ES2252444T3 - Procedimiento de funcionamiento de una instalacion de energia eolica. - Google Patents
Procedimiento de funcionamiento de una instalacion de energia eolica.Info
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Abstract
Procedimiento de funcionamiento de una instalación de energía eólica con un alternador trifásico (3) dotado de un convertidor de frecuencia (6) con circuito intermedio de tensión continua en el circuito del rotor para un funcionamiento del alternador con número de revoluciones variable, caracterizado porque en condiciones de viento normales el alternador trifásico (3) es hecho funcionar durante el funcionamiento normal como una máquina asíncrona de doble alimentación (DASM) y con viento reducido es conmutado por fuera de su rango de trabajo subsíncrono rentable, por separación de su estator (4) de la red eléctrica (8) y cortocircuitado del mismo a través de una resistencia de resbalamiento trifásica (14), a una máquina asíncrona simple (ASM) y es hecho funcionar como tal.
Description
Procedimiento de funcionamiento de una
instalación de energía eólica.
La invención concierne a un procedimiento de
funcionamiento de una instalación de energía eólica con un
alternador trifásico dotado de un convertidor de frecuencia con
circuito intermedio de tensión continua en el circuito del rotor
para un funcionamiento del alternador con número de revoluciones
variable.
Un procedimiento del género expuesto se ha
descrito, por ejemplo, en el documento "Adaptive control
strategies for variable-speed
doubly-fed wind power generation systems",
INDUSTRY APPLICATIONS SOCIETY ANNUAL MEETING, 1984, CONFERENCE
RECORD OF THE 1944 IEEE DENVER; CO, USA, 2-6 de
Octubre de 1994, Nueva York, NY, USA, IEEE, 2 Octubre de 1994
(02-10-1994), páginas
545-552, XP010124064 ISBM:
0-7803-1993-1. Se
revela allí la aplicación de una estrategia de regulación
adaptativa a máquinas de doble alimentación en instalaciones de
energía eólica con número de revoluciones variable. Se utiliza una
estrategia adaptativa de rastreo del punto de máxima potencia
(Maximum Power Point Tracking, MPPT) junto con el rastreo de la
relación de la velocidad máxima de las puntas de las palas del
rotor a la velocidad del viento
(tip-speed-ratio). Se ha podido
incrementar así la entrega total de energía.
Las instalaciones de energía eólica con palas de
hélice de ángulo de ataque regulable pueden hacerse funcionar con
número de revoluciones variable. Una instalación típica posee un
alternador trifásico con doble alimentación, cuyo circuito del
rotor está unido con la red eléctrica a través de un convertidor de
frecuencia dotado de un circuito intermedio de tensión. El
convertidor de frecuencia está constituido, por ejemplo, por dos
inversores de impulsos IGBT que están unidos uno con otro a través
de un circuito intermedio de tensión continua. Por medio de una
regulación del convertidor de frecuencia orientado al campo se
controlan corrientes trifásicas sinusoidales del rotor con
frecuencia variable que inducen en el estator una corriente de red
pobre en armónicos superiores.
La relación de espiras entre el estator y el
rotor y el rango de control de tensión del alternador determinan el
rango de resbalamiento útil del generador, que en instalaciones
conocidas está en +/- 35% de resbalamiento.
Las instalaciones de energía eólica con alta
potencia, por ejemplo 2 MW, generan incluso con poco viento un par
de giro considerable, pero con los procedimientos de funcionamiento
conocidos éste no puede utilizarse para una generación rentable de
energía. Esto reside en que el aprovechamiento del rango de número
de revoluciones subsíncrono durante el funcionamiento usual del
alternador como máquina asíncrona de doble alimentación tropieza
con un límite inferior del número de revoluciones en el que un
aumento necesario de la tensión del convertidor de frecuencia
conduce a pérdidas antieconómicamente altas del hierro del estator
en la red eléctrica. La energía eléctrica que puede generarse de
este modo pasa a ser por debajo de un número de revoluciones límite
más baja que la energía absorbida por el estator de la red.
El cometido de la presente invención consiste en
indicar un procedimiento de funcionamiento de una instalación de
energía eólica que haga posible la generación rentable de energía
eléctrica incluso con viento débil.
El problema se resuelve según la invención por el
hecho de que en condiciones de viento normales el alternador
trifásico es hecho funcionar durante el funcionamiento normal como
una máquina asíncrona de doble alimentación y con viento reducido
es conmutado por fuera de su rango de trabajo subsíncrono rentable,
por separación de su estator respecto de la red eléctrica y
cortocircuitado del mismo a través de una resistencia de
resbalamiento trifásica, a una máquina asíncrona simple y es hecho
funcionar como tal.
La invención hace posible la generación económica
de energía eléctrica con instalaciones de energía eólica tanto en
el rango usual de número de revoluciones como a menores números de
revoluciones que no cubren los procedimientos de funcionamiento
conocidos. De este modo, las instalaciones de energía eólica hechas
funcionar conforme a la invención siguen generando energía incluso
cuando ya se desconectan las instalaciones hechas funcionar del
modo convencional y resultan ser inservibles. Por tanto, a lo largo
de grandes períodos de tiempo se puede generar en promedio con una
instalación de energía eólica hecha funcionar conforme a la
invención cantidades de energía sensiblemente mayores que con
instalaciones que funcionan del modo convencional.
En las instalaciones de energía eólica conocidas
es usual que un cable de estator para conectar el estator a la red
eléctrica discurra desde el alternador dispuesto en el extremo
superior de la torre de la instalación, atravesando la torre, hasta
una caja de distribución dispuesta en la base de la torre, en donde
se une con la red eléctrica. En esta caja de distribución o en sus
inmediaciones se disponen convenientemente también un interruptor
para separar el estator de la red eléctrica y un interruptor para
cortocircuitar el estator a través de la resistencia de
resbalamiento trifásica. Con esta disposición se puede mejorar el
procedimiento según la invención, empleando para ello un cable
trifásico - que conduce del estator a una acometida de la red
dentro de la instalación de energía eólica - como resistencia de
resbalamiento trifásica. Gracias a esta medida, se puede suprimir
el gasto para una resistencia de resbalamiento especial. El cable
existente de todos modos asume de manera sencilla el cometido de la
resistencia de
resbalamiento.
resbalamiento.
En una forma de realización preferida del
procedimiento según la invención se ha previsto que el convertidor
de frecuencia con circuito intermedio de tensión continua del rotor,
que sirve durante el funcionamiento normal como convertidor de
impulsos de cuatro cuadrantes, se transforma en el convertidor de
frecuencia completo para el alternador trifásico cortocircuitado en
el estator a través de la resistencia de resbalamiento.
El procedimiento puede seguirse mejorando con la
medida de que esté previsto un dispositivo de control para
controlar la frecuencia y la tensión de dos inversores de impulsos
con circuito intermedio de corriente continua, que sea conmutado
por la regulación orientada al campo de la excitación del rotor de
la máquina asíncrona de doble alimentación a una regulación
orientada al campo de la máquina asíncrona simple, cuyo estator está
cortocircuitado a través de la resistencia de resbalamiento.
Una variante del procedimiento de funcionamiento
según la invención para otros estados de funcionamiento prevé que
el alternador trifásico se haga funcionar como motor asíncrono para
la puesta en funcionamiento y/o al construir la instalación de
energía eólica, siendo separado su rotor de la red eléctrica y
cortocircuitado a través de una resistencia de resbalamiento
trifásica.
La invención comprende también una instalación de
energía eólica que es adecuada para la puesta en práctica del
procedimiento de funcionamiento según la invención y que está
configurada de manera correspondiente.
Otras ventajas y detalles de la invención se
desprenden de la descripción siguiente de un ejemplo de realización
con ayuda de los dibujos. Muestran en éstos:
La figura 1, una representación esquemática de
una instalación de energía eólica adecuada para la puesta en
práctica del procedimiento según la invención; y
La figura 2, un diagrama con una representación
normalizada de la potencia generada en función del número de
revoluciones.
En la figura 1 se aprecia una torre 1 de una
instalación de energía eólica con una hélice 2 constituida por tres
palas, en la que se pueden regular sin escalones los ángulos de
ataque de las palas de la hélice para garantizar en condiciones de
viento muy diferentes un par de giro suficiente para la generación
de energía a lo largo de un rango grande de números de
revoluciones.
Un alternador trifásico 3 está unido con la
hélice 2 a través de una unión mecánica 22 y es accionado por esta
hélice. El alternador trifásico 3 posee un estator 4 y un rotor
5.
El estator 4 del alternador trifásico 3 puede
unirse eléctricamente con la red eléctrica 8 a través de un primer
interruptor 13 o bien alternativamente a través de una resistencia
de resbalamiento trifásica 14 y un segundo interruptor 15 para
formar un devanado cortocircuitado. En el presente esquema este
cortocircuito del estator está provisto de el símbolo de referencia
16.
El rotor 5 está unido con un convertidor de
frecuencia 6 que a su vez puede estar unido con la red eléctrica 8
a través de un tercer interruptor 7 o separado de ésta.
El convertidor de frecuencia 6 está constituido
por dos inversores de impulsos 9, 10 que están unidos eléctricamente
uno con otro a través de un circuito intermedio 11 de tensión
continua. Se establecen diferentes estados de funcionamiento del
convertidor de frecuencia 6 por medio de un dispositivo de control
12 para controlar la frecuencia y la tensión de los dos inversores
de impulsos 9, 10.
En el diagrama de la figura 2 se ha registrado en
el eje de abscisas un número de revoluciones n que está normalizado
a un número de revoluciones nominal nN. Carece de importancia que se
trate del número de revoluciones de la hélice 2 o del número de
revoluciones del rotor 5, puesto que estos dos números de
revoluciones se diferencian a lo sumo en un factor constante que
puede estar condicionado por un engranaje multiplicador rígido
eventualmente intercalado. Sin embargo, el factor constante es
eliminado por la normalización de la escala del eje de abscisas al
número de revoluciones nominal.
En el eje de ordenadas del diagrama de la figura
2 se ha registrado una potencia eléctrica P del alternador
trifásico 3 que está normalizada a una potencia nominal PN y que
puede ser entregada por este alternador a la red eléctrica 8. La
curva de potencia del diagrama está constituida por cuatro segmentos
bien diferenciables 17, 18, 19, 20.
En caso de viento suficientemente fuerte, se hace
funcionar la instalación de energía eólica en el segmento 17. Se
sobrepasa entonces el número de revoluciones nN necesario para
generar la potencia nominal PN. Regulando el ángulo de ataque de
las palas 2 de la hélice se adapta el número de revoluciones real n
a la intensidad del viento y la potencia P entregada a la red
eléctrica 8 se mantiene entonces constantemente en la potencia
nominal PN controlando de manera correspondiente el convertidor de
frecuencia 6 por medio del dispositivo de control 12. El alternador
trifásico 3 se hace funcionar en este rango durante el
funcionamiento normal como una máquina asíncrona de doble
alimentación y el convertidor 6 se hace funcionar por medio del
dispositivo de control 12 como un convertidor de impulsos de cuatro
cuadrantes. El estado de funcionamiento normal se ha designado con
DASM en la
figura 2.
figura 2.
Al irse debilitando el viento, no se puede
mantener ya el número de revoluciones nN necesario para generar la
potencia nominal PN. Por tanto, en el segmento 18 de la curva de
potencia la potencia realmente entregada P cae por debajo de la
potencia nominal PN, concretamente de manera aproximadamente
proporcional al número de revoluciones decreciente n, hasta que se
haya alcanzado un número de revoluciones mínimo con el cual pueda
seguir funcionando rentablemente la instalación de energía eólica en
el estado de funcionamiento normal DASM. En el caso de intensidades
del viento aún más débiles, se tendría que parar la instalación de
energía eólica sin el procedimiento de funcionamiento según la
invención.
Sin embargo, la invención hace posible que siga
funcionando la instalación de energía eólica con viento muy débil
por conmutación a un estado de funcionamiento ASM en el que el
alternador trifásico 3 se hace funcionar como máquina asíncrona y
el convertidor de frecuencia 6 se hace funcionar como convertidor de
frecuencia completo. El estator 4 es separado entonces de la red
eléctrica 8 abriendo el primer interruptor 13 y es cortocircuitado
a través de la resistencia de resbalamiento 14 cerrando el segundo
interruptor 15. Por tanto, se impide que las pérdidas del hierro
del estator 4 en la red eléctrica 8 predominen sobre la energía
eléctrica generada al mismo tiempo por el alternador.
Como puede apreciarse en el diagrama de la figura
2, el segmento 20 de la curva de potencia cae a su vez de manera
aproximadamente proporcional al número de revoluciones, pero con una
pendiente menor que en el segmento 18. Este estado de
funcionamiento ASM hace posible, con el tercer interruptor 7
cerrado, la alimentación rentable de energía a la red eléctrica 8
incluso a números de revoluciones muy bajos n que se alcanzan con
intensidades de viento muy pequeñas. Por tanto, en el segmento 20
de la curva de potencia la instalación de energía eólica hecha
funcionar según la invención puede generar energía adicional que no
puede ser generada por una instalación hecha funcionar de la manera
convencional.
La diferencia de energía, que se perdería en la
instalación de energía eólica convencional, puede resultar
enormemente grande en ciertas circunstancias. La magnitud de la
diferencia depende sustancialmente de las condiciones del viento en
el lugar de ubicación de la instalación. Cuanto mayores sean los
períodos de tiempo con condiciones de viento débil tanto mayor será
la energía adicionalmente obtenida.
Los intervalos de números de revoluciones de los
dos estados de funcionamiento ASM y DASM se superponen en la zona
de conmutación 21 indicada por rayado en la figura 2. Según el
algoritmo de control empleado, el punto de conmutación puede estar
situado en números de revoluciones n algo más altos o algo más
bajos. Por tanto, la potencia eléctrica correspondiente P puede
resultar también correspondientemente diferente. Por consiguiente,
el tercer segmento 19 de la curva de potencia no representa la
evolución real, sino que únicamente ha de entenderse como una
representación esquemática de la transición.
- 1
- Torre
- 2
- Hélice
- 3
- Alternador trifásico
- 4
- Estator
- 5
- Rotor
- 6
- Convertidor de frecuencia
- 7
- Tercer interruptor
- 8
- Red eléctrica
- 9
- Inversor de impulsos
- 10
- Inversor de impulsos
- 11
- Circuito intermedio de tensión continua
- 12
- Dispositivo de control
- 13
- Primer interruptor
- 14
- Resistencia de resbalamiento
- 15
- Segundo interruptor
- 16
- Cortocircuito del estator
- 17
- Primer segmento
- 18
- Segundo segmento
- 19
- Tercer segmento
- 20
- Cuarto segmento
- 21
- Circuito de conmutación
- 22
- Unión mecánica
- 23
- Potencia eléctrica
- PN
- Potencia nominal
- n
- Número de revoluciones
- nN
- Número de revoluciones nominal
- ASM
- Funcionamiento como máquina asíncrona/funcionamiento como convertidor de frecuencia completo)
- DASM
- Funcionamiento como máquina asíncrona de doble alimentación/funcionamiento normal
Claims (8)
1. Procedimiento de funcionamiento de una
instalación de energía eólica con un alternador trifásico (3) dotado
de un convertidor de frecuencia (6) con circuito intermedio de
tensión continua en el circuito del rotor para un funcionamiento
del alternador con número de revoluciones variable,
caracterizado porque en condiciones de viento normales el
alternador trifásico (3) es hecho funcionar durante el
funcionamiento normal como una máquina asíncrona de doble
alimentación (DASM) y con viento reducido es conmutado por fuera de
su rango de trabajo subsíncrono rentable, por separación de su
estator (4) de la red eléctrica (8) y cortocircuitado del mismo a
través de una resistencia de resbalamiento trifásica (14), a una
máquina asíncrona simple (ASM) y es hecho funcionar como tal.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se emplea como resistencia de
resbalamiento trifásica (14) un cable trifásico que conduce dentro
de la instalación de energía eólica desde el estator (4) hasta una
acometida de la red.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque el convertidor de frecuencia (6) con
circuito intermedio de tensión continua del rotor (5), que durante
el funcionamiento normal (DASM) sirve de convertidor de impulsos de
cuatro cuadrantes, se transforma en un convertidor de frecuencia
completo para el alternador trifásico (3) cortocircuitado en el
estator (4) a través de la resistencia de resbalamiento (14).
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque está previsto un dispositivo de control
(12) para controlar en frecuencia y tensión dos inversores de
impulsos (9, 10) con circuito intermedio (11) de tensión continua,
que es conmutado por la regulación orientada al campo de la
excitación del rotor de la máquina asíncrona de doble alimentación
(DASM) a una regulación orientada al campo de la máquina asíncrona
simple (ASM), cuyo estator (4) está cortocircuitado a través de la
resistencia de resbalamiento (14).
5. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el alternador trifásico (3) se hace
funcionar como motor asíncrono para la puesta en funcionamiento y/o
durante la construcción de la instalación de energía eólica, siendo
su estator (4) separado de la red eléctrica (8) y cortocircuitado a
través de una resistencia de resbalamiento eléctrica (14).
6. Instalación de energía eólica con un
alternador trifásico (3) dotado de un convertidor de frecuencia (6)
con circuito intermedio de tensión continua en el circuito del rotor
para un funcionamiento del alternador con número de revoluciones
variable, caracterizada porque el estator (4) del alternador
trifásico (3) puede unirse en un primer estado de funcionamiento
con la red eléctrica (8) a través de un primer interruptor (13) y
puede cortocircuitarse en un segundo estado de funcionamiento a
través de un segundo interruptor (15) y una resistencia de
resbalamiento trifásica (14), de modo que en condiciones de viento
normales el alternador trifásico (3) puede ser hecho funcionar
durante el funcionamiento normal como máquina asíncrona de doble
alimentación (DASM) y con viento reducido puede ser conmutado por
fuera de su rango de trabajo subsíncrono, por separación de su
estator (4) de la red eléctrica (8) y cortocircuitado del mismo a
través de una resistencia de resbalamiento trifásica (14), a una
máquina asíncrona simple (ASM) y puede ser hecho funcionar como
tal.
7. Instalación de energía eólica según la
reivindicación 6, caracterizada porque está previsto un
dispositivo de control para controlar en frecuencia y en tensión
dos inversores de impulsos (9, 10) con circuito intermedio (11) de
tensión continua, que puede ser conmutado por la regulación
orientada al campo de la excitación del rotor de la máquina
asíncrona de doble alimentación (DASM) a una regulación orientada al
campo de la máquina asíncrona simple (ASM), cuyo estator (4) está
cortocircuitado a través de la resistencia de resbalamiento (14),
de modo que el convertidor de frecuencia (6) con circuito intermedio
de tensión continua del rotor (5), que sirve de convertidor de
impulsos de cuatro cuadrantes durante el funcionamiento normal,
puede ser hecho funcionar como convertidor de frecuencia completo
para el alternador trifásico (3) cortocircuitado en el estator (4)
a través de la resistencia de resbalamiento (14).
8. Instalación de energía eólica según la
reivindicación 6 ó 7, caracterizada porque la resistencia de
resbalamiento trifásica (14) es un cable trifásico que conduce
dentro de la instalación de energía eólica desde el estator (4)
hasta una acometida de la red situada en la base de la torre
(1).
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