ES2337749B1 - Sistema para garantizar la continuidad de operacion de aerogeneradores ante huecos de tension. - Google Patents
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Abstract
Sistema para garantizar la continuidad de
operación de aerogeneradores ante huecos de tensión, que está
interconectado en serie entre el aerogenerador (6) y la red
eléctrica (7) y consta de un interruptor (1), un inversor para
aerogenerador (2), un inversor para red (3), un disipador de energía
(4) y un control de detección y mando (5); el control de detección y
mando (5) está conectado con dichos interruptor (1), inversor para
aerogenerador (2) inversor para red (3) y disipador de energía (4);
el interruptor (1) está en serie entre el aerogenerador (6) y la red
eléctrica (7); el inversor para aerogenerador (2) está conectado
entre la entrada del interruptor (1) y el disipador de energía (4);
y el inversor para red (3) está conectado entre la salida del
interruptor (1) y el disipador de energía (4).
Description
Sistema para garantizar la continuidad de
operación de aerogeneradores ante huecos de tensión.
Esta invención concierne a un sistema que está
destinado a adecuar los aerogeneradores para garantizar su
continuidad de operación cuando se producen "huecos de tensión"
de duración y cuantía determinadas.
En el glosario propio del ámbito del transporte
de energía el concepto "hueco de tensión" se define como la
reducción brusca de la tensión en una o varias fases y la posterior
recuperación de la misma en cuestión de milisegundos.
Una red eléctrica tiene una pluralidad de
suministradores que generan electricidad procedente de distintas
tecnologías (centrales térmicas, centrales eléctricas, centrales
hidráulicas,...). Al propio tiempo, existe una pluralidad de
clientes consumidores que se conectan y desconectan a la red según
sus necesidades, lo que se traduce, por ejemplo, en maniobras de
arranque y parada de grandes motores, acoplamiento y desacoplamiento
de transformadores, etc.; también pueden ocurrir caídas de rayos o
cortocircuitos entre fases de las líneas o entre cualquier fase de
las líneas y tierra además de otros fenómenos. En todo caso, el
resultado es que se producen caídas momentáneas de la tensión en el
sistema de red eléctrica transportadora, que afectan a la
electrónica de los ordenadores domésticos y de los que controlan y
gobiernan máquinas de producción y procesos productivos, ocasionando
la interrupción de su funcionamiento.
En este ámbito han irrumpido de modo reciente
los aparatos aerogeneradores que, debido a su gran coste y delicado
diseño, gozan de una autoprotección extrema que, en caso de
producirse un hueco de tensión, desencadena un proceso que acaba con
la detención del aerogenerador. Este proceso consiste en que, al
faltar tensión en la red de suministro a la que está conectado el
aerogenerador, éste incrementa su velocidad de rotación porque la
energía mecánica que recibe del viento a través de sus aspas no
puede ser evacuada a una red que está sin tensión, y, como este
incremento de velocidad puede resultar peligroso para el
aerogenerador, éste se desconecta del sistema de red eléctrica; aún
cuando en tales condiciones pudiera ser evacuada a la red algo de
dicha energía mecánica, provocaría la desincronización de la máquina
y por tanto sobre corrientes y cambios de par en la misma, razón
adicional para que se produzca la desconexión del aerogenerador. En
resumen, resulta que los aerogeneradores dedicados a generación que
están conectados a las redes eléctricas tienen una respuesta ante un
hueco de tensión de la red o interrupción en la que normalmente se
desconectan automáticamente ante una bajada de tensión corta.
En el pasado, este asunto no repercutía de modo
significativo en el funcionamiento de la red, ya que era pequeña la
cantidad de aerogeneradores conectados a la misma. Ahora, que la
potencia eólica conectada a la red es importante, el déficit de
generación eólica la cual puede desconectarse ante un hueco de
tensión, puede, poner en peligro la estabilidad del sistema de
suministro, como ya ha ocurrido en algunas ocasiones. Aparte del
propio problema intrínseco de los aerogeneradores por las paradas y
arranques, la desconexión de una potencia eólica importante produce
que los restantes suministradores conectados a esa red tengan que
reequilibrar el sistema incrementado su aportación, a veces incluso
por encima de sus posibilidades.
Como la tendencia es que esta manera de
generación de energía sea cada vez más importante y no pueda
prescindirse de ella, los operadores de las redes europeas han
establecido unas condiciones de huecos de tensión mínimos que han de
cumplir los parques y aerogeneradores eólicos sin desconectarse,
para integrase en una red de suministro sin suponer un riesgo para
la estabilidad operativa de la misma. En definitiva, cuando el
crecimiento de la potencia eólica de generación instalada en una
zona supera un valor respecto a la potencia de otras formas de
generación, se plantea la necesidad de que los aerogeneradores se
mantengan generando durante los huecos de tensión, siguiendo un
patrón gráfico de coordenadas tiempo/profundidad (de hueco de
tensión) para los valores establecidos por la nueva normativa, ya
vigente.
Frente a este estado de cosas, esta invención
propugna un sistema que en las redes de distribución de electricidad
está destinado a garantizar la continuidad de operación de
aerogeneradores ante huecos de tensión.
A tal fin el sistema según la invención está
interconectado en entre el aerogenerador y la red eléctrica y consta
de un interruptor, un inversor para aerogenerador, un inversor para
red, un disipador de energía y un control de detección y mando; el
control de detección y mando gobierna a dichos interruptor, inversor
para aerogenerador-, inversor para red y disipador de energía. El
interruptor está en serie entre el aerogenerador y la red eléctrica;
el inversor para aerogenerador está conectado eléctricamente a la
máquina del generador, el inversor para red está conectado
eléctricamente a la red.
El inversor para aerogenerador, el disipador de
energía y el inversor para red están interconectados
energéticamente. Interconectados energéticamente, es que pueden
intercambiar energía y potencia entre sí, es decir, el aerogenerador
envía potencia al inversor para aerogenerador. Este inversor para
aerogenerador, a su vez, la transmite al disipador de energía y al
inversor para red.
De hecho, el aerogenerador, está convirtiendo la
energía del viento en energía eléctrica. Si hay un hueco de tensión,
y la red no puede absorber toda la energía que produce el
aerogenerador, la parte que no pueda ser absorbida por la red
eléctrica debido al hueco de tensión; parte hay que disiparla en las
resistencias del disipador, y otra parte se envía a red a través del
inversor para red. En el caso de que la red no pueda absorber nada
de la energía, o no se quiera que la absorba (depende de la
normativa), toda la energía que produce el aerogenerador, se
disipará en las resistencias eléctricas del disipador de
energía.
La salida del generador eléctrico es alterna y
por ello, en funcionamiento normal, sin el dispositivo objeto de
esta invención, va conectado a la red alterna. La red alterna es una
red de tensión, es decir, que tiene una tensión constante dentro de
ciertos límites, siempre que no ocurra un hueco de tensión. Cuando
se da el hueco de tensión, por un cortocircuito o cualquier otro
fallo en dicha red eléctrica, el dispositivo objeto de esta
invención se encarga de emular a la tensión normal de la red
eléctrica cuando dicha red es deficiente debida a un hueco. Para
ello, proporciona una tensión constante y del mismo orden y fase de
la que tenía la red previamente al hueco de tensión.
La red eléctrica normalmente es alterna de 50 o
60 hertzios y con tensiones variadas. Puede ser además monofásica o
trifásica. La mayor parte de los aerogeneradores que se utilizan hoy
en día son trifásicos, y se alimentan a través de un transformador
trifásico que adapta la tensión de la línea muy elevada (de 20000 v)
a una más manejable de 690 o 400 v que es la que se suministra al
aerogenerador.
La parte de la invención llamada "inversor
para aerogenerador" es un generador de tensión alterna que genera
una tensión y fase igual a la que alimentaba al aerogenerador, antes
de producirse el hueco o fallo de red. Toma la energía necesaria del
aerogenerador y la que sobra la transmite al disipador o a lo que
queda de la red, a través de lo que llamamos inversor para red.
El dispositivo inversor para red, es un inversor
de corriente alterna, lo que significa que puede inyectar corriente
alterna a lo que queda de la red durante un hueco o fallo de la
misma. De modo que se puede regular la cantidad de reactiva o activa
que se envía a dicha red. Este último dispositivo es de amplia
utilización y no es objeto de esta patente (véase FACTS SVC,
IGBT).
Sería prolijo explicar como funciona cada uno de
estos dispositivos conocidos y comerciales aunque en síntesis
son:
- -
- Inversor de tensión: produce tensión alterna a partir de continua.
- -
- Generador de activa-reactiva a IGBT: genera energía reactiva y/o activa hacia red a partir de una tensión continua (dichas energías pueden ser positivas o negativas).
- -
- Disipador de energía: cualquier elemento que disipe energía.
Un caso particular de realización es la conexión
y desconexión cíclica de resistencias a través de un interruptor de
semiconductores de modo que se puede regular la energía disipada.
También este último, es de amplia utilización desde hace mucho
tiempo, por ejemplo en frenos de motor.
Los anteriores elementos en si, no son el objeto
de la invención, sino que lo es el conjunto de los dispositivos y su
modo de funcionar coordinado.
En el régimen normal de operación de la red el
sistema se comporta como si se tratara de un interruptor cerrado. En
cambio, cuando se presenta un hueco de tensión el sistema se
comporta mediante tres tipos de acciones:
- -
- De cara al aerogenerador, se suministra una tensión como si de la red se tratara, manteniendo el aerogenerador en régimen de operación normal; de lo cual se ocupa el inversor para aerogenerador;
- -
- De cara a la red, se genera un patrón de activa y reactiva a la medida de las necesidades de la red; de lo cual se ocupa el inversor para red;
- -
- Durante la duración del hueco de tensión se disipa el exceso de energía; de lo cual se ocupa el disipador de energía.
Para llevar a cabo estas acciones el control de
detección y mando del sistema monitoriza de forma permanente el
estado de la red manteniendo el interruptor cerrado en ausencia de
huecos de tensión. Cuando aparece un hueco de tensión de profundidad
(caída de tensión) definida, el control de detección y mando actúa
sobre los elementos del sistema de acuerdo con las siguientes
acciones, aunque no necesariamente en la secuencia en que se reseñan
a continuación:
- -
- Ordena la apertura del interruptor;
- -
- Arranca el inversor para aerogenerador y el inversor para red;
- -
- Distribuye la energía durante el hueco de tensión para que los flujos de energía disipada y energía generada se atengan a lo especificado.
Entre las ventajas proporcionadas por este
sistema son de destacar las siguientes:
- -
- El aerogenerador no es desconectado de la red de manera innecesaria, al tiempo que es suministrado a la red lo que necesita durante los huecos de tensión.
- -
- Los huecos de tensión no producen transitorios eléctricos y mecánicos, lo que disminuye el envejecimiento prematuro del aerogenerador.
- -
- El sistema propugnado es aplicable para cualquier tipo de aerogenerador, con independencia de la tecnología constructiva del mismo.
Para comprender mejor la naturaleza del invento,
en los dibujos adjuntos representamos una forma de realización
industrial que tiene carácter de ejemplo ilustrativo y no
limitativo.
La figura 1 muestra un gráfico coordenado
representativo de un hueco de tensión.
La figura 2 es un diagrama de bloques
esquemático que ilustra la constitución del sistema de la
invención.
En estas figuras están indicadas las siguientes
referencias:
- 1 .-
- Interruptor
- 2 .-
- Inversor para aerogenerador
- 3 .-
- Inversor para red
- 4 .-
- Disipador de energía
- 5 .-
- Control de detección y mando
- 6 .-
- Aerogenerador
- 7 .-
- Red eléctrica
- 8 .-
- Flujo de energía en régimen normal (sin hueco de tensión)
- 9 .-
- Flujo de energía generada por el sistema de garantía
- 10 .-
- Flujo de energía disipada.
Con relación a los dibujos y referencias arriba
enumerados, se ilustra en los planos adjuntos un modo de ejecución
preferente del objeto de la invención, que concierne a un sistema
aplicado a redes de suministro eléctrico para garantizar la
continuidad de operación de aerogeneradores ante huecos de
tensión.
En la figura 1 es ilustrado un hueco de tensión
tipo mediante un diagrama coordenado o patrón tiempo/profundidad de
huecos que en el eje de abscisas mide la duración del hueco de
tensión y en el eje de ordenadas mide la profundidad del mismo.
Como ilustra el diagrama esquemático de bloques
mostrado en la figura 2, este sistema está interconectado entre el
aerogenerador (6) y la red eléctrica (7) y consta de un interruptor
(1), un inversor para aerogenerador (2), un inversor para red (3),
un disipador de energía (4) y un control de detección y mando (5);
el control de detección y mando (5) está conectado con dichos
interruptor (1), inversor para aerogenerador (2), inversor para red
(3) y disipador de energía (4); el interruptor (1) está en serie
entre el aerogenerador (6) y la red eléctrica (7); el inversor para
aerogenerador (2) está conectado entre la entrada del interruptor
(1) y el disipador de energía (4); y el inversor para red (3) está
conectado entre la salida del interruptor (1) y el disipador de
energía (4). En este esquema, cuando la red opera en régimen normal,
en ausencia de huecos de tensión, el interruptor (1) permanece
cerrado; por el contrario, si en la monitorización que lleva a cabo
el control de detección y mando (5) de modo permanente es detectado
por éste un hueco de tensión de profundidad definida, procede a
abrir el interruptor (1) y a arrancar el inversor para aerogenerador
(2) y el inversor para red (3), de manera que, a través del primero,
es suministrada una tensión tal como si fuera la de régimen normal
de la red y el aerogenerador mantiene su régimen de operación
normal, sin parar ni desconectarse de la red, y, a través del
segundo, es generado un patrón de activa y reactiva acorde con las
necesidades de la red, todo ello al tiempo que, durante el hueco de
tensión, el exceso de energía producido por el aerogenerador y no
entregado a la red es disipado a través del disipador de energía
(4). En este esquema de la figura 2 se representan el flujo de
energía en régimen normal (sin hueco de tensión) (8), el flujo de
energía generada por el sistema de garantía (9) preconizado y el
flujo de energía disipada.
Como se ha dicho, este sistema evita paradas
innecesarias de los aerogeneradores, alargando su vida útil,
disminuyendo sus averías y ahorrando en sus necesidades de
mantenimiento, y todo ello, con la particularidad de que puede ser
implementado en aerogeneradores construidos con cualquier tipo de
tecnología.
Claims (2)
1. Sistema para garantizar la continuidad de
operación de aerogeneradores ante huecos de tensión,
caracterizado porque está interconectado en serie entre el
aerogenerador (6) y la red eléctrica (7) y consta de un interruptor
(1), un inversor para aerogenerador (2), un inversor para red (3),
un disipador de energía (4) y un control de detección y mando (5);
el control de detección y mando (5) está conectado con dichos
interruptor (1), inversor para aerogenerador (2), inversor para red
(3) y disipador de energía (4); el interruptor (1) está en serie
entre el aerogenerador (6) y la red eléctrica (7); el inversor para
aerogenerador (2) está conectado entre la entrada del interruptor
(1) y el disipador de energía (4); y el inversor para red (3) está
conectado entre la salida del interruptor (1) y el disipador de
energía (4).
2. Sistema para garantizar la continuidad de
operación de aerogeneradores ante huecos de tensión, de acuerdo con
la primera reivindicación caracterizado porque, cuando la red
opera en régimen normal, en ausencia de huecos de tensión, el
interruptor (1) permanece cerrado; por el contrario, si en la
monitorización que lleva a cabo el control de detección y mando (5)
de modo permanente es detectado por éste un hueco de tensión de
profundidad definida, procede a abrir el interruptor (1) y a
arrancar el inversor para aerogenerador (2) y el inversor para red
(3), de manera que, a través del primero, es suministrada una
tensión tal como si fuera la de régimen normal de la red y el
aerogenerador mantiene su régimen de operación normal, sin parar ni
desconectarse de la red, y, a través del segundo, es generado un
patrón de activa y reactiva acorde con las necesidades de la red,
todo ello al tiempo que, durante el hueco de tensión, el exceso de
energía producido por el aerogenerador y no entregado a la red es
disipado a través del disipador de energía (4).
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