GENERADOR ASINCRONO DE DOBLE ALIMENTACIóN

OBJETO DE LA INVENCIóN

[0001] La presente invención se refiere, en general, a un generador asincrono, o de inducción, de doble alimentación 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] Actualmente, los generadores conectados a turbinas eólicas de velocidad variable son utilizados en la producción de energía eléctrica que llega a los consumidores finales a través de la red de distribución de energía eléctrica trifásica.

[0003] Un generador conectado a una turbina de velocidad variable para generar y suministrar energía eléctrica a la red de distribución de energía eléctrica trifásica es descrito en el documento de Patente de los EE.UU. 6,137,187, Mikhail et al., donde el estator del generador está conectado directamente a la red de distribución de energía eléctrica y el rotor del mismo está conectado, a su vez, a la misma red de distribución a través de un primer convertidor de corriente alterna/corriente continua conectado, a su vez, en cascada a un segundo convertidor de corriente continua/corriente alterna cuya salida está conectada a la red de distribución de energía alterna trifásica. Ambos primer y segundo convertidores son dos inversores respectivamente.

[0004] El sistema descrito en el referido documento US6,137,187 también comprende un controlador del par electromagnético y un controlador del ángulo de paso de las palas. El controlador del par electromagnético utiliza una solución de control de la orientación del campo eléctrico. El controlador del ángulo de paso de las palas ejecuta una regulación basándose en la velocidad del rotor del generador, siendo independiente del controlador del par electromagnético.

[0005] Sin embargo, el sistema generador asincrono de doble alimentación descrito en la citada patente presenta algunas desventajas derivadas, por ejemplo, de la conexión directa del estator del generador a la red de distribución de energía eléctrica trifásica como son las elevadas pérdidas en el hierro del generador.

[0006] Asimismo, la citada conexión eléctrica directa no garantiza la continuidad de la conexión del generador asincrono de doble alimentación a la red de

distribución cuando hay en ella variaciones significativas de tensión como consecuencia de: conexiones o desconexiones de cargas eléctricas, cortocircuitos tanto equilibrados como desequilibrados durante un cierto periodo de tiempo o contingencias similares. [0007] Por otro lado, cuando el generador asincrono de doble alimentación está conectado a una turbina eólica, el sistema así formado no se puede conectar a la red de distribución eléctrica cuando la velocidad del viento es reducida.

[0008] El generador asincrono de doble alimentación presenta un control ineficaz de la potencia reactiva en condiciones de reducida potencia activa inyectada en la red de distribución trifásica.

[0009] Por tanto, se hace necesario desarrollar un generador conecíable a una turbina para generar y suministrar energía eléctrica a una red de distribución de energía eléctrica que sea capaz de recuperar energía rotórica de una máquina asincrona, o de inducción, mediante una conexión serie con una red de distribución de energía eléctrica y que evite los problemas anteriormente descritos.

CARACTERIZACIóN DE LA INVENCIóN

[0010] 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 de velocidad variable, como es reivindicado en la reivindicación 1. Realizaciones de la invención son establecidas en las reivindicaciones dependientes.

[0011] Un objeto de la invención es que el estator del generador este conectado en serie a una red de distribución de energía eléctrica a través de un primer devanado de un transformador. La tensión aplicada a este devanado se controla a través de un convertidor electrónico y como consecuencia se controla el nivel de tensión del estator del generador, esto hace que sea posible aumentar el rendimiento global del generador eléctrico ya que se disminuyen las pérdidas en el hierro cuando la tensión aplicada al estator del girador es reducida. [0012] Otro objeto de la invención es que el rotor del generador asincrono de doble alimentación se conecte a la misma red de distribución a través de un primer convertidor de energía eléctrica conectado por un enlace de corriente continua a un segundo convertidor de energía eléctrica, el cuál, a su vez está conectado a un segundo devanado del transformador serie, de manera que la línea

de alimentación así formada permite un flujo de energía eléctrica bidireccional entre el rotor del generador y la red de distribución de energía eléctrica.

[0013] Aún 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 aportando potencia reactiva y reduciendo el consumo de potencia activa.

[0014] 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.

[0015] Aún 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. [0016] Otro objeto de la invención es que el generador acoplado a una turbina eólica sea capaz de conectarse a la red de distribución cuando existe una velocidad del viento reducida. En estas condiciones, la velocidad de giro del generador sería prácticamente nula y la tensión del estator sería reducida. Consecuentemente, se podrían aprovechar emplazamientos con bajo recurso eólico que actualmente están descartados por que no existen sistemas capaces de optimizar el rendimiento del aerogenerador en estas condiciones de funcionamiento.

BREVE ENUNCIADO DE LAS FIGURAS

[0017] Una explicación más detallada de la invención se da en la siguiente descripción basada en las figuras adjuntas en las que:

[0018] la figura 1 muestra un diagrama de bloques de un aerogenerador de acuerdo a la invención, y

[0019] la figura 2 muestra en un diagrama vectorial de las corrientes y tensiones asociados con el funcionamiento del generador de acuerdo a la invención. DESCRIPCIóN DE LA INVENCIóN

[0020] A continuación, con referencia a la figura 1, se ilustra un diagrama de bloques de un generador asincrono, o de inducción, de doble alimentación junto con los medios de control necesarios para su correcto funcionamiento.

[0021] El generador 11 asincrono de doble alimentación es conectable a una turbina 12, tal como una turbina eólica de velocidad variable, de manera que dicha turbina se acopla al rotor 13 que gira dentro de un estator 14 del generador 11. [0022] 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.

[0023] El rotor 13 está conectado a una entrada de un primer 16 convertidor de energía eléctrica 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.

[0024] En el enlace de continua hay conectado un condensador 19 que almacena energía eléctrica de acuerdo a la potencia activa intercambiada entre el primer 16 y el segundo 17 convertidor.

[0025] Asimismo en el enlace de corriente continua hay conectada una resistencia 24 controlada por un interruptor 25 para garantizar que los niveles de tensión máximos del enlace de continua no se sobrepasan en los diferentes modos de funcionamiento.

[0026] Se ha de observar que el primer 16 convertidor de energía eléctrica transforma una corriente alterna de frecuencia variable generada en el rotor 13 del generador en corriente continua, y posteriormente, el segundo 17 convertidor transforma, a su vez, a corriente alterna de frecuencia constante, la corriente continua proveniente del enlace de continua. De esta forma se transfiere una fracción de la potencia total inyectada por el generador 11 entre el rotor 13 del generador y la red de distribución 22.

[0027] En otro modo de funcionamiento del generador 11, la red 22 de distribución puede suministrar energía eléctrica al generador l i a través del segundo 17 y primer 16 convertidor de energía eléctrica. Consecuentemente, por la línea de conexión entre el rotor 13 y la red 22 de distribución puede fluir energía eléctrica en modo bidireccional.

[0028] La salida de energía eléctrica total del generador 11 se combina en el transformador 15.

[0θ29] 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.

[0030] 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 del rotor i _r , una señal proporcional a la corriente del estator i _s , una señal proporcional a la tensión del estator V _s , una señal proporcional a la tensión de la red de distribución eléctrica, V _g , y una señal proporcional al ángulo de posición del rotor, θ _r , para controlar la potencia activa, P _g , y reactiva, Q _g , total inyectada a la red 22 de distribución.

[0031] El primer 20 controlador comprende un primer micropocesador que almacena un algoritmo de control tal como control vectorial, control directo o similar, con el que regula la corriente del estator 14 de manera que gobierna la potencia activa y reactiva inyectadas a la red 22 de distribución eléctrica, así como el par electromagnético del generador 11 y la potencia reactiva entregada por el estator 14 del generador a la red 22.

[0032] 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 o apagado.

[0033] 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 _c , una señal proporcional a la tensión del bus de continua, V _dC , una señal proporcional a la tensión de red 22 de distribución, V _g , una señal proporcional a la corriente del estator 14, i _S; y una señal proporcional a la tensión de la corriente del estator 14, V _s .

[0034] El segundo 21 controlador almacena un algoritmo con el que regula la tensión aplicada al condensador 19 del bus de continua siguiendo una estrategia de control que marca su valor de referencia V* _dc .

[0035] Asimismo, el segundo 21 controlador incluye un segundo microprocesador que almacena un algoritmo con el que regula el módulo de la tensión resultante, o aplicada al estator 14 del generador siguiendo una estrategia de control que marca su valor de referencia |V* _S |.

[0036] Consecuentemente, ambos primer 20 y segundo 21 controlador gobiernan el primer 16 y segundo 17 convertidor, respectivamente, de manera que controlan el proceso de: la tensión resultante y/o aplicada en el estator 14 del generador, la conversión de la potencia total generada por el rotor 13 y el estator 14 del generador 11.

[0037] La manera de gobernar la tensión resultante y/o aplicada al estator 14 se basa en el control de la tensión inyectada desde el segundo 17 convertidor a la red 22 de distribución eléctrica a través del transformador 15.

[0038] El primer 20 controlador es el encargado de regular el par electromagnético y la potencia reactiva intercambiada por el estator 14 con la red 22 de distribución y/o la potencia eléctrica activa y reactiva total inyectada a la misma red 22.

[0039] El segundo 21 controlador es el encargado de regular la tensión de continua V _dc en el condensador 19, a un valor de referencia constante V* _dc , de manera que la transferencia de potencia por el rotor a la red 22 de distribución sea instantánea.

[0040] Además, el segundo 21 controlador es el encargado de regular la tensión aplicada y/o resultante aplicada al estator 14 del generador, |V* _S |, ya que la tensión, V¡, del segundo 17 convertidor se suma vectorialmente a la tensión, V _g ,de la red 22 de distribución.

[0041] 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, V _is inducida en el primer devanado 15- 1 del transformador 15 como consecuencia del control efectuado sobre el segundo 17 convertidor, y corriente i _s de estator 14, se ilustra el principio de control que permite regular la potencia del rotor inyectada en la red 22 de distribución y la tensión aplicada al estator 14 del generador 11.

[0042] 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, relativas a potencia activa y reactiva inyectadas en la red 22, la corriente del generador 11, i _s , estará determinada, en magnitud y ángulo respecto a la tensión de red 22, V _g .

[0043] La proyección i _s sobre V _g , i _sd , determina el valor de la potencia activa inyectada en la red 22, y la componente transversal, i _sq , el valor de la potencia

reactiva. Por otro lado, la recuperación de la potencia rotórica requiere la generación de una tensión Vi ₁ inducida en el primer devanado 15-1 del transformador 15 en fase con la corriente del estator, V _id , siendo la tensión aplicada al estator 14 del generador 11, V _Sj la suma de la tensión V _g de red 22 más la tensión V¡. De esta forma se obtendría una tensión variable, V _s en función del valor de la tensión Vj ₁ inducida en el primer devanado 15-1 del transformador 15 requerida para la recuperación de la potencia rotórica.

[0044] La forma de regular el módulo la tensión V _s aplicada al estator 14 del generador 11, |V _s j, consiste en aplicar una tensión V _iq en cuadratura con la anterior V¡ _d de forma que el módulo de la tensión V ₈ resultante se mantenga constante, independientemente del punto de operación del generador 11.

[0045] Se ha de observar que la aplicación de esta tensión V _iq en cuadratura con la corriente del generador 11, i _s , no afecta al valor de la potencia activa inyectada por el segundo 17 convertidor en la red 22, lo que permite un control desacoplado de dicha potencia, que en todo momento ha de ser igual a la potencia del rotor 13, y de la tensión aplicada al estator 14.

[0046] 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.

[0047] 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.