ES2971237T3 - Turbina eólica con suministro de alimentación de requisitos internos controlada por tensión - Google Patents

Abstract

Aerogenerador con un rotor eólico (10), un generador (12) accionado por éste para generar energía eléctrica y una línea de conexión (17) para suministrar energía eléctrica a una red (9), que comprende además un aerogenerador interno. red de demanda (3) para suministrar componentes operados eléctricamente (8) de la turbina eólica y un control bajo demanda (4) para controlar el voltaje en la red bajo demanda (3). Para mejorar el control de la demanda interna (4) y su suministro para aerogeneradores del tipo mencionado al principio, la invención prevé que el control de la demanda interna (4) disponga de un dispositivo de conmutación (5) que está diseñado para conmutar entre un suministro normal desde la línea de conexión (17) y un suministro incidente, en el que el voltaje se reduce en comparación con el suministro normal, para cambiar, teniendo el dispositivo de conmutación (5) un elemento de conmutación (52) y un elemento de desconexión (51). y únicamente el elemento de conmutación (52) es un elemento de conmutación activo y el elemento de desconexión (51) está configurado como componente pasivo, en particular como inductor. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Turbina eólica con suministro de alimentación de requisitos internos controlada por tensión

La invención se refiere a una turbina eólica que tiene un rotor eólico, un generador accionado de ese modo para generar energía eléctrica y una línea de conexión para suministrar la energía eléctrica a una red, que comprende además una red de energía en el sitio para suministrar energía a componentes operados eléctricamente de las turbinas eólicas y un controlador de energía en el sitio para controlar la tensión en la red de energía en el sitio.

Para generar energía eléctrica de manera eficiente, las turbinas eólicas modernas requieren un gran número de componentes que soportan la generación eficiente de energía eléctrica durante el funcionamiento. Esto incluye un dispositivo de ajuste de acimut para inclinar la turbina eólica en la dirección del viento en cuestión, en particular con el diseño habitual que tiene un eje de rotor horizontal. Esto también incluye equipos para proteger la turbina eólica de hielo perjudicial, en particular un sistema de calentamiento de las palas, junto con un controlador de funcionamiento que monitorea los componentes de la turbina eólica y controla su funcionamiento. También se utiliza para llevar a cabo la comunicación necesaria con unidades de nivel superior, tal como en particular un director de parque eólico y/o un centro de control del operador de red (en particular de la red de transmisión). La energía eléctrica requerida para alimentar todos estos componentes se denomina consumo en el sitio.

La energía eléctrica requerida para operar estos componentes se suministra habitualmente desde el circuito de alimentación en el que la turbina eólica entrega la energía eléctrica que genera. De esta manera, la turbina eólica puede alimentarse a sí misma con la energía eléctrica requerida para el consumo en el sitio. En la práctica, esto generalmente se implementa de tal manera que la energía para el consumo en el sitio se toma de la línea de conexión a través de la cual se conecta la turbina eólica a la red. Esto tiene la ventaja adicional de que incluso si la turbina eólica no está en funcionamiento, se puede obtener la energía eléctrica requerida para el consumo en el sitio, a saber, en este caso de la red. Para garantizar la alimentación de sus propios componentes con un nivel de tensión que está tan predeterminado como sea posible, se proporciona un controlador de energía en el sitio. Para este fin, se sabe que proporciona un transformador para transferir energía eléctrica desde el circuito de alimentación a la red para el consumo en el sitio. Se sabe que los transformadores tienen una relación de transformación de tensión fija. Esto puede ser desfavorable, ya que la tolerancia de tensión en la red de suministro o en el punto de conexión en el circuito de alimentación de la turbina eólica es significativamente mayor que la tolerancia permisible en la red de energía en el sitio. Por esta razón, es necesario reducir las fluctuaciones de tensión, que pueden ocurrir debido a las tolerancias relativamente grandes en el circuito de alimentación, a un nivel más bajo para la red de energía en el sitio.

Se conoce el uso de un transformador variable para alimentar la red de energía en el sitio para compensar las fluctuaciones de tensión en la red de suministro. De esta manera, se puede hacer un ajuste gradual a la tensión de la red. Sin embargo, esto tiene la desventaja de que dicho transformador variable tiene un tiempo de respuesta muy largo. Esto significa que no es posible reaccionar de manera suficientemente rápida a los cambios dinámicos de tensión, lo que puede producirse en particular en caso de sobretensiones repentinas en la red, en donde la turbina eólica debe permanecer conectada a la red al menos temporalmente (la denominada sobretensión de paso-OVRT -overvoltage ride-through).Para extender el intervalo de tensión, se sabe que es posible (documento DE 10-2013-206 241 A1) proporcionar adicionalmente un expansor de tensión en la línea de conexión de la turbina eólica. Esto comprende un transformador adicional cuyo devanado primario está diseñado para ser conmutable y cuyo devanado secundario se enrolla en la línea de conexión. De esta manera, se puede alimentar energía a la red a través de un in tervalo de tensión de red más grande.

También se sabe que se puede proporcionar un autotransformador para este propósito para alimentar la red de energía en el sitio. Este es conectado de tal manera que la energía eléctrica se suministra a su conexión de devanado principal a tensión total y, en caso de fluctuaciones de tensión, por lo tanto también con el intervalo de tensión completo. La otra conexión del devanado principal está conectada a un inversor que puede emitir una tensión libremente seleccionable. El devanado principal del autotransformador se divide en una inductancia principal más grande y una inductancia de control más pequeña, separadas por una llave intermedia. La red de energía en el sitio está conectada a esta llave intermedia. Dependiendo del nivel de tensión establecido por el inversor en la segunda conexión del devanado principal, la tensión en la llave intermedia puede variar de manera continua en un intervalo de aproximadamente el 20 % por debajo de la tensión de entrada a aproximadamente el 20 % por encima de la tensión de entrada. Esto se aplica en cualquier caso si la relación de devanado entre la inductancia principal, por un lado, y la inductancia de control, por otro lado, es aproximadamente 4:1 en sistemas de suministro en el sitio de manera práctica, tales como este tipo.

Aunque esta tecnología ofrece la ventaja de una alta variabilidad, tiene el precio de un alto coste. Esto se debe a que, por un lado, se requiere un inversor separado conectado a la segunda conexión del inductor principal para controlar la tensión de salida; esto requiere un esfuerzo adicional considerable. Por otro lado, en modo normal la energía completa fluye a través de la inductancia principal, lo que conduce a las pérdidas correspondientes. En resumen, esta tecnología requiere un alto esfuerzo de instalación e incurre adicionalmente en un esfuerzo operativo considerable.

El documento US-2009/021963 A1 presenta un tipo alternativo de suministro sin transformador y que usa un inversor de puente. En modo normal, el inversor está unido por medio de una línea de derivación en la que se ubica un interruptor. En caso de una falla, en particular en caso de una desviación de tensión excesiva, la energía se suministra a través del inversor. Para este fin, se debe abrir el interruptor en la línea de puente. Una dificultad radica en lograr una desconexión lo suficientemente rápida. Aunque ya se sabe que se permite un encendido y apagado rápidos mediante el uso de IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistors - Transistores Bipolares de Puerta Aislada)como elementos de conmutación activos, los IGBT no son suficientemente robustos para su uso en un aparato de conmutación para un controlador de energía en el sitio. Aunque es posible reemplazar los IGBT con interruptores de tiristores más robustos, que también pueden lograr un encendido suficientemente rápido, el interruptor de tiristores no puede lograr un apagado suficientemente rápido. De este modo no puede garantizarse una desconexión rápida y, por lo tanto, la protección de la red de energía en el sitio.

El objeto de la invención es mejorar el controlador de energía en el sitio y su suministro para turbinas eólicas del tipo mencionado al comienzo de tal manera que las desventajas mencionadas se eviten o reduzcan, en particular para lograr una mejor protección de la red de energía en el sitio contra sobrevoltajes perjudiciales.

La solución según la invención se puede encontrar en las características de las reivindicaciones independientes. El objeto de las reivindicaciones dependientes son desarrollos ventajosos.

Con una turbina eólica que tiene un rotor eólico, un generador accionado por el mismo para generar energía eléctrica y una línea de conexión para entregar la energía eléctrica a una red, que comprende además una red eléctrica en el sitio para suministrar energía a los componentes operados eléctricamente de la turbina eólica y un controlador de energía en el sitio para controlar el voltaje en la red eléctrica en el sitio, en donde el controlador de energía en el sitio comprende un aparato de conmutación diseñado para alternar entre un suministro normal, que está conectado a la línea de conexión, y un suministro de falla según la invención está previsto que la alimentación de falla suministre una tensión reducida en comparación con la alimentación normal, en donde se proporciona un transformador para suministrar energía a la red eléctrica en el sitio, en donde el aparato de conmutación tiene, en una configuración dual, un elemento de conmutación activo, que actúa como un miembro de conexión, y una inductancia como un miembro de desconexión, que está realizado como un dispositivo pasivo, en donde en modo normal el miembro de conexión está apagado y la energía fluye a través del dispositivo pasivo, y en donde el modo de falla es una falla de sobretensión y el miembro de conexión está encendido y el dispositivo pasivo está conectado en paralelo con el transformador .

La invención también se extiende a un controlador de energía correspondiente en el sitio para la red de energía en el sitio de una turbina eólica.

Algunos de los términos utilizados se explican a continuación:

Se entiende aquí un elemento de conmutación activo para significar un interruptor no mecánico, preferentemente un interruptor semiconductor. Dichos interruptores tienen velocidades de conmutación que son considerablemente más lentas de 10 ms, típicamente 1 ms o menos.

Se entiende que un dispositivo pasivo significa un dispositivo que no está conmutando activamente. Por lo tanto, este dispositivo no cambia activamente entre dos (o más) estados de conmutación. Por lo tanto, no es ni un conmutador electrónico ni un conmutador mecánico. Dentro del significado de la presente solicitud, el dispositivo pasivo es un inductor.

El núcleo de la invención se encuentra en el aspecto del diseño del aparato de conmutación en una semiconstrucción, en donde solo uno de los dispositivos es un elemento de conmutación eléctrica activo y el otro no. Sorprendentemente, el hecho de que uno de los dos dispositivos del aparato de conmutación está diseñado como un dispositivo pasivo, específicamente un inductor, logra una mejora en el comportamiento de conmutación. De esta manera, se puede realizar un aparato de conmutación mejorado que, por un lado, es robusto (particularmente contra los efectos de la sobretensión) y, por otro lado, es suficientemente rápido. El dispositivo de conmutación es suficientemente rápido no solo si se cambia rápidamente, pero también debe ser funcionalmente capaz de apagarse rápidamente.

La invención resuelve este dilema en que el aparato de conmutación de acuerdo con la invención en una configuración dual solo proporciona un elemento de conmutación activo como elemento de conmutación y reemplaza el elemento de desconexión con un dispositivo pasivo, específicamente un inductor. Esto es una manera sorprendentemente simple de evitar el problema de desconexión de los elementos de conmutación activos que son lo suficientemente robustos como para usarse en un controlador de energía en el sitio a prueba de sobretensión. Preferentemente, un estrangulador se proporciona aquí como un inductor. De acuerdo con la invención, en modo normal el miembro de conexión se apaga, y el flujo de energía tiene lugar a través del miembro de desconexión, es decir, a través del estrangulador. El estrangulador está conectado de esta manera en serie. Como el estrangulador no es por definición una carga resistiva, esto da como resultado solo una pequeña pérdida de energía, ya que la caída de tensión causada por el estrangulador es transversal al vector de flujo actual. Por lo tanto, el estrangulador no crea prácticamente ninguna interrupción en el modo normal.

Se conecta un transformador al aparato de conmutación para suministrar la red de energía en el sitio. En modo de falla, si hay una falla de sobretensión, el miembro de conexión se acciona y, por lo tanto, se enciende, como resultado de lo cual el inductor (estrangulador) ahora está conectado en paralelo con el transformador. De esta manera, se garantiza que el transformador con el suministro de tensión reducida se conecte rápidamente y que el inductor (estrangulador), que ahora esté en paralelo, provoque una alta corriente reactiva. Esto da como resultado una reducción de tensión efectiva para el suministro de la red de energía en el sitio.

Según la invención, el elemento de conmutación se reemplaza por un inductor como un dispositivo pasivo, en particular por el estrangulador, de modo que ya no se requiere un interruptor activo. Gracias a la invención, la dinámica de conmutación cuando se apaga ya no es importante en absoluto. De este modo, según la invención, pueden estar previstos, como elementos de conmutación activos, elementos robustos, pero de desconexión lenta.

De esta manera, la invención logra el hecho de que solo se requiere un elemento de conmutación activa, que solo necesita conmutarse rápidamente. Según la invención, el segundo elemento de conmutación, específicamente el que tiene que apagar, se reemplaza por el dispositivo pasivo en forma del inductor, en particular el estrangulador. De esta manera, se garantiza una conmutación rápida a modo de falla con una fuente de alimentación reducida.

Por lo tanto, la invención tiene éxito en la combinación de dos propiedades aparentemente contradictorias, específicamente elevada robustez, por un lado, y alta velocidad de conmutación, por otro lado. La invención también ofrece la ventaja de una gran simplicidad conceptual y, por lo tanto, la inmunidad a la interferencia.

Preferentemente, el transformador está diseñado como un autotransformador. Esto optimiza el suministro de la red de energía en el sitio en términos de costes de producción y tamaño. La falta de aislamiento galvánico entre los lados primario y secundario en autotransformadores no es una desventaja dentro del marco de la presente invención, de modo que es preferible el uso de un autotransformador.

Según un aspecto particularmente ventajoso de la invención, que puede mérito de protección independiente, se proporciona un transformador de estrangulamiento como el transformador para suministrar energía a la red de energía en el sitio. Un transformador de estrangulamiento de este tipo se caracteriza por un estrangulador conectado en paralelo que está integrado en su devanado de transformador. Esto permite un diseño especialmente compacto de las unidades de (auto)transformador, por un lado, y del estrangulador, por otro lado, que de otro modo estarían separadas.

Aquí, el núcleo del (auto)transformador se diseña ventajosamente como ranurado. De esta manera, se forman espacios de aire, lo que reduce la resistencia magnética del núcleo del transformador. Como resultado, la inductancia principal del transformador se reduce en relación con la inductancia total como resultado de la conexión paralela del transformador y el estrangulador. Esto da como resultado un diseño particularmente simple para el transformador de estrangulamiento.

Convenientemente, el elemento de conmutación activo del aparato de conmutación está conectado de tal manera que está dispuesto en el circuito de control del transformador. Se entiende que un circuito de control significa el circuito que no está en la trayectoria de energía principal real. Como resultado, se evita una carga de corriente innecesariamente alta en el elemento de conmutación activo. Además, la disposición del elemento de conmutación activo en la trayectoria de control permite que la inductancia de control así accionada por el elemento de conmutación sea mayor que la inductancia principal real. Esto representa una inversión de la disposición anterior y, por lo tanto, convencional. Al tener en la ruta de energía solo la inductancia principal que es más pequeña en términos de magnitud, se logra una reducción de las pérdidas inductivas en el modo normal. Esto es sin precedentes en la técnica anterior, que generalmente se proporciona para una disposición de la inductancia más grande en la trayectoria de energía principal. En este caso, el elemento de conmutación activo está dispuesto ventajosamente de tal manera que, en comparación con un circuito equivalente monofásico, conmuta una conexión del (auto)transformador a un nivel de conductor neutro; en un sistema polifásico, en particular un sistema trifásico, son posibles diversos grupos de conmutación alternativos y no se requiere un conductor neutro. Esta es una forma particularmente sencilla de conmutar el (auto)transformador rápidamente y así lograr la reducción de tensión deseada con alta dinámica y con un mínimo esfuerzo en términos de circuitos. Aquí, se entiende que el nivel de conductor de neutro significa un nivel fijo, que preferentemente corresponde a un nivel de tensión cero. Debe distinguirse estrictamente de un nivel de tensión variable, tal como puede establecerse libremente de acuerdo con cualquier especificación usando un inversor de acuerdo con la técnica anterior.

En un sistema polifásico, los elementos de conmutación activos están dispuestos preferiblemente de tal manera que forman una conexión en estrella a un punto de estrella o a una conexión delta entre las fases.

Preferentemente, el conmutador eléctrico está diseñado como un conmutador de tiristores. Estos ofrecen la ventaja de una elevada robustez, en particular con respecto a tensiones y a una disponibilidad de bajo coste. Por lo tanto, ofrecen una ventaja considerable sobre los conmutadores IGBT familiares. Con tiristores como elementos de conmutación, un diseño a prueba de cortocircuitos normalmente no presenta problemas. Una desventaja de los tiristores como interruptores es que sólo se pueden desconectar cuando la tensión cruza cero (la llamada conmutación natural), lo que significa que no es posible una conmutación rápida con uno de los tiristores desconectado activamente.

Sin embargo, gracias a la semi-configuración según la invención, en la que solo se usa el elemento de conmutación activo para el encendido y el interruptor de apagado se reemplaza por un dispositivo pasivo, esta desventaja no entra en juego. De este modo, la invención abre de forma sorprendentemente elegante el uso de interruptores de tiristores como elementos de conmutación robustos para una conmutación rápida en el sistema de suministro de energía en el sitio de turbinas eólicas.

En el caso de redes eléctricas polifásicas en el sitio, se puede proporcionar en principio un aparato de conmutación separado para cada fase. Sin embargo, es preferible proporcionar menos aparatos de conmutación que fases. Por lo tanto, el número de elementos de conmutación puede reducirse. Se ha demostrado particularmente útil si solo se proporcionan dos aparatos de conmutación en un sistema trifásico y la tercera fase es diseñada sin un aparato de conmutación. Por lo tanto, el número de elementos de conmutación puede reducirse en un tercio. En otro diseño particularmente probado y ensayado, las fases individuales no están conectadas al conductor neutro, sino entre sí. Entonces es suficiente proporcionar solo tantos elementos de conmutación como fases, en donde los elementos de conmutación forman un anillo que conecta las fases individuales (sin incluir el conductor neutro). De este modo se puede reducir a la mitad el número de elementos de conmutación.

Convenientemente, el estrangulador está dimensionado para que el aparato de conmutación sea a prueba de cortocircuito (esto generalmente significa que el estrangulador está dimensionado de acuerdo con la Ji2dt en el caso de un cortocircuito). También se proporciona ventajosamente un detector de sobretensión, que determina una tensión a través del elemento de conmutación activo y activa el elemento de conmutación cuando se supera un valor límite crítico, lo que provoca que se cambie. Por lo tanto, el detector de tensión puede usarse para proteger el elemento de conmutación activo contra una sobrecarga perjudicial debido a una caída de tensión excesiva a través del elemento de conmutación. Por lo tanto, se puede lograr la autoprotección del elemento de conmutación. Esto es una ventaja considerable, en particular cuando se usan tiristores para el elemento de conmutación activo. Este es particularmente el caso si surgen tensiones más altas en el tiristor que puede soportar en caso de un cortocircuito.

Para determinar la tensión en la red y la red de energía en el sitio, se puede proporcionar preferiblemente una medición de tensión por medio de una medición del indicador de tensión para la rapidez de la detección. Esto se describe con más detalle en una solicitud pendiente presentada simultáneamente por el solicitante. De esta manera, se puede lograr un reconocimiento de sobretensión particularmente rápido y, por lo tanto, eficiente en exceso y, por lo tanto, el cambio, de modo que la red de energía en el sitio esté particularmente protegida contra efectos de sobretensión perjudiciales.

La invención se explica con más detalle a continuación con referencia a los dibujos adjuntos basados en una realización ejemplar ventajosa. En los dibujos:

La Figura 1 muestra un diagrama de bloques esquemático para una turbina eólica de acuerdo con una realización ejemplar de la invención;

La Figura 2 muestra un diagrama de circuito equivalente de una sola fase para un transformador con un aparato de conmutación de acuerdo con la invención;

La Figura 3 muestra una disposición alternativa con un transformador de estrangulación;

La Figura 4a, b muestra diagramas de circuitos equivalentes de una sola fase para calcular una inducción equivalente;

La Figura 5 muestra un transformador de estrangulamiento para una configuración de polifase;

Las Figuras 6 a-c muestran realizaciones alternativas para el aparato de conmutación con una configuración de polifase;

La Figura 7 muestra una representación de un núcleo para un transformador de estrangulación en la configuración de polifase;

La Figura 8 a-g muestra diagramas para el comportamiento de conmutación con una situación de sobretensión en el intervalo de energía calificado;

La Figura 9 a-g muestra diagramas para el comportamiento de conmutación en el caso de un cortocircuito; y

La Figura 10 muestra un ejemplo de un elemento de conmutación según la técnica anterior.

Una turbina eólica designada como un conjunto por el número de referencia 1 se muestra como un diagrama de bloques funcional en la Figura 1. Comprende un rotor eólico 10, que acciona un generador 12 a través de una caja de engranajes 11 opcional. El generador 12 puede estar diseñado como un generador síncrono o asíncrono. La energía eléctrica generada por el generador 12 se alimenta a un convertidor 14, que la entrega a través de un filtro de red 15 y un conmutador de energía 16 a una línea de conexión 17 de la turbina eólica 1. En la realización ejemplar mostrada, el convertidor 14 es un convertidor completo; esto no es obligatorio, con un diseño del generador 12 como una máquina asíncrona de doble suministro, el convertidor 14 también puede ser solo un convertidor parcial. Un transformador 18 de media tensión de la turbina eólica (un denominado transformador de sistema) y un contactor 19 de aislamiento para establecer una conexión con una red 9 (red de parque eólico interna o red de transmisión) están dispuestos en la línea 17 de conexión.

Para asegurar una operación adecuada, la turbina eólica 1 comprende una pluralidad de componentes operados eléctricamente 8. Esto puede ser, por ejemplo, un controlador de funcionamiento 80, un ajustador de acimut 81 para una góndola de la turbina eólica 1, una unidad de ajuste de pala de rotor 82 para ajustar el ángulo de ataque de las palas de rotor del rotor eólico 18, etc. Se proporciona una red de energía en el sitio 3 para suministrar los componentes con energía eléctrica. Se suministra a través de una línea 13 de suministro que está conectada a la línea 17 de conexión. La línea de suministro 13 conduce a un autotransformador 2 opcional de la red de energía en el sitio 3. Se proporciona un controlador de energía en el sitio 4 para mantener la tensión en la red de energía en el sitio 3. Comprende un limitador de sobretensión dinámico 41, que está diseñado para proteger contra sobrevoltajes de hasta, por ejemplo, el 145 % de la tensión nominal en la realización ejemplar mostrada. Opcionalmente, un reductor de tensión estacionario de múltiples etapas (no mostrado) puede conectarse aguas arriba de esto, con lo que se puede establecer una variación de cinco por ciento de la tensión en la red de energía en el sitio seleccionando selectivamente las etapas.

En la Figura 10 se muestra un diagrama esquemático para una realización del limitador de sobretensión. Por consiguiente, el limitador de sobretensión comprende, por un lado, una conexión para un suministro normal U<1>, como lo proporciona la línea 13 de suministro. También comprende una conexión para un suministro de falla, con el que un suministro con una tensión reducida U<2>en comparación con el suministro normal U<1>se aplica. Se proporciona un aparato de conmutación 5*, que comprende dos elementos de conmutación 51* y 52*. Estos son controlados por un circuito de control (no mostrado) de tal manera que cambian en direcciones opuestas. En modo normal, el elemento de conmutación 51* está encendido y el elemento de conmutación 52* está apagado . La tensión efectiva en los componentes 8 en la red de energía en el sitio 3 corresponde entonces a la que se proporciona en la conexión para el modo normal por el autotransformador. En un escenario de falla, la tensión en la red de transmisión 9 y, en consecuencia, también en la línea de conexión 17 y la línea de suministro 13 conectada a ella, y así también la tensión U<1>, aumenta considerablemente. También puede producirse sobrevoltaje crítico en la red de energía en el sitio, particularmente en el caso de sobretensión con alta dinámica. Para proteger los componentes 8, el aparato de conmutación 5* ahora cambia al suministro de falla con tensión reducida U<2>, tal como el suministrado por un autotransformador 2. Para este fin, el elemento de conmutación 51* está apagado y el elemento de conmutación 52* está encendido.

Si bien el principio básico de este aparato de conmutación no supone dificultades, esto no se aplica a la implementación práctica. Aunque los elementos de conmutación IGBT conocidos en la técnica anterior permiten una conmutación suficientemente rápida, no son lo suficientemente robustos en la práctica para resistir las tensiones causadas por la aparición de sobretensión. Un uso alternativo de tiristores para los dos elementos de conmutación 51* y 52* tendría la ventaja de que son suficientemente robustos, pero su comportamiento de conmutación no es lo suficientemente rápido, en particular con respecto al apagado (que es el tiempo crítico en el caso del elemento de conmutación 51*).

En la Figura 2 se muestra un aparato de conmutación 5 mejorado de acuerdo con una realización ejemplar de la invención. En modo normal, la alimentación derivada de la línea de conexión 17 se alimenta a través de la línea de suministro 13 para alimentar la red de energía en el sitio 3 con sus componentes 8. Este tensión se designa como U<1>. El autotransformador 2, que comprende un primer devanado 21 y un segundo devanado 22 con una llave intermedia 23, se proporciona para el suministro en caso de una falla. Se toma una tensión a través de la llave intermedia 23, cuyo nivel se determina por la relación de devanado del primer y segundo devanados 21, 22. Si el primer devanado 21 tiene un número de devanados w<1>y el segundo devanado 22 tiene un número de devanados w<2>, la tensión U<2>es:

Como ejemplo, supóngase un valor según el cual U<2>es aproximadamente 85 % de U<1>. Las tensiones U<1>para el suministro normal y U<2>para el suministro de falla se aplican al aparato de conmutación 51 y 52 respectivamente. En modo normal, el aparato de conmutación 51 se enciende y el aparato de conmutación 52 se apaga.

Con la realización del aparato de conmutación de acuerdo con la invención, solo el elemento de conmutación 52 está diseñado como un elemento de conmutación activo, mientras que el elemento 51 que se desconecta en caso de falla se diseña como un dispositivo pasivo, específicamente como un estrangulador 54. Por lo tanto, solo hay un elemento de conmutación activo presente, mientras que el otro se reemplaza por un dispositivo pasivo. En modo normal, esto da como resultado un flujo de energía con el que la tensión U<1>flujos a través del estrangulador 54 y se emiten como la tensión de salida U<e>a la red 3 de energía en el sitio solo con una ligera caída de tensión a través del estrangulador 54. La caída de tensión que surge a través del estrangulador 54 depende de la carga actual debido a los requisitos de energía de los componentes 8, pero solo tiene un efecto menor en la magnitud de la tensión U<e>debido a la adición vectorial resultante del diseño del estrangulador 54 como una carga puramente inductiva. El aparato de conmutación 52 está abierto en modo normal, de modo que no fluye energía a través de él o a través del devanado 22 del autotransformador 2.

Sin embargo, en caso de una falla, el aparato de conmutación 52 cambia de modo que la energía ahora fluye a través del devanado 21 y del devanado 22 del autotransformador 2 y a través del aparato de conmutación 52. Ahora se establece una tensión en la llave 23, que se determina mediante la relación de devanado de los dos devanados 21, 22 (en el presente caso, U<2>= 85 % de U<1>). Esta tensión ahora se emite como tensión U<e>a los componentes 8 de la red de energía en el sitio 3. El estrangulador 54 como el elemento de conmutación 51 ahora está en paralelo con el devanado 21 del autotransformador 2. De acuerdo con la invención, por lo tanto, no es necesario que el flujo de energía a través del estrangulador 54 se apague activamente. Por lo tanto, la respuesta de tiempo del aparato de conmutación 5 de acuerdo con la invención se determina únicamente por el tiempo de encendido del aparato de conmutación 52.

En el diseño que usa tiristores como elemento activo, este tiempo es corto. Esto asegura un cambio rápido al modo de falla. El suministro de la red de energía en el sitio se efectúa entonces con una reducción de tensión, cuyo nivel está predeterminado por la relación de devanado de los devanados 21, 22 del autotransformador 2. De este modo se garantiza una protección eficaz de la red eléctrica local 3 contra sobretensiones perjudiciales, en particular sobretensiones que surgen dinámicamente.

Con una realización alternativa preferida, como se muestra en la Figura 3, el estrangulador 54 se combina con el primer devanado 21 del autotransformador 2. Por lo tanto, se forma un transformador 2' de estrangulamiento. El elemento de desconexión para el aparato de conmutación 5 ya no se requiere como un elemento separado, sino que ahora está integrado en el transformador 2' de estrangulamiento. Solo el elemento de conmutación 52 que se enciende ahora se requiere como un elemento separado. Esto logra una variante optimizada en términos de complejidad de componentes para un suministro protegido por sobretensión para la red de energía en el sitio 3.

Los diagramas de circuitos equivalentes eléctricos para las dos variantes con un autotransformador, por un lado, y un transformador de estrangulamiento, por otro lado, se muestran en la Figura 4a y la Figura 4b respectivamente. La representación en la Figura 4a muestra las condiciones en el autotransformador con un estrangulador 54 separado. En este caso, el valor para la inductancia principal L<z>resulta de la conexión paralela de la inductancia principal original L<h>y la inductancia del estrangulador 54 L<x>, por tanto:

<,>_ Lx* lh

Lz ~LiX +T l¡h

Con la realización según la Figura 4, este también es el valor para la inductancia equivalente L Z1. Con la realización según la Figura 4b, se muestran las condiciones en el transformador de estrangulamiento. Esto da como resultado un valor para la inductancia L Z3 que se calcula a partir de la inductancia principal L<z>multiplicada por un factor que surge de la relación de devanado según la siguiente relación:

En la Figura 5 se muestra una realización ilustrativa del diseño con el transformador de estrangulamiento de acuerdo con la Figura 3 en una configuración de polifase, específicamente en un sistema de corriente alterna trifásica. Se puede observar la línea de suministro trifásica 13', derivada de la línea de conexión 17', que se alimenta al transformador 2' de estrangulamiento. Esto tiene un primer devanado 21' y un segundo devanado 22' para cada fase en cada caso. El elemento de conmutación 52' que cambia en el aparato de conmutación de polifase está dispuesto en la conexión de base del segundo devanado 22'. La red de energía en el sitio 3 está conectada a la llave intermedia de polifase 23'. El circuito mostrado corresponde análogamente al grupo de conmutación Y<y>Se entiende que también son posibles otros grupos de conmutación.

El elemento de conmutación de polifase 52' puede diseñarse de varias maneras, como se muestra en las Figuras 6a, b, c como un ejemplo del grupo de conmutación Y<y>del transformador. En términos de estructura básica, el diseño más simple es el que se muestra en la Figura 6a, con el que se proporciona una configuración de tiristores idéntica para el dispositivo de conmutación 52 para cada fase. Una reducción en el número de componentes por un tercer resultado si se proporciona un aparato de conmutación de tiristores correspondiente para solo dos de las tres fases, como se muestra en la Figura 6b. Un ahorro aún mayor en componentes, específicamente solo la mitad del número de componentes, se logra en la configuración de acuerdo con la Figura 6c, en el que solo un elemento de conmutación de tiristores está dispuesto entre cada dos fases. Incluso con una configuración de polifase, el aparato de conmutación de acuerdo con la invención puede así realizarse con solo componentes técnicos adicionales mínimos.

En la Figura 7 se muestra un ejemplo de un diseño práctico del núcleo del transformador 20 de un transformador 2' de estrangulamiento para un sistema de corriente alterna trifásica. Como base es el diseño típico de un transformador trifásico con tres extremidades 24 dispuestos en paralelo. Con el diseño de acuerdo con la invención como un transformador 2' de estrangulamiento, se incorporan una pluralidad de espacios de aire (tres en la realización ilustrativa mostrada) en cada una de las extremidades 24. El efecto de estos espacios de aire 25 en las extremidades es reducir la resistencia magnética. Como resultado, la inductancia principal, comenzando desde el valor original L<h>, se reduce, concretamente al valor determinado por la fórmula mencionada anteriormente a L<z>. Por lo tanto, el transformador 2' de estrangulamiento puede realizarse de manera rentable sin complejidad de componente adicional.

El efecto de acuerdo con la invención se muestra en las Figuras 8 y 9. Primero se hace referencia a la Figura 8, que muestra una falla de sobretensión. La Figura 8a muestra la tensión en la línea de conexión 17 o la línea de suministro 13 para las tres fases. Inicialmente, está en el valor nominal, y en el momento t = 0,3 segundos se produce una falla de sobretensión, que dura hasta el momento t = 0,7 segundos; durante este tiempo, la turbina eólica 1 debe permanecer conectada a la red (la denominada sobretensión de paso - OVRT -overvoltage ride-through).La Figura 8b muestra la tensión de salida resultante del efecto de la invención para alimentar la red de energía en el sitio 3, de nuevo con las tres fases. Se puede ver claramente que, durante el período de sobretensión entre 0,3 segundos y 0,7 segundos, existe un aumento de la tensión en la red de energía en el sitio, pero gracias a la invención, la magnitud de este aumento es significativamente menor que en la línea 17 de conexión. La Figura 8c muestra el flujo de corriente en la línea de suministro 13. Aquí, se supone que no se requiere carga por la red de energía en el sitio 3 hasta el punto en el tiempo t = 0,2 segundos (modo inactivo). Sin embargo, desde el punto en el tiempo t = 0,2 segundos, la red 3 de energía en el sitio solicita una carga. También puede verse claramente que fluye una corriente adicional considerable durante la duración de la falla de sobretensión. Esto se debe a la carga adicional causada por la conmutación del aparato de conmutación. El flujo de corriente resultante en la red de energía en el sitio 3 se muestra en la Figura 8d.

En el diagrama 8e, la tensión en la línea de conexión 17 se muestra como un puntero, que forma una medida de la tensión en la red 9. Un valor de referencia para la sobretensión crítica se visualiza con la línea discontinua. Puede observarse que la tensión real excede el valor de referencia crítico en el momento t = 0,3 segundos y que la excedencia continúa hasta el punto en el tiempo t = 0,7 segundos. Como consecuencia de esta excedencia, el aparato de conmutación 5 se acciona de acuerdo con la invención, en donde el aparato de conmutación 52 se enciende, cuyo estado de conmutación se muestra en el diagrama 8f. Como resultado del encendido, una corriente fluye ahora a través del devanado secundario y a través del aparato de conmutación 52, como resultado de lo cual la tensión de salida entregada a la red de energía en el sitio 3 cae al valor U<2>. Los voltajes resultantes durante este tiempo en el elemento de conmutación 52 a través de estos tiristores (conmutados de acuerdo con la variante de conmutación en la Figura 6c) se muestran en el diagrama 8 g. Puede verse que, cuando se accionan los tiristores, la tensión a través de las mismas se colapsa repentinamente a cero y, por lo tanto, la corriente fluye a través de la bobina secundaria 22 del autotransformador 2.

La Figura 9a-g muestra el comportamiento en el caso de un cortocircuito. Los diagramas individuales corresponden a los de la Figura 8. Nuevamente, hay una falla de sobretensión en el período de t = 0,3 a t = 0,7 segundos. Además, en el momento t = 0,4 segundos, se produce un cortocircuito en la red 9 o en la línea de conexión 17 que dura hasta el punto en el tiempo t = 0,55 segundos, como resultado de lo cual surgen corrientes muy altas. Se produce un cortocircuito adicional en el período entre t = 0,8 A t = 0,95 segundos, es decir, después de la falla de sobretensión. Es evidente a partir del diagrama 9f que, similar al diagrama 8f, la activación del aparato de conmutación se produce al comienzo de la falla de sobretensión, en t = 0,3 segundos. Sin embargo, la activación del aparato de conmutación con sus tiristores no termina con el final de la falla de sobretensión en el momento en el tiempo t = 0,7 segundos, sino que continúa hasta que se produce el cortocircuito en el momento t = 0,8 segundos. Como resultado, se produce una sobretensión en los tiristores, como se muestra en el diagrama de la Figura 9 g. Puede verse que, en tal caso, los tiristores se exponen a una sobretensión considerable. Los tiristores proporcionados de acuerdo con la invención resisten esta carga de sobretensión, a diferencia de un diseño que usa IGBT, por ejemplo, que no resistiría dicha carga de sobretensión. Por lo tanto, la invención es no solo a prueba de sobretensión, sino también a prueba de cortocircuito.

Claims (11)

1. REIVINDICACIONES

   i. Turbina eólica que tiene un rotor eólico (10), un generador (12), accionado de ese modo, para generar energía eléctrica y una línea de conexión (17) para suministrar la energía eléctrica a una red (9), que comprende además una red de energía en el sitio (3) para suministrar energía a componentes operados eléctricamente (8) de la turbina eólica, y un controlador de energía en el sitio (4) para controlar la tensión en la red de energía en el sitio (3), comprendiendo el controlador de energía en el sitio (4) un aparato de conmutación (5) diseñado para cambiar entre un suministro normal, que está conectado a la línea de conexión (17), y un suministro de falla,

   caracterizado por que

   el suministro de falla suministra una tensión reducida en comparación con el suministro normal, se proporciona un transformador (2) para suministrar energía a la red de energía en el sitio (3), el aparato de conmutación (5) tiene, en una configuración dual, un elemento de conmutación activo, que actúa como un miembro de conexión (52), y una inductancia como un miembro de desconexión (51), que se incorpora como un dispositivo pasivo, en donde en el modo normal el miembro de conexión (52) se desconecta y fluye energía a través del dispositivo pasivo, y en donde el modo de falla es una falla de sobretensión y el miembro de conexión (51) se conecta y el dispositivo pasivo se conecta en paralelo con el transformador (2).
2. 2. Turbina eólica según la reivindicación 1,caracterizada porqueel dispositivo pasivo es un inductor (54).
3. 3. Turbina eólica según la reivindicación 1,caracterizada porqueel transformador (2) está configurado como un transformador de corriente constante (2').
4. 4. Turbina eólica según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizada porqueel elemento de conmutación activo (52) está dispuesto en el circuito de control del transformador (2).
5. 5. Turbina eólica según la reivindicación 3,caracterizada porqueel elemento de conmutación activo (52) está diseñado para cambiar a un nivel de conductor neutro.
6. 6. Turbina eólica según la reivindicación 3,caracterizada porqueen un sistema polifásico los elementos de conmutación activos (52) están diseñados para una conexión en estrella a un punto de estrella o para una conexión delta.
7. 7. Turbina eólica según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizada porqueel elemento de conmutación activo (52) se realiza como un conmutador de tiristores.
8. 8. Turbina eólica según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizada porqueel elemento de conmutación activo está diseñado para la conmutación de polifases, siendo el número de elementos de conmutación activos menor que el doble del número de fases.
9. 9. Turbina eólica según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizada porquese proporciona un módulo para medir la tensión a través de la rejilla (9) que realiza una medición de tensión en base al vector.
10. 10. Controlador de energía en el sitio para controlar la tensión en una red de energía en el sitio (3) diseñada para suministrar energía a componentes (8) operados eléctricamente de una turbina eólica (1) que comprende un rotor eólico (10), un generador (12), accionado de ese modo, para generar energía eléctrica y una línea de conexión (17) para suministrar la energía eléctrica a una red (9), comprendiendo el controlador de energía en el sitio (4) un aparato de conmutación (5) diseñado para cambiar entre un suministro normal, que está conectado a la línea de conexión (17), y un suministro de falla,

    caracterizado por que

    el suministro de falla suministra una tensión reducida en comparación con el suministro normal, se proporciona un transformador (2) para suministrar energía a la red de energía en el sitio (3), el aparato de conmutación (5) tiene, en una configuración dual, un elemento de conmutación activo, que actúa como un miembro de conexión (52), y una inductancia como un miembro de desconexión (51), que se incorpora como un dispositivo pasivo, en donde en el modo normal el miembro de conexión (52) se desconecta y fluye energía a través del dispositivo pasivo, y en donde el modo de falla es una falla de sobretensión y el miembro de conexión (51) se conecta y el dispositivo pasivo se conecta en paralelo con el transformador (2).
11. 11. controlador de energía en el sitio según la reivindicación 10,caracterizado porquela red de energía en el sitio (3) se desarrolla de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 a 9.