ES2224426T3

ES2224426T3 - Generador de turbina eolica de volocidad variable.

Info

Publication number: ES2224426T3
Application number: ES98942021T
Authority: ES
Inventors: Amir S. Mikhail; Craig L. Christenson; Kevin L. Cousineau; William L. Erdman; William E. Holley
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-08-08
Filing date: 1998-08-07
Publication date: 2005-03-01
Anticipated expiration: 2018-08-07
Also published as: AU9016198A; AU737762B2; KR100667232B1; KR20010052057A; NO20000626L; DK1007844T3; CA2571368C; EP1007844B1; JP2001512804A; CA2571368A1; TR200000904T2; DE69824965D1; PL338639A1; BR9811873A; PL196763B1; EP1007844A1; EP1007844A4; US6137187A; CN1270659A; CA2300201C

Abstract

Un sistema de velocidad variable que comprende: - un generador de inducción de rotor bobinado (620;100) para generar electricidad ; - un control de par (623,603) para controlar el par motor del generador utilizando un control orientado al campo eléctrico; y - un controlador del ángulo de paso de las palas (610) para ejecutar la regulación del paso de las palas basándose en la velocidad del rotor del generador y operando independientemente del controlador del par motor.

Description

Generador de turbina eólica de velocidad variable.

Campo de la invención

La presente invención está relacionada con el campo de las turbinas eólicas; más en particular, la presente invención está relacionada con las turbinas eólicas de velocidad variable que tienen un generador de doble alimentación y que aplican el control del par motor y la regulación del ángulo de paso de las hélices basándose en la velocidad del rotor del generador.

Antecedentes de la invención

Recientemente, las turbinas eólicas han recibido una atención creciente como fuentes de energía alternativas seguras en el medioambiente y relativamente económicas. Con este interés creciente, se han desarrollado considerables esfuerzos para el desarrollo de las turbinas eólicas que son fiables y eficientes.

En general, una turbina eólica incluye un rotor que tiene múltiples palas. El rotor está montado dentro de una carcasa, la cual está posicionada sobre la parte superior de una torre de tipo de celosía o tubular. Las palas de la turbina transforman la energía del viento en un par motor o fuerza rotacional que acciona uno o más generadores, acoplados rotacionalmente al rotor a través de una caja de engranajes. La caja de engranajes eleva la velocidad rotacional inherentemente baja del rotor de la turbina para el generador para convertir eficientemente la energía mecánica en energía eléctrica, la cual es suministrada a una red de energía eléctrica de tipo público.

Un ejemplo de una turbina eólica del arte previo es la expuesta en el documento US-5289041. El documento US-5289041 expone una turbina eólica con un controlador operado para que efectúe el seguimiento de las fluctuaciones del viento para conseguir una alta eficiencia en la conversión de la energía del viento en energía eléctrica.

Se han utilizado muchos otros tipos de generadores en las turbinas eólicas. Una turbina eólica del arte previo incluía un generador de un rotor bobinado de doble alimentación. Véase la patente de los EE.UU. número 4994684, titulada "Sistema de control de generación de velocidad variable de un generador de doble alimentación", presentada el 19 de Febrero de 1991.

El generador de inducción de rotor bobinado (WRIG) incluye típicamente cuatro partes principales: el estator, el rotor, anillos deslizantes, y las tapas extremas con los rodamientos. En la figura 1 se muestra una vista en sección transversal de un generador trifásico bipolar, en donde en aras de la simplicidad, los bobinados se muestran como un par de conductores. Con referencia a la figura 1, el generador 100 comprende el estator 101, rotor 102, y la fase A de bobinado para la respectiva fase del rotor y del estator, 103 y 104, respectivamente. Se muestra también el eje 105 que acopla las palas de la turbina eólica a través de la caja de engranajes al generador 100.

Con referencia a la figura 2, en un sistema WRIG, el bobinado del estator 104 está conectado típicamente a la red eléctrica publica trifásica, tal como la red 201 trifásica de 480 Voltios, y en donde el bobinado del rotor 103 está conectado a un inversor 202 del lado del generador a través de unos anillos deslizantes (no mostrados). El bobinado 104 está acoplado también a la fuente 201 trifásica de 480 Voltios en paralelo con un inversor 203 del lado de la línea eléctrica. El inversor 203 del lado de la línea eléctrica y el inversor 203 del lado del generador están acoplados conjuntamente por medio del bus 204 de corriente continua (CC). La configuración mostrada en la figura 2 (es decir, inversor 203 del lado de la línea, bus de CC 203 y el inversor 202 del lado del generador) permite la circulación de energía eléctrica dentro o fuera del bobinado del rotor 103. Ambos inversores se encuentran bajo el control de un procesador de señales digitales (DSP) 205.

Muchas turbinas eólicas convencionales giran a una velocidad constante para generar electricidad a una frecuencia constante, por ejemplo, sesenta ciclos por segundo (60 Hz), la cual es un estándar en los EE.UU. para la corriente alterna, o bien a 50 Hz que es un estándar europeo. Debido a que las velocidades de los vientos cambian continuamente, estas turbinas eólicas utilizan bien sea un control aerodinámico activo (regulación del ángulo de paso de las palas) o de tipo pasivo (regulación de la pérdida de velocidad), en combinación con las características de los generadores convencionales de inducción de rotor en jaula de ardilla, para mantener una velocidad constante del rotor de la turbina.

Algunas turbinas operan a una velocidad variable mediante la utilización de un convertidor de energía eléctrica para ajustar su salida. Conforma fluctúa la velocidad del rotor de la turbina, la frecuencia de la corriente alterna que circula desde el generador varía también. El convertidor de energía eléctrica, situado entre el generador y la red eléctrica, transforma la corriente alterna de frecuencia variable en corriente continua, y la convierte entonces de nuevo a corriente alterna que tenga una frecuencia constante. La salida de energía eléctrica total del generador se combina por el convertidor (conversión total). Para consultar un ejemplo de dicha turbina, véase la patente de los EE.UU. numero 5083039 titulada "Turbina eólica de velocidad variable", presentada el 21 de Enero de 1992.

La utilización de turbinas eólicas de velocidad variable para generar energía eléctrica tiene muchas ventajas, incluyendo un mayor rendimiento de las palas con respecto a las turbinas eólicas de velocidad constante, con un control de la energía reactiva (VAR) y del factor de potencia, y disminuyendo las cargas.

Algunas de las turbinas eólicas de velocidad variable del arte previo son los sistemas de conversión total que utilizan un convertidor de energía eléctrica para rectificar totalmente la salida de la energía eléctrica total de la turbina eólica. Es decir, la turbina eólica que opera a una frecuencia variable, genera una salida de potencia de frecuencia variable y la convierte en una frecuencia fija para efectuar el seguimiento de la red pública. Tales sistemas que utilizan la conversión total son muy costosos. Debido a los costos, las partes se encuentran con frecuencia buscando soluciones de menor costo, tales como por ejemplo un generador de rotor bobinado que utilice una conversión parcial en la cual se rectifique solo una parte de la salida de energía eléctrica de la turbina eólica, y siendo invertida por el convertidor de energía eléctrica.

Actualmente existen algunos problemas relacionados con los algoritmos de control utilizados por los convertidores de energía eléctrica para controlar el proceso de conversión parcial. Por ejemplo, ciertos sistemas tienen problemas de estabilidad porque tienen grandes oscilaciones en la energía eléctrica y en el par motor. Otros sistemas no pueden generar una potencia suficiente sin el sobrecalentamiento de componentes críticos, o bien no están perfeccionados lo suficiente para proporcionar una solución económica para la fabricación en serie.

Así pues, existe la necesidad de un sistema de una turbina eólica de bajo costo que no tenga los problemas de estabilidad del arte previo, que genere no obstante una gran magnitud de energía eléctrica, sin la generación de cantidades excesivas de calor y que pueda ser perfeccionada para conseguir un diseño económico y de fácil fabricación.

Sumario de la invención

Se expone un sistema de velocidad variable para su utilización en sistemas tales como por ejemplo en las turbinas eólicas. El sistema comprende un generador de inducción de rotor bobinado, un controlador del par motor y un controlador del ángulo de paso de las palas. El controlador del par motor controla el par motor del generador utilizando una solución de control de la orientación del campo eléctrico. El controlador del ángulo de paso de las palas ejecuta una regulación del ángulo de paso de las palas basándose en la velocidad del rotor del generador, la cual es independiente del controlador del par motor.

Breve descripción de los dibujos

La presente invención se comprenderá más en su totalidad a partir de la descripción detallada expuesta más adelante y a partir de los dibujos adjuntos de las distintas realizaciones de la invención, la cual no deberá considerarse como una limitación de la invención en las realizaciones específicas, sino solamente como una explicación para su comprensión.

La figura 1 es una vista en sección transversal de un generador de inducción de rotor bobinado simplificado.

La figura 2 muestra una configuración de un sistema típico que incorpora un generador de inducción de rotor bobinado.

La figura 3 la relación de igualdad entre el par motor y el producto relacionado de la corriente y del flujo.

La figura 4 muestra un motor de CC de campo de rotor bobinado.

La figura 5 muestra la dirección del flujo cuando se energetiza solamente la fase "A".

La figura 6A es un diagrama de flujo de una realización del sistema de la presente invención.

La figura 6B es un diagrama de bloques de una realización del generador de inducción de rotor bobinado, y del control del par motor, de la presente invención.

La figura 6C muestra una relación entre el vector del flujo y el vector de la corriente del rotor.

La figura 6D muestra los componentes de la corriente del rotor.

La figura 7 es un diagrama de flujo de una realización del controlador de la turbina eólica de la presente invención, que muestra la secuencia de habilitación / inhabilitación del controlador de potencia/par motor y los diferentes modos del controlador del ángulo de paso de las palas.

La figura 8 es un diagrama de flujo de una realización del modo de regulación del ángulo de paso de las palas de la presente invención.

La figura 9 es un diagrama de flujo de una realización del modo de regulación de las revoluciones por minuto (rpm) de la presente invención.

La figura 10A es un diagrama de flujo de una realización de un sistema de control del ángulo de paso de las palas.

La figura 10B es un diagrama de bloques de una realización de controlador del ángulo de paso de las palas de tipo proporcional, integral y derivativo (PID) de la presente invención.

Descripción detallada de la presente invención

Se describe a continuación un sistema de velocidad variable. En la siguiente descripción se exponen numerosos detalles tales como los puntos de ajuste, cifras de magnitudes en vatios, etc. No obstante, será evidente para los técnicos especializados en el arte, que la presente invención puede ser realizada sin estos detalles específicos. En otros casos, las estructuras y dispositivos que son bien conocidos se muestran en forma de diagramas de bloques en lugar de hacerlo con detalles, con el fin hacer más clara la presente invención.

Generalidades de la presente invención

La presente invención proporciona un sistema de velocidad variable. En una realización, el sistema de velocidad variable comprende un generador de turbina eólica con capacidad para la energía eléctrica / par motor, que está acoplado y que suministra la energía eléctrica generada a una red de utilización pública. En una realización, el generador de la presente invención comprende un generador de inducción de rotor bobinado (WRIG o un generador de doble alimentación (DFG)), y un rotor que utiliza una regulación del ángulo de paso de las palas y una operación de velocidad variable, para conseguir una salida de energía eléctrica óptima para todas las velocidades del viento.

La capacidad del generador de inducción para generar energía eléctrica es equivalente a su capacidad para generar el par motor a las velocidades rotacionales. Cuando se ejerce un par motor en el rotor del generador en el sentido opuesto a su rotación, la energía mecánica del rotor se convierte en energía eléctrica. En un generador de inducción, el par motor se deriva de la interacción entre la corriente y el flujo según se muestra en la figura 3 o con más precisión el par motor es el producto de la corriente y el flujo. Para obtener el par motor máximo para un nivel dado de flujo, la dirección del vector de la corriente del rotor se mantiene exactamente a 90 grados con respecto a la dirección del flujo. En un motor de CC, esta relación perpendicular entre el flujo y la corriente de la armadura se lleva a cabo mediante conmutadores.

La figura 4 muestra la estructura mecánica de un motor de CC de rotor bobinado. Debido a los bobinados independientes de la armadura y del campo, el motor de CC puede ser controlado mediante la regulación de la corriente de la armadura para una salida del par motor deseado y mediante la regulación de la corriente del bobinado de campo para la intensidad de flujo deseada.

La generación del par motor en un generador de inducción opera sobre el mismo principio que en un motor de CC. La diferencia principal entre los dos es que en un motor de CC tanto el flujo y la corriente de la armadura son fijos, mientras que en un generador de inducción, estos dos vectores están girando constantemente.

El control orientado del campo (FOC) es un algoritmo que identificad el vector del flujo y controla la corriente de generación del par motor en la forma consiguiente.

La figura 5 muestra la dirección del flujo solamente cuando está energetizada la fase A del bobinado del estator. En el sistema mostrado en la figura 2, las fases del estator están energetizadas secuencialmente mediante una fuente de voltaje trifásico, y esto crea un vector de flujo giratorio.

Se observará que tanto el flujo como la corriente trifásica son vectores bidimensionales (2D) (es decir, con una magnitud y un ángulo), y con una corriente del rotor de valor cero, en donde el vector del flujo (\Psi) está relacionado con el vector de la corriente del estator (Is) por la siguiente ecuación algebraica:

(1)T = Ls*Is

en donde Ls es la inductancia del estator. Sin estar energetizado el bobinado del rotor, el generador se comporta como un inductor, es decir, la corriente del estator está retrasada con respecto al voltaje del estator en 90 grados, o con más precisión,

(2)Vs = d\Psi/dt = Ls \cdot dIs/dt

en donde Vs representa el voltaje del estator.

Un elemento importante en el FOC es el modelo del flujo. El modelo de flujo se utiliza para identificar el vector del flujo. La ecuación (1) es una forma muy simple del modelo de flujo para un WRIG, e indica que el vector del flujo puede ser identificado sencillamente mediante la consideración del producto de la medida de la corriente del estator (Is) y la inductancia del estator (Ls). Mediante la utilización del modelo del flujo, el vector del flujo puede ser identificado de forma que el par motor pueda ser controlado para generar energía eléctrica.

Aunque la exposición siguiente describe la presente invención en términos de una turbina de velocidad variable del viento, la presente invención tiene aplicación en otros sistemas eléctricos y mecánicos. Por ejemplo, el generador de la presente invención puede ser utilizado en sistemas que tengan otras fuentes que hagan girar un eje acoplado a un rotor del generador, tal como en una turbina de gas hidroeléctrica, y en sistemas de tracción en general, etc.

En una realización, la turbina eólica de la presente invención comprende un rotor que tiene 3 palas, y que comprende unas palas con un control total del ángulo de paso de la pala, rodamientos del ángulo de paso, y un cubo. Dicho rotor de la turbina eólica es bien conocido en el arte. Se observará que pueden utilizarse cualquier numero de palas o cualquier configuración en la presente invención. El rotor de la turbina eólica está acoplado a un tren motriz integrado que incluye un eje principal. El eje principal está acoplado al generador.

El sistema de la presente invención comprende también un convertidor de potencia en el circuito de excitación, entre la red de energía eléctrica publica y el rotor bobinado del generador de inducción de rotor de doble alimentación. El estator está acoplado, a través de un contactor, con la red de energía eléctrica publica. Puesto que el convertidor está en el circuito del rotor, procesa (por ejemplo, convierte) una fracción de la salida total nominal en Kilovatios (KW) del rotor de la turbina. En una realización, la salida de potencia total nominal del rotor de la turbina tiene 750 KW, y el convertidor convierte a lo máximo el 25-30 por ciento de la potencia total nominal (por ejemplo, 160 KW). En una realización, el generador comprende un generador de inducción de rotor bobinado de 750 KW a 460 Voltios.

En una realización, la presente invención proporciona un sistema de velocidad variable, que tiene un generador de inducción de rotor bobinado, un controlador de par motor, y un controlador del ángulo de paso de las palas (o de la velocidad) de tipo proporcional, integral y derivado (PID). El generador de inducción de la presente invención puede comprender un generador de inducción de anillo deslizante o sin anillo deslizante. El sistema de velocidad variable utiliza el generador de inducción de rotor bobinado con un sistema convertidor de energía, para asegurar el suministro de una energía eléctrica de frecuencia constante a la red de energía eléctrica pública. Se observará que aunque están descritas las aplicaciones en la red de energía, será evidente para los técnicos especializados en el arte que la presente invención puede ser aplicada también a otras aplicaciones tales como los sistemas de energía eléctrica autónomos.

El controlador del par motor, el cual es típicamente parte de un convertidor de energía, controla el par motor del generador. En una realización, el controlador del par motor controla el par motor del generador como una función de la velocidad del rotor con una solución de control orientado al campo (FOC), utilizando el control del vector del flujo. El controlador del par motor opera en el generador a partir de las velocidades de conexión en circuito hasta la correspondiente a la velocidad nominal. En una realización, la velocidad de conexión en circuito se refiere a la velocidad más baja del viento a la cual está diseñado el generador o la turbina para poder funcionar, mientras que la velocidad nominal es la velocidad mínima del viento para la cual la turbina genera su potencia máxima (por ejemplo, 750 KW). En una realización, a velocidades superiores a la velocidad nominal del viento, el controlador del par motor mantiene el rotor del generador a una potencia constante.

En una realización, el controlador de potencia comprende una tabla de consulta (LUT) que da salida a los valores de potencias en función de las velocidades del rotor del generador. El controlador de potencia interpola la tabla LUT, la cual contiene una curva codificada de potencia-velocidad, para obtener una potencia de salida de objetivo. Esta potencia se divide entonces por la velocidad del rotor del generador medida para obtener un par motor deseado del generador, a partir de la ecuación T = P/\omega (par motor = potencia / velocidad angular). En una realización, la potencia de la LUT es una potencia de salida de objetivo, la cual se compara con la potencia de salida en curso, utilizando un comparador o bien un dispositivo de hardware o software diferencial, para generar una indicación del error de potencia. El controlador proporciona e integral (PI) genera un valor de potencia de salida en curso ajustada en respuesta a la indicación del error de potencia, que dividida por la velocidad del rotor del generador medida, mediante un dispositivo divisor de hardware o software, da lugar a un par motor de objetivo. El par motor de objetivo provoca que un vector de corriente del rotor especificado sea insertado en el rotor, el cual interactúe con un vector del flujo identificado para generar un par motor deseado del generador.

Así pues, la presente invención proporciona también el control del par motor del generador, mediante la medición de la velocidad del rotor del generador en curso, teniendo acceso a la tabla LUT utilizando la velocidad del rotor medida, para obtener una potencia de salida de objetivo, comparando la potencia de salida en curso con la potencia de salida de objetivo, y generando un par motor de objetivo mediante el ajuste de un calculo del par motor, para mantener una salida predeterminada basándose en la comparación de la potencia de salida en curso con la potencia de salida de objetivo.

En una realización se utiliza un proceso para sincronizar dicho sistema de velocidad variable, el cual incluye la conexión a un estator del generador, conexión a un rotor del generador, elevando una corriente magnetizante de la corriente del rotor Ird (par motor que genera la componente de la corriente del rotor), y regulación del par motor del generador, mediante el control de la componente generadora del flujo de la corriente del rotor Irq.

El sistema de la presente invención incluye también un subsistema de regulación del ángulo de paso de las palas y de la velocidad, el cual proporciona la posición del ángulo de paso de las palas proporcional en el tiempo, así como también la regulación de la velocidad de la turbina, mediante la utilización de un controlador proporcional y derivativo (PID).

El controlador PID ejecuta la regulación del ángulo de paso de las palas, basándose en la velocidad del rotor del generador y opera independientemente del controlador del par motor en el convertidor de energía eléctrica. En una realización, el controlador PID es un controlador PID en bucle cerrado, que genera una velocidad del paso para ejecutar la regulación del paso durante las velocidades del viento nominales o por encima de las mismas. En una realización, el controlador PID puede iniciar la ejecución de la regulación del paso durante las velocidades que no correspondan a las velocidades del viento nominales anteriores. En una realización, para las velocidades inferiores a la nominal, el ángulo de paso está fijado en la posición de potencia máxima.

El controlador PID controla la velocidad del rotor del generador mediante el cambio del paso de las palas de una turbina eólica. En una realización, el controlador PID genera un voltaje de salida en respuesta a una diferencia entre la velocidad del rotor de objetivo y la velocidad del rotor medida (o en curso), la cual utiliza una LUT no lineal (en una realización, tabla 1011 de la figura 10) utiliza para dar salida a una velocidad del cambio en respuesta a la misma.

Aunque la presente invención está descrita en conjunción con un controlador PID, pueden utilizarse en las realizaciones un controlador proporciona e integral (PI), un controlador proporciona y derivativo (PD), o un controlador proporcional. Pueden utilizarse también controladores de adelanto-retraso o de retraso-adelanto. Así mismo, aunque la presente invención está descrita en conjunción con un controlador de bucle cerrado, puede utilizarse un controlador de bucle abierto, tal como un controlador de bucle abierto con un término derivado. Estos tipos de controladores son bien conocidos en el arte.

Generalidades del sistema

La figura 6A muestra una realización de un sistema de acuerdo con la presente invención. Con referencia a la figura 6A, el control 603 del par motor del generador en un convertidor de velocidad variable se encuentra acoplado para recibir un par motor calculado 601, basándose en las rpm 607 medidas, y en un punto de ajuste 602 máximo preseleccionado. En una realización, el par motor calculado 601 es una función de las rpm medidas del generador, basándose en la curva 640 de la tabla de consulta de potencia-velocidad. La salida de la tabla 640 se divide por las rpm medidas 607 utilizando el divisor 641.

En una realización, el par motor máximo 602 se ajusta a aproximadamente 5250 Nm, y su selección se basa en la corriente máxima disponible a partir de los valores nominales térmicos del sistema del convertidor. En otras palabras, la selección se basa en una curva característica de la velocidad/par motor calculada para un diseño de un rotor de una turbina en particular. En una realización, esta selección está basada en un valor de excitación de 290 amperios.

En respuesta a estas entradas, el control del par motor 603 genera una orden del par motor para controlar el rotor 604 del generador. El control del par motor 603 está acoplado también para recibir una potencia VAR o una orden del factor de potencia 642.

El rotor 604 del generador está acoplado para recibir la orden del par motor desde el control 603 del par motor del generador, y está acoplado para proporcionar energía a través de un espacio libre del flujo a la salida 605 del estator del generador. La realimentación 612 se encuentra acoplada desde la salida 605 del estator del generador a la entrada del rotor 604 del generador. Las salidas del rotor 604 del generador y el estator 605 del generador están acopladas a la red de utilización pública 606.

El rotor 604 del generador está acoplado también a un dispositivo de medida, el cual produce una velocidad medida 607 (en rpm) del rotor 604 del generador. En una realización, el dispositivo de medida comprende un codificador óptico que proporciona la posición así como también la velocidad rotacional del rotor 604 del generador.

El bloque 609 del controlador proporcionar, integral y derivativo (PID) y de limitación de la velocidad de paso, están acoplados para recibir la velocidad medida 607 y un punto de ajuste 608 de la velocidad operativa (rpm). El punto de ajuste de la velocidad operacional puede ser fijado basándose en la misma característica de la velocidad del par motor utilizada para establecer el punto de ajuste máximo del par motor. En una realización, el punto de ajuste de la velocidad operativa está basado en el par motor y potencia máximos. En una realización, el punto de ajuste de la velocidad operacional 608 es de 1423 rpm. En respuesta a estas entradas, el bloque 609 del PID y de limitación de la velocidad de paso, genera una salida de voltaje.

El control de paso variable (VPC) 610 está acoplado para recibir la salida de la velocidad de paso desde el PID y el bloque 609 de limitación de la velocidad de paso. El VPC 610 está acoplado al rotor de las palas 611 para regular la velocidad del rotor del generador 604, mediante el control del par motor aerodinámico de entrada del rotor de las palas 611 a través de la acción del ángulo de paso de las palas. El bloque 609 del PID y de limitación de la velocidad de paso genera una velocidad de paso deseada, la cual es convertida a un voltaje con la utilización de una tabla, según se describe con más detalle más adelante. Se aplica una salida de voltaje variable a un valor proporcional en un sistema hidráulico que varia el ángulo de las palas mediante la actuación de un cilindro del ángulo de paso a una velocidad variable. Así pues, el control de paso variable regula las revoluciones por minuto (rpm) mediante el control del par motor aerodinámico.

El bloque 609 del PID y de limitación de la velocidad de paso que incluye las rpm 607 medidas y el punto de ajuste de la velocidad operativa (rpm) 608, el VPC 610 y el rotor de palas 611 forman el sistema de paso de las palas 650, aunque las rpm medidas 607 y la parte restante del sistema en la figura 6A son parte de un convertidor de energía y del sistema generador 651. Se observará que en una realización, las rpm medidas 607 se utilizan simultáneamente por el sistema de paso de las palas 650 y por el sistema convertidor/generador de energía eléctrica 651.

Convertidor de energía de la presente invención

En la presente invención, el convertidor de energía controla el generador de inducción de rotor bobinado, de acuerdo con una curva de energía/velocidad predeterminada. Mediante el seguimiento de la curva de energía/velocidad predeterminada, el sistema de velocidad variable es capaz de operar la turbina para un coeficiente de potencia máxima (Cp) desde el valor de la velocidad del viento para la conexión en circuito hasta el valor nominal, que en este caso se denomina como Zona II, asegurando por tanto que se consiga la captura de energía aerodinámica máxima. Se observará que la curva de energía-velocidad está relacionada con una curva de par motor - velocidad, puesto que T = T\omega.

En una realización, la curva de energía-velocidad está codificada en el convertidor de energía en la forma de una tabla de consulta (LUT) de energía y las correspondientes velocidades del generador. La LUT puede residir en un sistema de hardware o bien software. Para controlar el par motor, el convertidor de energía mide la velocidad del rotor del generador, interpola la LUT para determinar la potencia de salida de la turbina de objetivo, y calcula el par motor del generador deseado a partir de la relación T = P/\omega, utilizando la velocidad del rotor del generador. En una realización, este par motor se genera mediante la determinación del vector de la corriente deseada, y utilizando las bien conocidas técnicas de modulación por anchura de impulsos, para generar este vector.

En una realización, debido a unas ligeras diferencias entre los valores teóricos y los reales, el convertidor de energía de la presente invención utiliza un controlador PI de bucle cerrado, el cual compara la salida en curso de potencia de la turbina con un valor de salida de objetivo, o bien un valor deseado, y efectuando pequeños ajustes en el cálculo del par motor para conseguir y mantener una salida deseada de la potencia de la turbina.

El controlador del par motor del convertidor de energía utiliza el control orientado del campo (FOC) para generar un par motor del generador en función de la velocidad del rotor del generador. Utilizando la corriente del estator, la corriente del rotor y el ángulo del rotor como entradas, el controlador del par motor del convertidor de energía identifica el vector del flujo y controla el vector requerido de la corriente del rotor, que con la interacción del vector del flujo del estator, genera el par motor deseado del generador. La corriente del rotor está creada por la conmutación apropiada de los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) del convertidor, utilizando las conocidas técnicas de regulación de la corriente por modulación de anchura de impulsos (PWM), tal como la expuesta en la patente de los EE.UU. número 5083039 titulada "Turbina eólica de velocidad variable", presentada el 21 de Enero de 1992. De esta forma, el sistema de control de potencia efectúa el seguimiento de un perfil de potencia/par motor-velocidad optimizado aerodinámicamente.

Se observará que los valores de la tabla de consulta que contienen el perfil de potencia/par motor-velocidad, están basados en la aerodinámica del rotor de la turbina eólica en particular y de la geometría del rotor de la turbina. En consecuencia, el conjunto de valores de la tabla pueden variar para los distintos rotores de las turbinas.

Una realización del controlador del par motor y las respectivas partes del generador de inducción de rotor bobinado se muestran en la figura 6B. El par motor puede ser expresado como:

(3)Td = k * \Psi * Irq

en donde k es un parámetro del generador. A partir del punto de vista del controlador, la ecuación (3) toma la siguiente forma:

(4)Irq = Td / (k * \Psi)

La ecuación (4) proporciona la magnitud de la corriente del rotor para un "par motor deseado" dado Td, el cual sea la salida del controlador órdenes del par motor 623.

Con referencia a la figura 6B, el controlador del par motor 623 comprende una tabla de consulta 623A, un controlador PI 623B, divisor 623C, conmutador 629 y los comparadores 623D y 623E, los cuales pueden ser implementados en hardware o en software, para generar los valores diferenciales, y un filtro de amortiguamiento de alimentación directa sin retorno 623F. La tabla de potencias 623A es una tabla LUT acoplada para recibir la velocidad del generador 607 y dando salida a un valor de potencia de objetivo correspondiente a la velocidad del generador 607. Una realización de la tabla de potencias 623A es la mostrada en la Tabla 1 a continuación.

TABLA 1

1

La potencia de salida de objetivo se compara por el comparador 623D para generar una diferencia entre la potencia de salida de objetivo y la potencia de salida en curso. La diferencia resultante es introducida en el controlador PI 623B, el cual ajusta la potencia tal como se describe aquí. El divisor 623C está acoplado para recibir la potencia ajustada del controlador PI 623B y la velocidad del generador 607 para dar salida a un par motor controlado.

El par motor controlado puede ser ajustado mediante un valor del par motor generado por el filtro de amortiguamiento de alimentación directa sin retorno 623F. El filtro de amortiguamiento 623F detecta el movimiento de oscilación (en la resonancia) del eje no rígido (que cumple con las normativas) (no mostrado para mayor claridad de la invención) provocado por su acoplamiento entre dos inercias independientes, una debida a la caja de engranajes y al generador, y la otra debida a las palas de la turbina. En respuesta a esta detección, el filtro de amortiguamiento 623F aplica un par motor negativo para reducir el movimiento relativo entre las dos inercias. En una realización, el filtro de amortiguamiento 623F comprende un filtro pasabanda en el cual la banda de paso está centrada en la frecuencia de resonancia de las dos inercias y el eje.

El par motor controlado resultante se introduce en el rotor bobinado del generador de inducción.

El conmutador 629 opera en respuesta a una indicación de frenada (por ejemplo, señal(es) para conmutar el par motor controlado para un par motor constante máximo 660, según se describe con más detalle más adelante.

Para la operación de la producción del par motor, se controla la componente de corriente del rotor Irq para seguir la dirección perpendicular del flujo (véase la figura (6D)). La magnitud de Irq está dada por la ecuación siguiente:

Irq = Td / (k * \Psi)

en donde k es un parámetro del generador. Se observará que la corriente del rotor, Ird, que se expone con más detalle más adelante, crea el flujo del generador y que no contribuye a la generación del par motor.

El bloque de la componente de la corriente del rotor 622 está acoplado para recibir el par motor ordenado y la componente escalar del vector de flujo desde el bloque 626 de transformadas de coordenadas rectangulares-bipolares, el cual convierte el vector del flujo desde el modelo de flujo 621 a coordenadas polares. En respuesta a estas entradas, el bloque 622 de la componente de la corriente del rotor genera la componente Irq del par motor de la corriente del rotor.

El modelo de flujo 621 identifica el vector del flujo. Para identificar el vector del flujo, los bloques del convertidor de corriente 621A y 621B obtienen el vector de la corriente del estator y el vector de corriente del rotor. Se observará que puesto que el vector de corriente puede ser determinado por la medida de dos de las tres corrientes trifásicas, solo se precisan dos sensores de corriente (no mostrados). El vector de corriente del estator con el ángulo del rotor 621B del generador 620 es introducido en el bloque de transformación de tramas 627C. El bloque 627C de transformación de tramas transforma la corriente del estator en una trama fija del rotor. A partir de las salidas del bloque 627C de transformación de tramas, la inductancia del estator Ls se determina en el bloque 621D. A partir del vector de la corriente del rotor, puede obtenerse la inductancia del rotor Lr en el bloque 621F. El vector del flujo se genera a partir de la inductancia del estator Ls y de la inductancia del rotor Lr.

Una vez que se haya determinado el vector del flujo, el vector de la corriente del rotor que sale del inversor 624 es "posicionado" en la dirección perpendicular al flujo, con el fin de generar el par motor. Puesto que la corriente del rotor está especificada con respecto al conjunto del rotor, la orden de la corriente del rotor depende tanto del ángulo del flujo como del ángulo del rotor. Específicamente, el ángulo del flujo se transforma primeramente en una trama de referencia fija del rotor, y en esta trama de referencia, la dirección de la orden de la corriente del rotor es la dirección que es perpendicular a la dirección del flujo. Este procedimiento se muestra en la figura 6C.

Utilizando la componente de la corriente del rotor, Irq, en conjunción con la parte de inductancia de la salida del bloque de transformación 626, se genera una corriente de referencia en la entrada del inversor 624. Se muestra también un inversor 630 acoplado al inversor 624 a través del bus de CC 631 y acoplado al lado del estator (lado de la línea) del generador 620.

Cuando esta corriente del rotor es forzada a que circule a través de los devanados del rotor, se desarrolla el par motor deseado Td, y se genera la energía (Td*\omega) en donde \omega es la velocidad del rotor. Esta energía se genera en forma de una corriente del estator que retorna a la red de utilización pública. Esta corriente del estator de "transporte de energía" se encuentra en fase con el voltaje del estator.

Cuando se está generando la energía que por el generador, el modelo de flujo descrito en la Ecuación (1) anterior ya no es válido, puesto que la corriente del estator (Is) comprende ahora dos componentes: el flujo que genera la componente y el componente de transporte de la energía. Este componente de transporte de la energía no contribuye a la producción de flujo, porque esta componente de la corriente tiene la misma magnitud (después de ser normalizada por la relación de los devanados) que la corriente del rotor generadora del par motor, pero en el sentido opuesto. En otras palabras, el flujo producido por estos dos vectores de corriente (es decir, la corriente del estator de transporte de la energía y la corriente del rotor que genera el par motor) sumadas conjuntamente son cero. Para eliminar la componente de transporte de la energía de la medida de corriente del estator, la corriente del rotor (Ir) se añade a la Ecuación 1 anterior, es decir:

\Psi = Ls*Is + Lr*Ir

en donde Lr es la inductancia del rotor; Ls y Lr difieren en la relación de los devanados.

Se observará que en la operación anteriormente descrita, aunque la componente de la corriente del estator que transporta la energía se encuentra en fase con el voltaje del estator, la componente de producción del flujo está retrasada con respecto al voltaje del estator en 90º. Esta componente de la corriente de producción del flujo da lugar a un factor de potencia del estator distinto a la unidad. Puesto que la corriente que produce el flujo inherentemente está retrasada con respecto al voltaje en 90º, para conseguir el factor de potencia unitario en el lado del estator, el flujo se genera por el devanado del rotor.

Para producir el flujo por el devanado del rotor, la componente adicional Ird de la corriente del estator deberá ser controlada. Esta componente adicional deberá estar a lo largo de la dirección del flujo, tal como se muestra en la figura 6D.

Conforme aumenta la componente de producción del flujo de la corriente del rotor (Ird), disminuye la corriente del estator de producción del flujo. Esto es debido al hecho de que la magnitud del flujo se mantiene constante por el voltaje del estator constante (a partir de la Ecuación 2 anterior). La componente de producción de flujo de la corriente del rotor, Ird, puede ser controlada de forma tal que el flujo que genere induzca el mismo voltaje que el voltaje de la red eléctrica. Es decir, el voltaje de inducción se encuentra en fase y tiene la misma magnitud que el voltaje de la red eléctrica. En este caso, los voltajes inducidos contrarrestan el voltaje de la red eléctrica, y por tanto el devanado del estator no absorbe ninguna corriente del estator. Este es el caso de un factor de potencia unitario del sistema.

Se observará que puede ser incorporado un control 670 de VAR/factor de potencia en el sistema, para controlar la producción de VAR. (El producto del voltaje del estator Vs y el vector de la corriente del estator Is (cuando no se genera el par motor) representa el valor del VAR magnetizante necesario por el generador.

Habilitación de la operación de la turbina

El convertidor de potencia opera solo cuando se encuentra habilitado. Un controlador de la turbina habilita e inhabilita el convertidor de potencia tal como se muestra en la figura 7, bloque 705. Dicho controlador de la turbina puede ser implementado en hardware, software o en una combinación de ambos, tal como en los sistemas basados en ordenadores y controladores. En una realización, la presente invención utiliza una señal de voltaje lógica binaria para habilitar e inhabilitar el convertidor de energía, la cual se denominará aquí como la señal de habilitación del convertidor.

En una realización, cuando el controlador de la turbina se encuentra en un modo de operación normal, denominado aquí como modo automático, el controlador de la turbina efectúa una guiñada de la turbina dentro del viento y varia el ángulo de paso de las palas de la turbina hasta una posición de potencia máxima. La posición de potencia máxima será comprendida por los técnicos especializados en el arte. Dado un viento suficiente, las palas comienzan a girar y se acelera la velocidad del generador. Una vez que la velocidad del generador alcanza una velocidad de habilitación del convertidor preseleccionada, el controlador de la turbina envía la señal de habilitación del convertidor al convertidor de energía. En una realización, la velocidad de habilitación del convertidor preseleccionada es de 820 rpm.

En respuesta a la recepción de la señal de habilitación del convertidor, se inicia la secuencia de arranque del convertidor. En una realización, el sistema inicialmente cierra el contactor de la línea de CA (en el inversor 630), lo cual da lugar en la matriz que la línea (en el inversor 630) sea conectada a la red de suministro público. Un retardo predeterminado permite a este contactor el poderse cerrar y compensando cualesquiera transitorios. En una realización, este retardo predeterminado es un retardo de 1,5 segundos. Una realización de la secuencia de habilitación se encuentra descrita en conjunción con la figura 7, y los bloques 714, 715, 716 y 717.

Después de que se cierre el contactor, tiene lugar un ciclo de precarga para asegurar que el bus esté totalmente cargado, y que permita la regulación del par motor instantáneo. En este caso, el voltaje del bus de CC está regulado hasta un valor predeterminado de voltios. En una realización, el valor predeterminado de voltios es de 750 voltios de CC. Otro retardo puede ser utilizado para asegurar que el bus esté precargado suficientemente para la debida regulación. En una realización, este retardo puede ser de 5 segundos. En una realización, si el bus falla en la regulación, se genera un fallo de voltaje superior o inferior y el fallo del convertidor se envía al controlador de la turbina.

Cuando la velocidad del generador alcanza una velocidad preseleccionada o con un valor superior, o bien haya terminado un retardo del bus predeterminado (es decir, después de la carga total del bus durante 5 segundos), el contactor del estator se cerrará (bloque 714), energetizando por tanto los devanados del estator y generando un flujo giratorio del estator. Los devanados del estator solo se energetizan con voltaje. Debido a la inductancia de los devanados del estator, la corriente de avalancha es muy pequeña, y en una realización, es solo el 75% de la corriente operativa máxima. En una realización, la velocidad preseleccionada es de 900 rpm. El retardo puede utilizarse para permitir que el contactor del estator se cierre y que se compensen los transitorios. En una realización, el retardo es de 3 segundos.

Cuando la velocidad del generador alcanza una velocidad preseleccionada o superior, y se verifica el voltaje del rotor para que esté por debajo de un pico de voltaje predeterminado, se cerrará el contactor del rotor (bloque 715), conectado la matriz del generador al rotor del generador de inducción de rotor bobinado. En una realización, la velocidad preseleccionada comprende 1000 rpm y el pico de voltaje predeterminado es de 319 Voltios. Puede utilizarse un retardo para permitir que se cierre el contactor del rotor. En una realización, este retardo es de ½ segundo. Hasta este instante, los transistores IGBT del lado del rotor (en el inversor 624) no se encuentran en conmutación. Puesto que los transistores IGBT del lado del rotor no se encuentran en conmutación, no existe flujo de corriente, y no existen transitorios o generación de energía. Puesto que no existe potencia real (solo potencia reactiva), no se generan picos de voltaje de conmutación.

La producción de energía comienza con la conmutación de los transistores IGBT del lado del rotor, los cuales crean el vector de corriente (tanto en magnitud como en posición) necesario para generar el par motor deseado. En una realización, el vector de corriente se crea en respuesta a una orden del controlador del par motor (por ejemplo, por medio de un procesador). Inicialmente, este par motor se encuentra en una serie de valores en rampa desde 0 hasta el valor especificado por la curva óptima de potencia/par motor-velocidad. Estos valores en rampa (bloque 716) eliminan las variaciones de la potencia o del par motor y permiten que la turbina pueda hacerse funcionar en línea de forma suave.

Se observará que la sincronización de la presente invención es diferente del proceso de "sincronización" tradicional utilizado en las máquinas de inducción síncronas o con rotor en jaula de ardilla; en la presente invención, no existen corrientes de avalancha, transitorios de corriente o bien oscilaciones de potencia asociadas con la conexión en línea de la turbina.

Una vez sincronizada, el convertidor de potencia efectúa el seguimiento de la curva de potencia-velocidad descrita anteriormente (bloque 717/ hasta que se inhabilite por el controlador de la turbina.

Se observará que el retardo expuesto anteriormente con respecto a la secuencia de arranque del convertidor puede ser ajustado, basándose en los componentes que se estén utilizando en el sistema, y con las condiciones ambientales existentes en el emplazamiento de la turbina. Estos ajustes puede realizarse por medio de un software, hardware, o ambos.

En una realización, la energía es introducida en la turbina por medio del viento. Si cambia la velocidad del viento, cambiará la potencia de entrada a la turbina. Para compensar los cambios en la potencia de entrada, la presente invención proporciona un proceso de actualización para actualizar el par motor del generador. Puesto que el par motor del generador está fijado (instantáneamente) por el convertidor de energía, la velocidad del generador aumenta de acuerdo con la fórmula de potencia P = T\omega. El convertidor de energía, el cual muestrea continuamente la velocidad del generador, reconoce que la velocidad ha cambiado e identifica la nueva velocidad, y actualiza la potencia deseada a partir de la tabla de consulta. El convertidor de energía determina un nuevo par motor a partir de la potencia deseada, y basándose en el FOC, calcula un nuevo vector de corriente el cual es introducido en el rotor del generador. En una realización, el proceso de actualización tiene lugar cada 33 milisegundos, o cada 2 ciclos para una línea eléctrica a 60 Hz, provocando que la turbina efectúe el seguimiento suave y con precisión de la curva de potencia-velocidad. Se observará que la velocidad de actualización podría variarse o podría cambiar dinámicamente durante la
operación.

Por debajo de la velocidad del viento nominal (por ejemplo, zona II), las palas se mantienen con un ángulo de paso de captura de energía preseleccionada, y la velocidad resultante del generador/turbina es la debida al par motor controlado y a la entrada de la potencia del viento. Esto asegura que la curva de potencia-velocidad haya sido seleccionada de forma correcta. En una realización, el ángulo de paso de captura de la potencia preseleccionada es el ángulo de captura de la potencia máxima (por ejemplo, 0, 1, ó 2 grados del ángulo de paso). El número de grados cambia en función de la velocidad del viento.

La potencia nominal tiene lugar a una velocidad del rotor del generador predeterminada. En una realización, la velocidad del generador a la cual tiene lugar la potencia nominal es de 1423 rpm. Por encima de la velocidad del viento nominal, la velocidad del rotor del generador está controlada por el controlador PID, el cual varía el ángulo de paso de las palas en respuesta a una indicación de la velocidad del rotor del generador. Se observará que esta indicación puede ser de varias formas, las cuales incluyen, aunque sin limitación, una señal o bien un valor(es) de la velocidad almacenado(s) en un registro. Es importante observar que el controlador del ángulo de paso de las palas PID trabaja independientemente del convertidor de energía. Si el convertidor de energía falla, el controlador PID mantiene la velocidad del generador (1423 rpm en una realización) mediante la orden de hacer más grandes los ángulos de paso de las palas. Al hacerlo así, este sistema incluye una operación segura incorporada a prueba de fallos.

Para las velocidades del generador iguales o mayores que la velocidad del generador a la cual tiene lugar la potencia nominal (por ejemplo, 1423 rpm o superior), la curva de potencia-velocidad es tal que el convertidor de energía mantiene una potencia constante, y sin fluctuaciones significativas. En consecuencia, las ráfagas de viento de la velocidad nominal anterior, tenderán a incrementar la velocidad de la turbina, teniendo poco efecto en la potencia del generador, puesto que el controlador PID reaccionará y regulará la velocidad del rotor del generador. La respuesta del controlador PID, no obstante, es tal que será capaz de controlar con eficacia la velocidad del rotor, y por tanto las variaciones que estén dentro de un margen del 5 por ciento, dando lugar a una producción de energía de respuesta casi plana para las velocidades del viento iguales o mayores que las especificadas.

Las variaciones por encima de la potencia nominal no tendrán efecto en el voltaje de la red eléctrica pública, ya que el exceso de potencia está desarrollado por el rotor del generador de inducción de rotor bobinado, puesto que la potencia del estator permanece constante. La corriente del rotor (la corriente del estator) se mantiene constante durante estas variaciones por el convertidor de energía, mediante el mantenimiento de un par motor constante (siendo el par motor proporcional a la corriente). Puesto que la corriente del rotor es constante durante estas ráfagas de viento, el incremento en la potencia del rotor es debida a un incremento en el voltaje del rotor. Pero la red eléctrica no está afectada por este incremento del voltaje, porque el convertidor de energía, situado entre el rotor del generador y la red eléctrica convierte este voltaje del rotor variable (y la frecuencia) a una forma de onda de corriente alterna (CA) constante (por ejemplo, una forma de onda de CA de 60 ciclos y 460 Voltios).

Sistema de control del ángulo de paso variable de recorrido total.

El sistema de control del ángulo de paso variable (VPC) de la presente invención es un sistema en tiempo real distribuido de tipo servoasistido, para el control de la posición del ángulo de paso y la velocidad del rotor de la turbina eólica. El VPC monitoriza y controla la posición del ángulo de paso de las palas, la velocidad de paso y la velocidad rotacional del generador.

En una realización, el transductor de posición del paso proporciona una señal analógica que es proporcional a la posición del ángulo de paso de las palas, y posteriormente convertida a una señal digital, para identificar la posición en curso de las palas de la turbina. Se utiliza un actuador de las palas acoplado a las palas para cambiar mecánicamente el paso del ángulo de las palas.

La figura 7 es un diagrama de flujo que muestra una realización del sistema de regulación del ángulo de paso de las palas de la presente invención. La lógica de control o proceso en el sistema ejecuta algunas de las operaciones en cooperación con el hardware eléctrico/mecánico del sistema. La lógica de control/proceso puede ser implementada en hardware, software o en ambos sistemas, tal como en un sistema de ordenador o controlador.

Con referencia a la figura 7, el sistema de regulación del ángulo de paso comienza con la medida de la velocidad del rotor (bloque 701). Al mismo tiempo, el sistema determina su estado operacional (bloque 702). Una prueba determina si el sistema de regulación del Angulo de paso se encuentra en modo automático (bloque 703). Si el estado operacional del sistema no está en modo automático, una prueba determina si la velocidad del rotor del generador (en rpm) es inferior a una velocidad predeterminada (bloque 704). En una realización, la velocidad predeterminada es de 1035 rpm. Si el sistema no se encuentra en modo automático, y la velocidad del rotor del generador es inferior a la velocidad predeterminada, el convertidor de potencia es señalizado para introducir una secuencia de inhabilitación (bloque de proceso 705); de lo contrario, el sistema permanece en su estado en curso.

Si el sistema está operando en modo automático, el proceso continúa en el bloque 706, en donde una prueba determina si la velocidad del rotor del generador está en incremento. Si la velocidad del rotor del generador no está en incremento, una prueba determina de la velocidad del rotor del generador es inferior a un punto de ajuste predeterminado (bloque 707). En una realización, este punto de ajuste predeterminado es de 835 rpm. Si la velocidad del rotor del generador no está en incremento y es inferior a 835 rpm, el convertidor de energía es señalizado para introducir una secuencia de inhabilitación (bloque 705); de lo contrario, el sistema permanece en su estado en curso.

En una realización, la secuencia de inhabilitación comprende la eliminación de la corriente del rotor (bloque 708), desconectando el rotor del generador (bloque 709), y la desconexión del estator del generador (bloque 710).

Si la velocidad del rotor del generador está en incremento según se haya determinado en el bloque 706, una prueba determina si la velocidad del rotor del generador es superior a 100 rpm (bloque 711). Si la velocidad del rotor del generador es mayor de 100 rpm, el ángulo de paso se fija a un punto de ajuste predeterminado (bloque de proceso 713). En una realización, el punto de ajuste predeterminado es de cero grados. En otras realizaciones, el ángulo de paso puede fijarse a cualquier número de grados, o partes de los mismos, incluyendo uno, dos o tres grados. En una realización, el punto de ajuste predeterminado es variable.

Así mismo, si la velocidad del rotor del generador es superior a 100 rpm, una prueba determina si la velocidad del rotor del generador es superior a una velocidad predeterminada (bloque 712). En una realización, esta velocidad predeterminada es de 820 rpm. Si la velocidad del rotor del generador es superior a esta velocidad predeterminada, el convertidor es señalizado para introducir una secuencia de habilitación (bloque de proceso 705). En consecuencia, en esta realización, el convertidor de energía es habilitado cuando la velocidad del rotor del generador es superior a 820 rpm.

En una realización, la secuencia de habilitación comprende las etapas siguientes. En primer lugar, el estator del generador se conecta a la red eléctrica pública (bloque 714). Después de conectar el estator del generador, se conecta el rotor del generador (bloque 715). Después de conectar el rotor del generador, se eleva gradualmente la componente del flujo de la corriente del rotor del generador, Ird, (bloque 716), y después se regula el par motor del generador (bloque 717). Esta secuencia de habilitación es una técnica de sincronización pasiva que conecta el generador con el fin de ser introducido en la línea con la corriente del rotor a cero. Esto es posible con el control del vector en cooperación con el generador de inducción de rotor bobinado de la presente invención.

Si la prueba determina que la velocidad del rotor del generador está en incremento pero que no está todavía con un valor superior a 100 rpm (bloque 711), el ángulo de paso se ajusta a un número de grados predeterminado (bloque 718). En una realización, el ángulo de paso se ajusta a 25 grados. Se observará que este ángulo de paso es un punto de ajuste que puede ser variado. El ángulo de paso deberá ser seleccionado para obtener una elevación adicional para ayudar a que la velocidad de la turbina sea más alta.

La presente invención ejecuta también la parte de la posición del ángulo de paso del sistema. En primer lugar se mide la posición del ángulo de paso, utilizando un dispositivo de medida bien conocido (bloque 720). Después de medir la posición del ángulo de paso, se calcula el error de posición del ángulo de paso entre el ángulo de paso en curso y un ángulo de paso ajustado predeterminado (bloque 721).

Después de calcular el error de posición del ángulo de paso, se amplifica el error de la posición del ángulo de paso (bloque 722). Con el error de la posición del ángulo de paso amplificado y la velocidad medida (bloque 701), se limita el cambio en la tasa del ángulo de paso dinámico (723).

Después de limitar la tasa del ángulo de paso dinámico en una cantidad predeterminada, una prueba determina si la velocidad del rotor del generador es mayor que una velocidad predeterminada. En una realización, este punto de ajuste es de 1423 rpm. Si la velocidad del generador no es superior a la velocidad predeterminada, el sistema de regulación del ángulo de paso introduce el modo de la posición del ángulo de paso fijo (bloque 726); de lo contrario, el sistema de regulación del ángulo de paso introduce el modo de regulación RPM (bloque 727).

Modo de regulación del ángulo de paso de las palas

Tal como se ha expuesto hasta aquí, la regulación del ángulo de paso se refiere al mantenimiento del ángulo de paso de las palas en la posición operativa de diseño para la operación por debajo de la potencia nominal especificada. En una realización, esta posición se encuentra a 0 grados. No obstante, pueden utilizarse otras posiciones. El VPC ejecuta la regulación del ángulo de paso mediante la introducción de un voltaje negativo que provoca que el cilindro del ángulo de paso se desplace desde su tope inicial (por ejemplo, 90 grados) o en posición en bandolera (mínima resistencia al viento) a una velocidad constante de algunos grados (por ejemplo, 1,0) por segundo hacia su punto de ajuste de cero grados nominales.

En la presente invención, se aplica un voltaje de control de la posición a un amplificador de error para generar una salida de error que sea proporcional a la diferencia entre la posición de control (Pc) y la posición de realimentación (Pf). En una realización, el amplificador de error se genera por software. No obstante, dicha amplificación podría ser ejecutada mediante hardware.

El error de salida es amplificado y enviado a la válvula proporcional. Se utiliza un limitador de la tasa de posición para limitar la tasa del ángulo de paso inicialmente a un grado por segundo. Esto limita la aceleración del rotor con vientos bajos y altos, y permite una transición suave para la generación sin problemas de sobrevelocidad.

Una vez que la turbina haya alcanzado su posición de cero grados, el amplificador proporcional ayuda a mantener esta posición mediante la generación de un voltaje que es proporcional a cualquier error que pudiera tener lugar debido a la reducción de las presiones del sistema hidráulico. Si durante la operación inicial del cambio del ángulo de paso, la velocidad del generador no supera una velocidad predeterminada (por ejemplo, 100 rpm), entonces el sistema efectúa el cambio del ángulo de paso para un valor predeterminado (por ejemplo, 25 grados). Esto ayuda a iniciar el giro del rotor con vientos muy ligeros. Una vez que la velocidad del generado se encuentra a un valor por encima de la velocidad predeterminada, entonces el sistema varia el ángulo de paso de las palas a una posición de cero grados nominales.

La regulación del ángulo de paso tiene lugar para una potencia nominal especificada o por encima de la misma (es decir, zona II), cuando la velocidad del generador está por debajo de su punto de ajuste especificado (por ejemplo, 1423 rpm). En una realización, durante las transiciones desde los valores por debajo de los especificados hasta valores por encima de los mismos, el sistema PID comienza a variar el ángulo de paso de las palas hacia la posición de bandolera (mínima resistencia) con antelación de la velocidad del generador en que se alcanza el punto de ajuste especificado (por ejemplo, 1423 rpm), dependiendo de la aceleración de la señal de velocidad del rotor del generador (desde por ejemplo el bloque 607).

La regulación del ángulo de paso por debajo de la potencia especificada no requiere un sistema PID completo debido al cambio de la velocidad del ángulo de paso que está limitado a solo un grado por segundo.

La figura 8 muestra una realización del modo de posición del ángulo de paso de la presente invención. Con referencia a la figura 8, se calcula el valor del error de posición del ángulo de paso, que es proporcional a la diferencia entre la posición de control (Pc) y la posición de realimentación (Pf). Entonces una prueba determina si el error del ángulo de paso es positivo (bloque 801). Si el error del ángulo de paso no es positivo, entonces una prueba determina si la velocidad del rotor es mayor que un primer punto de ajuste de la velocidad predeterminada (bloque 803). En una realización, el punto de ajuste de la velocidad predeterminada es de 1200 rpm según se mide en el bloque 802. Si el error del ángulo de paso no es positivo, y la velocidad del generador no es superior al primer punto de ajuste de la velocidad predeterminada, el proceso continua en el bloque 804, en donde se fija el límite de la velocidad del ángulo de paso, siendo igual a -Y1, y siendo introducido en el limitador de la velocidad del ángulo de paso dinámico 805.

Si la velocidad del rotor es superior al primer punto de ajuste de la velocidad predeterminada, entonces una prueba determina si la velocidad del rotor es superior a un segundo punto de ajuste de la velocidad predeterminada (bloque 806). En una realización, el segundo punto de ajuste de la velocidad predeterminada es de 1250 rpm. Si la velocidad del rotor es superior al segundo punto de ajuste de la velocidad predeterminada, entonces el proceso continua en el bloque 807, en donde el valor de la velocidad del ángulo de paso Y está fijado en -Y2, y siendo introducido en el limitador de la velocidad del ángulo de paso dinámico 805. Si la velocidad del rotor no es superior al segundo punto de ajuste de la velocidad predeterminada, entonces el valor del limite de la velocidad del ángulo de paso Y se fija como una función de la velocidad del rotor (bloque 808), el cual se encuentra entre -Y1 e -Y2, y entonces el valor del límite de la velocidad del ángulo de paso Y se envía al limitador de la velocidad del ángulo de paso dinámico (bloque 805). En una realización, esta función es una función lineal del limitador de la velocidad del ángulo de paso, que varía entre un mínimo y un máximo. Si el error del ángulo de paso es positivo, entonces una prueba determina si la velocidad del rotor es mayor que un tercer punto de ajuste de la velocidad predeterminada (bloque 809). En una realización, el tercer punto de ajuste de la velocidad predeterminada es de 1100 rpm. Si el error del ángulo de paso es positivo y la velocidad del rotor del generador no es superior al tercer punto de ajuste de la velocidad predeterminada, el proceso continuará en el bloque 810, en donde el límite Y de la velocidad del ángulo de paso se fija para que sea igual a Y1 y siendo introducido en el limitador de la velocidad del ángulo de paso dinámico (bloque 805).

Si la velocidad del rotor es superior al tercer punto de ajuste de la velocidad predeterminada, entonces una prueba determina si la velocidad del rotor es mayor que un cuarto punto de la velocidad predeterminada (bloque 811). En una realización, el cuarto punto de ajuste de la velocidad predeterminada es de 1150 rpm. Si la velocidad del rotor es mayor que el cuarto punto de ajuste de la velocidad predeterminada, entonces el proceso continua en el bloque 812 en donde el valor Y del limite de la velocidad del ángulo de paso se fija en Y2, y siendo introducido en el limitador de la velocidad del ángulo de paso dinámico (bloque805). Si la velocidad del rotor no es superior al cuarto punto de ajuste de la velocidad predeterminada, entonces el valor Y del limite de la velocidad del ángulo de paso se fija como una función de la velocidad del rotor (bloque 813), el cual se encuentra entre Y1 e Y2, y en donde el valor Y del limite de la velocidad del ángulo de paso es enviado al limitador de la velocidad del ángulo de paso dinámico (bloque 805). Así pues, la función es en el sentido opuesto de la función del bloque 808 antes descrito. En una realización, esta función es una función lineal del limitador de la velocidad del ángulo de paso que varía entre Y_{1} e Y_{2}, un máximo y un mínimo respectivamente.

El valor del error de posición del ángulo de paso determinado en el bloque 800 se amplifica (bloque 814) y se suministra al limitador de la velocidad del ángulo de paso dinámico (bloque 805). En respuesta a este valor Y del límite de la velocidad del ángulo de paso y al valor del error de posición del ángulo de paso amplificado, el cambio de la velocidad del ángulo de paso se limita inicialmente a un grado por segundo para limitar la aceleración del rotor para vientos bajos y altos, y para permitir una transición suave para generación sin problemas de sobrevelocidad.

Una prueba determina si la velocidad del rotor medida en el bloque 802 es mayor que un quinto punto de ajuste de la velocidad medida (bloque 815). En una realización, el quinto punto de ajuste de la velocidad predeterminada es de 1423 rpm. Si la velocidad del rotor es superior al quinto punto de ajuste de la velocidad predeterminada, el sistema se introduce en el modo de regulación RPM (bloque 816). Por el contrario, si la velocidad del rotor medida no es superior al quinto punto de ajuste de la velocidad predeterminada, entonces la velocidad del ángulo de paso se ajusta para un valor programado (bloque 817), el cual puede ser presentado como un voltaje binario, y el proceso continua en el bloque 818.

En el bloque 818, una prueba determina si el sistema se encuentra en el modo automático. En una realización, esta prueba se determina mediante el examen de si el sistema se encuentra en modo de fallos de espera/stop, como el resultado de haber detectado un fallo en el bloque 819. Si el sistema no se encuentra en el modo automático, el proceso continúa en el bloque 820, en donde el control del ángulo de paso es puenteado para desconectar el sistema. En una realización, el sistema es desconectado mediante el cambio del ángulo de paso de las palas a 90º. Si el sistema se encuentra en el modo automático, entonces el voltaje binario que representa los valores programados es convertido en analógico (bloque 821) y controla una válvula proporcional del sistema hidráulico (bloque 822).

En una realización, un único convertidor digital-analógico (D/A) genera el voltaje necesario para la válvula proporcional hidráulica. Este voltaje es directamente proporcional al cilindro del ángulo de paso hidráulico, es decir, la velocidad de cambio de la posición del ángulo de paso de las palas. En una realización, un voltaje positivo provoca que las palas varíen el ángulo de paso hacia la dirección de la posición de bandolera (mínima resistencia), mientras que un voltaje negativo provoca que las palas cambien el ángulo de paso hacia la dirección de potencia (ángulo de paso de creación de potencia). La velocidad del ángulo de paso está controlada por la amplitud del voltaje de salida D/A. En una realización, la velocidad de muestreo de salida del dispositivo D/A se fija en 10 Hz.

Modo de regulación RPM

El sistema VPC regula la velocidad del generador. En una realización, la velocidad del generador se regula mediante un control proporcional, integral y derivativo (PID) del ángulo de paso de las palas de la turbina. El sistema VPC calcula y después amplifica un error, a través de software en una realización, para generar un error de salida que es proporcional a la diferencia entre la velocidad controlada (por ejemplo, 1423 rpm), el cual se denomina aquí como Rc, y la velocidad de realimentación, denominada aquí como Rf. La presente invención utiliza esta salida para generar los valores PID necesarios para corregir el control de la velocidad de la válvula proporciona, y por tanto, el ángulo de paso de las palas.

Cuando la velocidad del rotor se aproxima a un punto de ajuste predeterminado (por ejemplo, 1423 rpm), el controlador PID genera un voltaje que hace variar el ángulo de paso de las palas hacia la posición de bandolera (mínima resistencia). Al revés, cuando la velocidad del rotor cae por debajo de un punto de ajuste predeterminado (por ejemplo, 1423 rpm), el controlador PID genera un voltaje que hace variar el ángulo de paso de las palas hacia la generación de energía hasta que se alcance el ajuste del paso nominal o que exceda al punto de ajuste predeterminado nominal (por ejemplo, 1423 rpm).

El controlador de regulación de la velocidad PID es un sistema basado en la velocidad. En una realización, se utiliza una tabla para cambiar los valores generados de la velocidad del ángulo de paso por la lógica de control PID en voltajes específicos a aplicar al valor proporcional. En la figura 2 se muestra una tabla de ejemplo. En una realización, el ángulo de paso máximo de la velocidad en bandolera (mínima resistencia) es de 12 grados por segundo, mientras que el ángulo de paso máximo para la velocidad de generación de energía (durante la regulación de la velocidad) es de 8 grados por segundo. Estos valores corresponden a los voltajes del convertidor D/A de salida de 5,1 y 4,1, respectivamente.

TABLA 2

2

Se observará que en la Tabla 2, la velocidad de paso negativa es un paso para generar energía, mientras que la velocidad de paso cero o de posición corresponde a un paso de la posición en bandolera (mínima resistencia).

En una realización, el conmutador de control de la válvula desconecta la válvula proporcional durante los modos de Stop y de Espera según se reciba la respectiva orden.

La figura 9 muestra una realización del modo de regulación de rpm de la presente invención. Con referencia a la figura 9, en el bloque 900, se calcula el valor del error de velocidad que es proporcional a la diferencia entre las rpm ordenadas (Pc) (bloque 930), y las rpm medidas (Pf) del bloque 902 (bloque 900).

Una prueba determina si el error de rpm es positivo (bloque 901). Si el error de velocidad no es positivo, entonces una prueba determina si la velocidad del rotor es superior a un punto de ajuste de velocidad predeterminado (bloque 903). En una realización, el punto de ajuste de velocidad predeterminado es de 1200 rpm. Si el error de rpm no es positivo, y el la velocidad del rotor del generador no es superior a el primer punto de ajuste de la velocidad predeterminado, el proceso continua en el bloque 904, en donde el valor limite de la velocidad de paso se fija igual a -Y1, y siendo enviado al limitador de velocidad del paso dinámico 905.

Si la velocidad del rotor es superior al primer punto de ajuste de la velocidad predeterminado, entonces una prueba determina si la velocidad del rotor es mayor que un segundo punto de ajuste predeterminado más alto (bloque 906). En una realización, el segundo punto de ajuste de la velocidad predeterminado es de 1250 rpm. Si la velocidad del rotor es superior al segundo punto de ajuste de la velocidad predeterminado, entonces el proceso continua en el bloque 907 en donde el valor del limite de la velocidad de paso Y se ajusta a -Y2, y siendo introducido en el limitador de velocidad de paso dinámica 905.

Si la velocidad del rotor no es superior al segundo punto de ajuste de la velocidad predeterminado, entonces el valor Y del límite de la velocidad de paso se fija para que sea una función de la velocidad del rotor (bloque 908). En una realización, esta función es una función lineal del limitador de velocidad de paso que varia entre -Y1 e -Y2. El valor Y de la velocidad de paso es enviado al limitador de velocidad de paso dinámica (bloque 905).

Si el error de velocidad es positivo, entonces el valor Y del limite de velocidad de paso se ajusta a Y2 (bloque 912) y siendo introducido en el limitador de velocidad de paso dinámica (bloque 905).

También después de calcular el valor del error de velocidad, el sistema PID determina si la aceleración es demasiado rápida, y fija el paso según corresponda (bloque 940). En respuesta al valor Y del limite de velocidad de paso y a la salida del bucle PID 940, la velocidad de paso está limitada inicialmente en un grado por segundo (bloque 905).

A continuación una prueba determina si la velocidad del rotor medida (bloque 902) es superior a un tercer punto de ajuste de la velocidad predeterminado (bloque 915). En una realización, el tercer punto de ajuste de la velocidad predeterminado es de 1423 rpm. Si la velocidad del rotor medida es inferior al tercer punto de ajuste de la velocidad predeterminado, el sistema entra en el modo de posición del paso (bloque 916). Por el contrario, si la velocidad del rotor medida es superior al tercer punto de ajuste de la velocidad predeterminado, la velocidad de paso se convierte utilizando la tabla de conversión de velocidad de paso a voltaje de control, anteriormente descrita (bloque 917), y el proceso continua en el bloque 918.

En el bloque 918, una prueba determina si el sistema se encuentra en el modo automático. En una realización, esta prueba se determina mediante el examen de sí el sistema se encuentra en el modo de fallos de espera/stop, como resultado de haber detectado un fallo en el bloque 919. Si el sistema no se encuentra en el modo automático, el proceso continua en el bloque 920, en donde continua en el bloque 920, en donde el control del ángulo de paso es puenteado para no ser ejecutado y desconectar el sistema. En una realización, el sistema se desactiva mediante la colocación de las palas a 90º. Si el sistema se encuentra en modo automático, entonces el voltaje que representa el valor de la velocidad del ángulo de paso se convierte a un valor analógico (bloque 921), y siendo aplicado a la válvula proporcional del sistema hidráulico para inicializar la acción de cambio del ángulo de paso (bloque 922).

Sistema de cambio del ángulo de paso con un controlador PID

La figura 10A muestra una realización de un sistema de cambio del ángulo de paso de las palas. Con referencia a la figura 10A, el sistema del cambio del ángulo de paso comprende un controlador PID de bucle cerrado 1010, y una tabla no lineal 1011 para convertir las entradas de la velocidad del ángulo de paso en salidas de voltajes. Los valores de la velocidad del cambio de paso recibidos por la tabla 1011 se generan mediante el controlador PID 1010 en respuesta a una diferencia en la velocidad de salida y la velocidad ordenada, según lo determinado por la lógica de comparación o bien por el software de comparación. Las salidas de voltaje de la tabla 1011 se aplican a un valor proporcional, el cual da lugar a la acción del cambio del ángulo de paso de las palas.

En la figura 10B se muestra un diagrama de bloques del flujo funcional de una realización del controlador PID. Con referencia a la figura 10B, se determina una diferencia entre el valor de realimentación de la posición, Pf, con respecto a la posición ordenada, Pc, mediante una lógica de comparación (por ejemplo, un substractor) o mediante el software 1001. Esta diferencia representa el error de posición. El error de posición es amplificado mediante un factor de escala de K, por el amplificador 1002 para crear el valor yc. En una realización, K se fija en 0,5. El valor yc se acopla como una entrada al limitador 1005, el cual está controlado por el controlador limitador 1004. El limitador 1005 limita la velocidad del cambio del ángulo de paso de las palas durante los movimientos de la posición del paso. En una realización, la velocidad del cambio del paso es lenta. El controlador 1004 está acoplado para recibir la realimentación de la velocidad del generador y, en respuesta a la misma, los cambios del limitador 1005 basados en la velocidad del generador (rpm). El controlador limitador (bloque 1004) eleva el paso máximo a la posición de bandolera (mínima resistencia al aire) o para el paso de producción de energía utilizando una función lineal del valor medido de las rpm, R_{F}.

El controlador PID comprende también la lógica de comparación (por ejemplo, un substractor) o el software 1003, para generar una diferencia entre la velocidad del generador ordenada, Rc, y la velocidad del generador en curso, Rf. La salida del bloque de comparación 1003 es el valor del error de la velocidad x, el cual es recibido por los bloques de los algoritmos PID 1006 y 1007. El algoritmo PID (bloques 1006 y 1007) calculan una velocidad de cambio del paso deseada, basándose en una función proporcional, integral y derivativa del valor del error de la velocidad. La salida de la velocidad del paso en función de la entrada del error de velocidad incluye también la programación de la ganancia que ajusta las ganancias en función de la posición del ángulo de paso. El programador de velocidad de la ganancia (bloque 1012) proporciona el multiplicador, E, basado en la realimentación de la posición del ángulo de paso y dos parámetros del punto de ajuste E1 y E2. En una realización, los dos parámetros de los puntos de ajuste E1 y E2 son -0,85 y 0,0028, respectivamente. La salida del bloque 1005 está acoplada a la salida de 1006 y de yf, para su introducción en el bloque 1008. El limitador 1005 limita la velocidad del paso máxima hasta la posición de bandolera de las palas (mínima resistencia al viento) y para el paso de producción de energía durante el modo de regulación de la velocidad.

La salida del limitador 1008 proporciona la entrada de un generador de voltaje 1009 y la retroalimentación en el bloque 1007 del algoritmo PID. La salida del generador de voltaje 1009 está acoplada a la entrada del conmutador 1010, el cual está controlado para desactivar el valor proporcional en respuesta a una orden para detener la turbina. La salida del conmutador 1010 está acoplada a un convertidor D/A, que proporciona la salida de voltaje para el sistema, que se aplica al valor proporcional que controla la acción del cambio de paso de las palas.

Frenado hidráulico

Para conseguir el frenado hidráulico, la curva de par motor / velocidad de la presente invención puede ser alterada de forma deliberada. En una realización, el convertidor de energía ordena un par máximo constante. Este par motor máximo constante se conmuta en el sistema en respuesta a una condición de fallo, provocando que se reduzca la velocidad de la turbina. La figura 6B muestra el convertidor de energía incluyendo un par motor constante máximo 660 y el conmutador 629.

En una realización, el sistema de seguridad se aplica a un freno blando y varia el paso de las palas a 90 grados. Posteriormente, una prueba determina si ha existido un fallo. En una realización, el freno dinámico se utiliza solamente en respuesta a los fallos de una parada dura. En otras realizaciones, el frenado dinámico puede ser utilizado por otros tipos de fallos (por ejemplo, blandos, duros, etc.).

En respuesta a la determinación de que haya tenido lugar un fallo de la parada dura, la presente invención hace variar el paso de las palas a 90 grados, y ordena el valor del par motor constante máximo. El par motor se introduce en el rotor del generador, dando lugar a una reducción en la velocidad de la turbina. En una realización, se ralentiza la turbina hasta una velocidad predefinida. Después de conseguir la velocidad predefinida, puede liberarse el frenado, bien sea automática o manualmente (por ejemplo, mediante la reposición manual mediante por el operario).

Factor de potencia y compensación VAR.

Puesto que el convertidor de energía controla directamente la corriente del rotor, el factor de potencia del sistema total puede ser controlado y ajustado dinámicamente a través de un rango de 0,90 con retraso o de 0,90 con adelanto, independientemente del nivel de salida de la turbina. En la presente invención, la potencia VAR se suministra al secundario del generador de inducción. Así pues, el convertidor de energía puede actuar como un compensador VAR para la red de distribución de energía pública. Esto se lleva a cabo por un sistema de control que ordena un número específico de kVAR desde cada turbina a través de un sistema SCADA. La figura 6B muestra una entrada 670 para controlar la energía VAR. Mediante el ajuste de la energía VAR en el segundario, la energía VAR del sistema completo puede ser seleccionada dinámicamente.

El factor de potencia deseado puede ser configurado para cualquier valor nominal entre 0,90 con retraso y 0,90 con adelanto, o variando en respuesta a las fluctuaciones en el voltaje de la red pública. En consecuencia, el convertidor de energía, trabajando a través de SCADA puede operar en un modo del factor de potencia constante, modo de VAR constante, o en modo de regulación del voltaje.

Algunas de las ventajas del acondicionamiento de la potencia de la presente invención son que proporciona una captura de la energía máxima, con el control del par motor, y la eliminación de la fluctuación del voltaje, así como también el control del factor de potencia. Adicionalmente, está disponible el ajuste del factor de potencia dinámico. Además de ello, la velocidad variable de la presente invención proporciona la atenuación de los picos del par motor. Los transitorios del par motor, que provocan la fluctuación del voltaje, y daños en los componentes del tren de transmisión, están atenuados permitiendo un incremento en la velocidad del rotor, "almacenando" por tanto la energía adicional de una ráfaga del viento en un sistema inercial giratorio de las palas del rotor. Esta energía puede ser extraída y suministrada a la red mediante la reducción de la velocidad del rotor conforme desaparezca la ráfaga de viento, o bien puede ser "volcada" mediante la alteración del paso de las palas aparte del viento. Así pues, la operación de la velocidad variable puede reducir drásticamente los transitorios del par motor, lo cual se convierte en unos menores costos y una mayor vida útil del tren de transmisión de la turbina eólica.

Algunas partes de la descripción detallada anteriormente descritas se presentan en términos de algoritmos y representaciones simbólicas de operaciones sobre bits de datos en una memoria de ordenador. Estas descripciones de los algoritmos y representaciones son los medios utilizados por los técnicos especializados en el arte en las artes del procesamiento de datos como el medio más efectivo de la sustancia de su trabajo a otros técnicos especializados en el arte. El algoritmo en general se presenta aquí para que sea una secuencia consistente de pasos que conduzcan a un resultado deseado. Los pasos son aquellos que precisen de manipulaciones físicas de las magnitudes físicas. Usualmente, aunque no es necesario, estas magnitudes toman la forma de señales eléctricas o magnéticas, capaces de ser almacenadas, transferidas, combinadas, comparadas y manipuladas en cualquier forma. Ha probado ser conveniente en todo momento, principalmente por razones de utilización común, el referirse a estas señales como bits, valores, elementos, símbolos, caracteres, térmicos, números o similares.

No obstante, deberá tenerse en cuenta que todos estos y los términos en general se tienen que asociar con las magnitudes físicas apropiadas, y que son sencillamente etiquetas convenientes aplicadas a estas magnitudes. A menos que se constate específicamente lo contrario, tal como sea evidente a partir de las exposiciones siguientes, se observará que a través de la totalidad de la invención presente, las exposiciones que utilicen términos tales como "procesamiento" o "computación" o "cálculo" o "determinación" o "visualización" o similares, pueden referirse a la acción y procesos de un sistema por ordenador, o a un dispositivo de computación electrónico similar, que manipule o transforme los datos representados por magnitudes físicas (electrónicas) dentro de los registros y memorias del sistema por ordenador, en otros datos representados de forma similar como magnitudes físicas dentro de las memorias o registros del sistema de ordenador, o bien otros dispositivos de almacenamiento, transmisión o visualización de dicha información.

Tal como se ha expuesto anteriormente también, la presente invención está relacionada también con un aparato para ejecutar las operaciones presentes. Este aparato puede ser construido especialmente para los fines requeridos, o puede comprender un ordenador de propósito general activado selectivamente o bien reconfigurado mediante un programa de ordenador almacenado en el ordenador. Dicho programa de ordenador puede ser almacenado en un medio de almacenamiento legible por ordenador, aunque no está limitado a cualquier tipo de disco que incluya discos flexibles, discos ópticos, CD-ROM, y discos magneto-ópticos, memorias de solo lectura (ROM), memorias de acceso aleatorio (RAM), memorias EPROM, memorias EEPROM, tarjetas magnéticas ú ópticas o cualquier tipo de medios adecuados para almacenar instrucciones electrónicas, y acopladas cada una a un bus del sistema del ordenador. Los algoritmos aquí presentados no están relacionados inherentemente con cualquier ordenador en particular o bien otros aparatos. Distintas máquinas de propósito general pueden ser utilizadas con los programas, de acuerdo con las exposiciones aquí mostradas, o bien pueden probar ser convenientes para construir aparatos más especializados para la ejecución de las etapas del método requeridas. La estructura requerida para las distintas máquinas estará expuesta a partir de la descripción que sigue más adelante. Adicionalmente, la presente invención no está descrita con referencia a cualquier lenguaje de programación en particular. Se observará que pueden ser utilizados varios lenguajes de programación para implementar las exposiciones mostradas de la invención, tal como se encuentran aquí descritas.

Aunque serán evidentes muchas alteraciones y modificaciones de la presente invención para un técnico con una especialización normal después de haber leído la anterior descripción, se comprenderá que la realización en particular mostrada y descrita a modo de ilustración no tiene por objeto en forma alguna que sea considerada como limitante. En consecuencia, las referencias a los detalles de las distintas realizaciones no tienen por objeto el limitar el alcance de las reivindicaciones que de por sí exponen las características consideradas como esenciales para la invención.

Así pues, se ha descrito un sistema de velocidad variable.

Claims

1. Un sistema de velocidad variable que comprende:

un generador de inducción de rotor bobinado (620; 100) para generar electricidad;

un control de par (623,603) para controlar el par motor del generador utilizando un control orientado al campo eléctrico; y

un controlador del ángulo de paso de las palas (610) para ejecutar la regulación del paso de las palas basándose en la velocidad del rotor del generador y operando independientemente del controlador del par motor.

2. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el sistema de velocidad variable incluye un sistema de turbina eólica de velocidad variable.

3. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el controlador del paso de las palas (610) comprende un controlador de paso proporcional, integral y derivativo (PID).

4. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el controlador del paso de las palas comprende un controlador de paso de tipo proporcional e integral (PI) (623B).

5. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el controlador de paso comprende un controlador de paso proporcional y derivativo (PD).

6. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el controlador de paso de las palas comprende un controlador de retraso-adelanto.

7. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el controlador de paso comprende un controlador de bucle abierto con un término derivativo.

8. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el generador de inducción de rotor bobinado comprende un generador de inducción sin anillos deslizantes.

9. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el controlador de paso comprende un filtro de amortiguamiento (623f) para reducir el par motor ordenado, basándose en el movimiento de oscilación detectado entre las palas de la turbina y el generador.

10. El sistema definido en la reivindicación 1, en el que el controlador del par motor controla la energía del generador y el par motor como una función de la velocidad del generador.

11. El sistema definido en la reivindicación 1, en el que el controlador del par motor controla la energía producida por el generador a partir de una tabla de consulta de potencias (LUT) (623A) como una función de la velocidad del generador (607) utilizando el control del campo orientado (FOC).

12. El sistema definido en la reivindicación 1, en el que el controlador del par motor (623) comprende una tabla de consulta (LUT) (623A; 640) de potencias y de las velocidades correspondientes del rotor del generador, y en el que el controlador del par motor (623) interpola la LUT utilizando una velocidad del rotor del generador medida, para determinar una potencia de salida de objetivo, a partir de la cual el controlador del par motor determina un par motor del generador deseado, utilizando la velocidad medida del rotor del generador.

13. El sistema definido en la reivindicación 12, en el que el controlador del par motor (623) provoca que el generador efectúe el seguimiento de la curva predeterminada de potencia-velocidad codificada en la LUT (623A).

14. El sistema definido en la reivindicación 1, en el que el controlador del par motor (623) comprende:

una LUT (623A) que codifica una curva predeterminada de potencia-velocidad, en la LUT da salida a una potencia de salida de objetivo en respuesta a la velocidad medida del rotor del generador;

un comparador (620D, 623E) para generar una indicación del error de potencia, basándose en una comparación, de potencia de salida en curso y la potencia de salida de objetivo;

un controlador proporcional, integral (PI) (623B) acoplado a la indicación del error de potencia para generar una potencia de salida en curso ajustada en respuesta a la indicación del error de potencia calculado; y

un divisor (623C) para generar un par motor ordenado en respuesta a la velocidad medida del rotor del generador y a la potencia de salida en curso ajustada.

15. El sistema definido en la reivindicación 14, que comprende además un filtro de amortiguación de alimentación directa sin canal de retorno (6237), acoplado para cambiar el par motor ordenado, en respuesta a la velocidad medida del rotor del generador.

16. El sistema definido en la reivindicación 1, en el que el controlador del par motor (623) controla el par motor del generador mediante la orden de un vector de corriente del rotor requerido, el cual interactúa con un vector del flujo identificado, para generar un par motor deseado del generador.

17. El sistema definido en la reivindicación 1, en el que el controlador del par motor (623) controla el par motor al menos desde la velocidad del viento para la conexión en circuito hasta la velocidad del viento nominal especificada.

18. El sistema definido en la reivindicación 1, en el que el controlador del par motor (623) controla el par motor desde la velocidad del viento para la conexión en circuito hasta la velocidad del viento nominal especificada.

19. El sistema definido en la reivindicación 1, en el que el controlador del par motor (623) provoca que el generador efectúe el seguimiento de una curva predeterminada de potencia-velocidad.

20. El sistema definido en la reivindicación 1, en el que el controlador del par motor (623) ordena un par motor constante preseleccionado para rebajar la velocidad del rotor bobinado.

21. El sistema definido en la reivindicación 20, en el que el par motor constante preseleccionado comprende un par motor constante preseleccionado máximo.

22. El sistema definido en la reivindicación 1, que comprende además una indicación de velocidad del generador, acoplada a las entradas del controlador de potencia y al controlador PID (1010).

23. El sistema definido en la reivindicación 1, en el que el controlador de paso comprende un controlador PID de bucle cerrado (1010) en el que el ángulo de paso está retroalimentado.

24. El sistema definido en la reivindicación 1, en el que el controlador del ángulo de paso comprende un controlador de bucle abierto con un término derivativo.

25. El sistema definido en la reivindicación 1, en el que el controlador del ángulo de paso comprende un controlador PID (1010) que genera una velocidad de paso para ejecutar la regulación del paso.

26. El sistema definido en la reivindicación 1 ó 3 que comprende además:

un comparador para generar la indicación de error de velocidad basándose en una comparación entre una velocidad medida del rotor del generador y una velocidad de objetivo del rotor del generador, y en donde el controlador de paso PID (1010) genera un valor de velocidad de paso de salida en respuesta a la indicación del error de velocidad; y

una tabla LUT no lineal (1011) acoplada para dar salida a un voltaje de orden para controlar una válvula proporcional para efectuar la acción del cambio del ángulo de paso en respuesta al valor de la velocidad de paso.

27. El sistema definido en la reivindicación 1 ó 3, en el que el controlador del par motor (623) comprende una LUT (623A) que contiene una curva codificada de potencia-velocidad, en el que el controlador del par motor muestrea la velocidad del rotor del generador, actualizando una potencia de salida deseada de la LUT, utilizando la velocidad del rotor del generador, determinando un nuevo par motor basándose en una potencia de salida deseada actualizada, y calculando un nuevo vector de la corriente que se introduce en el generador de inducción de rotor bobinado.

28. El sistema definido en la reivindicación 27, en el que el controlador de paso PID (1010) efectúa el cambio de ángulo de paso de la pluralidad de palas, basándose en una diferencia entre la velocidad del rotor del generador en curso y la velocidad ordenada del rotor del generador.

29. El sistema definido en la reivindicación 27 que comprende además:

un comparador (623D, 623E) para generar una indicación del error de velocidad basándose en una comparación entre una velocidad medida del rotor del generador y una velocidad de objetivo del rotor de generador, y en donde el controlador de paso PID genera una orden de velocidad del paso en respuesta a la indicación del error de velocidad; y

una LUT no lineal (1011) acoplada para dar salida a un voltaje de control a aplicar a un valor proporcional para llevar a cabo el movimiento del ángulo de paso de las palas en respuesta a la orden de velocidad del ángulo de paso.