ES2880702T3

ES2880702T3 - Sistema y procedimiento para minimizar la corriente de sobretensión de entrada durante el arranque de un sistema de energía eléctrica

Info

Publication number: ES2880702T3
Application number: ES19178830T
Authority: ES
Inventors: Cornelius Edward Holliday; David Smith
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2018-06-06
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2021-11-25
Anticipated expiration: 2039-06-06
Also published as: US20190376489A1; EP3579400A1; DK3579400T3; EP3579400B1

Abstract

Un procedimiento (300) para minimizar la corriente de sobretensión de entrada durante el arranque de un sistema de energía eléctrica de corriente alterna (CA) (200) conectado a una red eléctrica (243), el procedimiento (300) caracterizado por: determinar una tensión de red de la red eléctrica (243); cargar una capacitancia de CA de un filtro de red (224) del sistema de energía eléctrica (200) desde un valor de capacitancia inicial hasta un porcentaje predeterminado de la tensión de red; conectar el sistema de energía eléctrica (200) a la red eléctrica (243) cuando la capacitancia de CA en el filtro de red (224) alcanza el porcentaje predeterminado del tensión de red; y, iniciar el arranque del sistema de energía eléctrica (200).

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema y procedimiento para minimizar la corriente de sobretensión de entrada durante el arranque de un sistema de energía eléctrica

Campo

[0001] La presente divulgación se refiere en general a turbinas eólicas y, más particularmente, a un sistema y procedimiento para minimizar la corriente de sobretensión de entrada durante el arranque de un sistema de energía eléctrica conectado a una red eléctrica.

Antecedentes

[0002] La energía eólica se considera una de las fuentes de energía más limpias y más respetuosas con el medio ambiente actualmente disponibles, y las turbinas eólicas han obtenido más atención a este respecto. Una turbina eólica moderna incluye típicamente una torre, un generador, una caja de engranajes, una góndola y una o más palas de rotor. Las palas de rotor captan la energía cinética del viento usando principios de perfil aerodinámico conocidos. Por ejemplo, las palas del rotor tienen típicamente el perfil de la sección transversal de un perfil aerodinámico de manera que, durante el funcionamiento, el aire fluye sobre la pala produciendo una diferencia de presión entre los lados. En consecuencia, una fuerza de elevación, que se dirige desde un lado de presión hacia un lado de succión, actúa sobre la pala. La fuerza de elevación genera un par de torsión en el eje de rotor principal, que está acoplado a un generador para producir electricidad.

[0003] Durante el funcionamiento, el viento impacta en las palas del rotor de la turbina eólica y las palas transforman la energía del viento en un par de torsión de rotación mecánico que acciona un eje de baja velocidad. El eje de baja velocidad está configurado para accionar la caja de engranajes que posteriormente aumenta la baja velocidad de rotación del eje de baja velocidad para accionar un eje de alta velocidad a una mayor velocidad de rotación. El eje de alta velocidad está generalmente acoplado a un generador para accionar de manera giratoria un rotor de generador. En muchas turbinas eólicas, el generador puede estar acoplado eléctricamente a un convertidor de potencia bidireccional que incluye un convertidor del lado del rotor unido a un convertidor del lado de línea por medio de un enlace de CC regulado. Como tal, el generador está configurado para convertir la energía mecánica de rotación en una señal de energía eléctrica de corriente alterna (CA) trifásica sinusoidal en un estator de generador. La energía de rotación se convierte en energía eléctrica a través de campos electromagnéticos que acoplan el rotor y el estator, que se suministra a una red eléctrica por medio de un disyuntor de red. Por tanto, el transformador principal aumenta la amplitud de tensión de la energía eléctrica de modo que la energía eléctrica transformada se pueda transmitir además a la red eléctrica.

[0004] Dichos sistemas de energía de turbinas eólicas se denominan en general generadores de inducción doblemente alimentado (DFIG). El funcionamiento del DFIG se caracteriza típicamente por que el circuito del rotor se alimenta con corriente desde un convertidor de potencia de corriente regulada. Como tal, la turbina eólica produce un par de torsión mecánico variable debido a las velocidades variables del viento y el convertidor de potencia asegura que este par de torsión se convierta en una salida eléctrica a la misma frecuencia de la red.

[0005] Además, las turbinas eólicas (y los convertidores solares) también tienen a menudo capacitancia integrada en la interfaz de CA. Por ejemplo, dicha capacitancia puede ser parte de un filtro para garantizar la calidad de la energía del sistema de energía. Durante el arranque, se cierra un interruptor de desconexión para conectar el sistema a la red. Sin embargo, cuando el interruptor está cerrado, puede existir una corriente de sobretensión de entrada cuando la tensión de la red se aplica a la capacitancia. La corriente de sobretensión de entrada puede provocar caídas y sobreimpulsos de tensión en el punto de conexión y en toda la distribución de energía de la turbina eólica, provocando tensión en los elementos auxiliares/accesorios de la turbina eólica.

[0006] Por tanto, la presente divulgación está dirigida a un sistema y procedimiento para minimizar la corriente de sobretensión de entrada durante el arranque de un sistema de energía eléctrica conectado a una red eléctrica para abordar los problemas antes mencionados.

[0007] El documento US 2018/069404 A1 se refiere a una unidad de precarga para precargar un convertidor principal de una central de energía que comprende los rasgos característicos de los preámbulos de las reivindicaciones independientes.

Breve descripción

[0008] Estos problemas se resuelven al menos en parte mediante la presente invención. Los aspectos, detalles, modos de realización y ventajas de la invención resultarán evidentes a partir de las reivindicaciones, la siguiente descripción y/o los dibujos, o pueden resultar obvios a partir de la descripción, o se pueden aprender a través de la práctica de la invención.

En un aspecto, la presente divulgación está dirigida a un procedimiento para un procedimiento para minimizar la corriente de sobretensión de entrada durante el arranque de un sistema de energía eléctrica de corriente alterna (CA) conectado a una red eléctrica. El procedimiento incluye determinar una tensión de red de la red eléctrica. El procedimiento también incluye cargar una capacitancia de CA de un filtro de red del sistema de energía eléctrica desde un valor de capacitancia inicial hasta un porcentaje predeterminado de la tensión de red. Además, el procedimiento incluye conectar el sistema de energía eléctrica a la red eléctrica cuando la capacitancia de CA en el filtro de red alcanza el porcentaje predeterminado de la tensión de red. Además, el procedimiento incluye iniciar el arranque del sistema de energía eléctrica.

[0009] En un modo de realización, el procedimiento puede incluir cargar la capacitancia de CA en el filtro de red del sistema de energía eléctrica con al menos un componente eléctrico adicional acoplado al filtro de red. En dichos modos de realización, el/los componentes eléctricos adicionales pueden incluir una o más resistencias, un contactor y/o cualquier otro componente eléctrico adecuado o combinaciones de los mismos que sean capaces de limitar los transitorios eléctricos. Además, el procedimiento puede incluir desviar el al menos un componente eléctrico adicional después de conectar el sistema de energía eléctrica a la red eléctrica pero antes de iniciar el arranque del sistema de energía eléctrica.

[0010] En otro modo de realización, el procedimiento puede incluir cargar la capacitancia de CA en el filtro de red del sistema de energía eléctrica por medio de un convertidor de potencia del sistema de energía eléctrica que funciona en un primer modo de funcionamiento. Como tal, el convertidor de potencia está configurado para producir una tensión en sincronía con la tensión de red antes de conectar el sistema de energía eléctrica a la red eléctrica.

[0011] En otros modos de realización, el procedimiento puede incluir cargar un enlace de CC del convertidor de potencia a un nivel de potencia predeterminado antes de cargar la capacitancia de CA en el filtro de red del sistema de energía eléctrica por medio del convertidor de potencia. De forma alternativa, el procedimiento puede incluir suministrar potencia adicional a un enlace de CC del convertidor de potencia antes de cargar la capacitancia en el filtro de red del sistema de energía eléctrica por medio del convertidor de potencia. En varios modos de realización, el procedimiento también puede incluir pasar del primer modo de funcionamiento del convertidor de potencia a un segundo modo de funcionamiento después de cargar la capacitancia de CA del filtro de red del sistema de energía eléctrica. En dichos modos de realización, el primer modo de funcionamiento puede corresponder a un modo de carga de CA, mientras que el segundo modo de funcionamiento puede corresponder a un modo de funcionamiento estándar.

[0012] En modos de realización adicionales, el porcentaje predeterminado de la tensión de red puede ser hasta aproximadamente el 100% de la tensión de red. Por lo tanto, en determinados modos de realización, el porcentaje predeterminado de la tensión de red puede ser inferior al 100% de la tensión de red.

[0013] En modos de realización particulares, el sistema de energía eléctrica puede ser un sistema de energía de turbina eólica o un sistema de energía solar.

[0014] En otro aspecto, la presente divulgación está dirigida a un sistema de energía de turbina eólica. El sistema de energía de turbina eólica incluye un generador que tiene un rotor y un estator y un convertidor de potencia que tiene un convertidor del lado de línea acoplado a un convertidor del lado del rotor por medio de un enlace de CC. El convertidor del lado del rotor está acoplado al rotor. El sistema de energía de turbina eólica también incluye un filtro de red acoplado entre el convertidor del lado de línea y una red eléctrica. Además, el sistema de energía de turbina eólica incluye un controlador configurado para realizar uno o más funcionamientos, que incluyen pero no se limitan a cargar el filtro de red desde un valor de tensión inicial a un porcentaje predeterminado de una tensión de red de la red eléctrica, conectar el sistema de energía de turbina eólica a la red eléctrica cuando el valor de tensión inicial en el filtro de red alcanza el porcentaje predeterminado de la tensión de red, e iniciar el arranque del sistema de energía de turbina eólica después de que el valor de tensión inicial en el filtro de red alcanza el porcentaje predeterminado de la tensión de red. También se debe entender que el sistema de procedimiento puede incluir además cualquiera de las etapas y/o rasgos característicos adicionales como se describe en el presente documento. También se debe entender que el sistema puede incluir además cualquiera de los rasgos característicos que se describen en el presente documento.

[0015] En otro aspecto más, la presente divulgación está dirigida a un sistema de energía eléctrica de corriente alterna (CA). El sistema de energía eléctrica incluye un generador que tiene un rotor y un estator y un convertidor de potencia que tiene un convertidor del lado de línea acoplado a un convertidor del lado del rotor por medio de un enlace de CC. El convertidor del lado del rotor está acoplado al rotor. El sistema de energía eléctrica también incluye un filtro de red acoplado entre el convertidor del lado de línea y una red eléctrica. Además, el sistema de energía eléctrica incluye un controlador configurado para controlar el sistema de energía eléctrica, incluyendo pero sin limitarse a determinar un tensión de red de la red eléctrica, cargar una capacitancia de CA del filtro de red desde un valor de capacitancia inicial hasta un porcentaje predeterminado de la tensión de red, conectar el sistema de energía eléctrica a la red eléctrica cuando la capacitancia de CA en el filtro de red alcanza el porcentaje predeterminado de la tensión de red, e iniciar el arranque del sistema de energía eléctrica.

[0016] Se debe entender que el sistema de energía eléctrica puede incluir además cualquiera de los rasgos característicos adicionales que se describen en el presente documento.

[0017] Estos y otros rasgos característicos, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor con referencia a la siguiente descripción y reivindicaciones adjuntas. Los dibujos adjuntos, que están incorporados en, y que forman parte de, esta memoria descriptiva, ilustran modos de realización de la invención y, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención.

Breve descripción de los dibujos

[0018] Una divulgación completa y habilitante de la presente invención, incluyendo el mejor modo de la misma, dirigida a un experto en la técnica, se establece en la memoria descriptiva, que hace referencia a las figuras adjuntas, en las que:

la FIG. 1 ilustra una vista en perspectiva de una parte de un modo de realización de una turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 2 ilustra una vista esquemática de un modo de realización de un sistema de energía eléctrica adecuado para su uso con la turbina eólica mostrada en la FIG. 1;

la FIG. 3 ilustra un diagrama de bloques de un modo de realización de un controlador adecuado para su uso con la turbina eólica mostrada en la FIG. 1;

la FIG. 4 ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de un convertidor de potencia de una turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 5 ilustra un diagrama esquemático parcial de un modo de realización de un sistema de energía eléctrica de acuerdo con la presente divulgación, que ilustra en particular los componentes eléctricos entre el convertidor del lado de línea y el transformador; y

la FIG. 6 ilustra un diagrama de flujo de un modo de realización de un procedimiento para minimizar la corriente de sobretensión de entrada durante el arranque de un sistema de energía eléctrica de CA conectado a una red eléctrica de acuerdo con la presente divulgación.

Descripción detallada

[0019] Ahora se hará referencia en detalle a modos de realización de la invención, uno o más ejemplos de los cuales se ilustran en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la invención, y no como una limitación de la invención. De hecho, será evidente para los expertos en la técnica que se pueden realizar diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance o espíritu de la invención. Por ejemplo, los rasgos característicos ilustrados o descritos como parte de un modo de realización se pueden usar con otro modo de realización para producir otro modo de realización más. Por tanto, se pretende que la presente invención cubra dichas modificaciones y variaciones que entren dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas y de sus equivalentes.

[0020] En general, la presente divulgación se refiere a la precarga del condensador del filtro de red en un sistema de energía eléctrica a la tensión de red de CA para reducir los transitorios eléctricos y/o la sobretensión de entrada al arrancar el sistema. Dicha precarga se puede lograr con resistencias, un contactor y/o por medio del convertidor de potencia que produce una tensión en sincronía con la tensión de red antes de cerrar la conexión a la red eléctrica. En determinados modos de realización, la tensión en el condensador puede ser inferior al 100% de la tensión de red para reducir la corriente de sobretensión de entrada. Además, la tensión en el condensador no tiene que estar perfectamente alineada con la tensión de red para reducir la sobretensión de entrada. En otros modos de realización, para que el convertidor de potencia cargue eficazmente la capacitancia, el enlace de CC se debe cargar y/o suministrar con suficiente potencia para aplicar una tensión de CA durante un período de tiempo suficiente para conectarse a la red eléctrica.

[0021] En consecuencia, la presente divulgación proporciona numerosas ventajas respecto a los sistemas y procedimientos de la técnica anterior. Por ejemplo, los sistemas y procedimientos de la presente divulgación son capaces de reducir la tensión en fusibles, fuentes de alimentación, SAI, motores y/u otros componentes del sistema de energía. De este modo, la reducción de la tensión puede incrementar la vida útil de los componentes. Los sistemas y procedimientos de la presente divulgación pueden evitar una destrucción catastrófica debido a los picos de tensión que se producen como resultado de la corriente de sobretensión de entrada.

[0022] En referencia ahora a los dibujos, la FIG. 1 ilustra una vista en perspectiva de una parte de un modo de realización de una turbina eólica 100 de acuerdo con la presente divulgación que está configurada para implementar el procedimiento como se describe en el presente documento. La turbina eólica 100 incluye una góndola 102 que típicamente aloja un generador 118 (FIG. 2). La góndola 102 está montada en una torre 104 que tiene cualquier altura adecuada que facilite el funcionamiento de la turbina eólica 100 como se describe en el presente documento. La turbina eólica 100 también incluye un rotor 106 que incluye tres palas 108 unidas a un buje giratorio 110. De forma alternativa, la turbina eólica 100 puede incluir cualquier número de palas 108 que faciliten el funcionamiento de la turbina eólica 100 como se describe en el presente documento.

[0023] Ahora en referencia a la FIG. 2, se ilustra una vista esquemática de un modo de realización de un sistema de energía eléctrica 200 que se puede usar con la turbina eólica 100. Durante el funcionamiento, el viento impacta en las palas 108 y las palas 108 transforman la energía eólica en un par de torsión de rotación mecánico que acciona de manera giratoria un eje de baja velocidad 112 por medio del buje 110. El eje de baja velocidad 112 está configurado para accionar la caja de engranajes 114 que posteriormente aumenta la baja velocidad de rotación del eje de baja velocidad 112 para accionar un eje de alta velocidad 116 a una velocidad de rotación incrementada. El eje de alta velocidad 116 está en general acoplado de manera giratoria a un generador 118 para accionar de manera giratoria un rotor de generador 122 que tiene bobinado en campo (no mostrado). Más específicamente, en un modo de realización, el generador 118 puede ser un generador de inducción (asíncrono) doblemente alimentado (DFIG) de rotor bobinado, trifásico, que incluye un estator de generador 120 acoplado magnéticamente a un rotor de generador 122. Se debe entender que el sistema de energía eléctrica también puede englobar cualquier otro sistema de generación de energía adecuado además de los sistemas DFIG, incluyendo, pero sin limitarse a, los sistemas de generador de imán permanente (PMG) y/o cualquier sistema conectado a una red eléctrica que incluya un dispositivo de desconexión, capacitancia de CA y un convertidor de potencia.

[0024] Como tal, el rotor de generador 122 puede inducir un campo magnético giratorio y se puede inducir una tensión dentro de un estátor de generador 120 que está acoplado magnéticamente al rotor de generador 122. En dichos modos de realización, el generador 118 está configurado para convertir la energía mecánica de rotación en una señal de energía eléctrica de corriente alterna (CA) trifásica sinusoidal en el estator de generador 120. La energía eléctrica asociada se puede transmitir a un transformador principal 234 por medio de un bus de estator 208, un interruptor de sincronización de estator 206, un bus de sistema 216, un disyuntor de transformador principal 214 y un bus del lado del generador 236. El transformador principal 234 aumenta la amplitud de tensión de la energía eléctrica de modo que la energía eléctrica transformada se pueda transmitir además a una red eléctrica 243 por medio de un disyuntor de red 238, un bus del lado del disyuntor 240 y un bus de red 242.

[0025] Además, el sistema de energía eléctrica 200 puede incluir un controlador de turbina eólica 202 configurado para controlar cualquiera de los componentes de la turbina eólica 100 y/o implementar las etapas del procedimiento como se describe en el presente documento. Por ejemplo, como se muestra en particular en la FIG. 3, el controlador 202 puede incluir uno o más procesador(es) 204 y dispositivo(s) de memoria asociado(s) 207 configurados para realizar una variedad de funciones implementadas por ordenador (por ejemplo, realizar los procedimientos, etapas, cálculos y similares y almacenar datos relevantes como se divulga en el presente documento). Adicionalmente, el controlador 202 también puede incluir un módulo de comunicaciones 209 para facilitar las comunicaciones entre el controlador 202 y los diversos componentes de la turbina eólica 100, por ejemplo, cualquiera de los componentes de la FIG. 2. Además, el módulo de comunicaciones 209 puede incluir una interfaz de sensor 211 (por ejemplo, uno o más convertidores de analógico a digital) para permitir que las señales transmitidas desde uno o más sensores se conviertan en señales que los procesadores 204 puedan entender y procesar. Se debe apreciar que los sensores (por ejemplo, los sensores 252, 254, 256, 258) se pueden acoplar de forma comunicativa al módulo de comunicaciones 209 usando cualquier medio adecuado. Por ejemplo, como se muestra en la FIG. 3, los sensores 252, 254, 256, 258 se pueden acoplar a la interfaz de sensor 211 por medio de una conexión alámbrica. Sin embargo, en otros modos de realización, los sensores 252, 254, 256, 258 se pueden acoplar a la interfaz de sensor 211 por medio de una conexión inalámbrica, tal como usando cualquier protocolo de comunicaciones inalámbricas adecuado conocido en la técnica. De este modo, el procesador 204 se puede configurar para recibir una o más señales desde los sensores.

[0026] Como se usa en el presente documento, el término "procesador" no solo se refiere a circuitos integrados a los que se hace referencia en la técnica como incluidos en un ordenador, sino que también se refiere a un controlador, un microcontrolador, un microordenador, un controlador lógico programable (PLC), un circuito integrado específico de la aplicación y otros circuitos programables. El procesador 204 también está configurado para calcular algoritmos de control avanzados y comunicarse con una variedad de protocolos Ethernet o basados en serie (Modbus, OPC, CAN, etc.). Además, el/los dispositivo(s) de memoria 207 pueden comprender, en general, elemento(s) de memoria que incluyen, pero sin limitarse a, un medio legible por ordenador (por ejemplo, memoria de acceso aleatorio (RAM)), un medio no volátil legible por ordenador (por ejemplo, una memoria flash), un disquete, una memoria de solo lectura en disco compacto (CD-ROM), un disco magnetoóptico (MOD), un disco versátil digital (DVD) y/u otros elementos de memoria adecuados. Dicho(s) dispositivo(s) de memoria 207 se pueden configurar en general para almacenar instrucciones adecuadas legibles por ordenador que, cuando se implementen por el/los procesador(es) 204, configuren al controlador 202 para realizar diversas funciones como se describe en el presente documento.

[0027] En referencia de nuevo a la FIG. 2, el estator de generador 120 puede estar acoplado eléctricamente a un interruptor de sincronización de estator 206 por medio de un bus de estator 208. En un modo de realización, el rotor de generador 122 puede estar acoplado eléctricamente a un conjunto de conversión de potencia bidireccional 210 o un convertidor de potencia a través de un bus de rotor 212. De forma alternativa, el rotor de generador 122 se puede acoplar eléctricamente al bus de rotor 212 por medio de cualquier otro dispositivo que facilite el funcionamiento del sistema de energía eléctrica 200 como se describe en el presente documento. En otro modo de realización, el interruptor de sincronización de estator 206 puede estar acoplado eléctricamente a un disyuntor de transformador principal 214 a través de un bus de sistema 216.

[0028] El conjunto de conversión de potencia 210 puede incluir un filtro de rotor 218 que está acoplado eléctricamente al rotor de generador 122 por medio del bus de rotor 212. Además, el filtro de rotor 218 puede incluir un reactor del lado del rotor. Un bus de filtro de rotor 219 acopla eléctricamente el filtro de rotor 218 a un convertidor de potencia del lado del rotor 220. Además, el convertidor de potencia del lado del rotor 220 se puede acoplar eléctricamente a un convertidor de potencia del lado de línea 222 a través de un único enlace de corriente continua (CC) 244. De forma alternativa, el convertidor de potencia del lado del rotor 220 y el convertidor de potencia del lado de línea 222 pueden estar acoplados eléctricamente a través de enlaces de CC individuales y separados. Además, como se muestra, el enlace de CC 244 puede incluir un carril positivo 246, un carril negativo 248 y al menos un condensador 250 acoplado entre los mismos.

[0029] Además, un bus de convertidor de potencia del lado de línea 223 puede acoplar eléctricamente el convertidor de potencia del lado de línea 222 a un filtro de línea 224. Además, un bus de línea 225 puede acoplar eléctricamente el filtro de línea 224 a un contactor de línea 226. Además, el filtro de línea 224 puede incluir un reactor del lado de línea. Además, el contactor de línea 226 se puede acoplar eléctricamente a un disyuntor de conversión 228 a través de un bus de disyuntor de conversión 230. Además, el disyuntor de conversión 228 se puede acoplar eléctricamente al disyuntor de transformador principal 214 a través del bus de sistema 216 y un bus de conexión 232. El disyuntor de transformador principal 214 puede estar acoplado eléctricamente a un transformador principal de energía eléctrica 234 a través de un bus del lado del generador 236. El transformador principal 234 puede estar acoplado eléctricamente a un disyuntor de red 238 por medio de un bus del lado del disyuntor 240. El disyuntor de red 238 se puede conectar a la red de transmisión y distribución de energía eléctrica a través de un bus de red 242.

[0030] En referencia en particular a las FIGS. 2 y 4, la potencia de corriente alterna (CA) generada en el estator de generador 120 mediante la rotación del rotor 106 se proporciona a través de una ruta doble al bus de red 242. Las rutas duales están definidas por el bus de estator 208 y el bus de rotor 212. En el lado del bus de rotor 212, se proporciona potencia de corriente alterna (CA) sinusoidal multifásica (por ejemplo, trifásica) al conjunto de conversión de potencia 210. El convertidor de potencia del lado del rotor 220 convierte la potencia de CA proporcionada desde el bus de rotor 212 en potencia de CC y proporciona la potencia de CC al enlace de CC 244. Los elementos de conmutación 245 (por ejemplo, diodos) usados en los circuitos puente del convertidor de potencia del lado del rotor 220 se pueden modular para convertir la potencia de CA proporcionada desde el bus de rotor 212 en potencia de CC adecuada para el enlace de CC 244.

[0031] El convertidor del lado de línea 222 convierte la potencia de CC del enlace de CC 244 en potencia de salida de CA adecuada para el bus de red eléctrica 242. En particular, los elementos de conmutación 247 (por ejemplo, IGBT) usados en los circuitos puente del convertidor de potencia del lado de línea 222 se pueden modular para convertir la potencia de CC en el enlace de CC 244 en potencia de CA en el bus del lado de línea 225. La potencia de CA del conjunto de conversión de potencia 210 se puede combinar con la potencia del estator 120 para proporcionar una potencia multifásica (por ejemplo, potencia trifásica) que tiene una frecuencia mantenida sustancialmente a la frecuencia del bus de red eléctrica 242 (por ejemplo, 50 Hz/60 Hz).

[0032] Se debe entender que el convertidor de potencia del lado del rotor 220 y el convertidor de potencia del lado de línea 222 pueden tener cualquier configuración que use cualesquiera dispositivos de conmutación que faciliten el funcionamiento del sistema de energía eléctrica 200 como se describe en el presente documento. Por ejemplo, la FIG. 4 ilustra un diagrama esquemático simplificado de un modo de realización de un variador de frecuencia (VFD) que mantiene una salida de frecuencia eléctrica constante en el lado de la red del generador 118. Como se muestra, la configuración de VFD incluye un rectificador de fuente de tensión de seis interruptores en el convertidor del lado del rotor 220, un condensador de enlace de CC 249 para minimizar la variación de tensión de CC y un inversor de fuente de tensión de seis interruptores que utiliza modulación de ancho de pulso en el lado de la red. Los elementos de conmutación del lado del rotor 245 son a menudo diodos o rectificadores controlados por silicio (SCR), mientras que los elementos de conmutación del lado de la red 247 son a menudo transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). Como tal, la magnitud y la frecuencia eléctrica de la corriente suministrada al rotor de generador 122 a través del VFD se pueden variar para tener en cuenta los cambios en la velocidad del eje de rotor y para mantener una salida constante en el devanado del estator de generador.

[0033] Además, el conjunto de conversión de potencia 210 se puede acoplar en comunicación electrónica de datos con el controlador de turbina 202 y/o un controlador de convertidor 262 separado o integral para controlar el funcionamiento del convertidor de potencia del lado del rotor 220 y el convertidor de potencia del lado de línea 222. Por ejemplo, durante el funcionamiento, el controlador 202 se puede configurar para recibir una o más señales de medición de tensión y/o corriente eléctrica del primer conjunto de sensores de tensión y corriente eléctrica 252.

Por tanto, el controlador 202 se puede configurar para supervisar y controlar al menos algunas de las variables de funcionamiento asociadas con la turbina eólica 100 por medio de los sensores 252. En el modo de realización ilustrado, cada uno de los sensores 252 se puede acoplar eléctricamente a cada una de las tres fases del bus de red eléctrica 242. De forma alternativa, los sensores 252 se pueden acoplar eléctricamente a cualquier parte del sistema de energía eléctrica 200 que facilite el funcionamiento del sistema de energía eléctrica 200 como se describe en el presente documento. Además de los sensores descritos anteriormente, los sensores también pueden incluir un segundo conjunto de sensores de tensión y corriente eléctrica 254, un tercer conjunto de sensores de tensión y corriente eléctrica 256, un cuarto conjunto de sensores de tensión y corriente eléctrica 258 (todos mostrados en la FIG. 2) y/o cualquier otro sensor adecuado.

[0034] También se debe entender que se puede emplear cualquier número o tipo de sensores de tensión y/o corriente eléctrica 252, 254, 256, 258 dentro de la turbina eólica 100 y en cualquier localización. Por ejemplo, los sensores pueden ser transformadores de corriente, sensores de derivación, bobinas de rogowski, sensores de corriente de efecto Hall, unidades de medida micro inercial (MIMU) o similares, y/o cualquier otro sensor adecuado de tensión o corriente eléctrica ahora conocido o desarrollado posteriormente en la técnica.

[0035] Por tanto, el controlador de convertidor 262 está configurado para recibir una o más señales de retroalimentación de tensión y/o corriente eléctrica de los sensores 252, 254, 256, 258. Más específicamente, en determinados modos de realización, las señales de retroalimentación de corriente o tensión pueden incluir al menos una de señales de retroalimentación de línea, señales de retroalimentación del convertidor del lado de línea, señales de retroalimentación del convertidor del lado del rotor o señales de retroalimentación del estator. Por ejemplo, como se muestra en el modo de realización ilustrado, el controlador de convertidor 262 recibe señales de medición de tensión y corriente eléctrica del segundo conjunto de sensores de tensión y corriente eléctrica 254 acoplados en comunicación electrónica de datos con el bus de estator 208. El controlador de convertidor 262 también puede recibir el tercer y cuarto conjunto de señales de medición de tensión y corriente eléctrica del tercer y cuarto conjunto de sensores de tensión y corriente eléctrica 256, 258. Además, el controlador de convertidor 262 se puede configurar con cualquiera de los rasgos característicos descritos en el presente documento con respecto al controlador principal 202. Como tal, el controlador de convertidor 262 está configurado para implementar las diversas etapas del procedimiento como se describe en el presente documento y se puede configurar de manera similar al controlador de turbina 202.

[0036] Para los sistemas convencionales, durante el arranque del sistema de energía, el filtro de red no está conectado a la red (es decir, el contactor de línea está abierto). Por lo tanto, una vez que se carga el enlace de CC, el contactor de línea se cierra y el filtro de red comienza a producir potencia reactiva. Por tanto, se puede producir un pico de tensión y viaja a través del sistema de energía auxiliar, que generalmente incluye un transformador auxiliar (no mostrado). Como tal, los sistemas convencionales pueden experimentar una corriente de sobretensión de entrada al arrancar el sistema. En consecuencia, la presente divulgación está dirigida a un sistema y procedimiento mejorados para minimizar la corriente de sobretensión de entrada durante el arranque de un sistema de energía eléctrica conectado a una red eléctrica.

[0037] En referencia ahora a la FIG. 5, se ilustra un diagrama esquemático parcial de un modo de realización del sistema de energía 200 entre el convertidor del lado de línea 222 y el transformador 234 de acuerdo con la presente divulgación. Más específicamente, como se muestra, el filtro de línea 224 está acoplado entre el convertidor del lado de línea 222 y el transformador 234. Además, como se muestra, el contactor de línea 226 está acoplado entre el transformador 234 y el filtro de red 224. Además, como se muestra, el sistema de energía 200 puede incluir además una derivación de línea 260 y/o un inductor de línea 264 acoplado entre el filtro de red 224 y el convertidor del lado de línea 222. Además, el filtro de red 224 puede incluir al menos un componente eléctrico adicional 268 acoplado al mismo para cargar la capacitancia de CA en el filtro de red 224. Por ejemplo, como se muestra en el modo de realización ilustrado, el componente eléctrico adicional 268 puede incluir una o más resistencias 270. En otros modos de realización, el/los componentes eléctricos adicionales 268 pueden incluir un contactor y/o cualquier otro componente eléctrico adecuado o combinaciones de los mismos que sean capaces de limitar los transitorios eléctricos.

[0038] En referencia en particular a la FIG. 6, se ilustra un diagrama de flujo de un modo de realización de un procedimiento 300 para minimizar la corriente de sobretensión de entrada durante el arranque de un sistema de energía eléctrica de CA conectado a una red eléctrica. En general, el procedimiento 300 se describirá en el presente documento con referencia a la turbina eólica 100 y el sistema de energía 200 descritos anteriormente con referencia a las FIGS. 1 y 2. Sin embargo, los expertos en la técnica deben apreciar que el procedimiento 300 divulgado se puede utilizar en general para controlar el funcionamiento de cualquier otro sistema de energía adecuado (tales como sistemas de energía eólica y/o solar) que tenga cualquier configuración adecuada, y/o sistemas que tengan cualquier otra configuración de sistema adecuada. Además, aunque la FIG. 6 representa etapas realizadas en un orden particular con fines de ilustración y análisis, los procedimientos analizados en el presente documento no están limitados a ningún orden o disposición particular. Un experto en la técnica, usando las divulgaciones proporcionadas en el presente documento, apreciarán que las diversas etapas de los procedimientos divulgados en el presente documento se pueden omitir, reorganizar, combinar y/o adaptar de diversas formas sin desviarse del alcance de la presente divulgación.

[0039] Como se muestra en 302, el procedimiento 300 incluye determinar una tensión de red de la red eléctrica 243. Como se muestra en 304, el procedimiento 300 incluye cargar una capacitancia de CA del filtro de red 224 (también denominado en el presente documento filtro de línea 224) desde un valor de capacitancia inicial hasta un porcentaje predeterminado de la tensión de red. En un modo de realización, el porcentaje predeterminado de la tensión de red puede ser el 100% de la tensión de red. En modos de realización alternativos, el porcentaje predeterminado de la tensión de red puede incluir menos del 100% de la tensión de red.

[0040] En modos de realización particulares, el procedimiento 300 puede incluir cargar la capacitancia de CA en el filtro de red 224 con el/los componentes eléctricos adicionales 268. En dichos modos de realización, el procedimiento 300 puede incluir además desviar el/los componentes eléctricos adicionales 268 después de conectar el sistema de energía 200 a la red eléctrica 243 pero antes de iniciar el arranque. En un modo de realización alternativo, el procedimiento 300 puede incluir cargar la capacitancia de CA en el filtro de red 224 a través del convertidor de potencia 210, por ejemplo, por medio del convertidor de línea 222, que funciona en un primer modo de funcionamiento. En dichos modos de realización, el convertidor del lado de línea 222 está configurado para producir un tensión en sincronía con la tensión de red antes de conectar el sistema de energía 200 a la red eléctrica 243.

[0041] En otros modos de realización, el procedimiento 300 puede incluir cargar el enlace de CC 244 del convertidor de potencia 210 a un nivel de potencia predeterminado antes de cargar la capacitancia de CA en el filtro de red 224 por medio del convertidor del lado de línea 222. De forma alternativa, el procedimiento 300 puede incluir suministrar energía adicional al enlace de CC 244 antes de cargar la capacitancia en el filtro de red 224. En varios modos de realización, el procedimiento 300 también puede incluir pasar del primer modo de funcionamiento del convertidor de potencia 210 a un segundo modo de funcionamiento después de cargar la capacitancia de CA del filtro de red 224 del sistema de energía eléctrica 200. En dichos modos de realización, el primer modo de funcionamiento puede corresponder a un modo de carga de CA, mientras que el segundo modo de funcionamiento puede corresponder a un modo de funcionamiento estándar. En dichos modos de realización, la etapa de transición puede incluir la detección del cierre del contactor (por ejemplo, de un cambio en la corriente de derivación) y posteriormente detener la compuerta en el modo de tensión de CA de bucle abierto y reiniciar en el modo de funcionamiento estándar y/o conmutar de una topología de regulador a otro.

[0042] En referencia todavía a la FIG. 6, como se muestra en 306, el procedimiento 300 incluye conectar el sistema de energía de turbina eólica 200 a la red eléctrica 243 cuando la capacitancia de CA en el filtro de red 224 alcanza el porcentaje predeterminado de la tensión de red. Como se muestra en 308, el procedimiento 300 incluye iniciar el arranque del sistema de energía de turbina eólica 200, es decir, después de que la capacitancia de CA en el filtro de red 224 alcance el porcentaje predeterminado de la tensión de red.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento (300) para minimizar la corriente de sobretensión de entrada durante el arranque de un sistema de energía eléctrica de corriente alterna (CA) (200) conectado a una red eléctrica (243), el procedimiento (300) caracterizado por:

determinar una tensión de red de la red eléctrica (243);

cargar una capacitancia de CA de un filtro de red (224) del sistema de energía eléctrica (200) desde un valor de capacitancia inicial hasta un porcentaje predeterminado de la tensión de red;

conectar el sistema de energía eléctrica (200) a la red eléctrica (243) cuando la capacitancia de CA en el filtro de red (224) alcanza el porcentaje predeterminado del tensión de red; y,

iniciar el arranque del sistema de energía eléctrica (200).

2. El procedimiento (300) de la reivindicación 1, que comprende además cargar la capacitancia de CA en el filtro de red (224) del sistema de energía eléctrica (200) con al menos un componente eléctrico adicional (268) acoplado al filtro de red (224), comprendiendo el al menos un componente eléctrico adicional (268) al menos una de una o más resistencias (270) o un contactor.

3. El procedimiento (300) de la reivindicación 2, que comprende además desviar el al menos un componente eléctrico adicional (268) después de conectar el sistema de energía eléctrica (200) a la red eléctrica (243) pero antes de iniciar el arranque del sistema de energía eléctrica (200).

4. El procedimiento (300) de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además cargar la capacitancia de CA en el filtro de red (224) del sistema de energía eléctrica (200) por medio de un convertidor de potencia (210) del sistema de energía eléctrica (200) que funciona en un primer modo de funcionamiento, el convertidor de potencia (210) configurado para producir una tensión en sincronía con la tensión de red antes de conectar el sistema de energía eléctrica (200) a la red eléctrica (243).

5. El procedimiento (300) de la reivindicación 4, que comprende además cargar un enlace de CC (244) del convertidor de potencia (210) a un nivel de potencia predeterminado antes de cargar la capacitancia de CA en el filtro de red (224) del sistema de energía eléctrica (200) por medio del convertidor de potencia (210).

6. El procedimiento (300) de la reivindicación 4, que comprende además suministrar un enlace de CC (244) del convertidor de potencia (210) con potencia adicional antes de cargar la capacitancia en el filtro de red (224) del sistema de energía eléctrica (200) por medio del convertidor de potencia (210).

7. El procedimiento (300) de la reivindicación 4, que comprende además pasar del primer modo de funcionamiento del convertidor de potencia (210) a un segundo modo de funcionamiento después de cargar la capacitancia de CA del filtro de red (224) del sistema de energía eléctrica (200), correspondiendo el primer modo de funcionamiento a un modo de carga de CA, correspondiendo el segundo modo de funcionamiento a un modo de funcionamiento estándar.

8. El procedimiento (300) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el porcentaje predeterminado de la tensión de red comprende hasta aproximadamente el 100% de la tensión de red.

9. Un sistema de energía eléctrica (200) de corriente alterna (CA), que comprende:

un generador (118) que comprende un rotor (122) y un estator (120);

un convertidor de potencia (210) que comprende un convertidor del lado de línea (222) acoplado a un convertidor del lado del rotor (220) por medio de un enlace de CC (244), el convertidor del lado del rotor (220) acoplado al rotor;

un filtro de red (224) acoplado entre el convertidor del lado de línea (222) y una red eléctrica (243); un controlador (202) configurado para controlar el sistema de energía eléctrica (200), caracterizado por que el controlador (202) está configurado para realizar los funcionamientos que comprenden:

determinar una tensión de red de la red eléctrica (243);

cargar una capacitancia de CA del filtro de red (224) desde un valor de capacitancia inicial hasta un porcentaje predeterminado de la tensión de red;

iniciar el arranque del sistema de energía eléctrica (200).

10. El sistema de energía eléctrica (200) de la reivindicación 9, en el que uno o más funcionamientos comprenden además:

cargar la capacitancia de CA en el filtro de red (224) con al menos un componente eléctrico adicional (268) acoplado al filtro de red (224), comprendiendo el al menos un componente eléctrico adicional (268) al menos una de una o más resistencias (270) o un contactor; y,

desviar el al menos un componente eléctrico adicional (268) después de conectar el sistema de energía eléctrica (200) a la red eléctrica (243) pero antes de iniciar el arranque del sistema de energía eléctrica (200).

11. El sistema de energía eléctrica (200) de la reivindicación 9, en el que los uno o más funcionamientos comprenden además cargar la capacitancia de CA en el filtro de red (224) por medio del convertidor de potencia del lado de línea (210) que funciona en un primer modo de funcionamiento, el convertidor del lado de línea (210) configurado para producir un tensión en sincronía con la tensión de red antes de conectar el sistema de energía eléctrica (200) a la red eléctrica (243).

12. El sistema de energía eléctrica (200) de la reivindicación 11, en el que los uno o más funcionamientos comprenden además cargar el enlace de CC (244) del convertidor de potencia (210) hasta un nivel de potencia predeterminado antes de cargar la capacitancia de CA en el filtro de red (224) del sistema de energía eléctrica (200) por medio del convertidor de potencia del lado de línea (210).

13. El sistema de energía eléctrica (200) de la reivindicación 11, que comprende además pasar del primer modo de funcionamiento del convertidor del lado de línea (222) a un segundo modo de funcionamiento después de cargar la capacitancia de CA del filtro de red (224), correspondiendo el primer modo de funcionamiento a un modo de carga de CA, correspondiendo el segundo modo de funcionamiento a un modo de funcionamiento estándar.

14. El sistema de energía eléctrica (200) de la reivindicación 13, en el que los uno o más funcionamientos comprenden además suministrar potencia adicional al enlace de CC (244) antes de cargar la capacitancia en el filtro de red (224) del sistema de energía eléctrica (200) por medio del convertidor de potencia del lado de línea (210).

15. El sistema de energía eléctrica (200) de la reivindicación 9, en el que el sistema de energía eléctrica (200) comprende al menos uno de un sistema de energía de turbina eólica o un sistema de energía solar, y en el que el generador comprende un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG).