ES2951517T3

ES2951517T3 - Filtro de doble frecuencia para distinguir entre diferentes tipos de eventos de red

Info

Publication number: ES2951517T3
Application number: ES20177169T
Authority: ES
Inventors: Dustin Howard; Einar Vaughn Larsen; Igor Berroteran; Reza Kazemi
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2023-10-23
Anticipated expiration: 2040-05-28
Also published as: DK3745588T3; US20200382029A1; US10868482B1; EP3745588B1; EP3745588A1

Abstract

Un método para controlar un generador de inducción de doble alimentación (DFIG) conectado a una red eléctrica en respuesta a un evento de red de alto voltaje incluye recibir, a través de un controlador, una señal de frecuencia de la red eléctrica. El método también incluye filtrar la señal de frecuencia a través de un conjunto de filtrado para determinar si ciertos tipos de condiciones de red están presentes en la red eléctrica. El conjunto de filtrado incluye un primer filtro conectado en paralelo con un segundo filtro. El primer filtro tiene un ancho de banda mayor que el segundo filtro. Además, el método también incluye comparar señales de salida del primer y segundo filtros del conjunto de filtrado con uno o más umbrales de frecuencia. Además, el método incluye controlar el DFIG basándose en la comparación. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Filtro de doble frecuencia para distinguir entre diferentes tipos de eventos de red

Campo

[0001] La presente divulgación se refiere en general a sistemas de potencia eléctrica y, más en particular, a un sistema y procedimiento para controlar un sistema de potencia eléctrica conectado a una red eléctrica en respuesta a eventos de red de sobrevoltaje ("high-voltage grid events") usando un filtro de doble frecuencia.

Antecedentes

[0002] La energía eólica se considera una de las fuentes de energía más limpias y más respetuosas con el medioambiente disponibles en la actualidad, y las turbinas eólicas han obtenido una creciente atención a este respecto. Una turbina eólica moderna incluye típicamente una torre, un generador, una multiplicadora, una góndola y una o más palas de rotor. Las palas de rotor capturan energía cinética del viento usando principios de perfil alar conocidos y transmiten la energía cinética a través de energía de rotación para hacer girar un eje que acopla las palas de rotor a una multiplicadora, o, si no se usa una multiplicadora, directamente al generador. A continuación, el generador convierte la energía mecánica en energía eléctrica que se puede distribuir en una red de suministro.

[0003] Más específicamente, durante el funcionamiento de una turbina eólica, el viento impacta en las palas de rotor y las palas transforman la energía eólica en un par de torsión de rotación mecánico que acciona un eje lento. El eje lento acciona la multiplicadora que posteriormente aumenta la baja velocidad de rotación del eje lento para accionar un eje rápido a una velocidad de rotación incrementada, en el que el eje rápido acciona de forma rotatoria un rotor de generador. En muchas configuraciones de turbinas eólicas convencionales, el generador está acoplado eléctricamente a un convertidor de potencia bidireccional que incluye un convertidor de lado de rotor (RSC) unido a un convertidor de lado de línea (LSC) por medio de un enlace de Ce regulado. El LSC convierte la potencia de CC en el enlace de CC en potencia de salida de CA que se combina con la potencia del estátor de generador para proporcionar potencia multifásica que tiene una frecuencia mantenida sustancialmente a la frecuencia del bus de red eléctrica (por ejemplo, 50 HZ o 6o HZ). El sistema anterior se denomina en general sistema de generador de inducción de doble alimentación (DFIG).

[0004] Los DFIG se usan en turbinas eólicas para permitir el funcionamiento a velocidad variable con un valor nominal de potencia electrónica de potencia mínima. Estas máquinas funcionan a velocidades inferiores a las síncronas (subsíncronas) a baja potencia y a velocidades superiores a las síncronas (supersíncronas) a alta potencia. Las turbinas eólicas que utilizan los DFIG están conectadas a la red eléctrica, a menudo funcionan en paralelo con muchas otras turbinas eólicas en el mismo sistema colector eléctrico.

[0005] La red eléctrica puede tener muchos tipos de perturbaciones, de las que algunas dan como resultado condiciones de sobrevoltaje en la red y en los sistemas eléctricos de turbina eólica. Estas perturbaciones pueden incluir: (1) eventos remotos que pueden provocar que el voltaje en toda la red de alto voltaje se incremente muy por encima de lo normal con una reducción gradual de vuelta a la normalidad; (2) fallos de red local que pueden provocar que se deprima el voltaje en las turbinas eólicas, seguido de la retirada repentina del elemento de circuito con el fallo; o (3) fallos de red local que, tras repararse, dejan el parque eólico sin conexión restante a la red, pero todavía con las turbinas eólicas conectadas a los cables y líneas del parque eólico y posiblemente una parte de la red de transmisión.

[0006] Cada uno de los eventos descritos anteriormente plantea un riesgo de daño potencial al sistema eléctrico de turbina eólica debido a los altos voltajes dentro de ese sistema que exceden la capacidad del equipo. Es deseable que la turbina eólica soporte los eventos de red, tanto de huecos de voltaje como de sobrevoltaje, cuando la red permanece parcialmente intacta después de reparar el fallo de red. Cuando la red funciona como un circuito abierto después de reparar el fallo, a continuación es deseable que las turbinas eólicas continúen funcionando sin daños y finalmente se apaguen en base a la incapacidad de transferir potencia. En esta última situación, normalmente no existe ningún requisito de tiempo para el apagado cuando la turbina eólica es parte de un parque eólico conectado a una red de transmisión. Para las aplicaciones de distribución, los códigos y reglamentos locales pueden requerir el apagado dentro de un tiempo especificado, típicamente de varios segundos.

[0007] Las desviaciones de frecuencia pueden ser el resultado de un desequilibrio entre la generación y la carga, que puede ser en particular grave tras un evento de funcionamiento en isla ("islanding event") repentino. Adicionalmente, los dispositivos electrónicos de potencia a menudo dependen de una conexión a red externa para suministrar una referencia de frecuencia, que se pierde tras entrar en un evento de funcionamiento en isla. Los bucles de enganche de fase se usan para rastrear esta referencia de frecuencia. Sin embargo, los bucles de enganche de fase usados para determinar la frecuencia pueden indicar temporalmente una desviación artificial de la frecuencia nominal durante diversas perturbaciones de red, en particular en conexiones de red débiles. Por lo tanto, las desviaciones de frecuencia provocadas por eventos de red distintos de funcionamiento en isla se pueden confundir potencialmente con una condición de funcionamiento en isla en base al rendimiento de bucle de enganche de fase. El documento US2015/249416A1 (D1) describe un sistema y procedimiento para controlar un sistema de generación de potencia en base a un evento de funcionamiento en isla detectado.

[0008] Por tanto, un sistema y procedimiento mejorados que respondan a un evento de red de sobrevoltaje en un sistema eléctrico conectado con uno o más DFIG y aborden los problemas mencionados anteriormente serían bienvenidos en la tecnología. En consecuencia, la presente divulgación está dirigida a un sistema y procedimiento para controlar un DFIG en respuesta a eventos de red de sobrevoltaje que utiliza un filtro de doble frecuencia en la salida del bucle de enganche de fase.

Breve descripción

[0009] Se expondrán, en parte, aspectos y ventajas de la invención en la siguiente descripción, o pueden ser evidentes a partir de la descripción, o se pueden aprender a través de la práctica de la invención. La presente invención está definida por la materia de las reivindicaciones independientes.

[0010] En un aspecto, un procedimiento para controlar un generador de inducción de doble alimentación (DFIG) conectado a una red eléctrica en respuesta a un evento de red de sobrevoltaje. El procedimiento incluye recibir, por medio de un controlador, una señal de frecuencia de la red eléctrica. El procedimiento también incluye filtrar la señal de frecuencia por medio de un conjunto de filtrado para determinar si determinados tipos de condiciones de red están presentes en la red eléctrica. El conjunto de filtrado incluye un primer filtro conectado en paralelo con un segundo filtro. El primer filtro tiene un ancho de banda que es mayor que el segundo filtro. Además, el procedimiento también incluye comparar las señales de salida de los primer y segundo filtros del conjunto de filtrado con uno o más umbrales de frecuencia. Además, el procedimiento incluye controlar el DFIG en base a la comparación.

[0011] En un modo de realización, el procedimiento puede incluir medir un voltaje de la red eléctrica por medio de uno o más sensores y determinar la señal de frecuencia en base al voltaje. En otro modo de realización, los primer y segundo filtros pueden ser filtros de paso bajo.

[0012] En otros modos de realización, el primer filtro puede ser un filtro de ancho de banda alto y el segundo filtro puede ser un filtro de ancho de banda bajo. En dichos modos de realización, filtrar la señal de frecuencia por medio del conjunto de filtrado para determinar si determinados tipos de condiciones de red están presentes en la red eléctrica puede incluir distinguir entre los 3 determinados tipos de condiciones de red usando el filtro de ancho de banda alto y el ancho de banda bajo.

[0013] En modos de realización particulares, determinados tipos de condiciones de red pueden incluir, por ejemplo, un evento de mantenimiento de conexión con sobrevoltaje (HVRT) ("high-voltage-ride through event"), una red débil o un evento de funcionamiento en isla.

[0014] Por tanto, en un modo de realización, distinguir entre determinados tipos de condiciones de red usando el filtro de ancho de banda alto y el filtro de ancho de banda bajo puede incluir determinar si el evento HVRT o la red débil está presente en la red eléctrica en base a una señal de salida del filtro de ancho de banda alto.

[0015] En otro modo de realización, distinguir entre los determinados tipos de condiciones de red usando el filtro de ancho de banda alto y el filtro de ancho de banda bajo puede incluir determinar si el evento de funcionamiento en isla está presente en la red eléctrica en base a una señal de salida del filtro de ancho de banda bajo.

[0016] En modos de realización adicionales, si la señal de salida del filtro de ancho de banda alto indica que el evento HVRT es la condición de red, controlar el DFIG en base a la comparación puede incluir mantener la conexión a la red eléctrica para cumplir con los requisitos de red de mantenimiento de conexión ("ride-through grid requirements") de la red eléctrica. En otro modo de realización, si la señal de salida del filtro de ancho de banda alto indica que la red débil es la condición de red, controlar el DFIG en base a la comparación puede incluir continuar con el funcionamiento del DFIG. Aún en otro modo de realización, si la señal de salida del filtro de ancho de banda bajo indica que el evento de funcionamiento en isla es la condición de red, controlar el DFIG en base a la comparación comprende además desconectar el DFIG de la red eléctrica.

[0017] En varios modos de realización, el procedimiento puede incluir además controlar el DFIG en base a la comparación y al menos uno de un voltaje de red o una potencia de red.

[0018] En un modo de realización, el procedimiento puede incluir recibir, por medio de un bucle de enganche de fase (PLL) del controlador, una señal de realimentación de voltaje de la red eléctrica y generar, por medio del PLL, la señal de frecuencia de la red eléctrica en base a la señal de realimentación de voltaje.

[0019] En otro aspecto, la presente divulgación está dirigida a un sistema para controlar un generador de inducción de doble alimentación (DFIG) conectado a una red eléctrica en respuesta a un evento de red de sobrevoltaje. El sistema incluye uno o más sensores para medir una realimentación de voltaje de la red eléctrica, un bucle de enganche de fase para generar una señal de frecuencia de la red eléctrica en base a la señal de realimentación de voltaje, un conjunto de filtrado y un controlador. El conjunto de filtrado está configurado para filtrar la señal de frecuencia para determinar si determinados tipos de condiciones de red están presentes en la red eléctrica. Además, el conjunto de filtrado incluye un primer filtro conectado en paralelo con un segundo filtro. El primer filtro tiene un ancho de banda que es mayor que el segundo filtro. El controlador está configurado para realizar una pluralidad de operaciones, que incluyen, pero sin limitarse a, comparar las señales de salida de los primer y segundo filtros del conjunto de filtrado con uno o más umbrales de frecuencia y controlar el DFIG en base a la comparación. Se debería entender que el sistema puede incluir además cualquier combinación de las características y/o las etapas adicionales como se describe en el presente documento.

[0020] Estas y otras características, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor con referencia a la siguiente descripción y reivindicaciones adjuntas. Los dibujos adjuntos, que se incorporan en y constituyen una parte de esta memoria descriptiva, ilustran modos de realización de la invención y, conjuntamente con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención.

Breve descripción de los dibujos

[0021] Una divulgación completa y suficiente de la presente invención, incluyendo el mejor modo de la misma, dirigida 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 ilustra una vista en perspectiva de un modo de realización de una turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 2 ilustra una vista esquemática de un modo de realización de un sistema eléctrico y de control que se puede usar con la turbina eólica mostrada en la FIG. 1;

la FIG. 3 ilustra un diagrama de bloques de un modo de realización de componentes adecuados que se pueden incluir en un controlador de la turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 4A ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de una condición de funcionamiento normal de una turbina eólica en un parque eólico de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 4B ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de las condiciones cuando se abre un disyuntor remoto dejando el parque eólico en una condición de isla de acuerdo con la presente divulgación; y la FIG. 5 ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de un sistema para controlar el generador en respuesta a un evento de red de sobrevoltaje de acuerdo con la presente divulgación.

Descripción detallada

[0022] Ahora se hará referencia en detalle a modos de realización de la invención, ilustrándose uno o más de sus ejemplos en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la invención, no de limitación de la invención. De hecho, resultará evidente para los expertos en la técnica que se pueden realizar diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance de la invención. Por ejemplo, se pueden usar características ilustradas o descritas como parte de un modo de realización con otro modo de realización para proporcionar todavía otro modo de realización. Por tanto, se pretende que la presente invención cubra dichas modificaciones y variaciones que entran dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas y de sus equivalentes.

[0023] En general, en el presente documento se divulgan sistemas y procedimientos para controlar un sistema de potencia eléctrica, tal como una turbina eólica, conectado a una red eléctrica en respuesta a eventos de red de sobrevoltaje usando un filtro de doble frecuencia. Se debería entender que la presente divulgación se puede usar para sistemas de DFIG, sistemas de conversión completa, sistemas de almacenamiento de batería y/o inversores solares. Más específicamente, la presente divulgación se refiere a medir una señal de frecuencia y filtrar la frecuencia medida con dos filtros de paso bajo paralelos, uno con un ancho de banda significativamente mayor que el otro (por ejemplo, de 5-10 veces el ancho de banda). La frecuencia filtrada de ancho de banda alto se usa para confirmar si está presente un evento de mantenimiento de conexión con sobrevoltaje o una red débil, en la que no se esperan desviaciones de frecuencia significativas del valor nominal. La versión filtrada de ancho de banda bajo se usa para determinar si está presente una condición de funcionamiento en isla y, por lo tanto, si es necesaria una desconexión o apagado posterior del generador de turbina eólica.

[0024] En referencia ahora a los dibujos, la FIG. 1 ilustra una vista esquemática de un modo de realización de una turbina eólica 100 de acuerdo con la presente divulgación. Como se muestra, la turbina eólica 100 incluye una góndola 102 que aloja un generador (no mostrado). La góndola 102 puede estar montada en una torre 104 (mostrándose una parte de la torre 104 en la FIG. 1). La torre 104 puede tener cualquier altura que facilite el funcionamiento de la turbina eólica 100 como se describe en el presente documento. La turbina eólica 100 también incluye un rotor 106 que incluye una pluralidad de palas de rotor 108 unidas a un buje rotatorio 110. Más específicamente, como se muestra, la turbina eólica 100 incluye tres palas de rotor 108 unidas al buje 110. De forma ^{alternativa, la turbina eólica 100 puede incluir un número cualquiera de palas de rotor}108 ^{que facilite el}funcionamiento de la turbina eólica 100 como se describe en el presente documento. En un modo de realización, la turbina eólica 100 también puede incluir una multiplicadora 114 (FIG. 2) acoplada de forma rotatoria al rotor 106 y un generador 118 (FIG. 2).

[0025] En referencia en particular a la FIG. 2, una vista esquemática de un modo de realización de un sistema eléctrico y de control 200 que se puede usar con la turbina eólica 100 (mostrada en la FIG. 1). Como se muestra, el rotor 106 se puede acoplar de forma rotatoria a un eje lento 112. El eje lento 112 se puede acoplar a una multiplicadora aumentadora 114. La multiplicadora 114 se puede configurar para aumentar la velocidad de rotación del eje lento 112 y transferir esa velocidad a un eje rápido 116. En un modo de realización, la multiplicadora 114 puede tener una proporción de aumento de aproximadamente 70:1. Por ejemplo, el eje lento 112 que rota a aproximadamente 20 revoluciones por minuto (20) acoplado a la multiplicadora 114 con una proporción de aumento de aproximadamente 70:1 genera la velocidad del eje rápido 116 de aproximadamente 1400 rpm. De forma alternativa, la multiplicadora 114 tiene cualquier proporción de aumento que facilita el funcionamiento de la turbina eólica 100 como se describe en el presente documento. Además, de forma alternativa, la turbina eólica 100 puede incluir un generador de accionamiento directo 118, en el que el generador 118 está acoplado de forma rotatoria al rotor 106 sin ninguna multiplicadora intermedia.

[0026] El eje rápido 116 está acoplado de forma rotatoria al generador 118. En un modo de realización, el generador 118 puede ser un generador de inducción de doble alimentación (DFIG), trifásico, de 60 Hz, síncrono, de rotor devanado que incluye un estátor de generador 120 acoplado magnéticamente a un rotor de generador 122. De forma alternativa, el generador 118 puede ser cualquier generador de un número cualquiera de fases que facilite el funcionamiento de la turbina eólica 100 como se describe en el presente documento.

[0027] Por tanto, durante el funcionamiento, el viento impacta en las palas del rotor 108 y las palas del rotor 108 transforman la energía mecánica del viento en un par de torsión de rotación mecánico que acciona de forma rotatoria el eje lento 112 por medio del buje 110. El eje lento 112 acciona la multiplicadora 114 que posteriormente aumenta la baja velocidad de rotación del eje 112 para accionar el eje rápido 116 a una velocidad de rotación incrementada. El eje rápido 116 acciona de forma rotatoria el rotor de generador 122 de modo que se induce un campo magnético rotatorio dentro del rotor de generador 122 y se induce un voltaje dentro del estátor de generador 120 que está acoplado magnéticamente al rotor de generador 122. El generador 118 convierte la energía mecánica de rotación en una señal de energía eléctrica de corriente alterna (CA) trifásica sinusoidal en el estátor de generador 120.

[0028] El sistema eléctrico y de control 200 también puede incluir un controlador 202. En un modo de realización, el controlador 202 puede incluir un ordenador u otra unidad de procesamiento adecuada. Por tanto, en varios modos de realización, el controlador 202 puede incluir instrucciones legibles por ordenador adecuadas que, cuando se implementan, configuran el controlador 202 para realizar diversas funciones diferentes, tales como recibir, transmitir y/o ejecutar señales de control. Como tal, el controlador 202 en general se puede configurar para controlar los diversos modos de funcionamiento (por ejemplo, estados conductores o no conductores) del uno o más conmutadores y/o componentes de modos de realización del sistema eléctrico 200. Por ejemplo, el controlador 200 se puede configurar para implementar procedimientos de respuesta a un evento de red de sobrevoltaje en un sistema eléctrico conectado con uno o más DFIG.

[0029] Como se usa en el presente documento, el término ordenador no se limita solo a los circuitos integrados que en la técnica se denominan ordenadores, sino que se refiere en términos generales a un procesador, un microcontrolador, un microordenador, un controlador lógico programable (PLC), un circuito integrado específico de la aplicación y otros circuitos programables, y estos términos se usan de manera intercambiable en el presente documento. En el modo de realización de ejemplo, la memoria puede incluir, pero no se limita a, un medio legible por ordenador, tal como una memoria de acceso aleatorio (RAM). De forma alternativa, también se puede usar un disquete, una memoria de solo lectura en disco compacto (CD-ROM), un disco magnetoóptico (MOD) y/o un disco versátil digital (DVD). Además, en el modo de realización de ejemplo, los canales de entrada adicionales pueden ser, pero no limitarse a, periféricos informáticos asociados con una interfaz de operario, tal como un ratón y un teclado. De forma alternativa, también se pueden usar otros periféricos de ordenador que pueden incluir, por ejemplo, pero no se limitan a, un escáner. Además, en el modo de realización de ejemplo, canales de salida adicionales pueden incluir, pero no se limitan a, un monitor de interfaz de operario.

[0030] Por ejemplo, la FIG. 3 ilustra un diagrama de bloques de un modo de realización de componentes adecuados que se pueden incluir dentro de un modo de realización de un controlador 202, o cualquier otro dispositivo informático que reciba señales que indiquen las condiciones de red de acuerdo con aspectos de la presente materia. En diversos aspectos, dichas señales se pueden recibir desde uno o más sensores 58, 60, o se pueden recibir desde otros dispositivos informáticos, tales como un sistema de control de supervisión y adquisición de datos (SCADA), un sistema de protección de turbina, un regulador de bucle de enganche de fase (PLL) 260 y similares. Las señales recibidas pueden incluir, por ejemplo, señales de voltaje (por ejemplo, voltaje de bus de CC y voltaje de red de CA junto con los ángulos de fase correspondientes para cada fase de la red de CA), señales de corriente, señales de flujo de potencia (dirección), salida de potencia, flujo de potencia total hacia (o fuera de) la red y similares. En algunos casos, se pueden usar las señales recibidas por el controlador 202 para calcular otras variables tales como cambios en los ángulos de fase de voltaje con el tiempo y similares.

[0031] Como se muestra, el controlador 202 puede incluir uno o más procesadores 62 y dispositivos de memoria asociados 64 configurados para realizar una variedad de funciones implementadas por ordenador (por ejemplo, realizar los procedimientos, etapas, cálculos y similares divulgados en el presente documento). Como se usa en el presente documento, el término "procesador" no solo se refiere a circuitos integrados que se refieren en la técnica que están incluidos en un ordenador, sino que también se refiere a un controlador, un microcontrolador, un microordenador, un controlador lógico programable (PLC), un circuito integrado específico de la aplicación y otros circuitos programables. Adicionalmente, el/los dispositivo(s) de memoria 64 puede(n) comprender, en general, elemento(s) de memoria, incluyendo, pero sin limitarse a, medio legible por ordenador (por ejemplo, una memoria de acceso aleatorio (RAM)), medio no volátil legible por ordenador (por ejemplo, una memoria flash), un disco flexible, una memoria de solo lectura en disco compacto (CD-ROM), un disco magnetoóptico (MOD), un disco versátil digital (DVD) y/u otros elementos de memoria adecuados. Dicho(s) dispositivo(s) de memoria 64 se puede(n) configurar, en general, para almacenar instrucciones legibles por ordenador adecuadas que, cuando se implementan por el/los procesador(es) 62, configuran el controlador 202 para realizar diversas funciones que incluyen, pero sin limitarse a, transmitir directa o indirectamente señales de control adecuadas a uno o más conmutadores que comprenden el conjunto de conversión de potencia bidireccional 210, monitorizar las condiciones de funcionamiento del sistema eléctrico 200 y otras funciones implementadas por ordenador adecuadas diversas.

[0032] Adicionalmente, el controlador 202 también puede incluir un módulo de comunicaciones 66 para facilitar las comunicaciones entre el controlador 202 y los diversos componentes del sistema eléctrico 200. Por ejemplo, el módulo de comunicaciones 66 puede servir como interfaz para permitir que el controlador 202 transmita señales de control a cualquier componente de la turbina eólica y el sistema eléctrico 200. Además, el módulo de comunicaciones 66 puede incluir una interfaz de sensor 68 (por ejemplo, uno o más convertidores de analógico a digital) para permitir que las señales transmitidas desde los sensores (por ejemplo, 58, 60) se conviertan en señales que se pueden entender y procesar por los procesadores 62. De forma alternativa, el controlador 202 puede estar provisto de instrucciones legibles por ordenador adecuadas que, cuando se implementan por su(s) procesador(es) 62, configuran el controlador 202 para adoptar diversas acciones dependiendo del modo de control de la turbina eólica 100.

[0033] En referencia de nuevo a la FIG. 2, el estátor de generador 120 se puede acoplar eléctricamente además a un conmutador de sincronización de estátor 206 por medio de un bus de estátor 208. En el modo de realización de ejemplo, para facilitar la configuración del DFIG, el rotor de generador 122 está acoplado eléctricamente a un conjunto de conversión de potencia bidireccional 210 por medio de un bus de rotor 212. De forma alternativa, el sistema 200 se puede configurar como un sistema de conversión de potencia completa, en el que un conjunto de conversión de potencia completa que es similar en diseño y funcionamiento al conjunto 210 está acoplado eléctricamente al estátor 120 y dicho conjunto de conversión de potencia completa facilita la canalización de potencia eléctrica entre el estátor 120 y una red de transmisión y distribución de potencia eléctrica. El bus de estátor 208 transmite potencia trifásica desde el estátor 120 y el bus de rotor 212 transmite potencia trifásica desde el rotor 122 al conjunto 210. El conmutador de sincronización de estátor 206 está acoplado eléctricamente a un disyuntor de circuito de transformador principal 214 por medio de un bus de sistema 216.

[0034] El conjunto de conversión de potencia 210 incluye un filtro de rotor 218 que está acoplado eléctricamente al rotor 122 por medio del bus de rotor 212. El filtro de rotor 218 está acoplado eléctricamente a un convertidor de potencia bidireccional de lado de rotor 220 por medio de un bus de filtro de rotor 219. El convertidor de lado de rotor 220 está acoplado eléctricamente a un convertidor de potencia bidireccional de lado de línea 222. Los convertidores 220 y 222 pueden ser sustancialmente idénticos. El convertidor de lado de línea 222 está acoplado eléctricamente a un filtro de línea 224 y un contactor de línea 226 por medio de un bus de convertidor de potencia de lado de línea 223 y un bus de línea 225. En un modo de realización, los convertidores 220 y 222 están configurados en una configuración de modulación de ancho de pulso (PWM) trifásica que incluye dispositivos de conmutación de transistor bipolar de puerta aislada (IGBT). De forma alternativa, los convertidores 220 y 222 pueden tener cualquier configuración usando cualquier dispositivo de conmutación que facilite el funcionamiento del sistema 200 como se describe en el presente documento. Además, como se muestra, el conjunto 210 está acoplado en comunicación de datos electrónica con el controlador 202 para controlar el funcionamiento de los convertidores 220 y 222.

[0035] El contactor de línea 226 está acoplado eléctricamente a un disyuntor de circuito de conversión 228 por medio de un bus de disyuntor de circuito de conversión 230. El disyuntor de circuito 228 también está acoplado eléctricamente al disyuntor de circuito de sistema 214 por medio del bus de sistema 216 y el bus de conexión 232. El disyuntor de circuito de sistema 214 está acoplado eléctricamente a un transformador principal de potencia eléctrica 234 por medio de un bus de lado de generador 236. El transformador 234 está acoplado eléctricamente a un disyuntor de circuito de red 238 por medio un bus de lado de disyuntor 240. El disyuntor de red 238 está conectado a una red de transmisión y distribución de potencia eléctrica por medio de un bus de red 242.

[0036] En referencia todavía a la FIG. 2, los convertidores 220 y 222 están acoplados en comunicación eléctrica entre sí por medio de un único enlace de corriente continua (CC) 244. De forma alternativa, los convertidores 220 y 222 se pueden acoplar eléctricamente por medio de enlaces de CC individuales y separados. El enlace de CC 244 incluye un carril positivo 246, un carril negativo 248 y al menos un condensador 250 acoplado entre ambos. De forma alternativa, el condensador 250 puede ser uno o más condensadores configurados en serie o en paralelo entre los carriles 246 y 248.

[0037] El sistema 200 puede incluir además un regulador de bucle de enganche de fase (PLL) 260 que está configurado para recibir una pluralidad de señales de medición de voltaje desde una pluralidad de transductores de voltaje 252. En un modo de realización, como se muestra, cada uno de los tres transductores de voltaje 252 está acoplado eléctricamente a cada una de las tres fases del bus 242. De forma alternativa, los transductores de voltaje 252 están acoplados eléctricamente al bus de sistema 216. Además, de forma alternativa, los transductores de voltaje 252 se pueden acoplar eléctricamente a cualquier parte del sistema 200 que facilite el funcionamiento del sistema 200 como se describe en el presente documento.

[0038] Además, el regulador de PLL 260 puede estar en comunicación de datos electrónica con el controlador 202 y los transductores de voltaje 252 por medio de una pluralidad de conductos eléctricos 254, 256 y 258. De forma alternativa, el regulador de PLL 260 se puede configurar para recibir un número cualquiera de señales de medición de voltaje desde un número cualquiera de transductores de voltaje 252, que incluyen, pero sin limitarse a, una señal de medición de voltaje desde un transductor de voltaje 252. El controlador 202 también puede recibir un número cualquiera de realimentaciones de corriente desde los transformadores de corriente o transductores de corriente que están acoplados eléctricamente a cualquier parte del sistema 200 que facilite el funcionamiento del sistema 200 como se describe en el presente documento, tal como, por ejemplo, realimentación de corriente de estátor desde el bus de estátor 208, realimentación de corriente de red desde el bus de lado de generador 236 y similares.

[0039] Durante el funcionamiento, la potencia eléctrica asociada del generador 118 se transmite al transformador principal 234 por medio del bus 208, el conmutador 206, el bus 216, el disyuntor 214 y el bus 236. El transformador principal 234 aumenta la amplitud de voltaje de la potencia eléctrica y la potencia eléctrica transformada se transmite además a una red por medio del bus 240, el disyuntor de circuito 238 y el bus 242.

[0040] En la configuración de generador de inducción de doble alimentación, se proporciona una segunda ruta de transmisión de potencia eléctrica. Por ejemplo, como se muestra, la potencia de ^cA sinusoidal, trifásica, eléctrica se genera dentro del devanado del rotor 122 y se transmite al conjunto 210 por medio del bus 212. Dentro del conjunto 210, la potencia eléctrica se transmite al filtro de rotor 218, en el que la potencia eléctrica se modifica según la tasa de cambio de las señales de PWM asociadas con el convertidor 220. El convertidor de potencia 220 actúa como un rectificador y rectifica la potencia de CA trifásica sinusoidal a potencia de CC. La potencia de CC se transmite hacia el enlace de CC 244. El condensador 250 facilita la mitigación de las variaciones de amplitud de voltaje de enlace de CC facilitando la mitigación de una ondulación de CC asociada con la rectificación de CA.

[0041] La potencia de CC se transmite posteriormente desde el enlace de CC 244 hasta el convertidor de lado de línea 222, en el que el convertidor 222 actúa como un inversor configurado para convertir la potencia eléctrica de CC del enlace de Ce 244 en potencia eléctrica de CA sinusoidal trifásica con voltajes, corrientes y frecuencias predeterminados. Esta conversión se monitoriza y controla por medio del controlador 202. La potencia de CA convertida se transmite desde el convertidor de lado de línea 222 al bus 216 por medio de los buses 227 y 225, el contactor de línea 226, el bus 230, el disyuntor de circuito 228 y el bus 232. El filtro de línea 224 compensa o ajusta las corrientes armónicas en la potencia eléctrica transmitida desde el convertidor de lado de línea 222. El conmutador de sincronización de estátor 206 está configurado para cerrarse de modo que se facilite la conexión de la potencia trifásica del estátor 120 con la potencia trifásica del conjunto 210.

[0042] Los disyuntores de circuito 228, 214 y 238 están configurados para desconectar los buses correspondientes, por ejemplo, cuando el flujo de corriente es excesivo y puede dañar los componentes del sistema 200. También se proporcionan componentes de protección adicionales, incluyendo el contactor de línea 226, que se pueden controlar para formar una desconexión abriendo un conmutador (no mostrado en la FIG. 2) correspondiente a cada una de las líneas del bus de línea 230.

[0043] Además, el conjunto 210 puede compensar o ajustar la frecuencia de la potencia trifásica del rotor 122 por cambios, por ejemplo, en la velocidad del viento en el buje 110 y las palas de rotor 108. Por lo tanto, de esta manera, las frecuencias de rotor mecánicas y eléctricas se desacoplan y el emparejamiento de frecuencias de estátor y de rotor eléctricas sustancialmente se facilita independientemente de la velocidad de rotor mecánica.

[0044] -El conjunto de convertidor de potencia 210 y el generador 118 pueden ser susceptibles a las fluctuaciones de voltaje de red y otras formas de fallos de red. El generador 118 puede almacenar energía magnética que se puede convertir en altas corrientes cuando un voltaje de terminal de generador disminuye rápidamente. Esas corrientes pueden mitigar la esperanza de vida de los componentes del conjunto 210 que pueden incluir, pero no limitarse a, dispositivos semiconductores tales como los IGBT dentro de los convertidores 220 y 222.

[0045] De forma similar, durante un evento de funcionamiento en isla, el generador 118 se puede desconectar de la red. Los componentes que comprenden el sistema eléctrico 200 tales como los buses 208, 216, 232, 230, 236, 240 pueden almacenar energía que se libera durante un evento de funcionamiento en isla. Esto puede dar como resultado un sobrevoltaje en el sistema eléctrico 200 que conecta el generador 118 con la red. Un sobrevoltaje puede ser un incremento a corto plazo o de mayor duración en el voltaje medido del sistema eléctrico sobre su valor nominal. Por ejemplo, el sobrevoltaje puede ser de un 1 %, 5 %, 10 %, 50 %, 150 % o mayor, y cualquier valor intermedio, del voltaje medido sobre el voltaje nominal.

[0046] Otra dificultad presentada al sistema eléctrico 200 durante un evento de funcionamiento en isla es que el convertidor 210 y el generador 118 pueden experimentar una red de impedancia extremadamente alta y muy probablemente casi no tendrán capacidad para exportar potencia real. Si la turbina está funcionando a un nivel de potencia significativo, esa energía se debe consumir, y esa energía tiende a llegar al enlace de CC 244 que acopla los dos convertidores 220, 222, como se describe a continuación. Este flujo de potencia se puede producir en el enlace de CC 244 por los semiconductores de potencia de la línea 222 o bien del convertidor de rotor 220. Para sistemas similares al mostrado en la FIG. 2, el uso de un circuito crowbar, como es conocido en la técnica, en el terminal del convertidor de rotor 220 se puede usar para proteger los semiconductores de potencia en muchos eventos, pero la aplicación del crowbar durante un evento de funcionamiento en isla puede incrementar el riesgo de daño.

[0047] La condición de funcionamiento normal de una turbina eólica en un parque eólico se ilustra en la FIG. 4A. Más específicamente, la FIG. 4A ilustra los flujos de potencia dentro del convertidor de potencia 210 y el sistema eléctrico de parque eólico 300 durante el funcionamiento supersíncrono, típico de condiciones de viento de moderadas a altas. Como se muestra, la potencia del generador 118 se divide en dos rutas, un flujo de potencia (PEstátor) 302 fluye directamente desde el estátor 120 hacia la conexión de red 242, el otro flujo de potencia (PRotor) 304 por medio del rotor 122 que pasa a través del convertidor de rotor 220, al enlace de CC 244, al convertidor de lado de línea 222, a través de un reactor de línea 312 (no requerido) y a continuación al punto de conexión de red 242. La suma (Pred) 306 de los dos flujos de potencia 302, 304 es la salida neta del generador 118. Obsérvese que la división de potencia entre el rotor de generador 122 y el estátor 120 es una función de la velocidad del rotor en relación con el síncrono. De forma similar, la potencia de otras turbinas eólicas 314 en el parque eólico fluye desde la red local al punto de conexión de red 242. En el funcionamiento supersíncrono, la velocidad del rotor es mayor que en el síncrono y la potencia se divide como se muestra. En el funcionamiento subsíncrono, la velocidad del rotor es menor que en el síncrono y el devanado del rotor 122 extrae potencia del convertidor de rotor 220, es decir, el flujo de potencia a través de los convertidores 222, 220.

[0048] La FIG. 4B ilustra las condiciones cuando un disyuntor remoto se abre dejando el parque eólico en una condición de isla y el flujo de potencia a la red 242 se interrumpe repentinamente en un caso donde el par de torsión y la velocidad del rotor siguen siendo los mismos que antes de la condición de funcionamiento en isla. La potencia (PLínea) 308 en el convertidor de línea 222 se ve repentinamente forzada a invertirse, puesto que la potencia que fluía desde el estátor 120 a la red 242 ahora tiene solo el convertidor de línea 222 como ruta. Esto provoca que el voltaje en el enlace de CC 244 se eleve muy rápidamente. Cuando se produce una condición de isla, es deseable desconectar la turbina eólica 118 de la red 242 de manera que no provoque daño a los componentes del sistema eléctrico 300. Sin embargo, el daño a los componentes puede ocurrir en unos pocos milisegundos, lo que típicamente es más rápido de lo que pueden funcionar los disyuntores de circuito. La acción de control es necesaria rápidamente para evitar dañar los niveles de voltaje. Además, como se describe anteriormente, la apertura de disyuntor remoto puede dejar una parte de la red local conectada al generador 118, por ejemplo, cables que componen el sistema colector de parque eólico, etc. Esta capacitancia 310 puede ser una fuente de amplificación de voltaje de CA en la red restante.

[0049] En referencia ahora a la FIG. 5, se ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de un sistema 400 para controlar el generador 118 en respuesta a un evento de red de sobrevoltaje de acuerdo con la presente divulgación. Como se muestra, el sistema 400 puede incluir uno o más sensores (tales como los sensores 58, 60) para medir una realimentación de voltaje de la red eléctrica 242, el regulador de PLL 260 para generar una señal de frecuencia (por ejemplo, frecuencia de PLL) de la red eléctrica 242, un conjunto de filtrado 402 y el controlador 202. Más específicamente, como se muestra, el regulador de PLL 260 está configurado para determinar la señal de frecuencia en base a un ángulo de red (que se puede determinar a partir de la realimentación de voltaje). Por tanto, como se muestra, el regulador de PLL 260 puede detectar el voltaje de red y derivar la frecuencia del mismo. Un regulador integral proporcional 404 recibe el ángulo de red y filtra la señal por medio de un filtro (por ejemplo, un filtro de paso bajo 406).

[0050] En referencia todavía a la FIG. 5, el conjunto de filtrado 402 está configurado para filtrar la señal de frecuencia 412 para determinar si determinados tipos de condiciones de red están presentes en la red eléctrica 242. Más específicamente, como se muestra, el conjunto de filtrado 402 puede recibir la señal de frecuencia 412 y dividir la señal entre un valor de frecuencia nominal en 414. A continuación, la salida (por ejemplo, frecuencia de red normalizada) se puede filtrar más por un primer filtro 416 conectado en paralelo con un segundo filtro 418. Además, el primer filtro 416 puede tener un ancho de banda que es mayor que el segundo filtro 418. Por tanto, en determinados modos de realización, el primer filtro 416 puede ser un filtro de ancho de banda alto y el segundo filtro 418 puede ser un filtro de ancho de banda bajo. En otro modo de realización, los primer y segundo filtros 416, 418 pueden ser filtros de paso bajo.

[0051] En dichos modos de realización, el conjunto de filtrado 402 puede distinguir entre los determinados tipos de condiciones de red usando el filtro de ancho de banda alto 416 y el filtro de ancho de banda bajo 418. Además, para modos de realización particulares, los determinados tipos de condiciones de red pueden incluir, por ejemplo, un evento de mantenimiento de conexión con sobrevoltaje (HVRT), una red débil o un evento de funcionamiento en isla. Por ejemplo, en un modo de realización, el conjunto de filtrado 402 puede distinguir eventos de HVRT y/o una condición de red débil (donde no se esperan desviaciones de frecuencia significativas de la nominal) usando el ancho de banda alto 416. Además, el conjunto de filtrado 402 puede distinguir los eventos de funcionamiento en isla usando el ancho de banda bajo 418.

[0052] En 424, el controlador 202 está configurado para comparar las señales de salida de los primer y segundo filtros 416, 418 del conjunto de filtrado 402 con uno o más umbrales de frecuencia y controlar el generador 118 en base a la comparación. Más específicamente, en un modo de realización, si la señal de salida del filtro de ancho de banda alto 416 indica que el evento de HVRT es la condición de red (es decir, la señal excede un determinado umbral de frecuencia), el controlador 202 está configurado para controlar el generador 118 para mantener la conexión del generador 118 a la red eléctrica 242 para cumplir con los requisitos de red de mantenimiento de conexión de la misma. En otro modo de realización, si la señal de salida del filtro de ancho de banda alto 416 indica que la red débil es la condición de red, el controlador 202 está configurado para continuar el funcionamiento del generador 118 según el estado en que se encuentra. Aún en otro modo de realización, si la señal de salida del filtro de ancho de banda bajo 418 indica que el evento de funcionamiento en isla es la condición de red, el controlador 202 está configurado para desconectar el generador 118 de la red eléctrica 242. Además, como se muestra, el controlador 202 también puede recibir un voltaje de red 420 y/o una potencia de red 422 y determinar además la acción de control basada en ello.

[0053] Como se describe anteriormente y como se apreciará por un experto en la técnica, los modos de realización de la presente invención se pueden configurar como un sistema, procedimiento o producto de programa informático. En consecuencia, los modos de realización de la presente invención pueden estar compuestas por diversos medios, incluyendo completamente de hardware, completamente de software o cualquier combinación de software y hardware. Además, los modos de realización de la presente invención pueden adoptar la forma de un producto de programa informático en un medio de almacenamiento legible por ordenador que tenga instrucciones de programa legibles por ordenador (por ejemplo, software informático) incorporadas en el medio de almacenamiento. Se puede utilizar cualquier medio de almacenamiento legible por ordenador no transitorio adecuado, incluyendo discos duros, CD-ROM, dispositivos de almacenamiento óptico o dispositivos de almacenamiento magnético.

[0054] Los modos de realización de la presente invención se han descrito anteriormente con referencia a diagramas de bloques e ilustraciones de diagramas de flujo de procedimientos, aparatos (es decir, sistemas) y productos de programa informático. Se entenderá que cada bloque de los diagramas de bloques e ilustraciones de diagramas de flujo, y combinaciones de bloques en los diagramas de bloques e ilustraciones de diagramas de flujo, respectivamente, se pueden implementar por diversos medios, incluyendo instrucciones de programa informático. Estas instrucciones de programa informático se pueden cargar en un ordenador de propósito general, un ordenador de propósito especial u otro aparato de procesamiento de datos programable para producir una máquina, de modo que las instrucciones que se ejecutan en el ordenador u otro aparato de procesamiento de datos programable creen un medio para implementar las funciones especificadas en el bloque o bloques del diagrama de flujo.

[0055] Estas instrucciones de programa informático también se pueden almacenar en una memoria legible por ordenador no transitoria que puede dirigir un ordenador u otro aparato de procesamiento de datos programable para que funcione de una manera particular, de modo que las instrucciones almacenadas en la memoria legible por ordenador produzcan un artículo de fabricación que incluya instrucciones legibles por ordenador para implementar la función especificada en el bloque o bloques del diagrama de flujo. Las instrucciones de programa informático también se pueden cargar en un ordenador u otro aparato de procesamiento de datos programable para provocar que se realice una serie de etapas operativas en el ordenador u otro aparato programable para producir un procedimiento implementado por ordenador de modo que las instrucciones que se ejecuten en el ordenador u otro aparato programable proporcionen etapas para implementar las funciones especificadas en el bloque o bloques del diagrama de flujo.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento para controlar un generador de inducción de doble alimentación (DFIG) conectado a una red eléctrica en respuesta a un evento de red de sobrevoltaje, comprendiendo el procedimiento:

recibir, por medio de un controlador (202), una señal de frecuencia de la red eléctrica (242);

filtrar la señal de frecuencia (412) por medio de un conjunto de filtrado (402) para determinar si determinados tipos de condiciones de red están presentes en la red eléctrica, comprendiendo el conjunto de filtrado un primer filtro (416) conectado en paralelo con un segundo filtro (418), comprendiendo el primer filtro un ancho de banda que es mayor que el segundo filtro;

comparar las señales de salida de los primer y segundo filtros del conjunto de filtrado con uno o más umbrales de frecuencia; y

controlar el DFIG en base a la comparación.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, que comprende además medir un voltaje de la red eléctrica por medio de uno o más sensores y determinar la señal de frecuencia en base al voltaje.

3. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que los primer y segundo filtros son filtros de paso bajo.

4. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el primer filtro es un filtro de ancho de banda alto y el segundo filtro es un filtro de ancho de banda bajo, en el que filtrar la señal de frecuencia por medio del conjunto de filtrado para determinar si determinados tipos de condiciones de red están presentes en la red eléctrica comprende además distinguir entre determinados tipos de condiciones de red usando el filtro de ancho de banda alto y el filtro de ancho de banda bajo.

5. El procedimiento de la reivindicación 4, en el que determinados tipos de condiciones de red comprenden al menos uno de un evento de mantenimiento de conexión con sobrevoltaje (HVRT), una red débil o un evento de funcionamiento en isla.

6. El procedimiento de la reivindicación 5, en el que distinguir entre determinados tipos de condiciones de red usando el filtro de ancho de banda alto y el filtro de ancho de banda bajo comprende además determinar si el evento de HVRT o la red débil está presente en la red eléctrica en base a una señal de salida del filtro de ancho de banda alto.

7. El procedimiento de la reivindicación 5 o 6, en el que distinguir entre determinados tipos de condiciones de red usando el filtro de ancho de banda alto y el filtro de ancho de banda bajo comprende además determinar si el evento de funcionamiento en isla está presente en la red eléctrica en base a una señal de salida del filtro de ancho de banda bajo.

8. El procedimiento de la reivindicación 6 o 7, en el que si la señal de salida del filtro de ancho de banda alto indica que el evento de HVRT es la condición de red, controlar el DFIG en base a la comparación comprende además mantener la conexión a la red eléctrica para cumplir con los requisitos de red de mantenimiento de conexión de la red eléctrica.

9. El procedimiento de la reivindicación 6, 7 u 8, en el que si la señal de salida del filtro de ancho de banda alto indica que la red débil es la condición de red, controlar el DFIG en base a la comparación comprende además continuar el funcionamiento del DFIG.

10. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en el que si la señal de salida del filtro de ancho de banda bajo indica que el evento de funcionamiento en isla es la condición de red, controlar el DFIG en base a la comparación comprende además desconectar el DFIG de la red eléctrica.

11. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además controlar el DFIG en base a la comparación y al menos uno de un voltaje de red o una potencia de red.

12. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además:

recibir, por medio de un bucle de enganche de fase (PLL) del controlador, una señal de realimentación de voltaje desde la red eléctrica; y

generar, por medio del PLL, la señal de frecuencia de la red eléctrica en base a la señal de realimentación de voltaje.

13. Un sistema para controlar un generador de inducción de doble alimentación (DFIG) conectado a una red eléctrica (242) en respuesta a un evento de red de sobrevoltaje, comprendiendo el sistema:

uno o más sensores (58, 60) para medir una realimentación de voltaje de la red eléctrica (242);

un controlador (202) configurado para realizar una pluralidad de operaciones;

un bucle de enganche de fase para generar una señal de frecuencia de la red eléctrica en base a la señal de realimentación de voltaje;

un conjunto de filtrado (402) para filtrar la señal de frecuencia para determinar si determinados tipos de condiciones de red están presentes en la red eléctrica (242), comprendiendo el conjunto de filtrado un primer filtro (416) conectado en paralelo con un segundo filtro (418), comprendiendo el primer filtro un ancho de banda que es mayor que el segundo filtro; y

comprendiendo la pluralidad de operaciones realizadas por el controlador (202):

controlar el DFIG en base a la comparación.

14. El sistema de la reivindicación 13, en el que los primer y segundo filtros son filtros de paso bajo.

15. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 13-14, en el que el primer filtro es un filtro de ancho de banda alto y el segundo filtro es un filtro de ancho de banda bajo, en el que el conjunto de filtrado está configurado además para distinguir entre los determinados tipos de condiciones de red usando el filtro de ancho de banda alto y el filtro de ancho de banda bajo.