta tensión (HV) típicamente requiere convertidores electrónicos de energía que pueden convertir entre HVAC y HVDC. Los sistemas de generación de energía que utilizan transmisión de CC incluyen típicamente una pluralidad de convertidores de CA a CC que están acoplados en paralelo y sometidos a control de tensión. El nivel de tensión de la energía transmitida por el cable de CC se mantiene sustancialmente constante, mientras que un nivel de corriente varía dependiendo de la energía facilitada por la pluralidad de generadores. Si se produce un fallo dentro del sistema con tensión controlada, el nivel de tensión se mantiene sustancialmente constante, mientras que la corriente se puede incrementar rápidamente. Aunque los sistemas colectores y de transmisión de CC tienen varias ventajas con respecto a los sistemas de CA, los sistemas de transmisión de Cc con tensión controlada se usan más comúnmente en aplicaciones militares y de investigación porque se necesitan aparamentas costosas para realizar funciones de interrupción debido a la alta corriente de cortocircuito en una topología de CC en paralelo.

[0006] Además, típicamente se utilizan altas tensiones en la transmisión de alta energía, por ejemplo, en el intervalo de centenares de kilovoltios (kV) para transmitir centenares de megavatios (MW) de energía, ya que la transmisión de energía de alta corriente es menos eficaz que la transmisión de energía de alta tensión. Típicamente, la conversión de energía HVDC es cara y compleja, especialmente a altos niveles de energía, debido al nivel de tensión de transmisión necesario para la transmisión de alta energía. Por ejemplo, para no sobrepasar las pérdidas de transmisión aceptables para una transmisión de energía en masa de, por ejemplo, de 300 MW, puede ser necesaria una tensión de transmisión superior a 200 kV.

[0007] Existen cables superconductores de alta temperatura (HTS) disponibles para la transmisión de energía de CA y para la transmisión de energía de CC. Los cables HTS tienen alta conductividad y, por lo tanto, bajas pérdidas de transmisión, lo que reduce un nivel de tensión de transmisión necesario para una transmisión de energía a larga distancia. Los cables de CA HTS son caros en relación con el coste de los cables de CC HTS. Además, los cables de CC HTS configurados para transmitir energía que tiene una corriente que varía son más complejos y caros que los cables de CC HTS configurados para transmitir energía que tiene una corriente sustancialmente constante. Una corriente variable causa un campo magnético cambiante dentro de un cable de CC HTS, lo que crea pérdidas por corrientes parásitas y reduce la eficacia de transmisión de energía. En un sistema de transmisión de CC con tensión controlada, la corriente puede variar suficientemente para impedir una transmisión de energía eficaz usando un cable de CC HTS.

[0008] Las reivindicaciones adjuntas definen diversos aspectos y modos de realización de la presente invención.

[0009] En el presente documento, se describen diversos aspectos y modos de realización de la presente invención con referencia a las figuras adjuntas, en las que:

La figura 1 es un diagrama de bloques de un sistema de generación y transmisión de energía ejemplar.

La figura 2 es un diagrama de bloques de un sistema colector de energía ejemplar que puede estar incluido dentro del sistema de generación y transmisión de energía de la figura 1.

La figura 3 es una vista en sección transversal de un cable de corriente continua superconductor ejemplar para usar con el sistema de generación y transmisión de energía de la figura 1.

La figura 4 es un diagrama de circuito de un modo de realización alternativo de una parte del sistema de generación y transmisión de energía mostrado en la figura 1.

La figura 5 es un diagrama de flujo de un procedimiento ejemplar para transmitir energía usando el sistema de generación y transmisión de energía mostrado en la figura 1.

[0010] Los procedimientos y sistemas descritos en el presente documento facilitan la transmisión de energía desde una fuente hasta una carga. Más específicamente, un sistema de transmisión de energía está configurado de modo que se transmite a energía a una corriente sustancialmente constante lo que facilita el uso de un cable de corriente continua (CC) superconductor. Los procedimientos y sistemas descritos en el presente documento transmiten energía de CC a un nivel de tensión medio lo que posibilita un sistema colector de CC simplificado comparado con el de una transmisión de energía de CC de alta tensión (HVDC). El sistema colector de CC simplificado incluye cables de interconexión de CC de un solo conductor entre las turbinas eólicas, que son menos costosos que los cables trifásicos y facilitan el uso de convertidores de turbina más simples y pequeños. Por otra parte, no se requieren transformadores de turbina ni disyuntores en el sistema colector.

[0011] Diversos efectos técnicos de los procedimientos y sistemas descritos en el presente documento incluyen al menos uno de: (a) acoplamiento de una primera pluralidad de sistemas colectores de energía en serie con al menos un conductor de Cc superconductor para formar un primer circuito de transmisión para transmisión de energía a una carga remota; y (b) configuración de la primera pluralidad de sistemas colectores de energía para proporcionar una corriente sustancialmente constante al primer circuito de transmisión.

[0012] La figura 1 es un diagrama de bloques de un sistema de generación y transmisión de energía 10 ejemplar. En el modo de realización ejemplar, el sistema 10 incluye una primera pluralidad de sistemas colectores de energía 12, una segunda pluralidad de sistemas colectores de energía 14, una tercera pluralidad de sistemas colectores de energía 16 y una cuarta pluralidad de sistemas colectores de energía 18. Además, en el modo de realización ejemplar, la primera pluralidad de sistemas colectores de energía 12 incluye un primer sistema colector de energía 20, un segundo sistema colector de energía 22, un tercer sistema colector de energía 24 y un cuarto sistema colector de energía 26. Cada uno de los sistemas colectores de energía 12, 14, 16 y 18 está acoplado a un conectador de conductores de corriente continua (CC) superconductores 30. Por ejemplo, la primera pluralidad de sistemas colectores de energía 12 está acoplada al conectador de conductores de CC superconductores 30 mediante un primer conductor 32, por ejemplo, un cable de interconexión de CC monofásico, también denominado en el presente documento primer enlace de CC. De forma similar, una segunda pluralidad de sistemas colectores de energía 14 está acoplada al conectador 30 mediante un segundo conductor 34, una tercera pluralidad de sistemas colectores de energía 16 está acoplada al conectador 30 mediante un tercer conductor 36 y una cuarta pluralidad de sistemas colectores de energía 18 está acoplada al conectador 30 mediante un cuarto conductor 38. Aunque en el presente documento se indica que incluye cuatro conjuntos de sistemas colectores de energía, el sistema 10 puede incluir cualquier número adecuado de sistemas colectores de energía que permita que el sistema 10 funcione como se describe en el presente documento.

[0013] En el modo de realización ejemplar, el conectador de conductores de CC superconductores 30 está acoplado a al menos un conductor de Cc superconductor de alta temperatura 40 para la transmisión de la energía generada por los sistemas 12, 14, 16 y 18 a una ubicación remota 42. La ubicación remota 42 puede incluir un invertidor de CC a CA 44 y un transformador 46 para acondicionar la energía recibida por medio del conductor de CC 40 para su aplicación a una carga, por ejemplo, una red eléctrica de CA 48. En el modo de realización ejemplar, el conectador de conductores de CC superconductores 30 reduce una temperatura de los conductores 32, 34, 36 y 38, y acopla los conductores 32, 34, 36 y 38 al conductor de CC superconductor 40. Además, en el modo de realización ejemplar, el al menos un conductor de CC superconductor 40 está incluido dentro de un cable de CC superconductor que incluye una pluralidad de conductores de CC superconductores eléctricamente aislados. El aislamiento eléctrico entre cada enlace de CC permite que cada enlace de CC funcione independientemente de los enlaces de CC. Por ejemplo, una corriente dentro de todos los enlaces de CC puede ser sustancialmente similar, sin embargo, cada enlace de CC puede tener una tensión de enlace de CC diferente.

[0014] En el modo de realización ejemplar, el primer sistema colector de energía 20 incluye al menos una fuente de energía 52 acoplada a un primer convertidor de energía de CA a CC 54. Además, un segundo sistema colector de energía 22 incluye al menos una fuente de energía 56 acoplada a un segundo convertidor de energía de CA a CC 58, un tercer sistema colector de energía 24 incluye al menos una fuente de energía 60 acoplada a un tercer convertidor de energía de CA a CC 62, y un cuarto sistema colector de energía 26 incluye al menos una fuente de energía 64 acoplada a un cuarto convertidor de energía de CA a CC 66.

[0015] En el modo de realización ejemplar, unos terminales de salida de CC 70, 72, 74 y 76 de unos convertidores de energía de CA a CC 54, 58, 62 y 66, respectivamente, están acoplados en serie con un conectador de cable de CC superconductor 30 para formar un primer circuito de transmisión de energía 90. Aunque se ilustran acoplando una única fuente de energía a un primer circuito 90, cada convertidor de energía de CA a CC 54, 58, 62 y/o 66 puede acoplar una pluralidad de fuentes de alimentación al primer circuito 90. Además, aunque se indica que incluye cuatro fuentes de energía y cuatro convertidores de energía de CA a CC, el primer circuito 90 puede incluir cualquier número adecuado de fuentes de energía y convertidores de energía de CA a CC conectados en serie. Por otra parte, en el modo de realización ejemplar, tras recibir una señal de mandato de desconexión, cada convertidor de energía de CA a CC 54, 58, 62 y 66 está configurado para cortocircuitar unos respectivos terminales de salida de CC 70, 72, 74 y 76 del convertidor de energía. Por ejemplo, el cortocircuitado de los terminales de salida de CC 70 del convertidor de energía de CA a CC 54 hace que el convertidor de energía de CA a CC 54 se desconecte del primer circuito de transmisión de energía 90 sin interrumpir el funcionamiento de los convertidores de energía de CA a CC 58, 62 y 66. La desconexión del convertidor de energía de CA a CC 54 permite prevenir que un fallo dentro del convertidor de energía de CA a CC 54 y/o la fuente de energía 52 dañe otros componentes dentro del primer circuito 90. Esta característica permite la eliminación o la reducción de disyuntores de CC. Además, cuando se conectan convertidores de energía CA a CC 54, 56, 62 y 66 en serie, no es necesario que la tensión nominal de los convertidores de energía de CA a CC individuales sea alta. Por ejemplo, en un modo de realización, la tensión nominal es menor o igual a aproximadamente diez kilovoltios (kV)-veinte kV. En otro ejemplo, la tensión nominal es menor o igual a aproximadamente treinta kilovoltios.

[0016] En el modo de realización ejemplar, la primera pluralidad de sistemas colectores de energía 12 se somete a control de corriente. El control de corriente evita el aumento rápido de corriente dentro del primer circuito 90 lo que proporciona protección contra mal funcionamiento. Además, controlar la corriente dentro del primer circuito 90 para que sea sustancialmente constante facilita el uso del cable de CC superconductor 40. Las bajas pérdidas de transmisión que se producen dentro del cable de CC superconductor 40 posibilitan la transmisión económica de alta energía, por ejemplo, de 200 MW, a un nivel de tensión medio, por ejemplo, de 10 kV y 20 kA. Además, en el modo de realización ejemplar, el conectador de cables de CC superconductor 30 acopla los sistemas colectores de energía 12, 14, 16 y 18 al cable de CC 40. Cada uno de los sistemas colectores de energía 12, 14, 16 y 18 puede facilitar energía a 10 kV y 20 kA, en los que el cable de CC 40 transmitirá 800 MW a la ubicación remota 42.

[0017] Dentro del primer circuito de transmisión de energía 90, la corriente que entra y sale de cada convertidor de energía de CA a CC 54, 58, 62 y 66 es igual a la corriente suministrada por el lado de fuente del sistema de generación y transmisión de energía 10. En otras palabras, los convertidores de energía de CA a CC 54, 58, 62 y 66 mantienen una corriente (I^a) en el enlace de CC del sistema 32. La corriente del mandato (I^a) en el enlace de CC 32 del sistema se selecciona como una corriente mínima necesaria para admitir la corriente máxima requerida por cualquiera de los convertidores de energía de CA a CC 54, 58, 62 y 66 para suministrar la energía apropiada a la ubicación remota 42. Por tanto, el sistema 10 es más eficaz cuando las fuentes de energía 52, 56, 60 y 64 tienen capacidades de salida de energía sustancialmente similares. Se puede usar un bucle de retroalimentación para permitir que un controlador 100 determine un mandato de corriente para el enlace de CC 32 del sistema. En el modo de realización ejemplar, el controlador 100 impulsa la corriente (^ia) dentro del enlace de CC 32 del sistema hacia el valor del mandato. Como se indica anteriormente, el valor del mandato dependerá típicamente de los requisitos de la fuente y se puede ajustar de vez en cuando para adaptarlo a los requisitos cambiantes. En el modo de realización ejemplar, el controlador 100 está acoplado comunicativamente a los convertidores 54, 58, 62 y 66 por medio de conductores y/o por medio de comunicaciones inalámbricas. En un modo de realización alternativo, un invertidor de CC a CA 44 controla la corriente en el primer circuito 90. El control de la corriente por el invertidor de CC a CA 44 no requiere la comunicación de retroalimentación a los convertidores individuales 54, 58, 62 y 66.

[0018] La transmisión de energía de CC es particularmente útil para transmitir energía eléctrica en masa que tiene al menos un nivel de tensión de CC medio, por ejemplo, de al menos 10 kV. Típicamente, una distancia desde el sistema colector de energía 12 hasta la ubicación 42 es distante o remota cuando es mayor de veinte kilómetros. Sin embargo, lo que se considera "distante" variará dependiendo de los requisitos de energía del sistema. Adicionalmente, pueden existir algunas aplicaciones en las que los beneficios de encadenar convertidores de CA a CC 54, 58, 62 y 66 usando transmisión de energía de CC no dependen de largas distancias. Cuando se usa para suministrar energía de fuentes situadas en el mar, se espera que el modo de realización de la figura 1 reduzca el coste, la complejidad y el espacio requerido para el equipo de conversión de energía. Por ejemplo, el coste, la complejidad y el espacio requerido se pueden reducir reduciendo un número de componentes tales como disyuntores, transformadores y conectadores dentro del sistema 10.

[0019] En el modo de realización ejemplar, una o más de las fuentes de energía 52, 56, 60 y 64 incluyen un generador de turbina eólica o, más específicamente, unos generadores de turbinas eólicas situadas en el mar. Aunque se describen en el presente documento con respecto a la transmisión de energía desde un parque eólico marino hasta un sistema de energía en tierra, los procedimientos y sistemas descritos en el presente documento se pueden aplicar en general a cualquier aplicación de transmisión o distribución de energía.

[0020] En el modo de realización ejemplar, los convertidores de energía de CA a CC 54, 58, 62 y 66 son convertidores de energía trifásicos. En un ejemplo más específico, los convertidores de energía comprenden convertidores de dos niveles, convertidores de tres niveles o una combinación de convertidores de dos niveles y convertidores de tres niveles. En otros ejemplos, se puede usar un número mayor de niveles. En un modo de realización alternativo, los convertidores de energía de CA a CC conectados en serie individuales 54, 58, 62 y 66 se pueden controlar de manera intercalada, lo que mejora la calidad de la energía sin el uso de filtros en el sistema de energía. Además, aunque no se ilustra en la figura 1, un transformador puede estar acoplado entre, por ejemplo, una fuente de alimentación 52 y un convertidor de CA a CC 54 para incrementar un nivel de tensión de la energía proporcionada al convertidor de CA a CC 54.

[0021] La figura 2 es un diagrama de bloques de un modo de realización ejemplar del sistema colector de energía 20 (mostrado en la figura 1), que puede estar incluido dentro del sistema de generación y transmisión de energía 10 (mostrado en la figura 1). En el modo de realización ejemplar, el convertidor de energía de CA a CC 54 incluye una sección de rectificador 104 y una sección de medio puente 106 que está acoplada entre el enlace de CC 32 del sistema y la sección de rectificador 104. Un enlace de CC 108 del módulo acopla la sección de medio puente 106 y la sección de rectificador 104. La sección de rectificador 104 puede incluir un módulo de conversión convencional que usa dispositivos de conmutación semiconductores tales como transistores de puerta aislada (IGBT), tiristores de desactivación de puerta (GTO) u otros transistores y controles asociados.

[0022] En el modo de realización ejemplar, un primer conmutador 112, un segundo conmutador 114 y un tercer conmutador 116 están acoplados al enlace de CC 32. En el modo de realización ejemplar, el primer conmutador 112, el segundo conmutador 114 y el tercer conmutador 116 son conmutadores de aislamiento que facilitan el aislamiento del sistema colector de energía 20 si se produce un fallo. Más específicamente, en el modo de realización ejemplar, los conmutadores 112, 114 y 116 no son disyuntores de CC, sino más bien conmutadores sin carga. Además, al producirse un fallo en la fuente de alimentación 52 y/o en el convertidor de CA a CC 54, uno de los conmutadores 120 y 122 de la sección de medio puente 106 se cierra para cortocircuitar los terminales de CC de medio puente 70 y por tanto garantizar que el resto del sistema de generación y transmisión de energía 10 no se vea afectado por el fallo.

[0023] En al menos algunos modos de realización, el conmutador 112 también se puede cerrar para permitir que se descargue la capacitancia del enlace de CC 108 del módulo, después de cerrar ambos conmutadores 120 y 122. Los conmutadores 120 y 122 se pueden abrir a continuación junto con los conmutadores 114 y 116, en cuyo momento el convertidor de CA a CC 54 está completamente separado de la fuente de alimentación 52 y del enlace de CC 32 y se puede retirar para mantenimiento, reparación o reemplazo mientras el sistema de generación y transmisión de energía 10 permanece en funcionamiento. La reinserción posterior del convertidor de CA a CC 54 es posible cortocircuitando la sección de medio puente 106 y a continuación abriendo el conmutador 112.

[0024] La sección de medio puente 106 controla la corriente al enlace de CC 32 del sistema, mientras que la sección de rectificador 104 controla la tensión a través del enlace de CC 108 del módulo. La energía para el enlace de CC 32 del sistema se puede ajustar controlando la corriente, la tensión o una combinación de la corriente y la tensión. En un modo de realización ejemplar, la sección de medio puente 106 incluye dos pares de conmutadores de diodo 130 y 132, cada uno de los cuales incluye un diodo 134 o 136 y un conmutador 120 o 122. La sección de medio puente 106 está configurada para recibir energía de entrada desde la sección de rectificador 104 y transmitir al enlace de CC 32 del sistema cuando ambos conmutadores 120 y 122 de los pares de conmutadores de diodo 130 y 132 están cerrados. Los conmutadores 120 y 122 pueden comprender cualquier dispositivo de conmutación apropiado, varios ejemplos de los cuales incluyen unos IGBT y/o unos GTO.

[0025] Cuando una fuente de energía, por ejemplo, la primera fuente de energía 52, suministra menos energía que cada una de las otras fuentes de energía dentro del primer circuito 90 (es decir, las fuentes de energía 56, 60 y 64), la fracción de la corriente circular de CC (I^a) que no suministra la primera fuente de energía 52 se derivará mediante el convertidor de energía de CA a CC 54 y dará como resultado algunas pérdidas de eficacia, en particular si hay una gran diferencia entre la energía generada por diferentes fuentes. La derivación es una derivación parcial en la que los conmutadores de medio puente 120 y/o 122 se modulan, y se selecciona una relación de servicio, para reducir la energía resultante suministrada al enlace de CC 32 del sistema. Los componentes en la ubicación remota 42, por ejemplo, el invertidor de CC a CA 44 y/o el transformador 46, detectan la menor energía transmitida por el sistema 10 y ajustan el funcionamiento para equilibrar la carga con la energía suministrada por el sistema 10. Más específicamente, en los modos de realización donde el invertidor de CC a CA 44 controla la corriente circular de CC (IA), el invertidor de CC a CA 44 ajusta una tensión de enlace de CC en tierra hasta un valor que corresponde a la suma de las tensiones del convertidor marino individuales, para equilibrar las tensiones en tierra y en el mar.

[0026] En el modo de realización ejemplar, el controlador 100 cierra uno de los conmutadores 120 y 122 en caso de una condición de fallo. Por ejemplo, si hay un cortocircuito en el enlace de CC 108 del módulo entre la sección de medio puente 106 y la sección de rectificador 104, la sección de medio puente 106 puede derivar la fuente (es decir, derivar y desacoplar la fuente 52 y el respectivo convertidor de energía 54 del enlace de CC 32 del sistema). El controlador 100 puede incluir uno o más ordenadores o procesadores (que pueden estar situados localmente, remotamente o tanto localmente como remotamente) configurados para enviar señales de mandato a los conmutadores de la sección de medio puente 106 y la sección de rectificador 104, por ejemplo, y por tanto cortocircuitar los terminales de CC 70 del convertidor de CA a CC 54 en el enlace de CC 32 del sistema. Si cualquiera de los conmutadores 120 o 122 está cerrado (es decir, en "encendido"), el convertidor de CA a CC 54 se deriva y no se transfiere energía desde la fuente de energía 52 al enlace de CC 32 del sistema. Esta característica de cortocircuitado (o desacoplamiento) es una alternativa a los dispositivos de seguridad, por ejemplo, los disyuntores de CC. Además, el convertidor de CA a CC 54 puede permanecer independientemente en funcionamiento cuando otro convertidor de CA a CC, por ejemplo, el convertidor de CA a CC 58, dentro del primer circuito 90 está en una condición de cortocircuito. Cuando uno o más convertidores de CA a CC se derivan en un lado del enlace de CC del sistema, la tensión del enlace de CC del sistema resultante es igual a la suma de las tensiones de medio puente restantes. El controlador 100 ajusta automáticamente la suma de las tensiones de medio puente en el otro lado del enlace de CC del sistema para mantener la corriente circular de CC (I^a) en un valor constante. Por tanto, la energía transmitida desde la fuente se adapta instantáneamente adaptando la tensión del enlace de CC del sistema.

[0027] La figura 3 es una vista en sección transversal de un modo de realización ejemplar del cable de corriente continua superconductor 40 (mostrado en la figura 1). En el modo de realización ejemplar, el cable de CC superconductor 40 incluye un primer conjunto de conductores 200 y un segundo conjunto de conductores 210. El primer conjunto de conductores 200 está acoplado a los sistemas colectores de energía 12, 14, 16 y 18 (mostrados en la figura 1) y configurado para transmitir energía desde los sistemas colectores de energía 20, 22, 24 y 26 a una carga remota, por ejemplo, una red de CA 48 (mostrada en la figura 1). El segundo conjunto de conductores 210 es una ruta de retorno entre la red de CA 48 y los sistemas colectores de energía 12, 14, 16 y 18.

[0028] En el modo de realización ejemplar, el primer y el segundo conjunto de conductores 200 y 210, separados por un aislamiento eléctrico 211, están encerrados al menos parcialmente dentro de una pantalla de aislamiento térmico 212. Además, cada conductor individual dentro del primer y segundo conjunto de conductores 200 y 210 está separado mediante aislamiento eléctrico 211. La pantalla de aislamiento térmico 212 reduce al mínimo la transferencia de calor desde una zona exterior 214 del cable de CC 40 al interior 216 del cable de CC 40. Además, la pantalla de aislamiento térmico 212 también mantiene un refrigerante líquido o gaseoso 220 en el interior 216 del cable de CC superconductor 40. En algunos modos de realización, la pantalla de aislamiento térmico 212 puede incluir un aislamiento de vacío 222 para reducir al mínimo aún más la transferencia de calor desde el exterior 214 del cable de CC 40 al interior 216 del cable de CC 40. El primer y el segundo conjuntos de conductores 200 y 210 están rodeados por, y se enfrían mediante, un refrigerante líquido o gaseoso 220, que puede incluir, por ejemplo solo, nitrógeno líquido. El refrigerante líquido o gaseoso 220 puede fluir en una primera dirección en un primer canal dentro del cable de CC 40 y fluir de regreso en una segunda dirección opuesta en un segundo canal dentro del cable de CC 40. En el modo de realización ejemplar, el cable de CC superconductor 40 se somete a optimización de corriente, en el que las corrientes dentro de cada subcable de dichos primer y segundo conjuntos de conductores 200 y 210 se controlan para que sean sustancialmente constantes e idénticas en todo momento.

[0029] La figura 4 es un diagrama de circuito de un modo de realización alternativo 300 del sistema de generación y transmisión de energía 10 (mostrado en la figura 1). En el modo de realización alternativo, cada convertidor de CA a CC incluye, o está acoplado a, un transformador 310. El transformador 310 incrementa el nivel de tensión de la energía proporcionada al convertidor de CA a CC. Además, el convertidor de CA a CC incluye un convertidor reductor 312. Aunque en la descripción se indica que incluye un convertidor reductor, el convertidor de CA a CC puede incluir cualquier tipo de convertidor que permite que el sistema de generación y transmisión de energía 300 funcione como se describe en el presente documento.

[0030] La figura 5 es un diagrama de flujo 330 de un procedimiento 332 ejemplar para transmisión de energía, por ejemplo, desde una fuente de energía remota, por ejemplo, las fuentes de energía 52, 56, 60 y 64 (mostradas en la figura 1) hasta un sistema de energía en tierra, por ejemplo, una red de CA 48 (mostrada en la figura 1). En el modo de realización ejemplar, el procedimiento 332 incluye acoplar 334 una primera pluralidad de sistemas colectores de energía, por ejemplo, sistemas colectores de energía 12 (mostrados en la figura 1) en serie con al menos un conductor de CC superconductor, por ejemplo, un cable de CC 40 para formar un primer circuito de transmisión, por ejemplo, un primer circuito 90 (mostrado en la figura 1), para transmisión de energía a una carga remota, por ejemplo, una red de CA 48. Más específicamente, los sistemas colectores de energía 12 incluyen unos convertidores de CA a CC 54, 58, 62 y 66. En el modo de realización ejemplar, las salidas 70, 72, 74 y 76 de los convertidores de CA a CC 54, 58, 62 y 66 están acopladas 334 en serie para formar el primer circuito de transmisión 90, en el que cada uno de los convertidores de CA a CC 54, 58, 62 y 66 están configurados para recibir una salida de energía de al menos una de las fuentes de energía 52, 56, 60 y 64.

[0031] En el modo de realización ejemplar, el procedimiento 332 también incluye configurar 336 los sistemas colectores de energía 12 para proporcionar una corriente sustancialmente constante al primer circuito 90. Por ejemplo, los convertidores de CA a CC 54, 58, 62 y 66 pueden estar configurados 336 para facilitar una corriente sustancialmente constante.

[0032] En el modo de realización ejemplar, el procedimiento 332 también incluye configurar 338 los convertidores de CA a CC 54, 58, 62 y 66 para cortocircuitar los terminales de salida 70, 72, 74 y/o 76 correspondientes y desacoplar el convertidor de CA a CC del enlace de CC en caso de fallo dentro del sistema colector de energía asociado. Por ejemplo, el convertidor de CA a CC 54 está configurado 338 para cortocircuitar los terminales de salida 70, con lo cual el convertidor de CA a CC 54 se desacopla del enlace de CC 32 en caso de fallo dentro del primer sistema colector de energía 20.

[0033] En el modo de realización ejemplar, el procedimiento 332 también incluye configurar 340 un conectador conductor de CC superconductor, por ejemplo, el conectador 30 (mostrado en la figura 1), para acoplar la primera pluralidad de sistemas colectores de energía 12 y una segunda pluralidad de sistemas colectores de energía, por ejemplo, la segunda pluralidad de sistemas colectores de energía 14 (mostrada en la figura 1), al cable de CC 40. La segunda pluralidad de sistemas colectores de energía 14 está acoplada en serie con el cable de CC 40 y forma un segundo circuito de transmisión para la transmisión de energía a la red de CA 48.

[0034] En el presente documento se describen procedimientos y sistemas ejemplares para transmitir energía desde una fuente a una carga por medio de un cable de CC superconductor. La transmisión de energía de media tensión se logra utilizando la alta densidad de energía del cable de CC superconductor. Los procedimientos y sistemas descritos en el presente documento incluyen una topología de corriente controlada usada para optimizar la magnitud de la corriente de CC y la distribución de la corriente en el cable de CC superconductor proporcionando a los subcables individuales dentro del cable de CC energía de diferentes sistemas colectores.

[0035] Los procedimientos y sistemas descritos en el presente documento hacen posible una transmisión de energía eficaz y económica desde un parque eólico marino hasta un sistema de energía en tierra. En el presente documento se describen y/o ilustran en detalle modos de realización ejemplares de procedimientos y sistemas. Los procedimientos y sistemas no están limitados a los modos de realización específicos descritos en el presente documento, sino que, en su lugar, los componentes de cada aparato, así como las etapas de cada procedimiento, se pueden utilizar independiente y separadamente de otros componentes y etapas descritos en el presente documento. Cada componente, y cada etapa de procedimiento, también se puede usar en combinación con otros componentes y/o etapas de procedimiento.

[0036] Cuando se citan los elementos/componentes/etc. de los procedimientos y aparatos descritos y/o ilustrados en el presente documento, los artículos "un(a)", "el (los)" "la (las)" y "dicho(s)" "dicha(s)" pretenden expresar que hay uno o más del (de los) elemento(s)/componente(s)/ etc. Los términos "que comprende(n)", "que incluye(n)" y "que tiene(n)" pretenden ser inclusivos y expresan que puede haber un(os) elemento(s)/componente(s) adicional(es)/etc. diferente(s) al (a los) elemento(s)/componente(s)/etc. enumerado(s).

[0037] En esta descripción escrita se usan ejemplos para divulgar la invención, incluyendo el modo preferente, y también para permitir que cualquier experto en la técnica lleve a la práctica la invención, incluyendo la fabricación y el uso de cualquier dispositivo o sistema y la realización de cualquier procedimiento incorporado. El alcance patentable de la invención se define en las reivindicaciones.

Claims (8)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de transmisión de energía de corriente continua (CC) (10) que comprende:

una primera pluralidad de sistemas colectores de energía conectados en serie (12); y

al menos un conductor de CC superconductor acoplado a dicha primera pluralidad de sistemas colectores de energía conectados en serie y configurado para transmitir energía generada por dicha primera pluralidad de sistemas colectores de energía a una carga remota (42); en el que cada sistema colector de energía de dicha primera pluralidad de sistemas colectores de energía conectados en serie (12) comprende una fuente de energía (52) y un convertidor de corriente alterna (CA) a CC (54), y en el que dichos convertidores de CA a CC (54) se controlan para facilitar una corriente sustancialmente constante a dicho al menos un conductor de CC superconductor; y que comprende además un conectador de conductores de corriente continua (CC) superconductores (30); y en el que la primera pluralidad de sistemas colectores de energía (12) está acoplada al conectador de conductores de CC superconductores (30) mediante un primer conductor (32) y al menos una segunda pluralidad de sistemas colectores de energía (14) está acoplada a un conectador (30) mediante un segundo conductor (34); y en el que un conectador de conductores de CC superconductores (30) está acoplado a al menos un conductor de CC superconductor de alta temperatura (40) para transmisión de la energía generada por unos sistemas (12, 14) a una ubicación remota (42) y en el que un conectador de conductores de CC superconductores (30) acopla los conductores (32, 34) a un conductor de CC superconductor (40); y en el que el al menos un conductor de CC superconductor (40) está incluido dentro de un cable de CC superconductor que incluye una pluralidad de conductores de CC superconductores eléctricamente aislados; y en el que un cable de CC superconductor incluye un primer conjunto de conductores (200) y un segundo conjunto de conductores (210) en el que unos conductores del primer conjunto de conductores (200) están acoplados a los sistemas colectores de energía (12, 14) y configurados para transmitir energía a una red de CA remota (48) y unos conductores del segundo conjunto de conductores (210) son una ruta de retorno entre la red de CA (48) y los sistemas colectores de energía (12, 14); y en el que el sistema de transmisión de energía está configurado de modo que se transmite energía a una corriente sustancialmente constante y en el que el cable de CC superconductor tiene una corriente optimizada, de modo que unas corrientes dentro de cada subcable de dicho primer y segundo conjunto de conductores (200) y (210) se controlan para que sean sustancialmente constantes e idénticas en todo momento.

2. Un sistema de transmisión de energía de CC (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha fuente de energía (52) comprende un generador de turbina eólica.

3. Un sistema de transmisión de energía de CC (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichos convertidores de CA a CC (54) y dicho al menos un conductor de CC superconductor están acoplados en serie para formar un primer circuito de transmisión (90).

4. Un sistema de transmisión de energía de CC (10) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además un controlador (100) acoplado a dichos convertidores de CA a CC (54) y configurado para controlar el nivel de corriente facilitada por dichos convertidores de CA a CC.

5. Un sistema de transmisión de energía de CC (10) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además un conectador de conductores de corriente continua (CC) superconductores (30) configurado para acoplar dichos convertidores de CA a CC (54) a dicho al menos un conductor de CC superconductor.

6. Un sistema de transmisión de energía de CC (10) de acuerdo con la reivindicación 5, en el que dicho conectador de conductores de CC superconductores (30) acopla además la segunda pluralidad de sistemas colectores de energía conectados en serie (14) a dicho al menos un conductor de CC superconductor.

7. Un sistema de transmisión de energía de CC (10) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además al menos un conmutador de aislamiento (112) acoplado entre unos terminales de salida (70) de dicho convertidor de CA a CC (30) y configurado para aislar dicha fuente de energía (52) en caso de fallo dentro de un sistema colector de energía correspondiente.

8. Un sistema de transmisión de energía de CC (10) de acuerdo con la reivindicación 7, en el que un primer convertidor de CA a CC (54) está configurado para permanecer independientemente en funcionamiento cuando unos terminales de salida (72) de otro de dichos convertidores de CA a CC (58) se cortocircuitan.