ES2860601T3 - Sistemas y procedimientos para aumentar la producción de energía de las turbinas eólicas - Google Patents

Sistemas y procedimientos para aumentar la producción de energía de las turbinas eólicas Download PDF

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Abstract

Un sistema de turbina eólica (100), que comprende: un generador de inducción de doble alimentación accionado por el viento (120) que tiene un rotor y un estator, proporcionando el estator energía CA a un bus de estator (154); un convertidor de potencia (162) acoplado al rotor del generador de inducción de doble alimentación (120) a través de un bus de rotor (156), con el convertidor de potencia (162) que proporciona una salida a un bus de línea (18), teniendo el convertidor de potencia (162) un umbral de voltaje asociado en el bus de rotor (156); y un sistema de control (176) configurado para identificar una velocidad del viento reducida en el generador de inducción de doble alimentación (120); en el que, a la velocidad del viento reducida, el sistema de control (176) está configurado además para reducir la velocidad de giro del rotor del generador de inducción de doble alimentación (120) desde una primera velocidad de giro a una segunda velocidad de giro basándose al menos en parte en datos indicativos de un voltaje del rotor para aumentar la potencia de salida del generador de inducción de doble alimentación (120), con el sistema de control (176) que regula la velocidad de giro del rotor de manera que el voltaje del rotor no exceda un umbral de voltaje asociado con el convertidor de potencia (162) en el bus de rotor (156), y caracterizado por que la segunda velocidad de giro del rotor del generador de inducción de doble alimentación (120) se determina basándose al menos en parte en una ratio de velocidad de punta asociada con la turbina eólica, siendo la ratio de velocidad de punta la relación entre la velocidad tangencial de la punta de una pala de la turbina eólica y la velocidad del viento.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistemas y procedimientos para aumentar la producción de energía de las turbinas eólicas
[0001] La presente divulgación se refiere en general a turbinas eólicas, y más en particular a sistemas y procedimientos para aumentar la potencia de salida de un sistema de turbina eólica con generador de inducción de doble alimentación a velocidades del viento reducidas.
[0002] La energía eólica ha recibido una mayor atención por ser una de las fuentes de energía más limpias y respetuosas con el medio ambiente actualmente disponibles. Una turbina eólica moderna típica puede incluir una torre, un generador, una caja de engranajes, una góndola y un rotor que tiene una o más palas de rotor. Las palas del rotor pueden transformar la energía eólica en un par de rotación mecánico que acciona uno o más generadores a través del rotor. El uno o más generadores se pueden acoplar, por ejemplo, al rotor a través de una multiplicadora. La multiplicadora puede aumentar la velocidad de giro inherentemente baja del rotor de modo que el generador pueda convertir de manera eficiente la energía de rotación mecánica en energía eléctrica, que se puede alimentar a una red de servicios públicos a través de al menos una conexión eléctrica.
[0003] Las turbinas eólicas pueden utilizar una operación de velocidad variable de modo que la velocidad de una pala de turbina cambia con los cambios en la velocidad del viento. Sin embargo, a medida que fluctúa la velocidad de la turbina, también fluctúa la frecuencia de la corriente alterna que fluye desde el generador. Por consiguiente, las configuraciones de turbinas de velocidad variable también pueden incluir convertidores de potencia que se pueden usar para convertir una frecuencia de energía eléctrica generada en una frecuencia sustancialmente similar a la frecuencia de la red pública. Dichos convertidores de potencia pueden comprender típicamente una topología CA-CC-CA con un enlace CC regulado y pueden ser controlados por un controlador de convertidor. Consulte, por ejemplo, el documento US 2008/0150285 y US 2009/0021014.
[0004] Estas turbinas eólicas pueden utilizar operaciones de velocidad variable para optimizar las cargas y mejorar la salida de la turbina. En particular, las turbinas eólicas son más eficientes cuando funcionan a una relación óptima de velocidad de punta. La ratio de velocidad de punta es la relación entre la velocidad tangencial de la punta de una pala de turbina y la velocidad del viento en la turbina eólica. Por consiguiente, una turbina eólica recogerá más energía eólica funcionando a la relación óptima de velocidad de punta que si funciona fuera de la relación óptima de velocidad de punta. Para muchas turbinas eólicas, el espacio operativo y, por tanto, el valor para el cliente, está limitado por voltajes máximos para uno o más componentes de turbinas eólicas inherentes a los sistemas de turbinas eólicas. Por ejemplo, un convertidor de potencia en un sistema de turbina eólica puede tener una restricción de voltaje que limite los valores de velocidad mínima y máxima del generador.
[0005] Por tanto, existe la necesidad de sistemas y procedimientos para aumentar la potencia de salida de un sistema de turbina eólica a velocidades del viento reducidas, manteniendo al mismo tiempo los niveles de voltaje del convertidor de potencia dentro de los límites operativos especificados.
[0006] Diversos aspectos y ventajas de la invención se expondrán en parte en la siguiente descripción, o pueden quedar claros a partir de la descripción, o se pueden descubrir mediante la puesta en práctica de la invención.
[0007] La presente invención está definida por las reivindicaciones adjuntas.
[0008] En los dibujos:
La FIG. 1 representa un ejemplo de un sistema de turbina eólica con generador de inducción de doble alimentación (DFIG) de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación;
La FIG. 2 representa un controlador de ejemplo de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación;
La FIG. 3 representa un diagrama de flujo de un procedimiento de ejemplo para aumentar la potencia de salida de un sistema de turbina eólica DFIG de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación;
La FIG. 4 representa un parque eólico de ejemplo de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación;
La FIG. 5 representa un diagrama de flujo de un procedimiento de ejemplo para aumentar la potencia de salida de un parque eólico de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación.
[0009] A continuación, se hará referencia en detalle a unos modos de realización de la invención, uno o más ejemplos de los cuales se ilustran en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la invención, y no como una limitación de la invención. De hecho, será evidente para los expertos en la materia que se pueden hacer diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance de la invención. Por ejemplo, las características ilustradas o descritas como parte de un modo de realización se pueden usar con otro modo de realización para producir otro modo de realización más. Por tanto, se pretende que la presente invención cubra dichas modificaciones y variaciones tal como aparecen dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.
[0010] Los aspectos de ejemplo de la presente divulgación están dirigidos a sistemas y procedimientos para aumentar la producción de energía en un sistema de turbina eólica con generador de inducción de doble alimentación (DFIG) a velocidades del viento reducidas. El sistema DFIG puede incluir un generador de inducción de doble alimentación accionado por el viento que tiene un rotor y un estator. El estator puede proporcionar alimentación de CA a un bus de estator. El rotor puede proporcionar alimentación de CA a un convertidor de potencia a través de un bus de rotor. El convertidor de potencia puede proporcionar una salida a un bus de línea. El bus del estator y el bus de línea se pueden acoplar a una red eléctrica a través de un transformador, como un transformador de dos devanados o un transformador de tres devanados.
[0011] De acuerdo con aspectos de ejemplo de la presente divulgación, la velocidad de giro del rotor del generador de inducción de doble alimentación puede regularse a velocidades del viento reducidas para aumentar la potencia de salida del sistema generador de inducción de doble alimentación. Por ejemplo, la velocidad de giro del rotor se puede reducir para hacer funcionar la turbina eólica en o cerca de una relación óptima de velocidad de punta a velocidades del viento reducidas.
[0012] Reducir la velocidad del rotor a la velocidad del viento de conexión puede proporcionar un mayor deslizamiento en el generador de inducción de doble alimentación. En particular, el deslizamiento es la diferencia entre la velocidad de operación y la velocidad síncrona de un generador de inducción de doble alimentación dividida por la velocidad síncrona. La velocidad de operación es la velocidad de giro del rotor y la velocidad síncrona es la velocidad de giro del campo magnético del estator. Un mayor deslizamiento puede provocar un aumento del voltaje del rotor de un generador de inducción de doble alimentación. El voltaje del rotor es igual al voltaje del rotor bloqueado multiplicado por el deslizamiento. Por consiguiente, la reducción de la velocidad de giro del rotor de un generador de inducción de doble alimentación puede proporcionar un deslizamiento aumentado, lo cual da como resultado un voltaje de rotor aumentado.
[0013] Los puntos de velocidad más baja y más alta de un sistema generador de inducción de doble alimentación están en general limitados por la capacidad de voltaje del convertidor de potencia. Otros factores pueden incluir el voltaje de la red eléctrica y la demanda de energía reactiva. Por consiguiente, al reducir la velocidad del viento, la velocidad de giro del rotor del generador de inducción de doble alimentación puede regularse de manera que el voltaje del convertidor de potencia en el bus de rotor no exceda la capacidad de voltaje del convertidor de potencia. Tal regulación puede mejorar la eficiencia de la turbina eólica aumentando el rango de velocidad del rotor a la velocidad del viento de conexión y haciendo que el sistema de la turbina eólica recoja más energía del viento.
[0014] Más particularmente, la velocidad de giro del rotor puede regularse de acuerdo con aspectos de ejemplo de la presente divulgación basándose al menos en parte en datos indicativos del voltaje del rotor para aumentar la potencia de salida del generador de inducción de doble alimentación a velocidades del viento reducidas. Por ejemplo, la velocidad de giro del rotor se puede regular de manera que el voltaje del rotor no exceda un umbral de voltaje asociado con el convertidor de potencia en el bus de rotor. Los datos indicativos del voltaje del rotor pueden determinarse, por ejemplo, mediante uno o más sensores. Por ejemplo, se pueden colocar uno o más sensores en el bus de rotor para detectar un voltaje en el rotor del generador de inducción de doble alimentación. Este voltaje de rotor detectado puede ser utilizado por un controlador (por ejemplo, un sistema de control de parque eólico y/o un controlador de turbina eólica individual) para regular la velocidad de giro del rotor de manera que el voltaje del rotor no exceda el umbral de voltaje.
[0015] Los datos indicativos del voltaje del rotor se pueden determinar además de otras formas adecuadas, como a partir de la salida de potencia reactiva del generador de inducción de doble alimentación. Por ejemplo, un controlador puede usar una tabla de búsqueda para regular la velocidad de giro del rotor del generador de inducción de doble alimentación. La tabla de búsqueda puede definir una correlación entre varios puntos de velocidad del rotor y varias condiciones de voltaje de red y potencia reactiva/factor de potencia.
[0016] De acuerdo con aspectos de ejemplo de la presente divulgación, el rango de velocidad del rotor se puede aumentar aún más reduciendo la salida de potencia reactiva del generador de inducción de doble alimentación a velocidades del viento reducidas. Tal reducción en la salida de potencia reactiva puede usarse para permitir que el sistema de turbina eólica del generador de inducción de doble alimentación funcione en o cerca de la relación óptima de velocidad de punta. Por ejemplo, si el voltaje del rotor está en el umbral de voltaje, pero el sistema de turbina eólica no está funcionando a la relación óptima de velocidad de punta, puede ser necesaria una reducción adicional en la velocidad de giro del rotor para que el sistema de turbina eólica funcione en o cerca de la relación óptima de velocidad de punta. Por consiguiente, la salida de potencia reactiva del generador de inducción de doble alimentación se puede reducir para facilitar tal reducción en la velocidad rotacional del rotor.
[0017] El voltaje del rotor puede depender del voltaje de la red eléctrica y de la demanda de potencia reactiva. Por consiguiente, la salida de potencia reactiva reducida a velocidades del viento reducidas puede permitir una reducción aumentada en la velocidad de giro del rotor del generador de inducción de doble alimentación sin exceder las capacidades de voltaje del convertidor de potencia. La reducción aumentada de la velocidad de giro del rotor puede ser tal que el voltaje del convertidor de potencia en el bus de rotor no supere el umbral de voltaje.
[0018] En una implementación de ejemplo, un parque eólico puede incluir una pluralidad de turbinas eólicas, como un primer sistema de turbina eólica y un segundo sistema de turbina eólica, cada uno acoplado a una red eléctrica. El parque eólico puede incluir además un sistema de control configurado para detectar una velocidad del viento reducida en un generador de inducción de doble alimentación del primer sistema de turbina eólica. Por ejemplo, el primer sistema de turbina eólica se puede ubicar en el medio del parque eólico, donde las velocidades del viento a veces pueden reducirse en relación con las velocidades del viento en el perímetro del parque eólico. En respuesta a la detección de la velocidad del viento reducida, el sistema de control puede estar configurado para controlar el generador de inducción de doble alimentación del primer sistema de turbina eólica para reducir la salida de potencia reactiva del primer sistema de turbina eólica. Esto puede permitir una mayor reducción en la velocidad de giro del rotor de un generador de inducción de doble alimentación asociado con el primer sistema de turbina eólica. La velocidad de giro del rotor se puede reducir de modo que el voltaje de un convertidor de potencia acoplado al generador de inducción de doble alimentación a través de un bus de rotor no exceda un umbral de voltaje en el bus de rotor.
[0019] El sistema de control puede estar configurado además para controlar el generador de inducción de doble alimentación del segundo sistema de turbina eólica para aumentar la salida de potencia reactiva del generador de inducción de doble alimentación. Dicho aumento en la producción de potencia reactiva se puede determinar basándose, al menos en parte, en una demanda de potencia reactiva de la red eléctrica. En particular, la salida de potencia reactiva aumentada del segundo sistema de turbina eólica puede compensar la salida de potencia reactiva reducida del primer sistema de turbina eólica, por ejemplo, para satisfacer una demanda de potencia reactiva de la red eléctrica.
[0020] Con referencia ahora a los dibujos, la FIG. 1 representa un ejemplo de un sistema de turbina eólica 100 de generador de inducción de doble alimentación (DFIG) de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación. El sistema 100 incluye una pluralidad de palas de rotor 108 acopladas a un cubo giratorio 110, que juntas definen una hélice 106. La hélice 106 está acoplada a una caja 118 de engranajes opcional que, a su vez, está acoplada a un generador 120. De acuerdo con aspectos de la presente divulgación, el generador 120 es un generador de inducción 120 de doble alimentación (DFIG).
[0021] DFIG 120 está típicamente acoplado a un bus de estator 154 y un convertidor de potencia 162 a través de un bus de rotor 156. El bus de estator 154 proporciona una potencia multifásica de salida (por ejemplo, potencia trifásica) desde un estator de DFIG 120 y el bus de rotor 156 proporciona una potencia multifásica de salida (por ejemplo, potencia trifásica) desde un rotor de DFIG 120. El DFIG 120 se puede acoplar además a un controlador 174 para controlar la operación del DFIG 120. Cabe señalar que el controlador 174, en modos de realización típicos, está configurado como una interfaz entre DFIG 120 y un sistema de control 176. El controlador 174 puede incluir cualquier número de dispositivos de control. En una implementación, el controlador 174 puede incluir un dispositivo de procesamiento (por ejemplo, microprocesador, microcontrolador, etc.) que ejecuta instrucciones legibles por ordenador almacenadas en un medio legible por ordenador. Las instrucciones, cuando son ejecutadas por el dispositivo de procesamiento, pueden hacer que el dispositivo de procesamiento realice operaciones, incluido el suministro de comandos de control al DFIG 120.
[0022] Por ejemplo, como se muestra particularmente en la FIG. 2, el controlador 174 puede incluir cualquier número de dispositivos de control. En una implementación, por ejemplo, el controlador 174 puede incluir uno o más procesadores 190 y dispositivos de memoria asociados 192 configurados para realizar una variedad de funciones y/o instrucciones implementadas por ordenador (por ejemplo, realizar los procedimientos, los pasos, los cálculos y similares y almacenar datos pertinentes como se divulga en el presente documento). Las instrucciones cuando son ejecutadas por el procesador 190 pueden hacer que el procesador 190 realice operaciones, incluyendo proporcionar comandos de control (por ejemplo, comandos de modulación de ancho de pulso) a los elementos de conmutación del convertidor de potencia 162 y otros aspectos del sistema de energía 100. Además, el controlador 174 también puede incluir un módulo de comunicaciones 194 para facilitar las comunicaciones entre el sistema de control 174 y los diversos componentes del sistema de energía 100, como cualquiera de los componentes de la FIG. 1.
[0023] Además, el módulo de comunicaciones 194 puede incluir una interfaz de sensor 196 (por ejemplo, uno o más convertidores de analógico a digital) para permitir que las señales transmitidas desde uno o más sensores se conviertan en señales que se puedan entender y procesar mediante los procesadores 190. Se debe apreciar que los sensores (por ejemplo, los sensores 191, 193, 195) se pueden acoplar comunicativamente al módulo de comunicaciones 194 usando unos medios cualesquiera adecuados. Por ejemplo, como se muestra en la FIG. 2, los sensores 191, 193, 195 están acoplados a la interfaz de sensor 196 por medio de una conexión alámbrica. Sin embargo, en otros modos de realización, el o los sensores 191, 193, 195 se pueden acoplar a la interfaz de sensor 196 por medio de una conexión inalámbrica, tal como usando cualquier protocolo de comunicaciones inalámbricas adecuado conocido en la técnica. Como tal, el procesador 190 puede estar configurado para recibir una o más señales de los sensores.
[0024] Como se usa en el presente documento, el término "procesador" se refiere no solo a los circuitos integrados incluidos en un ordenador a los que se refiere la técnica, sino que también se refiere a un controlador, un microcontrolador, un microordenador, un controlador lógico programable (PLC), un circuito integrado específico de la aplicación y otros circuitos programables. El procesador 190 también está configurado para calcular algoritmos de control avanzados y comunicarse con una variedad de protocolos de Ethernet o basados en serie (Modbus, OPC, CAN, etc.). Además, el o los dispositivos de memoria 192 en general pueden comprender elemento(s) de memoria que incluya(n), entre otros, un medio legible por ordenador (por ejemplo, memoria de acceso aleatorio (RAM)), un medio no volátil legible por ordenador (por ejemplo, una memoria flash), un disquete, un disco compacto de memoria de solo lectura (CD-ROM), un disco magnetoóptico (MOD), un disco versátil digital (DVD) y/u otros elementos de memoria adecuados. Dicho o dichos dispositivos de memoria 192 pueden estar configurados en general para almacenar instrucciones adecuadas legibles por ordenador que, cuando se implementen mediante el o los procesadores 190, configuren el controlador 174 para realizar diversas funciones como se describe en el presente documento.
[0025] Volviendo a la FIG. 1, el DFIG 120 está acoplado a través del bus de rotor 156 a un convertidor del lado del rotor 166. El convertidor del lado del rotor 166 está acoplado al convertidor del lado de la línea 168, que a su vez está acoplado a un bus del lado de la línea 188. En configuraciones de ejemplo, el convertidor del lado del rotor y 166 el convertidor del lado de la línea 168 están configurados para el modo de operación normal en una disposición trifásica de modulación de ancho de pulso (PWM) usando elementos de conmutación de transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). El convertidor del lado del rotor 166 y el convertidor del lado de la línea 168 pueden acoplarse mediante un enlace de CC 136 a través del cual hay un condensador de enlace de CC 138.
[0026] El convertidor de potencia 162 también se puede acoplar al controlador 174 para controlar la operación del convertidor del lado del rotor 166 y del convertidor del lado de la línea 168. En una implementación, instrucciones adicionales almacenadas en el controlador 174, cuando son ejecutadas por el dispositivo de procesamiento, pueden hacer que el dispositivo de procesamiento realice operaciones, incluyendo proporcionar comandos de control (por ejemplo, comandos de modulación de ancho de pulso) a los elementos de conmutación del convertidor de potencia 162.
[0027] En configuraciones típicas, varios contactores de línea y disyuntores incluyendo, por ejemplo, un disyuntor de red 182 pueden incluirse para el aislamiento de los diversos componentes según sea necesario para la operación normal de DFIG 120 durante la conexión a y la desconexión de la red eléctrica 184. Un disyuntor del sistema 178 puede acoplar el bus del sistema 160 a un transformador 180, que puede estar acoplado a la red eléctrica 184 a través del disyuntor de red 182. Aunque el transformador 180 representa un transformador de dos devanados, se pueden utilizar otros transformadores adecuados, como un transformador de tres devanados. En un modo de realización que utiliza un transformador de tres devanados, el bus de línea 188 se puede acoplar a un devanado del transformador, el bus de estator 154 se puede acoplar a otro devanado del transformador y la red 184 se puede acoplar a otro devanado del transformador.
[0028] En operación, la potencia de corriente alterna generada DFIG 120 mediante la rotación del rotor 106 se proporciona a través de una trayectoria dual a la red eléctrica 184. Las trayectorias duales están definidas por el bus del estator 154 y el bus de rotor 156. En el lado del bus de rotor 156, se proporciona energía de corriente alterna (CA) sinusoidal multifásica (por ejemplo, trifásica) al convertidor de potencia 162. El convertidor de potencia del lado del rotor 166 convierte la potencia CA proporcionada desde el bus de rotor 156 en potencia de corriente continua (CC) y proporciona la potencia CC al enlace de CC 136. Los elementos de conmutación (por ejemplo, IGBT) usados en los circuitos de puente paralelo del convertidor de potencia del lado del rotor 166 pueden modularse para convertir la potencia CA proporcionada desde el bus de rotor 156 en potencia CC adecuada para el enlace de CC 136.
[0029] El convertidor de lado de la línea 168 convierte la potencia de CC en el enlace de CC 136 en potencia de salida de CA adecuada para la red eléctrica 184. En particular, los elementos de conmutación (por ejemplo, IGBT) utilizados en los circuitos de puente del convertidor de potencia del lado de la línea 168 pueden modularse para convertir la potencia de CC en el enlace de CC 136 en potencia de CA en el bus del lado de la línea 188. La energía de CA del convertidor de potencia 162 se puede combinar con la energía del estator de DFIG 120 para proporcionar energía multifásica (por ejemplo, energía trifásica) que tiene una frecuencia mantenida sustancialmente a la frecuencia de la red eléctrica 184 (por ejemplo, 50 Hz o 60 Hz).
[0030] Varios interruptores y disyuntores, tales como el disyuntor de red 182, el disyuntor de sistema 178, el interruptor de sincronización del estator 158, el disyuntor del convertidor 186, y el contactor de línea 172 se pueden incluir en el sistema 100 para conectar o desconectar buses correspondientes, por ejemplo, cuando el flujo de corriente es excesivo y puede dañar componentes del sistema de turbina eólica 100 o para otras consideraciones operativas. También pueden incluirse componentes de protección adicionales en el sistema de turbina eólica 100.
[0031] El DFIG 120 y el convertidor de potencia 162 pueden recibir señales de control de, por ejemplo, el sistema de control 176 a través del controlador 174. Las señales de control pueden basarse, entre otras cosas, en condiciones detectadas o características operativas del sistema de turbina eólica 100. Típicamente, las señales de control proporcionan el control de la operación de DFIG 120 y/o el convertidor de potencia 162. Por ejemplo, la retroalimentación en forma de voltaje en el bus de rotor 156 del convertidor de potencia 162 puede usarse para regular la velocidad de giro del rotor del DFIG 120. Como otro ejemplo, la retroalimentación en forma de velocidad detectada del rotor de DFIG 120 puede usarse para controlar la conversión de la potencia de salida del bus de rotor 156 para mantener una fuente de alimentación multifásica (por ejemplo, trifásica) adecuada y equilibrada. El controlador 174 también puede usar otra retroalimentación de otros sensores para controlar el DFIG 120 y/o el convertidor de potencia 162, incluyendo, por ejemplo, los voltajes del bus de rotor y estator y retroalimentaciones de corriente. Usando las diversas formas de información de retroalimentación, se pueden generar señales de control de conmutación (por ejemplo, comandos de temporización de puerta para IGBT), señales de control de sincronización del estator y señales de disyuntor.
[0032] De acuerdo con aspectos de la presente divulgación, la velocidad de giro del rotor del DFIG 120 puede regularse basándose al menos en parte en un umbral de voltaje asociado con el convertidor de potencia 166 en el bus de rotor 156. En particular, el rango de velocidad del viento del sistema 100 puede ser limitado por una capacidad de voltaje del convertidor de potencia 162. En particular, los puntos de velocidad del viento mínima y máxima del sistema 100 pueden estar limitados por la capacidad de voltaje del convertidor de potencia 162. El umbral de voltaje asociado con el convertidor de potencia 162 se puede determinar basándose al menos en parte en la capacidad de voltaje del convertidor de potencia 162. En consecuencia, a la velocidad del viento de conexión, el controlador 174 puede estar configurado para controlar DFIG 120 para reducir la velocidad de giro del rotor de DFIG 120 de manera que el voltaje del convertidor de potencia 162 en el bus de rotor 156 no exceda el umbral de voltaje asociado con el convertidor de potencia 162.
[0033] Por ejemplo, para un convertidor de IGBT de 1800 V, la capacidad de voltaje puede estar en el rango de aproximadamente 759 V. Como se usa en el presente documento, el uso del término "aproximadamente" junto con un valor numérico está destinado a referirse dentro de aproximadamente el 25 % del valor numérico. Esta restricción de voltaje puede hacer que el sistema 100 pierda energía a la velocidad del viento de conexión. Por consiguiente, a un factor de potencia de 1, la velocidad de giro del rotor de un DFIG de 50 Hz se puede reducir a 925 rpm a la velocidad del viento de conexión en contraposición a 1080 rpm, a la que normalmente funcionaría el DFIG.
[0034] La FIG. 3 representa un diagrama de flujo para un procedimiento de ejemplo (300) para aumentar la producción de potencia de un sistema de turbina eólica DFIG de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación. La FIG. 3 representa los pasos realizados en un orden particular para propósitos de ilustración y análisis. Los expertos en la materia, usando las divulgaciones proporcionadas en el presente documento, entenderán que los pasos de cualquiera de los procedimientos divulgados en el presente documento se pueden adaptar, omitir, reorganizar y/o expandir de diversas formas sin desviarse del alcance de la presente divulgación.
[0035] En (302), el procedimiento (300) puede incluir generar energía de corriente alterna en un generador de inducción de doble alimentación accionado por el viento. La potencia de corriente alterna se puede proporcionar a un bus de estator desde un estator del generador de inducción de doble alimentación accionado por el viento. En (304), el procedimiento (300) puede incluir proporcionar un voltaje de rotor desde un convertidor de potencia a un rotor del generador de inducción de doble alimentación accionado por el viento a través de un bus de rotor.
[0036] En (306), el procedimiento (300) puede incluir supervisar la velocidad del viento en el generador de inducción de doble alimentación accionado por el viento. La velocidad del viento se puede determinar, por ejemplo, mediante un anemómetro asociado con el generador de inducción de doble alimentación accionado por el viento.
[0037] En (308), el procedimiento (300) puede incluir la detección de una velocidad del viento reducida en el generador de inducción de doble alimentación accionado por el viento. La velocidad reducida del viento puede ser, por ejemplo, la velocidad de activación del generador de inducción de doble alimentación accionado por el viento.
[0038] En respuesta a la detección de la velocidad del viento reducida, en (310), el procedimiento (300) puede incluir controlar la velocidad de giro del rotor del generador de inducción de doble alimentación accionado por el viento basado al menos en parte en datos indicativos del voltaje del rotor. Los datos indicativos del voltaje del rotor pueden incluir señales de uno o más sensores en el bus de rotor y/o datos en una tabla de búsqueda que correlacionan varios puntos de velocidad del rotor con varias condiciones de voltaje de red y potencia reactiva/factor de potencia.
[0039] De acuerdo con aspectos particulares de la presente divulgación, la velocidad de giro del rotor se puede reducir de manera que el voltaje del rotor no exceda un umbral de voltaje asociado con el convertidor de potencia en el bus de rotor. Por ejemplo, un controlador puede enviar comandos de control al generador de inducción de doble alimentación accionado por el viento para reducir la velocidad de giro del rotor del generador de inducción de doble alimentación accionado por el viento desde una primera velocidad de giro a una segunda velocidad de giro. La segunda velocidad de giro puede determinarse de manera que el sistema de turbina eólica funcione, por ejemplo, en o cerca de una relación óptima de velocidad de punta para aumentar la potencia de salida del generador de inducción de doble alimentación. La segunda velocidad de giro se puede determinar además de manera que el voltaje del convertidor de potencia en el bus de rotor no supere el umbral de voltaje.
[0040] En (312), el procedimiento (300) puede incluir un control adicional de la velocidad de giro del rotor del generador de inducción de doble alimentación accionado por el viento basado al menos en parte en el umbral de voltaje asociado con el convertidor de potencia. Si el voltaje del convertidor de potencia en el lado del rotor excede el umbral de voltaje, (312) puede incluir aumentar la velocidad de giro del rotor para disminuir el deslizamiento y el voltaje del rotor del generador de inducción de doble alimentación. La velocidad de giro del rotor puede aumentarse de manera que el voltaje del convertidor de potencia en el bus de rotor no supere el umbral de voltaje. Si el voltaje no excede el umbral de voltaje, (312) puede incluir mantener la velocidad de giro del rotor del DFIG y el procedimiento (300) puede incluir regresar a (306).
[0041] De acuerdo con aspectos de ejemplo de la presente divulgación, una pluralidad de sistemas de turbinas eólicas, tales como el sistema de turbina eólicas 100 representado en la FIG. 1, puede ser parte de un parque eólico. La FIG. 4 representa un parque eólico de ejemplo 200 de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación. El parque eólico 200 incluye el sistema de turbina eólica 202 y el sistema de turbina eólica 204. Los sistemas de turbina eólica 202 y 204 pueden ser sistemas DFIG, tales como el sistema 100 como se describe en la FIG. 1. Aunque solo se representan dos sistemas de turbinas eólicas, los expertos en la materia apreciarán que se puede incluir cualquier número adecuado de sistemas de turbinas eólicas en el parque eólico 200. Los sistemas de turbina eólica 202 y 204 se pueden acoplar cada uno al controlador de parque eólico 206. El controlador de parque eólico 206, en modos de realización típicos, está configurado como una interfaz entre el parque 200 eólico y un sistema de control 208. El controlador de parque eólico 206 puede incluir cualquier número de dispositivos de control. En una implementación, el sistema de control de un parque eólico puede incluir un dispositivo de procesamiento (por ejemplo, microprocesador, microcontrolador, etc.) que ejecuta instrucciones legibles por ordenador almacenadas en un medio legible por ordenador. Las instrucciones, cuando son ejecutadas por el dispositivo de procesamiento, pueden hacer que el dispositivo de procesamiento realice operaciones, incluido el suministro de comandos de control a los sistemas 202 y 204 de turbinas eólicas.
[0042] El parque eólico 200 se puede acoplar además a una red eléctrica 210 mediante un transformador 212. El transformador 212 comprende un transformador de dos devanados, pero los expertos en la materia apreciarán que se pueden usar varios otros transformadores adecuados, tales como un transformador de tres devanados. El parque eólico 200 puede generar energía multifásica (por ejemplo, energía trifásica) a la red eléctrica 210 a través del transformador 212. El nivel de potencia de salida del parque eólico 200 puede controlarse al menos en parte mediante el controlador de parque eólico 206.
[0043] En particular, el controlador de parque eólico 206 puede recibir valores de comando de, por ejemplo, el sistema de control 208, indicativos de los valores de potencia objetivo para el parque 200 eólico. Los valores de potencia objetivo pueden incluir valores de potencia activa y/o valores de potencia reactiva. Los valores de potencia objetivo se pueden determinar basándose, al menos en parte, en una demanda de potencia de la red eléctrica 210. Además, el controlador de parque eólico 206 puede recibir datos de medición indicativos de la potencia activa, la potencia reactiva, el voltaje, la frecuencia del parque eólico 200 en el punto de conexión a la red, etc.
[0044] Además, el controlador de parque eólico 206 puede recibir datos de medición de la turbina de los sistemas 202 y 204 de la turbina eólica. Por ejemplo, los datos de medición de la turbina pueden incluir la frecuencia de salida de potencia de un DFIG, voltajes, corrientes, salidas de potencia activa, salidas de potencia reactiva, velocidad del viento, factor de potencia, etc. Basándose al menos en parte en los diversos datos recibidos, el controlador de parque eólico 206 puede determinar valores de comando para los sistemas 202 y 204 de turbinas eólicas. Los sistemas de turbina eólica 202 y 204 pueden utilizar entonces sistemas de control incluidos en los sistemas de turbina eólica 202 y 204, como el sistema de control 176 representado en la FIG. 1, para controlar los respectivos sistemas 202 y 204 de turbina eólica de acuerdo con los valores de comando del controlador de parque eólico 206.
[0045] En modos de realización de ejemplo, el controlador de parque eólico 206 puede determinar controles de comando para los sistemas 202 y 204 de turbinas eólicas basándose, al menos en parte, en una tabla de búsqueda. La tabla de búsqueda puede definir una correlación entre varios puntos de velocidad del rotor y varias condiciones de demanda de potencia reactiva y voltaje de la red eléctrica.
[0046] La FIG. 5 representa un diagrama de flujo de un procedimiento de ejemplo (400) para aumentar la salida de potencia de un parque eólico a velocidades del viento reducidas de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación. El rango de velocidad del rotor de un generador de inducción de doble alimentación se puede aumentar aún más reduciendo la salida de potencia reactiva a velocidades del viento reducidas. Por consiguiente, en (402), el procedimiento 400 puede incluir identificar una demanda de potencia reactiva de una red eléctrica. La red eléctrica se puede acoplar a un parque eólico, como el parque eólico 200 representado en la FIG. 4. El parque eólico puede incluir, por ejemplo, un primer generador de inducción de doble alimentación y un segundo generador de inducción de doble alimentación. La demanda de potencia reactiva de la red eléctrica se puede determinar basándose, al menos en parte, en diversas condiciones de la red asociadas con las cargas eléctricas acopladas a la red.
[0047] En (404), el procedimiento (400) puede incluir la detección de una velocidad del viento reducida en el primer generador de inducción de doble alimentación. La velocidad del viento reducida puede ser, por ejemplo, la velocidad del viento de activación del generador de inducción de doble alimentación. En respuesta a la detección de la velocidad del viento reducida en el primer generador de inducción de doble alimentación, en (406), el procedimiento (400) puede incluir reducir la salida de potencia reactiva y la velocidad de giro del rotor del generador de inducción de doble alimentación para aumentar la salida de potencia del generador de inducción de doble alimentación. La velocidad de giro se puede reducir de manera que el voltaje de un convertidor de potencia acoplado al rotor del generador de inducción de doble alimentación no supere un umbral de voltaje en el bus de rotor.
[0048] La salida de potencia reactiva reducida puede permitir una reducción aumentada en la velocidad de giro del rotor del generador de inducción de doble alimentación. La reducción aumentada de la velocidad de giro del rotor puede ser tal que el voltaje en el bus de rotor del convertidor de potencia no exceda el umbral de voltaje asociado con el convertidor de potencia.
[0049] En (408), el procedimiento 400 puede incluir incrementar la salida de potencia reactiva del segundo generador de inducción de doble alimentación. La salida de potencia reactiva del segundo generador de inducción de doble alimentación se puede determinar basándose, al menos en parte, en la demanda de potencia reactiva de la red eléctrica identificada. Por ejemplo, la salida de potencia reactiva del segundo generador de inducción de doble alimentación se puede aumentar para compensar la disminución de la salida de potencia reactiva del primer generador de inducción de doble alimentación. La salida de potencia reactiva aumentada del segundo generador de inducción de doble alimentación se puede determinar de manera que la salida de potencia reactiva global del parque eólico satisfaga la demanda de potencia reactiva requerida para el parque eólico de la red eléctrica.
EJEMPLO
[0050] La tabla 1 visualiza resultados de simulación de ejemplo de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación. En particular, la Tabla 1 muestra las salidas de potencia de un generador de inducción de doble alimentación a velocidades de viento reducidas para diferentes velocidades de giro del rotor. Por ejemplo, como se indica en la Tabla 1, a una velocidad del viento de 4 m/s, la reducción de la velocidad de giro del rotor de 1065 rpm a 925 rpm proporciona un aumento de 31 kW en la potencia de salida del generador de inducción de doble alimentación.
Tabla 1
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[0051] En esta descripción escrita se usan ejemplos para divulgar la invención, que incluyen el modo preferente, y asimismo para permitir que cualquier experto en la técnica lleve a la práctica la invención, lo cual incluye fabricar y usar cualquier dispositivo o sistema y realizar cualquier procedimiento incorporado. El alcance patentable de la invención está definido por las reivindicaciones.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de turbina eólica (100), que comprende:
un generador de inducción de doble alimentación accionado por el viento (120) que tiene un rotor y un estator, proporcionando el estator energía CA a un bus de estator (154);
un convertidor de potencia (162) acoplado al rotor del generador de inducción de doble alimentación (120) a través de un bus de rotor (156), con el convertidor de potencia (162) que proporciona una salida a un bus de línea (18), teniendo el convertidor de potencia (162) un umbral de voltaje asociado en el bus de rotor (156); y
un sistema de control (176) configurado para identificar una velocidad del viento reducida en el generador de inducción de doble alimentación (120);
en el que, a la velocidad del viento reducida, el sistema de control (176) está configurado además para reducir la velocidad de giro del rotor del generador de inducción de doble alimentación (120) desde una primera velocidad de giro a una segunda velocidad de giro basándose al menos en parte en datos indicativos de un voltaje del rotor para aumentar la potencia de salida del generador de inducción de doble alimentación (120), con el sistema de control (176) que regula la velocidad de giro del rotor de manera que el voltaje del rotor no exceda un umbral de voltaje asociado con el convertidor de potencia (162) en el bus de rotor (156), y caracterizado por que la segunda velocidad de giro del rotor del generador de inducción de doble alimentación (120) se determina basándose al menos en parte en una ratio de velocidad de punta asociada con la turbina eólica, siendo la ratio de velocidad de punta la relación entre la velocidad tangencial de la punta de una pala de la turbina eólica y la velocidad del viento.
2. El sistema de turbina eólica (100) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la reducción de la velocidad de giro del rotor del generador de inducción de doble alimentación (120) proporciona un mayor deslizamiento en el generador de inducción de doble alimentación.
3. El sistema de turbina eólica (100) de cualquier reivindicación anterior, en el que los datos indicativos del voltaje del rotor se pueden determinar basándose al menos en parte en uno o más sensores (195) configurados para supervisar el voltaje en el bus de rotor (156).
4. El sistema de turbina eólica (100) de cualquier reivindicación anterior, en el que los datos indicativos del voltaje del rotor se pueden determinar basándose al menos en parte en una salida de potencia reactiva del generador de inducción de doble alimentación (120).
5. El sistema de turbina eólica (100) de cualquier reivindicación anterior, en el que los datos indicativos del voltaje del rotor comprenden una tabla de búsqueda, definiendo la tabla de búsqueda una correlación entre varios puntos de velocidad del rotor y varias condiciones de demanda de voltaje y potencia reactiva de la red eléctrica, con una velocidad de giro reducida del rotor del generador de inducción de doble alimentación (120) que se determina basándose, al menos en parte, en la tabla de consulta.
6. El sistema de turbina eólica (100) de cualquier reivindicación anterior, en el que el sistema de control (176) está configurado para regular la velocidad de giro basándose al menos en parte en un voltaje de la red eléctrica.
7. El sistema de turbina eólica (100) de cualquier reivindicación anterior, en el que, a la velocidad del viento reducida, el sistema de control (176) está configurado para reducir una salida de potencia reactiva del generador de inducción de doble alimentación (120) para permitir una mayor reducción en velocidad de giro del rotor del generador de inducción de doble alimentación (120).
8. Un procedimiento (300) para aumentar la potencia de salida de un generador de inducción (120) accionado por el viento y de doble alimentación a velocidades del viento reducidas, comprendiendo el procedimiento:
generar (302) energía de corriente alterna en un generador de inducción de doble alimentación accionado por el viento (120), con la energía de corriente alterna proporcionada a un bus de estator (154) desde un estator del generador de inducción de doble alimentación accionado por el viento (120);
proporcionar (304) un voltaje de rotor desde un convertidor de potencia (162) a un rotor del generador de inducción de doble alimentación accionado por el viento (120) a través de un bus de rotor (156);
detectar (308) una velocidad del viento reducida en el generador de inducción de doble alimentación accionado por el viento (120); y
en respuesta a la detección de la velocidad del viento reducida, reducir (310) la velocidad de giro del rotor de una primera velocidad de giro a una segunda velocidad de giro basándose al menos en parte en los datos indicativos del voltaje del rotor para aumentar la potencia de salida del generador de inducción de alimentación doble (120), determinándose la segunda velocidad de giro de manera que el voltaje del rotor no supere un umbral de voltaje asociado con el convertidor de potencia (162) en el bus de rotor (156), caracterizado por que la segunda velocidad de giro reducida del rotor del generador de inducción de doble alimentación (120) se determina basándose, al menos en parte, en una ratio de velocidad de punta, siendo la ratio de velocidad de punta la relación entre la velocidad tangencial de la punta de una pala de la turbina eólica, y la velocidad del viento.
9. El procedimiento (300) de acuerdo con la reivindicación 8, en el que los datos indicativos del voltaje del rotor se pueden determinar basándose al menos en parte en uno o más sensores (195) configurados para supervisar el voltaje en el bus de rotor (156).
10. El procedimiento (300) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 9, en el que los datos indicativos del voltaje del rotor se pueden determinar basándose al menos en parte en una salida de potencia reactiva del generador de inducción de doble alimentación (120).
11. El procedimiento (300) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en el que el procedimiento comprende:
reducir una salida de potencia reactiva del generador de inducción de doble alimentación accionado por viento (120); y
reducir la velocidad de giro del rotor del generador de inducción (120) de doble alimentación accionado por viento a una tercera velocidad de giro, siendo la tercera velocidad de giro menor que la primera velocidad de giro.
12. El procedimiento (300) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, en el que la reducción de la segunda velocidad de giro del rotor del generador de inducción de doble alimentación (120) proporciona un mayor deslizamiento del generador de inducción de doble alimentación (120).
13. Un parque eólico (200), con el parque eólico (200) que comprende:
un primer sistema de turbina eólica (100) que tiene un primer generador de inducción de doble alimentación (120), con el primer generador de inducción de doble alimentación (120) que tiene un rotor y un estator, estando el rotor acoplado a través de un bus de rotor (156) a un convertidor de potencia (162) teniendo un umbral de voltaje asociado en el bus de rotor (156);
un segundo sistema de turbina eólica (100) que tiene un segundo generador de inducción de doble alimentación (120), teniendo el segundo generador de inducción de doble alimentación (120) un rotor y un estator; y
un sistema de control (176), estando el sistema de control (176) configurado para detectar una velocidad del viento reducida en el primer generador de inducción de doble alimentación;
en el que en respuesta a la detección de la velocidad del viento reducida en el primer generador de inducción de doble alimentación, el sistema de control está configurado para controlar el primer generador de inducción de doble alimentación (120) para reducir una salida de potencia reactiva del primer generador de inducción de doble alimentación (120) y para reducir la velocidad de giro del rotor del primer generador de inducción de doble alimentación (120) desde una primera velocidad de giro a una segunda velocidad de giro para aumentar la salida de potencia del primer generador de inducción de doble alimentación de modo que el voltaje del rotor no supere el umbral de voltaje,
en el que, a la velocidad del viento reducida, el sistema de control (176) está configurado para reducir la velocidad rotacional del rotor del primer generador de inducción de doble alimentación (120) desde la primera velocidad rotacional hasta la segunda velocidad rotacional que se determina basándose al menos en parte en una ratio de velocidad de punta asociada con el primer sistema de turbina eólica (100), siendo la ratio de velocidad de punta la relación entre la velocidad tangencial de la punta de una pala del primer sistema de turbina eólica (100), y la velocidad del viento, y
en el que el sistema de control (176) está configurado además para controlar el segundo generador de inducción de doble alimentación (120) para aumentar una salida de potencia reactiva del segundo generador de inducción de doble alimentación (120).
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