ES2863961T3 - Sistema y procedimiento para hacer funcionar un sistema de generador de inducción de doble alimentación para reducir armónicos - Google Patents

Sistema y procedimiento para hacer funcionar un sistema de generador de inducción de doble alimentación para reducir armónicos Download PDF

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Abstract

Un procedimiento (300) para hacer funcionar un sistema de energía de generador de inducción de doble alimentación (DFIG) (100) conectado a una red eléctrica (160), definiendo el sistema de energía de DFIG (100) una ruta de potencia de generador (130) y una ruta de potencia de convertidor (132), teniendo la ruta de potencia de generador (130) un DFIG (120) con un rotor (122) y un estátor (124), teniendo la ruta de potencia de convertidor (132) un convertidor de potencia (162) con un convertidor en el lado de rotor (166) acoplado a un convertidor en el lado de línea (168) por medio de un enlace de CC, teniendo el convertidor de potencia (162) al menos dos circuitos puente de potencia (144, 145, 146) conectados en paralelo, estando el procedimiento (300) caracterizado por: supervisar, por medio de uno o más sensores (181, 183, 185), al menos una condición eléctrica del sistema de energía de DFIG (100); comparar, por medio de un sistema de control (174), la al menos una condición eléctrica con un umbral predeterminado, siendo el umbral predeterminado indicativo de la aparición de un evento de sobrecarga transitorio; y alternar entre intervalos de no entrelazamiento y de entrelazamiento de los ángulos de fase de los al menos dos circuitos puente de potencia (144, 145, 146) si la al menos una condición eléctrica supera el umbral predeterminado para reducir los armónicos del sistema de potencia de DFIG (100).

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema y procedimiento para hacer funcionar un sistema de generador de inducción de doble alimentación para reducir armónicos
[0001] La presente divulgación se refiere, en general, a convertidores de potencia y, más en particular, a un sistema y procedimiento para hacer funcionar un sistema generador de inducción de doble alimentación (DFIG) que tiene un convertidor de potencia con una pluralidad de circuitos puente de potencia conectados en paralelo para reducir armónicos.
[0002] La energía eólica se considera una de las fuentes de energía más limpias y más respetuosas con el medio ambiente actualmente disponibles, y las turbinas eólicas han obtenido más atención a este respecto. Una turbina eólica moderna incluye típicamente una torre, un generador, una multiplicadora, una góndola y una o más palas de rotor. Las palas de rotor captan la energía cinética del viento usando principios de perfil aerodinámico conocidos. Por ejemplo, las palas del rotor tienen típicamente el perfil de la sección transversal de un perfil aerodinámico de manera que, durante el funcionamiento, el aire fluye sobre la pala produciendo una diferencia de presión entre los lados. En consecuencia, una fuerza de elevación, que se dirige desde un lado de presión hacia un lado de succión, actúa sobre la pala. La fuerza de elevación genera un par de torsión en el eje de rotor principal, que está acoplado a un generador para producir electricidad.
[0003] Durante el funcionamiento, el viento impacta en las palas del rotor de la turbina eólica y las palas transforman la energía del viento en un par de rotación mecánico que acciona de forma giratoria un eje lento. El eje lento está configurado para accionar la multiplicadora que posteriormente aumenta la baja velocidad de rotación del eje lento para accionar un eje rápido a una mayor velocidad de rotación. El eje rápido está generalmente acoplado de manera giratoria a un generador para accionar de manera giratoria un rotor de generador. De este modo, el rotor de generador puede inducir un campo magnético giratorio y puede inducirse un voltaje dentro de un estátor de generador que está acoplado magnéticamente al rotor de generador. En determinadas configuraciones, la energía eléctrica asociada se puede transmitir a un transformador de turbina que está conectado típicamente a una red eléctrica por medio de un interruptor de red. Por lo tanto, el transformador de turbina aumenta la amplitud de voltaje de la energía eléctrica de modo que la energía eléctrica transformada se pueda transmitir a la red eléctrica.
[0004] En muchas turbinas eólicas, el rotor de generador puede estar acoplado eléctricamente a un convertidor de potencia bidireccional que incluye un convertidor en el lado de rotor unido a un convertidor en el lado de línea por medio de un enlace de CC regulado. Más específicamente, algunas turbinas eólicas, tales como los sistemas de generador de inducción de doble alimentación (DFIG) impulsados por viento o los sistemas de conversión de potencia total, pueden incluir un convertidor de potencia con una topología CA-CC-CA. En dicho sistema, el estátor de generador está conectado por separado a la red eléctrica por medio de un transformador principal.
[0005] El convertidor de potencia incluye normalmente varios conmutadores de semiconductor de potencia, tales como transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), tiristores conmutados de puerta integrada (IGCT o GCT) o transistores de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico (MOSFET) que se conmutan a determinadas frecuencias para generar la frecuencia y el voltaje de salida de convertidor deseados. A continuación, el voltaje de salida del convertidor se proporciona a varias cargas tales como motores, redes eléctricas, cargas resistivas, etc. Como se describe en el documento US 2014/0204630 A1, el convertidor de potencia puede incluir circuitos puente acoplados en paralelo para aumentar la capacidad de potencia de salida de los sistemas de generación de energía.
[0006] En un sistema DFIG, en el que el estátor está aislado del convertidor de potencia, generalmente se proporciona un filtro entre el estátor y la red para permitir que el voltaje del estátor sea diferente del voltaje del convertidor. Aunque dichos filtros pueden reducir los armónicos suministrados desde el DFIG a la red eléctrica, tienden a ser caros.
[0007] Por tanto, la presente divulgación está dirigida a sistemas y procedimientos para hacer funcionar un convertidor de potencia que tiene una pluralidad de puentes de potencia conectados en paralelo en un sistema DFIG para reducir los armónicos, pero que elimina o reduce el tamaño del filtro de estátor mencionado anteriormente.
[0008] La presente invención se define en las reivindicaciones independientes.
[0009] En un aspecto, la presente divulgación está dirigida a un procedimiento para hacer funcionar un sistema de energía de generador de inducción de doble alimentación (DFIG) conectado a una red eléctrica. El sistema de energía de DFIG define una ruta de potencia de generador y una ruta de potencia de convertidor. La ruta de potencia de generador tiene un DFIG con un rotor y un estátor. La ruta de potencia de convertidor tiene un convertidor de potencia con un convertidor en el lado de rotor acoplado a un convertidor en el lado de línea por medio de un enlace de CC. El convertidor de potencia tiene al menos dos circuitos puente de potencia conectados en paralelo. El procedimiento incluye supervisar, por medio de uno o más sensores, al menos una condición eléctrica del sistema de energía de DFIG. El procedimiento también incluye comparar, por medio de un sistema de control, la al menos una condición eléctrica con un umbral predeterminado, siendo el umbral predeterminado indicativo de la aparición de un evento de sobrecarga transitorio. Además, el procedimiento incluye alternar entre intervalos de no entrelazamiento y de entrelazamiento si la al menos una condición eléctrica excede el umbral predeterminado para reducir los armónicos del sistema de energía de DFIG.
[0010] En otro aspecto, la presente divulgación está dirigida a un sistema de energía de generador de inducción de doble alimentación (DFIG) conectado a una red eléctrica. El sistema de energía de DFIG incluye una ruta de potencia de generador que comprende un DFIG con un rotor y un estátor y una ruta de potencia de convertidor que tiene un convertidor de potencia. El convertidor de potencia incluye un convertidor en el lado de rotor acoplado un convertidor en el lado de línea por medio de un enlace de CC. Además, el convertidor de potencia incluye al menos dos circuitos puente de potencia conectados en paralelo. El sistema de energía de DFIG también incluye uno o más sensores para supervisar al menos una condición eléctrica del sistema de energía de DFIG y un sistema de control acoplado de forma comunicativa al/a los sensor(es). Además, el sistema de control está configurado para realizar una o más operaciones, que incluyen, pero sin limitarse a, comparar la(s) condición(es) eléctrica(s) con un umbral predeterminado y alternar entre intervalos de no entrelazamiento y de entrelazamiento cuando la(s) condición(es) eléctrica(s) es/son indicativa(s) de un evento de sobrecarga transitorio para reducir los armónicos del sistema de energía de DFIG. También debe entenderse que el sistema de energía de DFIG puede incluir además cualquiera de las etapas adicionales que se describen en el presente documento.
[0011] Aún en otro aspecto, la presente divulgación está dirigida a un procedimiento para hacer funcionar un sistema de energía de generador de inducción de doble alimentación (DFIG) conectado a una red eléctrica. El sistema de energía de DFIG define una ruta de potencia de generador y una ruta de potencia de convertidor. La ruta de potencia de generador tiene un DFIG con un rotor y un estátor. La ruta de potencia de convertidor tiene un convertidor de potencia con un convertidor en el lado de rotor acoplado a un convertidor en el lado de línea por medio de un enlace de CC. El convertidor de potencia tiene al menos dos circuitos puente de potencia conectados en paralelo. Durante un intervalo de no entrelazamiento, el procedimiento incluye hacer funcionar los circuitos puente de potencia con ángulos de fase iguales de la frecuencia portadora de modulación por ancho de pulso (PWM). De forma alternativa, durante un intervalo de entrelazamiento, el procedimiento incluye entrelazar ángulos de fase de los al menos dos circuitos puente de potencia para reducir los armónicos del sistema de energía de DFIG. También debe entenderse que el procedimiento puede incluir además cualquiera de las etapas y/o características adicionales que se describen en el presente documento.
[0012] Diversas características, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor con referencia a la siguiente descripción y las reivindicaciones adjuntas. Los dibujos adjuntos, que están incorporados en, y que forman parte de, esta memoria descriptiva, ilustran modos de realización de la invención y, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención.
[0013] En los dibujos:
La FIG. 1 ilustra un modo de realización de un ejemplo de sistema de energía renovable de acuerdo con la presente divulgación;
la FIG. 2 ilustra un diagrama de bloques de un modo de realización de un sistema de control adecuado para su uso con el sistema de energía renovable mostrado en la FIG. 1;
la FIG. 3 ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de los diversos componentes de un convertidor en el lado de rotor de acuerdo con la presente divulgación, ilustrando en particular una de las tres fases;
la FIG. 4 ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de los diversos componentes de un sistema de control para hacer funcionar un sistema de energía de DFIG de acuerdo con la presente divulgación, ilustrando en particular un sistema con dos circuitos puente de potencia conectados en paralelo;
la FIG. 5 ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de los diversos componentes de un sistema de control para hacer funcionar un sistema de energía de DFIG de acuerdo con la presente divulgación, ilustrando en particular un sistema con tres circuitos puente de potencia conectados en paralelo;
la FIG. 6 ilustra un diagrama de flujo de un modo de realización de un procedimiento para hacer funcionar un sistema de energía de DFIG conectado a una red eléctrica de acuerdo con la presente divulgación; y
la FIG. 7 ilustra un diagrama de flujo de otro modo de realización de un procedimiento para hacer funcionar un sistema de energía de DFIG conectado a una red eléctrica de acuerdo con la presente divulgación.
[0014] A continuación, se hará referencia en detalle a 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 técnica que se pueden realizar diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance o espíritu 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 que entren dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas y de sus equivalentes.
[0015] En sistemas DFIG convencionales, donde el estátor está aislado del convertidor de potencia, se requiere un filtro de estátor caro para permitir que el voltaje del estátor sea diferente del voltaje del convertidor. Así, el filtro del estátor reduce los armónicos suministrados desde la turbina eólica DFIG a la red eléctrica. Dichos sistemas también incluyen puentes IGBT conectados en paralelo para proporcionar un convertidor de potencia de bajo coste y alta fiabilidad. Además, los puentes de potencia funcionan de una manera "no entrelazada", donde los ángulos de entrelazamiento de los puentes de potencia son esencialmente los mismos. El coste de dicho sistema es una preocupación debido al alto coste del filtro del estátor.
[0016] Por tanto, la presente divulgación establece un procedimiento novedoso para optimizar un convertidor de potencia con puentes de potencia paralelos en un sistema con un DFIG que reduce los costes y mejora la fiabilidad. Más específicamente, la presente divulgación incluye un convertidor de potencia con al menos dos circuitos puente de potencia paralelos que utiliza IGBT con un esquema de control para hacer funcionar los circuitos puente de potencia para reducir los armónicos activando y desactivando el entrelazamiento del ángulo de fase de los circuitos puente de potencia. De este modo, el presente sistema elimina el costoso filtro de estátor y lo reemplaza con un filtro de rotor, reduciendo así el coste del filtro.
[0017] Por consiguiente, la presente divulgación proporciona muchas ventajas no presentes en la técnica anterior. Por ejemplo, en comparación con el filtro de estátor, los componentes de rotor de bajo voltaje son más comunes, están más disponibles, incluyen más fuentes y son más económicos que los componentes de voltaje medio en el lado de estátor. De este modo, el nivel de potencia del filtro de rotor es mucho menor. Por lo tanto, el tamaño del inductor del filtro de rotor, cuando corresponda, puede ser mucho menor. Además, los armónicos de la presente divulgación no pasan por el DFIG, lo que reduce el calentamiento del generador y permite una mayor salida de potencia del DFIG. Además, el entrelazamiento de los circuitos puente aumenta la frecuencia de la corriente ondulatoria y reduce la corriente ondulatoria, el tamaño del condensador del filtro y los costes del sistema.
[0018] Con referencia ahora a los dibujos, la FIG. 1 ilustra un ejemplo de sistema de generador de inducción de doble alimentación (DFIG) accionado por viento 100 de acuerdo con un modo de realización de la presente divulgación. Aspectos de ejemplo de la presente divulgación se analizan con referencia a la turbina eólica DFIG 10 de la FIG. 1 con fines ilustrativos y de análisis. Los expertos en la técnica, usando las divulgaciones proporcionadas en el presente documento, deben entender que los aspectos de ejemplo de la presente divulgación también pueden aplicarse en otros sistemas de energía, tales como una turbina eólica, solar, de gas u otro sistema de generación de energía adecuado.
[0019] En el sistema 100 de ejemplo, un rotor 106 incluye una pluralidad de palas de rotor 108 acopladas a un buje giratorio 110, y juntos definen una hélice. La hélice está acoplada a una multiplicadora 118 opcional que, a su vez, está acoplada a un generador 120 que tiene un rotor 122 y un estátor 124. De acuerdo con aspectos de la presente divulgación, el generador 120 puede ser cualquier generador adecuado, incluido, por ejemplo, un generador de inducción de doble alimentación (DFIG). El generador 120 está acoplado típicamente a un bus de estátor 154 y a un convertidor de potencia 162 por medio de un bus de rotor 156. El bus de estátor 154 proporciona una potencia multifásica de salida (por ejemplo, potencia trifásica) desde un estátor del generador 120, y el bus de rotor 156 proporciona una potencia multifásica de salida (por ejemplo, potencia trifásica) de un rotor del generador 120.
[0020] El convertidor de potencia 162 incluye un convertidor en el lado de rotor 166 acoplado a un convertidor en el lado de línea 168. El DFIG 120 está acoplado al convertidor en el lado de rotor 166 por medio del bus de rotor 156. El convertidor en el lado de línea 168 está acoplado a un bus en el lado de línea 188. Además, como se muestra, el bus de estátor 154 puede conectarse directamente al bus en el lado de línea 188. En configuraciones de ejemplo, el convertidor en el lado de rotor 166 y el convertidor en el lado de línea 168 están configurados para el modo de funcionamiento normal en una disposición de PWM trifásica usando elementos de conmutación de transistor bipolar de puerta aislada (IGBT), que se describen con más detalle en el presente documento. El convertidor en el lado de rotor 166 y el convertidor en el lado de línea 168 pueden acoplarse por medio de un enlace de CC 136 a través del cual está el condensador de enlace de CC 138. En modos de realización alternativos, el bus de estátor 154 y el convertidor de potencia 162 pueden estar conectados a devanados aislados separados de un transformador (no mostrado), es decir, en la unión del interruptor de generador 158 y el interruptor de convertidor 186.
[0021] El convertidor de potencia 162 se puede acoplar a un sistema de control 174 para controlar el funcionamiento del convertidor en el lado de rotor 166 y del convertidor en el lado de línea 168 y otros aspectos del sistema de energía 100. Por ejemplo, como se muestra en particular en la FIG. 2, el sistema de control 174 puede incluir cualquier número de dispositivos de control. En una implementación, por ejemplo, el sistema de control 174 puede incluir uno o más procesadores 176 y dispositivos de memoria asociados 178 configurados para realizar una variedad de funciones y/o instrucciones implementadas por ordenador (por ejemplo, realizar los procedimientos, las etapas, los cálculos, y similares, y almacenar datos pertinentes como se divulga en el presente documento). Las instrucciones, cuando son ejecutadas por el procesador 176, pueden hacer que el procesador 176 realice operaciones, incluyendo proporcionar comandos de control (por ejemplo, comandos de modulación por ancho de pulso) a los elementos de conmutación del convertidor de potencia 162 y otros aspectos del sistema de energía 100. Además, el sistema de control 174 también puede incluir un módulo de comunicaciones 180 para facilitar las comunicaciones entre el sistema de control 174 y los diversos componentes del sistema de energía 100, por ejemplo, cualquiera de los componentes de la FIG.
1. Además, el módulo de comunicaciones 180 puede incluir una interfaz de sensor 182 (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 los procesadores 176 puedan entender y procesar. Se debe apreciar que los sensores (por ejemplo, los sensores 181, 183, 185) se pueden acoplar de forma comunicativa al módulo de comunicaciones 180 usando cualquier medio adecuado. Por ejemplo, como se muestra en la FIG. 2, los sensores 181, 183, 185 están acoplados a la interfaz de sensor 182 por medio de una conexión alámbrica. Sin embargo, en otros modos de realización, los sensores 181, 183, 185 se pueden acoplar a la interfaz de sensor 182 por medio de una conexión inalámbrica, tal como usando cualquier protocolo de comunicaciones inalámbricas adecuado conocido en la técnica. De este modo, el procesador 176 se puede configurar para recibir una o más señales desde los sensores.
[0022] Como se usa en el presente documento, el término "procesador" no solo se refiere a circuitos integrados a los que se hace referencia en la técnica como incluidos en un ordenador, 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 176 también está configurado para calcular algoritmos de control avanzados y comunicarse con una variedad de protocolos Ethernet o basados en serie (Modbus, OPC, CAN, etc.). Además, el/lo(s) dispositivo(s) de memoria 178 puede(n) comprender, en general, elemento(s) de memoria que incluye(n), pero sin limitarse a, 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, una memoria de solo lectura en disco compacto (CD-ROM), un disco magnetoóptico (MOD), un disco versátil digital (DVD) y/u otros elementos de memoria adecuados. Dicho(s) dispositivo(s) de memoria 178 se puede(n) configurar, en general, para almacenar instrucciones adecuadas legibles por ordenador que, cuando se implementen por el/los procesador(es) 176, configuren el sistema de control 174 para realizar las diversas funciones descritas en el presente documento.
[0023] En funcionamiento, la potencia de corriente alterna generada en el DFIG 120 mediante la rotación del rotor 106 se proporciona por medio de una ruta doble hacia una red eléctrica 160. Las rutas dobles están definidas por una ruta de potencia de generador 130 y una ruta de potencia de convertidor 132. En la ruta de potencia de convertidor 132 se proporciona potencia de corriente alterna (CA) sinusoidal multifásica (por ejemplo, trifásica) al convertidor de potencia 162 por medio del bus de rotor 156. Además, como se muestra, se proporciona un filtro de rotor 134 en la ruta de potencia de convertidor 132. Más específicamente, como se muestra, el filtro de rotor 134 está situado entre el convertidor en el lado de rotor 166 y el estátor 124 del generador 120 para reducir los armónicos. En dichos modos de realización, el filtro 134 puede incluir un filtro inductor o cualquier otro filtro adecuado. Por lo tanto, el tamaño de inductor del filtro de rotor 134, cuando sea aplicable, puede ser mucho menor. De este modo, el nivel de potencia del filtro de rotor 134 es mucho más bajo que los filtros de estátor de los sistemas de la técnica anterior. Además, los armónicos del filtro de rotor 134 no pasan por el generador 120, lo que reduce el calentamiento del generador y permite una mayor salida de potencia del generador 120.
[0024] El convertidor de potencia en el lado de rotor 166 convierte la potencia de CA proporcionada desde el bus de rotor 156 en potencia de corriente continua (CC) y proporciona la potencia de CC al enlace de CC 136. Los elementos de conmutación (por ejemplo, IGBT) usados en los circuitos puente del convertidor de potencia en el lado de rotor 166 pueden modularse para convertir la potencia de CA proporcionada desde el bus de rotor 156 en potencia de CC adecuada para el enlace de CC 136.
[0025] Además, el convertidor en el lado de línea 168 convierte la potencia de CC del enlace de CC 136 en potencia de salida de CA adecuada para la red eléctrica 160. En particular, los elementos de conmutación (por ejemplo, IGBT) usados en los circuitos puente del convertidor de potencia en el lado de línea 168 pueden modularse para convertir la potencia de CC del enlace de CC 136 en potencia de CA en el bus en el lado de línea 188. La potencia de CA del convertidor de potencia 162 puede combinarse con la potencia del estátor del DFIG 120 para proporcionar una potencia multifásica (por ejemplo, potencia trifásica) que tiene una frecuencia mantenida sustancialmente a la frecuencia de la red eléctrica 160 (por ejemplo, 50 Hz/60 Hz).
[0026] Varios interruptores automáticos (“circuit breakers”) y conmutadores, tales como un interruptor de generador 158 y un interruptor de convertidor 186, pueden incluirse 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.
[0027] El convertidor de potencia 162 puede recibir señales de control de, por ejemplo, el sistema de control 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 del funcionamiento del convertidor de potencia 162. Por ejemplo, la retroalimentación en forma de velocidad detectada del 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. Otra retroalimentación de otros sensores también puede ser utilizada por el sistema de control 174 para controlar el convertidor de potencia 162, incluyendo, por ejemplo, voltajes de bus de estátor y rotor 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 los IGBT), señales de control de sincronización de estátor y señales de interruptor.
[0028] Con referencia ahora a las FIGS. 3-5, se ilustran diversos diagramas esquemáticos del convertidor de potencia en el lado de rotor 166 y los esquemas de control 200 para ajustar dinámicamente el ángulo de entrelazamiento del convertidor en el lado de rotor 166 para reducir los armónicos de acuerdo con la presente divulgación. Más específicamente, la FIG. 3 ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de los diversos componentes de hardware del convertidor en el lado de rotor 166 de acuerdo con la presente divulgación. La FIG. 4 ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de un esquema de control 200 que tiene dos circuitos puente de potencia 144, 145 para ajustar dinámicamente el ángulo de entrelazamiento del convertidor en el lado de rotor 166. La FIG. 5 ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de un esquema de control 200 que tiene tres circuitos puente de potencia 144, 145, 146 para ajustar dinámicamente el ángulo de entrelazamiento del convertidor en el lado de rotor 166.
[0029] Más específicamente, como se muestra en la FIG. 3, el convertidor en el lado de rotor 166 incluye dos circuitos puente de potencia 144, 145 conectados en paralelo. En otro modo de realización, como se muestra en la FIG. 5, el convertidor en el lado de rotor 166 incluye al menos tres circuitos puente de potencia 144, 145, 146 conectados en paralelo. Por tanto, debe entenderse que el convertidor en el lado de rotor 166 puede incluir cualquier número de circuitos puente de potencia conectados en paralelo, incluidos más de tres.
[0030] Con referencia en particular a la FIG. 3, cada uno de los circuitos puente de potencia 144, 145 incluye uno o más elementos de conmutación (es decir, 190, 192 y 191, 193, respectivamente) acoplados en serie entre sí. Los expertos en la técnica deben entender que los elementos de conmutación 190, 191, 192, 193 pueden ser cualquier dispositivo de conmutación adecuado, tal como un IGBT (es decir, un transistor bipolar de puerta aislada), un MOSFET de potencia (es decir, un transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico), u otro dispositivo de conmutación adecuado. Por ejemplo, como se muestra, los elementos de conmutación 190, 191, 192, 193 pueden corresponder a IGBT que tienen una puerta, un colector y un emisor. Además, como se muestra, los IGBT ilustrados 190, 191, 192, 193 pueden acoplarse a un diodo antiparalelo. Además, como se muestra, el convertidor de potencia 162 puede incluir un activador de puertas de IGBT 194, 196 para cada uno de los circuitos puente de potencia 144, 145.
[0031] Los elementos de conmutación 190, 191, 192, 193 pueden controlarse, por ejemplo, mediante el sistema de control 174 (FIGS. 1 y 2). Por tanto, los comandos de modulación por frecuencia de pulso (por ejemplo, comandos de activador de puerta) pueden proporcionarse a uno o más de los elementos de conmutación 190, 191, 192, 193 por medio del activador de puertas de IGBT 194, 196. Cada uno de los circuitos puente de potencia 144, 145 también puede estar acoplado a una derivación de rotor 195, 197 que está acoplada a un respectivo reactor de rotor 198, 199 (y 201 para sistemas de tres puentes). Más específicamente, como se muestra en la FIG. 3, cada una de las derivaciones de rotor 195, 197 está conectada a un nodo 184, 187 entre los IGBT 190, 192 y 191, 193 de los respectivos circuitos puente de potencia 144, 145.
[0032] Haciendo referencia en particular a las FIGS. 4 y 5, el esquema de control 200 puede recibir un comando de par de torsión 202 (o un comando de corriente). El comando de par de torsión 202 se usa entonces para generar un comando de corriente como se muestra en 204. El comando de corriente se puede usar entonces como entrada a un regulador de corriente de rotor 206, que genera un comando de voltaje. El comando de voltaje se introduce a continuación en respectivos moduladores 218, 219 (y opcionalmente 220) de los circuitos puente de potencia 144, 145 (146). Más específicamente, los moduladores 218, 219 (220) convierten los voltajes analógicos deseados en comandos PWM para los controladores de puerta 194, 196 de los circuitos puente de potencia 144, 145 (146) que amplifican las señales PWM a los niveles necesarios para los IGBT 190, 191, 192, 193 de los mismos.
[0033] El comando de par de torsión 202 también es utilizada por un detector de sobrecarga transitoria 212 para supervisar eventos de sobrecarga transitoria. Por ejemplo, como se muestra, el detector de sobrecarga transitoria 212 puede incluir un comparador 214 para comparar el comando de par de torsión 202 con un umbral predeterminado (por ejemplo, un valor nominal). Más específicamente, en un modo de realización, el umbral predeterminado es indicativo de la aparición de un evento de sobrecarga transitorio. De este modo, si el comando de par de torsión 202 está por encima del umbral predeterminado, el/los conmutador(es) 216 está(n) configurado(s) para entrelazar los ángulos de fase de los circuitos puente de potencia 144, 145 (146) para reducir los armónicos del sistema de energía de DFIG 100, por ejemplo, usando un primer y un segundo ángulo de fase 208, 210. Por ejemplo, en un modo de realización, el primer y segundo ángulos de fase 208, 210 de los circuitos puente de potencia 144, 145 pueden incluir un desplazamiento de ángulo de fase de 180 grados (°).
[0034] En otro modo de realización, donde el convertidor de potencia 162 incluye al menos tres circuitos puente de potencia conectados en paralelo, como se muestra en la FIG. 5, los ángulos de fase de los circuitos puente de potencia 144, 145, 146 pueden incluir un desplazamiento de ángulo de fase de 120 grados (°), representado por el primer, segundo y tercer ángulo de fase 208, 209 y 211. En modos de realización adicionales, debe entenderse que cualquier ángulo de entrelazamiento puede ser cualquier múltiplo de 360°/N, donde N es el número de circuitos puente que se entrelazan. En modos de realización adicionales, el ángulo de entrelazamiento puede incluir ángulos inferiores a 120 °, entre 120 ° y 180 ° y mayores de 180 °. Por el contrario, si el comando de par de torsión 202 es menor que el umbral predeterminado, el/los conmutador(es) 216 está(n) configurado(s) para hacer funcionar los circuitos puente de potencia 144, 145 (146) con ángulos de fase iguales. Por tanto, el sistema de control 174 activa y desactiva el entrelazamiento, por ejemplo, durante sobrecargas transitorias para evitar condiciones de sobretemperatura del IGBT. Aunque la corriente de circulación será mayor durante el entrelazamiento, los armónicos generalmente se evalúan durante períodos de tiempo más largos; por lo tanto, tales aumentos de corriente no afectarán negativamente a la evaluación. Además, el convertidor de potencia 162 de la presente divulgación es capaz de una potencia de sobrecarga mayor, reduciendo así la pérdida de potencia en los IGBT durante las sobrecargas.
[0035] Con referencia ahora a la FIG. 6, se ilustra un diagrama de flujo de un modo de realización de un procedimiento 300 para hacer funcionar el sistema de energía de DFIG 100 de acuerdo con la presente divulgación. Además, la FIG. 6 representa las etapas realizadas en un orden particular para propósitos de ilustración y análisis. Los expertos en la técnica, usando las divulgaciones proporcionadas en el presente documento, entenderán que diversas etapas de cualquiera de los procedimientos divulgados en el presente documento se pueden adaptar, omitir, reorganizar o expandir de diversas formas sin desviarse del alcance de la presente divulgación. Como se muestra en 302, el procedimiento 300 incluye supervisar, por medio de uno o más sensores (por ejemplo, sensores 181, 183, 185), al menos una condición eléctrica del sistema de energía de DFIG 100. Por ejemplo, en un modo de realización, la(s) condición(es) eléctrica(s) puede(n) incluir voltaje, corriente, temperatura y/o frecuencia.
[0036] Por tanto, como se muestra en 304, el procedimiento 300 incluye comparar, por ejemplo, por medio del comparador 214 de un sistema de control 174, la(s) condición(es) eléctrica(s) con un umbral predeterminado. Como se mencionó, el umbral predeterminado es indicativo de la aparición de un evento de sobrecarga transitorio. Por consiguiente, como se muestra en 306, el procedimiento incluye determinar si la(s) condición(es) eléctrica(s) está(n) por encima del umbral predeterminado. Si es así, como se muestra en 308, el procedimiento 300 puede incluir alternar entre intervalos de no entrelazamiento y de entrelazamiento si la(s) condición(es) eléctrica(s) excede(n) el umbral predeterminado para reducir los armónicos del sistema de energía de DFIG 100. Por ejemplo, en un modo de realización, el funcionamiento entrelazado normal puede usarse para reducir los armónicos, mientras que la transición al funcionamiento no entrelazado está configurada para evitar sobrecargar (por ejemplo, calentar) los circuitos puente de potencia 144, 145 y/o aumentar la capacidad de los circuitos puente de potencia 144, 145 para garantizar la corriente fundamental eliminando la corriente de circulación. Si la(s) condición(es) eléctrica(s) no está(n) por encima del umbral predeterminado, el procedimiento 300 sigue supervisando las diversas condiciones eléctricas para garantizar que no se produzcan eventos de sobrecarga transitorios.
[0037] En un modo de realización, como se muestra en la FIG. 4, donde dos circuitos puente de potencia 144, 145 están conectados en paralelo, los ángulos de fase durante el intervalo de entrelazamiento pueden incluir un desplazamiento de ángulo de fase de 180 grados (°). En modos de realización alternativos, como se muestra en la FIG. 5, donde tres circuitos puente de potencia 144, 145, 146 están conectados en paralelo, los ángulos de fase durante el intervalo de entrelazamiento pueden incluir un desplazamiento de ángulo de fase de 120 grados (°).
[0038] Con referencia ahora a la FIG. 7, se ilustra un diagrama de flujo de un modo de realización de un procedimiento 400 para hacer funcionar el sistema de energía de DFIG 100 de la presente divulgación. Como se muestra en 402, durante un intervalo de no entrelazamiento, el procedimiento 400 incluye hacer funcionar los circuitos puente de potencia 144, 145, 146 con ángulos de fase iguales. De forma alternativa, como se muestra en 404, durante un intervalo de entrelazamiento, el procedimiento 400 incluye entrelazar ángulos de fase de los circuitos puente de potencia 144, 145, 146 para reducir los armónicos del sistema de energía de DFIG 100.
[0039] En lo que antecede se han descrito en detalle modos de realización ejemplares de una turbina eólica, un sistema de control para una turbina eólica y procedimientos para controlar una turbina eólica. Los procedimientos, la turbina eólica y el sistema de control no se limitan a los modos de realización específicos descritos en el presente documento, sino que los componentes de la turbina eólica y/o del sistema de control y/o las etapas de los procedimientos se pueden utilizar independientemente y por separado de otros componentes y/o etapas descritos en el presente documento. Por ejemplo, el sistema de control y los procedimientos también se pueden usar en combinación con otros sistemas y procedimientos de potencia de turbina eólica, y no se limitan a la práctica solo con el sistema de energía descrito en el presente documento. En cambio, el modo de realización ejemplar se puede implementar y utilizar en conexión con otras muchas aplicaciones de turbinas eólicas o sistemas de energía, tales como sistemas de energía solar.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un procedimiento (300) para hacer funcionar un sistema de energía de generador de inducción de doble alimentación (DFIG) (100) conectado a una red eléctrica (160), definiendo el sistema de energía de DFIG (100) una ruta de potencia de generador (130) y una ruta de potencia de convertidor (132), teniendo la ruta de potencia de generador (130) un DFIG (120) con un rotor (122) y un estátor (124), teniendo la ruta de potencia de convertidor (132) un convertidor de potencia (162) con un convertidor en el lado de rotor (166) acoplado a un convertidor en el lado de línea (168) por medio de un enlace de CC, teniendo el convertidor de potencia (162) al menos dos circuitos puente de potencia (144, 145, 146) conectados en paralelo, estando el procedimiento (300) caracterizado por:
supervisar, por medio de uno o más sensores (181, 183, 185), al menos una condición eléctrica del sistema de energía de DFIG (100);
comparar, por medio de un sistema de control (174), la al menos una condición eléctrica con un umbral predeterminado, siendo el umbral predeterminado indicativo de la aparición de un evento de sobrecarga transitorio; y
alternar entre intervalos de no entrelazamiento y de entrelazamiento de los ángulos de fase de los al menos dos circuitos puente de potencia (144, 145, 146) si la al menos una condición eléctrica supera el umbral predeterminado para reducir los armónicos del sistema de potencia de DFIG (100).
2. El procedimiento (300) de la reivindicación 1, que comprende además proporcionar un filtro (134) en la ruta de potencia de convertidor (132).
3. El procedimiento (300) de la reivindicación 2, que comprende además proporcionar el filtro (134) entre el convertidor en el lado de rotor (166) y el estátor (124) del DFIG (120).
4. El procedimiento (300) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los ángulos de fase de los al menos dos circuitos puente de potencia (144, 145, 146) durante el entrelazamiento comprenden un desplazamiento de ángulo de fase de 180 grados (°) de una frecuencia portadora de modulación por ancho de pulso (PWM).
5. El procedimiento (300) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el convertidor de potencia (162) comprende al menos tres circuitos puente de potencia (144, 145, 146) conectados en paralelo, donde los ángulos de fase de los al menos tres circuitos puente de potencia (144, 145, 146) durante el entrelazamiento comprenden un desplazamiento de ángulo de fase de 120 grados (°) de una frecuencia portadora de modulación por ancho de pulso (PWM).
6. El procedimiento (300) de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la al menos una condición eléctrica comprende al menos uno de entre voltaje, corriente, temperatura o frecuencia.
7. Un sistema de energía de generador de inducción de doble alimentación (DFIG) (100) conectado a una red eléctrica (160), comprendiendo el sistema de energía de DFIG (100):
una ruta de potencia de generador (130) que comprende un DFIG (120) con un rotor (122) y un estátor (124);
una ruta de potencia de convertidor (132) que comprende un convertidor de potencia (162), comprendiendo el convertidor de potencia (162) un convertidor en el lado de rotor (166) acoplado a un convertidor en el lado de línea (168) por medio de un enlace de CC (136), comprendiendo el convertidor de potencia (162) al menos dos circuitos puente de potencia (144, 145, 146) conectados en paralelo; caracterizado por
uno o más sensores (181, 183, 185) para supervisar al menos una condición eléctrica del sistema de energía de DFIG (100); y
un sistema de control (174) acoplado de forma comunicativa al uno o más sensores (181, 183, 185), donde el sistema de control (174) está configurado para realizar una o más operaciones, comprendiendo la una o más operaciones:
comparar la al menos una condición eléctrica con un umbral predeterminado; y,
alternar entre intervalos de no entrelazamiento y de entrelazamiento de los ángulos de fase de los al menos dos circuitos puente de potencia (144, 145, 146) cuando la al menos una condición eléctrica es indicativa de un evento de sobrecarga transitorio para reducir los armónicos del sistema de energía de DFIG (100).
8. El sistema de energía de DFIG (100) de la reivindicación 7, que comprende además un filtro (134) en la ruta de potencia de convertidor (132) situado entre el convertidor en el lado de rotor (166) y el estátor (124) del DFIG (120), comprendiendo el filtro (134) un filtro inductor.
9. El sistema de energía de DFIG (100) de la reivindicación 7 u 8, en el que los ángulos de fase de los al menos dos circuitos puente de potencia (144, 145, 146) durante el entrelazamiento comprenden un desplazamiento de ángulo de fase de 180 grados (°) de una frecuencia portadora de modulación por ancho de pulso (PWM).
10. El sistema de energía de DFIG (100) de la reivindicación 7, 8 o 9, en el que el convertidor de potencia (162) comprende al menos tres circuitos puente de potencia (144, 145, 146) conectados en paralelo, donde los ángulos de fase de los al menos tres circuitos puente de potencia (144, 145, 146) durante el entrelazamiento comprenden un desplazamiento de ángulo de fase de 120 grados (°) de una frecuencia portadora de modulación por ancho de pulso (PWM).
11. El sistema de energía de DFIG (100) de la reivindicación 7, 8, 9 o 10, en el que la al menos una condición eléctrica comprende al menos uno de entre voltaje, corriente, temperatura o frecuencia.
12. El sistema de energía de DFIG (100) de la reivindicación 7, 8, 9, 10 u 11, en el que cada uno de los circuitos puente de potencia (144, 145, 146) comprende al menos un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) y un activador de puertas de IGBT (196) acoplado al al menos un IGBT.
13. El sistema de energía de DFIG (100) de la reivindicación 7, 8, 9, 10, 11 o 12, que comprende además al menos uno de entre una derivación de rotor (197) o un reactor de rotor (198) acoplado a cada uno de los circuitos puente de potencia (144, 145, 146).
14. El sistema de energía de DFIG (100) de la reivindicación 7, 8, 9, 10, 11, 12 o 13, que comprende además un modulador (218, 220) configurado para convertir un valor de voltaje en un comando modulado por ancho de pulso para cada uno de los circuitos puente de potencia (144, 145, 146).
15. El sistema de energía de DFIG (100) de la reivindicación 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 o 14, en el que el sistema de energía de DFIG (100) comprende al menos uno de entre un sistema de energía de turbina eólica o un sistema de energía solar.
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