ES2972372T3 - Filtros eléctricos para turbinas eólicas - Google Patents

Abstract

La presente divulgación se refiere a una turbina eólica que comprende un rotor de turbina eólica con una pluralidad de palas soportadas sobre una estructura de soporte, un generador acoplado operativamente al rotor de la turbina eólica para generar energía eléctrica, un convertidor electrónico de potencia para convertir la energía eléctrica generada por el generador. a una potencia de CA convertida de frecuencia y voltaje predeterminados, y un transformador principal de turbina eólica que tiene un lado de bajo voltaje y un lado de alto voltaje para transformar la potencia de CA convertida a un voltaje más alto. Uno o más filtros eléctricos están conectados al lado de alto voltaje del transformador principal, donde los filtros eléctricos están dispuestos en la estructura de soporte. La presente divulgación también se refiere a parques eólicos, y particularmente a parques eólicos marinos, y a métodos para operar parques eólicos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Filtros electrónicos para turbinas eólicas

[0001] La presente divulgación se refiere a turbinas eólicas, en particular a filtros eléctricos para su uso en combinación con turbinas eólicas. La presente divulgación se refiere además a turbinas eólicas y parques eólicos con dichos filtros eléctricos.

ANTECEDENTES

[0002] Las turbinas eólicas modernas se utilizan habitualmente para suministrar electricidad a la red eléctrica. Las turbinas eólicas de este tipo constan generalmente de una torre y un rotor dispuesto sobre la torre. El rotor, que suele constar de un buje y una pluralidad de palas, se pone en rotación bajo la influencia del viento sobre las palas. Dicha rotación genera un par que normalmente se transmite a través de un eje del rotor a un generador, ya sea directamente o a través de una caja de engranajes. De este modo, el generador produce electricidad que puede suministrarse a la red eléctrica.

[0003] El buje de la turbina eólica puede estar acoplado de forma giratoria a una parte delantera de la góndola. El buje de la turbina eólica puede estar conectado a un eje del rotor, y el eje del rotor puede entonces estar montado de forma giratoria en la góndola mediante uno o varios rodamientos del eje del rotor dispuestos en un bastidor dentro de la góndola. La góndola es una carcasa dispuesta en la parte superior de la torre de una turbina eólica que contiene y protege, por ejemplo, la caja de engranajes (si está presente) y el generador y, dependiendo de la turbina eólica, otros componentes como un convertidor de potencia y sistemas auxiliares.

[0004] Las turbinas eólicas suelen agruparse en los llamados "parques eólicos". Los parques eólicos comprenden una pluralidad de turbinas eólicas. Estas turbinas eólicas pueden estar conectadas a una red eléctrica local (interna) del parque eólico. La red interna del parque eólico puede comprender una pluralidad de ramales, y a cada uno de estos ramales puede conectarse un número de turbinas eólicas. Esta red eléctrica del parque eólico puede estar conectada a una red de potencia principal en un punto de acoplamiento común (PCC).

[0005] Una tendencia importante en el campo de las turbinas eólicas es colocar las turbinas en parques eólicos marinos. Los parques eólicos marinos pueden estar conectados a una red eléctrica continental a través de una línea de transmisión de alta tensión, por ejemplo, una transmisión de corriente alterna de alta tensión (HVAC) o una transmisión de corriente continua de alta tensión (HVDC).

[0006] Las turbinas eólicas pueden suministrar potencia a la red interna del parque eólico a una tensión de, por ejemplo, 33 kV o 66 kV. En una subestación, la tensión puede elevarse a varios cientos de kV con transformador(es) de alta tensión. A continuación, la potencia eléctrica de alta tensión puede suministrarse a una línea de transmisión de alta tensión conectada a la red continental. La subestación también puede incluir, por ejemplo, disyuntores, protectores contra sobretensiones, baterías de condensadores y otros.

[0007] Varias tendencias en el campo de la energía eólica conducen a una mayor necesidad de utilizar filtros de armónicos en los parques eólicos, y específicamente en los parques eólicos marinos. Los parques eólicos pueden situarse a gran distancia de la costa. El tamaño y la potencia de las turbinas eólicas han aumentado considerablemente. Se conocen potencias nominales de turbinas eólicas individuales de 5 MW, 7 MW, 10 MW y más. Debido al aumento de tamaño, las turbinas eólicas dentro de un parque eólico pueden estar espaciadas a mayores distancias unas de otras, lo que conduce de nuevo a cables eléctricos más largos.

[0008] Con líneas de transmisión cada vez más largas, y cables cada vez más largos, aumenta la capacitancia de los cables. La agrupación de grandes aerogeneradores en estos parques eólicos crea un circuito en el que se producirán resonancias eléctricas entre la capacitancia de los cables y la naturaleza inductiva de los transformadores de la subestación y de los aerogeneradores. La frecuencia de estas resonancias varía en función del número de cables conectados y del número de turbinas eólicas en funcionamiento. Estas resonancias, junto con las emisiones armónicas de los aerogeneradores, pueden provocar una distorsión excesiva en el CCP.

[0009] Es conocido en la materia incluir un filtro para reducir los armónicos en una subestación de un parque eólico. Sin embargo, existen desventajas (económicas y de otro tipo) al aumentar el tamaño físico de la instalación para alojar filtros de armónicos. EP2505832 , DE102018002984 , US2007024058 , US2021047997 y EP2771894 son ejemplos relevantes de la técnica anterior.

RESUMEN

[0010] En un aspecto de la presente divulgación, se proporciona una turbina eólica, que comprende un rotor de turbina eólica con una pluralidad de palas apoyado en una estructura de soporte, y un generador acoplado operativamente al rotor de turbina eólica para generar potencia eléctrica. La turbina eólica comprende además un convertidor electrónico de potencia para convertir la potencia eléctrica generada por el generador en una potencia de CA convertida de frecuencia y tensión predeterminadas y un transformador principal de la turbina eólica que tiene un lado de baja tensión y un lado de alta tensión para transformar la potencia de CA convertida a una tensión superior. La turbina eólica comprende además uno o más filtros eléctricos conectados al lado de alta tensión del transformador principal, en el que los filtros eléctricos están dispuestos en la estructura de soporte.

[0011] Según este aspecto, se proporciona una turbina eólica con un filtro eléctrico dispuesto. En un parque eólico, pueden agruparse varias turbinas eólicas. Al disponer un filtro eléctrico con una o más turbinas eólicas individuales, hay menos necesidad o no hay necesidad de un filtro eléctrico en una subestación. Los filtros eléctricos se conectan al lado de alta tensión del transformador principal y pueden proporcionar una amortiguación eficaz de los armónicos en la línea de media tensión (por ejemplo, 33 kV, 35kV, 60kV, 66 kV o incluso 132 kV) de la red de un parque eólico.

[0012] Los filtros eléctricos pueden considerarse en el presente documento como cualquier circuito eléctrico o disposición conectada a un sistema eléctrico que esté configurado para reducir las distorsiones en los sistemas eléctricos. Una de tales distorsiones pueden ser los armónicos. Y un tipo de filtro eléctrico que puede utilizarse dentro del ámbito de la presente divulgación es un filtro de armónicos. Dentro del ámbito de la presente divulgación, los filtros eléctricos pueden ser, por ejemplo, filtros amortiguados configurados para añadir amortiguación a las resonancias de la red o filtros sintonizados u otros.

[0013] Un filtro de armónicos puede considerarse aquí como circuitos resonantes en serie o en paralelo diseñados para derivar o bloquear las corrientes armónicas (es decir, las distorsiones con una frecuencia que es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental del sistema). Están configurados para reducir las corrientes armónicas que fluyen en el sistema (red eléctrica, en particular la red eléctrica del parque eólico) desde la fuente y reducir así la distorsión armónica de la tensión en el sistema.

[0014] En otro aspecto de la presente divulgación, se proporciona un parque eólico que comprende una subestación con un punto de conexión común, y una o más cadenas de parques eólicos paralelos conectados al punto de conexión común, que tienen un primer extremo en el punto de conexión común o cerca de él y un segundo extremo opuesto, e incluyen una pluralidad de turbinas eólicas entre el primer extremo y el segundo extremo, en el que una o más de las cadenas de parques eólicos incluye al menos una turbina eólica con un filtro eléctrico conectado en un lado de alta tensión de un transformador principal de la turbina eólica.

[0015] En otro aspecto de la presente divulgación, se proporciona un método para hacer funcionar un parque eólico que comprende una pluralidad de turbinas eólicas. El método comprende desconectar un generador de turbina eólica de una primera turbina eólica de la pluralidad de turbinas eólicas de una red eléctrica del parque eólico, en el que un filtro eléctrico dispuesto dentro de una estructura de soporte de la primera turbina eólica permanece conectado a la red eléctrica del parque eólico.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

[0016]

La figura 1 ilustra esquemáticamente una vista en perspectiva de un ejemplo de turbina eólica;

La figura 2 ilustra una vista interior simplificada de un ejemplo de la góndola de la turbina eólica de la figura 1;

Las figuras 3A - 3C ilustran esquemáticamente un ejemplo de conexión eléctrica de un generador de turbina eólica a una red eléctrica;

Las figuras 3D y 3E ilustran esquemáticamente dos conexiones alternativas de un filtro eléctrico a una aparamenta.

Las figuras 4A - 4C ilustran esquemáticamente un ejemplo de filtro eléctrico en una torre de turbina eólica. La figura 5 ilustra esquemáticamente un ejemplo de parque eólico marino.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LOS EJEMPLOS

[0017] A continuación se hará referencia en detalle a las realizaciones de la invención, uno o más ejemplos de las cuales se ilustran en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la invención, no como una limitación de la misma. De hecho, será evidente para los expertos en la materia que pueden realizarse diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance de la misma. Por ejemplo, las características ilustradas o descritas como parte de una realización pueden utilizarse con otra realización para obtener una realización aún mayor. Así pues, se pretende que la presente invención abarque las modificaciones y variaciones que entren dentro del ámbito de las reivindicaciones adjuntas.

[0018] La FIG. 1 es una vista en perspectiva de un ejemplo de turbina eólica 10. En el ejemplo, la turbina eólica 10 es una turbina eólica de eje horizontal. Alternativamente, la turbina eólica 10 puede ser una turbina eólica de eje vertical. En el ejemplo, la turbina eólica 10 incluye una torre 100 que se extiende desde un sistema de soporte 14 sobre un suelo 12, una góndola 16 montada en la torre 100, y un rotor 18 que está acoplado a la góndola 16. La figura 1 representa específicamente una turbina eólica terrestre, pero la presente divulgación también se refiere a turbinas eólicas marinas.

[0019] El rotor 18 incluye un buje giratorio 20 y al menos una pala del rotor 22 acoplada al buje 20 y que se extiende hacia fuera del mismo. En el ejemplo, el rotor 18 tiene tres palas 22. En una realización alternativa, el rotor 18 incluye más o menos de tres palas 22. La torre 100 puede fabricarse a partir de acero tubular para definir una cavidad (no mostrada en la figura 1) entre un sistema de soporte 14 y la góndola 16 dispuesta en un extremo superior 102 de la torre 100. En una realización alternativa, la torre 100 es cualquier tipo adecuado de torre que tenga cualquier altura adecuada. Según una alternativa, la torre puede ser una torre híbrida que comprenda una parte de hormigón y una parte tubular de acero. Asimismo, la torre puede ser una torre de celosía parcial o total.

[0020] Las palas del rotor 22 están espaciadas alrededor del buje 20 para facilitar la rotación del rotor 18 y permitir que la energía cinética se transfiera del viento a energía mecánica utilizable y, posteriormente, a energía eléctrica. Las palas del rotor 22 se acoplan al buje 20 acoplando una porción de raíz de pala 24 al buje 20 en una pluralidad de regiones de transferencia de carga 26. Las regiones de transferencia de carga 26 pueden tener una región de transferencia de carga al buje y una región de transferencia de carga a las palas (ambas no se muestran en la figura 1). Las cargas inducidas a las palas del rotor 22 se transfieren al buje 20 a través de las regiones de transferencia de carga 26.

[0021] En algunos ejemplos, las palas del rotor 22 pueden tener una longitud que oscile entre unos 15 metros (m) y unos 90 m o más. Las palas del rotor 22 pueden tener cualquier longitud adecuada que permita que la turbina eólica 10 funcione como se describe en el presente documento. Por ejemplo, ejemplos no limitativos de longitudes de pala incluyen 20 m o menos, 37 m, 48,7 m, 50,2 m, 52,2 m o una longitud superior a 91 m. A medida que el viento golpea las palas del rotor 22 desde una dirección del viento 28, el rotor 18 gira alrededor de un eje del rotor 30. Al girar y estar sometidas a fuerzas centrífugas, las palas del rotor 22 también están sometidas a diversas fuerzas y momentos. Como tales, las palas del rotor 22 pueden desviarse y/o girar desde una posición neutra, o no desviada, hasta una posición desviada.

[0022] Además, un ángulo de pitch de las palas del rotor 22, es decir, un ángulo que determina una orientación de las palas del rotor 22 con respecto a la dirección del viento, puede modificarse mediante un sistema de pitch 32 para controlar la carga y la potencia generadas por la turbina eólica 10 ajustando una posición angular de al menos una pala del rotor 22 con respecto a los vectores del viento. Se muestran los ejes de pitch 34 de las palas del rotor 22. Durante el funcionamiento de la turbina eólica 10, el sistema de pitch 32 puede modificar en particular un ángulo de pitch de las palas del rotor 22 de manera que se reduzca el ángulo de ataque de (partes de) las palas del rotor, lo que facilita la reducción de una velocidad de rotación y/o facilita una entrada en pérdida del rotor 18.

[0023] En el ejemplo, el pitch de cada pala del rotor 22 es controlado individualmente por un controlador 36 de la turbina eólica o por un sistema 80 de control del pitch. Alternativamente, el pitch de las palas de todos los rotores 22 puede ser controlado simultáneamente por dichos sistemas de control.

[0024] Además, en el ejemplo, a medida que cambia la dirección del viento 28, una orientación (“yaw”) de la góndola 16 puede girar alrededor de un eje de orientación 38 para posicionar las palas del rotor 22 con respecto a la dirección del viento 28.

[0025] En el ejemplo, el controlador de la turbina eólica 36 se muestra como centralizado dentro de la góndola 16, sin embargo, el controlador de la turbina eólica 36 puede ser un sistema distribuido por toda la turbina eólica 10, en el sistema de soporte 14, dentro de un parque eólico, y/o en un centro de control remoto. El controlador de la turbina eólica 36 incluye un procesador 40 configurado para llevar a cabo los métodos y/o etapas aquí descritos. Además, muchos de los demás componentes descritos en el presente documento incluyen un procesador.

[0026] Tal como se utiliza en el presente documento, el término "procesador" no se limita a los circuitos integrados denominados en la materia ordenador, sino que se refiere en sentido amplio a un controlador, un microcontrolador, un microordenador, un controlador lógico programable (PLC), un circuito integrado específico para una aplicación y otros circuitos programables, y estos términos se utilizan indistintamente en el presente documento. Debe entenderse que un procesador y/o un sistema de control también pueden incluir memoria, canales de entrada y/o canales de salida.

[0027] La FIG. 2 es una vista en sección ampliada de una parte de la turbina eólica 10. En el ejemplo, la turbina eólica 10 incluye la góndola 16 y el rotor 18 que está acoplado de forma giratoria a la góndola 16. Más concretamente, el buje 20 del rotor 18 está acoplado de forma giratoria a un generador eléctrico 42 situado dentro de la góndola 16 mediante el eje principal 44, una caja de engranajes 46, un eje de alta velocidad 48 y un acoplamiento 50. En el ejemplo, el eje principal 44 está dispuesto al menos parcialmente coaxial a un eje longitudinal (no mostrado) de la góndola 16. La rotación del eje principal 44 acciona la caja de engranajes 46 que, a su vez, acciona el eje de alta velocidad 48 mediante la traducción del movimiento de rotación relativamente lento del rotor 18 y del eje principal 44 en un movimiento de rotación relativamente rápido del eje de alta velocidad 48. Este último está conectado al generador 42 para generar energía eléctrica con la ayuda de un acoplamiento 50. Además, en la góndola 16 puede disponerse un transformador 90 y/o componentes electrónicos, conmutadores y/o inversores adecuados para transformar la energía eléctrica generada por el generador 42 con una tensión de entre 400 V y 1000 V en energía eléctrica de tensión media (por ejemplo, 10 - 35 KV). Dicha energía eléctrica se conduce a través de cables de potencia 160 desde la góndola 16 hasta la torre 100.

[0028] La caja de engranajes 46, el generador 42 en el transformador 90 pueden estar soportados por un bastidor de estructura de soporte principal de la góndola 16, opcionalmente encarnado como un bastidor principal 52. La caja de engranajes 46 puede incluir una carcasa de engranajes que esté conectada al bastidor principal 52 por uno o más brazos de torsión 103. En el ejemplo, la góndola 16 también incluye un rodamiento principal de apoyo delantero 60 y un rodamiento principal de apoyo trasero 62. Además, el generador 42 puede montarse en el bastidor principal 52 mediante medios de soporte de desacoplamiento 54, en particular para evitar que las vibraciones del generador 42 se introduzcan en el bastidor principal 52 y provoquen así una fuente de emisión de ruido.

[0029] Opcionalmente, el bastidor principal 52 está configurado para soportar toda la carga causada por el peso del rotor 18 y los componentes de la góndola 16 y por el viento y las cargas de rotación, y además, para introducir estas cargas en la torre 100 de la turbina eólica 10. El eje del rotor 44, el generador 42, la caja de engranajes 46, el eje de alta velocidad 48, el acoplamiento 50 y cualquier dispositivo de fijación, soporte y/o sujeción asociado, incluidos, entre otros, el soporte 52 y el rodamiento de soporte delantero 60 y el rodamiento de soporte trasero 62, se denominan a veces tren de transmisión 64.

[0030] La góndola 16 también puede incluir un mecanismo de accionamiento de orientación (“yaw drive”) 56 que puede utilizarse para girar la góndola 16 y, por tanto, también el rotor 18 alrededor del eje de orientación (“yaw axis”) 38 para controlar la perspectiva de las palas del rotor 22 con respecto a la dirección del viento 28.

[0031] Para posicionar la góndola 16 adecuadamente con respecto a la dirección del viento 28, la góndola 16 también puede incluir al menos un sistema de medición meteorológica que puede incluir una veleta y un anemómetro. El sistema de medición meteorológica 58 puede proporcionar información al controlador de la turbina eólica 36 que puede incluir la dirección del viento 28 y/o la velocidad del viento. En el ejemplo, el sistema de pitch 32 está dispuesto, al menos parcialmente, como un conjunto de pitch 66 en el buje 20. El conjunto de pitch 66 incluye uno o más sistemas de accionamiento de pitch 68 y al menos un sensor 70. Cada sistema de accionamiento del pitch 68 está acoplado a una pala del rotor 22 respectiva (mostrada en la figura 1) para modular el ángel de pitch de una pala del rotor 22 a lo largo del eje de pitch 34. En la figura 2 sólo se muestra uno de los tres sistemas de accionamiento del pitch 68.

[0032] En el ejemplo, el conjunto de pitch 66 incluye al menos un rodamiento de pitch 72 acoplado al buje 20 y a una pala de rotor 22 respectiva (mostrada en la FIG. 1) para girar la pala de rotor 22 respectiva alrededor del eje de pitch 34. El sistema de accionamiento del pitch 68 incluye un motor de accionamiento del pitch 74, una caja de engranajes de accionamiento del pitch 76, y un piñón de accionamiento del pitch 78. El motor de accionamiento del pitch 74 está acoplado a la caja de engranajes de accionamiento del pitch 76 de manera que el motor de accionamiento del pitch 74 imparte fuerza mecánica a la caja de engranajes de accionamiento del pitch 76. La caja de engranajes de accionamiento del pitch 76 está acoplada al piñón de accionamiento del pitch 78 de tal manera que el piñón de accionamiento del pitch 78 es girado por la caja de engranajes de accionamiento del pitch 76. El rodamiento de pitch 72 está acoplado al piñón de accionamiento de pitch 78 de tal manera que la rotación del piñón de accionamiento de pitch 78 provoca una rotación del rodamiento de pitch 72.

[0033] El sistema de accionamiento del pitch 68 está acoplado al controlador de la turbina eólica 36 para ajustar el ángulo de pitch de una pala del rotor 22 al recibir una o más señales del controlador de la turbina eólica 36. En el ejemplo, el motor de accionamiento del pitch 74 es cualquier motor adecuado accionado por potencia eléctrica y/o un sistema hidráulico que permite al conjunto de pitch 66 funcionar como se describe en el presente documento. Alternativamente, el conjunto de pitch 66 puede incluir cualquier estructura, configuración, disposición y/o componentes adecuados como, por ejemplo, cilindros hidráulicos, muelles y/o servomecanismos. En ciertas realizaciones, el motor de accionamiento del pitch 74 es accionado por energía extraída de una inercia rotacional del buje 20 y/o una fuente de energía almacenada (no mostrada) que suministra energía a los componentes de la turbina eólica 10.

[0034] El conjunto de pitch 66 también puede incluir uno o más sistemas de control de pitch 80 para controlar el sistema de accionamiento de pitch 68 de acuerdo con las señales de control del controlador de la turbina eólica 36, en caso de situaciones prioritarias específicas y/o durante la sobrevelocidad del rotor 18. En el ejemplo, el conjunto de pitch 66 incluye al menos un sistema de control de pitch 80 acoplado comunicativamente a un sistema de accionamiento de pitch 68 respectivo para controlar el sistema de accionamiento de pitch 68 independientemente del controlador de la turbina eólica 36. En el ejemplo, el sistema de control del pitch 80 está acoplado al sistema de accionamiento del pitch 68 y a un sensor 70. Durante el funcionamiento normal de la turbina eólica 10, el controlador de la turbina eólica 36 puede controlar el sistema de accionamiento del pitch 68 para ajustar un ángulo de pitch de las palas del rotor 22.

[0035] Según una realización, un generador de potencia 84, por ejemplo compuesto por una batería, condensadores eléctricos por lo tanto letra o un generador eléctrico accionado por la rotación del buje 20, está dispuesto en o dentro del buje 20 y está acoplado al sensor 70, al sistema de control del pitch 80 y al sistema de accionamiento del pitch 68 para proporcionar una fuente de potencia a estos componentes. En el ejemplo, el generador de potencia 84 proporciona una fuente continua de potencia al conjunto de pitch 66 durante el funcionamiento de la turbina eólica 10. En una realización alternativa, el generador de potencia 84 proporciona potencia al conjunto de pitch 66 sólo durante un evento de pérdida de potencia eléctrica de la turbina eólica 10. El evento de pérdida de potencia eléctrica puede incluir la pérdida o caída de la red eléctrica, el mal funcionamiento de un sistema eléctrico de la turbina eólica 10 y/o el fallo del controlador 36 de la turbina eólica. Durante el evento de pérdida de potencia eléctrica, el generador de potencia 84 funciona para proporcionar potencia eléctrica al conjunto de pitch 66 de modo que el conjunto de pitch 66 pueda funcionar durante el evento de pérdida de potencia eléctrica.

[0036] En el ejemplo, el sistema de accionamiento del pitch 68, el sensor 70, el sistema de control del pitch 80, los cables y el generador de potencia 84 están colocados cada uno en una cavidad 86 definida por una superficie interior 88 del buje 20. En una realización alternativa, dichos componentes están posicionados con respecto a una superficie exterior del buje 20 y pueden estar acoplados, directa o indirectamente, a la superficie exterior.

[0037] Las figuras 3A - 3C ilustran esquemáticamente un ejemplo de conexión eléctrica de un generador de turbina eólica a una red. En un aspecto de la presente divulgación, se proporciona una turbina eólica 10, que comprende (véanse, por ejemplo, las figuras 1 y 2) un rotor de turbina eólica con una pluralidad de palas apoyado en una estructura de soporte. La turbina eólica comprende además un generador 42 acoplado operativamente al rotor de la turbina eólica para generar potencia eléctrica. La turbina eólica comprende además un convertidor electrónico de potencia 120 para convertir la potencia eléctrica generada por el generador en una potencia CA convertida de frecuencia y tensión predeterminadas. La turbina eólica comprende además un transformador principal de turbina eólica 90 que tiene un lado de baja tensión y un lado de alta tensión para transformar la potencia CA convertida a una tensión más alta. Y según este aspecto, la turbina eólica 10 comprende uno o más filtros eléctricos 130 conectados al lado de alta tensión del transformador principal 90, en el que los filtros eléctricos están dispuestos en la estructura de soporte.

[0038] La estructura de soporte de una turbina eólica puede tener diferentes configuraciones, en particular según se trate de una turbina eólica marina o de una turbina eólica terrestre. En el caso de los aerogeneradores marinos, las turbinas eólicas pueden estar flotando o sobre una cimentación en el lecho marino. La estructura de soporte de la turbina eólica que soporta un rotor de turbina eólica puede incluir, una góndola 16 con uno o más bastidores portantes (como en la figura 2), una torre de turbina eólica 12, y un soporte de torre que incluye una pieza de transición, una plataforma dispuesta en la interfaz de la torre y la pieza de transición y una cimentación. Dependiendo del tipo de turbina eólica, la estructura de soporte puede incluir una cimentación monopilote, una estructura encamisada u otra.

[0039] La turbina eólica de la figura 3 puede ser una turbina eólica marina. El generador puede tener diferentes topologías. En el ejemplo particular de la figura 3, el generador 42 puede ser un generador de imanes permanentes. El rotor del generador puede llevar una pluralidad de imanes permanentes, o módulos de imanes permanentes en un borde del rotor, y el estator puede tener una pluralidad de bobinas eléctricas. Puede disponerse un entrehierro radial entre el rotor del generador y el estator del generador. El generador de imanes permanentes 42 puede ser accionado directamente por el rotor de la turbina eólica.

[0040] En otros ejemplos, pueden utilizarse otras topologías de generador, por ejemplo, un generador de turbina eólica puede ser un generador de inducción doblemente alimentado (DIFG). Asimismo, los convertidores de potencia pueden tener configuraciones diferentes. En el ejemplo concreto de la figura 3, el convertidor de potencia 120 incluye un convertidor CA/CC 122, un enlace de CC 124 y un inversor CC/CA 126. El convertidor de potencia 120 puede ser un convertidor de potencia total.

[0041] La salida del convertidor de potencia puede ser potencia eléctrica de una frecuencia y tensión predeterminadas. Los convertidores de potencia para turbinas eólicas pueden ser típicamente de baja tensión o de media tensión. Los convertidores de potencia de baja tensión suelen estar configurados para suministrar potencia eléctrica de una tensión inferior a 1 kV, por ejemplo, 575 V o 690 V. Un convertidor de potencia de media tensión puede estar configurado para suministrar potencia eléctrica de una tensión superior a 1 kV. La tensión de salida del convertidor de potencia puede ser elevada a, por ejemplo, 33 kV o 66 kV por el transformador principal (de tensión) de la turbina eólica para su entrega a la red 220 del parque eólico. El filtro eléctrico 130 está conectado en un lado de alta tensión del transformador principal.

[0042] En el ejemplo de la figura 3A, la estructura de soporte incluye una torre de turbina eólica 100, y los filtros eléctricos están dispuestos en el interior de la torre de turbina eólica 100. Como se ilustra en la figura 3A, el generador 42, el convertidor de potencia 120 y el transformador principal 90 pueden estar dispuestos dentro de la góndola de la turbina eólica 16.

[0043] También se pueden proporcionar uno o más disyuntores 150 o conmutadores. En este ejemplo concreto pueden estar conectados entre la red eléctrica 220 y el disyuntor 150 del transformador principal. Con esta disposición, la turbina eólica puede desconectarse de la red (es decir, el generador de la turbina eólica, el convertidor y el transformador), mientras que el filtro puede permanecer conectado y reducir las distorsiones en la red 220 o en el bus o ramal de la red 220 al que está conectado el filtro.

[0044] En algunos ejemplos, los filtros eléctricos 130 pueden ser filtros amortiguados. Un filtro amortiguado puede considerarse aquí como un filtro eléctrico configurado para reducir o evitar armónicos en una variedad relativamente amplia de frecuencias. En otros ejemplos, los filtros eléctricos pueden ser filtros sintonizados configurados para filtrar una frecuencia específica o una banda de frecuencia específica. El filtro eléctrico de la figura 3B incluye un banco de reactores 134 y un banco de resistencias 142 conectados en paralelo. El filtro eléctrico 130 incluye además un banco de condensadores 137 conectado en serie con el banco de reactores 134 y el banco de resistencias 142. En algunos ejemplos, uno o más de los filtros eléctricos pueden comprender dos módulos de filtrado 140, 135. En la figura 3B, el primer módulo 140 comprende un banco de reactores y un banco de resistencias conectados en paralelo, y el segundo módulo 135 comprende un banco de condensadores, y en el que el segundo módulo está conectado en serie con el primer módulo.

[0045] Los filtros eléctricos pueden ser los denominados filtros pasivos que incluyen resistencias, inductores y condensadores. Alternativamente, los filtros eléctricos pueden ser filtros activos que utilicen componentes activos como diferentes tipos de BJT, IGBT, MOSFET y circuitos integrados. A modo de ejemplo, los filtros pueden ser, por ejemplo, filtros de paso bajo, filtros de paso banda o filtros de muesca. Los filtros pueden ser filtros LC. El generador puede estar configurado para generar potencia eléctrica de una pluralidad de fases eléctricas (por ejemplo, tres fases, seis fases, nueve fases u otras), y la turbina eólica puede comprender un filtro eléctrico para cada una de la pluralidad de fases eléctricas.

[0046] Los filtros eléctricos 130 pueden estar conectados a la red a través de un conmutador 180. Un conmutador puede estar compuesto por interruptores de desconexión eléctrica, fusibles o disyuntores utilizados para controlar, proteger y aislar los equipos eléctricos. En el ejemplo de la figura 3, la estructura de soporte puede comprender una pieza de transición TP, y el dispositivo de conmutación puede estar dispuesto en la pieza de transición. Por lo tanto, en algunos ejemplos, el generador, el convertidor de potencia y el transformador de tensión principal pueden estar dispuestos en la góndola de la turbina eólica, el filtro o filtros eléctricos pueden estar distribuidos a lo largo de la altura de la torre, y la aparamenta ("switchgeaf)puede estar dispuesta en una pieza de transición. En ejemplos alternativos, la aparamenta y los filtros pueden estar dispuestos en la torre. En otros ejemplos alternativos, los filtros pueden estar dispuestos en la pieza de transición.

[0047] El filtro eléctrico 130 puede conectarse con un dispositivo de conmutación de diversas maneras. La configuración,entre otras cosas,puede depender de la posición de una turbina eólica dentro de un parque eólico. En el ejemplo de la figura 3C, la turbina eólica puede estar dispuesta en un extremo de una cadena de un parque eólico.

En tal posición, un dispositivo de conmutación puede necesitar una bahía menos, de modo que pueda utilizarse una bahía para la conexión a un filtro eléctrico.

[0048] El dispositivo de conmutación 180 puede incluir una bahía de alimentador 184, una bahía de transformador 186 y una bahía de filtro 182. En la figura 3C se muestran esquemáticamente un seccionador y un conmutador de puesta a tierra 192, un conmutador de puesta a tierra 197, un transformador de corriente 198, un transformador de tensión 194 y un transformador de tensión de servicio 196. Dentro del ámbito de la presente divulgación, puede utilizarse cualquier aparamenta adecuada, y la conexión del filtro o filtros eléctricos a la aparamenta puede realizarse de muy diversas maneras.

[0049] Debe apreciarse que la conexión eléctrica de un generador de turbina eólica a una red puede ser más compleja que la representada en la figura 3A. En particular, se han omitido los transformadores auxiliares para la conexión a los sistemas auxiliares de la turbina eólica, los fusibles y los disyuntores para no complicar indebidamente la figura 3A.

[0050] Las figuras 3D y 3E ilustran esquemáticamente dos de las posibles alternativas de conexión del filtro eléctrico 130 a la aparamenta 180. En el ejemplo de la figura 3D, una bahía de alimentación adicional 184 está integrada en el cuadro de distribución 180. Aparte de eso, la disposición es muy similar a la de la figura 3C. La disposición de la figura 3D puede ser adecuada, por ejemplo, cuando la turbina eólica no está dispuesta al final de la cadena en el parque eólico. En el cuadro de distribución se incorporan una bahía de alimentación para la línea de entrada y otra bahía de alimentación para la línea de salida. En comparación con el ejemplo de la figura 3D, el tamaño y el peso de la aparamenta pueden aumentar. Sin embargo, en algunos ejemplos, la disposición de los filtros en el centro de una cadena en lugar de en un extremo de la misma puede proporcionar una amortiguación o reducción más eficaz de los armónicos y otras distorsiones.

[0051] La figura 3E proporciona aún una disposición alternativa. En el ejemplo de la figura 3E, la conexión del filtro 130 no está integrada en el dispositivo de conmutación 180.

[0052] Las figuras 4A - 4C ilustran esquemáticamente un ejemplo de filtro eléctrico en una torre de turbina eólica 100. En el ejemplo de la figura 4A, la turbina eólica 10 tiene una góndola 16 que aloja,entre otras cosas,un generador. El rotor de la turbina eólica comprende una pluralidad de palas 22. El generador de la góndola puede estar acoplado operativamente al rotor de la turbina eólica mediante, por ejemplo, una caja de engranajes. La góndola puede incluir además un convertidor electrónico de potencia y un transformador de tensión principal (no representado). Los cables de potencia 160 pueden extenderse desde la góndola 16 hacia abajo a través de la torre y hasta un punto de conexión a la red de un parque eólico.

[0053] La torre de la turbina eólica 100 puede incluir una pluralidad de secciones de torre apiladas unas sobre otras. Las secciones de la torre pueden ser, por ejemplo, secciones tubulares o cilíndricas de acero con una pared de torre 108. A diferentes alturas a lo largo de la torre de la turbina eólica, pueden disponerse una o más plataformas de mantenimiento 152. Las plataformas 152 pueden estar dispuestas para permitir al personal de mantenimiento llevar a cabo tareas de mantenimiento, incluidas la inspección, reparación, sustitución de componentes y otras. Las plataformas 152 de la turbina eólica pueden estar dispuestas a alturas a lo largo de la torre que se seleccionan para proporcionar acceso a componentes específicos, como por ejemplo bridas de la torre, componentes eléctricos y otros.

[0054] En ejemplos de la presente divulgación, uno o más filtros eléctricos pueden estar dispuestos en el interior de la torre de la turbina eólica 100. Como ya se ha mencionado, puede conectarse un filtro eléctrico a cada una de las fases eléctricas. Los filtros eléctricos para las diferentes fases eléctricas pueden estar dispuestos a diferentes alturas a lo largo de la torre. De este modo, los filtros eléctricos pueden disponerse en el interior de la torre manteniendo espacio suficiente para, por ejemplo, ascensores, escaleras y demás.

[0055] En algunos ejemplos (como en la figura 3), los filtros eléctricos 130 pueden incluir diferentes módulos de filtrado 135, 140. En algunos ejemplos (como en la figura 4a), uno o varios de los filtros eléctricos comprenden al menos dos módulos de filtrado, en los que un primer módulo 140 (por ejemplo, baterías de condensadores) está dispuesto con una primera plataforma dentro de la torre de la turbina eólica, y un segundo módulo 135 (por ejemplo, baterías de resistencias y baterías de reactores) está dispuesto con una segunda plataforma dentro de la torre de la turbina eólica, es decir, los diferentes módulos del mismo filtro pueden estar dispuestos a diferentes alturas. En particular, pueden estar dispuestos con plataformas en la torre, de manera que se facilite el acceso para su mantenimiento. En ejemplos alternativos (como en la figura 4c), los módulos primero y segundo del filtro pueden estar dispuestos con la misma plataforma.

[0056] En algunos ejemplos, los módulos de filtrado pueden estar apoyados en plataformas de torre. En otros ejemplos, los módulos de filtrado pueden fijarse a la torre de la turbina eólica en las proximidades de una plataforma. Los módulos de filtrado pueden comprender un armazón estructural, y el armazón estructural puede fijarse a una pared interior de la torre de la turbina eólica. En un ejemplo concreto, la pared interior de la torre de la turbina eólica puede incluir una pluralidad de salientes para la fijación de los bastidores estructurales de los módulos de filtrado. Los bastidores estructurales pueden incluir orificios adecuados para recibir los resaltes dispuestos con la torre de la turbina eólica. Los salientes pueden soldarse a una pared interior de la torre de la turbina eólica. Como alternativa, los módulos de filtrado pueden atornillarse a una pared interior de la torre. Entre los métodos alternativos para fijar el bastidor de un módulo de filtrado a un interior de la torre se incluye el uso de imanes o cierres magnéticos.

[0057] La figura 4B ilustra esquemáticamente el primer módulo 140 con baterías de condensadores, y el marco estructural 149, y el segundo módulo de filtrado 135 con su marco estructural 139. La figura 4C muestra la forma de la sección transversal de una torre de turbina eólica a una altura que puede estar ligeramente por encima de una plataforma 152, es decir, en este ejemplo los módulos de filtrado no se apoyan en la plataforma. Por lo tanto, no es necesario reforzar la plataforma 152 para que pueda soportar uno o varios módulos de filtrado. No obstante, los módulos de filtrado están dispuestos a una altura tal que el personal de mantenimiento pueda acceder a ellos desde la plataforma cuando sea necesario.

[0058] Como se muestra en la figura 4C, una escalera 162 puede permitir al personal de mantenimiento desplazarse hacia arriba y hacia abajo entre las plataformas. Una sustentación de servicio 164 puede estar dispuesta junto a la escalera 162 y, en algunos ejemplos, puede estar guiada por la escalera 162. También se indica esquemáticamente una zona de mantenimiento 166.

[0059] Debe quedar claro que la figura 4C proporciona sólo un ejemplo. La disposición de los módulos de filtrado puede ser diferente en las distintas plataformas, en función del espacio disponible. Los módulos de filtrado pueden distribuirse a lo largo de la altura de la torre y disponerse con diferentes plataformas, con el fin de garantizar un espaciado físico suficiente, permitir una evacuación del calor o una refrigeración suficientes y proporcionar espacio suficiente para que el personal de mantenimiento pueda acceder a la góndola.

[0060] La plataforma 152 puede comprender vallas protectoras 168 para proporcionar un área restringida alrededor de los módulos de filtrado. Debe tenerse en cuenta que el filtro eléctrico puede estar activo y energizado aunque la propia turbina eólica no esté operativa para proporcionar amortiguación de armónicos en la red del parque eólico. Es decir, una turbina eólica concreta puede estar parada por mantenimiento o debido a una avería. Sin embargo, otras turbinas eólicas dentro del mismo parque eólico, pueden seguir plenamente operativas. Incluso las turbinas eólicas situadas a lo largo de la misma cadena del parque eólico pueden estar operativas. Por lo tanto, es posible que los filtros eléctricos dentro de la turbina eólica parada o estacionada también deban seguir operativos.

[0061] También pueden utilizarse otras formas de blindaje distintas de las vallas. En algunos ejemplos, los filtros o los módulos de filtrado pueden estar blindados. En el ejemplo de la figura 4C, se proporciona un blindaje protector 170 alrededor del módulo de filtrado 135.

[0062] En función de la disposición eléctrica específica, puede determinarse una distancia de seguridad mínima para el personal alrededor de los módulos de filtrado. En función de dicha distancia de seguridad, los módulos de filtrado podrán distribuirse por la superficie transversal disponible.

[0063] La figura 5 ilustra esquemáticamente un ejemplo de parque eólico marino 200. En otro aspecto, de la presente divulgación se proporciona un parque eólico 200, que comprende una subestación 230 con un punto de conexión común. El parque eólico 200 comprende una o varias cadenas de parques eólicos o 220 en paralelo conectadas al punto de conexión común, que tienen un primer extremo 222 en o cerca del punto de conexión común y un segundo extremo opuesto 224, e incluyen una pluralidad de aerogeneradores 210 entre el primer extremo 222 y el segundo extremo 224. Las cadenas de parques eólicos también pueden denominarse "líneas" o "autobuses". Una o varias de las cadenas de parques eólicos 220 pueden incluir una turbina eólica igual o similar a los ejemplos de turbinas eólicas descritos anteriormente, en particular con un filtro eléctrico dispuesto con o dentro de una estructura de soporte de la turbina eólica, como la torre de la turbina eólica. El filtro eléctrico puede estar conectado a un lado de alta tensión del transformador de tensión principal de la turbina eólica.

[0064] En algunos ejemplos, cada una de las cadenas de parques eólicos 220 puede comprender una turbina eólica de este tipo que incluya un filtro eléctrico.

[0065] En la cadena inferior 220, una primera turbina eólica 210A está dispuesta como la primera turbina eólica de la cadena. La turbina eólica 210C es la última turbina eólica de la cadena. Y la turbina eólica 210B está dispuesta sustancialmente en el centro de la cadena. En este ejemplo concreto, todas las cadenas tienen la misma longitud y el mismo número de turbinas eólicas. Estará claro que no tiene por qué ser así, y que las cadenas de un parque eólico pueden tener longitudes diferentes (y, por tanto, capacidades diferentes), y números diferentes de turbinas eólicas.

[0066] En algunos ejemplos, pueden disponerse múltiples turbinas eólicas de acuerdo con cualquiera de los ejemplos aquí divulgados que incluyan uno o más filtros eléctricos a lo largo de uno de los ramales, mientras que en otros ramales puede disponerse una única turbina eólica (por ejemplo, la primera turbina eólica 210A, la última turbina eólica del ramal 210C o una turbina eólica 210B intermedia) con filtros eléctricos. En algunos ejemplos, puede disponerse un filtro eléctrico adicional con la subestación 230. En otros ejemplos, puede no disponerse ningún filtro eléctrico con la subestación 230.

[0067] Debe quedar claro que, aunque los cordones se representan como si fueran físicamente paralelos entre sí, pueden disponerse de diversas maneras en función de la disposición del parque eólico. La cadena puede, por ejemplo, extenderse radialmente alejándose del punto de conexión común.

[0068] En otro aspecto más, se proporciona un parque eólico que comprende una subestación 230 con un punto de conexión común, y una o más cadenas de parques eólicos paralelas 220 conectadas al punto de conexión común, que tienen un primer extremo 222 en o cerca del punto de conexión común y un segundo extremo opuesto 224, e incluyen una pluralidad de turbinas eólicas 210 entre el primer extremo y el segundo extremo, en el que cada una de las cadenas de parques eólicos 220 incluye al menos una turbina eólica con un filtro eléctrico conectado en un lado de alta tensión de un transformador principal de la turbina eólica.

[0069] El parque eólico puede ser un parque eólico marino como el de la figura 5. La subestación 230 puede incluir un transformador de alta tensión y estar conectada a una línea de transmisión de alta tensión 240, por ejemplo, una línea de transmisión HVAC o HVDC. Dicha línea de transmisión de alta tensión puede tener varios kilómetros de longitud, por ejemplo, 5 km, 10 km o más. La línea de transmisión de alta tensión puede estar conectada a un punto de acoplamiento común (PPC) 260 con la red eléctrica continental 300. El signo de referencia 250 ilustra una línea costera.

[0070] En algunos ejemplos, la turbina eólica con filtro eléctrico puede disponerse en el segundo extremo de los ramales del parque eólico o cerca de él. Si se selecciona una turbina eólica "de final de línea", esto puede ser beneficioso en términos de conexión con el dispositivo de conmutación de la turbina eólica. Pero dentro del ámbito de la presente divulgación, también una turbina eólica en una ubicación diferente, por ejemplo, como en el centro a lo largo de una cadena, como la turbina eólica 210B puede incluir un filtro eléctrico.

[0071] Aunque en la presente divulgación se ha ilustrado y explicado que todas las turbinas eólicas y parques eólicos son de alta mar, debe quedar claro que la misma disposición o una similar puede utilizarse también en tierra.

[0072] Esta descripción escrita utiliza ejemplos para divulgar la invención, incluyendo las realizaciones preferidas, y también para permitir a cualquier experto en la materia poner en práctica la invención, incluyendo la fabricación y el uso de cualquier dispositivo o sistema y la realización de cualquier método incorporado. El alcance patentable de la invención está definido por las reivindicaciones, y puede incluir otros ejemplos que se les ocurran a los expertos en la materia.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Una turbina eólica (10) que comprende:

un rotor de turbina eólica (18) con una pluralidad de palas (22) apoyado en una estructura de soporte (100); un generador (42) acoplado operativamente al rotor de la turbina eólica (18) para generar potencia eléctrica; un convertidor electrónico de potencia (120) para convertir la potencia eléctrica generada por el generador (42) en una potencia CA convertida de frecuencia y tensión predeterminadas;

un transformador principal de la turbina eólica (90) que tiene un lado de baja tensión y un lado de alta tensión para transformar la potencia de CA convertida a una tensión superior; caracterizado porque

uno o más filtros eléctricos (130) están conectados al lado de alta tensión del transformador principal, y los filtros eléctricos (130) están dispuestos en la estructura de soporte (100).

2. La turbina eólica de la reivindicación 1, en la que la estructura de soporte incluye una torre de turbina eólica (100), y en la que los filtros eléctricos (130) están dispuestos en el interior de la torre de turbina eólica.

3. La turbina eólica de la reivindicación 1 o 2, en la que los filtros eléctricos (130) son filtros amortiguados.

4. La turbina eólica de cualquiera de las reivindicaciones 1 - 3, en la que el generador (42) está configurado para generar potencia eléctrica de una pluralidad de fases eléctricas, y en la que la turbina eólica comprende un filtro eléctrico (130) para cada una de la pluralidad de fases eléctricas.

5. La turbina eólica de cualquiera de las reivindicaciones 1 - 4, en la que uno o más de los filtros eléctricos (130) comprenden al menos dos módulos de filtrado (135; 140).

6. La turbina eólica de la reivindicación 5, en la que un primer módulo (140) está dispuesto con una primera plataforma (152) dentro de la torre de la turbina eólica (100), y un segundo módulo (135) está dispuesto con una segunda plataforma (152) dentro de la torre de la turbina eólica (100).

7. La turbina eólica de la reivindicación 6, en la que la primera y la segunda plataformas (152) comprenden vallas protectoras (168; 170) para proporcionar un área restringida alrededor de los módulos de filtrado.

8. La turbina eólica de cualquiera de las reivindicaciones 5 - 7, en la que los módulos de filtrado comprenden un bastidor estructural (139; 149), y en la que el bastidor estructural (139; 149) está fijado a una pared interior de la torre de la turbina eólica.

9. La turbina eólica de la reivindicación 8, en la que la pared interior de la torre de la turbina eólica comprende una pluralidad de resaltes para la fijación de los bastidores estructurales de los módulos de filtrado.

10. La turbina eólica de cualquiera de las reivindicaciones 5 - 9, en la que el primer módulo (140) comprende un banco de reactores (144) y un banco de resistencias (142) conectados en paralelo.

11. La turbina eólica de la reivindicación 10, en la que el segundo módulo (135) comprende una batería de condensadores (137), y en la que el segundo módulo (135) está conectado en serie con el primer módulo (140).

12. La turbina eólica de cualquiera de las reivindicaciones 1 - 11, en la que el filtro eléctrico (130) comprende una batería de condensadores (137) conectada en serie con una reactancia (144) y una batería de resistencias (142), y en la que la batería de condensadores (137) está conectada a un lado de alta tensión del transformador, y en la que la reactancia y la batería de resistencias (144, 142) están conectadas a la batería de condensadores.

13. La turbina eólica de cualquiera de las reivindicaciones 1 -12, en la que los filtros eléctricos (130) están conectados a una red eléctrica (220) a través de un conmutador (180).

14. Un parque eólico (200) que comprende:

una subestación (230) con un punto de conexión común, y

uno o más ramales de parque eólico paralelos (220) conectados al punto de conexión común, que tienen un primer extremo (222) en o cerca del punto de conexión común y un segundo extremo opuesto (224), e incluyen una pluralidad de turbinas eólicas (210) entre el primer extremo y el segundo extremo, en el que uno o más de los ramales de parque eólico comprenden una turbina eólica (210) según cualquiera de las reivindicaciones 1 -13.

15. El parque eólico según la reivindicación 14, en el que cada uno de los ramales de parque eólico (220) comprende una turbina eólica (210) según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 13, y opcionalmente en el que la turbina eólica (210) según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 13 está dispuesta en o cerca del segundo extremo (224) de los ramales del parque eólico (220).