ES2325844B1 - Generador para turbina eolica con bobinados independientes. - Google Patents
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Abstract
Generador para turbina eólica con bobinados
independientes que comprende, un sistema convertidor para acoplar
un generador (1) de una turbina eólica a una red, sistema
convertidor que comprende N1 módulos de convertidor (10) conectados
en paralelo, en el que N1>1,
cada uno de dichos N1 módulos convertidores (10)
está conectado a un conjunto separado de bobinados (20) de
generador, existiendo N2 conjuntos de bobinados de generador y
N1=N2, de manera que el generador comprende tantos conjuntos de
bobinados (20) como módulos convertidores (10),
y cada uno de dichos N2 conjuntos de bobinados
se coloca en una sección limitada del estator de la turbina
eólica.
Description
Generador para turbina eólica con bobinados
independientes.
La presente invención se encuentra en el campo
de las turbinas eólicas y su acoplamiento a la red eléctrica
mediante el sistema de accionamiento eléctrico correspondiente; más
específicamente, se refiere a un sistema de accionamiento
eléctrico, convertidor y generador, para conectar la turbina eólica
a la red eléctrica. También se refiere al diseño de las
disposiciones de bobinado en el generador en conexión con un
sistema convertidor de este tipo.
El rotor o álabes de turbinas eólicas están
conectados directa o indirectamente mediante una caja de cambios a
un generador AC, que a su vez está conectado con la red,
normalmente mediante un transformador elevador. Por ejemplo, en
turbinas eólicas grandes, por encima de 100-150 kW,
el voltaje (tensión) generado por la turbina se encuentra
normalmente entre 400 a 1000 V AC trifásica; la corriente se envía
posteriormente a través del transformador elevador para elevar el
voltaje a aproximadamente entre 10 y 36 kV, en función de la norma
en la red eléctrica local.
Cuando el generador AC es parte de una turbina
eólica con velocidad de rotor variable, dicho generador AC se
conecta a la red eléctrica a través de un convertidor electrónico
de energía.
La patente estadounidense
US-7042110-B2 da a conocer una
turbina eólica con velocidad variable que emplea un rotor conectado
a una multiplicidad de generadores síncronos con campo bobinado o
rotores de imanes permanentes. Un rectificador pasivo y un inversor
se emplean para transferir energía de vuelta a la red. Una unidad
de control de turbina (TCU, turbine control unit) ordena un
par de torsión de generador necesario basado en potencia disponible
y velocidad de rotor de los inversores de turbina. El par de torsión
se controla regulando la corriente continua DC mediante el control
del inversor.
Todas las unidades de convertidor electrónico de
potencia están interconectadas, y también tiene una conexión común
con el generador, presentando solamente un conjunto de bobinados
para todas las unidades de convertidor. Esto implica un problema
con respecto a las corrientes de circulación que fluyen entre las
unidades de convertidor, y una pérdida subsiguiente de energía
entre las unidades de convertidor. Es decir, estas unidades de
convertidor están produciendo corrientes de circulación en el
camino a tierra y en el sistema convertidor, debido al circuito de
enlace DC flotante en el sistema convertidor de fuente de voltaje.
Por tanto, el tamaño del sistema convertidor ha de aumentarse para
manejar estas corrientes de circulación adicionales.
En el caso de un falta en un convertidor, dicha
falta afectará y destruirá quizá el resto del sistema convertidor
si las unidades de convertidor están conectadas directamente (por
cables) o indirectamente (magnéticamente).
La invención se refiere a un sistema de
accionamiento eléctrico para una turbina eólica según la
reivindicación 1. En las reivindicaciones dependientes se definen
realizaciones preferidas del sistema de accionamiento eléctrico.
La invención se refiere a un sistema de
accionamiento eléctrico para acoplar un generador de una turbina
eólica a una red, que comprende un sistema de convertidor que a su
vez comprende N1 módulos convertidores conectados en paralelo, en
el que N1>1; según un primer aspecto de la invención, dichos dos
o más módulos convertidores están conectados en cada caso en un
conjunto independiente de bobinados o arrollamientos de generador;
presentándose N2 conjuntos de bobinados de generador y N1= N2, de
manera que el generador comprende tantos conjuntos de bobinados
como módulos convertidores; y cada uno de los dichos N2 conjuntos
de bobinados se sitúa en una sección limitada del estator de la
turbina eólica. De esta manera, cada conjunto de bobinados está
desacopla magnéticamente de los otros conjuntos de bobinados.
Así, los dos o más módulos convertidores son
totalmente independientes unos de otros, no existiendo
prácticamente ningún acoplamiento magnético entre ellos, y por
tanto evitando las corrientes de circulación, que es un problema en
los sistemas convertidores paralelos en la técnica anterior.
Por tanto, con esta configuración modular del
sistema convertidor, si uno de los módulos convertidores no
funciona, no implica que el acoplamiento del generador a la red
eléctrica esté caído, y la turbina eólica puede continuar
funcionado.
Es decir, si el sistema de accionamiento
eléctrico tiene por ejemplo tres módulos convertidores, el
generador tiene tres conjuntos de bobinados aislados para cada
fase, y cada módulo convertidor está conectado a cada conjunto de
bobinados en el generador, no existiendo ninguna conexión directa
entre los módulos convertidores. Así, en el caso de un generador
trifásico, tendrá un total de nueve bobinados aislados. Por tanto,
cada módulo convertidor está totalmente aislado de los otros
módulos convertidores.
Según una realización preferida, cada conjunto
de bobinados de generador se forma mediante dos o más subconjuntos
de bobinados, presentando cada uno de dichos N2 conjuntos de
bobinados dos pares de polos. De esta manera, existen al menos dos
pares de polos por conjunto de bobinados, es decir un total de al
menos 2xN2 pares de polos. Por tanto, con esta disposición de
bobinado con dobles pares de polos se consigue un equilibrio
mecánico de las fuerzas radiales del generador. Es decir, no hay
fuerzas de desequilibrio en el generador o cojinetes.
Por tanto, con la realización preferida con
dobles pares de polos (2xN2) y la configuración modular del
convertidor, las fuerzas se equilibran, lo que es especialmente
importante si solamente están funcionando algunos de los módulos
convertidores.
De esta manera, los dos o más módulos
convertidores son totalmente independientes unos de otros, no
existiendo acoplamiento magnético entre ellos, y reduciendo por
tanto las corrientes de circulación, que es un problema en los
sistemas convertidores paralelos de la técnica anterior.
Según una realización preferida de la invención,
el sistema convertidor también incluye medios de conmutación para
conmutar uno o más de los módulos convertidores, siendo posible de
esta manera desconectar el módulo convertidor que ha fallado. Por
tanto, aumenta la disponibilidad global de la turbina eólica.
Preferiblemente, cada módulo convertidor
comprende un inversor de generador y un inversor de red; de esta
manera, es posible incluir algoritmos de control para el
convertidor de generador.
Según la presente invención, en el caso de fallo
en un módulo convertidor, todo el sistema de control distribuye la
demanda de energía total en los demás módulos convertidores, y
limita la energía máxima a, por ejemplo, 2/3 de la energía total
(si un sistema de tres falla):
S_tot=((N1-F)/N1)*S_max, siendo N1 el número de
módulos convertidores y F es el número de módulos convertidores que
han fallado.
Esta realización preferida consigue mejores
características mecánicas en el generador resultante, junto con una
mejor calidad en la potencia disponible, como ya se ha mencionado
anteriormente.
Preferiblemente, el sistema de accionamiento
eléctrico comprende además medios de control para
habilitar/desha-
bilitar el funcionamiento de al menos uno de dichos N1 módulos convertidores en respuesta a un parámetro relacionado con la cantidad de energía eléctrica suministrada a la red.
bilitar el funcionamiento de al menos uno de dichos N1 módulos convertidores en respuesta a un parámetro relacionado con la cantidad de energía eléctrica suministrada a la red.
Para completar la descripción y para
proporcionar una mejor comprensión de la invención, se proporciona
un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman una parte integrante
de la descripción e ilustran realizaciones preferidas de la
invención, que no deberían interpretarse como limitativas del
alcance de la invención, sino sólo como ejemplos de cómo puede
ponerse en práctica la invención. Los dibujos comprenden las
siguientes figuras:
La figura 1 ilustra un parte de un sistema de
accionamiento eléctrico de un generador de turbina eólica según una
primera realización de la invención.
La figura 2, ilustra otro posible diseño de un
parte de un sistema de accionamiento eléctrico de un sistema
generador de turbina eólica, incluyendo una disposición de bobinado
preferida.
La figura 3 es una vista ampliada de un
generador y su disposición de bobinado según la invención.
La figura 4 es un diagrama de una realización
posible para un módulo convertidor mediante el cual la turbina
eólica se conecta a la red.
La figura 1 muestra un generador 1 síncrono de
imanes permanente PMSG (permanent magnet synchronous
generator) con tres fases, que genera la energía eléctrica de
salida o la entrada del par de torsión, presentando el generador
tres conjuntos de bobinados 20, 21, 22, conectados respectivamente
de manera independiente a uno de tres convertidores 10 4Q paralelos
que forman un sistema convertidor que está directamente acoplado a
la red principal.
El generador también puede ser un generador
síncrono, un generador síncrono sin escobillas o un generador
asíncrono.
Cada módulo convertidor 10 está conectado de
manera separada a un conjunto de bobinados en el generador 20, 21,
22, y cada conjunto de bobinados de generador se desacopla
magnéticamente de los demás. Para garantizar este desacoplamiento,
cada conjunto de bobinados se coloca en sus propias ranuras del
generador (por motivos de claridad, no se han representado las
ranuras en el dibujo).
En la realización preferida mostrada en la
figura 2, el generador 1' se conecta a tres módulos convertidores
10 conectados en paralelo, presentando cada uno dos secciones para
igualar las fuerzas, es decir, hay un total de seis secciones. Cada
conjunto de bobinados en el generador 1' está dispuesto en dos
sectores enfrentados del generador formando dos subconjuntos de
bobinados 20- 22', 21-21' y 22-20',
y cada subconjunto de bobinados tiene un par de polos 30 para
garantizar que las fuerzas magnéticas se igualan, especialmente en
operaciones en los que solamente algunos de los módulos de
convertidor están funcionando.
La figura 3 es una vista ampliada de la
realización preferida del generador 1' (mostrado en la figura 2) y
su disposición de bobinado según la invención.
Tal como se muestra individualmente en la figura
4, en cualquier caso, cada módulo convertidor 10 comprende un
inversor de generador 11 y un inversor de red 12.
Los inversores de generador convierten las
corrientes (energía) de generador CA del voltaje y frecuencia de
generador real a una corriente CC (energía). Para mantener estable
el voltaje de enlace CC, diversos condensadores 13 se conectan en
paralelo. Los inversores de generador pueden ser un convertidor
activo o pasivo.
La energía del generador se transmite a la red
mediante el inversor 12 de red, que convierte el voltaje CC a un
voltaje y frecuencia fijos; el voltaje y frecuencia de red.
Mediante el control del voltaje de enlace CC del sistema
convertidor el inversor de red controla el flujo de energía hacia el
enlace CC, y también la demanda de energía reactiva desde la
turbina eólica.
Los convertidores de red están conectados a un
transformador reductor 14 de red respectivo (la inductancia de
arranque para el inversor de red).
El sistema convertidor puede conectarse a la red
mediante un transformador que transforma el nivel de voltaje
principal de 10 a 36 KV al sistema de bajo voltaje en la turbina
eólica, que es normalmente de 690 V.
Un conmutador separa la turbina eólica de la
red, y protege la turbina eólica en el caso de un cortocircuito en
el transformador.
Algunas de las ventajas de este sistema son que
la eficiencia del generador siempre es muy alta, y también que el
sistema puede continuar proporcionando, por ejemplo, dos/tercios de
la energía nominal si uno de los tres convertidores 4Q tiene una
falta.
Una desventaja de este sistema es que toda la
energía nominal ha de manejarse por los convertidores 4Q, y las
pérdidas de convertidor son por tanto relativamente altas. La
fiabilidad de un convertidor individual es relativamente baja, por
tanto, es una ventaja conectar más módulos convertidores en
paralelo.
Tal como se indica anteriormente, la presente
invención se refiere a un sistema de accionamiento eléctrico para
una turbina eólica y a una disposición de bobinado para un
generador de la misma. Ha de entenderse que la descripción anterior
es un ejemplo de los principios de la invención y no limita la
invención a las realizaciones ilustradas.
Claims (5)
1. Generador para turbina eólica con bobinados
independientes, que comprende un sistema convertidor para acoplarse
a una red, sistema convertidor que comprende N1 módulos
convertidores (10) conectados en paralelo, en el que N1>1,
caracterizado porque
cada uno de dichos N1 módulos convertidores (10)
está conectado a un conjunto separado de bobinados (20) de
generador, existiendo N2 conjuntos de bobinados de generador y
N1=N2, de manera que el generador comprende tantos conjuntos de
bobinados (20) como módulos convertidores (10),
y cada uno de dichos N2 conjuntos de bobinados
se coloca en una sección limitada del estator de la turbina
eólica.
2. Generador según la reivindicación 1,
caracterizado porque cada conjunto de bobinados de generador
se ubica en dos sectores enfrentados del generador formando dos o
más subconjuntos de bobinados (20, 22; 20', 22'; 21, 21'),
presentando cada uno de dichos N2 conjuntos de bobinados al menos
dos pares de polos (30).
3. Generador según cualquier reivindicación
anterior, caracterizado porque comprende adicionalmente
medios de conmutación para conmutar uno o más de los N1 módulos
convertidores.
4. Generador según cualquier reivindicación
anterior, caracterizado porque cada módulo convertidor (10)
comprende un inversor de generador (11) y un inversor de red
(12).
5. Generador según cualquier reivindicación
anterior, caracterizado porque comprende adicionalmente
medios de control para habilitar/deshabilitar el funcionamiento de
al menos uno de dichos N1 módulos convertidores en respuesta a un
parámetro relacionado con la cantidad de energía eléctrica
suministrada a la red.
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| ES2325844A1 (es) | 2009-09-21 |
| WO2008119864A1 (es) | 2008-10-09 |
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| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20090921 Kind code of ref document: A1 |
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