ES2898204T3

ES2898204T3 - Topología de parque eólico y procedimiento para operar el mismo

Info

Publication number: ES2898204T3
Application number: ES16822353T
Authority: ES
Inventors: Govardhan Ganireddy; Rajib Datta
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2016-12-16
Filing date: 2016-12-16
Publication date: 2022-03-04
Anticipated expiration: 2036-12-16
Also published as: US20200088167A1; EP3555985B1; EP3555985A1; US10823147B2; WO2018111290A1; DK3555985T3

Abstract

Un parque eólico (102), que comprende: una pluralidad de estaciones de turbina eólica (106, 108, 110), en la que cada una de la pluralidad de estaciones de turbina eólica comprende: una turbina eólica (116); y un subsistema de generador (118) acoplado de forma operativa a la turbina eólica (116), en el que el subsistema de generador (118) comprende: un generador de inducción doblemente alimentado (122) configurado para generar un voltaje de corriente alterna (CA), y un convertidor de potencia de estación de turbina eólica (124) acoplado eléctricamente al generador de inducción doblemente alimentado (122); comprendiendo además el parque eólico (102): un subsistema de recogida de potencia (112) acoplado eléctricamente a la pluralidad de estaciones de turbina eólica (106, 108, 110), en el que el subsistema de recogida de potencia (112) comprende: un bus de potencia (150) acoplado eléctricamente a los subsistemas de generador (118) de la pluralidad de estaciones de turbina eólica (106, 108, 110); y un convertidor de potencia de subestación (152) acoplado eléctricamente al bus de potencia (150); comprendiendo además el parque eólico (102): un sistema de control (114) acoplado operativamente a los convertidores de potencia de estación de turbina eólica (124) de la pluralidad de estaciones de turbina eólica (106, 108, 110) y al convertidor de potencia de subestación (152), en el que el sistema de control (114) está configurado para: determinar una métrica de velocidad de viento; estimar una métrica de frecuencia correspondiente a la métrica de velocidad de viento; calcular una frecuencia deseable del bus de potencia (150) en base a la métrica de velocidad de viento y los intervalos de compensación de frecuencia de los convertidores de potencia de estación de turbina eólica (124) de manera que una diferencia entre la frecuencia deseable y la métrica de frecuencia esté dentro de los intervalos de compensación de frecuencia de los convertidores de potencia de estación de turbina eólica; y generar y comunicar consignas de control al convertidor de potencia de subestación en base a la frecuencia deseable, en el que el convertidor de potencia de subestación está configurado para actualizar una frecuencia de línea de un voltaje de bus de potencia en base a la frecuencia deseable para controlar la generación de potencia por la pluralidad de turbinas eólicas.

Description

DESCRIPCIÓN

Topología de parque eólico y procedimiento para operar el mismo

Antecedentes

[0001] Los modos de realización de la presente memoria descriptiva se refieren, en general, a un parque eólico y, en particular, a una topología de parque eólico y a un procedimiento para operar el parque eólico.

[0002] Un parque eólico incluye típicamente una pluralidad de estaciones de turbina eólica, tales como torres de turbina eólica, capaces de convertir la energía cinética del viento en potencia eléctrica. Actualmente se usan parques eólicos que tienen diferentes configuraciones para generar la potencia eléctrica. En general, estos parques eólicos incluyen una o más estaciones de turbina eólica operables a una velocidad fija, estaciones de turbina eólica que realizan una conversión de potencia total y estaciones de turbina eólica que realizan una conversión de potencia parcial.

[0003] Los parques eólicos que tienen estaciones de turbina eólica operables a una velocidad fija incluyen, en general, un generador asíncrono y un transformador elevador de nivel de turbina eólica. Típicamente, dichos parques eólicos sufren pérdidas en la producción de energía anual (AEP) debido a variaciones en la velocidad del viento en el parque eólico. Además, los parques eólicos que tienen estaciones de turbina eólica que realizan una conversión de potencia total incluyen, en general, generadores de inducción de jaula de ardilla o generadores síncronos junto con convertidores de potencia total. En determinadas situaciones, los parques eólicos basados en conversión de potencia total también son propensos a pérdidas en la AEP debido a variaciones en la velocidad del viento en los parques eólicos. Además, los parques eólicos que tienen estaciones de turbina eólica que realizan una conversión de potencia parcial incluyen, en general, un generador de inducción doblemente alimentando (DFIG) acoplado a cada turbina eólica. El DFIG incluye un convertidor de potencia parcial que permite la generación de potencia eléctrica a una frecuencia de red independientemente de las variaciones en la velocidad del viento en el parque eólico. Una estación de turbina eólica de este tipo que es capaz de generar potencia eléctrica a la frecuencia de red utiliza, en general, los recursos eólicos disponibles de manera más eficiente que las estaciones de turbina eólica operables a una velocidad fija, especialmente durante condiciones de viento bajo.

[0004] Sin embargo, las estaciones de turbina eólica basadas en DFIG actualmente disponibles implican el uso de un convertidor de potencia parcial que, típicamente, tiene un régimen nominal de aproximadamente el 25-35 % de la potencia total generada por el DFIG para compensar grandes variaciones de frecuencia causadas por cambios en la velocidad del viento. Una configuración de este tipo del convertidor de potencia parcial tiende a ser voluminosa y ocupa una gran superficie. Además, en muchas estaciones de turbina eólica, el DFIG está acoplado a la red de distribución por medio de un costoso transformador elevador de tres devanados.

[0005] El documento US2011/001318 A1 divulga un parque eólico con generadores de inducción doblemente alimentados.

Breve descripción

[0006] De acuerdo con aspectos de la presente memoria descriptiva, se presenta un parque eólico de acuerdo con la reivindicación 1. El parque eólico incluye una pluralidad de estaciones de turbina eólica, donde cada una de la pluralidad de estaciones de turbina eólica incluye una turbina eólica y un subsistema de generador acoplado operativamente a la turbina eólica. El subsistema de generador incluye un generador de inducción doblemente alimentado configurado para generar un voltaje de corriente alterna y un convertidor de potencia de estación de turbina eólica acoplado eléctricamente al generador de inducción doblemente alimentado. Además, el parque eólico incluye un subsistema de recogida de potencia acoplado eléctricamente a la pluralidad de estaciones de turbina eólica, donde el subsistema de recogida de potencia incluye un bus de potencia acoplado eléctricamente a los subsistemas de generador de la pluralidad de estaciones de turbina eólica y un convertidor de potencia de subestación acoplado eléctricamente al bus de potencia. Además, el parque eólico también incluye un sistema de control acoplado operativamente a los convertidores de potencia de estación de turbina eólica de la pluralidad de estaciones de turbina eólica y al convertidor de potencia de subestación, donde el sistema de control está configurado para determinar una métrica de velocidad de viento, estimar una métrica de frecuencia correspondiente a la métrica de velocidad de viento, calcular una frecuencia deseable en base a la métrica de velocidad de viento y los intervalos de compensación de frecuencia de los convertidores de potencia de estación de turbina eólica de manera que una diferencia entre la frecuencia deseable y la métrica de frecuencia esté dentro de los intervalos de compensación de frecuencia de los convertidores de potencia de estación de turbina eólica. Adicionalmente, el sistema de control también está configurado para generar y comunicar consignas de control al convertidor de potencia de subestación en base a la frecuencia deseada. El convertidor de potencia de subestación está configurado para actualizar una frecuencia de línea de un voltaje de bus de potencia en base a la frecuencia deseable para controlar la generación de potencia por la pluralidad de estaciones de turbina eólica.

[0007] De acuerdo con otro aspecto de la presente memoria descriptiva, se presenta un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 12 para operar un parque eólico. El parque eólico incluye una pluralidad de estaciones de turbina eólica, un sistema de control y un subsistema de recogida de potencia acoplado eléctricamente a la pluralidad de estaciones de turbina eólica, donde cada una de la pluralidad de estaciones de turbina eólica incluye una turbina eólica y un subsistema de generador que tiene un generador de inducción doblemente alimentado y un convertidor de potencia de estación de turbina eólica, donde el subsistema de recogida de potencia incluye un bus de potencia y un convertidor de potencia de subestación. El procedimiento incluye determinar una métrica de velocidad de viento correspondiente a la pluralidad de estaciones de turbina eólica, estimar una métrica de frecuencia correspondiente a la métrica de velocidad de viento, calcular una frecuencia deseable del bus de potencia en base a la métrica de velocidad de viento e intervalos de compensación de frecuencia de los convertidores de potencia de estación de turbina eólica de manera que una diferencia entre la frecuencia deseable y la métrica de frecuencia esté dentro de los intervalos de compensación de frecuencia de los convertidores de potencia de estación de turbina eólica, generar consignas de control en base a la frecuencia deseable y comunicar consignas de control al convertidor de potencia de subestación para actualizar una frecuencia de línea de un voltaje de bus de potencia en base a la frecuencia deseable.

Dibujos

[0008] Estas y otras características, aspectos y ventajas de la presente memoria descriptiva se entenderán mejor cuando la siguiente descripción detallada se lea con referencia a los dibujos adjuntos en los que caracteres similares representan partes similares en todos los dibujos, en los que:

la FIG. 1 es una representación diagramática de un parque eólico, de acuerdo con aspectos de la presente memoria descriptiva;

la FIG. 2 es una representación diagramática de otro modo de realización de una estación eólica para su uso en el parque eólico de la FIG. 1, de acuerdo con aspectos de la presente memoria descriptiva;

la FIG. 3 es una representación diagramática de otro modo de realización de un parque eólico, de acuerdo con aspectos de la presente memoria descriptiva; y

la FIG. 4 es un diagrama de flujo de un procedimiento de ejemplo para operar el parque eólico de la FIG. 1, de acuerdo con aspectos de la presente memoria descriptiva.

Descripción detallada

[0009] En la siguiente memoria descriptiva y las reivindicaciones, las formas en singular "un(a)" y "el/la" incluyen referencias en plural a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Como se usa en el presente documento, el término "o" no pretende ser exclusivo y se refiere a que al menos uno de los componentes referenciados está presente e incluye casos en los que puede haber una combinación de los componentes referenciados, a menos que el contexto indique claramente lo contrario.

[0010] Como se usa en el presente documento, los términos "puede" y "puede ser/estar" indican una posibilidad de aparición dentro de un conjunto de circunstancias; posesión de una propiedad, característica o función específica; y/o calificar otro verbo expresando una o más de una habilidad, capacidad o posibilidad asociada al verbo calificado. En consecuencia, el uso de "puede" y "puede ser/estar" indica que un término modificado es aparentemente apropiado, capaz o adecuado para una capacidad, función o uso indicados, teniendo en cuenta que, en algunas circunstancias, el término modificado puede no ser, a veces, apropiado, capaz o adecuado.

[0011] Como se describirá en detalle a continuación en el presente documento, se presentan diversos modos de realización de un parque eólico y un procedimiento para operar el parque eólico. En particular, los modos de realización del parque eólico presentados en el presente documento emplean convertidores de potencia de estación de turbina eólica que ocupan menos superficie que los convertidores de potencia usados en los parques eólicos tradicionales. Además, los modos de realización del parque eólico y/o de las estaciones de turbina eólica que se presentan a continuación en el presente documento evitan la necesidad de transformadores de montaje en plataforma costosos y voluminosos que se usan típicamente en los parques eólicos tradicionales. El uso de convertidores de potencia de estación de turbina eólica más pequeños y la ausencia del voluminoso transformador de montaje en plataforma ayudan a reducir la superficie que ocupan las estaciones de turbina eólica.

[0012] La FIG. 1 es una representación diagramática 100 de un parque eólico 102, de acuerdo con aspectos de la presente memoria descriptiva. En algunos modos de realización, el parque eólico 102 puede acoplarse eléctricamente a una red eléctrica 104 y configurarse para proporcionar energía a la red eléctrica 104. El parque eólico 102 incluye una pluralidad de estaciones de turbina eólica 106, 108 y 110 y un subsistema de recogida de potencia 112 acoplado eléctricamente a la pluralidad de estaciones de turbina eólica 106-110. Aunque en el modo de realización de la FIG. 1 se muestran tres estaciones de turbina eólica 106-110, también se prevé un parque eólico que emplee un número mayor o menor de estaciones de turbina eólica. El parque eólico 102 también incluye un sistema de control 114 acoplado operativamente a las estaciones de turbina eólica 106-110 y al subsistema de recogida de potencia 112.

[0013] La red eléctrica 104 puede ser representativa de una red interconectada para suministrar energía de red (por ejemplo, electricidad) desde una o más estaciones de generación de potencia a consumidores a través de líneas de transmisión de alto/medio voltaje. A modo de ejemplo, la red eléctrica 104 puede ser una red de suministro de potencia, una microrred o una minirred. El término "microrred", como se usa en el presente documento, se refiere a un sistema de generación y suministro de potencia que es capaz de suministrar potencia eléctrica de menos de 10 kW. El término "minirred", como se usa en el presente documento, se refiere a un sistema de generación y suministro de potencia que es capaz de suministrar potencia eléctrica de 10 kW y más. Una frecuencia de un voltaje de red eléctrica 104 se denomina en lo sucesivo frecuencia de red. A modo de ejemplo, la frecuencia de red de una red de suministro de potencia en la India y los Estados Unidos es, respectivamente, de 50 Hz y 60 Hz. La frecuencia de red de la microrred y/o la minirred puede ser similar o diferente a la frecuencia de red de la red de suministro de potencia.

[0014] En algunos modos de realización, el parque eólico 102 está configurado para suministrar voltaje y corriente a la red eléctrica 104 de manera que la frecuencia del voltaje y la corriente suministrados por el parque eólico 102 se mantenga dentro de un intervalo de tolerancia de frecuencia de red. El intervalo de tolerancia de frecuencia de red se puede definir como un porcentaje de la frecuencia de red. A modo de ejemplo, el intervalo de tolerancia de frecuencia de red puede tener un intervalo de frecuencias desde aproximadamente el -5 % de la frecuencia de red hasta aproximadamente el 5 % de la frecuencia de red. Puede observarse que un valor de cero del intervalo de tolerancia de frecuencia de red indica que es deseable que las frecuencias del voltaje y la corriente suministrados por el parque eólico 102 a la red eléctrica 104 sean iguales a la frecuencia de red.

[0015] Para facilitar la ilustración, los componentes de una sola estación de turbina eólica 106 se muestran en la FIG. 1. En el parque eólico 102, las estaciones de turbina eólica 106-110 pueden tener configuraciones similares o diferentes. En una configuración actualmente contemplada, la estación de turbina eólica 106 incluye una turbina eólica 116 y un subsistema de generador 118. El subsistema de generador 118 puede estar acoplado operativamente a la turbina eólica 116. En algunos modos de realización, el subsistema de generador 118 incluye uno o más de un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG) 122, un convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 y un transformador en el lado de línea 126.

[0016] En determinados modos de realización, la turbina eólica 116 puede incluir un rotor 128, una torre 130 y un eje 132 acoplado al rotor 128. El rotor 128 está montado en la torre 130. Además, una pluralidad de palas de rotor 134 está acoplada al eje 132. La turbina eólica 116 se puede acoplar operativamente al subsistema de generador 118 por medio del eje 132. Durante la operación, en base a la velocidad y la dirección del viento, las palas de rotor 134 giran haciendo que el eje 132 gire. La velocidad de rotación del eje 132 puede basarse en varios parámetros que incluyen, pero sin limitarse a, un pitch de las palas de rotor 134 y un par de torsión ejercido sobre las palas de rotor 134.

[0017] El DFIG 122 puede incluir un estátor 136, un rotor 138, un devanado de estátor 140 dispuesto en el estátor 136 y un devanado de rotor 142 dispuesto en el rotor 138. En algunos modos de realización, tanto el devanado de estátor 140 como el devanado de rotor 142 pueden ser devanados multifase, tal como un devanado trifásico. En el DFIG 122, el devanado de estátor 140 y el devanado de rotor 142 están configurados para facilitar las conexiones eléctricas a otros elementos del subsistema de generador 118.

[0018] Además, el rotor 138 del DFIG 122 está acoplado típicamente de forma mecánica al eje 132, directamente o por medio de un mecanismo de engranajes (no mostrado). En consecuencia, cualquier rotación del eje 132 debido a una fuerza ejercida por el viento sobre las palas de rotor 134 puede dar como resultado la rotación del rotor 138. La velocidad de rotación del rotor 138 del DFIG 122 depende de la velocidad del viento. Además, la velocidad de rotación del rotor 138 puede ser una velocidad síncrona, una velocidad subsíncrona o una velocidad supersíncrona. En un ejemplo, la velocidad síncrona del rotor 138 se puede definir usando la ecuación (1).

[0019] En la ecuación (1), N^s representa la velocidad síncrona del rotor 138, p representa un número de polos en el rotor 138 y f representa una frecuencia de un voltaje generado en el devanado de estátor 140. En consecuencia, una velocidad subsíncrona del rotor 138 puede definirse como cualquier velocidad que sea menor que la velocidad síncrona del rotor 138. De manera similar, una velocidad supersíncrona del rotor 138 puede definirse como cualquier velocidad que sea más alta que la velocidad síncrona del rotor 138.

[0020] Durante la operación, cuando se hace girar el rotor 138, el DFIG 122 puede estar configurado para generar un voltaje de corriente alterna (CA) en el devanado de estátor 140. El voltaje de CA generado en el devanado de estátor 140 se denomina en lo sucesivo voltaje de estátor. Además, el DFIG 122 también puede configurarse para generar o absorber un voltaje de CA en el devanado de rotor 142 en base a la velocidad de operación del rotor 138. A modo de ejemplo, el DFIG 122 puede configurarse para generar un voltaje de CA en el devanado de rotor 142 cuando el rotor 138 es operado a la velocidad supersíncrona. Sin embargo, el DFIG 122 puede configurarse para absorber un voltaje de CA en el devanado de rotor 142 cuando el rotor 138 es operado a la velocidad subsíncrona. Una magnitud del voltaje generado o absorbido por el devanado de rotor 142 puede basarse en un valor de deslizamiento (S) del DFIG 122. En un modo de realización, el valor de deslizamiento S se puede determinar usando la ecuación (2).

donde N^s representa la velocidad síncrona del rotor 138 y N^r representa revoluciones por minuto (rpm) del rotor 138.

[0021] Típicamente, la frecuencia de un voltaje generado por un generador acoplado a una turbina eólica depende de la velocidad del viento en las proximidades de la turbina eólica. Por ejemplo, las variaciones en la velocidad del viento en las proximidades de la turbina eólica dan como resultado variaciones en la frecuencia del voltaje generado por el generador. En consecuencia, en ciertos casos, la frecuencia del voltaje generado por el generador puede no coincidir con la frecuencia de un voltaje de red o con la frecuencia de un subsistema de recogida de potencia. De acuerdo con aspectos de la presente memoria descriptiva, el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 está configurado para modificar la frecuencia del voltaje de estátor generado por el DFIG 122 de manera que la frecuencia del voltaje de estátor generado por el DFIG 122 sea igual a la frecuencia de red o a una frecuencia del subsistema de recogida de potencia 112.

[0022] En algunos modos de realización, el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 está configurado para introducir una variación en la frecuencia del voltaje de estátor generado por el DFIG 122. En particular, el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 está configurado para introducir variaciones en la frecuencia del voltaje de estátor en base a un intervalo de compensación de frecuencia del convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124. El término "intervalo de compensación de frecuencia" como se usa en el presente documento es representativo de un intervalo de variaciones de frecuencia que el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 es capaz de introducir en el voltaje de estátor generado por el DFIG 122. A modo de ejemplo, si el intervalo de compensación de frecuencia del convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 es 0-10 Hz, el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 es capaz de introducir variaciones de frecuencia en el voltaje de estátor en un intervalo de aproximadamente 10 Hz a aproximadamente -10 Hz.

[0023] Típicamente, en las configuraciones tradicionales de las estaciones de turbina eólica, convertidores que ocupan una mayor superficie se usan junto con un DFIG, ya que estos convertidores tienen, en general, un régimen nominal de aproximadamente el 25-35 % de la potencia total generada por el DFIG. De acuerdo con los aspectos de la presente memoria descriptiva, un convertidor que ocupe una menor superficie se puede usar en el subsistema de generador 118. Más en particular, el intervalo de compensación de frecuencia del convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 puede seleccionarse de modo que el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 pueda ocupar menos superficie que los convertidores convencionales usados en las estaciones de turbina eólica tradicionales. Específicamente, la menor superficie ocupada del convertidor de potencia de turbina eólica 124 se puede lograr seleccionando un intervalo de compensación de frecuencia estrecho.

[0024] Además, la cantidad de variación de frecuencia introducida por el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 en el voltaje de estátor depende de que se extraiga una corriente del devanado de rotor 142 o de que se suministre una corriente al devanado de rotor 142 por el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124. A modo de ejemplo, un valor más bajo de corriente que se extrae del devanado de rotor 142 o un valor más bajo de corriente que se suministra al devanado de rotor 142 por el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 da como resultado un valor más pequeño de variación de frecuencia introducida por el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 en el voltaje de estátor. Por lo tanto, el uso de un intervalo de compensación de frecuencia estrecho da como resultado un valor más bajo de la corriente que se extrae del devanado de rotor 142 por el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 o de la corriente que se suministra al devanado de rotor 142.

[0025] Además, la potencia nominal y/o la capacidad de corriente nominal del convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 depende de la cantidad de corriente extraída del devanado de rotor 142 o suministrada al devanado de rotor 142 por el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124. En consecuencia, utilizar el intervalo de compensación de frecuencia estrecho permite el uso de un convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 que tiene una capacidad de corriente nominal más baja o una potencia nominal más baja, lo que a su vez da como resultado que el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 ocupe menos superficie que los convertidores de potencia tradicionales de estación de turbina eólica. A modo de ejemplo, en la configuración de la FIG. 1, el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 puede tener un régimen nominal de aproximadamente el 5 % -10 % de la potencia generada por el DFIG 122.

[0026] Como se indicó previamente, la magnitud del voltaje de CA y/o de la corriente generada o absorbida por el devanado de rotor 142 puede basarse en un valor de deslizamiento S del DFIG 122. Además, la cantidad de variación de frecuencia y, por lo tanto, el intervalo de compensación de frecuencia depende de la corriente generada o absorbida por el devanado de rotor 142. Por lo tanto, en determinados modos de realización, el intervalo de compensación de frecuencia del convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 también puede definirse o restringirse ajustando el valor de deslizamiento S.

[0027] En algunos modos de realización, el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 puede incluir un convertidor CA-CA. En el modo de realización específico de la FIG. 1, el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 incluye un convertidor en el lado de rotor 144 y un convertidor en el lado de línea 146. El convertidor en el lado de rotor 144 incluye un convertidor CA-CC configurado para convertir una potencia de CA en una potencia de CC o viceversa, y el convertidor en el lado de línea 146 incluye un convertidor CC-CA configurado para convertir la potencia de CC en una potencia de CA o viceversa. El convertidor en el lado de rotor 144 y el convertidor en el lado de línea 146 están acoplados eléctricamente entre sí por medio de un enlace de CC (no mostrado). El convertidor en el lado de rotor 144 está acoplado eléctricamente al devanado de rotor 142 del DFIG 122. El convertidor en el lado de línea 146 está acoplado eléctricamente al devanado de estátor 140 del DFIG 122 directamente o por medio del transformador en el lado de línea 126, como se muestra en la FIG. 1. Además, en algunos modos de realización, el devanado de estátor 140 puede acoplarse directamente a un nodo eléctrico 148, en una salida de la estación de turbina eólica 106. El nodo eléctrico 148 puede denominarse generalmente nodo eléctrico de salida 148. Además, en algunos modos de realización, el convertidor en el lado de línea 146 puede acoplarse al nodo eléctrico de salida 148 por medio del transformador en el lado de línea 126.

[0028] Puede observarse que las configuraciones de las otras estaciones de turbina eólica 108, 110 pueden ser similares a la configuración de la estación de turbina eólica 106. Sin embargo, en otros modos de realización, las configuraciones de las otras estaciones de turbina eólica 108, 110 pueden ser diferentes de la configuración de la estación de turbina eólica 106. Una de dichas configuraciones alternativas de la estación de turbina eólica 106 se ilustra en la FIG. 2

[0029] En algunos modos de realización, el subsistema de recogida de potencia 112 puede estar acoplado eléctricamente a cada una de las estaciones de turbina eólica 106-110. El subsistema de recogida de potencia 112 incluye un bus de potencia 150 y un convertidor de potencia de subestación 152 acoplado eléctricamente al bus de potencia 150. El bus de potencia 150 puede acoplarse eléctricamente a los nodos eléctricos de salida 148 de cada una de las estaciones de turbina eólica 106-110 para recibir potencia eléctrica desde cada una de las estaciones de turbina eólica 106-110. El bus de potencia 150 puede ser un bus trifásico configurado para transportar una potencia de CA trifásica. El convertidor de potencia de subestación 152 incluye típicamente un convertidor de potencia CA-CA. En determinados modos de realización, el convertidor de potencia de subestación 152 puede incluir un convertidor CA-CC acoplado a un convertidor CC-CA por medio de un enlace de CC.

[0030] En algunos modos de realización, el convertidor de potencia de subestación 152 del subsistema de recogida de potencia 112 se puede acoplar a la red eléctrica 104 por medio de un transformador de subestación 154. Más en particular, el transformador de subestación 154 puede estar acoplado entre una salida 158 del convertidor de potencia de subestación 152 y la red eléctrica 104 a lo largo de un bus de interconexión 160. El transformador de subestación 154 se usa para aislar eléctricamente el convertidor de potencia de subestación 152 con respecto a la red eléctrica 104, protegiendo así el convertidor de potencia de subestación 152 de cualquier anomalía en la red eléctrica 104. En determinados modos de realización, la salida 158 del convertidor de potencia de subestación 152 puede conectarse directamente a la red eléctrica 104 usando el bus de interconexión 160.

[0031] Como se indicó previamente, el sistema de control 114 está acoplado operativamente a las estaciones de turbina eólica 106-110 y al subsistema de recogida de potencia 112. Más en particular, el sistema de control 114 se puede acoplar operativamente al convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 de cada una de la pluralidad de estaciones de turbina eólica 106-110 y al convertidor de potencia de subestación 152 para controlar el funcionamiento de los convertidores de potencia de estación de turbina eólica 124 y del convertidor de potencia de subestación 152. Aunque se muestra un único sistema de control 114 en la FIG. 1 para facilitar la ilustración, se pueden emplear múltiples sistemas de control.

[0032] En algunos modos de realización, el sistema de control 114 puede incluir un ordenador de propósito general especialmente programado, un microprocesador, un procesador de señales digitales y/o un microcontrolador. El sistema de control 114 también puede incluir puertos de entrada/salida y un medio de almacenamiento, tal como una memoria electrónica. Diversos ejemplos del microprocesador incluyen, pero no se limitan a, un microprocesador de arquitectura tipo cálculo de conjunto de instrucciones reducido (RISC) o un microprocesador de arquitectura tipo cálculo de conjunto de instrucciones complejo (CISC). Además, el microprocesador puede ser de un solo núcleo o de varios núcleos. De forma alternativa, el sistema de control 114 puede implementarse como elementos de hardware, tales como placas de circuito con procesadores, o como software que se ejecuta en un procesador, tal como un ordenador personal (PC) comercial estándar o un microcontrolador.

[0033] En algunos modos de realización, el sistema de control 114 está configurado para comunicar señales de control o consignas de control a los convertidores de potencia de estación de turbina eólica 124 de cada una de la pluralidad de estaciones de turbina eólica 106-110 y al convertidor de potencia de subestación 152 para controlar el funcionamiento de las estaciones de turbina eólica 106-110 y del convertidor de potencia de subestación 152. A modo de ejemplo, el sistema de control 114 está configurado para comunicar señales de control o consignas de control a los convertidores de potencia de estación de turbina eólica 124 de cada estación de turbina eólica 106-110 y al convertidor de potencia de subestación 152 para actualizar una frecuencia de línea del voltaje de bus de potencia en base a los respectivos intervalos de compensación de frecuencia de los convertidores de potencia de estación de turbina eólica 124 de cada estación de turbina eólica 106-110 y facilitar la generación de un voltaje de CA que tenga una frecuencia que coincida con la frecuencia de línea del voltaje de bus de potencia.

[0034] Además, el sistema de control 114 está configurado para determinar una métrica de velocidad de viento. Diversos ejemplos de la métrica de velocidad de viento pueden incluir, pero sin limitarse a, una velocidad promedio de viento dentro del parque eólico 102, una velocidad promedio ponderada de viento dentro del parque eólico 102, una velocidad instantánea de viento dentro del parque eólico 102, o combinaciones de las mismas. En algunos modos de realización, los valores de la velocidad promedio de viento, la velocidad promedio ponderada de viento, la velocidad instantánea de viento o combinaciones de los mismos pueden recibirse desde un satélite.

[0035] En determinados modos de realización, para ayudar en la determinación de la métrica de velocidad de viento, cada estación de turbina eólica 106-110 puede incluir uno o más sensores de velocidad de viento (no mostrados) que están acoplados comunicativamente al sistema de control 114. En un modo de realización, los sensores de velocidad de viento pueden estar dispuestos en las respectivas torres 130 de las correspondientes turbinas eólicas 116. Además, los sensores de velocidad de viento pueden configurarse para generar señales indicativas de una velocidad instantánea de viento en las respectivas ubicaciones de los sensores y para comunicar las señales indicativas de la velocidad instantánea de viento al sistema de control 114. El sistema de control 114 se puede emplear para determinar la métrica de velocidad de viento en base a las señales recibidas desde los sensores de velocidad de viento.

[0036] El sistema de control 114 está configurado además para estimar una métrica de frecuencia correspondiente a la métrica de velocidad de viento. El término "métrica de frecuencia" se usa para hacer referencia a una frecuencia del voltaje de estátor que se genera en el devanado de estátor 140 del DFIG 122 si el devanado de rotor 142 está en cortocircuito. Puede observarse que una configuración del DFIG 122 cuando el devanado de rotor 142 está en cortocircuito corresponde a una configuración de un generador síncrono típico. En consecuencia, el término "métrica de frecuencia" puede ser representativo de una frecuencia de un voltaje de estátor generado por el generador síncrono típico sin compensación de frecuencia. El sistema de control 114 está configurado para estimar la métrica de frecuencia correspondiente a la métrica de velocidad del viento en base a uno o más de entre las rpm Nr del rotor 138 y un número de polos p del rotor 138, donde las rpm Nr del rotor 138 depende de la métrica de velocidad de viento. Más en particular, en determinados modos de realización, además de la métrica de velocidad de viento, las rpm N^r del rotor 138 dependen de parámetros que incluyen, pero sin limitarse a, las dimensiones de las palas de rotor 134, el pitch de las palas de rotor 134, una relación de transmisión entre la turbina eólica 116 y el DFIG 122, o combinaciones de los mismos. Además, en la presente configuración de la FIG.

1, se supone que todos los DFIG 122 tienen un número similar de polos p. En consecuencia, un valor de la métrica de frecuencia es similar para todos los DFIG 122 del parque eólico 102. En un ejemplo, la métrica de frecuencia f^m se puede determinar usando la ecuación (3).

[0037] Además, el sistema de control 114 está configurado para calcular una frecuencia deseable para el bus de potencia 150. El término "frecuencia deseable" se usa para hacer referencia a un valor deseable de una frecuencia de línea del voltaje de bus de potencia del bus de potencia 150. En particular, la frecuencia deseable se calcula en base a la métrica de velocidad de viento y los intervalos de compensación de frecuencia de los convertidores de potencia de estación de turbina eólica 124 de manera que una diferencia entre la frecuencia deseable calculada y la métrica de frecuencia esté dentro de los intervalos de compensación de frecuencia de los convertidores de potencia de estación de turbina eólica 124 de las estaciones de turbina eólica 106. Como se indicó previamente, en el parque eólico 102 se utilizan convertidores de potencia de estación de turbina eólica 124 que tienen intervalos de compensación de frecuencia estrechos. El cálculo de la frecuencia deseable en base a los intervalos de compensación de frecuencia de los correspondientes convertidores de potencia de estación eólica 124 permite/habilita que los convertidores de potencia de estación de turbina eólica 124 ajusten las frecuencias de los respectivos voltajes de estátor de manera que las frecuencias de los respectivos voltajes de estátor se mantengan dentro de un intervalo de tolerancia de frecuencia de línea. El intervalo de tolerancia de frecuencia de línea puede definirse como un porcentaje de la frecuencia de línea del voltaje de bus de potencia. A modo de ejemplo, el intervalo de tolerancia de frecuencia de línea puede tener un intervalo de frecuencias desde aproximadamente el -5 % de la frecuencia de línea hasta aproximadamente el 5 % de la frecuencia de línea.

[0038] Adicionalmente, el sistema de control 114 está configurado para generar consignas de control para el convertidor de potencia de subestación 152 en base a la frecuencia deseable. El sistema de control 114 también está configurado para comunicar las consignas de control al convertidor de potencia de subestación 152. En respuesta a dichas consignas de control, el convertidor de potencia de subestación 152 está configurado para actualizar la frecuencia de línea del voltaje de bus de potencia para controlar la generación de potencia por parte de la pluralidad de estaciones de turbina eólica 106-110. Más en particular, el convertidor de potencia de subestación 152 está configurado para actualizar la frecuencia de línea del voltaje de bus de potencia para que coincida con la frecuencia deseable. A modo de ejemplo, si el intervalo de compensación de frecuencia de los convertidores de potencia de estación de turbina eólica 124 es 0-10 Hz y la métrica de frecuencia para una métrica de velocidad del viento dada es 30 Hz, la frecuencia deseable calculada puede ser un valor en un intervalo de aproximadamente 30 Hz a aproximadamente 40 Hz. En un ejemplo, la frecuencia deseable calculada puede ser de 35 Hz. En consecuencia, el convertidor de potencia de subestación 152 está configurado para actualizar la frecuencia de línea del voltaje de bus de potencia para que coincida con la frecuencia deseable calculada de 35 Hz.

[0039] En determinados modos de realización, el sistema de control 114 está configurado para calcular un valor deseable de un voltaje de bus de potencia. En particular, el sistema de control 114 está configurado para calcular el valor deseable del valor de voltaje de bus de potencia basándose al menos en la frecuencia deseable calculada de manera que la relación entre el valor deseable del voltaje de bus de potencia y la frecuencia deseable calculada sea constante o permanezca sustancialmente constante. En algunos modos de realización, el sistema de control 114 está configurado para generar consignas de control para el convertidor de potencia de subestación 152 en base al valor deseable calculado del voltaje de bus de potencia. Adicionalmente, el sistema de control 114 está configurado para comunicar las consignas de control al convertidor de potencia de subestación 152. El convertidor de potencia de subestación 152 está configurado para actualizar la magnitud del voltaje de bus de potencia del bus de potencia 150 para que coincida con el valor deseable calculado del valor de voltaje de bus de potencia en base a las consignas de control recibidas desde el sistema de control 114.

[0040] Además, el sistema de control 114 está configurado para generar consignas de control para los convertidores de potencia de estación de turbina eólica 124 de las estaciones de turbina eólica 106-110 en base a la frecuencia de línea del voltaje de bus de potencia. El sistema de control 114 también está configurado para comunicar las consignas de control a los convertidores de potencia de estación de turbina eólica 124 de las estaciones de turbina eólica 106-110. Los convertidores de potencia de estación de turbina eólica 124 están configurados para establecer una frecuencia del voltaje de estátor generado por el DFIG 122 respectivo en un valor dentro de un intervalo de tolerancia de frecuencia de línea del voltaje de bus de potencia. En algunos modos de realización, el intervalo de tolerancia de frecuencia de línea puede ser cero. En este ejemplo, es deseable que la frecuencia del voltaje de estátor generado por los respectivos DFIG 122 y la frecuencia de línea del voltaje de bus de potencia tengan valores sustancialmente similares/valores iguales. Como se indicó previamente, el intervalo de tolerancia de frecuencia de línea se define como un porcentaje de la frecuencia de línea del voltaje de bus de potencia. Además, un valor de cero del intervalo de tolerancia de frecuencia de línea indica que es deseable que la frecuencia del voltaje de estátor suministrado por el DFIG 122 al bus de potencia 150 sea igual a la frecuencia de línea del voltaje de bus de potencia.

[0041] Además, en situaciones en las que el rotor 138 del DFIG 122 está operando a una velocidad subsíncrona, tras recibir las consignas de control desde el sistema de control 114, un convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 está configurado para suministrar una corriente al devanado de rotor correspondiente 142 de manera que la frecuencia del respectivo voltaje de estátor se mantenga dentro del intervalo de tolerancia de frecuencia de línea. En este ejemplo, después de recibir las consignas de control desde el sistema de control 114, para modificar la frecuencia del voltaje de estátor, el respectivo convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 puede estar configurado para suministrar una corriente al respectivo devanado de rotor 142 de manera que la frecuencia del voltaje de estátor se mantenga a 35 Hz, suponiendo al mismo tiempo que el intervalo de tolerancia de frecuencia de línea es 0. La corriente que se suministra al devanado de rotor 142 puede extraerse del devanado de estátor 140 por medio del convertidor en el lado de línea 146 y el convertidor en el lado de rotor 144. En consecuencia, el convertidor en el lado de línea 146 puede operarse como un convertidor de CA a CC y el convertidor en el lado de rotor 144 puede operarse como un convertidor de CC a CA.

[0042] Además, en situaciones en las que el rotor 138 del DFIG 122 está operando a una velocidad supersíncrona, tras recibir las consignas de control desde el sistema de control 114, el respectivo convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 está configurado para extraer una corriente del devanado de rotor correspondiente 142 de manera que la frecuencia del respectivo voltaje de estátor se mantenga dentro del intervalo de tolerancia de frecuencia de línea. En este ejemplo, tras recibir las consignas de control desde el sistema de control 114, para modificar una frecuencia del voltaje de estátor, el respectivo convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 puede estar configurado para extraer una corriente del devanado de rotor correspondiente 142 de manera que la frecuencia del respectivo voltaje de estátor se mantenga a 35 Hz, suponiendo al mismo tiempo que el intervalo de tolerancia de frecuencia de línea es 0. En consecuencia, el convertidor en el lado de rotor 144 puede operarse como un convertidor de CA a CC y el convertidor en el lado de línea 146 puede operarse como un convertidor de CC a CA.

[0043] Además, el sistema de control 114 está configurado para comunicar consignas de control al convertidor de potencia de subestación 152 para facilitar la generación de un voltaje de salida que tiene una frecuencia objetivo en la salida 158 del convertidor de potencia de subestación 152 en base al voltaje de bus de potencia. Como se indicó previamente, el voltaje de bus de potencia se mantiene a la frecuencia de línea que puede tener un valor diferente al de la frecuencia de red. Puede ser deseable que el voltaje de salida suministrado por el parque eólico 102 a la red eléctrica 104 por medio del bus de interconexión 160 sea compatible con el voltaje de red para facilitar un suministro eficiente de energía desde el parque eólico 102 a la red eléctrica 104. Más en particular, puede ser deseable que la frecuencia del voltaje de salida suministrado por el parque eólico 102 a la red eléctrica 104 sea igual a la frecuencia de red. En consecuencia, el convertidor de potencia de subestación 152 está configurado para generar un voltaje de salida que tenga una frecuencia objetivo en la salida 158 del convertidor de potencia de subestación 152. La frecuencia objetivo es representativa de una frecuencia que se encuentra dentro del intervalo de tolerancia de frecuencia de red. Posteriormente, el voltaje de salida que tiene la frecuencia objetivo se puede suministrar a la red eléctrica 104 ya sea por medio del bus de interconexión 160 o directamente desde el transformador de subestación 154.

[0044] En determinadas situaciones, el parque eólico 102 se puede configurar para suministrar una potencia reactiva a la red eléctrica 104. T radicionalmente, un generador asociado a una turbina eólica está configurado para generar la potencia reactiva. Sin embargo, el propietario del parque eólico o de la estación de turbina eólica no tiene derecho a recibir ninguna compensación monetaria por la potencia reactiva suministrada. El parque eólico 102 está configurado para sortear los problemas antes mencionados. En particular, el convertidor de potencia de subestación 152 está configurado para generar la potencia reactiva, mientras que las estaciones de turbina eólica 106-110 están configuradas para generar más potencia activa.

[0045] De acuerdo con aspectos de la presente memoria descriptiva, la cantidad de potencia reactiva que se va a suministrar a la red eléctrica 104 está determinada por el sistema de control 114. En un modo de realización, el sistema de control 114 puede estar configurado para determinar la cantidad de potencia reactiva a suministrar en base a una magnitud del voltaje de salida del convertidor de potencia de subestación 152. En otro modo de realización, el sistema de control 114 puede estar configurado para recibir de un operador de la red eléctrica 104 información relacionada con la cantidad de potencia reactiva que se suministrará a la red eléctrica 104. Después de determinar la cantidad de potencia reactiva que se suministrará a la red eléctrica 104, el sistema de control 114 puede estar configurado para generar y comunicar consignas de control al convertidor de potencia de subestación 152 para facilitar la generación de la cantidad deseada de potencia reactiva. En respuesta a las consignas de control del sistema de control 114, el convertidor de potencia de subestación 152 está configurado para generar y suministrar la potencia reactiva a la red eléctrica 104.

[0046] Como se indicó anteriormente en el presente documento, bajo el control de supervisión del sistema de control 114, el convertidor de potencia de subestación 152 actualiza la frecuencia de línea del voltaje de bus de potencia en base a la frecuencia deseable del bus de potencia 150. Puede observarse que el convertidor de potencia de subestación 152 está configurado para actualizar la frecuencia de línea del voltaje de bus de potencia independientemente de la frecuencia de red. En consecuencia, las estaciones de turbina eólica 106-110 están configuradas para proporcionar voltajes que tienen una frecuencia que es igual a la frecuencia de línea del bus de potencia 150 o tienen valores dentro del intervalo de tolerancia de frecuencia de línea.

[0047] Dado que la frecuencia de línea del bus de potencia 150 está basada en los intervalos de compensación de frecuencia de los convertidores de potencia de estación de turbina eólica 124 y la métrica de velocidad del viento asociada al parque eólico 102, los convertidores de potencia de estación de turbina eólica 124 que tienen intervalos de compensación de frecuencia estrechos pueden utilizarse en el parque eólico 102. Además, dichos convertidores de potencia de estación de turbina eólica 124 que tienen intervalos de compensación de frecuencia estrechos son menos voluminosos y ocupan menos superficie que las alternativas tradicionales. Además, en la configuración actualmente contemplada de la FIG. 1, mientras que los convertidores de potencia de estación de turbina eólica 124 que tienen intervalos de compensación estrechos son una parte integrante de las estaciones de turbina eólica 106-110, el convertidor de potencia de subestación 152 está dispuesto en el exterior de las estaciones de turbina eólica 106-110. Además, el convertidor de potencia de subestación 152 está configurado para convertir el voltaje de bus de potencia que tiene la frecuencia de línea en el voltaje de salida que tiene la frecuencia objetivo, garantizando así la compatibilidad con los requisitos de red.

[0048] Además, al usar el convertidor de potencia de subestación 152 para facilitar la conversión a escala completa además de una conversión de potencia parcial facilitada por el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124, las estaciones de turbina eólica 106-110 pueden conectarse directamente al subsistema de recogida de potencia 112 sin usar ningún transformador de montaje en plataforma entre las mismas. Más en particular, los devanados de estátor 140 de los DFIG 122 de las estaciones de turbina eólica 106-110 pueden conectarse directamente al bus de potencia 150 del subsistema de recogida de potencia 112, evitando así la necesidad de cualquier transformador.

[0049] Puede observarse que en el modo de realización de la FIG. 1, cualquier reducción en la cantidad de variaciones de frecuencia introducidas por el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 puede dar como resultado un aumento en el tamaño del transformador en el lado de línea 126. En dichos casos, un modo de realización de la estación de turbina eólica 200 de la FIG. 2 proporciona una configuración alternativa de la estación de turbina eólica que evita el uso de un transformador más voluminoso en el lado de línea.

[0050] En referencia ahora a la FIG. 2, se presenta una representación diagramática 200 de otro modo de realización 202 de la estación de turbina eólica 106 de la FIG. 1, de acuerdo con aspectos de la presente memoria descriptiva. La estación de turbina eólica 202 incluye una turbina eólica 204 acoplada operativamente a un subsistema de generador 206. En algunos modos de realización, el subsistema de generador 206 incluye uno o más de un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG) 208, un convertidor de potencia de estación de turbina eólica 210 y un generador 214. El generador 214 puede ser un generador basado en imanes permanentes o un generador de inducción. El DFIG 208 incluye, a su vez, un estátor 226, un devanado de estátor 212, un rotor 220 y un devanado de rotor 222. Además, el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 210 incluye un convertidor en el lado de línea 218 y un convertidor en el lado de rotor 224. La turbina eólica 204, el DFIG 208 y el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 210 son similares a los elementos correspondientes de la FIG. 1.

[0051] En el modo de realización de la FIG. 2, el generador 214 puede estar dispuesto en un eje 216 entre la turbina eólica 204 y el DFIG 208. Más en particular, un rotor (no mostrado) del generador 214 puede estar acoplado al eje 216. El generador 214 también puede estar acoplado eléctricamente al convertidor de potencia de estación de turbina eólica 210. En particular, un devanado de estátor (no mostrado) del generador 214 puede acoplarse eléctricamente al convertidor en el lado de línea 218 del convertidor de potencia de estación de turbina eólica 210.

[0052] En algunos modos de realización, cuando el DFIG 208 está operando a una velocidad supersíncrona, el convertidor en el lado de línea 218 del convertidor de potencia de estación de turbina eólica 210 está configurado para proporcionar excitación eléctrica al devanado de estátor del generador 214. La excitación eléctrica se puede proporcionar mediante el uso de una corriente extraída del devanado de rotor 222 del DFIG 208 por medio del convertidor en el lado de rotor 224 y del convertidor en el lado de línea 218. Además, la excitación eléctrica proporcionada al devanado de estátor del generador 214 puede introducir variaciones en la velocidad de rotación del rotor del generador 214. Las variaciones en la velocidad de rotación del rotor del generador 214 dependen de la magnitud de la excitación eléctrica proporcionada al devanado de estátor del generador 214. Además, las variaciones introducidas en la velocidad de giro del rotor pueden, a su vez, modular la velocidad de rotación del eje 216 y la del rotor 220 del DFIG 208. Además, las variaciones en la velocidad de rotación del rotor 220 del DFIG 208 pueden, a su vez, introducir variaciones en el voltaje de estátor generado por el devanado de estátor 212 del DFIG 208. En consecuencia, el generador 214 puede estar configurado para establecer una frecuencia del voltaje de CA generado por el DFIG 208 en un valor dentro del intervalo de tolerancia de frecuencia de línea en base a la excitación eléctrica proporcionada por el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 210. La cantidad de excitación eléctrica proporcionada por el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 210 puede ser controlada por el convertidor en el lado de línea 218 para facilitar la introducción de una variación de frecuencia deseable en el voltaje de estátor generado por el DFIG 208.

[0053] Puede observarse que cuando el DFIG 208 está operando a una velocidad subsíncrona, el convertidor en el lado de línea 218 del convertidor de potencia de estación de turbina eólica 210 está configurado para extraer una corriente generada en el devanado de estátor del generador 214. El convertidor en el lado de línea 218 está configurado para suministrar la corriente extraída al devanado de rotor 222 del DFIG 208 por medio del convertidor en el lado de rotor 224 de manera que la frecuencia del voltaje de estátor generado por el DFIG 208 tenga un valor dentro del intervalo de tolerancia de frecuencia de línea. Además, la magnitud de la corriente extraída del devanado de estátor del generador 214 puede ser controlada por el convertidor en el lado de línea 218 para facilitar la introducción de una variación de frecuencia deseable en el voltaje de estátor generado por el DFIG 208.

[0054] Como se indicó previamente con referencia a la estación de turbina eólica 106 de la FIG. 1, el convertidor de potencia de estación eólica 124 está configurado para suministrar una corriente al devanado de rotor 142 o extraer una corriente del devanado de rotor 142 para variar la frecuencia del voltaje de estátor mediante el uso del transformador en el lado de línea 126. Además, la corriente que se extrae del devanado de rotor 142 se suministra al devanado de estátor 140 por medio del transformador en el lado de línea 126.

[0055] Sin embargo, en la configuración de la estación de turbina eólica 202 de la FIG. 2, el uso del generador 214 evita la necesidad de acoplar el convertidor de potencia de estación de turbina eólica 210 al devanado de estátor 212 del DFIG 208. En consecuencia, la configuración de la estación de turbina eólica 202 de la FIG. 2 ayuda de forma ventajosa a evitar el uso de transformadores en el lado de línea que normalmente son voluminosos cuando manejan frecuencias y/o corrientes más bajas.

[0056] En determinados casos, cuando el parque eólico engloba un área grande o el parque eólico se distribuye en diferentes terrenos, la velocidad de viento puede no ser uniforme dentro del parque eólico. Por ejemplo, las estaciones de turbina eólica dispuestas en diferentes ubicaciones dentro de un parque eólico de este tipo pueden experimentar diferentes velocidades de viento. En consecuencia, operar los convertidores de potencia de estación de turbina eólica de todas las estaciones de turbina eólica para generar un voltaje de estátor que tenga una frecuencia de línea común puede ser perjudicial para el rendimiento y/o la vida útil de algunos de los convertidores de potencia de estación de turbina eólica. En dichos casos, puede ser deseable una configuración diferente del parque eólico. La FIG. 3 representa una representación diagramática 300 de uno de dichos parques eólicos 302, de acuerdo con aspectos de la presente memoria descriptiva.

[0057] El parque eólico 302 incluye estaciones de turbina eólica 304, 306, 308, 310, 312 y 314. Una o más de las estaciones de turbina eólica 304-314 pueden ser representativas de un modo de realización de la estación de turbina eólica 106 de la FIG. 1 o de la estación de turbina eólica 202 de la FIG. 2. Aunque el parque eólico 302 de la FIG. 3 se representa incluyendo seis estaciones de turbina eólica, también se prevé el uso de un número mayor o menor de estaciones de turbina eólica.

[0058] Además, de acuerdo con aspectos de la presente memoria descriptiva, las estaciones de turbina eólica 304-314 pueden clasificarse/segmentarse en una pluralidad de grupos de estaciones de turbina eólica. En algunos modos de realización, las estaciones de turbina eólica 304-314 pueden clasificarse en diferentes grupos de estaciones de turbina eólica en base a sus respectivas ubicaciones. Por ejemplo, las estaciones de turbina eólica que están ubicadas en un área geográfica particular o ubicadas de manera muy próxima entre sí pueden clasificarse en el mismo grupo de estaciones de turbina eólica. En el ejemplo de la FIG. 3, las estaciones de turbina eólica 304-308 se representan como parte de un primer grupo de estaciones de turbina eólica 316. De manera similar, las estaciones de turbina eólica 310-314 se representan como parte de un segundo grupo de estaciones de turbina eólica 318. Para facilitar la ilustración, el modo de realización de la FIG. 3 se representa incluyendo dos grupos de estaciones de turbina eólica 316, 318. Además, cada uno de los grupos de estaciones de turbina eólica 316, 318 se representa incluyendo tres estaciones de turbina eólica. Sin embargo, también se prevé el uso de un número mayor o menor de grupos de estaciones de turbina eólica en el parque eólico 302 y de estaciones de turbina eólica en cada grupo de estaciones de turbina eólica.

[0059] En algunos modos de realización, cada uno de los grupos de estaciones de turbina eólica 316, 318 está acoplado eléctricamente a un subsistema de recogida de potencia correspondiente 320, 322. Los subsistemas de recogida de potencia 320, 322 pueden ser representativos de un modo de realización del subsistema de recogida de potencia 112 de la FIG. 1. Además, el subsistema de recogida de potencia 320 incluye un bus de potencia 324 y un convertidor de potencia de subestación 326 acoplado eléctricamente al bus de potencia 324. El bus de potencia 324 está acoplado eléctricamente a las estaciones de turbina eólica 304, 306 y 308. En algunos modos de realización, el subsistema de recogida de potencia 320 también puede incluir un transformador de subestación 328 acoplado entre el convertidor de potencia de subestación 326 y una red eléctrica 330 a lo largo de un bus de interconexión 342. En determinados modos de realización, el convertidor de potencia de subestación 326 puede estar acoplado directamente a la red eléctrica 330 por medio del bus de interconexión 342.

[0060] El subsistema de recogida de potencia 322 incluye un bus de potencia 332 y un convertidor de potencia de subestación 334 acoplado eléctricamente al bus de potencia 332. En algunos modos de realización, el subsistema de recogida de potencia 322 también puede incluir un transformador de subestación 336 acoplado entre el convertidor de potencia de subestación 334 y la red eléctrica 330 a lo largo de un bus de interconexión 344. En determinados modos de realización, el convertidor de potencia de subestación 334 puede estar acoplado directamente a la red eléctrica 330 por medio del bus de interconexión 344. El bus de potencia 332 está acoplado eléctricamente a las estaciones de turbina eólica 310, 312 y 314.

[0061] El parque eólico 302 puede incluir además sistemas de control 338 y 340. El sistema de control 338 puede estar acoplado operativamente a las estaciones de turbina eólica 304, 306, 308 del primer grupo de estaciones de turbina eólica 316 y al convertidor de potencia de subestación 326 del subsistema de recogida de potencia 320. Además, el sistema de control 338 está configurado para comunicar consignas de control al primer grupo de estaciones de turbina eólica 316 y al convertidor de potencia de subestación 326 del subsistema de recogida de potencia 320. De forma similar, el sistema de control 340 puede estar acoplado operativamente a las estaciones de turbina eólica 310, 312, 314 del segundo grupo de estaciones de turbina eólica 318 y al convertidor de potencia de subestación 334 del subsistema de recogida de potencia 322. El sistema de control 340 está configurado para comunicar consignas de control al segundo grupo de estaciones de turbina eólica 318 y al convertidor de potencia de subestación 334 del subsistema de recogida de potencia 322. Las consignas de control generadas por los sistemas de control 338, 340 pueden usarse para controlar la operación del primer y segundo grupos de estaciones de turbina eólica 316, 318 y de los convertidores de potencia de subestación 326, 334. Los sistemas de control 338, 340 pueden ser representativos de un modo de realización del sistema de control 114 de la FIG. 1.

[0062] Puede observarse que en el ejemplo de la FIG. 3, las métricas de velocidad de viento determinadas por los sistemas de control 338, 340 pueden ser diferentes. En algunos modos de realización, los sistemas de control 338, 340 están configurados para determinar las métricas de velocidad del viento correspondientes a los respectivos grupos de estaciones de turbina eólica 316, 318. Diversos ejemplos de las métricas de velocidad del viento determinadas por los sistemas de control 338, 340 pueden incluir, pero no se limitan a, una velocidad promedio del viento dentro de los respectivos grupos de estaciones de turbina eólica 316, 318, una velocidad promedio ponderada del viento dentro de los respectivos grupos de estaciones de turbina eólica 316, 318, una velocidad instantánea del viento dentro de los respectivos grupos de estaciones de turbina eólica 316, 318, o combinaciones de las mismas.

[0063] En el modo de realización de la FIG. 3, las estaciones de turbina eólica 304-314 se clasifican en diferentes grupos de estaciones de turbina eólica en base a sus respectivas ubicaciones. Esta clasificación garantiza que las estaciones de turbina eólica en un grupo de estaciones de turbina eólica dado experimenten velocidades de viento similares. La implementación del parque eólico 302 como se describe anteriormente en el presente documento ayuda de forma ventajosa a eludir cualquier efecto adverso de velocidades de viento no uniformes dentro de un gran parque eólico, tal como el parque eólico 302.

[0064] La FIG. 4 es un diagrama de flujo 400 de un procedimiento de ejemplo para operar el parque eólico 102 de la FIG. 1, de acuerdo con aspectos de la presente memoria descriptiva. La FIG. 4 se describe junto con los componentes de la FIG. 1. En algunos modos de realización, el sistema de control 114 puede emplearse para realizar las etapas del procedimiento 400.

[0065] En la etapa 402 se determina una métrica de velocidad de viento. En un modo de realización, la métrica de velocidad de viento puede corresponder a cada una de la pluralidad de estaciones de turbina eólica 106-110. En otro modo de realización, la métrica de velocidad de viento puede corresponder al parque eólico 102. Además, en algunos modos de realización, la métrica de velocidad de viento puede ser determinada por el sistema de control 114 en base a las señales recibidas desde los sensores de velocidad de viento dispuestos en torres 130 correspondientes. Además, en la etapa 404 se estima una métrica de frecuencia correspondiente a la métrica de velocidad de viento. En algunos modos de realización, la métrica de frecuencia es estimada por el sistema de control 114 en base a uno o más de la velocidad de operación del rotor 138, el número de polos del rotor 138 y el número de polos del estátor 136. Puede observarse que, en un modo de realización, el sistema de control 114 puede estar configurado para determinar una métrica de frecuencia para cada estación de turbina eólica. Sin embargo, en otro modo de realización, el sistema de control 114 puede estar configurado para determinar una métrica de frecuencia correspondiente al parque eólico 102.

[0066] Además, en la etapa 406 se calcula una frecuencia deseable del bus de potencia 150. En determinados modos de realización, la frecuencia deseable del bus de potencia 150 puede calcularse en base a la métrica de velocidad de viento estimada en la etapa 404 y los intervalos de compensación de frecuencia de los convertidores de potencia de estación de turbina eólica 124. Más específicamente, la frecuencia deseable del bus de potencia 150 puede determinarse de manera que una diferencia entre la frecuencia deseable calculada y la métrica de frecuencia esté dentro de un intervalo de compensación de frecuencia de un convertidor de potencia de estación de turbina eólica 124 correspondiente. Además, las consignas de control pueden comunicarse por el sistema de control 114 al convertidor de potencia de subestación 152 para actualizar la frecuencia de línea del voltaje de bus de potencia, como se indica en la etapa 408. Más en particular, en respuesta a las consignas de control del sistema de control 114, el convertidor de potencia de subestación 152 está configurado para actualizar la frecuencia de línea del voltaje de bus de potencia de manera que la frecuencia de línea coincida con la frecuencia deseable.

[0067] Además, en la etapa 410, las consignas de control también pueden comunicarse desde el sistema de control 114 a los convertidores de potencia de estación de turbina eólica 124 de las estaciones de turbina eólica 106-110 para establecer una frecuencia del voltaje de estátor generado por los respectivos DFIG 122 en un valor dentro del intervalo de tolerancia de frecuencia de línea. En respuesta a las consignas de control recibidas desde el sistema de control 114, los convertidores de potencia de estación de turbina eólica 124 de las estaciones de turbina eólica 106-110 están configurados para establecer una frecuencia del voltaje de estátor correspondiente en un valor dentro del intervalo de tolerancia de frecuencia de línea. En determinados modos de realización, los convertidores de potencia de estación de turbina eólica 124 de las estaciones de turbina eólica 106-110 están configurados para establecer la frecuencia del voltaje de estátor en un valor que sea igual a la frecuencia de línea del voltaje de bus de potencia.

[0068] Además, en la etapa 412, las consignas de control pueden comunicarse desde el sistema de control 114 al convertidor de potencia de subestación 152 para procesar el voltaje de bus de potencia para generar un voltaje de salida que tenga una frecuencia objetivo en la salida 158 del convertidor de potencia de subestación 152. Como se indicó previamente, la frecuencia objetivo se encuentra dentro del intervalo de tolerancia de frecuencia de red. El voltaje de salida que tiene la frecuencia objetivo se puede suministrar a la red eléctrica 104 por medio del transformador de subestación 154, como se indica en la etapa 414.

[0069] Cualquiera de las etapas anteriores se puede reemplazar, reordenar o eliminar de manera adecuada, y se pueden incluir etapas adicionales, dependiendo de las necesidades de una aplicación particular.

[0070] Se presentan diversos modos de realización de topologías de parques eólicos y un procedimiento para operar estos parques eólicos. Estas topologías de parques eólicos ayudan a reducir el tamaño total de las estaciones de turbina eólica. En particular, el uso de convertidores de potencia de estación de turbina eólica de tamaño más pequeño que tienen un intervalo de compensación de frecuencia estrecho o una potencia nominal reducida permite una reducción en la superficie ocupada por las estaciones de turbina eólica. Además, los modos de realización de los parques eólicos/estaciones de turbina eólica presentados anteriormente en el presente documento evitan la necesidad de transformadores de montaje en plataforma costosos y voluminosos que se usan típicamente en los parques eólicos tradicionales. En consecuencia, uno o más modos de realización de la presente memoria descriptiva facilitan el uso de estaciones de turbina eólica sin transformador. Además, en algunos modos de realización, dado que el convertidor de potencia de subestación puede configurarse para generar la potencia reactiva, los recursos eólicos disponibles se pueden utilizar de forma eficiente para generar potencia activa adicional. En determinados modos de realización, también se puede evitar el uso de transformadores en el lado de línea, reduciendo así aún más el coste y el tamaño total de las estaciones de turbina eólica. Además, el uso de DFIG que tienen un convertidor de potencia de estación de turbina eólica correspondiente ayuda a mejorar la producción de energía anual general del parque eólico.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un parque eólico (102), que comprende:

una pluralidad de estaciones de turbina eólica (106, 108, 110), en la que cada una de la pluralidad de estaciones de turbina eólica comprende: una turbina eólica (116); y un subsistema de generador (118) acoplado de forma operativa a la turbina eólica (116), en el que el subsistema de generador (118) comprende:

un generador de inducción doblemente alimentado (122) configurado para generar un voltaje de corriente alterna (CA), y

un convertidor de potencia de estación de turbina eólica (124) acoplado eléctricamente al generador de inducción doblemente alimentado (122);

comprendiendo además el parque eólico (102): un subsistema de recogida de potencia (112) acoplado eléctricamente a la pluralidad de estaciones de turbina eólica (106, 108, 110), en el que

el subsistema de recogida de potencia (112) comprende:

un bus de potencia (150) acoplado eléctricamente a los subsistemas de generador (118) de la pluralidad de estaciones de turbina eólica (106, 108, 110); y

un convertidor de potencia de subestación (152) acoplado eléctricamente al bus de potencia (150);

comprendiendo además el parque eólico (102): un sistema de control (114) acoplado operativamente a los convertidores de potencia de estación de turbina eólica (124) de la pluralidad de estaciones de turbina eólica (106, 108, 110) y al convertidor de potencia de subestación (152), en el que el sistema de control (114) está configurado para:

determinar una métrica de velocidad de viento;

estimar una métrica de frecuencia correspondiente a la métrica de velocidad de viento; calcular una frecuencia deseable del bus de potencia (150) en base a la métrica de velocidad de viento y los intervalos de compensación de frecuencia de los convertidores de potencia de estación de turbina eólica (124) de manera que una diferencia entre la frecuencia deseable y la métrica de frecuencia esté dentro de los intervalos de compensación de frecuencia de los convertidores de potencia de estación de turbina eólica; y

generar y comunicar consignas de control al convertidor de potencia de subestación en base a la frecuencia deseable, en el que el convertidor de potencia de subestación está configurado para actualizar una frecuencia de línea de un voltaje de bus de potencia en base a la frecuencia deseable para controlar la generación de potencia por la pluralidad de turbinas eólicas.

2. El parque eólico de la reivindicación 1, en el que la métrica de velocidad de viento comprende una velocidad promedio de viento dentro del parque eólico, una velocidad promedio ponderada de viento dentro del parque eólico, una velocidad instantánea de viento dentro del parque eólico o combinaciones de las mismas.

3. El parque eólico de la reivindicación 1 o 2, en el que la métrica de frecuencia comprende una frecuencia del voltaje de CA generado por el generador de inducción doblemente alimentado correspondiente a la métrica de velocidad de viento.

4. El parque eólico de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el sistema de control está configurado para estimar la métrica de frecuencia correspondiente a la métrica de velocidad de viento en base a una velocidad de rotación de un rotor del generador de inducción doblemente alimentado y un número de polos del rotor del generador de inducción doblemente alimentado, y/o en el que el sistema de control está configurado además para comunicar consignas de control a los convertidores de potencia de estación de turbina eólica para establecer una frecuencia del voltaje de CA generado por los respectivos generadores de inducción doblemente alimentados en un valor dentro de un intervalo de tolerancia de frecuencia de línea.

5. El parque eólico de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el sistema de control está configurado además para comunicar consignas de control al convertidor de potencia de subestación para generar un voltaje de salida que tiene una frecuencia objetivo en una salida del convertidor de potencia de subestación en base al voltaje de bus de potencia, en particular en el que la frecuencia objetivo tiene un valor dentro de un intervalo de tolerancia de frecuencia de red.

6. El parque eólico de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que cada convertidor de potencia de estación de turbina eólica comprende un convertidor en el lado de rotor (144) y un convertidor en el lado de línea (146) acoplados entre sí por medio de un enlace de corriente continua (CC).

7. El parque eólico de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el subsistema de generador (118) de cada una de la pluralidad de estaciones de turbina eólica comprende además un generador (122) acoplado eléctricamente a un convertidor de potencia de estación de turbina eólica correspondiente (124), y en el que el generador está configurado para establecer una frecuencia del voltaje de CA generado por un generador de inducción doblemente alimentado correspondiente en un valor dentro de un intervalo de tolerancia de frecuencia de línea.

8. El parque eólico de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que un devanado de estátor del generador de inducción doblemente alimentado está acoplado directamente al bus de potencia.

9. El parque eólico de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el sistema de control está configurado para:

calcular un valor deseable del voltaje de bus de potencia en base a la métrica de velocidad de viento; y comunicar consignas de control al convertidor de potencia de subestación para actualizar una magnitud del voltaje de bus de potencia para que coincida con el valor deseable calculado del voltaje de bus de potencia.

10. El parque eólico de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la pluralidad de estaciones de turbina eólica se clasifica en una pluralidad de grupos de estaciones de turbina eólica, y en el que cada uno de la pluralidad de grupos de estaciones de turbina eólica tiene un subsistema de recogida de potencia correspondiente.

11. El parque eólico de la reivindicación 10, en el que la métrica de velocidad de viento comprende una velocidad promedio de viento dentro de un grupo de estaciones de turbina eólica correspondiente, una velocidad promedio ponderada de viento dentro del grupo de estaciones de turbina eólica correspondiente, una velocidad instantánea de viento dentro del grupo de estaciones de turbina eólica correspondiente, o combinaciones de las mismas.

12. Un procedimiento para operar un parque eólico (102) que tiene una pluralidad de estaciones de turbina eólica (106, 108, 110), un sistema de control (114) y un subsistema de recogida de potencia (112) acoplado eléctricamente a la pluralidad de estaciones de turbina eólica, en el que cada una de la pluralidad de estaciones de turbina eólica comprende una turbina eólica (116), un subsistema de generador (118) que tiene un generador de inducción doblemente alimentado (122) y un convertidor de potencia de estación de turbina eólica (124), y en el que el subsistema de recogida de potencia (112) comprende un bus de potencia (150) y un convertidor de potencia de subestación (152), comprendiendo el procedimiento:

determinar una métrica de velocidad de viento correspondiente a la pluralidad de estaciones de turbina eólica (106, 108, 110);

estimar una métrica de frecuencia correspondiente a la métrica de velocidad de viento;

calcular una frecuencia deseable del bus de potencia en base a la métrica de velocidad de viento y los intervalos de compensación de frecuencia de los convertidores de potencia de estación de turbina eólica de manera que una diferencia entre la frecuencia deseable y la métrica de frecuencia esté dentro de los intervalos de compensación de frecuencia de los convertidores de potencia de estación de turbina eólica; generar consignas de control en base a la frecuencia deseable; y

comunicar consignas de control al convertidor de potencia de subestación para actualizar una frecuencia de línea de un voltaje de bus de potencia en base a la frecuencia deseable.

13. El procedimiento de la reivindicación 12, que comprende además comunicar consignas de control a los convertidores de potencia de estación de turbina eólica para establecer una frecuencia de un voltaje de corriente alterna (CA) generado por un respectivo generador de inducción doblemente alimentado en un valor dentro de un intervalo de tolerancia de frecuencia de línea.

14. El procedimiento de la reivindicación 12 o 13, que comprende además comunicar consignas de control al convertidor de potencia de subestación para generar un voltaje de salida que tiene una frecuencia objetivo en una salida del convertidor de potencia de subestación en base al voltaje de bus de potencia, en particular comprendiendo el procedimiento además suministrar el voltaje de salida que tiene la frecuencia objetivo a una red eléctrica por medio de un transformador de subestación, en el que el transformador de subestación está acoplado eléctricamente entre el convertidor de potencia de subestación y la red eléctrica.

15. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, que comprende además: