ES2644691T3 - Sistema de operación de generadores de inducción de doble alimentación - Google Patents

Sistema de operación de generadores de inducción de doble alimentación Download PDF

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ES2644691T3 ES06125643.4T ES06125643T ES2644691T3 ES 2644691 T3 ES2644691 T3 ES 2644691T3 ES 06125643 T ES06125643 T ES 06125643T ES 2644691 T3 ES2644691 T3 ES 2644691T3
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Xiaoming Yuan
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Description

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DESCRIPCION
Sistema de operacion de generadores de induccion de doble alimentacion
La presente invencion se refiere, en general, al campo de los generadores de induccion de doble alimentacion. En particular, la presente invencion se refiere al control y a la proteccion de generadores de induccion de doble alimentacion cuando se producen fallos en la red electrica.
Los generadores de induccion de doble alimentacion (DFIGs) son utilizados en una amplia gama de aplicaciones debido a su eficiencia y fiabilidad. En general, los DFIGs son utilizados en sistemas de generacion de velocidad variable (VSG) para generar energla electrica a partir de recursos energeticos intermitentes o variables, como por ejemplo granjas eolicas. La ventaja principal de un sistema de generacion de velocidad variable con respecto a un sistema de velocidad fija es la posibilidad de controlar electronicamente la velocidad del eje para mantener la maxima eficiencia del proceso de conversion de energla. Por ejemplo, un generador de turbina eolica tlpicamente utiliza un DFIG que comprende un convertidor de ca / cc acoplado a un convertidor de cc / ca para la generacion de energla eolica. La tecnologla DFIG permite que sea extralda energla maxima del viento para velocidades bajas del viento optimizando la velocidad de la turbina, reduciendo al tiempo al mlnimo los esfuerzos mecanicos aplicados sobre la turbina cuando se produzcan rafagas de viento y corrientes de sobretension de la red. Otra ventaja de la tecnologla DFIG es la capacidad de los convertidores electronicos de potencia de generar o absorber potencia reactiva, reduciendo con ello la necesidad de instalar bancos de condensadores. Vease, por ejemplo, el documento WO 2005/015012 y el documento WO 03/058789.
Los factores de diseno de los controladores DFIG se han generalmente concentrado en la provision de una velocidad operativa ajustable para potenciar al maximo la salida de potencia de la turbina, manteniendo la tension terminal del generador requerida o el factor de potencia, y controlar el par de torsion de los generadores para que se corresponda con el de la turbina eolica. Sin embargo, no se ha llevado cabo ninguna, o muy pocas, tentativas para conseguir la capacidad de contribuir a la estabilidad de una operacion de red de energla. El uso ampliamente extendido de la generacion de energla eolica requiere unas granjas eolicas que contribuyan a la estabilidad de la operacion de la red de energla.
Las turbinas eolicas con generadores de induccion de doble alimentacion son sensibles a los fallos de la red electrica. Un fallo de la red electrica dara lugar a la elevacion de corrientes momentaneas severas en el par de torsion de entrehierro y el par de torsion de eje y pueden, por tanto, influir en la fiabilidad del sistema. Por ejemplo, cuando la tension de la red cae por debajo de un valor de umbral debido a un fallo de la red, el par de torsion de entrehierro tambien cae, conduciendo con ello a una oscilacion de la caja de engranajes y del eje motriz que pueden reducir la duracion de la caja de engranajes. Las secuencias de recuperacion de la red tambien se traducen en condiciones de corrientes momentaneas severas en los generadores de induccion de doble alimentacion. Una tecnica convencional para evitar los danos al DFIG y a la caja de engranajes incluye la desconexion de los generadores de la turbina eolica respecto de la red cuando se producen grandes caldas de la tension en la red debido a un fallo de la red. Despues de un periodo de tiempo vuelve a conectarse entonces la turbina a la red. Sin embargo, los nuevos codigos de red ahora requieren turbinas eolicas y granjas eolicas que se adapten a las caldas de tension, lo que significa que la produccion de energla normal debe inmediatamente reestablecerse una vez que se haya recuperado la tension nominal de la red.
Se han propuesto diferentes tecnicas para modificar el sistema de DFIG para conseguir el objetivo expuesto. Por ejemplo, pueden utilizarse unos tiristores antiparalelos en el circuito del estator para conseguir una rapida conexion (de, por ejemplo, 10 milisegundos) del circuito del estator, y conseguir tambien la capacidad de volver a imantar el generador y reconectar el estator a la red lo mas rapidamente posible. Otra opcion propuesta es utilizar un conmutador estatico en el circuito del rotor, que pueda romper la corriente de cortocircuito del rotor. Un tercer procedimiento es utilizar un DVR (Restaurador de Tension Dinamica) que pueda aislar el sistema de DFIG respecto de las caldas de tension. Sin embargo, las primeras dos opciones no son eficaces para reducir el esfuerzo del eje, y la tercera opcion es costosa.
Por consiguiente, es deseable proporcionar una tecnica de control y proteccion que permita que un DFIG contribuya eficazmente a la operacion de la red de energla y reduzca el esfuerzo del eje cuando se produzcan fallos de la red.
Resumiendo, de acuerdo con un aspecto de la presente invencion, se proporciona un sistema de proteccion segun se define en la reivindicacion adjunta 1.
De acuerdo con otro aspecto de la presente invencion, se proporciona un generador de turbina eolica segun se define en la reivindicacion 7.
Las diversas caracterlsticas, aspectos y ventajas de la presente invencion se pondran de manifiesto de manera mas acabada de acuerdo con la descripcion detallada subsecuente tomada en consideracion con referencia a los dibujos que se acompanan, en los cuales los mismos caracteres representan las mismas partes a lo largo de los dibujos, en los que:
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La FIG. 1 muestra un diagrama de bloques de un generador de turbina eolica ejemplar de acuerdo con aspectos de la presente invencion;
la FIG. 2 es una representacion algo mas detallada del generador de turbina eolica de la FIG. 1 de acuerdo con un aspecto de la presente invencion;
la FIG. 3 es una representacion grafica de unas formas de onda de tension del estator, de la corriente del estator, de la corriente del rotor y del par de torsion de entrehierro junto con unas formas de onda de la tension de la red y de la senal de disparo de un tiristor del generador de turbina eolica de la FIG. 2; y
la FIG. 4 es una representacion algo mas detallada del generador de turbina eolica de la FIG. 1 de acuerdo con otro aspecto de la presente invencion.
Formas de realizacion de la presente invencion se refieren en general al control y a la protection de los generadores de induction de doble alimentation (DFIGs) y a unas cajas de engranaje que se producen en el curso de unos fallos de la red. Dichas formas de realizacion pueden ser utilizadas en diversas aplicaciones, por ejemplo en la generation de la energla eolica, en la generacion hidraulica de velocidad variable, etc. Aunque el presente analisis proporciona ejemplos en un contexto de generacion de energla eolica, el experto en la materia comprendera facilmente que la aplicacion de estas formas de realizacion en otros contextos se incluye sin problema alguno en el ambito de la presente invencion.
Con referencia ahora a la FIG. 1, en ella se ilustra un diagrama de bloques de un generador 10 ejemplar de turbina eolica de acuerdo con aspectos de la presente invencion. En la forma de realizacion ilustrada, el generador 10 de turbina eolica esta acoplado a una red publica electrica 12 para la distribucion de energla electrica e incluye una turbina 14 eolica acoplada a un DFIG 16. El DFIG 16 comprende un estator 18 y un rotor 20. El rotor 20 esta mecanicamente acoplado al eje 22 de la turbina eolica por medio de una caja de engranajes 24. Los devanados del estator de DFIG 16 estan acoplados a la red publica electrica 12 por medio de un convertidor 26 de ca / cc / ca y un filtro 28 electrico. El sistema 60 de proteccion esta dispuesto entre el estator 18 y el lado de la red del convertidor 26 de espalda con espalda de acuerdo con aspectos de la presente invencion para proteger el DFIG 16 y la caja de engranajes 24 cuando se produzcan situaciones transitorias. El sistema 30 de proteccion puede incluir un controlador 32 para controlar el sistema 30 de proteccion en base a los cambios de al menos un elemento entre la tension de la red y la corriente de la red.
El convertidor 26 de cc / cc / ca incluye ademas un convertidor de ca - cc del lado de la red (rectificador) 34 y un convertidor (inversor) 36 de cc - ca del lado de la maquina que estan acoplados entre si en una configuration de ca / cc / ca. Entre los dos convertidores 34 y 36 puede disponerse un condensador 38 de enlace de cc como dispositivo de almacenamiento de energla para mantener la variation de la tension (fluctuaciones) en la pequena tension de enlace de cc. Como apreciara el experto en la materia, el convertidor 34 del lado de la red proporciona una tension de enlace de cc constante, mientras que el convertidor 36 del lado de la maquina posibilita el control del par de torsion o de la velocidad del DFIG 16 y tambien el factor de potencia de los terminales del estator. El filtro 28 electrico impide o reduce los armonicos generados por el convertidor 26 de ca / cc / ca impidiendo que sean inyectados en la red publica electrica 12.
El generador 10 de turbina eolica se ilustra con mayor detalle en la FIG. 2. El filtro 28 electrico puede comprender un filtro de ca y, mas concretamente, puede comprender un filtro de cc acoplado a la red publica electrica 12 y sintonizado para impedir o reducir los armonicos generados por el convertidor 26 de ca / cc / ca impidiendo que sean inyectados en la red publica electrica 12. As! mismo, cada uno de los convertidores 34 y 36 incluye seis dispositivos 40 de conmutacion de potencia conectados en una configuracion en puente. Cada uno de los dispositivos 40 de conmutacion de potencia puede estar provisto de un diodo 42 de rodamiento libre. Los dispositivos 40 de conmutacion pueden ser unos conmutadores activos controlables de puerta, por ejemplo los GTOs, BJTs, IGBTs o cualquier otro conmutador activo controlable de puerta. Un controlador convertidor (no mostrado) puede estar dispuesto para controlar la operation de cada uno de los conmutadores 40 activos controlables de puerta. En una forma de realizacion, el controlador controla la corriente aplicada a los devanados del rotor para que se obtengan los valores deseados de potencia activa y reactiva suministrados por los devanados del estator del generador. Si se desea, el controlador del conversor y el controlador 32 del sistema de proteccion pueden estar integrados en una unica unidad de control.
El sistema 30 de proteccion comprende un dispositivo 44 de impedancia controlado acoplado entre cada fase del devanado del estator del generador 16 de induccion de doble alimentacion y una correspondiente fase del convertidor 34 del lado de la red. Cada uno de los dispositivos 44 de impedancia controlados incluye un dispositivo 46 de impedancia. En algunas formas de realizacion, el dispositivo 46 de impedancia esta situado en paralelo con un dispositivo 48 semiconductor. El dispositivo 48 semiconductor esta configurado para acoplar o desacoplar el dispositivo 46 de impedancia respecto de cada fase en respuesta a los cambios de la al menos una tension medida y de la corriente medida de la red publica electrica 12 en base a las senales de control recibidas del controlador 32. El dispositivo 48 semiconductor puede ser un dispositivo semiconductor bidireccional como por ejemplo un triac, un conjunto de tiristores o unos tiristores antiparalelos. Durante la operacion normal, el dispositivo 48 semiconductor esta activado y, por tanto, ofrece una resistencia muy baja a la corriente del estator en comparacion con la
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resistencia ofrecida por el dispositivo 46 de impedancia. Cada fase del devanado del estator, por tanto, esta conectada a la red publica electrica 12 por medio de un dispositivo 48 semiconductor mientras que el dispositivo 46 de impedancia es puenteado. Sin embargo, cuando se produzcan fallos en la red publica electrica, el dispositivo 48 semiconductor es conmutado a la posicion DESCONECTADA y, por tanto, ofrece una resistencia muy alta a la corriente del estator en comparacion con la resistencia ofrecida por el dispositivo 46 de impedancia. Cada fase del devanado del estator, por tanto, esta conectada a la red publica electrica 12 por medio del dispositivo 46 de impedancia, mientras que el dispositivo 48 semiconductor esta DESCONECTADo. La corriente del estator, por tanto, fluye a traves del dispositivo 46 de impedancia que esta acoplado dentro del circuito cuando se producen fallos en la red publica electrica.
El controlador 32 puede monitorizar al menos un elemento entre la tension de la red publica electrica y la corriente de la red publica electrica por medio de uno o mas sensores (no mostrados). Cuando la tension de la red publica electrica cae por debajo de un determinado primer valor de umbral (por ejemplo, un 0,6 por unidad), o la corriente de la red publica electrica se eleva por encima de un determinado primer valor de umbral, el circuito quedara conmutado hasta un modo operativo de baja tension, y el controlador 32 se desconectara del dispositivo 48 semiconductor para acoplar el dispositivo 46 de impedancia en una o mas fases. El dispositivo 46 de impedancia conmutado entre una o mas fases del devanado del estator y el convertidor 34 del lado de la red incrementa la tension del estator. Asl, el par de torsion de entrehierro del generador 16 de induccion de doble alimentacion puede ser controlado hasta un valor deseado cuando se produzca el fallo de la red publica electrica y se reduzca la corriente transitoria provocada por la recuperacion de la red publica electrica. La corriente del estator puede, por tanto, ser regulada para que el par de torsion de entrehierro siga el comando del par de torsion. En un modo operativo de baja tension, la tension del estator puede ser regulada en fase con la tension de la red publica electrica para proporcionar un factor de potencia unitaria, o puede ser regulada para proporcionar una potencia reactiva a la red publica electrica. Asl mismo, cuando la tension de la red publica electrica se eleve por encima de un determinado segundo valor de umbral (por ejemplo, un 0,65 por unidad), la corriente de la red publica electrica caera por debajo de un determinado segundo valor de umbral, el controlador 32 conmutara sobre el dispositivo 48 semiconductor para desacoplar el dispositivo 46 de impedancia en una o mas fases, y retornar al modo normal operativo. Debe destacarse que, en diversas formas de realizacion, el primero y el segundo valores de umbral pueden ser los mismos. Ademas, debe destacarse que los primero y segundo valores de umbral pueden predeterminarse o pueden decidirse dinamicamente. En determinadas formas de realizacion, el dispositivo 46 de impedancia puede disenarse adecuadamente y predeterminarse para que presente un valor de impedancia fijo, para que el par de torsion de entrehierro se pueda mantener cuando la tension de la red publica electrica se situe entre el cero y el umbral, limitando al tiempo la sobrecorriente del estator. Como alternativa, se puede emplear un dispositivo de impedancia variable para que el dispositivo 46 de impedancia varle durante la operacion en base a las condiciones transitorias.
La FIG. 3 muestra unas formas de onda 50 de tension de la red publica electrica, la forma de onda 52 de tension del estator, la forma de onda 54 del par de torsion de entrehierro, la forma de onda 56 de la corriente del rotor, la forma de onda 58 de la corriente del estator y la senal 60 de disparo para el dispositivo semiconductor para el generador de la turbina eolica de la FIG. 2 de acuerdo con aspectos de la presente invencion. Como se ilustra en la simulacion, cuando se produce un fallo de la red publica electrica (esto es, cuando la tension de la red publica cae por debajo de un valor de umbral como se representa mediante una calda de la tension), el controlador 32 DESCONECTa el dispositivo 48 semiconductor por medio de una senal de disparo. El dispositivo 46 de impedancia, por tanto, esta acoplado en el circuito para proteger el DFIG 16, la caja de engranajes 24 y la turbina 14 eolica respecto de las corrientes transitorias. Como se muestra en el grafico, la tension 52 del estator aumenta y esta en fase con la tension de la red publica electrica en el curso de la corriente transitoria. El par de torsion de entrehierro es controlado para que se situe en un valor normal. Asl mismo, la corriente del estator y del rotor es controlada para que se situe dentro de un valor normal. Cuando la tension de la red publica electrica retorna a un valor normal, el controlador 32 cambia al estado CONECTADO del dispositivo 48 semiconductor por medio de la senal de disparo. Por tanto, la impedancia queda desacoplada del circuito y se reanuda la operacion normal.
Debe destacarse que, en determinadas formas de realizacion, el dispositivo 44 de impedancia controlado puede incluir una corriente dependiente del dispositivo 62 de impedancia variable, por ejemplo un resistor variable, un termistor PTC, etc., como se ilustra en la FIG. 4. Como apreciara el experto en la materia, el dispositivo de impedancia variable es un dispositivo con una caracterlstica significativa de corriente - tension no lineal y es utilizado para proteger los circuitos contra las corrientes transitorias excesivas. Como se ilustra, el dispositivo 62 de impedancia variable dependiente de la corriente puede estar acoplado entre cada fase del devanado del estator del generador 16 de induccion de doble alimentacion y de una correspondiente fase del convertidor 34 del lado de la red publica electrica. El dispositivo 62 de impedancia variable esta configurado para ofrecer unas impedancias variables que dependan de la corriente del estator. La corriente es regulada por medio del controlador 32 en respuesta a los cambios de al menos un elemento entre la tension y la corriente de la red publica electrica 12. El dispositivo 62 de impedancia variable ofrece una impedancia muy baja cuando la corriente del estator que fluye esta por debajo de un umbral o de una corriente nominal (correspondiente a la operacion normal). Sin embargo, el dispositivo 62 de impedancia variable ofrece una impedancia mas elevada cuando la corriente del estator que fluye esta por encima de un umbral o por encima de una corriente nominal (corrrespondiente a la situacion de la tension baja de la red
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publica electrica cuando se produzcan fallos de la red). Asl, el dispositivo 62 de impedancia variable funciona acoplando y desacoplando automaticamente la impedancia en base a la corriente del estator que fluye.
Las formas de realizacion de control y proteccion analizadas en las llneas anteriores contribuyen a la operacion de la red y a la estabilidad cuando experimenten perturbaciones grandes y pequenas (condiciones transitorias). Los llmites de impedancia del par de torsion de entrehierro con respecto a los valores normales, limita la sobrecorriente del estator y del rotor y reduce la oscilacion de la caja de engranajes durante los fallos de la red publica electrica. En una forma de realizacion la sobrecorriente del estator puede estar limitada a un 1,6 por unidad, por ejemplo, al regular el par de torsion de entrehierro al nominal. Asl mismo, la impedancia reduce los movimientos transitorios provocados por la recuperacion de la red publica electrica. Como se apreciara por parte del experto en la materia, la tecnica descrita de las diversas formas de realizacion analizadas anteriormente pueden tambien ser aplicadas en un generador hidraulico de velocidad variable.
Lista de elementos
10 generador de turbina eolica
12 red publica electrica
14 turbina eolica
16 DFIG
18 estator
20 rotor
22 eje de turbina eolica
24 caja de engranajes
26 convertidor de ca / cc / ca
28 filtro electrico
30 sistema de proteccion
32 controlador del sistema de proteccion
34 convertidor del lado de la red publica electrica
36 convertidor del lado de la maquina
38 condensador de enlace de cc
40 dispositivos de conmutacion
42 diodo de rodamiento libre
44 dispositivos de impedancia controlados
46 dispositivo de impedancia
48 dispositivos semiconductores
50 forma de onda de tension de red publica electrica
52 forma de onda de tension del estator
54 forma de onda del par de torsion de entrehierro
56 forma de onda de la corriente del rotor
58 forma de onda de la corriente del estator
60 senal de disparo del dispositivo semiconductor
62 resistor variable

Claims (8)

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    REIVINDICACIONES
    1. - Un sistema (30) de proteccion que comprende:
    una pluralidad de dispositivos (44) de impedancia controlada, cada uno acoplado entre una fase respectiva de un devanado del estator de un generador (16) de induccion de doble alimentacion y una fase respectiva de un convertidor (26) del lado de la red publica electrica; y caracterizado por:
    un controlador (32) configurado para acoplar y desacoplar la impedancia de uno o mas entre la pluralidad de dispositivos de impedancia controlada en respuesta a los cambios de al menos un elemento entre una tension de la red publica electrica y una corriente de la red publica electrica para controlar un par de torsion de entrehierro del generador (16) de induccion de doble alimentacion hasta un valor deseado cuando se produzca un fallo de la red publica electrica, en el que cada dispositivo (44) de impedancia controlada comprende un dispositivo de impedancia variable dependiente de la corriente, estando el dispositivo de impedancia variable dependiente de la corriente configurado para ofrecer una impedancia elevada cuando la corriente del estator se eleva por encima de un primer valor de umbral y una impedancia muy baja cuando la corriente del estator cae por debajo de un segundo valor de umbral.
  2. 2. - El sistema (30) de proteccion de la reivindicacion 1, en el que cada dispositivo de impedancia controlada comprende un dispositivo (46) de impedancia en paralelo con un dispositivo (48) semiconductor, estando el dispositivo semiconductor configurado para acoplar y desacoplar el dispositivo de impedancia en base a las senales de control recibidas por el controlador.
  3. 3. - El sistema (30) de proteccion de la reivindicacion 2, en el que el dispositivo (48) semiconductor comprende un dispositivo semiconductor bidireccional.
  4. 4. - El sistema (30) de proteccion de la reivindicacion 2 o 3, en el que el dispositivo (48) semiconductor comprende un triac, un conjunto de tiristores o unos tiristores antiparalelos.
  5. 5. - El sistema (30) de proteccion de cualquier reivindicacion precedente, en el que el controlador (32) esta configurado para acoplar la impedancia en una o mas de entre la pluralidad de dispositivos de impedancia controlada cuando la tension de la red publica electrica cae por debajo o la corriente de la red publica electrica se eleva por encima de un primer valor de umbral.
  6. 6. - El sistema (30) de proteccion de cualquier reivindicacion precedente, en el que el controlador (32) esta configurado para controlar la tension del estator en fase con la tension de la red publica electrica para proporcionar un factor de potencia unitaria o para controlar la tension del estator para conseguir una potencia reactiva en la red publica electrica.
  7. 7. - Un generador (10) de turbina eolica que comprende:
    una turbina (24) eolica acoplada a un generador (16) de induccion de doble alimentacion;
    una pluralidad de dispositivos (44) de impedancia controlada cada uno acoplado entre una fase respectiva de un devanado del estator del generador de induccion de doble alimentacion y de una respectiva fase de un convertidor (26) del lado de la red publica electrica; y caracterizado por:
    un controlador (32) configurado para acoplar y desacoplar la impedancia de uno o mas entre la pluralidad de dispositivos de impedancia controlada en respuesta a los cambios de al menos un elemento entre una tension de la red publica electrica y una corriente de la red publica electrica para controlar un par de torsion de entrehierro del generador (16) de induccion de doble alimentacion hasta un valor deseado cuando se produce un fallo de la red publica electrica, en el que cada dispositivo (44) de impedancia controlada comprende un dispositivo de impedancia variable dependiente de la corriente, estando el dispositivo de impedancia variable dependiente de la corriente configurado para ofrecer una impedancia elevada cuando la corriente del estator se eleva por encima de un primer valor de umbral y una impedancia muy baja cuando la corriente del estator cae por debajo de un segundo valor de umbral.
  8. 8. - El generador de turbina eolica de la reivindicacion 7, en el que cada dispositivo de impedancia controlada comprende un dispositivo (46) de impedancia en paralelo con un dispositivo semiconductor (48), estando el dispositivo semiconductor configurado para acoplar y desacoplar el dispositivo de impedancia en base a las senales de control recibidas del controlador.
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