CÁRCAR MAYOR, Ainhoa (Ingeteam Energy, S. A.Avda. Ciudad de la Innovació, 13 Sarriguren, E-31621, ES)
MAYOR LUSARRETA, Jesús (Ingeteam Energy, S. A.Avda. Ciudad de la Innovació, 13 Sarriguren, E-31621, ES)
CÁRCAR MAYOR, Ainhoa (Ingeteam Energy, S. A.Avda. Ciudad de la Innovació, 13 Sarriguren, E-31621, ES)
| REIVINDICACIONES Sistema (1 ) de generación eléctrica resistente a huecos de tensión, que comprende un generador (2) doblemente alimentado cuyo rotor está conectado a la red (3) eléctrica a través de un convertidor back-to-back (4) y cuyo estátor está conectado a la red (3) eléctrica, caracterizado porque comprende: al menos una primera impedancia adicional (5) conectada en paralelo entre el rotor del generador (2) y el convertidor back-to-back (4); al menos una segunda impedancia adicional (6) conectada al estátor del generador (2); y al menos una unidad de control con capacidad de gobernar las impedancias adicionales (5, 6). Sistema (1 ) según la reivindicación 1 , donde el rotor del generador (2) está conectado a una turbina eólica (7). Procedimiento de operación de un sistema (1 ) según cualquiera de las reivindicaciones 1 -2, caracterizado porque comprende: - detectar el hueco de tensión, - permanecer conectado a la red (3) haciendo uso, durante el tiempo necesario, de la primera impedancia adicional (5), - aportar la corriente reactiva requerida, - detectar que se alcanza un tiempo máximo de funcionamiento en estas condiciones, - desconectar el estator de la red (3) y activar la segunda impedancia adicional (6), comprendiendo o controlar el par resistente del generador (2) haciendo uso de la segunda impedancia adicional (6), o detectar el reestablecimiento de la tensión de red (3) a valores dentro del rango de funcionamiento, o sincronizar la tensión de estator y la tensión de red (3), o conectar el estator a la red (3) y desactivar la segunda impedancia adicional (6). |
TENSIÓN
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención describe un sistema de generación resistente a huecos de tensión y un método de operación de dicho generador.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La existencia de perturbaciones en la red eléctrica exige que las centrales de generación colaboren a su estabilidad, por ejemplo inyectando reactiva en el caso de huecos de tensión. Hasta hace poco estos requerimientos no se han extendido a las centrales basadas en energías renovables, ya que éstas suponían un porcentaje pequeño de la potencia total generada. Sin embargo, en vista del espectacular aumento de este tipo de centrales en los últimos años, el nivel de exigencia a este tipo de centrales se está incrementando notablemente. Haciendo referencia particular a los huecos de tensión, existen normativas que exigen que los aerogeneradores cumplan estrictos requerimientos de aporte de reactiva a la red durante el hueco de tensión y, se prevé que, una vez superado el hueco de tensión y habiendo sido necesaria su desconexión, se requiera que el generador pueda reconectarse rápidamente al término del hueco si la tensión vuelve en los siguientes segundos. De este modo, se aportará la potencia activa que se estaba generando antes de la perturbación, lo más rápido posible. Estos requisitos se suelen expresar en forma del denominado "perfil de hueco", que define unos límites temporales y de amplitud de los huecos de tensión que los aerogeneradores deben ser capaces de soportar. estado de la técnica presenta distintas soluciones para comportamiento ante huecos de tensión, como por ejemplo:
• Una primera estructura se describe en el documento WO2007057480A1 , donde el aerogenerador comprende una impedancia variable conectada en paralelo entre el convertidor back-to-back y el rotor del generador. Cuando se produce un hueco de tensión, se activa esta impedancia para proteger el convertidor back-to-back contra las sobretensiones que aparecen en el rotor durante el hueco, permitiendo así que el estátor del generador permanezca conectado a la red un intervalo de tiempo determinado desde el inicio del hueco de tensión, aportando reactiva durante ese tiempo para contribuir a la recuperación de la red. Si el tiempo de duración del hueco de tensión supera los límites marcados dentro del perfil del hueco, eventualmente el generador se desconecta de la red. La ventaja principal de este sistema es que permite cumplir los requerimientos de aporte de reactiva en la red durante el tiempo en que el generador permanece conectado a la red. La desventaja principal es que la desconexión del generador implica detener la turbina eólica, por lo cual se requiere un tiempo largo para volver a acoplarla a la red tras el hueco de tensión. · Los documentos WO2009156540A1 y US07332827 describen una segunda solución conocida en la técnica que se basa en una impedancia conectada al estátor del generador. El método de operación en este caso consiste en activar dicha impedancia en el instante de detección del hueco, lo cual permite desconectar el generador de la red a la vez que se controla el par resistente del generador y se evacúa la potencia generada hacia dicha impedancia. La ventaja principal de este sistema es que si la tensión se recupera dentro de un determinado intervalo de tiempo, el estátor puede volver a acoplarse a la red, siempre que no salga de los límites máximos establecidos por la normativa. Como desventaja, el generador está desconectado de la red desde el inicio del hueco de tensión, por lo que no puede inyectar la reactiva exigida por los operadores de red para colaborar a la recuperación de la misma. Por tanto, ninguno de estos sistemas permite el cumplimiento de las normativas de red y la rápida reconexión una vez la tensión se ha restablecido. DESCRIPCIÓN
La invención propuesta permite solventar los inconvenientes anteriores mediante un sistema que aúna las ventajas de los dos sistemas conocidos de la técnica anterior.
Según un primer aspecto, el sistema de generación eléctrica resistente a huecos de tensión de la invención comprende un generador doblemente alimentado cuyo rotor está conectado a la red eléctrica a través de un convertidor back-to-back y cuyo estátor está conectado a la red eléctrica, y que además comprende:
- al menos una primera impedancia adicional conectada en paralelo entre el rotor del generador y el convertidor back-to-back;
- al menos una segunda impedancia adicional conectada al estátor del generador; y
- al menos una unidad de control con capacidad de gobernar las impedancias adicionales (5, 6).
Es decir, el sistema de la invención comprende simultáneamente las dos impedancias adicionales descritas por los sistemas de la técnica anterior y al menos una unidad de control que gestiona la activación/desactivación de dichas impedancias adicionales según el procedimiento que se describe más adelante; dicho procedimiento las hace funcionar de forma coordinada y diferente a su funcionamiento como sistemas independientes. La/s unidades de control puede/n ser dependiente/s o independiente/s de la unidad de control del convertidor.
A pesar de que no todos se mencionan explícitamente en el presente documento, se entiende que el sistema descrito comprende además los elementos auxiliares habituales en los sistemas de generación basados en generadores doblemente alimentados conocidos por un experto en la materia. Por ejemplo, es evidente que la conexión entre el estátor y la red estará dotada de un interruptor que permite desconectar el generador, al igual que existirán medios, como interruptores o similares, para activar las impedancias adicionales en los momentos que se definirán más adelante en el presente documento. Se entiende que el rotor del generador de este sistema puede ser movido por cualquier tipo de energía renovable, por ejemplo basado en las corrientes marinas o en las mareas Según una realización preferentemente, sin embargo, el rotor del generador está mecánicamente acoplado a una turbina eólica, tratándose por tanto el conjunto de un aerogenerador.
Un segundo aspecto de la invención está dirigido a un procedimiento de operación del sistema descrito anteriormente que combina las ventajas de cada uno de los sistemas conocidos en la técnica anterior, evitando al mismo tiempo desventajas que cada uno de ellos tiene por separado. El sistema de generación detecta un hueco de tensión y aporta la corriente reactiva requerida a la red durante el tiempo en el que el sistema está operando dentro del perfil de hueco establecido. Para ello, se activa si es necesario la primera impedancia adicional durante un determinado intervalo de tiempo, aunque la invención también comprende el caso en que no se requiera su activación. Cuando se detecta que ha pasado un periodo máximo de funcionamiento permitido con una tensión mínima o cuando se considere necesario reestablecer el control del par resistente en el aerogenerador, se produce la desconexión del estator de la red y la activación de la segunda impedancia, siendo la potencia absorbida por ésta, lo cual permite mantener el generador controlado a través del par resistente. De este modo, cuando la red se recupera el sistema es capaz de sincronizar la tensión generada y la de red y acoplarse mucho más rápidamente que con los sistemas conocidos hasta ahora, aumentando la disponibilidad del sistema.
Por tanto, el procedimiento de la invención comprende aportar reactiva a la red sin desconectar el convertidor back-to-back cuando se detecta un hueco de tensión (siempre y cuando la tensión esté por encima de los límites marcados por el perfil de hueco). El aporte de reactiva puede realizarse durante una parte o bien durante la totalidad de la duración de esta etapa. De este modo, se colabora a la recuperación de la red.
Además, pasado el período de tiempo máximo de funcionamiento permitido con una tensión mínima (este período es el tiempo que transcurre entre el inicio del hueco de tensión y el momento en que la tensión de la red cae por debajo de un perfil de hueco impuesto por un operador de la red) o cuando se considere necesario reestablecer el control del par resistente en el aerogenerador, se desconecta el estátor de la red y se activa la segunda impedancia adicional. De este modo, se permite una rápida reconexión cuando la tensión de red retorne a sus valores nominales. Cuando se detecta el final del hueco de tensión, se sincroniza la tensión del estátor con la tensión de red y se reconecta el estátor a la red, desactivándose a continuación la segunda impedancia adicional. La invención propuesta contempla también que el orden en el que se realice esta última fase comprenda desactivar en primer lugar la segunda impedancia adicional y, posteriormente, reconectar el estátor a la red. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Fig. 1 muestra un esquema de un sistema de generación según la técnica anterior que comprende una impedancia adicional conectada al rotor. Las Figs. 2 muestran las formas de onda de algunas magnitudes características de la operación del sistema de la Fig. 1. La Fig. 3 muestra un esquema de un sistema de generación según la técnica anterior que comprende una impedancia adicional conectada al estátor.
Las Figs. 4 muestran las formas de onda de algunas magnitudes características de la operación del sistema de la Fig. 3.
La Fig. 5 muestra un esquema de un sistema de generación según la presente invención que comprende una primera y una segunda impedancias adicionales.
Las Figs. 6 muestran las formas de onda de algunas magnitudes características de la operación del sistema de la presente invención representado en la Fig. 5. DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PARTICULAR
Se describe a continuación la invención haciendo referencia a las figuras adjuntas. En particular, las Figs. 1 y 2 a-d muestran un sistema (100) según la técnica anterior específicamente aplicado a la generación eólica. Este sistema comprende un generador (102) doblemente alimentado cuyo rotor está conectado a la red eléctrica (103) a través de un convertidor back-to-back (104) formado por un convertidor (104a) de rotor, un convertidor (104b) de red y un enlace de continua (104c). El rotor está además mecánicamente acoplado a una turbina eólica (107). El estátor, por otro lado, está conectado a la red (103) a través de un interruptor (108).
Este sistema (100) comprende una impedancia adicional (105) en paralelo entre el rotor y el convertidor back-to-back (104) que se activa ante huecos de red (103) para proteger el convertidor (104a) de rotor de los transitorios generados durante el hueco. Las Figs. 2a-d muestran respectivamente el comportamiento de la tensión (U) de red, la activación (CZR) de la impedancia adicional (105) suponiendo que ha sido necesario activarla, la intensidad reactiva inyectada (i q ) a la red (103) durante el hueco y el estado del acoplamiento (C on ) del generador (102) a la red (103). Se observa como, cuando se detecta el hueco de tensión, inmediatamente se activa durante un corto período de tiempo la impedancia adicional (105) (Fig. 2b), tras lo cual comienza a inyectarse reactiva a la red (103) (Fig. 2c). Una vez la tensión (U) de red (103) cae por debajo del perfil de hueco impuesto por la normativa, y que se ha representado aquí por medio de una línea discontinua en la Fig. 2a, se produce la desconexión del generador (102) (Fig. 2d). La Fig. 3 muestra un segundo sistema (300) según la técnica anterior donde partes equivalentes a las del sistema (100) de la Fig. 1 se han referenciado con el mismo número de referencia pero sustituyendo el 1 inicial por un 3. Este sistema (300), sin embargo, tiene una impedancia adicional (306) conectada al estátor del generador (302). Las Figs. 4a-d muestran algunas magnitudes características del sistema (300) durante su funcionamiento. Concretamente, la Fig. 4a muestra la forma del hueco de tensión (U) con relación al perfil de hueco impuesto por la normativa (perfil de hueco representado aquí por medio de una línea discontinua). Desde el momento en que se detecta el hueco, se activa (Czs) la impedancia adicional (306) (Fig. 4b) y se desacopla (C on ) el generador (302) de la red (303) (Fig. 4d). Cuando la tensión (U) de red (303) cae por debajo del perfil de hueco, se desactiva la impedancia adicional (306) (Fig. 4b). Como se observa en la Fig. 4b, en ningún momento se inyecta intensidad reactiva (i q ) a la red (303). La Fig. 5 muestra el sistema (1 ) de generación de la invención que comprende un generador (2) eléctrico mecánicamente acoplado a una turbina (7) eólica, cuyo estátor está conectado a la red (3) a través de un interruptor (8) y cuyo rotor está conectado a un convertidor back-to-back (4) a su vez conectado a la red (3). El convertidor back-to-back está formado por el convertidor (4a) de rotor y el convertidor (4b) de estátor unidos por un enlace de continua (4c). El sistema (1 ) comprende además una primera impedancia adicional (5) conectada en paralelo entre el rotor de generador (2) y el convertidor (4a) de rotor y una segunda impedancia adicional (6) conectada al estátor. Los instantes de activación/desactivación de las impedancias adicionales (5, 6) se controlan por medio de una unidad de control (no mostrada).
Las Figs. 6a-e muestran algunas gráficas que muestran el funcionamiento del sistema (1 ) de la invención cuando se produce un hueco cuya duración requiere el uso de ambas impedancias adicionales (5, 6). En la Fig. 6a se observa el hueco de tensión con relación al perfil de hueco impuesto por la normativa (perfil de hueco representado aquí por medio de una línea discontinua). En primer lugar, como se aprecia en la Fig. 6b, se activa (CZR) la primera impedancia adicional (5) y, poco después, se comienza a inyectar reactiva (i q ) a la red (3) (Fig. 6d). En este ejemplo, una vez la tensión (U) de la red (3) cae por debajo del perfil de hueco, se desconecta el generador (2) de la red (3) (Fig. 6e) y se activa (Czs) la segunda impedancia adicional (6) (Fig. 6c). Evidentemente, como muestra la Fig. 6d, termina en este momento la inyección de reactiva (i q ) a la red (3) y la potencia generada se disipa en la segunda impedancia adicional (6). Cuando la tensión (U) de red (3) vuelve a valores nominales, según se muestra en la Fig. 6a, se sincroniza la tensión del estátor y la tensión de la red (3) y se vuelve a conectar el generador (2) a la red (3), desactivándose posteriormente la segunda impedancia adicional (6).