ES2716501T3 - Reconfigurable power converter module - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Módulo convertidor de potencia reconfigurableReconfigurable power converter module

Campo de la invenciónField of the invention

La presente invención se refiere a un módulo convertidor de potencia reconfigurable para instalaciones de turbinas eólicas. En particular, la presente invención se refiere a un convertidor de potencia que tiene una frecuencia de conmutación ajustable a fin de adecuarse a, por ejemplo, características de filtro modificadas, tales como impedancias de filtro modificadas, para suprimir resonancias/armónicos internos y externos.The present invention relates to a reconfigurable power converter module for wind turbine installations. In particular, the present invention relates to a power converter having an adjustable switching frequency in order to suit, for example, modified filter characteristics, such as modified filter impedances, for suppressing internal and external resonances / harmonics.

Antecedentes de la invenciónBACKGROUND OF THE INVENTION

Las situaciones de sobrecarga de energía y de resonancia no deseadas ocurren regularmente dentro del campo de suministro de energía relacionado con turbinas eólicas. Una situación de sobrecarga se produce cuando una cantidad requerida de energía eléctrica sobrepasa el nivel de potencia nominal de la red de suministro eléctrico que suministra la energía. Para gestionar tales situaciones de sobrecarga, la red de suministro eléctrico debe tener acceso a reservas de energía disponibles. Las situaciones de resonancia no deseadas y perturbadoras pueden ser causadas por impedancia de desplazamiento y pueden ocurrir dentro de una instalación de turbina eólica o entre una instalación de turbina eólica y una red asociada de suministro eléctrico.Unwanted energy and resonance overload situations occur regularly within the field of energy supply related to wind turbines. An overload situation occurs when a required amount of electrical energy exceeds the nominal power level of the utility grid that supplies the power. To manage such overload situations, the power grid must have access to available energy reserves. Unwanted and disturbing resonance situations may be caused by displacement impedance and may occur within a wind turbine installation or between a wind turbine installation and an associated power supply network.

Las capacidades de sobrecarga de convertidores de potencia para sistemas de turbina eólica se establecen típicamente al sobrevalorar componentes de conmutador de semiconductor para una mayor corriente de funcionamiento continuo. Alternativamente, se añaden componentes de conmutador de semiconductor adicionales para proporcionar una capacidad de sobrecarga requerida. Sin embargo, los componentes de conmutador adicionales aumentan las pérdidas totales de los convertidores.The overload capacities of power converters for wind turbine systems are typically established by overvaluing semiconductor switch components for a higher continuous operating current. Alternatively, additional semiconductor switch components are added to provide a required overload capability. However, the additional switch components increase the total losses of the converters.

Un inconveniente de las soluciones convencionales mencionadas anteriormente es que los costos de los componentes y, por tanto, los costos de fabricación son altos. Además, el aumento de pérdidas eléctricas está relacionado con las formas mencionadas anteriormente de establecer una capacidad de sobrecarga requerida. Además, la adición de más componentes aumenta el riesgo de falla de un componente.A drawback of the conventional solutions mentioned above is that the costs of the components and, therefore, the manufacturing costs are high. In addition, the increase in electrical losses is related to the ways mentioned above to establish a required overload capacity. In addition, the addition of more components increases the risk of failure of a component.

El documento WO 2005/027301 se ocupa de un método para gestionar eventos de continuación de funcionamiento después de un bajón de tensión en los que un convertidor de CC/CA funciona con una frecuencia de conmutación reducida para bombear corriente adicional a una red de suministro eléctrico en caso de que la tensión de la red disminuya significativamente. El documento DE 10 2006 036092 describe un módulo convertidor de potencia reconfigurable de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.WO 2005/027301 deals with a method for managing events of continuation of operation after a voltage drop in which a DC / AC converter operates with a reduced switching frequency to pump additional current to a power supply network in case the tension of the network decreases significantly. DE 10 2006 036092 describes a reconfigurable power converter module according to the preamble of claim 1.

Puede verse como un objeto de las realizaciones de la presente invención proporcionar una disposición y un método asociado para establecer capacidades de sobrecarga sin aumentar la complejidad y los costos de fabricación de un convertidor de potencia. Puede verse como un objeto adicional de las realizaciones de la presente invención proporcionar una disposición reconfigurable que sea capaz de evitar o suprimir resonancias/armónicos internos dentro de una turbina eólica y resonancias/armónicos externos entre una turbina eólica y algunos dispositivos externos.It can be seen as an object of the embodiments of the present invention to provide an arrangement and an associated method for establishing overload capabilities without increasing the complexity and manufacturing costs of a power converter. It can be seen as a further object of the embodiments of the present invention to provide a reconfigurable arrangement that is capable of avoiding or suppressing internal resonances / harmonics within a wind turbine and external resonances / harmonics between a wind turbine and some external devices.

Descripción de la invenciónDescription of the invention

Los objetos mencionados anteriormente se cumplen proporcionando, en un primer aspecto, una instalación de turbina eólica adaptada para suministrar energía eléctrica a una red asociada de suministro eléctrico, comprendiendo la instalación de turbina eólicaThe aforementioned objects are fulfilled by providing, in a first aspect, a wind turbine installation adapted to supply electric power to an associated power supply network, comprising the wind turbine installation

- un medio generador para convertir energía mecánica en energía eléctrica, estando el medio generador acoplado mecánicamente a un conjunto de palas del rotor opcionalmente a través de una disposición de engranajes, y - un convertidor de potencia eléctrica acoplado eléctricamente al medio generador y a la red asociada de suministro eléctrico, opcionalmente a través de un transformador de red, comprendiendo el convertidor de potencia eléctrica una serie de elementos de conmutación controlables que pueden conmutarse con una frecuencia de conmutación variable o cambiable- a generating means for converting mechanical energy into electrical energy, the generating means being mechanically coupled to a set of rotor blades optionally through a gear arrangement, and - an electric power converter electrically coupled to the generating means and the associated network of electrical supply, optionally through a network transformer, the electrical power converter comprising a series of controllable switching elements that can be switched with a variable or changeable switching frequency

en el que la frecuencia de conmutación de los elementos de conmutación controlables se selecciona de acuerdo con una carga eléctrica generada por la red asociada de suministro eléctrico en la instalación de turbina eólica. Por tanto, la carga generada por la red asociada de suministro eléctrico determina la frecuencia de conmutación del convertidor.wherein the switching frequency of the controllable switching elements is selected in accordance with an electrical load generated by the associated power supply network in the wind turbine installation. Therefore, the load generated by the associated power supply network determines the switching frequency of the converter.

Cabe señalar que el término instalación de turbina eólica debe interpretarse de manera amplia. De ese modo, el término instalación de turbina eólica abarca una sola turbina eólica o un grupo de turbinas eólicas que forman un parque eólico. It should be noted that the term wind turbine installation must be interpreted broadly. Thus, the term wind turbine installation encompasses a single wind turbine or a group of wind turbines that form a wind farm.

El medio generador comprende un generador de energía. De manera similar, el convertidor de potencia eléctrica comprende un convertidor de CA/CC y/o CC/CA. Preferiblemente, el generador de energía, el convertidor de CA/CC y/o Cc /CA y el transformador de red opcional están configurados para funcionar en una configuración trifásica. El generador de energía puede suministrar una tensión de salida de CA trifásica con un nivel de tensión en el rango de 0,4 a 6 kV. Además, el generador de energía puede generar y suministrar energía de CA en un amplio rango de potencia, es decir, desde unos pocos kW hasta varios MW. La frecuencia nominal de la energía generada suministrada a la red de suministro eléctrico puede ser de 50 Hz o 60 Hz. El generador de energía puede ser un generador síncrono que aplica magnetización externa o, alternativamente, un generador síncrono que aplica imanes permanentes para la magnetización. Alternativamente, se puede aplicar un generador de inducción o un generador de inducción de doble alimentación. Sin embargo, el tipo de generador no se limita a los tipos mencionados anteriormente. Por tanto, la presente invención puede implementarse en relación básicamente con cualquier tipo de generador eléctrico.The generator means comprises an energy generator. Similarly, the electric power converter comprises an AC / DC and / or DC / AC converter. Preferably, the power generator, the AC / DC and / or DC / AC converter and the optional network transformer are configured to operate in a three-phase configuration. The power generator can supply a three-phase AC output voltage with a voltage level in the range of 0.4 to 6 kV. In addition, the power generator can generate and supply AC power in a wide range of power, that is, from a few kW to several MW. The nominal frequency of the generated power supplied to the power supply network can be 50 Hz or 60 Hz. The power generator can be a synchronous generator that applies external magnetization or, alternatively, a synchronous generator that applies permanent magnets for magnetization . Alternatively, an induction generator or a dual feed induction generator may be applied. However, the type of generator is not limited to the types mentioned above. Therefore, the present invention can be implemented in relation basically with any type of electric generator.

Además, la presente invención se puede aplicar tanto en disposiciones a escala completa como con doble alimentación, esta última implicando que el convertidor de potencia eléctrica esté acoplado al menos parcialmente al generador a través del circuito de rotor. En un sistema a escala completa, toda la energía generada por el generador de energía pasa a través del convertidor de CA/CC y/o CC/CA y el transformador de red opcional.In addition, the present invention can be applied in both full-scale and dual-feed arrangements, the latter involving the electrical power converter being at least partially coupled to the generator through the rotor circuit. In a full-scale system, all the energy generated by the power generator passes through the AC / DC and / or DC / AC converter and the optional network transformer.

Los elementos de conmutación controlables del convertidor de potencia eléctrica pueden ser cualquier elemento de conmutación tradicional disponible para tales fines, tales como por ejemplo los IGBT. Además, los elementos de conmutación controlables pueden disponerse en varias configuraciones de puente conocidas con respecto a las fases numéricas en el sistema.The controllable switching elements of the electric power converter can be any traditional switching element available for such purposes, such as for example IGBTs. In addition, the controllable switching elements can be arranged in various known bridge configurations with respect to the numerical phases in the system.

En una realización de la presente invención, el convertidor de potencia eléctrica puede configurarse para disminuir la frecuencia de conmutación cuando la carga eléctrica generada por la red asociada de suministro eléctrico y los consumidores conectados a la misma sobrepasen un valor predeterminado. El valor predeterminado puede corresponder a un nivel de potencia nominal del convertidor. Alternativamente, la frecuencia de conmutación puede reducirse cuando el convertidor de potencia eléctrica muestre un conjunto dado de características que dependan de la carga. Por tanto, la instalación de turbina eólica, incluido su convertidor de potencia eléctrica y su otro dispositivo eléctrico, puede funcionar en una situación de sobrecarga de manera proactiva.In an embodiment of the present invention, the electrical power converter can be configured to decrease the switching frequency when the electrical load generated by the associated power supply network and the consumers connected thereto exceed a predetermined value. The default value can correspond to a nominal power level of the converter. Alternatively, the switching frequency can be reduced when the electric power converter shows a given set of characteristics that depend on the load. Therefore, the wind turbine installation, including its electrical power converter and its other electrical device, can operate in an overload condition proactively.

Los convertidores de energía eléctrica para aplicaciones relacionadas con turbinas eólicas se dimensionan típicamente de manera que las pérdidas eléctricas en los elementos de conmutación de semiconductores se dividan aproximadamente de manera uniforme entre pérdidas de conducción y de conmutación. De ese modo, si la frecuencia de conmutación se reduce al 50 % de un valor inicial dado, las pérdidas de conmutación se reducen aproximadamente en un 25 %.Electric power converters for applications related to wind turbines are typically dimensioned so that the electrical losses in the semiconductor switching elements are roughly evenly divided between conduction and switching losses. Thus, if the switching frequency is reduced to 50% of a given initial value, the switching losses are reduced by approximately 25%.

En el caso, por ejemplo, de una situación de sobrecarga planificada, la instalación de la turbina eólica, cuando funciona con una frecuencia de conmutación reducida, es capaz de suministrar suficiente energía incluso aunque el nivel de potencia requerido sobrepase el nivel de potencia nominal de la instalación. Dado que una situación de sobrecarga se considera un modo anormal (no estacionario) de funcionamiento, generalmente no se aplican las normas de EMC.In the case, for example, of a situation of planned overload, the installation of the wind turbine, when operating with a reduced switching frequency, is capable of supplying sufficient energy even though the required power level exceeds the nominal power level of the wind turbine. installation. Since an overload situation is considered an abnormal (non-stationary) mode of operation, EMC standards generally do not apply.

Por tanto, la frecuencia de conmutación puede reducirse hasta un 50 % (o incluso más) cuando la carga eléctrica generada por la red asociada de suministro eléctrico sobrepasa el nivel de potencia nominal del convertidor. En términos de valores de frecuencia absolutos, la frecuencia de conmutación nominal de un convertidor de potencia eléctrica suele ser de unos pocos kHz.Therefore, the switching frequency can be reduced up to 50% (or even more) when the electrical load generated by the associated power supply network exceeds the nominal power level of the converter. In terms of absolute frequency values, the nominal switching frequency of an electric power converter is usually a few kHz.

La instalación de turbina eólica puede comprender además filtros de convertidor para filtrar la energía eléctrica que sale del convertidor de potencia eléctrica, es decir, energía eléctrica generada para la red de suministro eléctrico. La implementación de filtros de convertidor es preferiblemente idéntica para todas las fases. Por tanto, si una fase está equipada con uno o más filtros LC sintonizados para suprimir armónicos seleccionados, las fases restantes están equipadas preferiblemente con filtros idénticos.The wind turbine installation may further comprise converter filters for filtering the electric power leaving the electric power converter, that is, electric power generated for the electric supply network. The implementation of converter filters is preferably identical for all phases. Thus, if a phase is equipped with one or more LC filters tuned to suppress selected harmonics, the remaining phases are preferably equipped with identical filters.

De manera alternativa, pueden implementarse filtros de convertidor como filtros activos. Preferiblemente, los filtros activos funcionan con una frecuencia de conmutación que es significativamente más alta que la frecuencia de conmutación del propio convertidor. Los filtros activos pueden implementarse como convertidores de fuente de tensión.Alternatively, converter filters can be implemented as active filters. Preferably, the active filters operate with a switching frequency that is significantly higher than the switching frequency of the converter itself. Active filters can be implemented as voltage source converters.

Al reducirse la frecuencia de conmutación en un sistema de doble alimentación, se puede aumentar la potencia nominal y, por tanto, la instalación de turbina eólica puede proporcionar más potencia reactiva a través de los dos convertidores disponibles para la potencia reactiva o sólo a través de uno de los convertidores.By reducing the switching frequency in a dual-feed system, the rated power can be increased and, therefore, the wind turbine installation can provide more reactive power through the two available converters for reactive power or only through one of the converters.

En un segundo aspecto, la presente invención se refiere a un método para utilizar un convertidor de potencia eléctrica de una instalación de turbina eólica en respuesta a variaciones de carga proporcionadas por una red asociada de suministro eléctrico, en el que la instalación de turbina eólica comprende un medio generador para convertir energía mecánica en energía eléctrica y un convertidor de potencia eléctrica acoplado eléctricamente al medio generador y a la red asociada de suministro eléctrico, opcionalmente a través de un transformador de red, comprendiendo el convertidor de potencia eléctrica una serie de elementos de conmutación controlables que pueden conmutarse con una frecuencia de conmutación variable o cambiable, en el que la frecuencia de conmutación de los elementos de conmutación controlables se selecciona de acuerdo con una carga eléctrica generada por la red asociada de suministro eléctrico en la instalación de turbina eólica. Por tanto, la carga generada por la red asociada de suministro eléctrico determina la frecuencia de conmutación del convertidor.In a second aspect, the present invention relates to a method for using an electric power converter of a wind turbine installation in response to load variations provided by a network associated power supply, in which the wind turbine installation comprises a generating means for converting mechanical energy into electrical energy and an electrical power converter electrically coupled to the generating means and the associated power supply network, optionally through a power transformer. network, the electrical power converter comprising a series of controllable switching elements that can be switched with a variable or changeable switching frequency, in which the switching frequency of the controllable switching elements is selected in accordance with an electrical load generated by the associated network of electrical supply in the wind turbine installation. Therefore, the load generated by the associated power supply network determines the switching frequency of the converter.

De nuevo, para reducir pérdidas de conmutación, la frecuencia de conmutación puede reducirse cuando la carga eléctrica generada por la red asociada de suministro eléctrico en combinación con los consumidores conectados a ella sobrepase un valor predeterminado, tal como el nivel de potencia nominal del convertidor. De esta manera, el convertidor de potencia eléctrica puede utilizarse por encima de su nivel de potencia nominal en un corto período de tiempo.Again, to reduce switching losses, the switching frequency can be reduced when the electrical load generated by the associated power supply network in combination with the consumers connected to it exceeds a predetermined value, such as the nominal power level of the converter. In this way, the electric power converter can be used above its nominal power level in a short period of time.

Como se menciona anteriormente, la frecuencia de conmutación se puede reducir hasta un 50 % (o incluso más) en situaciones de sobrecarga en las que la carga eléctrica generada por la red asociada de suministro eléctrico sobrepasa el nivel de potencia nominal del convertidor.As mentioned above, the switching frequency can be reduced by up to 50% (or even more) in overload situations in which the electrical load generated by the associated power supply network exceeds the rated power level of the converter.

El método de acuerdo con el segundo aspecto de la presente invención también puede implicar que la frecuencia de conmutación varíe para coincidir aproximadamente con las características dependientes de la carga de los filtros de convertidor, ya que tales características de filtro de convertidor pueden depender de la carga eléctrica generada por la red asociada de suministro eléctrico. Los filtros de convertidor están diseñados típicamente para ser utilizados a una frecuencia de conmutación específica. Sin embargo, dado que los filtros de convertidor contienen materiales magnéticos (hierro, hierro en polvo o núcleos de ferrita), las características de los filtros cambiarán dependiendo de la carga aplicada a los filtros. Así, para utilizar los filtros de convertidor de una manera óptima, la frecuencia de conmutación del convertidor de potencia puede ajustarse de manera continua para actuar de acuerdo con el comportamiento de los filtros de convertidor.The method according to the second aspect of the present invention may also imply that the switching frequency varies to roughly match the load dependent characteristics of the converter filters, since such converter filter characteristics may depend on the load electricity generated by the associated electricity supply network. The converter filters are typically designed to be used at a specific switching frequency. However, since the converter filters contain magnetic materials (iron, iron powder or ferrite cores), the characteristics of the filters will change depending on the load applied to the filters. Thus, in order to use the converter filters in an optimum way, the switching frequency of the power converter can be adjusted continuously to act in accordance with the behavior of the converter filters.

Preferiblemente, los filtros de convertidor comprenden filtros de paso de banda. Por tanto, las características de filtro de convertidor pueden comprender los valores de frecuencia de las frecuencias centrales de tales filtros de convertidor de paso de banda.Preferably, the converter filters comprise bandpass filters. Therefore, the converter filter characteristics can comprise the frequency values of the center frequencies of such bandpass converter filters.

Además, el segundo aspecto de la presente invención implica que la frecuencia de conmutación del convertidor de potencia eléctrica se puede variar o ajustar para compensar la degradación o las tolerancias de los componentes de la instalación de turbina eólica en su conjunto. En particular, los condensadores se degradan con el tiempo.In addition, the second aspect of the present invention implies that the switching frequency of the electric power converter can be varied or adjusted to compensate for the degradation or tolerances of the components of the wind turbine installation as a whole. In particular, the capacitors degrade over time.

En un tercer aspecto, la presente invención se refiere a un módulo convertidor de potencia reconfigurable para una instalación de turbina eólica adaptada para suministrar energía eléctrica a una red asociada de suministro eléctrico, comprendiendo el módulo convertidor de frecuencia un convertidor de frecuencia conectado operativamente a unos medios filtrantes que tienen características de filtro dependientes de la carga, en el que una frecuencia de conmutación de dicho convertidor de frecuencia es variable para adecuarse a una o más características de filtro modificadas.In a third aspect, the present invention relates to a reconfigurable power converter module for a wind turbine installation adapted to supply electric power to an associated power supply network, the frequency converter module comprising a frequency converter operatively connected to filtering means having filter characteristics dependent on the load, wherein a switching frequency of said frequency converter is variable to suit one or more modified filter characteristics.

Según el tercer aspecto, es una ventaja del módulo convertidor de potencia que las resonancias/armónicos eléctricos dentro de una instalación de turbina eólica puedan suprimirse seleccionando correctamente la frecuencia de conmutación de un convertidor de CC/CA del módulo convertidor de potencia. Preferiblemente, la frecuencia de conmutación se selecciona de acuerdo con impedancias dependientes de la carga de los medios filtrantes. Por tanto, si una impedancia de filtro, por ejemplo, un inductor, cambia debido a un cambio de carga, la frecuencia de conmutación de los IGBT del convertidor de CC/CA se puede cambiar en consecuencia para evitar resonancias internas dentro de la instalación de turbina eólica.According to the third aspect, it is an advantage of the power converter module that the electrical resonances / harmonics within a wind turbine installation can be suppressed by correctly selecting the switching frequency of a DC / AC converter of the power converter module. Preferably, the switching frequency is selected in accordance with impedances dependent on the loading of the filter media. Therefore, if a filter impedance, for example, an inductor, changes due to a change in load, the switching frequency of the IGBTs of the DC / AC converter can be changed accordingly to avoid internal resonances within the installation. wind turbine.

Al igual que en el primer aspecto, se debe tener en cuenta que el término instalación de turbina eólica debe interpretarse de manera amplia. Por tanto, el término instalación de turbina eólica abarca una sola turbina eólica o un grupo de turbinas eólicas que forman un parque eólico.As in the first aspect, it must be taken into account that the term wind turbine installation must be interpreted broadly. Therefore, the term wind turbine installation encompasses a single wind turbine or a group of wind turbines that form a wind farm.

El módulo convertidor de potencia reconfigurable está conectado operativamente a un generador de energía para convertir energía eólica/mecánica en energía eléctrica. Además, el convertidor de potencia configurable está conectado operativamente a la red asociada de suministro eléctrico, opcionalmente a través de un transformador de red. El generador de energía puede ser del tipo mencionado en relación con el primer aspecto de la presente invención. Por tanto, el generador de energía puede ser del tipo que se puede aplicar en sistemas de generador a escala completa o con doble alimentación.The reconfigurable power converter module is operatively connected to a power generator for converting wind / mechanical energy into electrical energy. In addition, the configurable power converter is operatively connected to the associated power supply network, optionally through a network transformer. The power generator may be of the type mentioned in connection with the first aspect of the present invention. Therefore, the power generator can be of the type that can be applied in full-scale or dual-feed generator systems.

El convertidor de frecuencia puede comprender un convertidor de AC/DC y/o DC/AC. Preferiblemente, el generador de energía, el convertidor de frecuencia y el transformador de red opcional están configurados para funcionar en una configuración trifásica. The frequency converter may comprise an AC / DC and / or DC / AC converter. Preferably, the power generator, the frequency converter and the optional network transformer are configured to operate in a three-phase configuration.

El convertidor de frecuencia puede ser reconfigurable ya que su frecuencia de conmutación puede ser variable para adecuarse a eventos relacionados con la red eléctrica. Tales eventos relacionados con la red pueden estar relacionados con una situación de sobrecarga en la que el convertidor de frecuencia puede configurarse para disminuir su frecuencia de conmutación cuando una carga eléctrica generada por la red asociada de suministro eléctrico, y los consumidores conectados operativamente a la misma, sobrepasen un valor predeterminado, tal como un nivel de potencia nominal del módulo convertidor de potencia. Más en concreto, la frecuencia de conmutación puede reducirse hasta un 50 % (o incluso más) cuando la carga eléctrica generada por la red asociada de suministro eléctrico sobrepase el nivel de potencia nominal del convertidor. Al reducirse la frecuencia de conmutación, las pérdidas de conmutación del convertidor de frecuencia se reducen significativamente.The frequency converter can be reconfigurable since its switching frequency can be variable to adapt to events related to the electrical network. Such events related to the network can be related to an overload situation in which the frequency converter can be configured to decrease its switching frequency when an electrical load generated by the associated electricity supply network, and consumers operatively connected to it. , exceed a predetermined value, such as a nominal power level of the power converter module. More specifically, the switching frequency can be reduced by up to 50% (or even more) when the electrical load generated by the associated power supply network exceeds the rated power level of the converter. When the switching frequency is reduced, the switching losses of the frequency converter are significantly reduced.

Los medios filtrantes están adaptados para filtrar energía eléctrica que sale del convertidor de frecuencia, es decir, energía eléctrica generada para la red de suministro eléctrico. La implementación de los medios filtrantes es preferiblemente idéntica para todas las fases. Por tanto, si una fase está equipada con uno o más filtros LC sintonizados para suprimir armónicos seleccionados, las fases restantes están equipadas preferiblemente con filtros idénticos. Los medios filtrantes pueden, alternativamente, implementarse como filtros activos. Preferiblemente, los filtros activos funcionan con una frecuencia de conmutación significativamente mayor que la frecuencia de conmutación del convertidor de frecuencia. Los filtros activos pueden implementarse como convertidores de fuente de tensión.The filter means are adapted to filter electrical energy coming out of the frequency converter, that is, electrical energy generated for the electrical supply network. The implementation of the filter media is preferably identical for all phases. Thus, if a phase is equipped with one or more LC filters tuned to suppress selected harmonics, the remaining phases are preferably equipped with identical filters. The filter media can, alternatively, be implemented as active filters. Preferably, the active filters operate with a switching frequency significantly greater than the switching frequency of the frequency converter. Active filters can be implemented as voltage source converters.

En un cuarto aspecto, la presente invención se refiere a una turbina eólica que comprende un módulo convertidor de potencia reconfigurable de acuerdo con el tercer aspecto. La turbina eólica puede ser un sistema de doble alimentación o un sistema a escala completa. Por otra parte, en un quinto aspecto, la presente invención se refiere a una planta de turbinas eólicas que comprende una pluralidad de turbinas eólicas como se explica en el cuarto aspecto mencionado anteriormente.In a fourth aspect, the present invention relates to a wind turbine comprising a reconfigurable power converting module according to the third aspect. The wind turbine can be a dual-feed system or a full-scale system. On the other hand, in a fifth aspect, the present invention relates to a wind turbine plant comprising a plurality of wind turbines as explained in the fourth aspect mentioned above.

En un sexto y último aspecto, la presente invención se refiere a un método para reconfigurar un módulo convertidor de potencia para una instalación de turbina eólica adaptada para suministrar energía eléctrica a una red asociada de suministro de energía, comprendiendo el método la etapa de ajustar la frecuencia de conmutación de un convertidor de frecuencia para adecuarse a un cambio de impedancia relacionado con la carga.In a sixth and final aspect, the present invention relates to a method for reconfiguring a power converter module for a wind turbine installation adapted to supply electrical power to an associated power supply network, the method comprising the step of adjusting the switching frequency of a frequency converter to suit an impedance change related to the load.

Generalmente, la frecuencia de conmutación se cambia para:Generally, the switching frequency is changed to:

1. Aumentar la capacidad térmica del módulo convertidor de potencia y/o1. Increase the thermal capacity of the power converter module and / or

2. Suprimir resonancias dentro de la instalación de turbina eólica y/o suprimir resonancias entre la instalación de turbina eólica y los alrededores.2. Suppress resonances within the wind turbine installation and / or suppress resonances between the wind turbine installation and the surroundings.

Una vez más, el término instalación de turbina eólica debe entenderse en términos generales. La frecuencia de conmutación puede ser la frecuencia de conmutación de los IGBT de un convertidor de CC/CA que forma parte del módulo convertidor de potencia.Again, the term wind turbine installation should be understood in general terms. The switching frequency can be the switching frequency of the IGBTs of a DC / AC converter that is part of the power converter module.

Por tanto, la frecuencia de conmutación se puede ajustar para adecuarse a un cambio de impedancia en un filtro debido a un cambio de carga. Alternativamente o en combinación, la frecuencia de conmutación puede ajustarse para adecuarse a un cambio de impedancia en un transformador de red debido a un cambio de carga. Alternativamente o en combinación con las situaciones antes mencionadas, la frecuencia de conmutación puede ajustarse para adecuarse a un cambio de impedancia en una red de suministro de energía debido a un cambio de carga.Therefore, the switching frequency can be adjusted to suit a change in impedance in a filter due to a load change. Alternatively or in combination, the switching frequency can be adjusted to suit an impedance change in a network transformer due to a load change. Alternatively or in combination with the above-mentioned situations, the switching frequency can be adjusted to suit a change in impedance in a power supply network due to a change in load.

De nuevo, en lo que se refiere a la implementación, la instalación de turbina eólica, el módulo convertidor de potencia y los medios filtrantes pueden implementarse como se describe en relación con los aspectos anteriores de la presente invención.Again, as far as the implementation is concerned, the wind turbine installation, the power converter module and the filter means can be implemented as described in connection with the above aspects of the present invention.

Breve descripción de la invención.Brief description of the invention.

La presente invención se explica a continuación más detalladamente con referencia a las figuras que se acompañan, en las queThe present invention is explained below in more detail with reference to the accompanying figures, in which

La figura 1 muestra un convertidor de potencia con medios filtrantes conectados al mismo,Figure 1 shows a power converter with filter media connected to it,

La figura 2a muestra un primer ejemplo de una relación entre una carga y la frecuencia de conmutación,Figure 2a shows a first example of a relationship between a load and the switching frequency,

La figura 2b muestra un segundo ejemplo de una relación entre una carga y la frecuencia de conmutación, y la figura 2c muestra un tercer ejemplo de una relación entre una carga y la frecuencia de conmutación.Figure 2b shows a second example of a relationship between a load and the switching frequency, and Figure 2c shows a third example of a relationship between a load and the switching frequency.

Aunque la invención admite varias modificaciones y formas alternativas, se muestran realizaciones específicas a modo de ejemplo en las figuras y se describen con detalle en el presente documento. Debe entenderse, sin embargo, que no se pretende limitar la invención a las formas particulares descritas. Más bien, la invención debe abarcar todas las modificaciones, equivalentes y alternativas que se encuentren dentro del espíritu y el ámbito de aplicación de la invención, como se define en las reivindicaciones adjuntas.Although the invention admits several modifications and alternative forms, specific embodiments are shown example mode in the figures and are described in detail in the present document. It should be understood, however, that it is not intended to limit the invention to the particular forms described. Rather, the invention should embrace all modifications, equivalents and alternatives that are within the spirit and scope of the invention, as defined in the appended claims.

Descripción detallada de los dibujosDetailed description of the drawings

En su aspecto más general, la presente invención se refiere a un convertidor de potencia reconfigurable y a un método asociado, adaptado para suprimir fenómenos de resonancia internos y/o externos. El convertidor de potencia reconfigurable comprende un convertidor de frecuencia con una frecuencia de conmutación variable y medios filtrantes conectados operativamente al mismo, teniendo dichos medios filtrantes impedancias de filtro dependientes de la carga.In its most general aspect, the present invention relates to a reconfigurable power converter and an associated method, adapted to suppress internal and / or external resonance phenomena. The reconfigurable power converter comprises a frequency converter with a variable switching frequency and filter means operatively connected thereto, said filter means having filter impedances dependent on the load.

Los eventos relacionados con la red pueden ser, en principio, cualquier evento que influya en la carga de la red en el convertidor de potencia reconfigurable. Las realizaciones de la presente invención son, en particular, útiles en aplicaciones relacionadas con la energía eólica. Sin embargo, las realizaciones de la presente invención no están limitadas a tales aplicaciones.The events related to the network can be, in principle, any event that influences the load of the network in the reconfigurable power converter. Embodiments of the present invention are, in particular, useful in applications related to wind energy. However, embodiments of the present invention are not limited to such applications.

La figura 1 muestra un sistema de energía a escala completa, en el que una línea de alimentación trifásica 1 suministra energía de CA a un convertidor de CA/CA a escala completa 2 que se puede conectar operativamente a un transformador de red (no se muestra), siendo este último típicamente un transformador elevado. El convertidor de CA/CA 2 se implementa como un convertidor de frecuencia que tiene un rectificador 3 y un inversor 4, estando los dos separados por un circuito de CC intermedio 5.Figure 1 shows a full-scale power system, in which a three-phase power line 1 supplies AC power to a full-scale AC / AC converter 2 that can be operatively connected to a network transformer (not shown) ), the latter typically being a high transformer. The AC / AC converter 2 is implemented as a frequency converter having a rectifier 3 and an inverter 4, the two being separated by an intermediate DC circuit 5.

Como se muestra en la figura 1, unos medios filtrantes sintonizados pasivos 6 están conectados a las líneas eléctricas 7. Las impedancias de los medios filtrantes 6 dependen de la carga. Por tanto, si la carga causada por la red de suministro de energía cambia, las impedancias de los medios filtrantes, 6 cambiarán en consecuencia. Las impedancias de los medios filtrantes pueden seleccionarse para que coincidan con condiciones de trabajo específicas a fin de optimizar las características de rendimiento del propio módulo convertidor de potencia reconfigurable y el rendimiento de una instalación de turbina eólica que incluye tal módulo convertidor de potencia reconfigurable.As shown in Figure 1, a passive tuned filter means 6 is connected to the power lines 7. The impedances of the filter means 6 depend on the load. Therefore, if the load caused by the power supply network changes, the impedances of the filter means 6 will change accordingly. The impedances of the filter media can be selected to match specific work conditions in order to optimize the performance characteristics of the reconfigurable power converter module itself and the performance of a wind turbine installation including such a reconfigurable power converter module.

Además, unos filtros de modo común 8 se proporcionan entre las líneas eléctricas 7 y el circuito de CC intermedio 5. Cuando la carga generada por la red de suministro de energía cambia, las impedancias de los medios filtrantes también cambian. Para evitar resonancias dentro de la instalación de turbina eólica y evitar que se produzcan resonancias entre la instalación de turbina eólica y la red, se puede cambiar la frecuencia de conmutación del inversor 4. Además, si se reduce la frecuencia de conmutación, aumenta la capacidad térmica del inversor.In addition, common mode filters 8 are provided between the power lines 7 and the intermediate DC circuit 5. When the load generated by the power supply network changes, the impedances of the filter means also change. To avoid resonances within the wind turbine installation and prevent resonances from occurring between the wind turbine installation and the network, the switching frequency of the inverter 4 can be changed. Furthermore, if the switching frequency is reduced, the capacity increases thermal of the inverter.

Refiriéndonos ahora a la figura 2a, se representa un ejemplo de una relación entre una frecuencia de conmutación (Tsw) de un convertidor de potencia y una carga. Como se muestra en la figura 2a, el convertidor de potencia funciona a una frecuencia de conmutación nominal (PU = 1) hasta que la carga alcanza un nivel correspondiente a la carga nominal (100 %). Por encima de la carga nominal, es decir, en condiciones de sobrecarga, la frecuencia de conmutación se reduce linealmente hasta que la carga alcanza un nivel correspondiente al 125 % de la carga nominal. El convertidor se para si la carga aumenta aún más. La dependencia lineal entre la frecuencia de conmutación y la carga puede diferir de la representación que se muestra en la figura 2a. De manera similar, el nivel de parada puede diferir del nivel de 125 % representado en la figura 2a.Referring now to Figure 2a, an example of a relationship between a switching frequency (Tsw) of a power converter and a load is shown. As shown in figure 2a, the power converter operates at a nominal switching frequency (PU = 1) until the load reaches a level corresponding to the rated load (100%). Above the rated load, that is, under overload conditions, the switching frequency is reduced linearly until the load reaches a level corresponding to 125% of the rated load. The converter stops if the load increases further. The linear dependence between the switching frequency and the load may differ from the representation shown in Figure 2a. Similarly, the stop level may differ from the 125% level shown in Figure 2a.

Como se ha mencionado anteriormente, los convertidores de energía eléctrica se dimensionan normalmente de manera que las pérdidas eléctricas en los elementos de conmutación de semiconductor se dividen de manera más o menos uniforme entre las pérdidas de conducción y de conmutación. Por tanto, si la frecuencia de conmutación se reduce en un 50 %, las pérdidas de conmutación se reducen en un 25 %. La reducción de pérdidas ayuda a que el convertidor pueda funcionar en un modo de funcionamiento de sobrecarga. Normalmente, la frecuencia de conmutación nominal de los convertidores de potencia es de alrededor de 5 kHz.As mentioned above, the electric power converters are normally dimensioned so that the electrical losses in the semiconductor switching elements are more or less uniformly divided between the conduction and switching losses. Therefore, if the switching frequency is reduced by 50%, the switching losses are reduced by 25%. The reduction of losses helps the converter to operate in an overload mode of operation. Normally, the nominal switching frequency of the power converters is around 5 kHz.

Las figuras 2b y 2c representan otras relaciones entre la frecuencia de conmutación (Tsw) y la carga. Como puede verse, son posibles varias relaciones por debajo y por encima del nivel de carga nominal. Figures 2b and 2c represent other relationships between the switching frequency (Tsw) and the load. As can be seen, several ratios are possible below and above the nominal load level.

Claims (6)

REIVINDICACIONES 1. Módulo convertidor de potencia reconfigurable para una instalación de turbina eólica adaptada para suministrar energía eléctrica a una red asociada de suministro eléctrico (7), comprendiendo el módulo convertidor un convertidor de frecuencia (2) conectado operativamente a un filtro sintonizado pasivo (6) que tiene impedancias dependientes de la carga, en el que una frecuencia de conmutación de dicho convertidor de frecuencia (2) es variable para adecuarse a una o más impedancias de filtro modificadas, caracterizado por que el convertidor de frecuencia (2) está adaptado para reducir la frecuencia de conmutación linealmente como una función de una carga en una condición de sobrecarga.1. Reconfigurable power converter module for a wind turbine installation adapted to supply electric power to an associated power supply network (7), the converter module comprising a frequency converter (2) operatively connected to a passive tuned filter (6) having impedances dependent on the load, in which a switching frequency of said frequency converter (2) is variable to adapt to one or more modified filter impedances, characterized in that the frequency converter (2) is adapted to reduce the switching frequency linearly as a function of a load in an overload condition. 2. Turbina eólica que comprende un módulo convertidor de potencia reconfigurable de acuerdo con la reivindicación 1.Wind turbine comprising a reconfigurable power converter module according to claim 1. 3. Planta de turbinas eólicas que comprende una pluralidad de turbinas eólicas de acuerdo con la reivindicación 2.3. Wind turbine plant comprising a plurality of wind turbines according to claim 2. 4. Método para reconfigurar un módulo convertidor de potencia para una instalación de turbina eólica adaptada para suministrar energía eléctrica a una red asociada de suministro eléctrico (7), comprendiendo el método las etapas de ajustar una frecuencia de conmutación de un convertidor de frecuencia (2) conectado operativamente a un filtro sintonizado pasivo (6) para adecuarse a un cambio de impedancia relacionado con la carga, caracterizado por que la frecuencia de conmutación se reduce linealmente como una función de una carga en una condición de sobrecarga para adecuarse a un cambio de impedancia en el filtro sintonizado pasivo (6) debido a un cambio de carga.4. Method for reconfiguring a power converter module for a wind turbine installation adapted to supply electric power to an associated power supply network (7), the method comprising the steps of adjusting a switching frequency of a frequency converter (2) ) operatively connected to a passive tuned filter (6) to suit an impedance change related to the load, characterized in that the switching frequency is linearly reduced as a function of a load in an overload condition to suit a change in load. impedance in the passive tuned filter (6) due to a load change. 5. Método de acuerdo con la reivindicación 4, en el que la frecuencia de conmutación, en combinación con la adecuación a un cambio de impedancia en el filtro sintonizado pasivo (6), se ajusta para adecuarse a un cambio de impedancia en un transformador de red debido a un cambio de carga.Method according to claim 4, wherein the switching frequency, in combination with the adaptation to an impedance change in the passive tuned filter (6), is adjusted to suit an impedance change in a transformer of network due to a load change. 6. Método de acuerdo con la reivindicación 4, en el que la frecuencia de conmutación, en combinación con la adecuación a un cambio de impedancia en el filtro sintonizado pasivo (6), se ajusta para adecuarse a un cambio de impedancia en una red de suministro de energía debido a un cambio de carga. Method according to claim 4, in which the switching frequency, in combination with the adaptation to an impedance change in the passive tuned filter (6), is adjusted to suit an impedance change in a network of power supply due to a load change.