ES3040260T3 - Method of controlling an induction generator and arrangement for controlling an induction generator - Google Patents

Method of controlling an induction generator and arrangement for controlling an induction generator

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ES3040260T3
ES3040260T3 ES21711752T ES21711752T ES3040260T3 ES 3040260 T3 ES3040260 T3 ES 3040260T3 ES 21711752 T ES21711752 T ES 21711752T ES 21711752 T ES21711752 T ES 21711752T ES 3040260 T3 ES3040260 T3 ES 3040260T3
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Gonzalez Miguel Angel Sepulveda
Pascal Mikel Tapia
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Siemens Gamesa Renewable Energy Innovation and Technology SL
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Abstract

Se describe un método para controlar un generador de inducción (3) conectado a una red eléctrica (47), el método comprende: recibir una frecuencia de red real (f); y controlar los devanados del rotor (15) del generador (3) mediante una señal de control del rotor (25a,b,c) que tiene una frecuencia de referencia del devanado del rotor (Ω_ref) establecida en función de la frecuencia de red real (f). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método para controlar un generador de inducción y disposición para controlar un generador de inducción
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método y a una disposición para controlar un generador de inducción conectado a una red eléctrica, en particular durante el cambio de frecuencia de la red. Además, la presente invención se refiere a una turbina eólica que incluye un generador de inducción y la disposición.
Antecedentes de la técnica
El documento US 2019/214921 A1 describe un generador de inducción de doble alimentación que comprende un rotor y un estator, en donde el generador está conectado a través de un convertidor a la red eléctrica. Se describe un control de una turbina eólica cambiando los parámetros de velocidad de rotación.
El documento US 2011/037262 A1 describe una instalación de energía eólica con una característica de velocidad de rotación variable, en donde la instalación incluye un rotor eólico, un generador asíncrono de doble alimentación, un convertidor y un controlador, que aplica una imitación de velocidad de rotación dependiente de la frecuencia.
Feltes y col.: “Variable Frequency Operation of DFIG Based Wind Farms Connected to the Grid through VSC-HVDC Link” , reunión general de la Sociedad de Ingeniería Energética, 2007, 1 de junio de 2007, páginas 1 a 7, describe una operación de frecuencia variable de parques eólicos basados en DFIG conectados a la red a través de un enlace VSC-HVDC.
Las turbinas eólicas están conectadas a una red eléctrica que funciona a una frecuencia nominal particular, tal como 50 Hz o 60 Hz. Sin embargo, la frecuencia real de una red eléctrica puede, debido al desequilibrio entre la producción de energía y el consumo de energía, desviarse de la frecuencia nominal de la red. Los operadores de la red están desarrollando una normativa estricta para garantizar la estabilidad de la red. Según las normativas de conexión a la red particulares, puede requerirse que las turbinas eólicas permanezcan conectadas a la red, incluso si la frecuencia real de la red se desvía en un rango de frecuencia de red particular, tal como un 6-8 % de la frecuencia nominal de la red. Además, puede requerirse que las turbinas eólicas realicen otras funciones de control cuando la frecuencia real se desvía de la frecuencia nominal de la red.
Sin embargo, las desviaciones de la frecuencia con respecto a la frecuencia nominal de la red pueden afectar al funcionamiento de los componentes de la turbina eólica, tales como los generadores y/o convertidores incluidos en la turbina eólica. En particular, los generadores de inducción pueden verse afectados con respecto al funcionamiento en caso de cambios de frecuencia. Convencionalmente, los generadores y/o convertidores de inducción conectados al generador de inducción pueden haberse sobreespecificado o sobredimensionado para permitir el funcionamiento en un intervalo de frecuencias de red particular alrededor de una frecuencia nominal de la red. Al sobredimensionar los componentes (por ejemplo, con respecto a la potencia nominal, la corriente nominal o la tensión nominal), dichos componentes podían funcionar a diferentes frecuencias. Sin embargo, según la técnica anterior, se requería un equipo más pesado y un equipo más caro. Convencionalmente, las envolventes de requisitos se han calculado para definir las clasificaciones de los componentes para un intervalo de frecuencia particular de variaciones esperadas con respecto a la frecuencia nominal de la red. De este modo, los métodos y sistemas aplicados convencionalmente requieren un equipo pesado complejo y los altos costes asociados.
Además, convencionalmente, se ha observado que algunos componentes pueden sobrecargarse durante eventos de frecuencia particulares, por ejemplo, que implican un riesgo de sobrecalentamiento, un impacto en la disponibilidad de la turbina eólica o incluso daños en los componentes en caso de eventos de frecuencia particulares.
Por lo tanto, puede ser necesario un método y una disposición para controlar un generador de inducción conectado a una red eléctrica, en donde se pueda mitigar o incluso evitar el sobredimensionamiento y en donde no sea necesario un equipo pesado o un equipo costoso.
Resumen de la invención
Esta necesidad puede ser satisfecha por el objeto según las reivindicaciones independientes. Las realizaciones ventajosas de la presente invención se describen en las reivindicaciones dependientes.
Según la presente invención, se proporciona un método para controlar un generador de inducción conectado a una red eléctrica según la reivindicación 1, que comprende el método: recibir una frecuencia real de la red; y controlar los bobinados (p. ej. de campo) del rotor generador mediante una señal de control del rotor que tiene una frecuencia de referencia del bobinado del rotor (p. ej. Q_ref) que se establece según la frecuencia real de la red (p. ej. f).
El método puede realizarse, por ejemplo, mediante un controlador del generador de inducción que puede ser, por ejemplo, una parte de un controlador de turbina eólica. El método puede implementarse en software y/o hardware.
Un generador de inducción es un generador asíncrono que genera corriente alterna cuando el eje de su rotor gira en relación con los bobinados del estator. El rotor necesita girar más rápido que la velocidad síncrona para emitir la potencia del rotor con la frecuencia deseada. La denominada velocidad síncrona corresponde a la frecuencia de la alimentación de CA que se proporcionará a la red eléctrica. Para hacer funcionar el generador de inducción, es necesario suministrar señales de excitación o potencia de excitación (también denominadas señales de control) al bobinado del rotor. La diferencia relativa entre la velocidad síncrona y la velocidad de operación se denomina deslizamiento, generalmente expresado como porcentaje de la velocidad síncrona. Cuando se utiliza en una turbina eólica, por ejemplo, un eje secundario de la turbina eólica, acoplado mediante una caja de engranajes a un eje principal de la turbina al que se conectan varias palas del rotor, impulsa el rotor del generador de inducción para que gire a una velocidad mayor que la velocidad síncrona. La potencia se genera en los bobinados del estator, así como en los bobinados del rotor.
El generador de inducción puede implementarse de manera diferente. Un ejemplo de un generador de inducción es una máquina eléctrica de doble alimentación. La máquina eléctrica de doble alimentación tiene dos conjuntos de bobinados (por ejemplo, bobinados trifásicos), uno fijo (es decir, los bobinados del estator) y otro giratorio (es decir, el bobinado del rotor). Los bobinados del estator pueden conectarse directamente al terminal de salida del generador. Los bobinados del rotor (que tradicionalmente también se denominan bobinados de campo) pueden conectarse a un convertidor que proporciona una alimentación de CA a una frecuencia variable que puede ajustarse según sea necesario.
En particular, la frecuencia de CA del convertidor conectado al bobinado del rotor puede establecerse según la frecuencia de referencia del bobinado del rotor. Esta frecuencia de referencia de bobinado del rotor se establece según la frecuencia real de la red y cambia con ella.
El convertidor puede conectarse entre los bobinados del rotor y la salida de los bobinados del estator para convertir la CA en CC y la CC en CA. El convertidor puede ser bidireccional y, por lo tanto, puede estar habilitado para pasar energía en ambas direcciones. Por lo tanto, el convertidor puede utilizarse para suministrar realmente la señal de control (o señal de excitación) al bobinado del rotor, pero al mismo tiempo o simultáneamente, también recibir la potencia del rotor del bobinado del rotor, convertirla a la frecuencia de red deseada y emitir esta potencia del rotor a la red eléctrica. Dado que la salida del convertidor puede conectarse a la salida de los bobinados del estator, también, además de la potencia del rotor, la potencia del estator emitida por el bobinado del estator puede suministrarse a la red eléctrica.
El generador de inducción de doble alimentación puede comprender un rotor bobinado multifásico y un conjunto de anillos deslizantes multifásico con escobillas para acceder a los bobinados del rotor. Según realizaciones, es posible evitar el conjunto de anillos deslizantes multifásico, pero pueden producirse problemas de eficiencia, coste y tamaño. Según otras realizaciones, puede utilizarse una máquina eléctrica de doble alimentación del rotor bobinado sin escobillas como generador de inducción. De este modo, los bobinados del estator pueden conectarse a la red eléctrica y los bobinados del rotor pueden conectarse a un convertidor mediante un anillo deslizante y un convertidor de fuente de tensión consecutivo que puede controlar las corrientes tanto del rotor como de la red. De este modo, se puede permitir establecer libremente la frecuencia del rotor para que sea la frecuencia de referencia de bobinado del rotor, que cambia con la frecuencia real de la red. Además, al usar el convertidor para controlar la corriente del rotor, es posible ajustar la potencia activa y reactiva alimentada a la red eléctrica desde el estator independientemente de la velocidad de rotación del generador. El principio de control aplicado puede implicar, por ejemplo, un control vectorial de dos ejes o un control de par directo.
La frecuencia de red momentánea puede medirse mediante muestreo y/o promedio y/o filtrado para obtener la frecuencia real de la red. Para controlar los bobinados del rotor, puede utilizarse un convertidor que está conectado a los bobinados del rotor en un extremo y también está conectado a la salida de los bobinados del estator en el otro extremo. Cuando la frecuencia de referencia del bobinado del rotor de la señal de control que controla el bobinado del rotor se establece según la frecuencia real de la red, se puede mejorar el funcionamiento del generador de inducción y, en particular, se puede evitar la sobrecarga o el sobrecalentamiento de los componentes. En particular, la carga del rotor y/o del bobinado del estator puede no cambiar sustancialmente al cambiar la frecuencia real de la red. Por lo tanto, se puede evitar sobredimensionar el rotor y/o el bobinado del estator y/o el convertidor.
El cambio de la frecuencia de red puede provocar una modificación de la velocidad síncrona del generador de inducción, lo que modifica el funcionamiento nominal. Al cambiar o adaptar la frecuencia de referencia de bobinado del rotor según la frecuencia de red cambiada, se puede evitar o puede que ya no sea necesario especificar o sobredimensionar el componente eléctrico para admitir tal evento. Así, pueden mitigarse los sobrecostes de los componentes debido a la sobreespecificación, principalmente del generador de inducción (por ejemplo, de tipo jaula de ardilla y tipo DFIG) y del convertidor de carga parcial. Además, pueden mitigarse las reducciones de potencia de las turbinas eólicas debidas al sobrecalentamiento de los componentes, que no están sobredimensionados durante los eventos de frecuencia de la red eléctrica. De este modo, puede garantizarse una mayor disponibilidad de las turbinas eólicas. En particular, las turbinas eólicas pueden permanecer conectadas a la red eléctrica según lo exijan las regularidades de la red.
Según una realización de la presente invención, la referencia de velocidad del generador de control interno (anteriormente denominada frecuencia de referencia de bobinado del rotor) puede establecerse según la desviación de la frecuencia de la red, es decir, una desviación entre la frecuencia de la red nominal y la frecuencia de la red real. El método puede ser aplicable solo en condiciones nominales, es decir, donde puede alcanzarse el límite de diseño.
Según una realización de la presente invención, la red eléctrica está diseñada para funcionar con una frecuencia nominal de la red, en donde la frecuencia de referencia de bobinado del rotor (p. ej. O_ref) se establece según una desviación entre la frecuencia real de la red (p. ej. f) y la frecuencia nominal de la red (p. ej. f0).
La frecuencia nominal de la red puede ascender, por ejemplo, a 50 Hz en Europa o 60 Hz, por ejemplo, en los Estados Unidos de América. Cuando la frecuencia de referencia del bobinado del rotor se establece según la desviación entre la frecuencia real de la red y la frecuencia nominal de la red, el método aún puede simplificarse, al tiempo que se puede garantizar que la carga real o la potencia real de los bobinados del rotor y/o el bobinado del estator y/o el convertidor no cambien sustancialmente en caso de cambios en la frecuencia de la red. En particular, la frecuencia de referencia de bobinado del rotor puede cambiar linealmente con la desviación entre la frecuencia real de la red y la frecuencia nominal de la red. De este modo, se proporciona una implementación sencilla.
Según la presente invención, la frecuencia de referencia de bobinado del rotor (p. ej. O_ref) se establece de manera que un deslizamiento (p. ej. s) cumpla con un valor predefinido y no cambie sustancialmente al cambiar la frecuencia real de la red, al menos en un rango de frecuencias predefinido,
en donde el deslizamiento s viene dado por:
en donde f es la frecuencia real de la red, O es la velocidad real del generador a la frecuencia real de la red f, ns(f) es una velocidad síncrona a la frecuencia real de la red f, en donde ns en rpm viene dado por ns = 60 * f/p, en donde p es el número de pares de polos del rotor del generador y f viene dado en Hz. ;;Cuando el deslizamiento no cambia sustancialmente al cambiar la frecuencia real de la red, también la carga del bobinado del rotor y/o del bobinado del estator puede permanecer sustancialmente constante para frecuencias de red cambiantes. Así, se puede evitar el sobredimensionamiento y también se puede evitar el sobrecalentamiento o la sobrecarga. ;;Según una realización de la presente invención, el rango de frecuencia predefinido está entre 0,90 y 1,1, en particular entre 0,97 y 1,03 veces la frecuencia nominal de la red, en donde para una frecuencia nominal de la red de 50 Hz, el rango de frecuencia predefinido está entre 45 Hz y 55 Hz, en particular entre 47 Hz y 53 Hz, más en particular entre 48 Hz y 52 Hz. ;Cuando se admite el rango de frecuencia predefinido, por ejemplo entre 0,9 y 1,1 de la frecuencia nominal de la red, pueden gestionarse las desviaciones de frecuencia generalmente esperadas. En el rango de frecuencia predefinido o cuando la frecuencia real de la red está dentro del rango de frecuencia predefinido, el generador de inducción puede permanecer conectado a la red eléctrica, cumpliendo así con las regularidades particulares de la red. En particular, el generador de inducción puede permanecer conectado a la red eléctrica sin el riesgo de sobrecalentamiento o sobrecarga de los componentes del generador de inducción. ;;Según una realización de la presente invención, la frecuencia de referencia del bobinado del rotor (p. ej. O_ref) se establece de manera que una potencia del rotor emitida por los bobinados del rotor cumpla con una potencia relativa predefinida del rotor y/o una potencia del estator emitida por los bobinados del estator cumpla con una potencia relativa del estator predefinida y la potencia del rotor y/o la potencia del estator no cambien al cambiar la frecuencia real de la red, al menos en el rango de frecuencias predefinido. ;;La potencia relativa del rotor puede ascender, por ejemplo, a entre el 5 % y el 20 % y la potencia relativa del estator puede, por ejemplo, ascender a entre el 80 % y el 95 % de la potencia total emitida por el generador. Son posibles otros valores. Los bobinados del rotor y/o el convertidor pueden dimensionarse para admitir (sustancialmente) no más que la potencia (y/o la corriente y/o la tensión) relativa predefinida del rotor, por lo que no se requiere un sobredimensionamiento. De este modo, pueden ahorrarse costes y pueden reducirse los requisitos de peso y espacio de los bobinados del rotor y/o del convertidor. ;Según una realización de la presente invención, los bobinados del estator se dimensionan según la potencia relativa predefinida del estator, de modo que se requiere que funcionen con una carga no superior al 1 %, en particular el 0,1 %, por encima de la potencia relativa predefinida del estator. De este modo, pueden reducirse el sobredimensionamiento y los costes. ;;Según una realización de la presente invención, se conecta un convertidor a los bobinados del rotor para suministrar la señal de control del rotor, en donde el convertidor, en particular, comprende una parte del convertidor CA-CC, un enlace de CC y una parte del convertidor de CC a CA, en donde los terminales de salida del convertidor están conectados a los terminales de salida de los bobinados del estator. ;;La parte del convertidor de CA-CC, así como la parte del convertidor de CC-CA, pueden implementarse mediante varios conmutadores de potencia controlables, tales como IGBT o, en general, transistores de potencia. De este modo, los componentes disponibles convencionalmente pueden utilizarse para la implementación. Cuando los terminales de salida del convertidor están conectados a los terminales de salida de los bobinados del estator (por ejemplo, bobinados trifásicos de estator), puede suministrarse a la red eléctrica la combinación de la potencia del rotor y la potencia del estator. Además, de este modo pueden realizarse implementaciones convencionales de un generador de inducción de doble alimentación. Solo el control del bobinado del rotor mediante el suministro de la señal de control del rotor que tiene la frecuencia de referencia del bobinado del rotor puede ser diferente de las técnicas convencionalmente conocidas. Sin embargo, el hardware, es decir, el convertidor y/o los bobinados del rotor, puede ser del tipo convencionalmente disponible. ;;Según una realización de la presente invención, el bobinado del rotor y/o un convertidor conectado a los bobinados del rotor se dimensionan según la potencia relativa predefinida del rotor, de modo que se requiere que funcionen con una carga no superior al 1 %, en particular el 0,1 %, por encima de la potencia relativa predefinida del rotor. Debido al control de los bobinados del rotor mediante la frecuencia de referencia de bobinado del rotor que depende de la frecuencia real de la red, se puede garantizar que los bobinados del rotor y también el convertidor no se sobrecarguen o sobrecalienten, ya que debido al ajuste de la frecuencia de referencia de bobinado del rotor, la carga puede no cambiar sustancialmente al cambiar la frecuencia real de la red. ;;Según la presente invención, la frecuencia de referencia de bobinado del rotor se establece de la siguiente manera: ;;; ;;; en donde ;;f es la frecuencia real de la red, f0 es la frecuencia nominal de la red, Q(f) es la frecuencia de referencia de bobinado del rotor a la frecuencia real de la red, Q(f0) es la frecuencia de referencia de bobinado del rotor a la frecuencia nominal de la red, ;;Q(f0) = f0 * s, s es el deslizamiento.
De este modo, se puede proporcionar una fórmula muy simple para la implementación del método. Esta definición puede garantizar que el deslizamiento permanezca constante y también que la potencia relativa del rotor y la potencia relativa del estator permanezcan sustancialmente constantes también para frecuencias de red cambiantes.
Según una realización de la presente invención, la frecuencia real de la red se determina promediando y/o filtrando una frecuencia de red instantánea en un intervalo de tiempo predeterminado, en particular que abarca entre 1 min y 10 min. De este modo, se puede lograr un funcionamiento uniforme del generador de inducción y se puede evitar que la frecuencia de referencia de bobinado del rotor cambie demasiado rápido, lo que puede provocar otros problemas de funcionamiento.
Según una realización de la presente invención, la frecuencia real de la red se desvía de la frecuencia nominal en menos del 5 %, o menos del 3 %, y/o en donde el generador de inducción incluye un generador de inducción de doble alimentación, en particular trifásico, y/o un generador tipo jaula de ardilla.
Según una realización de la presente invención, el generador de inducción es accionado por un eje giratorio de una turbina eólica, en particular acoplado mediante una caja de engranajes a un eje principal al que se conectan varias palas del rotor. La caja de engranajes puede tener una relación de transformación tal que la velocidad de rotación típica de un eje principal de la turbina eólica se convierta demasiado aproximadamente la velocidad síncrona multiplicada por el deslizamiento correspondiente a la frecuencia nominal de la red eléctrica.
Debe entenderse que las características, individualmente o en cualquier combinación, divulgadas, descritas, explicadas o proporcionadas para un método para controlar un generador de inducción conectado a una red eléctrica también pueden aplicarse, individualmente o en cualquier combinación, a una disposición para controlar un generador de inducción conectado a una red eléctrica según realizaciones de la presente invención, y viceversa.
Según la presente invención, se proporciona una disposición para controlar un generador de inducción conectado a una red eléctrica según la reivindicación 11, que comprende la disposición un puerto de entrada adaptado para recibir una frecuencia real de la red; y un controlador adaptado para controlar los bobinados del rotor del generador mediante una señal de control del rotor que tiene una frecuencia de referencia de bobinado del rotor (p. ej. Q_ref) que se establece según la frecuencia real de la red (p. ej. f).
Además, se proporciona una turbina eólica según una realización de la presente invención, que incluye un generador de inducción accionado por energía eólica, teniendo el generador bobinados del rotor y una disposición según la realización descrita anteriormente.
Breve descripción de los dibujos
Las realizaciones de la presente invención se describen ahora con referencia al dibujo adjunto. La invención no está limitada a las realizaciones ilustradas o descritas.
La Figura ilustra esquemáticamente una turbina eólica según una realización de la presente invención.
Descripción detallada
La turbina eólica 1 según una realización de la presente invención ilustrada en la Figura incluye un generador de inducción de doble alimentación 3. El generador de inducción 3 es accionado por un eje secundario 5 que está acoplado a una caja de engranajes 7. La caja de engranajes 7 convierte una velocidad de rotación relativamente baja de un eje principal 9 de la turbina eólica en una velocidad de rotación relativamente alta del eje secundario 5. En el eje principal 9, se conectan varias palas del rotor 11, que son impulsadas por el impacto del viento 13. Una góndola no ilustrada montada en la parte superior de la potencia de una turbina eólica alberga el generador 3, los ejes 9, 5, la caja de engranajes 7 y un convertidor 17.
El generador 3 comprende bobinados de estator 13, así como bobinados del rotor 15, ambos ilustrados únicamente de forma esquemática. Los bobinados de estator 13 pueden, por ejemplo, comprender bobinados o bobinas trifásicas que se enrollan alrededor de los dientes de un yugo de estator ferromagnético. Los bobinados del rotor 15 también pueden comprender, por ejemplo, bobinados del rotor trifásicos enrollados alrededor de núcleos ferromagnéticos.
Los bobinados del rotor trifásicos 15a, 15b, 15c están conectados a un convertidor 17 que comprende una parte convertidora CA-CC 19, un enlace CC 21 y una parte convertidora CC-CA 23. El convertidor 17 convierte la alimentación de CA en alimentación de CA de diferentes frecuencias en ambas direcciones. El convertidor 17 es capaz de suministrar una señal de control (por ejemplo, una señal trifásica) 25a, 25b, 25c a los bobinados 15 del rotor.
Por lo tanto, el convertidor 17 recibe una señal de accionamiento 27 desde un controlador 30 que, además del convertidor 17, también puede controlar otras partes de la turbina eólica. El controlador 30 forma parte de una disposición 35 para controlar un generador de inducción conectado a una red eléctrica según una realización de la presente invención. El controlador 30 comprende un puerto de entrada 37 adaptado para recibir una señal de frecuencia real de la red 39 medida por un sensor de velocidad 41 que mide la velocidad de rotación del generador de inducción, es decir, la velocidad de rotación del eje secundario 5 que gira con respecto a un estator del generador 3. Para obtener la señal de frecuencia 39, la velocidad del generador puede filtrarse o promediarse en intervalos de tiempo particulares para suavizarla. El controlador 30 está adaptado para controlar los bobinados del rotor 15 mediante la señal de control del rotor 25a, 25b, 25c, que tiene una frecuencia de referencia de bobinado del rotor Q ref que se establece según una frecuencia real de la red f.
Los terminales de salida 43a, 43b, 43c del convertidor 17 están conectados con los terminales de salida 45a, 45b, 45c de los bobinados de estator 13. La potencia del estator P_stator, así como la potencia del rotor P_rotor, están conectadas a un transformador elevador y este está conectado a la red eléctrica 47, donde también están conectadas otras turbinas eólicas. La red eléctrica 47 está destinada a funcionar a una frecuencia nominal f0. Sin embargo, debido a perturbaciones o desequilibrios entre la producción de energía y el consumo de energía, la frecuencia de la red eléctrica puede desviarse ocasionalmente de la frecuencia nominal f0, por ejemplo con un valor f. En particular, la señal de control del rotor 25a, 25b, 25c tiene una frecuencia de referencia de bobinado del rotor (Q_ref), que se establece según una desviación (f-f0) entre la frecuencia real de la red f y la frecuencia nominal de la red f0.
El tamaño del generador 3, así como el del convertidor 17, están diseñados de manera que el generador 3 pueda funcionar con un deslizamiento s específico (por ejemplo, de un 12 % según una realización). La razón puede ser que en un generador de inducción con doble alimentación, hay una división de la potencia total del generador entre la potencia del estator P_estator y la potencia del rotor P_rotor. Además, la potencia del rotor P_rotor también afecta al tamaño y la capacidad nominal del convertidor 17. Cuanto mayor sea la potencia del rotor del generador P_rotor, mayor será el convertidor 17.
Convencionalmente, la frecuencia de referencia de bobinado del rotor puede no haberse establecido según la frecuencia real de la red. Sin embargo, en este caso convencional, las contribuciones de potencia relativa de los bobinados del rotor 15 y los bobinados de estator 13 cambian según la frecuencia de la red. Por ejemplo, a una frecuencia real de la red de 47 Hz, la potencia del rotor del generador puede aumentar de 620 kW a 950 kW. En consecuencia, el convertidor (p. ej. la parte del lado de la red) debe estar dimensionado para funcionar con esta potencia relativamente alta, por lo que debe sobredimensionarse para evitar daños durante el funcionamiento. A una frecuencia real de la red de 50 Hz, se alcanza el punto de funcionamiento óptimo. Sin embargo, a una frecuencia real de la red de 53 Hz, la potencia del estator del generador P_stator aumenta de 5510 kW a 5860 kW. La potencia del rotor del generador P_rotor se reduce de 620 kW a 280 kW, pero a medida que la tensión del rotor se reduce aún más (de 270 V a 130 V), finalmente las corrientes en el rotor del generador son más altas y los generadores se calientan más en comparación con el punto de funcionamiento de diseño.
Para el caso convencional, la frecuencia de referencia de bobinado del rotor se estableció, para una frecuencia real de la red de 53 Hz, a 1120 rpm, lo que tuvo como resultado un aumento de la potencia del estator P_estator = 5860 kW y una disminución de la potencia del rotor P_rotor = 280 kW. Además, el deslizamiento fue, por lo tanto, del -6 %, es decir, no es el valor óptimo para el deslizamiento.
Según una realización de la presente invención, la frecuencia de referencia de bobinado del rotor, en particular la frecuencia de la señal de control del rotor 25a, 25b, 25c, se adapta según la variación de la frecuencia de red, en particular según la desviación de la frecuencia real de la red con respecto a la frecuencia nominal de la red. De este modo, la potencia del rotor, así como la potencia del estator, permanecen sustancialmente constantes incluso para frecuencias de red reales cambiantes. En la siguiente Tabla 1, se indican los efectos de las diferentes frecuencias de referencia de bobinado del rotor para diferentes frecuencias de red sobre las contribuciones de potencia relativa del rotor y el estator para frecuencias de red de 50 Hz y 53 Hz.
Tabla 1:
Para una frecuencia real de la red de 50 Hz, la velocidad síncrona ns = 1000 rpm y la frecuencia de referencia de bobinado del rotor Q_ref se establecen en = 1120 rpm. Con este ajuste, la potencia del estator es de 5510 kW y la potencia del rotor es de 620 kW.
Para una frecuencia real de la red de 53 Hz, la velocidad síncrona es ns = 1060 rpm y la frecuencia de referencia de bobinado del rotor Q ref se establece = 1180 rpm. Como puede observarse en la Tabla 1, la potencia del rotor P_rotor (Prot) se mantiene en 620 kW y la potencia del estator P_stator (Pst) permanece en 5510 kW, por lo tanto, sin cambios en relación con la situación a 50 Hz. Además, el deslizamiento s también se mantiene en un -12 % en ambos casos. Como también puede observarse en la Tabla 1, la corriente del estator permanece, para ambas frecuencias de 50 Hz y 53 Hz, en 4610 amperios y la corriente del rotor también permanece, para ambas frecuencias de red, en 1680 amperios. Las realizaciones de la presente invención pueden tener la ventaja de la optimización de costes; la evitación de la sobreespecificación de los sistemas y componentes eléctricos, la garantía y el aumento de las capacidades de conexión a la red de una turbina eólica, la evitación la posible reducción de la disponibilidad de turbinas eólicas y otros. Según una realización de la presente invención, la velocidad del generador puede mantenerse a la distancia óptima de la velocidad síncrona (ns = 60 x f/p, con p = número de pares de polos, f = frecuencia), el dimensionamiento térmico del generador y su convertidor relacionado puede ser óptimo. La velocidad del generador puede ajustarse según nivel de frecuencia de la red eléctrica, pero puede centrarse únicamente en la frecuencia nominal (50 Hz o 60 Hz).
Cabe señalar que el término “ comprendiendo” no excluye otros elementos o etapas y los artículos “ un” o “ una” no excluyen una pluralidad. También hay que señalar que los signos de referencia de las reivindicaciones no deben interpretarse como una limitación del alcance de las mismas.

Claims (12)

  1. REIVINDICACIONES i.Método para controlar un generador de inducción (3) conectado a una red eléctrica (47), comprendiendo el método: recibir una frecuencia real de la red (f); y controlar los bobinados del rotor (15) del generador (3) mediante una señal de control del rotor (25a, b, c) que tiene una frecuencia de referencia de bobinado del rotor (Q_ref) que se establece según la frecuencia real de la red (f), en donde la frecuencia de referencia de bobinado del rotor (Q_ref) se establece de manera que un deslizamiento (s) cumpla con un valor predefinido y no cambie sustancialmente al cambiar la frecuencia real de la red (f), al menos en un rango de frecuencias predefinido, en donde el deslizamiento s viene dado por:
    en donde: f es la frecuencia real de la red, Q es la velocidad real del generador a la frecuencia de red real f, ns(f) es una velocidad síncrona a la frecuencia real de la red f, en donde ns en rpm viene dada por ns = 60 * f / p, en donde p es el número de pares de polos del rotor del generador y f se expresa en Hz, caracterizado por quela frecuencia de referencia de bobinado del rotor (Q_ref) se establece de la siguiente manera: Q ref(f) = Q (f0) * {1 (f-f0}/f0)r en donde f0 es la frecuencia nominal de la red, Q(f) es la frecuencia de referencia de bobinado del rotor a la frecuencia real de la red, Q(f0) es la frecuencia de referencia de bobinado del rotor a la frecuencia nominal de la red,
  2. 2. Método según la reivindicación anterior, en donde la red eléctrica (47) está diseñada para funcionar a una frecuencia nominal de la red (f0), en donde la frecuencia de referencia de bobinado del rotor (Q_ref) se establece según una desviación entre la frecuencia real de la red (f) y la frecuencia nominal de la red (f0).
  3. 3. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en donde el intervalo de frecuencia predefinido está entre 0,90 y 1,1, en particular entre 0,97 y 1,03 veces la frecuencia nominal de la red, en donde para una frecuencia nominal de la red (f0) de 50 Hz, el rango de frecuencia predefinido está entre 45 Hz y 55 Hz, en particular entre 47 Hz y 53 Hz, y más en particular entre 48 Hz y 52 Hz.
  4. 4. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en donde la frecuencia de referencia de bobinado del rotor (Q ref) se establece de manera que la potencia del rotor (Protor) emitida por los bobinados del rotor cumpla con una potencia relativa predefinida del rotor y/o la potencia de salida del estator (Pstator) de los bobinados del estator cumpla con una potencia relativa predefinida del estator y la potencia del rotor y/o la potencia del estator no cambien al cambiar la frecuencia real de la red (f), al menos en el rango de frecuencia predefinido.
  5. 5. Método según la reivindicación anterior, en donde los bobinados del estator (13) se dimensionan según la potencia relativa predefinida del estator, de modo que se requiere que funcionen con una carga no superior al 1 %, en particular el 0,1 %, por encima de la potencia relativa predefinida del estator.
  6. 6. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en donde un convertidor (17) está conectado a los bobinados del rotor (15) para suministrar la señal de control del rotor (25a, b, c), en donde el convertidor en particular comprende una parte convertidora CA-CC (19), un enlace CC (21) y una parte convertidora CC-CA (23), en donde los terminales de salida (43a, b, c) del convertidor están conectados a los terminales de salida (45a, b, c) de los bobinados del estator (13).
  7. 7. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en relación con la reivindicación 4, en donde los bobinados del rotor (15) y/o un convertidor (17) conectados a los bobinados del rotor se dimensionan según la potencia relativa predefinida del rotor, de modo que se requiere que funcionen con una carga no superior al 1 %, en particular el 0,1 %, por encima de la potencia relativa predefinida del rotor.
  8. 8. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en donde la frecuencia real de la red (f) se determina promediando y/o filtrando una frecuencia de red instantánea en un intervalo de tiempo predeterminado, en particular que abarca entre 1 min y 10 min.
  9. 9. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en donde la frecuencia real de la red (f) se desvía de la frecuencia nominal (f0) en menos del 5 %, o menos del 3 %, y/o en donde el generador de inducción (3) incluye un generador de inducción de doble alimentación, en particular trifásico, y/o un generador tipo jaula de ardilla.
  10. 10. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en donde el generador de inducción es accionado por un eje giratorio (5) de una turbina eólica (1), en particular acoplado mediante una caja de engranajes (7) a un eje principal (9) al que se conectan varias palas del rotor (11).
  11. 11. Disposición (35) para controlar un generador de inducción conectado a una red eléctrica, que comprende la disposición: un puerto de entrada (37) adaptado para recibir una frecuencia real de la red; y un controlador (30) adaptado para controlar los bobinados del rotor (15) del generador (3) mediante una señal de control del rotor (25a, b, c) que tiene una frecuencia de referencia de bobinado del rotor (Q_ref) que se establece según la frecuencia real de la red (f), en donde la frecuencia de referencia de bobinado del rotor (Q_ref) se establece de manera que un deslizamiento (s) cumpla con un valor predefinido y cambie sustancialmente al cambiar la frecuencia real de la red (f), al menos en un intervalo de frecuencias predefinido, en donde el deslizamiento s viene dado por:
    en donde: f es la frecuencia real de la red, Q es la velocidad real del generador a la frecuencia de red real f, ns(f) es una velocidad síncrona a la frecuencia real de la red f, en donde ns en rpm viene dada por ns = 60 * f / p, en donde p es el número de pares de polos del rotor del generador y f se expresa en Hz, caracterizado por quela frecuencia de referencia de bobinado del rotor (Q_ref) se establece de la siguiente manera: Q _ r e f ( f ) =Q ( f0} * {1 ( f - f 0 ) / f 0 ) , en donde f0 es la frecuencia nominal de la red, Q(f) es la frecuencia de referencia de bobinado del rotor a la frecuencia real de la red, Q(f0) es la frecuencia de referencia de bobinado del rotor a la frecuencia nominal de la red,
  12. 12. Turbina eólica (1), que incluye: un generador de inducción (3) accionado por energía eólica, teniendo el generador bobinados del rotor (15); y una disposición (35) según la reivindicación anterior.
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