GENERADOR ASíNCRONO CON CONTROL DE LA TENSIóN APLICADA AL ESTATOR

OBJETO DE LA INVENCIóN

[0001] La presente invención se refiere, en general, a un generador asincrono, o de inducción, de rotor cortocircuitado conectable a una turbina, tal como una turbina eólica, para generar energía eléctrica que se inyecta a una red de distribución de energía eléctrica.

ESTADO DE LA TéCNICA

[0002] Es conocido en el estado de la técnica que, actualmente, existe un gran número de generadores asincronos de rotor en cortocircuito, tal como el rotor denominado de jaula de ardilla, acoplados a turbinas, por ejemplo, turbinas eólicas, y conectados directamente a una red de distribución de energía eléctrica trifásica mediante transformadores elevadores de tensión. Consecuentemente, dicha configuración de turbina conectada a generador es utilizada para producir energía eléctrica que llega a los consumidores finales a través de la red de distribución de energía eléctrica trifásica.

[0003] Un generador asincrono de rotor cortocircuitado, a saber, jaula de ardilla conectado a una turbina eólica presenta algunas desventajas tales como que durante el arranque se demanda una elevada corriente; la característica par resistente presenta una alta rigidez que implica reducidas variaciones de la velocidad de giro en la zona de funcionamiento estable y, por tanto, elevadas oscilaciones del par electromagnético y de la potencia activa transmitida al sistema eléctrico; dicha configuración es incapaz de trabajar con tensiones de alimentación diferentes a su valor nominal y, por tanto, incapaz de optimizar el rendimiento global del generador; también demanda, de la red de distribución, potencia reactiva para su correcto funcionamiento; la configuración descrita es incapaz de arrancar y funcionar como sistema aislado de la red de distribución eléctrica y, tan poco, permite aislarse de las oscilaciones externas de potencia de la red de distribución ni contribuir a su amortiguamiento. [0004] Por tanto, se hace necesario desarrollar un generador conectable a una turbina para generar y suministrar energía eléctrica a una red de distribución de energía eléctrica que sea capaz de conectarse de manera suave a la red, reducir las oscilaciones de par sin añadir pérdidas eléctricas en el rotor, modificar la tensión de alimentación del estator independientemente de las variaciones de tensión de la red, controlar dinámicamente la potencia reactiva intercambiada con

la red eléctrica y funcionar en régimen aislado de la red eléctrica, evitando así algunos de los problemas anteriormente descritos.

CARACTERIZACIóN DE LA INVENCIóN

[0005] La presente invención busca resolver o reducir uno o más de los inconvenientes expuestos anteriormente mediante un generador conectable a una turbina, tal como una turbina eólica, como es reivindicado en la reivindicación 1. Realizaciones de la invención son establecidas en las reivindicaciones dependientes.

[0006] Un objeto de la invención es conectar en serie el estator del generador a una red de distribución de energía eléctrica a través de un primer devanado de un transformador de tal forma que la tensión aplicada a éste devanado sea controlada a través de un segundo convertidor de energía eléctrica y, consecuentemente, se controla el nivel de tensión del estator del generador.

[0007] Además, el estator del generador se conecta también a la misma red de distribución a través de un primer convertidor de energía eléctrica conectado por un enlace de corriente continua al segundo convertidor de energía eléctrica, que está conectado, a su vez, a un segundo devanado del transformador, de manera que se garantice el control de la tensión del estator del generador en módulo y argumento. [0008] La doble conexión descrita permite aumentar el rendimiento global del generador eléctrico por disminuir las pérdidas en el hierro del generador.

[0009] Otro objeto de la invención es permitir una conexión suave del generador a la red de distribución de energía eléctrica garantizando la calidad de generación en todo momento. [0010] Otro objeto de la invención es garantizar el suministro de energía eléctrica cuando se produzcan variaciones de tensión en la red de distribución de energía eléctrica tanto en régimen equilibrado y desequilibrado de funcionamiento del generador, contribuyendo a la estabilidad de la red de distribución por la aportación de potencia reactiva. [0011] Aún otro objeto de la invención es que el generador sea capaz de intercambiar dinámicamente potencia reactiva con la red de distribución independientemente del grado de carga del mismo.

[0012] Otro objeto de la invención es que el generador sea capaz de generar una tensión en su salida de valor nominal cuando no esté disponible la red de distribución de energía eléctrica debido a una contingencia previa.

[0013] Aún otro objeto de la invención es que el generador acoplado a una turbina eólica sea capaz de conectarse a la red de distribución eléctrica cuando existe una velocidad del viento reducida. Consecuentemente, se podrían aprovechar emplazamientos con bajos recursos eólicos.

[0014] Aún otro objeto de la invención es permitir un cierto grado de recuperación de las oscilaciones de par reduciendo fatigas y cargas, aumentando también los rendimientos mecánicos.

[0015] Otro objeto de la invención es que el generador asincrono de rotor en cortocircuito presente una alta fiabilidad y robustez de funcionamiento, y gran capacidad de sobrecargas transitorias.

BREVE ENUNCIADO DE LAS FIGURAS [0016] Una explicación más detallada de la invención se da en la siguiente descripción basada en las figuras adjuntas en las que:

[0017] la figura 1 muestra un diagrama de bloques de un aerogenerador de acuerdo a la invención, y

[0018] la figura 2 muestra en un diagrama vectorial las corrientes y tensiones asociadas con el funcionamiento del generador de acuerdo a la invención.

DESCRIPCIóN DE LA INVENCIóN

[0019] A continuación, con referencia a la figura 1, se ilustra un diagrama de bloques de un generador asincrono, o de inducción, de rotor en cortocircuito, denominado jaula de ardilla, junto con los medios de control necesarios para su correcto funcionamiento.

[0020] El generador 11 asincrono de rotor en cortocircuito es conectable a una turbina 12, tal como una turbina eólica, de manera que dicha turbina se acopla al rotor cortocircuitado 13 que gira dentro de un estator 14 del generador 11.

[0021] El estator 14 está conectado en serie a un primer extremo de un primer devanado 15-1 de un transformador 15, de manera que una red 22 de distribución de energía eléctrica está conectada al segundo extremo del primer 15-1 devanado del transformador 15.

[0022] El estator 14 está conectado también a una entrada de un primer 16 convertidor de energía eléctrica a través de un filtro 23 inductivo cuya salida es conectada en cascada mediante una conexión de corriente continua a una entrada de un segundo 17 convertidor de energía eléctrica, que tiene una salida que es conectada a un segundo 15-2 devanado del transformador 15 a través de un filtro 18.

[0023] En el enlace de continua hay conectado un condensador 19 que almacena energía eléctrica sobre la base de la potencia activa intercambiada entre el primer 16 y el segundo 17 convertidor. [0024] Asimismo en el enlace de corriente continua hay conectada una resistencia 24 controlada por un elemento de corte tal como un interruptor 25, cuya función es regular que la tensión del enlace de continua permanezca dentro de un predeterminado intervalo de valores para cualquier modo de funcionamiento del generador 11. [0025] La salida de energía eléctrica total del generador 11 se combina en el transformador 15.

[0026] El primer 16 convertidor comprende un conjunto de elementos de conmutación tal que, cada uno de ellos, dispone de un terminal de control a través del cual se les aplica una señal de encendido y/o apagado. [0027] En relación ahora con las figuras 1 y 2, un primer 20 módulo controlador genera y suministra las referidas señales de conmutación y para llevar a cabo dichas tareas el primer 20 controlador calcula y/o recibe una señal proporcional a la corriente de salida del convertidor 16, i _sh , una señal proporcional a la tensión del estator V _s , una señal proporcional a la tensión del enlace de corriente continua, V _DC .

[0028] El primer 20 controlador comprende un primer microprocesador que almacena y ejecuta un algoritmo de control tal como control vectorial, control directo o similar, con el que se gobierna la corriente de salida del convertidor 16, i _sh . Este control efectúa una regulación de la tensión de continua V _dc en el condensador 19, a un valor de referencia constante V* _d« tal que la transferencia de potencia activa entre el convertidor 16 y el convertidor 17 sea instantánea, y además el ¿control se efectúe de manera que i _sh tenga el mínimo valor posible.

[0029] Análogamente, el segundo 17 convertidor también comprende un conjunto de elementos de conmutación tal que, cada uno de ellos, dispone de un terminal de control a través del cual se les aplica una señal de encendido y/o apagado.

[0030] Un segundo 21 módulo controlador genera y suministra las referidas señales de encendido o apagado, y para llevar a cabo dichas tareas el segundo 21 controlador calcula y/o recibe una señal proporcional a la corriente de salida del segundo 17 convertidor, i _se , una señal proporcional a la tensión del estator 14, V _s> una señal proporcional a la tensión de red 22 de distribución, V _g , una señal proporcional a la corriente total inyectada a la red 22, i _g) . [0031] El segundo 21 controlador incluye un segundo microprocesador que almacena y ejecuta un algoritmo con el que regula la tensión aplicada, en módulo, |V _S | y argumento, al estator 14 del generador 11 siguiendo una estrategia de control de la potencia reactiva total, Q _g , inyecta a la red eléctrica de distribución 22. [0032] Consecuentemente, ambos primer 20 y segundo 21 controlador gobiernan el primer 16 y segundo 17 convertidor, respectivamente, de manera que controlan la tensión del enlace de continua, así como la tensión, a saber, en módulo y argumento resultante y/o aplicada en el estator 14 del generador.

[0033] Se ha de observar que ambos primer y segundo controladores 20, 21 pueden trabajar en modo coordinado o pueden trabajar uno cualquiera de ellos con el otro desconectado, o incluso ninguno de los dos activados, viéndose reducidas las capacidades de generación en cada caso.

[0034] La manera de gobernar la tensión resultante y/o aplicada al estator 14 se basa en el control de la tensión inyectada en serie desde el segundo 17 convertidor a la red 22 de distribución eléctrica a través del transformador 15. La tensión, V¡, del segundo 17 convertidor se suma vectorialmente a la tensión, V _g , de la red 22 de distribución.

[0035] En relación ahora con la figura 2, que muestra en unos ejes estacionarios α-β sobre los que se han representado: los vectores espaciales de tensión, V _s , de estator 14, tensión V _g , de red 22, tensión Vj ₁ inducida en el primer devanado 15-1 del transformador 15 como consecuencia del control efectuado sobre el segundo 17 convertidor, corriente i _s de estator 14, la corriente de salida del convertidor 16, i _sh . En la figura 2 se ilustra el principio de control que permite gobernar la tensión aplicada, V _S) al estator 14 del generador 11 y la potencia reactiva, Q _g , inyectada a la red de distribución eléctrica 22.

[0036] Supóngase, por el momento, que la tensión V _g de red 22 es constante, en valor eficaz y frecuencia. Para unas condiciones particulares de operación del generador 11, se aplica una determinada tensión, V _{ , de tal forma que resulta una tensión 14 del estator, V _s . Para un nivel de carga dado y para una tensión aplicada al estator 14, V _s , la corriente del estator, i _s , está determinada. Mediante el control de la corriente de salida del convertidor 16, i _sh , que estará en fase con la tensión del estator 14, V _s , se obtiene la corriente total i _g , inyectada a la red de distribución 22. De esta forma se evacúa la potencia activa total suministrada por el generador 11 y se controla la potencia total reactiva intercambiada con la red 22.

[0037] Asimismo, debe observarse que la presente invención puede implementarse en una variedad de computadoras que incluyen microprocesadores, un medio de almacenamiento legible por computadora, que incluye elementos de memoria volátil y no volátil y/o elementos de almacenamiento. La lógica del hardware de computación que coopera con diversos conjuntos de instrucciones se aplica a los datos para realizar las funciones descritas anteriormente y para generar información de salida. Los programas usados por el hardware de computación tomado como ejemplo pueden implementarse preferiblemente en diversos lenguajes de programación, incluyendo un lenguaje de programación de alto nivel orientado a procedimientos u objetos para comunicarse con un sistema de ordenador. Cada programa de ordenador se almacena preferiblemente en un medio o dispositivo de almacenamiento, por ejemplo, ROM o disco magnético que es legible por un ordenador programable de uso general o especial para configurar y operar el ordenador cuando el medio o dispositivo de almacenamiento es leído por el ordenador con el fin de ejecutar los procedimientos antes descritos. Asimismo, puede considerarse que el primer y segundo controlador sean implementados como un medio de almacenamiento legible por ordenador, configurado con un programa de ordenador, en donde el medio de almacenamiento así configurado hace que un ordenador funcione de una manera específica y predefinida.

[0038] Los dos microprocesadores del primer y segundo controlador pueden estar comunicados o estar encapsulados en un solo componente.

[0039] Las realizaciones y ejemplos establecidos en esta memoria se presentan como la mejor explicación de la presente invención y su aplicación práctica y para permitir de ese modo que los expertos en la técnica utilicen la invención. No obstante, los expertos en la técnica reconocerán que la descripción y los ejemplos

anteriores han sido presentados con el propósito de ilustrar solamente un ejemplo. La descripción, como se expone, no está destinada a ser exhaustiva o a limitar la invención a la forma precisa descrita. Muchas modificaciones y variaciones son posibles a la luz de la enseñanza anterior sin salirse del espíritu y alcance de las reivindicaciones siguientes.