ES2358820A1 - Procedimiento y sistema híbrido de generación eléctrica. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento y sistema híbrido de generación eléctrica.La invención describe un sistema hibrido de generación eléctrica a partir de la potencia mecánica transmitida por una turbina que gira con velocidad variable, que comprende un generador principal (40, 50), movido por la turbina, cuyo estator está conectado a la red eléctrica a través de unos medios de conexión/desconexión (44), y un generador auxiliar (41), movido por dicha turbina, cuyo estator está conectado a la red eléctrica al menos a través de un convertidor de potencia (42), y donde el rotor del generador auxiliar (41) y el rotor del generador principal (40, 50) están eléctricamente y magnéticamente desacoplados.
Description
Procedimiento y sistema híbrido de generación
eléctrica.
El objeto de la presente invención es un
procedimiento y un sistema híbrido que optimizan la generación
eléctrica a partir de la potencia mecánica transmitida por una
turbina que gira a velocidad variable. Este sistema y procedimiento
es particularmente útil en el campo de la generación eólica, aunque
también es aplicable a otros ámbitos en que se genera energía
empleando una turbina movida por un fluido en movimiento, como la
generación empleando corrientes marinas, mareas, olas, etc.
La energía eléctrica generada para su inyección
en una red de potencia debe tener la misma frecuencia que la red.
Este requisito es fácil de cumplir cuando la generación se realiza a
velocidad constante y controlada. Sin embargo, cuando el eje que
mueve el generador no gira a velocidad constante es necesario
controlar de algún modo la frecuencia de la energía eléctrica
generada.
Una solución conocida es el uso de un único
generador asíncrono conectado directamente a la red eléctrica, de
modo que la propia red fuerza a que la velocidad del rotor del
generador se mantenga sustancialmente constante. Sin embargo, para
optimizar la captura de energía de un fluido en movimiento es
necesario adaptar la velocidad del eje de la turbina a la del fluido
y por lo tanto esta topología presenta el problema de un mal
aprovechamiento de la energía disponible. Para solucionar este
inconveniente se puede emplear un generador con dos devanados, o
bien dos generadores diferentes en paralelo, teniendo cada devanado
o generador un número diferente de pares de polos. Así, dependiendo
de la velocidad del eje en cada momento, únicamente se conecta uno
de los dos generadores. Un inconveniente de este sistema es la
aparición de transitorios durante la conmutación entre un generador
y otro. Además, para dotar de flexibilidad al sistema normalmente se
emplean generadores de diferentes potencias, siendo la suma de las
potencias individuales de los generadores mayor que la potencia
total del sistema, produciéndose un exceso de tamaño, y en
consecuencia también de coste.
El tren de potencia, que transmite el par desde
la turbina hasta el rotor del generador eléctrico, debido a los
momentos de inercia y la rigidez torsional de los diferentes
componentes posee determinados modos de vibración. Dichas
vibraciones torsionales producen fatiga en los componentes
mecánicos, especialmente en la multiplicadora caso de existir. Las
topologías que generan energía con uno o varios generadores
asíncronos conectados directamente a la red no tienen control sobre
el par en el generador eléctrico y por lo tanto no disponen de
medios para amortiguar las mencionadas vibraciones.
Otra configuración se define en la solicitud
US5083039, que describe el uso de un único generador conectado a la
red a través de un convertidor de potencia, de modo que el generador
puede operar a casi cualquier velocidad del eje. El convertidor de
potencia, sin embargo, debe estar dimensionado al 100% de la
potencia del generador, por lo cual el sistema también se vuelve
excesivamente voluminoso y costoso.
Por último, la solicitud EP1153470 describe el
uso de un generador de rotor bobinado, conectándose el rotor a la
red a través de un convertidor de potencia, mientras que el estator
se conecta directamente a la red. El convertidor del lado del
generador permite actuar sobre la tensión del rotor en magnitud y
frecuencia para controlar la velocidad de giro. Sin embargo, se
requiere el uso de escobillas y anillos rozantes para conectar el
rotor al convertidor, produciéndose los problemas de mantenimiento
habituales de estos sistemas.
La presente invención describe un novedoso
sistema y procedimiento para optimizar el aprovechamiento de la
energía transmitida por una turbina que gira a velocidad variable.
Aunque la invención es especialmente útil en el campo de la
generación eólica, también es aplicable a otros campos donde una
turbina es movida por un fluido en movimiento cuya velocidad es
variable, como la generación de energía eléctrica empleando turbinas
movidas por corrientes marinas, por la fuerza de las olas o por la
fuerza de las mareas.
Así, un primer aspecto de la invención describe
un sistema híbrido de generación eléctrica a partir de la potencia
mecánica transmitida por una turbina de velocidad variable, que
comprende:
- Un generador principal cuyo estator está
conectado a la red eléctrica a través de unos medios de
conexión/desconexión. Este generador principal, por lo tanto, sólo
funciona a velocidades cercanas a la velocidad de sincronismo, que
es la correspondiente a la frecuencia de la red. En el presente
documento, el término "medios de conexión/desconexión" pretende
abarcar cualquier dispositivo para la capaz de conectar y/o
desconectar una línea eléctrica, ya sea en vacío o en carga,
incluyendo por tanto interruptores, disyuntores y dispositivos
similares.
- Un generador auxiliar cuyo estator está
conectado a la red eléctrica al menos a través de un convertidor de
potencia. El convertidor de potencia transforma la tensión de
frecuencia variable generada por el generador auxiliar a la
frecuencia de la red, y por lo tanto este generador puede funcionar
a velocidad variable. Preferentemente, el convertidor de potencia
está a su vez conectado a la red a través de unos medios de
conexión/desconexión y/o de un transformador, pudiéndose así
respectivamente desconectar el generador auxiliar de la red y/o
adaptar la tensión generada a la tensión de la red.
Así, en un principio se emplea el generador
auxiliar para velocidades bajas de la turbina hasta que, a una
determinada velocidad, se alcanza su potencia nominal,
preferentemente entre el 20% y el 40% de la potencia nominal total
de la turbina. En ese momento, el convertidor de potencia controla
la velocidad de giro del generador auxiliar para hacer que ésta
alcance la velocidad nominal del generador principal, que es la
correspondiente a la frecuencia de la red. Cuando esto ocurre, se
conecta el generador principal a la red. El generador auxiliar
permanece conectado, sin generar potencia en valor medio pero
controlando el par para amortiguar las oscilaciones torsionales en
el tren mecánico, generando o consumiendo potencia activa según se
requiera. Cuando el generador principal alcanza su potencia nominal,
preferentemente entre el 60% y el 80% de la potencia nominal total
del sistema, el generador auxiliar comienza también a generar
simultáneamente.
El convertidor de potencia conectado al
generador auxiliar esta dimensionado para convertir la potencia de
dicho generador auxiliar. Una de las ventajas fundamentales de este
nuevo sistema híbrido de generación es que con un convertidor de una
potencia sustancialmente menor que la potencia total de la turbina
puede controlarse el par en el generador auxiliar para amortiguar
las vibraciones torsionales en el tren mecánico, y que el generador
principal tiene el rotor no bobinado, evitándose así los problemas
asociados a este tipo de máquinas. Dicho control de par también es
útil ante eventos de red como huecos de tensión. En los sistemas
anteriores, o bien se carecía de control de par en el eje, o bien se
empleaban convertidores dimensionados para el 100% de la potencia de
la turbina, o bien se utilizaban generadores de rotor bobinado en
los que por medio de escobillas se introducían las corrientes
rotóricas adecuadas.
En consecuencia, en la presente invención los
rotores de los generadores principal y auxiliar están desacoplados
tanto eléctrica como magnéticamente. El desacoplamiento magnético
implica que los flujos de campo magnético por cada uno de los
rotores son independientes, no compartiendo ambos ningún núcleo
magnético común. De modo equivalente, el desacoplamiento eléctrico
implica que las corrientes eléctricas por cada uno de los rotores
son independientes, no existiendo conexión eléctrica alguna entre
uno y otro rotor.
De acuerdo con una realización preferente de la
invención, el generador auxiliar es de tipo asíncrono, o bien de
tipo síncrono de imanes permanentes. El generador principal, por
otro lado, es preferentemente de tipo asíncrono.
Un segundo aspecto de la presente invención está
dirigido a un procedimiento para generar energía eléctrica a partir
de la potencia mecánica transmitida por una turbina de velocidad
variable, empleando un generador principal cuyo estator está
conectado a la red eléctrica a través de unos medios de
conexión/desconexión; y un generador auxiliar, cuyo estator está
conectado a la red eléctrica al menos a través de un convertidor de
potencia. Este procedimiento comprende los siguientes modos de
opera-
ción:
ción:
a) Para potencias menores que la potencia
nominal del generador auxiliar, generar energía eléctrica empleando
dicho generador auxiliar.
En este modo de operación, el generador
principal está desconectado, funcionando únicamente el generador
auxiliar a velocidad variable, generando por tanto la energía
eléctrica a frecuencia variable y ajustando el convertidor de
frecuencia la tensión generada a la frecuencia de la red.
b) Para potencias mayores que la potencia
nominal del generador auxiliar pero menores que la potencia nominal
del generador principal, generar energía eléctrica empleando el
generador principal.
Cuando se alcanza la potencia nominal del
generador auxiliar, se emplea el convertidor de potencia para
provocar un aumento en la velocidad de giro de la turbina hasta
alcanzar una velocidad cercana a la velocidad de sincronismo del
generador principal. En ese momento, el generador principal se
conecta, comenzando a generar. Preferentemente, el generador
auxiliar permanece conectado y, aunque no genera potencia activa en
valor medio, controla el par para amortiguar las oscilaciones
torsionales del tren mecánico generando o consumiendo potencia
activa según sea necesario.
c) Para potencias mayores que la potencia
nominal del generador principal, generar energía eléctrica empleando
ambos generadores, principal y auxi-
liar.
liar.
Cuando se alcanza la potencia nominal del
generador principal, el generador auxiliar comienza de nuevo a
generar, generando así ambos simultáneamente para llegar hasta el
máximo de potencia de generación de la turbina.
Las Figs. 1a, 1b y 1c muestran sendas
configuraciones de acuerdo con la técnica anterior para la
generación de energía eléctrica a partir de una turbina de velocidad
variable.
La Fig. 2 muestra una realización preferida del
sistema híbrido de generación eléctrica de acuerdo con la presente
invención.
La Fig. 3 muestra otra realización preferida de
un sistema de acuerdo con la presente invención.
La Fig. 4 muestra una gráfica que muestra
esquemáticamente las diferentes regiones de funcionamiento del
sistema de la invención.
Se describen a continuación algunos sistemas
empleados en la técnica anterior para la generación de energía
eléctrica en el campo de la energía eólica. La configuración
mostrada en la Fig. 1a se compone de dos generadores (10, 11) con
diferente número de polos, de modo que, dependiendo de la velocidad
de viento, se conecta alternativamente uno u otro a la red mediante
medios de conexión (12, 13), y a través de un transformador (16). El
generador (10) de menor número de polos está dimensionado para el
100% de la potencia nominal del aerogenerador, mientras que el
generador (11) de mayor número de polos está dimensionado
típicamente para el 30% de la potencia total del aerogenerador. A
veces se interponen entre los generadores (10, 11) y la red unas
impedancias (14, 15) por las que pasa transitoriamente la corriente
y que tienen por misión disminuir la corriente inicial que se da en
la conexión de los generadores (10, 11) para su magnetización y/o
disminuir el efecto que tiene en los generadores (10, 11) un hueco
en tensión de red.
En la Fig. 1b se muestra un sistema de velocidad
variable consistente en un generador de inducción (20) cuyo rotor
está conectado a un convertidor (21) mediante el cual se inducen las
corrientes rotóricas adecuadas. El convertidor (21) usualmente se
conecta a la red a través de un transformador (22). Dicho
convertidor (21) está dimensionado sólo para una fracción de la
potencia total del generador (20), normalmente alrededor del
30%.
En la Fig. 1c se muestra un sistema alternativo
en el que el estator de un generador (33), que puede ser síncrono o
asíncrono, se conecta a un convertidor (34) dimensionado para
convertir toda la potencia generada. Dicho convertidor usualmente
está conectado a la red por medio de un transformador (35).
La Fig. 2 muestra un ejemplo del sistema de la
invención que comprende un generador principal (40), de tipo
asíncrono, alimentado a la frecuencia de la red a través de un medio
de conexión/desconexión (44); y un generador auxiliar (41), síncrono
de imanes permanentes, alimentado a frecuencia variable a través de
un convertidor (42) de potencia, que en este ejemplo está conectado
a la red eléctrica a través de un medio de conexión/desconexión (45)
y un transformador (45). Los generadores principal y auxiliar (40,
41) tienen sus rotores desacoplados tanto eléctrica como
magnéticamente, estando dichos rotores accionados un eje movido por
la turbina de un aerogenera-
dor.
dor.
La suma de las potencias nominales de los
generadores principal y auxiliar (40, 41) es substancialmente igual
a la potencia nominal del aerogenerador. Concretamente, en este
ejemplo las potencias de los generadores principal (40) y auxiliar
(41) son del 70% y del 30% de la potencia del aerogenerador,
respectivamente.
Un aspecto importante de la presente invención
es la capacidad de integración en la red, especialmente en tres
aspectos: no generar perturbaciones, especialmente en la conexión,
generación de reactiva para mantener estable la tensión y
continuidad en la operación en un hueco de tensión.
Cuando se produce un hueco de tensión se reduce
la capacidad de evacuar la potencia generada por los generadores
(40, 41) a la red. Para solucionar este problema, en el ejemplo de
la Fig. 2 se emplea un medio de disipación o almacenamiento de
energía (38) conectado al convertidor (42) de potencia. Este medio
de disipación o almacenamiento de energía (38) sirve para quemar, o
para almacenar, la potencia activa (Px) generada que no puede ser
evacuada a través de la red. Naturalmente, en el caso en que la
energía se almacene, es posible recuperarla con posterioridad.
Además, como se ha explicado previamente en el presente documento,
el convertidor (42) de potencia sirve para modular el par en el
generador secundario (41) con el objeto de amortiguar las
oscilaciones torsionales en el tren mecánico de potencia motivadas
por los cambios en el par producidos durante huecos de tensión.
Otra opción para disminuir las corrientes en el
generador principal (40) durante un hueco de tensión es emplear unos
medios de impedancia (46) interpuestos entre dicho generador
principal (40) y la red para insertar temporalmente impedancias
entre generador y red. Por último, se puede desconectar el generador
principal (40) de la red y cortocircuitarlo mediante
resistencias.
En cuanto a la inyección de reactiva, el
convertidor (42) de potencia también puede inyectar reactiva (Qc) en
dirección a la red durante el hueco de tensión, elevando así la
tensión en bornas del generador principal (40) y permitiéndole
evacuar al menos una parte de la potencia. La inyección de reactiva
se puede hacer, por ejemplo, con el criterio de mantener la tensión
local estable.
En tercer lugar, con relación a posibles
perturbaciones durante la conexión a red, se pueden emplear los
medios de impedancia (46) para insertar una impedancia adicional
entre generador principal (40) y red para que la conexión sea
gradual, reduciendo así las corrientes iniciales de magnetización de
la máqui-
na.
na.
La potencia en un aerogenerador usualmente se
limita mediante un sistema de cambio de paso de palas. La forma más
habitual de control es aquella en que para reducir la captura de
viento se aumenta el ángulo de paso de palas \beta. Sin embargo,
la dinámica de este sistema es lenta, siendo necesarias medidas
adicionales para limitar la captura de potencia y que no se traduzca
en fuertes fluctuaciones de la potencia generada y grandes cargas
mecánicas. Modificar la velocidad de giro de la turbina del
aerogenerador permite mitigar dichos efectos adversos, empleando la
energía cinética como almacén de energía. Para ello, el generador
principal (40) comprende unas impedancias adicionales (47) que
permiten modificar el deslizamiento, y por lo tanto la velocidad de
giro.
Alternativamente, como se observa en la Fig. 3,
se puede emplear un generador principal (50) que, además del rotor y
del estator principales, tenga un rotor y un estator adicionales,
estando conectados entre sí los dos rotores y los dos estatores.
Así, la instalación de una impedancia adicional (37) conectada al
estator adicional permite modificar la impedancia del rotor
principal del generador principal (50) sin necesidad de
escobillas.
Además, es posible combinar el sistema híbrido
descrito con otras técnicas para controlar la potencia transmitida
por la turbina. Por ejemplo, ante ráfagas de fuertes vientos es
posible llevar las palas a pérdida, consiguiéndose así limitar la
potencia entrante de una manera pasiva e inmediata. También es
posible que la turbina del aerogenerador comprenda palas dotadas de
medios de control de flujo para controlar y/o limitar la potencia
captada, por ejemplo empleando aerofrenos movidos por actuadores, o
bien mediante la inyección o succión de aire para modificar la capa
límite. Otra opción podría dotar al aerogenerador de medios de
medición anticipada del viento que va a incidir en la turbina, lo
cual permite adaptar el sistema a la potencia entrante con
antelación.
Finalmente, la Fig. 4 representa el par frente a
la velocidad de giro de la turbina del aerogenerador. Pueden
distinguirse 4 regímenes de funcionamiento, representados por los
tramos (100, 101, 102, 103) de la gráfica. En todos los regímenes el
generador auxiliar (41) está operativo, realizando al menos una
modulación del par para amortiguar las vibraciones torsionales del
tren mecánico.
- En el tramo (100), la velocidad de giro de la
turbina es la velocidad mínima y el generador principal (40, 50)
permanece desconectado. El generador auxiliar (41) en este tramo
genera energía eléctrica a una frecuencia substancialmente
constante.
- En el tramo (101), en el que la turbina gira a
una velocidad variable, el generador principal (40, 50) permanece
desconectado. Sin embargo, el generador auxiliar (41) funciona a
velocidad variable, modificando el convertidor (42) de potencia la
frecuencia de la tensión generada para adaptarla a la red.
- Cuando se alcanza el punto de operación (111),
en que la potencia generada está próxima a la potencia nominal del
generador auxiliar (41), el convertidor (42) actúa sobre el
generador auxiliar (41) para controlar la velocidad del eje hasta
alcanzar una velocidad próxima a la velocidad de sincronismo del
generador principal (40, 50), en el punto de operación 112, momento
en el que dicho generador principal es conectado a la red.
- En el tramo (102), el convertidor (42)
controla el par en el generador auxiliar (41) de manera que para
maximizar el rendimiento la mayor parte de la potencia la genera el
generador principal (40, 50), realizando el generador auxiliar (41)
únicamente el amortiguamiento del tren de potencia.
- Cuando se alcanza el punto de operación (113)
en el que el generador principal (40, 50) genera una potencia
próxima a su potencia nominal, se entra en el tramo 103 en que el
generador auxiliar (41) empieza a generar también potencia. Cuando
ambos generadores alcanzan sus respectivas potencias nominales se
llega al punto de operación (114), en que la potencia total generada
está próxima a la potencia nominal total del aerogenerador.
Claims (16)
1. Un sistema híbrido de generación eléctrica a
partir de la potencia mecánica transmitida por una turbina que gira
con velocidad variable, caracterizado porque comprende:
un generador principal (40, 50), movido por la
turbina, cuyo estator está conectado a la red eléctrica a través de
unos medios de conexión/desconexión (44); y
un generador auxiliar (41), movido por dicha
turbina, cuyo estator está conectado a la red eléctrica al menos a
través de un convertidor de potencia (42),
y donde el rotor del generador auxiliar (41) y
el rotor del generador principal (40, 50) están eléctricamente y
magnéticamente desacoplados.
2. El sistema híbrido de acuerdo con la
reivindicación 1, donde la potencia del generador auxiliar (41) está
entre un 20% y un 40% de la potencia total de la turbina.
3. El sistema híbrido de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el generador
principal (40, 50) es de tipo asíncrono.
4. El sistema híbrido de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende
unos medios de impedancia (46) conectables entre el generador
principal (40, 50) y la red.
5. El sistema híbrido de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende
un medio de disipación o almacenamiento de energía (38) conectado al
convertidor (42).
6. El sistema híbrido de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende
una impedancia adicional (47) conectada al rotor del generador
principal (40).
7. El sistema híbrido de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1-5, donde el
generador principal (50) comprende además un estator secundario y un
rotor secundario conectados eléctricamente respectivamente al
estator y al rotor del generador principal (50), y una impedancia
adicional (37) conectada al estator secundario.
8. El sistema híbrido de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la turbina
pertenece a un aerogenerador.
9. El sistema híbrido de acuerdo con la
reivindicación 8, donde la turbina comprende palas dotadas de medios
de control de flujo para controlar y/o limitar la potencia eólica
captada por el aerogenerador.
10. El sistema híbrido de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones 8-9, donde el aerogenerador
comprende medios de medición anticipada de viento.
11. Un procedimiento híbrido para generar
energía eléctrica a partir de la potencia mecánica transmitida por
una turbina que gira con velocidad variable empleando un generador
principal (40, 50) cuyo estator está conectado a la red eléctrica a
través de unos medios de conexión/desconexión (44); y un generador
auxiliar (41) cuyo estator está conectado a la red eléctrica a
través de un convertidor de potencia (42); caracterizado
porque comprende los siguientes modos de operación:
a) para potencias menores que la potencia
nominal del generador auxiliar (41), generar energía eléctrica
empleando dicho generador auxiliar (41);
b) para potencias mayores que la potencia
nominal del generador auxiliar (41) pero menores que la potencia
nominal del generador principal (40, 50), generar energía eléctrica
empleando el generador principal (40, 50); y
c) para potencias mayores que la potencia
nominal del generador principal (40, 50), generar energía eléctrica
empleando ambos generadores principal (40, 50) y secundario
(41).
12. El procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 11, donde el convertidor (42) de potencia consume o
inyecta potencia activa a través del generador auxiliar (41) para
compensar las oscilaciones de par del eje.
13. El procedimiento de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 11-12, que además
comprende la operación, durante un hueco de tensión, de disipar o
almacenar la potencia activa (Px) que no puede ser evacuada a través
de la red.
14. El procedimiento de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 11-13, que además
comprende la operación, durante un hueco de tensión, de inyectar
potencia reactiva (Qc) en dirección a la red para elevar la tensión
en el generador principal (40, 50).
15. El procedimiento de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 11-14, que además
comprende la operación, durante un hueco de tensión, de aumentar la
impedancia entre el generador principal (40, 50) y la red.
16. El procedimiento de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 11-15, que además
comprende la operación de modificar la resistencia del rotor del
generador principal (40,50) para modificar la velocidad de giro de
la turbina.
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| ES2358820B1 ES2358820B1 (es) | 2012-05-03 |
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| US20050015013A1 (en) * | 2003-06-13 | 2005-01-20 | Biomec Inc. | Devices for stabilizing tissue |
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2009
- 2009-02-27 ES ES200900558A patent/ES2358820B1/es not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
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