ES2330036T3 - Procedimientos y sistema de baterias de reserva para el control del paso. - Google Patents
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Abstract
Un aparato para controlar el paso de un álabe (108) de una turbina eólica (100), comprendiendo dicho aparato: un sistema de control (406) del paso que comprende un convertidor de potencia (404) basado en MOSFET; un enlace de CC (410) que tiene un condensador de enlace de CC (416) y configurado para suministrar potencia a dicho sistema de control del paso por medio de dicho convertidor de potencia (404) basado en MOSFET; una fuente (400) de una potencia de entrada de CA para suministrar potencia a dicho enlace de CC; y una batería de reserva (408) configurada para no suministrar energía al enlace de CC cuando está disponible una potencia total de entrada de CA; y así mismo en el que dicho aparato está configurado para: utilizar la energía almacenada en dicho condensador de enlace de CC (416) para suministrar potencia a dicho sistema de control del paso por medio de dicho convertidor de potencia (404) basado en MOSFET durante una pérdida o bajada de la potencia de entrada de CA; y mantener la carga sobre dicho condensador de enlace de CC utilizando dicha batería de reserva cuando la tensión a través de dicho condensador de enlace de CC baja durante dicha provisión de potencia a dicho sistema de control del paso; caracterizado por ser dicha fuente de CA (400) una fuente no regenerativa, y ser dicho enlace de CC (510) común a una pluralidad de sistemas de motores de control del paso, y así mismo en el que dicho mantenimiento de la carga sobre el condensador de enlace de CC (416), al utilizar la batería de reserva cargada (408), comprende también el suministro de corriente desde la batería de reserva hasta el enlace de CC común.
Description
Procedimientos y sistema de baterías de reserva
para el control del paso.
La presente invención se refiere, en general, al
campo de los sistemas de energía de turbinas eólicas y, más
concretamente, a unos sistemas de control del paso de turbinas
eólicas.
En una turbina eólica convencional, un sistema
de control del paso que incorpora un puente totalmente regenerativo
de rectificador controlado por silicio (SCR) acciona en serie un
motor de CC de 4,2 KW. Este tipo de sistema ha sido utilizado en
accionamientos por servomotor durante muchos años y se encuentra
disponible en el mercado. El accionamiento por SCR tiene la ventaja
de su sencillez, pero puede no ser capaz de proporcionar el nivel
de rendimiento del sistema de paso que puede requerirse en turbinas
eólicas mas recientes y/o de mayor tamaño.
En el caso de una pérdida de la potencia de
entrada de CA, al menos un sistema de turbina eólica conocido
regula el paso de los álabes de la turbina eólica utilizando unas
baterías de emergencia de control del paso. El paso de los álabes
es controlado hasta una posición que impediría la velocidad excesiva
de los álabes. La caída de la tensión de CA es detectada por el
sistema del control del paso y el sistema de emergencia del paso es
activado. El sistema de control de la turbina eólica modula el
sistema de emergencia del paso e intenta mantener la velocidad
rotacional del cubo por debajo de los límites de una velocidad
excesiva. En muchos casos, el control de la turbina falla y detiene
la turbina. Sin embargo, los sistemas de turbina eólica conocidos
utilizan unos condensadores de enlace de la CC y un circuito
convertidor de energía de puente en H, y no tienen la capacidad de
regular el paso de los álabes utilizando este circuito una vez que
la pequeña cantidad de energía almacenada en los condensadores de
enlace de CC se
agota.
agota.
El documento WO 2005/017350 divulga una planta
de energía eólica que incorpora una fuente de alimentación de
reserva de CC conectable a un mecanismo de accionamiento de ajuste
de los álabes por medio de un convertidor que comprende un circuito
intermedio de CC.
Un aspecto de la presente invención proporciona,
por consiguiente, un aparato para controlar el paso de un álabe de
una turbina eólica, comprendiendo dicho aparato los rasgos
distintivos de la reivindicación 1.
Las configuraciones de las diversas formas de
realización de la presente invención son, por tanto, susceptibles
de proporcionar un funcionamiento con apoyo de baterías de los
accionamientos por motor del control del paso, el cual incrementa
la disponibilidad de la turbina eólica mediante la posibilidad de
su funcionamiento a través de perturbaciones de rejilla.
A continuación se describirán diversos aspectos
y formas de realización de la presente invención en combinación con
los dibujos que se acompañan, en los cuales:
La Figura 1 es un dibujo de una configuración
ejemplar de una turbina eólica.
La Figura 2 es una vista en perspectiva
recortada de una barquilla de la configuración de turbina eólica
ejemplar mostrada en la Figura 1.
La Figura 3 es un diagrama de bloques de una
configuración de un sistema de control destinado a la configuración
de turbina eólica mostrada en la Figura 1.
La Figura 4 es un diagrama esquemático de
bloques representativo de algunas configuraciones de la presente
invención para controlar un sistema del control del paso de una
turbina eólica.
Las Figuras 5A y 5B son diagramas esquemáticos
de bloques representativos de algunas configuraciones de la
presente invención para controlar una pluralidad de sistemas de
control del paso de una turbina eólica que utiliza una fuente no
regenerativa.
Las Figuras 6A y 6B son diagramas esquemáticos
de bloques representativos de algunas configuraciones de la
presente invención, para controlar una pluralidad de sistemas de
control del paso de una turbina eólica que utiliza una fuente
regenerativa.
\vskip1.000000\baselineskip
En algunas configuraciones de la diversas formas
de realización de la presente invención un diseño de control del
paso de turbina eólica único presenta ventajas de coste y
rendimiento respecto de los sistemas conocidos. Un accionamiento
por motor de turbina eólica único está provisto de un puente no
regenerativo que suministra una tensión de CC a un puente en H que
comprende cuatro dispositivos de conmutación activos (por ejemplo,
MOSFETs conectados en paralelo en algunas configuraciones). Un
condensador de enlace de CC suaviza la tensión de enlace de la CC y
actúa como un sumidero y una fuente de energía del motor de CC
excitado en serie. El diseño, así mismo, incluye un sistema de
emergencia del paso que utiliza unas baterías y unos contactores
para controlar el paso de los álabes hasta una posición
caracterizada.
En algunas configuraciones y con referencia a la
Figura 1, una turbina eólica 100 comprende una barquilla 102 que
alberga un generador (no mostrado en la Figura 1). La barquilla 102
está montada encima de una elevada torre 104, de la cual solo se
muestra una porción en la Figura 1. La turbina eólica 100 comprende
así mismo un rotor 106 que incluye uno o más álabes 108 del rotor
fijados a un cubo rotatorio 110. Aunque la turbina eólica 100
ilustrada en la Figura 1 incluye tres álabes 108 del rotor, no hay
límites específicos acerca del número de álabes 108 del rotor
requeridos por diversas formas de realización de la presente
invención.
Con referencia a la Figura 2, diversos
componentes están alojados dentro de la barquilla 102 encima de la
torre 104 de la turbina eólica 100. La altura de la torre 104 se
selecciona en base a factores y condiciones conocidos en la
técnica. En algunas configuraciones, uno o más microcontroladores,
situados dentro del panel de control 112, comprenden un sistema de
control y son utilizados para la vigilancia y control del sistema
global que incluye la regulación del paso y de la velocidad, la
aplicación del árbol de gran velocidad y del freno de guiñada y de
la bomba y la verificación de los fallos. En algunas configuraciones
se utilizan arquitecturas de control distribuidas o
centralizadas
alternativas.
alternativas.
En algunas configuraciones, el sistema de
control suministra unas señales de control a un mecanismo de
accionamiento 114 del paso de los álabes para controlar el paso de
los álabes 108 (no mostrados en la Figura 2) que accionan el cubo
110 como consecuencia del viento. En la configuración ilustrada, el
cubo 110 aloja tres álabes 108, pero otras configuraciones pueden
utilizar un número indeterminado de álabes. En algunas
configuraciones los pasos de los álabes 108 son controlados de
forma individual mediante el mecanismo de accionamiento 114 del
paso de los álabes. El cubo 110 y los álabes 108 constituyen
conjuntamente el rotor 106 de la turbina eólica.
El tren de accionamiento de la turbina eólica
incluye un árbol principal 116 del rotor (también designado como
"árbol de baja velocidad") conectado al cubo 110 y soportado
por un cojinete principal 130 y, en el extremo opuesto del árbol
116, a una caja de engranajes 118. La caja de engranajes 118, en
algunas configuraciones, utiliza una geometría de trayectoria doble
para accionar un árbol incluido de gran velocidad. El árbol de gran
velocidad (no mostrado en la Figura 2) es utilizado para accionar el
generador 120, el cual está montado sobre el bastidor principal
132. En algunas configuraciones, el par del rotor es transmitido por
medio del acoplamiento 122. El generador 120 puede ser de cualquier
tipo apropiado, por ejemplo, un generador de inducción con rotor
devanado.
Un mecanismo de accionamiento de guiñada 124 y
una plataforma de guiñada 126 proporcionan un sistema de orientación
de la turbina eólica 100. Una veleta 128 proporciona información al
sistema de orientación de guiñada, incluyendo la dirección del
viento instantánea medida y la velocidad del viento en la turbina
eólica. En algunas configuraciones, el sistema de guiñada está
montado sobre una brida dispuesta encima de la torre 104.
En algunas configuraciones y con referencia a la
Figura 3, un sistema de control 300 de la turbina eólica 100
incluye un bus 302 u otro dispositivo de comunicaciones para
comunicar información. Un(os) procesador(es) 304
está(n) acoplado(s) al bus 302 para procesar información,
incluyendo información procedente de unos sensores configurados para
medir desplazamientos o momentos. El sistema de control 300 incluye
así mismo una memoria de acceso aleatorio (RAM) 306 y/u
otro(s) dispositivo (s) de almacenamiento 308. La RAM 306 y
el(los) dispositivo(s) de almacenamiento 308 está(n)
acoplado(s) al bus 302 para almacenar y transferir
información e instrucciones que serán ejecutadas por el(los)
procesador(es) 304. La RAM 306 (y también el(los)
dispositivo(s) de almacenamiento 308, si es necesario)
puede(n) también ser utilizado(s) para almacenar
variables temporales u otra información intermedia durante la
ejecución de las instrucciones por parte del(de los)
procesador(es) 304. El sistema de control 300 puede así mismo
incluir una memoria de solo lectura (ROM) y/u otro dispositivo de
almacenamiento estático 310, el cual es acoplado al bus 302 para
almacenar y proporcionar información e instrucciones estáticas (esto
es, no cambiantes) al(a los) procesador(es) 304.
Uno(unos) dispositivo(s) de entrada/salida 312
puede(n) incluir cualquier dispositivo conocido en la técnica
para suministrar datos de entrada al sistema de control 300 y para
suministrar las salidas de control de guiñada y de control del paso.
Las instrucciones son suministradas a la memoria a partir de un
dispositivo de almacenamiento, como por ejemplo un disco magnético,
un circuito integrado de memoria de solo lectura (ROM), un
CD-ROM, un DVD, por medio de una conexión a
distancia que sea cableada o inalámbrica que proporcione acceso a
uno o más medios electrónicamente accesibles, etc. En algunas formas
de realización, puede ser utilizado un sistema de circuitos por
cable alámbrico en lugar de o en combinación con las instrucciones
software. De esta forma, la ejecución de las secuencias de las
instrucciones no se limita a ninguna combinación específica de
conjunto de circuitos hardware o software. Una interconexión de
sensor 314 es una interconexión que posibilita que el sistema de
control 300 comunique con uno o más sensores. La interconexión de
sensor 314 puede ser o puede comprender, por ejemplo, uno o más
convertidores de analógico a digital que conviertan la señales
analógicas en señales digitales que puedan ser utilizadas por
el(los) procesador(es) 304.
En algunas configuraciones de las diversas
formas de realización de la presente invención y con referencia a
la Figura 4, en el caso de que se produzca una pérdida de potencia
de entrada de la CA procedente de una fuente 400 y para impedir la
velocidad excesiva de la turbina, los pasos de los álabes son
controlados utilizando un MOSFET 402 en base a un convertidor de
potencia 404. El convertidor de potencia 404 comprende parte de un
sistema de control 406 del paso. (Para que quede constancia y por
razones de comodidad, tal y como se utiliza en la presente memoria,
la fuente de entrada de CA 400 se refiere a un puente rectificador o
a un puente IGBT o MOSFET. Se entiende que este puente está
destinado a ser electrificado por un generador, una línea de
transporte de energía, una potencia de rejillas, o alguna otra
fuente de potencia de CA, la cual puede o puede no comprender el
generador 120). Una batería de reserva 408 está dispuesta para
posibilitar el control de paso de los álabes 108 (mostrados en
la
Figura 1) en el caso de una pérdida de potencia de entrada de CA o de una bajada de potencia. La batería 408 (la cual puede comprender una o más células eléctricas o una pluralidad de baterías con múltiples células, o cualquier combinación de éstas) está conectada al enlace de CC 410 a través de un diodo 412 y de un fusible 414. Bajo condiciones normales, el diodo 412 está en polarización invertida y no fluye ninguna corriente desde la batería 408 hasta el enlace de CC 410. En esta situación, la batería 408 está cargada y su estado está vigilado, pero no suministra energía al enlace de CC 410.
Figura 1) en el caso de una pérdida de potencia de entrada de CA o de una bajada de potencia. La batería 408 (la cual puede comprender una o más células eléctricas o una pluralidad de baterías con múltiples células, o cualquier combinación de éstas) está conectada al enlace de CC 410 a través de un diodo 412 y de un fusible 414. Bajo condiciones normales, el diodo 412 está en polarización invertida y no fluye ninguna corriente desde la batería 408 hasta el enlace de CC 410. En esta situación, la batería 408 está cargada y su estado está vigilado, pero no suministra energía al enlace de CC 410.
Cuando la tensión del enlace de CC 410 cae por
debajo de la tensión de la batería 408, la corriente fluye de la
batería 408 a través del diodo 412 y del fusible 414 para mantener
la carga en el condensador 416 del enlace de CC. El diodo 412
impide una carga descontrolada de la batería 408 cuando la tensión
del enlace de CC es más alta que la tensión de la batería. El
fusible 414 evita daños a la batería 408 en el caso de que se
produzca un cortocircuito en el enlace de CC 410. La batería de
reserva 408 del enlace de CC 410 posibilita que el sistema de
control 406 del paso mantenga el control activo de la posición del
álabe 108 cuando se produzca un supuesto de pérdida o caída de la
potencia de CA.
En algunas configuraciones de diversas formas de
realización de la presente invención y con referencia a las Figuras
5A y 5B, se proporciona un sistema de control del paso de varias
unidades de una turbina eólica. Una fuente no regenerativa 400 de
potencia de CA puede suministrar múltiples sistemas de control 406
del paso utilizando un enlace de CC 510. El enlace común de CC 510
es soportado mediante el empleo de una batería 408. En algunas
configuraciones, los sistemas de control 406 del paso sobre el
enlace de CC común 510 intercambian la potencia real durante el
funcionamiento y reducen la demanda de potencia sobre la batería 408
en el caso de que una interrupción caída de la potencia de CA. Así
mismo, en algunas configuraciones y con referencia a las Figuras 6A
y 6B, los sistemas de control 406 del paso con un enlace de CC
común 510 son suministrados mediante una fuente totalmente
regenerativa controlada por IGBT o MOSFET 602. La batería 408 es
utilizada en esta configuración para soportar el enlace de CC 510
en el caso de interrupciones de potencia.
Se apreciará, por tanto, que las configuraciones
de las diversas formas de realización de la presente invención, son
susceptibles de proporcionar un funcionamiento con la ayuda de
baterías de los accionamientos por motor de control del paso, lo
que incrementa la disponibilidad de la turbina eólica permitiendo el
funcionamiento mediante las perturbaciones de rejilla.
Las configuraciones de las formas de realización
de la presente invención no se limitan a las turbinas eólicas que
incorporan cualquier número específico de álabes. Por ejemplo, las
turbinas con uno, dos, o tres álabes (o más) pueden utilizar las
configuraciones de las diversas formas de realización de la presente
invención para controlar el ángulo del álabe en el supuesto de una
pérdida de potencia de CA, incrementando, por consiguiente, la
disponibilidad de la turbina respecto de las turbinas que no tienen
una capacidad de control del paso por enlace de CC.
Aunque la invención ha sido descrita en términos
de diversas formas de realización específicas, los expertos en la
materia advertirán que la invención puede llevarse a la práctica con
modificaciones dentro del espíritu y alcance de las
reivindicaciones.
\vskip1.000000\baselineskip
Claims (8)
1. Un aparato para controlar el paso de un álabe
(108) de una turbina eólica (100), comprendiendo dicho aparato:
- \quad
- un sistema de control (406) del paso que comprende un convertidor de potencia (404) basado en MOSFET;
- \quad
- un enlace de CC (410) que tiene un condensador de enlace de CC (416) y configurado para suministrar potencia a dicho sistema de control del paso por medio de dicho convertidor de potencia (404) basado en MOSFET;
- \quad
- una fuente (400) de una potencia de entrada de CA para suministrar potencia a dicho enlace de CC; y
- \quad
- una batería de reserva (408) configurada para no suministrar energía al enlace de CC cuando está disponible una potencia total de entrada de CA; y así mismo en el que dicho aparato está configurado para:
- utilizar la energía almacenada en dicho condensador de enlace de CC (416) para suministrar potencia a dicho sistema de control del paso por medio de dicho convertidor de potencia (404) basado en MOSFET durante una pérdida o bajada de la potencia de entrada de CA; y
- mantener la carga sobre dicho condensador de enlace de CC utilizando dicha batería de reserva cuando la tensión a través de dicho condensador de enlace de CC baja durante dicha provisión de potencia a dicho sistema de control del paso;
- caracterizado por
- ser dicha fuente de CA (400) una fuente no regenerativa, y ser dicho enlace de CC (510) común a una pluralidad de sistemas de motores de control del paso, y así mismo en el que
- dicho mantenimiento de la carga sobre el condensador de enlace de CC (416), al utilizar la batería de reserva cargada (408), comprende también el suministro de corriente desde la batería de reserva hasta el enlace de CC común.
2. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1
que comprende así mismo un diodo (412), en el que dicho diodo es de
polarización inversa y está montado en serie con dicha batería de
reserva (408) de manera que, cuando está disponible una potencia
total de entrada de CA, dicha batería de reserva no suministra
potencia a dicho enlace de CC (410).
3. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1
que comprende así mismo un diodo (412) de polarización directa y un
fusible (414), en el que para mantener la carga sobre dicho
condensador de enlace de CC (416), dicho aparato está también
configurado para descargar dicha batería de reserva (408) a través
de dicho diodo de polarización directa y dicho fusible.
4. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1
configurado también para intercambiar la potencia efectiva entre
dicha pluralidad de sistemas (406) de control del paso durante el
funcionamiento con la potencia total de entrada de CA.
5. Un aparato de acuerdo con cualquier
reivindicación precedente en el que dicha fuente (400) de una
potencia de entrada de CA comprende una fuente totalmente
regenerativa (600) controlada por IGBT o MOSFET (602).
6. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 5
para controlar un sistema de control del paso de varias unidades
de una turbina eólica (100), en el que dicho aparato comprende una
pluralidad de sistemas de control (406) del paso, dicho enlace de
CC (510) es común a dicha pluralidad de sistemas de control del
paso, y así mismo en el que
para mantener la carga sobre dicho condensador
de enlace de CC (416), al utilizar dicha batería de reserva cargada
(408), dicho aparato está también configurado para suministrar
corriente desde dicha batería de reserva hasta dicho enlace de CC
común.
7. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 6
configurado así mismo para intercambiar la potencia efectiva entre
dicha pluralidad de sistemas de control (406) del paso durante el
funcionamiento con la potencia total de entrada de CA.
8. Una turbina eólica (100) que comprende:
- \quad
- al menos un álabe (108) y un generador (120) acoplado a dicho álabe y configurado para generar una potencia de CA; y
- \quad
- un aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 para controlar el paso del al menos un álabe (108).
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