ES2383430B1 - Procedimiento y sistema de control para generadores de turbinas de viento - Google Patents

Procedimiento y sistema de control para generadores de turbinas de viento Download PDF

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Abstract

Procedimiento y sistema de control para un generador en una turbina de viento que tiene una pluralidad de bobinas de estator que tienen acoplamiento magnético mutuo. El procedimiento y el sistema del mismo calculan corrientes continua y de cuadratura basadas en la corriente de fase determinada y un primer ángulo del rotor. Éste genera entonces una señal de control continua y de cuadratura. Éste determina un voltaje inducido resultante en sistema de coordenadas continuo-cuadratura causado por el acoplamiento magnético de las bobinas y por el movimiento del rotor. Éste calcula entonces el ángulo del voltaje inducido resultante. Éste calcula entonces un ángulo del rotor modificado mediante la adición de dicho ángulo del voltaje inducido resultante a dicho primer ángulo del rotor. Éste determina una corriente continua y de cuadratura modificadas basadas en dichas corrientes de fase y en dicho ángulo del rotor modificado para tener en consideración el acoplamiento magnético de la pluralidad de las bobinas del estator y genera señales control modificada directa y modificada de forma correspondiente.

Description

PROCEDIMIENTO Y SISTEMA DE CONTROL PARA GENERADORES DE TURBINAS DE VIENTO
Campo de la invención 5
La presente solicitud de invención se refiere a un sistema de control y a un procedimiento de control para generadores de motores eléctricos que tienen bobinas de estator múltiples. Dichos generadores de bobinas son preferentemente generadores magnéticos permanentes y están conectados a
10 conversores en aplicaciones de turbinas de viento.
Antecedentes de la invención
Las turbinas de viento pueden utilizar diversos sistemas de 15 bobinas que normalmente están dispuestos sobre o alrededor del estator de un generador o motores eléctricos.
La figura 1 muestra un sistema generador-conversor estándar con una pluralidad de bobinas en una turbina de viento. Durante su funcionamiento, un rotor de turbina de viento conduce un generador a través de una caja de
2 o engranajes. La caja de engranajes se omite en algunos diseños de turbina de viento, donde el rotor de la turbina de viento conduce al generador directamente. El generador tiene seis sistemas de bobina, tal como se ejemplifica en la figura 1. Cada sistema de bobina está conectado a un módulo conversor separado (1, 2, ... , 6). Los módulos del conversor están
25 preferentemente conectados en paralelo, y las salidas de los módulos del conversor están ventajosamente conectadas a un transformador, que transforma el voltaje de los conversores, usualmente 690 V, al voltaje de red en el punto de conexión de la turbina de viento, usualmente entre 10 Y 36 kV. Se conocen en la técnica anterior procedimientos para estimar y
3 o optimizar los parámetros del generador. El documento EP-A 1-1956380 describe un procedimiento y un dispositivo relacionado para estimar dos corrientes que fluyen simultáneamente a través de respectivas bobinas de carga eléctrica de múltiples fases conducida en modo de modulación de vector de espacio (SVM). Este documento se refiere a la técnica de muestreo en una carga eléctrica de
35 múltiples fases, por ejemplo un motor eléctrico de 3 fases. Los sistemas de bobinas triples en la carga del motor eléctrico sin embargo no se describen en
dicho documento. El documento EP-A 1-1956380 mide dos corrientes
simultáneamente con sólo un conversor analógico-a-digital (AID). Esto se
realiza creando primero una primera corriente. A continuación, la segunda
corriente se muestrea dos veces, y el retraso de muestreo entre mediciones de
5
corriente se compensa mediante cálculos aritméticos.
El documento US20020070713 describe un procedimiento de
control de un generador de inducción utilizando bobinas detectoras de flujo.
Este documento se refiere exclusivamente al control de un generador de
inducción y se refiere a sistemas de bobina única. Se utilizan referencias para
1 o
voltajes de flujo y enlace DC para obtener referencias directas y cuadraturas de
voltaje.
Idealmente, sería deseable que los conversores (1 ,2, ... , 6) no necesiten
información sobre parámetros, tales como corrientes, voltajes, potencia y otros,
de ninguno de los otros conversores para realizar un control óptimo del
15
generador o motor eléctrico. Desafortunadamente, si los sistemas de bobinas
múltiples están acoplados magnéticamente, la corriente o potencia en un
sistema de bobinas influencia sobre las propiedades eléctricas en los sistemas
de bobinas circundantes y el control óptimo mediante procedimientos y
sistemas de control convencionales no es posible.
2 o
Por lo tanto, las corrientes en un sistema de bobinas provocan
que los voltajes adicionales sean inducidos en los sistemas de bobinas
circundantes. Además de estos voltajes, el movimiento de los imanes relativos
a las bobinas también induce voltaje.
Por lo tanto, un objeto de la presente invención es proporcionar un
2 5
controlador de generador que funcione de una manera óptima sin importar el
acoplamiento magnético entre los sistemas de bobinas. La optimización del
generador o motor eléctrico incluye la capacidad de que el generador funcione
con la mejor eficiencia posible. Es decir, optimizando la salida de potencia de la
turbina de viento a todas las velocidades y a todos los niveles de potencia, pero
3 o
también optimizando la estabilidad del control del generador, por ejemplo en el
caso de rachas de viento y perturbaciones sobre la red eléctrica.
Los sistemas generador-conversor de la técnica anterior no
consideran el acoplamiento magnético no deseado entre las bobinas y los
sistemas de control existentes, no tienen en cuenta los efectos de acoplamiento
3 5
mutuo entre múltiples bobinas.
Es el objeto de la presente invención proporcionar un sistema y
un procedimiento de control que compense dichos acoplamientos magnéticos no deseados en el contexto de un generador o motor eléctrico con bobinas múltiples del estator.
5
Descripción de la invención
10 15
El procedimiento y el sistema de control según la presente invención se basan en estimar un voltaje inducido resultante que aparece a partir del acoplamiento magnético entre las bobinas del estator. Esto se logra mediante la adición vectorial del voltaje debido a corrientes en sistemas circundantes y el voltaje debido al movimiento de imanes en el generador. Dicha estimación se basa en corrientes (id e iq), referencias de voltaje (ud y uq), velocidad del generador (m) e inductancias del generador (Ld y Lq). El ángulo del voltaje inducido resultante se calcula y se añade al ángulo del rotor. Una estimación de voltaje inducido preferida puede darse mediante una relación lineal, tal como se muestra en las ecuaciones:
ed :::::: ud-mLqiq ed :::::: uq + mLdid
2 o
Sin embargo, son posibles otras relaciones matemáticas. Puede ser que se considere un generador pequeño y las pérdidas óhmnicas (Rid y Riq) no pueden ser desatendidas. Por lo tanto, si se considera los términos de resistencia, las ecuaciones de estimación de voltaje resultan como:
ed :::::: ud -mLqiq + Rid ed :::::: uq + mLdid + Riq
25
Por otra parte, puede ser que cambios en la corriente continua (id) con el tiempo y cambios en la corriente de cuadratura (iq) sean significativos. Las siguientes relaciones resultan:
En otra realización, tanto la resistencia óhmnica como los cambios de tiempo de corrientes pueden considerarse ambos como significativos. Las ecuaciones resultan entonces en:
5
El sistema y procedimiento de control usa el ángulo del voltaje
inducido estimado para definir un sistema de coordenadas modificado (cd, cq),
en el cual se basa el control. Este sistema de coordenadas (cd, cq) modificado
diferirá del sistema de coordenadas (d, q) tradicionalmente utilizado debido al
voltaje adicional causado por el acoplamiento magnético.
10
Figuras
La figura 1 muestra un generador de turbina de viento que tiene
múltiples cableados y conversores según la técnica anterior.
15
La figura 2 muestra una sección de un generador que tiene un
estator con múltiples disposiciones de cableados según la técnica anterior.
La figura 3 muestra una vista desplegada en dos dimensiones de
parte de un generador que tiene sistemas de bobinas múltiples en una
pluralidad de ranuras según la técnica anterior.
20
La figura 4 muestra una adición de suma teniendo en cuenta el
acoplamiento magnético de una pluralidad de bobinas según la presente
invención.
La figura 5 muestra un diagrama de bloques de la disposición del
sistema de control.
25
Descripción de las realizaciones preferidas
La figura 2 muestra una parte del estator en un generador con
sistemas de bobinas múltiples, donde cada ranura está ocupada por dos
3 o
bobinas. La bobinas de los sistemas de bobinas adyacentes 1 y 6 están
compartiendo ranuras donde los 2 sistemas de bobinas están superpuestos.
Los nombres de las bobinas indican el número de sistema de bobina seguido
por la designación de fase, por ejemplo 6W es la fase W del sistema de
bobinas 6.
La figura 3 muestra una vista estirada en dos dimensiones del
sistema de bobinas en un generador con sistemas de bobinas múltiples. Aquí
puede verse que las corrientes en un sistema de bobinas crean flujos que
5
influencian el sistema de bobinas circundante mediante la inducción de voltaje
en el mismo.
Las figuras 4a, 4b muestran diagramas de vectores del generador
magnético permanente. La figura 4a muestra el sistema de coordenadas (d, q)
tradicional para una máquina de imán permanente (PM). En este sistema de
1 o
coordenadas, el flujo entre los imanes permanentes 4JPM está por definición
orientado a lo largo del eje d, mientras que el voltaje inducido a partir de los
imanes (back-emf) el¡JPM está orientado a lo largo del eje q. El vector de
corriente puede estar separado en coordenadas d y q mediante la proyección
sobre los ejes d y q.
15
La figura 4b muestra la situación donde un flujo de perturbación
4Jdist desde sistemas de bobinas circundantes se añade a 4JPM para dar el flujo
resultante lJ.Ires· lJ.Idist induce un voltaje de perturbación edist. que se añade a el!JPM
para dar en resultante back-emf eres· lJ.Ires y eres definen un nuevo sistema de
coordenadas, el sistema de coordenadas (cd, cq), que es el sistema (d, q)
2 o
ajustado para el fenómeno del acoplamiento.
La figura 5 muestra un sistema de control y la estructura de
control del conversor. La parte izquierda de la figura ilustra un controlador de
potencia tradicional que toma como entrada la referencia de potencia
(POWER_REF). Esta referencia de potencia (POWER_REF) puede ser tanto
2 5
para potencia del generador o para potencia entregada a la red. Para la entrada
de referencia de potencia (POWER_REF) el (Power_Calc) o potencia medida
se sustrae, la cual también puede ser tanto potencia del generador o potencia
de red. La potencia normalmente se calcula mediante la multiplicación de los
valores medidos de voltaje y corrientes. La salida del controlador de potencia es
3 o
una referencia de corriente de cuadratura (icq_ref).
En el optimizador de la energía, la referencia de corriente de
cuadratura (icq_ref) se utiliza junto con la velocidad del generador
(OMEGA_GEN) como entrada a una tabla que define el valor optimizado de
eficiencia para la referencia de corriente continua (icd_ref). La tabla puede
3 5
encontrarse mediante experimentación o ser calculada, por ejemplo, a partir del
análisis de procedimiento de elementos finitos (FEM) sobre el generador. La
forma en que la referencia de corriente continua (icd_ref) es calculada puede
realizarse de varias formas, incluyendo que la corriente de referencia directa es
igual a cero, icd_ref=O, o que la corriente continua y la corriente referencia de
cuadratura son proporcionales, es decir icd_ref= c*icq_ref, donde e es una
5
constante.
Las dos referencias de corriente se utilizan entonces con entradas
para los controladores de corriente, que utilizan transformaciones del sistema
de coordenadas y controladores PI tradicionales (abc->dq) y (dq->aabc). Otros
tipos de controladores, por ejemplo PID, controladores difusos o adaptativos
1 o
también son posibles. En el bloque de la figura 5 etiquetado como cálculo de
ángulo de acoplamiento, se calcula el ángulo del voltaje inducido resultante.
Dicho ángulo se añade al ángulo del rotor (RHO _EL). Dicho ángulo del rotor
(RHO_EL) es el ángulo de rotor que es preferentemente dado en grados
eléctricos y ventajosamente calculado a partir de una posición del rotor
15
mecánico (RHO_ENC) mediante la multiplicación con el número de par de polo
del generador (P). El ángulo ajustado para el fenómeno de acoplamiento
(RHO_EL_C) se utiliza entonces para calcular la corriente continua modificada
(i_cd) y una corriente de cuadratura modificada (l_cq), medidas corrientes en el
sistema de coordenadas modificado (cd, cq).
20
La presente invención no requiere que ninguno de los módulos
conversores conozca las condiciones de otros módulos, típicamente voltajes y
corrientes a partir de otros módulos conversores. Los módulos de nivel superior
presentan la desventaja de que el sistema requiere componentes adicionales.
Por lo tanto, la disposición eléctrica y electrónica del controlador de nivel
2 5
superior incrementará el coste y la complejidad del sistema y reduce la
fiabilidad. Además, el modelo matemático que describe la totalidad del
generador y el control para la totalidad del generador puede ser complejo.
El módulo de nivel superior también requiere el conocimiento del
trazado de las inductancias mutuas del generador entre todos los sistemas de
3 o
bobinas, que puede ser difícil obtener y pueden cambiar con la temperatura y/o
el nivel de corriente. Esta realización hace un controlador de nivel superior con
la información global de todos los módulos conversores redundantes.
Sin embargo, una realización de la presente invención puede
incluir un llamado controlador de nivel superior. Dicho módulo conoce entonces
3 5
un número de valores en tiempo real, preferentemente de corrientes, voltajes de
una parte o de todos los módulos conversores. En este controlador de nivel
superior, puede implementarse un modelo matemático de la totalidad del generador, incluyendo todas las inductancias mutuas entre todos los sistemas. Es entonces posible para este controlador calcular valores de referencia óptimos, por ejemplo referencia de corriente id e iq, para cada uno de los módulos conversores.
Una variación de resolución alternativa es implementar el control total del generador en uno de los módulos conversores. Este podría entonces llamarse "conversor maestro".
1 o
2 o
2 5
3 o
3 5

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento de control para un generador en una turbina de viento que tiene una pluralidad de bobinas de estator que tienen un acoplamiento magnético mutuo, comprendiendo dicho procedimiento de control las etapas de:
    -
    determinar corrientes de fase (IM_123) de dicho generador, y -determinar un primer ángulo de rotor (RHO_EL) respecto a un sistema de coordenadas estacionario (abe), y
    -
    calcular la corriente continua (id) y la corriente de cuadratura (iq) de dicho generador basado en dichas corrientes de fase (IM_123) y dicho primer ángulo de rotor (RHO_EL), y
    -
    generar una señal de control continua y una señal de control de cuadratura mediante un motor de control (PI) basado en dicha corriente continua (id) y corriente de cuadratura (iq), estando dicho procedimiento caracterizado por
    -
    determinar un voltaje inducido resultante (ed, eq) en el sistema de coordenadas continua-cuadratura (d, q) causado por el acoplamiento magnético de bobinas y por el movimiento del rotor, estando dicha determinación basada en dichas corriente continua (id) y de cuadratura (iq), señal de control continua y señal de control de cuadratura, velocidad de rotor del generador (ro) e inductancias del generador (Ld, Lq) en el sistema de coordenadas continua-cuadratura (d, q), y
    -
    calcular el ángulo de dicho voltaje inducido resultante (ed, eq) debido al acoplamiento magnético de la bobina y el movimiento del rotor respecto al sistema de coordenadas estacionario (abe), y
    -
    calcular un ángulo de rotor modificado (RHO_EL_C) mediante la adición de dicho ángulo de voltaje inducido resultante (ed, eq) ha dicho primer ángulo del rotor (RHO_EL), y
    -
    determinar una corriente continua modificada (i_cd) y la corriente de cuadratura modificada (i_cq) basada en dichas corrientes de fase (IM_123) y en dicho ángulo del rotor modificado (RHO_EL_C) para tener en consideración el acoplamiento magnético de la pluralidad de bobinas del estator, y
    -
    generar una señal de control continua modificada (vd_ref) y una señal de control de cuadratura modificada (Vq_ref) mediante dicho módulo de control (PI) basado en dicha corriente continua (i_cd) y corriente de cuadratura
    modificada (i_cq), y
    -transformar dicha señal de control continua modificada (Vd_ref)
    y dicha señal de control de cuadratura modificada (Vq_ref) en voltajes de fase
    de control (UM_123) de un sistema de coordenadas estacionario (abe), y
    5
    -aplicar dichos voltajes de fase de control (UM_123) para
    controlar el generador.
  2. 2. Procedimiento de control según la reivindicación 1, en el que la
    etapa de determinación de un voltaje inducido resultante (ed, eq) en el sistema
    de
    coordenadas continuo-cuadratura (d, q) causado por el acoplamiento
    1 o
    magnético de la bobinas, se utiliza la siguiente fórmula:
    ed :::::: ud -wLqiq ed :::::: uq + wL)d
    donde ud, uq son los voltajes de referencia, ro es la velocidad del rotor del generador, Ld, Lq son inductancias e iq, id son corrientes en el sistema de 15 coordenadas continuo-cuadratura.
  3. 3. Procedimiento de control según la reivindicación 2, en el que la etapa de determinación de un voltaje inducido resultante (ed, eq) en el sistema de coordenadas continuo-cuadratura (d, q) causado por el acoplamiento magnético de las bobinas, se utiliza la siguiente fórmula:
    donde ud, uq son los voltajes de referencia, ro es la velocidad del rotor del generador, Ld, Lq son inductancias e iq, id son corrientes en el sistema de coordenadas continuo-cuadratura.
    2 5 4. Procedimiento de control según la reivindicación 1, en el que la etapa de determinación de un primer ángulo del rotor (RHO_EL) incluye multiplicar una posición mecánica del rotor (RHO_ENC) con un número de par de polo generador (P).
  4. 5. Procedimiento de control según la reivindicación 1, en el que la

    3 o etapa de determinación de dicho voltaje inducido resultante (ed, eq) se logra mediante medición, cálculo, estimación o simulación.
  5. 6. Procedimiento de control según la reivindicación 1, en el que el
    módulo de control (PI) incluye un módulo proporcional-integrador, una derivada
    proporcional-integradora, un módulo de lógica difusa, un módulo controlador
    adaptativo, un módulo de control de colocación del polo, módulos de control
    5
    RST o un módulo de control de avance-retraso.
  6. 7. Sistema de control para un generador en una turbina de viento
    que tiene una pluralidad de bobinas de estator que tienen un acoplamiento
    magnético mutuo, comprendiendo dicho sistema de control:
    -medios para determinar corrientes de fase (IM_123) de dicho
    1 o
    generador, y
    -medios para determinar un primer ángulo del rotor (RHO_EL)
    respecto a un sistema de coordenadas estacionario (abe), y
    -medios para calcular la corriente continua (id) y la corriente de
    cuadratura (iq) de dicho generador basadas en dichas corrientes de fase
    15
    (IM_123) y dicho primer ángulo del rotor (RHO_EL), y
    -medios para generar una señal de control continua y una señal
    de control de cuadratura mediante un módulo de control (PI) basado en dicha
    corriente continua (id) y dicha corriente de cuadratura (iq), estando dicho
    procedimiento caracterizado por el hecho de que comprende:
    2 o
    -medios para determinar un voltaje inducido resultante (ed, eq)
    en el sistema de coordenadas continuo-cuadratura (d, q) causado mediante el
    acoplamiento magnético de bobinas y mediante el movimiento del rotor,
    estando dicha determinación basada en dichas corrientes continua (id) y de
    cuadratura (iq), la señal de control continua y la señal de control de
    2 5
    cuadratura, la velocidad del rotor del generador (m) y las inductancias del
    generador (Ld, Lq) en el sistema de coordenadas continuo-cuadratura (d, q), y
    -medios para calcular el ángulo de dicho voltaje inducido
    resultante (ed, eq) debido al acoplamiento magnético de la bobina y el
    movimiento del rotor respecto al sistema de coordenadas estacionario (abe), y
    3 o
    -medios para determinar un ángulo de rotor modificado
    (RHO_EL_C) mediante la adición de dicho ángulo del voltaje inducido
    resultante (ed, eq) a dicho primer ángulo del rotor (RHO _EL), y
    -medios para determinar una corriente continua modificada (i
    cd) y una corriente de cuadratura modificada (i_cq) basada en dichas
    3 5
    corrientes de fase (IM_123) y en dicho ángulo de rotor modificado
    (RHO_EL_C) de forma tal que se toma en consideración el acoplamiento
    magnético de la pluralidad de bobinas del estator, y
    -medios para generar una señal de control continua modificada
    (vd_ref) y una señal de control de cuadratura modificada (Vq_ref) mediante
    dicho módulo de control (PI) basado en dicha corriente continua modificada
    5
    (i_cd) y corriente de cuadratura modificada (i_cq), y
    -medios para transformar dicha señal de control continua
    modificada (Vd_ref) y dicha señal de control de cuadratura modificada (Vq_ref)
    en voltajes de fase de control (UM_123) de un sistema de coordenadas
    estacionarias (abe), y
    10
    -medios para aplicar dichos voltajes de fase de control
    (UM_123) a dicho generador.
  7. 8. Sistema de control según la reivindicación 7, en el que los
    medios para determinar un primer ángulo del rotor (RHO_EL) incluyen medios
    para multiplicar una posición mecánica del rotor (RHO_ENC) con un número
    15
    de par de polo del generador (P).
  8. 9. Disposición de control para un generador o motor eléctrico,
    que comprende un generador conectado a una pluralidad de módulos
    conversores (1, 2, ... , 6) que se puede conectar a un sistema de red y un
    sistema de control según la reivindicación 6, que comprende además dicha
    2 o
    disposición de control una unidad de control de nivel superior que tiene
    medios de memoria con un modelo de las inductancias mutuas entre
    diferentes bobinas del estator.
    1O. Disposición el control para un generador o motor eléctrico,
    que comprende un generador conectado a una pluralidad de módulos
    2 5
    conversores (1, 2, ... , 6) pueden conectarse a un sistema de red y un sistema
    de control según la reivindicación 6, teniendo uno de dichos módulos
    conversores (1, 2, ... , 6) medios de memoria con un modelo de las
    inductancias mutuas entre diferentes bobinas del estator.
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