ES2939345T3 - Sobremodulación de convertidor de DFIG - Google Patents
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Abstract
Se proporcionan sistemas y métodos para hacer funcionar un sistema de energía 100 que tiene un generador de inducción 120 de doble alimentación. En implementaciones de ejemplo, un sistema de potencia 100 puede incluir un convertidor de potencia 130. El convertidor de potencia puede incluir un convertidor de lado de línea 134, un enlace de CC 135 y un convertidor de lado de rotor 132. El convertidor de lado de rotor 132 está configurado para convertir una potencia de CC en el enlace de CC 135 a una señal de CA para un bus de rotor 124. El sistema 100 puede incluir un sistema de control 140 que tiene uno o más dispositivos de control. El uno o más dispositivos de control están configurados para operar el convertidor 132 del lado del rotor en un régimen de sobremodulación para proporcionar la señal de CA para el bus del rotor 124. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Sobremodulación de convertidor de DFIG
[0001] La presente divulgación se refiere en general a sistemas de potencia eléctrica que incluyen un convertidor de potencia para proporcionar potencia a una red de suministro eléctrico desde, por ejemplo, turbinas eólicas, y procedimientos correspondientes.
[0002] Las turbinas eólicas han recibido una mayor atención como fuente de energía renovable. Las turbinas eólicas usan el viento para generar electricidad. El viento hace girar múltiples palas conectadas a un rotor. El giro de las palas provocado por el viento hace girar un eje del rotor, que se conecta a un generador que genera electricidad. Determinadas turbinas eólicas incluyen un generador de inducción de doble alimentación (DFIG) para convertir la energía eólica en potencia eléctrica adecuada para su salida a una red eléctrica. Los DFIG están conectados típicamente a un convertidor que regula el flujo de potencia eléctrica entre el DFIG y la red de distribución. Más en particular, el convertidor permite que la turbina eólica emita potencia eléctrica a la frecuencia de red independientemente de la velocidad de rotación de las palas de turbina eólica.
[0003] Un sistema DFIG típico como se describe, por ejemplo, en el documento CN 107332484 A incluye un DFIG accionado por el viento que tiene un rotor y un estator. El estator del DFIG está acoplado a la red eléctrica a través de un bus de estator. Un convertidor de potencia se usa para acoplar el rotor del DFIG a la red eléctrica. El convertidor de potencia puede ser un convertidor de potencia de dos etapas que incluya tanto un convertidor de lado de rotor como un convertidor de lado de línea. El convertidor de lado de rotor puede recibir potencia de corriente alterna (CA) del rotor por medio de un bus de lado de rotor y puede convertir la potencia de CA en potencia de CC. A continuación, el convertidor de lado de línea puede convertir la potencia de CC en potencia de CA que tiene una frecuencia de salida adecuada, tal como la frecuencia de red. La potencia de CA se proporciona a la red eléctrica por medio de un bus de lado de línea. Como se describe, por ejemplo, en el documento CN 106505620 A, se puede usar un transformador en el punto de acoplamiento común (PCC) entre el DFIG y la red de distribución.
[0004] Diversos aspectos y ventajas de los modos de realización de la presente divulgación se expondrán en parte en la siguiente descripción, o se pueden averiguar a partir de la descripción, o se pueden aprender a través de la puesta en práctica de los modos de realización.
[0005] La invención se expone en el conjunto de reivindicaciones adjunto.
[0006] El análisis detallado de los modos de realización dirigidos a un experto en la técnica se expone en la memoria descriptiva, que hace referencia a las figuras adjuntas, en las que:
La FIG. 1 es una vista en perspectiva de una turbina eólica de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación;
la FIG. 2 ilustra un sistema de potencia eléctrica de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación;
la FIG. 3 ilustra un diagrama esquemático de componentes adecuados que se pueden incluir dentro de un controlador de una turbina eólica y/o un sistema de potencia eléctrica y/o un controlador de un convertidor de potencia de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación;
la FIG. 4 ilustra un diagrama esquemático de un convertidor de potencia de ejemplo adecuado para su uso con el sistema de turbina eólica de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación;
la FIG. 5 ilustra un régimen de sobremodulación de ejemplo usado para controlar uno o más dispositivos de control de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación
la FIG. 6 ilustra una señal de onda cuasicuadrada de ejemplo que se puede proporcionar a un rotor de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación.
La FIG. 7 ilustra una señal de onda cuadrada de ejemplo que se puede proporcionar a un rotor de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación.
La FIG. 8 ilustra un filtro activo de ejemplo adecuado para su uso con un sistema de turbina eólica de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación.
Las FIGS. 9, 10, 11, 12, 13 y 14 representan sistemas de potencia eléctrica de ejemplo que incluyen un filtro activo de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación.
La FIG. 15 ilustra un procedimiento de ejemplo de funcionamiento de un convertidor de potencia eléctrica para un sistema generador de inducción de doble alimentación de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación.
[0007] Ahora se hará referencia en detalle a los modos de realización, de los que se ilustran uno o más ejemplos en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de los modos de realización, no como limitación de la presente divulgación.
[0008] Los aspectos de ejemplo de la presente divulgación están dirigidos a sistemas y procedimientos para hacer funcionar un convertidor de potencia en un sistema generador de inducción de doble alimentación (DFIG). Un sistema DFIG incluye un convertidor de potencia que tiene un convertidor de lado de línea y un convertidor de lado de rotor. Un enlace de CC está acoplado entre el convertidor de lado de línea y el convertidor de lado de rotor. El convertidor de potencia convierte una potencia de CA de un estator del DFIG en una potencia de CC para el enlace de CC usando el convertidor de lado de línea. El convertidor de potencia convierte la potencia de CC del enlace de CC en una señal de CA para el rotor del DFIG usando el convertidor de lado de rotor. Por ejemplo, la señal de CA se proporciona en un bus de rotor acoplado entre el convertidor de lado de rotor y el rotor del DFIG. La señal de CA se usa para controlar, por ejemplo, las características operativas del DFIG.
[0009] De acuerdo con modos de realización de la presente divulgación, el convertidor de lado de rotor incluye uno o más elementos de conmutación. Los elementos de conmutación pueden ser, en algunos modos de realización, cualquier variedad de elementos de conmutación adecuados, tales como transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), tiristores conmutados de puerta aislada, MOSFET (por ejemplo, MOSFET basados en silicio o carburo de silicio), transistores bipolares, rectificadores controlados por silicio u otros elementos de conmutación adecuados. Los elementos de conmutación se controlan para convertir una señal de CC en el enlace de CC en una señal de CA para el rotor del DFIG, usando, por ejemplo, modulación por ancho de pulso. De acuerdo con modos de realización de la presente divulgación, los elementos de conmutación se controlan de acuerdo con un régimen de sobremodulación para producir la señal de CA en el convertidor de lado de rotor.
[0010] La modulación de los elementos de conmutación se logra comparando una onda moduladora con una onda portadora y modulando los elementos de conmutación en base a esa comparación. Los elementos de conmutación se alternan siempre que se cruzan la onda portadora y la onda moduladora. En un régimen de sobremodulación, la amplitud máxima de la onda moduladora es mayor que la amplitud máxima de la onda portadora. Esto puede dar como resultado que algunos pulsos de la onda portadora no se crucen con la onda moduladora. En algunos modos de realización, la onda moduladora puede ser una señal sinusoidal periódica de amplitud constante y la onda portadora puede ser una onda triangular periódica, pero se pueden usar otras formas de onda adecuadas para las ondas tanto portadora como moduladora de acuerdo con la presente divulgación, tales como ondas sinusoidales, ondas triangulares simétricas, ondas triangulares asimétricas que incluyen ondas de diente de sierra, ondas cuadradas, ondas cuasicuadradas y otras formas de onda adecuadas.
[0011] En algunos modos de realización, el convertidor de lado de rotor funciona en un régimen de sobremodulación de modo que la salida del convertidor de lado de rotor es una señal de CA de onda cuasicuadrada. Por ejemplo, una forma de onda de voltaje de línea a línea en el rotor puede ser una onda cuasicuadrada de seis etapas que tiene una región de bajo voltaje y una región de alto voltaje con una región de voltaje intermedio, tal como un voltaje de referencia o cero, entre la región de bajo voltaje y la región de alto voltaje.
[0012] Hacer funcionar el convertidor de lado de rotor en un régimen de sobremodulación puede tener varias ventajas. Por ejemplo, en algunos modos de realización, la ganancia de voltaje del enlace de CC al rotor se puede incrementar en relación con un régimen no sobremodulado. En algunos modos de realización, esto puede contribuir a un mayor intervalo de operación de RPM del generador. Adicionalmente, hacer funcionar el convertidor de lado de rotor en un régimen de sobremodulación puede dar como resultado una disminución en la frecuencia de conmutación de los elementos de conmutación. Esto puede reducir la pérdida de energía durante la modulación de los elementos de conmutación y, adicionalmente, puede reducir el desgaste y/o permitir corrientes más altas en los elementos de conmutación. Otras ventajas pueden incluir un límite mayor extendido del voltaje de red operativo continuo, una controlabilidad mejorada y/o un esfuerzo reducido durante voltajes de red transitorios y/o el paso de alto voltaje (HVRT), límites de sobrevelocidad extendidos para un sistema de turbina eólica, una menor regulación de enlace de CC por el convertidor de lado de línea durante condiciones de voltaje de red bajo y/o mayores velocidades de generador.
[0013] Hacer funcionar el convertidor de lado de rotor en un régimen de sobremodulación puede contribuir a armónicos incrementados en el generador. En algunos casos, los armónicos incrementados se pueden propagar a otros elementos del sistema de potencia, tales como una red de suministro eléctrico conectada. Además, los armónicos con el mayor incremento pueden tener frecuencias similares a la frecuencia fundamental (es decir, la salida de potencia del generador), tales como el tercer, quinto, séptimo u otros armónicos de orden inferior. El filtrado de estos armónicos es típicamente más difícil que el de los armónicos de orden superior (por ejemplo, el quincuagésimo armónico) debido a su magnitud y/o cercanía a la frecuencia fundamental.
[0014] Se proporciona un filtro activo para contrarrestar o reducir las contribuciones armónicas del funcionamiento del convertidor de lado de rotor en el régimen de sobremodulación. El filtro activo se activa siempre que las contribuciones armónicas en el sistema no satisfacen un umbral, tal como un estándar de la industria, por ejemplo, para conservar recursos dentro del sistema y/o evitar el desgaste del filtro activo. Por ejemplo, puede ser posible activar el filtro activo cuando los armónicos de orden inferior superen los requisitos de red. Por ejemplo, el filtro activo puede proporcionar potencia activa a la misma frecuencia que un armónico pero en fase opuesta para cancelar casi por completo o por completo el armónico.
[0015] El filtro activo se puede proporcionar en diferentes lugares dentro del sistema de potencia eléctrica. Por ejemplo, el filtro activo se puede proporcionar en una línea eléctrica entre el convertidor de potencia y la red de suministro eléctrico o entre el estator del generador y la red de suministro eléctrico. En algunos modos de realización, un transformador (por ejemplo, un transformador de tres devanados) está acoplado eléctricamente a la red de suministro eléctrico, el estator del generador y/o el convertidor de potencia. El filtro activo se puede proporcionar, por ejemplo, en una línea eléctrica entre el convertidor de potencia y el transformador, o entre la red de suministro eléctrico y el transformador, o entre el estator y el transformador.
[0016] En referencia ahora a las figuras, la FIG. 1 ilustra una vista en perspectiva de un modo de realización de una turbina eólica 10. Como se muestra, la turbina eólica 10 incluye una torre 12 que se extiende desde una superficie de soporte 14, una góndola 16 montada en la torre 12 y un rotor 18 acoplado a la góndola 16. El rotor 18 incluye un buje rotatorio 20 y al menos una pala de rotor 22 acoplada a y que se extiende hacia afuera desde el buje 20. Por ejemplo, en el modo de realización ilustrado, el rotor 18 incluye tres palas de rotor 22. Sin embargo, en un modo de realización alternativo, el rotor 18 puede incluir más o menos de tres palas de rotor 22. Cada pala de rotor 22 puede estar espaciada alrededor del buje 20 para facilitar la rotación del rotor 18 para posibilitar que la energía cinética se transfiera desde el viento para convertirse en energía mecánica utilizable y, posteriormente, energía eléctrica. Por ejemplo, el buje 20 se puede acoplar de forma rotatoria a un generador eléctrico 120 de la FIG. 2 situado dentro de la góndola 16 para permitir que se produzca energía eléctrica. La turbina eólica 10 puede incluir además un controlador de turbina 26 utilizado para controlar el ajuste de orientación (“yaw adjustment”) de la turbina eólica 10, el ajuste de pitch de las palas de rotor 22 y/o el ajuste de par de torsión del generador 120 de la FIG. 2. El controlador de turbina 26 puede interactuar con componentes dentro de la turbina eólica 10, tales como el controlador de convertidor 140 de la FIG. 2.
[0017] En referencia ahora a la FIG. 2, se ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de un sistema de turbina eólica DFIG 100 de acuerdo con aspectos de la presente materia. Se debe apreciar que la presente materia se describirá en general en el presente documento con referencia al sistema 100 mostrado en la FIG. 2.
[0018] Como se muestra, un generador 120, por ejemplo, un DFIG 120, está acoplado a un bus de estator 122 y un convertidor de potencia 130 por medio de un bus de lado de rotor 124. El bus de estator 122 proporciona una potencia multifásica de salida (por ejemplo, potencia trifásica) desde un estator del DFIG 120 y el bus de lado de rotor 124 proporciona una potencia multifásica de salida (por ejemplo, potencia trifásica) del rotor del DFIG 120. El convertidor de potencia 130 tiene un convertidor de lado de rotor 132 y un convertidor de lado de línea 134. El DFIG 120 está acoplado por medio del bus de lado de rotor 124 al convertidor de lado de rotor 132. El convertidor de lado de rotor 132 está acoplado al convertidor de lado de línea 134 que, a su vez, está acoplado a un bus de lado de línea 138. El convertidor de lado de rotor 132 y el convertidor de lado de línea 134 están acoplados por medio de un enlace de CC 135 a través del que está el condensador de enlace de CC 136.
[0019] Además, el convertidor de potencia 130 está acoplado a un controlador de convertidor 140 para controlar el funcionamiento del convertidor de lado de rotor 132 y el convertidor de lado de línea 134. Por ejemplo, el controlador de convertidor 140 está configurado para hacer funcionar el convertidor de lado de rotor 132 en un régimen de sobremodulación. El controlador de convertidor 140 puede incluir cualquier número de dispositivos de control. En un modo de realización, los dispositivos de control pueden incluir un dispositivo de procesamiento (por ejemplo, microprocesador, microcontrolador, etc.) que ejecuta instrucciones legibles por ordenador almacenadas en un medio legible por ordenador. Las instrucciones, cuando se ejecutan por el dispositivo de procesamiento, pueden provocar que el dispositivo de procesamiento realice operaciones, incluyendo proporcionar consignas de control (por ejemplo, consignas de frecuencia de conmutación) a los elementos de conmutación 142 del convertidor de potencia 130. Por ejemplo, las instrucciones pueden incluir proporcionar consignas de control a los elementos de conmutación 142 de la FIG. 4 del convertidor de lado de rotor 132 para hacer funcionar el convertidor de lado de rotor 132 (por ejemplo, por los elementos de conmutación 142) en un régimen de sobremodulación.
[0020] Como se ilustra, el sistema 100 incluye un transformador 160 que acopla el sistema de turbina eólica 100 a una red eléctrica 190. El transformador 160 puede ser un transformador de tres devanados que puede incluir un devanado primario de alto voltaje 162 (por ejemplo, superior a 12 KVCA), por ejemplo, acoplado a la red eléctrica, un devanado secundario de voltaje medio 164 (por ejemplo, 6 KVCA), por ejemplo, acoplado al bus de estator 122 y/o un devanado auxiliar de bajo voltaje 166 (por ejemplo, 575 VCA, 690 VCA, etc.), por ejemplo, acoplado al bus de lado de línea 138. Se debe entender que el transformador 160 puede ser un transformador de tres devanados como se muestra, o de forma alternativa, puede ser un transformador de dos devanados que tiene solo un devanado primario 162 y un devanado secundario 164; puede ser un transformador de cuatro devanados que tiene un devanado primario
162, un devanado secundario 164, un devanado auxiliar 166 y un devanado auxiliar adicional; o puede tener cualquier otro número adecuado de devanados.
[0021] En el bus de estator 122, se puede proporcionar potencia de corriente alterna (CA) sinusoidal multifásica (por ejemplo, trifásica) desde el estator del generador 120 al bus de estator 122, y desde el bus de estator 122 al transformador 160, por ejemplo, al devanado secundario 164 del mismo. Se pueden incluir en el sistema 100 diversos disyuntores, fusibles, contactores y otros dispositivos, tales como el disyuntor de red 158, el disyuntor de bus de estator 156, el conmutador 154 y el disyuntor de bus de lado de línea 152, para conectar o desconectar los buses correspondientes, por ejemplo, cuando el flujo de corriente es excesivo y puede dañar los componentes del sistema de turbina eólica 100 o por otras consideraciones operativas. También se pueden incluir componentes de protección adicionales en el sistema de turbina eólica 100.
[0022] En referencia ahora a la FIG. 3, se ilustra un diagrama de bloques de un modo de realización de componentes adecuados (por ejemplo, uno o más dispositivos de control) que se pueden incluir dentro del controlador de turbina 26 y/o el controlador de convertidor 140 de acuerdo con aspectos de la presente materia. Como se muestra, el controlador 26/140 puede incluir uno o más procesadores 60 y dispositivos de memoria asociados 62 configurados para realizar una variedad de funciones implementadas por ordenador (por ejemplo, realizar los procedimientos, etapas, cálculos y similares divulgados en el presente documento). Adicionalmente, el controlador 26/140 puede incluir también un módulo de comunicaciones 64 para facilitar las comunicaciones entre el controlador 26/140 y los diversos componentes de la turbina eólica 10. Por ejemplo, el módulo de comunicaciones 64 puede servir como interfaz para permitir que el controlador de turbina 26 transmita señales de control a uno o más mecanismos de ajuste de pitch para, por ejemplo, controlar el pitch de las palas de rotor 22. El módulo de comunicaciones 64 puede servir adicionalmente y/o de forma alternativa como una interfaz para permitir que el controlador de turbina 26 transmita señales (por ejemplo, señales de control o señales de estado) al controlador de convertidor 140. El módulo de comunicaciones 64 puede servir adicionalmente y/o de forma alternativa para permitir que el controlador de convertidor 140 proporcione señales de control al convertidor de potencia 130. Además, el módulo de comunicaciones 64 puede incluir una interfaz de sensor 66 (por ejemplo, uno o más convertidores de analógico a digital) para permitir que las señales de entrada transmitidas desde, por ejemplo, diversos sensores, se conviertan en señales que se puedan entender y procesar por los procesadores 60.
[0023] En referencia ahora a la FIG. 4, se ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de ejemplo del convertidor de potencia 130 mostrado en la FIG. 2 de acuerdo con aspectos de la presente materia. Como se muestra, el convertidor de lado de rotor 132 incluye una pluralidad de circuitos puente (“bridge circuits”), estando acoplada cada fase de la entrada de bus de lado de rotor 124 al convertidor de lado de rotor 132 a un único circuito puente. Además, el convertidor de lado de línea 134 también puede incluir una pluralidad de circuitos puente. Similar al convertidor de lado de rotor 132, el convertidor de lado de línea 134 también incluye un único circuito puente para cada fase de salida del convertidor de lado línea 134. En otros modos de realización, el convertidor de lado de línea 134, el convertidor de lado de rotor 132 o tanto el convertidor de lado de línea 134 como el convertidor de lado de rotor 132 pueden incluir circuitos puente en paralelo sin desviarse del alcance de la presente divulgación.
[0024] Cada circuito puente puede incluir, en general, una pluralidad de elementos de conmutación (por ejemplo, IGBT) 142 acoplados en serie entre sí. Por ejemplo, como se muestra en la FIG. 4, cada circuito puente incluye un elemento de conmutación superior 144 y un elemento de conmutación inferior 146. Además, se puede acoplar un diodo en paralelo con cada uno de los elementos de conmutación 142. En modos de realización alternativos, los elementos de conmutación en paralelo 142 y los diodos se pueden usar para incrementar la corriente nominal del convertidor. Como se entiende en general, el convertidor de lado de línea 134 y el convertidor de lado de rotor 132 se pueden controlar, por ejemplo, proporcionando consignas de control, usando un circuito accionador adecuado, a las puertas de los elementos de conmutación 142. Por ejemplo, el controlador de convertidor 140 puede proporcionar consignas de temporización de puerta adecuadas a las puertas de los elementos de conmutación 142 de los circuitos puente. Las consignas de control pueden controlar la frecuencia de conmutación de los elementos de conmutación 142 para proporcionar una salida deseada. Se debe apreciar por los expertos en la técnica que el convertidor de potencia 130 puede incluir cualquier elemento de conmutación 142 adecuado, tal como transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), tiristores conmutados de puerta aislada, MOSFET (por ejemplo, MOSFET basados en silicio o carburo de silicio), transistores bipolares, rectificadores controlados por silicio u otros elementos de conmutación adecuados.
[0025] La FIG. 5 ilustra una representación gráfica de un régimen de sobremodulación 200 de ejemplo usado para controlar los dispositivos de conmutación dentro de un convertidor de potencia de acuerdo con modos de realización de ejemplo de la presente divulgación. Los expertos en la técnica, usando las divulgaciones proporcionadas en el presente documento, entenderán que se puede usar una variedad de regímenes y/o configuraciones de sobremodulación adecuados sin apartarse del alcance de la presente divulgación definida en las reivindicaciones.
[0026] De acuerdo con el régimen de sobremodulación 200, una onda moduladora 202 se compara con una onda portadora 204. La onda moduladora 202 se ilustra como una señal sinusoidal de amplitud constante y frecuencia constante, pero puede ser cualquiera de una variedad de formas de onda adecuadas que incluyen ondas sinusoidales, ondas sinusoidales con adiciones armónicas, ondas cuadradas, ondas cuasicuadradas y otras formas de onda adecuadas. La onda portadora 204 se ilustra como una onda triangular simétrica de amplitud constante y frecuencia
constante, pero puede ser cualquiera de una variedad de formas de onda adecuadas que incluyen ondas sinusoidales, ondas triangulares simétricas, ondas triangulares asimétricas que incluyen ondas de diente de sierra, ondas cuadradas, ondas cuasicuadradas y otras formas de onda adecuadas. Además, la frecuencia y/o la amplitud de la onda moduladora 202 y/o la onda portadora 204 pueden variar en función del tiempo.
[0027] Los elementos de conmutación (por ejemplo, los elementos de conmutación 142) se controlan en base al régimen de sobremodulación 200. Por ejemplo, los elementos de conmutación (por ejemplo, los elementos de conmutación 142) se alternan, por ejemplo, enviando señales de control desde un controlador (por ejemplo, el controlador de convertidor 140) para polarizar (“bias”) el voltaje a través de las puertas de los elementos de conmutación 142, siempre que la onda moduladora 202 y la onda portadora 204 se crucen, por ejemplo, en las intersecciones 208. La onda moduladora 202 puede corresponder a un solo dispositivo de conmutación o puede corresponder a varios elementos de conmutación. Se puede proporcionar una pluralidad de ondas moduladoras 202 y/u ondas portadoras 204. Por ejemplo, una pluralidad de ondas moduladoras 202 se puede comparar con una única onda portadora 204 en la que cada onda moduladora 202 en la pluralidad de ondas moduladoras 202 corresponde a uno o más elementos de conmutación. La pluralidad de ondas moduladoras 202 puede estar en fase o desfasada (por ejemplo, desfasada en 60 grados, 120 grados, 180 grados, etc.). De forma alternativa, se pueden proporcionar múltiples pares de ondas moduladoras 202 y ondas portadoras 204 en las que cada par de ondas moduladoras 202 y ondas portadoras 204 corresponde a uno o más elementos de conmutación. Se pueden usar otros esquemas de control adecuados, por ejemplo, en base a la configuración y/o el tipo de elementos de conmutación.
[0028] La amplitud de la onda moduladora 202 es mayor que la amplitud de la onda portadora 204, lo que da como resultado regiones de sobremodulación 206 en las que la onda moduladora 202 no se cruza con la onda portadora 204. En otras palabras, existen "pulsos caídos" (“dropped pulses”) de la onda portadora 204 que no se usan para controlar los elementos de conmutación. En general, cuanto mayor sea la diferencia de amplitud entre la onda moduladora 202 y la onda portadora 204, mayor será la región de sobremodulación 206. Por ejemplo, si la diferencia de amplitud entre la onda moduladora 202 y la onda portadora 204 es lo suficientemente grande, la onda moduladora 202 se puede cruzar con la onda portadora 204 solo dos veces durante un período de la onda moduladora 202.
[0029] Los dispositivos de conmutación (por ejemplo, los dispositivos de conmutación 142) se controlan de acuerdo con un régimen de sobremodulación (por ejemplo, el régimen de sobremodulación 200) para producir una señal de CA variable en el tiempo. La señal de CA variable en el tiempo puede ser, por ejemplo, la onda cuasicuadrada 210 mostrada en la FIG. 6. La onda cuasicuadrada 210 puede ser un voltaje de línea a línea entre dos líneas en un bus de CA, tal como el bus de lado de rotor 124. La onda cuasicuadrada 210 también puede representar otras configuraciones. Como se puede observar en la FIG. 6, la onda cuasicuadrada 210 tiene una región de voltaje intermedio 212 entre una región de alto voltaje 214 y una región de bajo voltaje 216. La región de voltaje intermedio 212 puede estar a cero voltios, o puede estar a algún voltaje de referencia distinto de cero. Los bordes 218 pueden corresponder a la alternancia de elementos de conmutación. Se muestra que los bordes 218 son ideales, es decir, instantáneos, pero los expertos en la técnica, usando las divulgaciones proporcionadas en el presente documento, entenderán que los bordes 218 pueden ser ligeramente desiguales o diagonales.
[0030] La señal de CA variable en el tiempo producida a partir de un régimen de sobremodulación (por ejemplo, el régimen de sobremodulación 200) si se ve desde la línea de convertidor de potencia a una referencia tal como el enlace de CC negativo (137 de la FIG. 4) puede ser la onda cuadrada 220 mostrada en la FIG. 7. La onda cuadrada 220 puede ser un voltaje de línea a referencia entre una línea en un bus de CA, tal como el bus de lado de rotor 124, y una referencia, tal como el lado negativo 137 del enlace de CC 135. La onda cuadrada 220 también puede representar otras configuraciones. Como se puede observar en la FIG. 7, la onda cuadrada 220 tiene bordes 218 directamente entre regiones de alto voltaje 214 y regiones de bajo voltaje 216 (es decir, sin una región de voltaje intermedio 212). Los bordes 218 pueden corresponder a la alternancia de elementos de conmutación. Se muestra que los bordes 218 son ideales, es decir, instantáneos, pero los expertos en la técnica, usando las divulgaciones proporcionadas en el presente documento, entenderán que los bordes 218 pueden ser ligeramente desiguales o diagonales. En algunos modos de realización, se proporciona un filtro activo, tal como el filtro activo paralelo 250 ilustrado en la FIG. 8, en un sistema de potencia eléctrica (por ejemplo, el sistema de potencia eléctrica 100) para reducir o cancelar los armónicos provocados por hacer funcionar un convertidor de lado de rotor en un régimen de sobremodulación (por ejemplo, el convertidor de lado de rotor 132). Por ejemplo, el filtro activo 250 reduce o cancela armónicos para satisfacer uno o más requisitos de red de distribución en cuanto a armónicos. El filtro activo 250 puede proporcionar corriente a aproximadamente la misma frecuencia y/o amplitud que los armónicos y en una fase opuesta, es decir, desfasada aproximadamente 180 grados. El filtro activo 250 puede proporcionar esta potencia con un alto grado de precisión para cancelar armónicos, incluso armónicos cercanos a la frecuencia fundamental, con un impacto reducido o nulo en la potencia a la frecuencia fundamental. El filtro activo 250 (por ejemplo, un filtro activo paralelo 250) puede tomar al menos una parte de una o más corrientes del sistema (por ejemplo, una parte de la corriente fundamental en un bus) como entrada para compensar las pérdidas asociadas con el funcionamiento del filtro activo 250. Se pueden usar otros filtros activos adecuados sin apartarse del alcance de la presente divulgación.
[0031] En referencia ahora a las FIGS. 9-14, se ilustran implementaciones de ejemplo de un filtro activo usado para reducir los armónicos, tales como los armónicos provocados por hacer funcionar un convertidor de lado de rotor en un régimen de sobremodulación. Se usa una versión simplificada del sistema de potencia eléctrica mostrado en la FIG. 2
para el propósito de ilustración. Los componentes ilustrados en la FIG. 2 que no se ilustran en las FIGS. 9-14, junto con otros componentes adecuados, todavía pueden estar presentes en los modos de realización de la presente divulgación.
[0032] Por ejemplo, como se muestra en las FIGS. 9 y 10, se puede proporcionar un filtro activo 250 en el bus de lado de línea 138, es decir, entre el convertidor de potencia 130 y el transformador 160. El filtro activo puede tomar como entrada Is , es decir, la corriente en el bus de estator 122, y/o lime, es decir, la corriente en el bus de lado de línea 138. En algunos modos de realización, tales como el modo de realización mostrado en la FIG. 10, se puede proporcionar un transformador 260, por ejemplo, un transformador de doble devanado 260, entre el filtro activo 250 y el bus de lado de línea 138.
[0033] Adicionalmente y/o de forma alternativa, se puede proporcionar un filtro activo 250 en el bus de estator 122, tal como se muestra en las FIGS. 11 y 12. Por ejemplo, se puede proporcionar el filtro activo 250 entre el conmutador 154 y el transformador 160 o en otra configuración adecuada entre el conmutador 154 y la red de distribución 190. Adicionalmente, se puede proporcionar el filtro activo 250 entre el generador 120 y el conmutador 154. El filtro activo puede tomar como entrada Is , es decir, la corriente en el bus de estator 122, y/o Ilmea, es decir, la corriente en el bus de lado de línea 138. En algunos modos de realización, tal como el modo de realización mostrado en la FIG. 12, se puede proporcionar un transformador 260, por ejemplo, un transformador de devanado único 260, entre el filtro activo 250 y el bus de estator 122.
[0034] Adicionalmente y/o de forma alternativa, se puede proporcionar un filtro activo 250 entre la red de distribución 190 y el transformador 160, tal como se muestra en las FIGS. 13 y 14. El filtro activo puede tomar como entrada Is , es decir, la corriente en el bus de estator 122, Ilmea, es decir, la corriente en el bus de lado de línea 138 y/o Imv, es decir, la corriente que fluye hacia la red de distribución 190. En algunos modos de realización, tal como el modo de realización mostrado en la FIG. 14, se puede proporcionar un transformador 260, por ejemplo, un transformador de devanado único 260, entre el filtro activo 250 y la red de distribución 190. En referencia ahora a la FIG. 15, se ilustra un diagrama de flujo de un modo de realización de un procedimiento 300 para hacer funcionar un sistema de generación de potencia de acuerdo con aspectos de la presente materia. En general, el procedimiento 300 se describirá en el presente documento implementado usando un sistema de turbina eólica, tal como el sistema de turbina eólica DFIG 100 descrito anteriormente con referencia a la FIG. 2.
[0035] En (302), el procedimiento 300 incluye convertir una potencia de CA en un convertidor de lado de línea en una potencia de CC para un enlace de CC. Por ejemplo, el convertidor de lado de línea es parte de un convertidor de potencia, tal como el convertidor de lado de línea 134 del convertidor de potencia CA-CA 130 y el enlace de CC puede ser el enlace de CC 135. La potencia de CA puede ser potencia de CA trifásica en un bus de CA tal como el bus de lado de línea 138. La potencia de CA se puede convertir, por ejemplo, usando una pluralidad de circuitos puente. Se pueden usar otros sistemas adecuados para realizar la conversión de CA a Cc de acuerdo con el presente procedimiento.
[0036] En (304), el procedimiento 300 incluye recibir, en un convertidor de lado de rotor, la potencia de CC del enlace de CC. Por ejemplo, el convertidor de lado de rotor puede ser el convertidor de lado de rotor 132. La potencia de CC puede incluir un voltaje de enlace de CC, tal como a través de un condensador de enlace de CC. El convertidor de lado de rotor puede incluir una pluralidad de circuitos puente.
[0037] En (306), el procedimiento 300 incluye hacer funcionar el convertidor de lado de rotor en un régimen de sobremodulación para convertir la potencia de CC en una señal de CA. Por ejemplo, el convertidor de lado de rotor 132 se puede hacer funcionar de acuerdo con el régimen de sobremodulación 200 usando el controlador de convertidor 140. Por ejemplo, el controlador de convertidor 140 proporciona señales de control a las puertas de los elementos de conmutación 142 dentro del convertidor de lado de rotor en base a las intersecciones 208 de una onda moduladora 202 y una onda portadora 204, en las que la amplitud de la onda moduladora 202 es mayor que la amplitud de la onda portadora 204.
[0038] En (308), el procedimiento 300 incluye proporcionar la señal de CA a un rotor de un generador de inducción de doble alimentación. Por ejemplo, el rotor puede tener devanados eléctricos con un terminal o conexión de entrada usada para polarizar los devanados. La señal de CA se puede proporcionar por un bus de CA, tal como el bus de lado de rotor 124. La señal de CA puede ser una onda cuasicuadrada (por ejemplo, la onda cuasicuadrada 210) producida controlando los elementos de conmutación 142 en el convertidor de lado de rotor 132.
[0039] En (310), el procedimiento 300 incluye proporcionar una salida desde un filtro activo para reducir al menos un armónico provocado por hacer funcionar el convertidor de lado de rotor en el régimen de sobremodulación. Por ejemplo, el filtro activo puede ser un filtro activo paralelo 250 u otro filtro activo adecuado. El filtro activo se puede proporcionar en el bus de lado de línea 138, el bus de estator 122, en la red de distribución 190 u otro lugar adecuado. El filtro activo puede proporcionar potencia, tal como potencia de CA, aproximadamente a la misma frecuencia que el al menos un armónico y aproximadamente en la fase opuesta para reducir o cancelar el al menos un armónico con un impacto mínimo o nulo en la potencia a la frecuencia fundamental. En algunos modos de realización, se puede usar un filtro pasivo además de un filtro activo.
Claims (12)
1. Un sistema de potencia eléctrica (100), que comprende: un convertidor de potencia (130) que comprende: un convertidor de lado de línea (134);
un enlace de CC (135); y
un convertidor de lado de rotor (132) que comprende uno o más elementos de conmutación (142), el convertidor de lado de rotor (132) configurado para convertir una potencia de CC en el enlace de CC (135) en una señal de CA para un bus de rotor (124);
un sistema de control (140) que comprende uno o más dispositivos de control, configurados el uno o más dispositivos de control para hacer funcionar el uno o más elementos de conmutación (142) en un régimen de sobremodulación para proporcionar la señal de CA para el bus de rotor (124), en el que hacer funcionar el uno o más elementos de conmutación (142) en el régimen de sobremodulación comprende comparar una onda moduladora con una onda portadora, en las que una amplitud máxima de la onda moduladora es mayor que una amplitud máxima de la onda portadora, y en el que el sistema de control (140) está configurado además para alternar el uno o más elementos de conmutación (142) siempre que la onda portadora y la onda moduladora se crucen;
un transformador (160) acoplado eléctricamente a una red de suministro eléctrico (190) y el convertidor de potencia (130);
un generador de inducción de doble alimentación (120) que comprende un estator acoplado eléctricamente al transformador (160) por medio de un bus de estator (122), y un rotor acoplado eléctricamente al convertidor de lado de rotor (132) por medio del bus de rotor (124); y
un filtro activo (250) acoplado eléctricamente al transformador (160) y configurado para reducir al menos un armónico provocado al hacer funcionar el uno o más elementos de conmutación (142) en el régimen de sobremodulación, y que solo se activa cuando el al menos un armónico no satisface un umbral.
2. El sistema de potencia eléctrica (100) de la reivindicación 1, en el que el uno o más dispositivos de control están configurados para hacer funcionar el uno o más elementos de conmutación (142) en el régimen de sobremodulación para generar una salida de onda cuasicuadrada (210).
3. El sistema de potencia eléctrica (100) de cualquier reivindicación precedente, en el que el filtro activo (250) está configurado para proporcionar potencia activa a la misma frecuencia que al menos un armónico pero en fase opuesta para cancelar casi por completo o por completo el al menos un armónico.
4. El sistema de potencia eléctrica (100) de cualquier reivindicación precedente, en el que el filtro activo (250) está acoplado entre la red de suministro eléctrico (190) y el convertidor de potencia (130).
5. El sistema de potencia eléctrica (100) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el filtro activo (250) está acoplado entre la red de suministro eléctrico (190) y el estator del generador (120).
6. El sistema de potencia eléctrica (100) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el filtro activo (250) está acoplado entre el transformador (160) y el convertidor de potencia (130).
7. El sistema de potencia eléctrica (100) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el filtro activo (250) está acoplado entre el transformador (160) y el estator del generador (120).
8. El sistema de potencia eléctrica (100) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el filtro activo (250) está acoplado entre la red de suministro eléctrico (190) y el transformador (160).
9. El sistema de potencia eléctrica (100) de cualquier reivindicación precedente, en el que el uno o más dispositivos de control están configurados para modulación por ancho de pulso.
10. Un procedimiento de funcionamiento de un convertidor de potencia eléctrica (130) para un sistema generador de inducción de doble alimentación (100), comprendiendo el procedimiento:
convertir una potencia de CA en un convertidor de lado de línea (134) del convertidor de potencia (130) en una potencia de CC para un enlace de CC (135);
recibir en un convertidor de lado de rotor (132) que comprende uno o más elementos de conmutación (142) la potencia de CC del enlace de CC (135);
hacer funcionar, usando uno o más dispositivos de control, el uno o más elementos de conmutación (142) del convertidor de lado de rotor (132) en un régimen de sobremodulación para convertir la potencia de CC en una señal de CA, en el que hacer funcionar el uno o más elementos de conmutación (142) en el régimen de sobremodulación comprende comparar una onda moduladora con una onda portadora, siendo una amplitud máxima de la onda moduladora mayor que una amplitud máxima de la onda portadora, y alternando el uno o más elementos de conmutación (142) siempre que se crucen la onda portadora y la onda moduladora;
proporcionar la señal de CA a un bus de rotor (124) del sistema generador de inducción de doble alimentación (100); y
proporcionar salida desde un filtro activo (250) acoplado eléctricamente al transformador (160) para reducir al menos un armónico provocado al hacer funcionar el uno o más elementos de conmutación (142) en el régimen de sobremodulación, en el que el filtro activo (250) solo se activa cuando el al menos un armónico no satisface un umbral.
11. El procedimiento de la reivindicación 10, en el que el uno o más elementos de conmutación (142) funcionan en el régimen de sobremodulación para generar una salida de onda cuasicuadrada (210).
12. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 11, que comprende además recibir al menos una de una corriente (Is ) en un bus de estator (122) para acoplar eléctricamente el transformador (160) y un estator de un generador de inducción de doble alimentación (120) del sistema (100), una corriente (Ilínea) en un bus de lado de línea (138) para acoplar eléctricamente el transformador (160) y el convertidor de lado de línea (134), y una corriente (Imv) que fluye desde el transformador (160) a una red de distribución (190) como entrada del filtro activo (250).
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