ES2265771B1 - Metodo para mantener operativos los componentes de una turbina eolica y una turbina eolica con componentes que permitan el mantenimiento operativo. - Google Patents
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Abstract
Turbina eólica (1) conectada a una red de suministro eléctrico (23) que utiliza un generador de imanes (6) como único elemento generador de energía eléctrica tanto en su normal funcionamiento como durante periodos de desconexión de la red de suministro eléctrico. Siendo dicha turbina capaz de realizar las acciones de mantener operativos los sistemas de la turbina eólica, seguir generando energía eléctrica, y ajustar una cantidad de la energía eléctrica producida al consumo energético, durante los periodos de desconexión de la red de suministro eléctrico.
Description
Método para mantener operativos los componentes
de una turbina eólica y una turbina eólica con componentes que
permitan el mantenimiento operativo.
Esta invención se refiere al campo de la
generación de energía eléctrica de una turbina eólica conectada a
una red de suministro eléctrico y específicamente a los generadores
de energía eólica capaces de mantener operativos los sistemas de la
turbina eólica tras una interrupción de la red de suministro
eléctrico.
Un primer aspecto de las turbinas eólicas se
refiere al requisito de poder frenar las palas del rotor en caso de
producirse una emergencia, por ejemplo una interrupción en la red
de suministro eléctrico. Por ello las turbinas eólicas suelen estar
equipadas con sistemas de frenado aerodinámicos. El sistema de
frenado aerodinámico funciona rotando las palas del rotor,
normalmente colocándolas en posición de bandera, de forma que las
palas del rotor no pueden tomar energía del viento consiguiendo así
una desaceleración de la velocidad del rotor. El frenado suele
combinarse también con un sistema de frenado mecánico.
Tras frenar el rotor, la turbina eólica no es
capaz de suministrar energía eléctrica a menos que se utilicen
baterías, condensadores o generadores impulsados por motores
diesel. El propio generador no podrá volver a generar energía
eléctrica hasta que se haya solucionado la interrupción de la red y
se haya restablecido la conexión a la red de suministro eléctrico y
la turbina eólica vuelva a estar operativa. Esto significa que se
detendrán las funciones esenciales de los diversos sistemas de la
turbina eólica, como los sistemas de lubricación, refrigeración,
calefacción, descongelación, etc. o bien que funcionarán sólo
mientras las baterías, condensadores o motores diesel estén
operativos durante el período de interrupción de la red de
suministro eléctrico, dando a entender que la turbina eólica podría
no ser capaz de generar energía eléctrica en el momento de la
recuperación de la interrupción de la red de suministro eléctrico,
si esta interrupción dura un determinado período de tiempo.
Un segundo aspecto de las turbinas eólicas se
refiere al hecho de que la turbina eólica necesita tiempo para que
los componentes críticos vuelvan a estar operativos antes de que
sea posible la nueva conexión a la red de suministro eléctrico. La
duración del período de preparación puede variar de segundos a
horas, o incluso días, según factores como la duración de la
interrupción de la red de suministro eléctrico y la temperatura
exterior, la humedad y el viento. Todos estos factores influyen en
las funciones esenciales de la turbina eólica. Por ejemplo, podría
ser necesario calentar la multiplicadora a una temperatura
operativa, un proceso que puede tardar horas en completarse.
Durante la interrupción de la red de suministro
pueden utilizarse fuentes de alimentación auxiliares para mantener
operativos como mínimo algunos de los componentes críticos de la
turbina eólica durante el período de interrupción y, de esta forma,
lograr que el período de tiempo necesario para restablecer la
conexión no dependa de la duración de la interrupción de la red de
suministro eléctrico, reduciendo de este modo a un mínimo el
período necesario para restablecer la conexión. Sin embargo, el
período de tiempo en el que los componentes críticos pueden
mantenerse operativos suele ser limitado, debido a la capacidad
limitada de almacenamiento de energía de la fuente de alimentación
auxiliar, a no ser que se utilicen fuentes de generación como
generadores impulsados por motores diesel.
Un tercer aspecto de las turbinas eólicas se
refiere al frenado del rotor durante la interrupción de la red de
suministro eléctrico. Según el primer aspecto, es decir el requisito
de poder frenar las palas del rotor en caso de emergencia (como una
interrupción de la red de suministro eléctrico) mediante sistemas
de frenado aerodinámicos, el frenado aerodinámico debe ser muy
rápido para que la velocidad de rotación del rotor no se acelere
hasta tal punto que resulte difícil frenar el rotor o que las cargas
mecánicas sobre el eje principal y los cojinetes sean excesivas.
Por lo tanto, deberán dimensionarse la estabilidad estructural y la
fuerza de las partes vitales de la turbina eólica en relación con
las potentes fuerzas y elevados momentos de giro que puedan surgir
durante el proceso de frenado.
EP 1 128 064 muestra un dispositivo de cambio de
paso eléctrico para una turbina eólica que conste de una unidad de
alimentación de reserva con, como mínimo, un generador de imanes
permanentes auxiliar asignado al eje del rotor. El generador de
imanes permanentes auxiliar proporcionará energía eléctrica a los
motores, que se utilizará para hacer girar las palas del rotor en
posición de bandera en caso de emergencia, por ejemplo durante una
interrupción de la red de suministro eléctrico. Los generadores
estarán conectados a los motores eléctricos mediante un contacto de
forma que, cuando se active el contacto, las palas del rotor se
colocarán en posición de bandera y de esta forma se frenará el
rotor. Además, cuando el rotor deje de girar, la posición angular
de las palas del rotor no cambiará. Por lo tanto, EP 1 128 064
describe un método de frenar con seguridad el rotor de una forma
eficaz, pero no proporciona un método para restablecer la conexión
a la red de suministro eléctrico.
WO 02/44561 describe una turbina eólica que
posee un generador auxiliar para suministrar energía eléctrica a
partir de la energía cinética del eje del rotor. Se incorpora un
dispositivo de conmutación para conmutar entre la conducción de
energía eléctrica desde el generador principal durante el
funcionamiento normal y la conducción de energía eléctrica desde el
generador auxiliar durante una desconexión de la red de suministro
eléctrico. La energía eléctrica suministrada durante la desconexión
de la red de suministro eléctrico se utiliza para colocar las
palas del rotor en posición de bandera y, de este modo, frenar el
rotor y el generador principal. WO 02/44561 describe el frenado del
rotor mediante un generador auxiliar cuando la turbina eólica está
desconectada de la red de suministro eléctrico, pero no proporciona
un método para restablecer rápidamente la conexión a la red de
suministro eléctrico.
DK 174 411, publicado en inglés, describe un
método para controlar el ángulo de paso de las palas mientras la red
de suministro eléctrico está desconectada. Se establece un control
que garantiza una velocidad de giro del rotor y del generador dentro
del abanico habitual de velocidades (también durante la desconexión
de la red de suministro eléctrico) y en el que la velocidad de giro
del rotor y del generador ya se encuentra en el rango normal de
velocidades cuando la turbina eólica vuelve a conectarse a la red
de suministro eléctrico. De esta forma es posible conseguir
restablecer rápidamente la conexión. Sin embargo, DK 174 411 no
menciona ningún método para los sistemas operativos de la turbina
eólica, como el sistema de control de paso de la pala, durante la
desconexión de la red de suministro eléctrico.
US 5,907,192 describe una turbina eólica en la
que la energía de rotación presente en el rotor y el eje del rotor
se utiliza para generar energía para el sistema de control de paso
durante el frenado de emergencia posterior a la desconexión de la
turbina eólica de la red de suministro eléctrico. US 5,907,192
describe el frenado del rotor utilizando la energía cinética
presente en las partes en rotación de la turbina eólica cuando ésta
se desconecta de la red de suministro eléctrico, pero no
proporciona un método para restablecer rápidamente la conexión a la
red de suministro eléctrico.
Un objetivo de esta invención puede ser
facilitar un método para conseguir que el período de tiempo
necesario para restablecer la conexión de una turbina eólica a una
red de suministro eléctrico sea independiente de la duración de la
interrupción de la red y, de este modo, minimizar el período de
tiempo necesario para restablecer la conexión después de la
interrupción de la red de suministro eléctrico. También puede ser
objeto de esta invención proporcionar una turbina eólica que,
después del frenado (es decir durante la desconexión de la red de
suministro eléctrico), no sufra ni agrave ningún daño mecánico o
térmico durante la interrupción. Finalmente, otro objetivo de esta
invención es facilitar una turbina eólica que durante un frenado
producido como consecuencia de una desconexión de la red de
suministro eléctrico no sufra ni agrave ningún daño mecánico o
térmico durante la interrupción de la red.
Uno o varios de los objetivos de la invención
pueden alcanzarse mediante un primer aspecto de la invención que
se refiere a la aplicación de un método para mantener operativo
como mínimo un componente crítico de una turbina eólica, en la que
como mínimo uno de los componentes críticos mencionados comprende
un consumo de energía eléctrica y en la que la turbina eólica
mencionada está conectada a la red de suministro eléctrico y
comprende como mínimo un control del paso de la pala del rotor.
Dicho método implica:
- -
- mantener operativo el mencionado componente crítico durante un período de tiempo durante el cual la turbina eólica está desconectada de la red de suministro eléctrico,
- -
- utilizar un generador de imanes como único elemento generador de energía eléctrica durante los períodos de tiempo en los que la turbina eólica está conectada a la red de suministro eléctrico, así como durante los períodos de tiempo en los que la turbina eólica está desconectada de dicha red,
- -
- seguir generando energía eléctrica del viento durante una desconexión de la red de suministro eléctrico,
- -
- ajustar una cantidad de la energía eléctrica producida para mantener la energía eléctrica producida en equilibrio con un consumo energético estocástico requerido, dependiente del tiempo, de como mínimo una carga que es consumidora de energía eléctrica de la turbina eólica.
Según un segundo aspecto de la invención, dicho
método incluye la utilización del generador de imanes como el
único elemento generador de energía eléctrica cuando la turbina
eólica vuelva a conectarse a la red de suministro eléctrico, con lo
cual el generador de imanes se utilizaría para generar energía
activa y energía reactiva. Cuando se conecta un generador a la red
de suministro eléctrico, ya sea inicialmente o tras una desconexión
de la red, es necesario proporcionar energía eléctrica reactiva si
se utilizan generadores asíncronos. Ésta deberá aplicarse desde la
red de suministro eléctrico y, si uno o varios generadores de
imanes se conectan a la red de suministro eléctrico, estos
generadores pueden ayudar a suministrar la energía reactiva para
otros generadores como los generadores asíncronos que están también
conectados a la red de suministro eléctrico.
Según el tercer aspecto de la invención, dicho
método incluye un posicionamiento de como mínimo un control del
paso de la pala del rotor ajustado mediante un motor de paso con
accionamiento eléctrico con un consumo de energía eléctrica
estocástico, dependiente del tiempo, en equilibrio con la energía
eléctrica generada. Utilizando un generador de imanes de la turbina
eólica que activa un actuador del paso de la pala para posicionar
al menos una pala con regulación de paso podrá definir el paso de
la pala de una forma controlada, pues dispondrá de energía
eléctrica para un período prolongado de tiempo tras la desconexión
de la red de suministro eléctrico. El paso de pala controlado, en
comparación con el paso de pala de emergencia, reduce las fuerzas y
momentos de giro que se aplican a los diversos componentes de la
turbina eólica.
Para el paso de pala controlado pueden
utilizarse diversos parámetros. De esta forma el ángulo de paso se
ajusta en relación con como mínimo uno de los parámetros
seleccionados de un grupo que incluye la velocidad del viento, la
velocidad de giro del eje del rotor, el momento de giro del rotor,
la velocidad de giro del generador y el consumo de energía
eléctrica. El parámetro utilizado al definir el paso de pala depende
de la integridad estructural de la turbina eólica en cuestión y de
las condiciones medioambientales, como el tiempo del lugar en el
que se encuentra la turbina eólica.
Un tipo preferente de generador de imanes es un
generador de imanes permanentes con la capacidad de generar energía
independientemente del suministro externo de energía eléctrica.
Otros tipos de generadores de imán que también podrían utilizarse
son aquellos que incluyen imanes magnetizados mientras la turbina
eólica está conectada a la red de suministro eléctrico, los
generadores que incluyen imanes creados a partir de bobinas
superconductoras y los generadores con imanes integrados
estructuralmente con un generador de inducción síncrono o
asíncrono.
En lo que se refiere a esta invención,
"operativo" significa que todos los componentes críticos de la
turbina eólica están en un estado tal que la turbina eólica es
capaz de generar energía eléctrica en el mismo momento en el que se
restablece la conexión de la red de suministro eléctrico.
Los componentes críticos de la turbina eólica
constan de como mínimo un componente de la siguiente lista no
exhaustiva: sistema de orientación, sistema del paso de la pala,
sistema de lubricación, sistema de refrigeración y sistema de
calefacción. Mantener operativos los componentes críticos se
refiere a mantener operativos o activos los componentes críticos
para evitar problemas de adherencia, congelación, calentamiento,
enfriamiento y humedad. La activación puede incluir la rotación,
desplazamiento mecánico, etc. de un componente crítico, o puede
incluir el calentamiento, enfriamiento, descongelación o
deshumidificación de un componente crítico.
Una ventaja de la presente invención es que la
turbina eólica puede generar energía eléctrica durante una avería
en la red eléctrica o durante un apagón en la red de suministro
eléctrico. La energía eléctrica generada puede utilizarse para
abastecer a los consumidores de energía eléctrica de la turbina
eólica e incluso puede utilizarse para abastecer a los consumidores
conectados a una red de suministro eléctrico local, como los
consumidores de una isla u otros consumidores dentro de una sección
limitada de la red global. Además, la turbina eólica puede
utilizarse como fuente de energía para los parques eólicos de zonas
desérticas o remotas y, de esta forma, prescindir de los
generadores impulsados por motores diesel durante la interrupción
de la red de suministro eléctrico.
Además, la capacidad de la invención de generar
energía eléctrica durante una interrupción de la red de suministro
eléctrico puede utilizarse en sustitución de dispositivos
auxiliares de generación de energía, como generadores impulsados
por motores diesel, durante el arranque de otras turbinas eólicas o
centrales eléctricas en una situación de arranque desde cero.
Una ventaja de esta invención es que la turbina
eólica no necesita un tiempo de preparación para poner en
funcionamiento los componentes críticos antes de restablecer la
conexión a la red de suministro eléctrico. De este modo se evitan
inconvenientes como la pérdida de producción de energía y la
reducción de la energía utilizable. Otra ventaja radica en el hecho
de que no se necesita ninguna fuente de energía adicional aparte del
generador de imanes para mantener operativos componentes críticos
y para ayudar en el restablecimiento de la conexión a la red de
suministro eléctrico.
Una ventaja adicional es que la turbina eólica
puede mantenerse operativa durante todo el período de interrupción
de la red de suministro eléctrico, aunque sea prolongado, siempre
que la velocidad del viento esté por encima de 0,5 metros por
segundo. También es positivo que se eviten los daños mecánicos y
térmicos durante la interrupción de la red de suministro eléctrico.
Además, pueden relajarse los requisitos de resistencia de los
componentes expuestos, como las palas del rotor y la torre, en
comparación con las anteriores turbinas eólicas, pues es posible
utilizar el sistema de orientación incluso durante interrupciones
de la red de suministro eléctrico.
En una realización ideal de la invención, se
ajustará como mínimo un control del paso de la pala del rotor de
forma que la cantidad especificada de energía eléctrica generada
esté en equilibrio con el mencionado consumo de energía eléctrica
estocástico, dependiente del tiempo. El control del paso de la pala
del rotor incluirá el motor para posicionar la pala del rotor y,
por lo tanto, el control del paso de la pala del rotor se convierte
en un componente crítico y en un consumidor de energía eléctrica.
Una ventaja de esta realización radica en el hecho de que la
energía eléctrica generada puede ajustarse según el consumo actual
de energía eléctrica y que es posible controlar la velocidad de
giro del rotor para mantener la velocidad de rotación dentro de un
intervalo predeterminado.
Si se mantiene la velocidad de giro del rotor
dentro de un intervalo predeterminado, se evitan los daños
mecánicos y térmicos durante una interrupción de la red de
suministro eléctrico. Además, otra ventaja es que pueden relajarse
los requisitos de resistencia de los componentes expuestos, como
las palas del rotor y la torre, en comparación con las anteriores
turbinas eólicas, pues es posible utilizar el sistema de
orientación incluso durante la interrupción de la red de suministro
eléctrico.
En una realización ideal de la invención, el
ángulo de paso se ajustaría en función de la velocidad del viento.
Resulta ventajoso tener en cuenta la velocidad del viento en la
determinación de un cambio en el ángulo de paso, pues ello permite
una predicción más precisa de la velocidad resultante del rotor y,
por lo tanto, de la producción de energía eléctrica.
En otra posible realización de la invención, el
ángulo de paso se ajusta alternativamente o adicionalmente en
función de otros parámetros seleccionados de un grupo en el que se
incluyen: la velocidad del rotor, el momento de giro del rotor, la
tensión del estator y el consumo de energía eléctrica. Resulta
interesante saber que pueden utilizarse parámetros distintos a la
velocidad del viento alternativamente o adicionalmente a la
medición de la velocidad del viento cuando se determina un cambio
en el ángulo de paso. De ahí que pueda evitarse el uso de
dispositivos como anemómetros para la medición de la velocidad del
viento pues estos parámetros alternativos mensurables pueden
proporcionar formas de obtener redundancia en el bucle de control
del ángulo de paso.
En una realización ideal de la invención, la
energía eléctrica generada se mantiene en equilibrio con la energía
eléctrica consumida midiendo la frecuencia de tensión de señal
producida por el generador y utilizando esta medición para ajustar
el paso de la pala. Resulta beneficioso que el método para mantener
la energía eléctrica generada en equilibrio con la energía
eléctrica consumida esté basado en la medición de la frecuencia de
la tensión de señal producida por el generador, pues se trata de un
método sencillo y fiable.
En otra posible realización de la invención, la
energía eléctrica generada se mantiene en equilibrio con la energía
eléctrica consumida midiendo alternativa o adicionalmente, como
mínimo, un parámetro seleccionado de un grupo que consta de: la
energía eléctrica consumida, la velocidad de giro del eje del rotor
y el momento de giro del rotor, y utilizando esta medición para
ajustar el ángulo de paso. Resulta útil poder utilizar parámetros
distintos a la frecuencia de la tensión producida por el generador
y podría utilizarse como alternativa a o de forma adicional a la
frecuencia, pues los parámetros alternativos mensurables
proporcionan medios para conseguir redundancia en el bucle de
control del ángulo de paso.
En otra realización de la invención, la energía
eléctrica generada se mantiene en equilibrio con la energía
eléctrica consumida midiendo alternativa o adicionalmente la
energía transferida a la red de suministro eléctrico de forma que la
energía indicada permanezca aproximadamente igual a cero. En esta
realización, la medición de la energía se utiliza para ajustar el
ángulo de paso y/o los parámetros del controlador. Utilizando este
método es posible controlar la energía eléctrica generada por la
turbina eólica de forma que no se transfiera energía a la red de
suministro eléctrico incluso sin desconectar la turbina eólica de
la red de suministro eléctrico.
Una posible realización de la invención utiliza
un convertidor eléctrico para ajustar la frecuencia de la señal de
la tensión eléctrica generada por el generador de imanes. De esta
forma es posible mantener la frecuencia de la señal de la tensión
de salida del convertidor eléctrico en un número constante
independiente de la frecuencia de la señal de la tensión del
generador e independiente de la velocidad de giro del rotor.
Una realización ideal de la invención incluye un
convertidor eléctrico para ajustar la tensión de pico de la señal de
la tensión generada por el generador de imanes permanentes. De esta
forma, la tensión de pico de la señal de la tensión de salida del
convertidor eléctrico puede mantenerse a un nivel constante
independiente de la tensión de pico de la señal de la tensión
procedente del generador e independientemente de la velocidad de
giro del rotor.
Una posible realización de la invención
incluiría una forma de filtrar la señal de la tensión eléctrica
generada por el generador de imanes para la reducción de armónicos
en la señal de la tensión.
Una posible realización de la invención incluye
formas de transformar señal de la tensión eléctrica producida por
el generador de imanes para conseguir la separación galvánica y la
adaptación de la tensión de la mencionada señal de la tensión.
En una realización de la invención, se mantiene
operativo durante una interrupción de la red de suministro
eléctrico como mínimo uno de los siguientes componentes críticos:
sistema de orientación, sistema del paso de la pala, sistema de
lubricación, sistema de refrigeración, sistema de calefacción y
cojinetes del sistema de orientación, de las palas o de la
multiplicadora. La ventaja es que la turbina eólica no requiere
ningún tiempo de preparación para que los componentes críticos
vuelvan a estar operativos antes de restablecer la conexión a la
red de suministro eléctrico. De este modo se evitan inconvenientes
como la pérdida de producción de energía y la reducción de la
energía utilizable.
En una posible realización de la invención, se
disiparía la energía durante la transición de un estado de
generación de energía a otro estado de generación de energía. El
resultado es que durante el intervalo de tiempo entre el momento en
que se produce la interrupción de la red de suministro eléctrico y
el momento en que se establece un equilibrio entre producción de
energía eléctrica y consumo energético, se disipará una cantidad de
energía residual. Por lo tanto, la turbina eólica puede pasar de un
estado de producción de energía eléctrica a otro estado de
producción de energía eléctrica sin riesgos de daños eléctricos y
mecánicos.
En una posible realización de la invención, la
velocidad del viento se estimaría a partir de mediciones de como
mínimo un parámetro seleccionado de un grupo que incluye la energía
eléctrica producida, la velocidad de giro del eje del rotor y el
momento de giro del rotor, evitando de este modo el uso de medios
de medición de la velocidad del viento como anemómetros.
En otra posible realización de la invención, se
conecta un consumo en espera sólo operativo durante los períodos de
tiempo en que la turbina eólica está conectada a la red de
suministro eléctrico para consumir una cantidad de energía
eléctrica constante y superior a cero durante el período de
interrupción de la red de suministro eléctrico. La variación
relativa del consumo de energía eléctrica provocada por los
consumidores de energía eléctrica que se conectan y desconectan de
forma imprevista se reduce, pues la cantidad consumida de energía
eléctrica nunca desciende por debajo de la cantidad constante de
energía consumida por el consumo en espera. La ventaja es que las
variaciones relativas del ángulo de paso también se reducen
correspondientemente.
Uno o varios de los objetivos de la invención se
consigue mediante una turbina eólica diseñada para ser conectada a
una red de suministro eléctrico,
- -
- dicha turbina eólica consta de como mínimo un control del paso de la pala del rotor y un generador de imanes para producir energía eléctrica durante los períodos de tiempo en que la turbina eólica se desconecta de la red de suministro eléctrico y
- -
- dicha turbina eólica se dota con medios que permiten ajustar una cantidad de la energía eléctrica producida de forma que la energía eléctrica producida esté en equilibrio con un consumo estocástico necesario, dependiente del tiempo, de una carga
- -
- de la cual como mínimo una carga es un consumidor de energía eléctrica de la turbina eólica y dicha turbina eólica comprende un elemento generador de energía capaz de producir energía eléctrica durante los períodos de tiempo en que la turbina eólica está desconectada de la red de suministro eléctrico
- -
- siendo dicho elemento generador de energía el mencionado generador de imanes.
Resulta ventajoso poder ajustar la energía
eléctrica producida según el consumo de energía eléctrica del
momento y que pueda controlarse la velocidad de giro del rotor para
mantenerla dentro de un intervalo predeterminado. Cuando se
mantiene la velocidad de giro del rotor dentro de un rango
predeterminado, una ventaja derivada es que se evitan los daños
mecánicos y térmicos durante una interrupción de la red de
suministro eléctrico, en comparación con un estado operativo en el
que la turbina eólica se conecta realmente a la red. Además, otra
ventaja es que pueden relajarse los requisitos de resistencia de
los componentes expuestos, como las palas del rotor y la torre, en
comparación con las anteriores turbinas eólicas, pues es posible
utilizar el sistema de orientación incluso durante la interrupción
de la red de suministro.
Otra ventaja es que la turbina eólica es capaz
de producir energía eléctrica durante una interrupción de la red
de suministro eléctrico. La energía eléctrica generada puede
utilizarse para abastecer a los consumidores de energía eléctrica
de la turbina eólica e incluso puede utilizarse para abastecer a los
consumidores conectados a una red de suministro eléctrico local,
como los consumidores de una isla u otros consumidores dentro de
una sección limitada de la red completa. Además, la capacidad de la
invención de producir energía eléctrica durante una interrupción de
red de suministro eléctrico puede utilizarse en sustitución de
dispositivos auxiliares de generación de energía, como generadores
impulsados por motores diesel, durante el arranque de otras
turbinas eólicas o centrales eléctricas en una situación de
arranque desde
cero.
cero.
En relación con los aspectos positivos
mencionados más arriba, una ventaja del invento actual es que la
turbina eólica no necesita un tiempo de preparación para que los
componentes críticos vuelvan a ser operativos antes de restablecer
la conexión a la red de suministro eléctrico y que se evitan
desventajas como la pérdida de producción de energía y la reducción
de la energía utilizable.
Pueden utilizarse varios tipos de generadores de
imanes, ya sea generadores que incluyan imanes permanentes
magnetizados totalmente de forma preliminar, generadores con imanes
magnetizados durante el período en el que la turbina eólica se
conecta a la red de suministro eléctrico, generadores con imanes
creados a partir de bobinas superconductoras y generadores con
imanes estructuralmente integrados con un generador de inducción
síncrono o asíncrono. Cada tipo de generador tiene ventajas sobre
el resto, por ejemplo ventajas económicas, de eficacia y
fiabilidad. Una ventaja concreta del generador de imanes
permanentes es que la capacidad de producción de energía del
generador de imanes permanentes es independiente de un suministro
externo de energía eléctrica.
Una realización ideal de la invención incluirá
un convertidor estatórico capaz de modificar la frecuencia de la
señal de la tensión generada por el mencionado generador de imanes,
adaptando de este modo las propiedades de frecuencia de la tensión
producida por el generador para satisfacer las propiedades de
frecuencia requeridas por la red de suministro eléctrico en el
momento de restablecimiento de la conexión.
Una realización ideal de la invención incluirá
un convertidor estatórico capaz de modificar la tensión de pico de
la señal de la tensión generada por el mencionado generador de
imanes, adaptando de este modo la tensión de pico de la señal de la
tensión producida por el generador a la tensión de pico de la red
de suministro eléctrico, en el momento de restablecimiento de la
conexión.
La turbina eólica consta preferentemente de,
como mínimo, un actuador impulsado por un motor eléctrico para
ajustar el paso de la pala de forma que sea posible ajustar la
producción de energía eléctrica del generador para satisfacer el
consumo energético de los consumidores de energía eléctrica.
Alternativamente pueden utilizarse motores hidráulicos o neumáticos
para accionar los actuadores del paso de la pala.
Una posible realización de la invención
incluiría un filtro para el filtrado de la señal de la tensión
eléctrica generada por el generador de imanes permanentes. El
resultado de utilizar un filtro es la reducción de la distorsión de
armónicos de la tensión de salida procedente del filtro.
Una posible realización de la invención
incluiría un transformador para la separación galvánica y la
adaptación de la tensión de pico. En ese caso, en primer lugar el
transformador adapta la tensión de pico de la señal producida por
el generador a la tensión de pico de la red de suministro
eléctrico. En segundo lugar, el transformador proporciona una
separación galvánica entre el generador y la red de suministro
eléctrico.
Puede ser que la turbina eólica incluya sólo un
sistema operativo seleccionado de un grupo que incluye: el sistema
de calefacción, el sistema de refrigeración, el sistema de
lubricación, el sistema de deshumidificación y el sistema de
descongelación, siendo el objetivo del mencionado sistema operativo
el mantenimiento en funcionamiento de los llamados componentes
críticos. Por ejemplo, puede ser necesario refrigerar algunos
componentes como los componentes electrónicos que de lo contrario
se calentarían excesivamente durante el funcionamiento y podría
ser necesario calentar componentes como las cajas de engranajes
para minimizar el desgaste. Por otra parte, los componentes
mecánicos como las cajas de engranajes necesitan lubricación para
evitar fallos y minimizar el desgaste. En condiciones temporales
adversas, podría ser necesario utilizar sistemas para la
deshumidificación y la descongelación de componentes críticos como
componentes electrónicos o las palas del rotor,
respectivamente.
Una realización posible de la invención incluye
como mínimo un interruptor CC. El interruptor CC es capaz de
disipar energía residual durante el intervalo de tiempo entre el
momento en que se produce la interrupción de la red de suministro
eléctrico, cuando el generador de imanes produce una gran cantidad
de energía eléctrica y el momento en que se establece un equilibrio
entre una producción de energía eléctrica reducida y el consumo
energético reducido, facilitando un modo de cambiar el estado de la
turbina eólica de un estado de producción de energía eléctrica a
otro estado de producción de energía eléctrica sin peligro de que
se produzcan daños eléctricos y mecánicos.
Una realización ideal de la invención incluye
formas de estimar la velocidad del viento. Estas se seleccionan a
partir de un grupo de medios de medición de la velocidad del
viento, como anemómetros, medios para medir la velocidad de giro del
eje del rotor, como tacómetros, medios para medir el momento de
giro del rotor, como extensímetros y medios de medición de la
energía como medidores de potencia. Los anemómetros proporcionan
mediciones directas y fiables de la velocidad del viento. Sin
embargo, la velocidad del viento puede estimarse alternativa o
adicionalmente a partir de otras mediciones como la velocidad de
giro del eje del rotor para proporcionar redundancia en el sistema
de medición del viento.
Estos y otros aspectos de la invención se
describirán de una forma más detallada con ayuda de los dibujos y
realizaciones que se describen a continuación.
A continuación se describirá la invención en
relación con los dibujos.
La Figura 1 ilustra esquemáticamente las
interconexiones de los componentes de una turbina eólica y la
conexión de la turbina eólica a una red de suministro
eléctrico.
La Figura 2 muestra un diagrama del cambio de
valor de ángulo de paso en función del tiempo cuando se produce una
interrupción de la red de suministro eléctrico.
La Figura 3 muestra los cambios de estado de una
turbina eólica en relación con la interrupción de la red de
suministro eléctrico.
La Figura 1 muestra una turbina eólica conectada
a una red de suministro eléctrico 23 mediante un interruptor 22. La
turbina eólica 1 incluye un rotor 2 que tiene como mínimo una pala
del rotor 3, una multiplicadora 4 y un eje del rotor 5 que impulsa
un generador de imanes permanentes 6. El generador de imanes
permanentes 6 produce energía eléctrica que se transfiere a un
convertidor 7. El convertidor 7 convierte la tensión de pico, la
frecuencia y la fase de la señal eléctrica antes de transferirla a
un transformador 8 y a un filtro 9 a través de un interruptor
10.
Hay que distinguir entre dos estados operativos
de la turbina eólica: un primer estado operativo es la situación
normal en que la red de suministro eléctrico no está expuesta a
interrupciones; la turbina eólica está conectada a la red de
suministro eléctrico y la turbina eólica se encuentra en una
situación normal de producción de energía eléctrica. Un segundo
estado operativo es aquel en el que la red de suministro eléctrico
está expuesta a una interrupción; la turbina eólica se desconecta
de la red de suministro eléctrico y la turbina eólica se encuentra
en una situación de producción de energía eléctrica reducida. En
el segundo estado operativo, la turbina eólica produce energía
eléctrica sólo para sus propios consumos de energía eléctrica y
posiblemente también para otras turbinas y quizás para consumos
externos no críticos.
En la situación de producción normal de energía
eléctrica, el transformador 8 transforma la señal de la tensión
eléctrica para ajustarla a la tensión de pico de la red de
suministro eléctrico y el filtro 9 elimina la distorsión de
armónicos de la señal eléctrica. Si el interruptor 10 y el
interruptor 22 están cerrados se establece una conexión con la red
de suministro eléctrico, mientras que si se produce una
interrupción de la red de suministro la turbina eólica se
desconecta de la red abriendo el interruptor 10, interruptor 22 o
ambos. Cerrando el interruptor 10 y abriendo el interruptor 22, la
turbina eólica podrá abastecer energía eléctrica a consumos
críticos externos 24 y consumos externos no críticos 25 mientras la
red de suministro restante 23 esté desconectada.
Tanto el grupo de consumo externo crítico 24,
como el grupo de consumo externo no crítico 25 pueden incluir
interruptores para la desconexión o conexión de cualquiera de
ellos, o de ambos, al transformador 8. El grupo de consumo externo
crítico 24 puede incluir consumos que dependan de Sistemas de
Alimentación Ininterrumpida (SAI) y el grupo de consumo externo no
crítico puede incluir otras turbinas eólicas, los consumos
eléctricos domésticos o los consumos eléctricos de fábricas.
En otra ramificación 11 del circuito eléctrico
de la Figura 1, se transfiere la señal eléctrica del convertidor 7
a un transformador 18 y a un filtro 19. El transformador 18
transformará la tensión de pico según la tensión de pico requerida
por los consumidores de energía eléctrica de la propia turbina,
entre los que se incluye al consumo no crítico 12 de energía
eléctrica y al consumo crítico 13 de energía eléctrica. El filtro
19 es el encargado de eliminar la distorsión de armónicos. El
consumo no crítico 12 y el consumo crítico 13 pueden desconectarse
de la derivación eléctrica 11, independientemente entre sí,
mediante un interruptor 20 y un interruptor 21.
Los consumos de energía eléctrica de la turbina
eólica pueden estar diseñados de forma que el transformador 18 sea
superfluo y pueda omitirse de la realización que se muestra en la
Figura 1. Los filtros 9 y 19 pueden colocarse en otras ubicaciones
distintas a las mostradas en la Figura 1, por ejemplo frente a los
transformadores 8 y 18. Además, los filtros 9 y 10 pueden omitirse
y sustituirse por un único filtro colocado directamente tras el
convertidor 7. Este filtro también podría integrarse con el
convertidor 7.
Un sistema de control 14 de la turbina eólica se
encarga de ajustar el ángulo de paso de las palas del rotor 3 y de
ajustar la velocidad de giro del rotor 2. Este sistema de control es
el responsable de la cantidad de energía eléctrica producida desde
el generador de imanes 6. El sistema de control 14 controla como
mínimo un actuador eléctrico del paso de la pala (no aparece en la
imagen) mediante el control de una señal 15 con el objetivo de
posicionar las palas del rotor 3 hasta conseguir la ubicación
deseada. Un dispositivo de medición de red 16 proporciona al
sistema de control 14 información sobre el consumo energético de la
propia turbina eólica (consumo no crítico 12 y consumo crítico 13),
así como sobre el consumo energético de los consumidores de la red
de suministro eléctrico 23, otras turbinas 24 y posibles consumos
externos no críticos 25. Además, el sistema de control también
obtiene información a través de otra señal de control 17 con datos
sobre la velocidad del viento y la velocidad de giro del eje del
rotor 5. El sistema de control 14 también se encarga del control
del convertidor 7.
El generador de imanes 6 puede ser un generador
de imanes permanentes, un generador síncrono de imanes permanentes
u otro tipo de generador de imanes permanentes. El generador de
imanes 6 puede tener imanes magnetizados durante el llamado primer
estado operativo en el que la red no está expuesta a ninguna
interrupción. Durante el segundo estado operativo en el que la red
de suministro eléctrico está expuesta a una interrupción y la
turbina eólica está desconectada de la red, los imanes magnetizados
permiten producir energía eléctrica. Sin embargo, debido a las
propiedades de los imanes magnetizados, el campo magnético de los
imanes perderá gradualmente fuerza hasta que se restablezca la
conexión a la red de suministro eléctrico tras solucionar la
interrupción. Además, los imanes del generador de imanes pueden
estar fabricados a partir de bobinas superconductoras. En otra
realización, los imanes podrían integrarse con un generador de
inducción síncrono o asíncrono de forma que cuando se desconecte la
turbina eólica de la red y no exista ningún suministro eléctrico
externo disponible para la magnetización de los bobinados del
generador síncrono o asíncrono, los imanes seguirán permitiendo la
producción de energía eléctrica.
Cualquiera de los tipos de generador que se
describen anteriormente se utiliza tanto para la producción de
energía eléctrica durante una situación normal cuando no existe
ninguna interrupción de la red de suministro eléctrico y para la
producción de energía eléctrica durante una interrupción de la
red.
El generador de imanes tiene la capacidad de
producir energía eléctrica sin necesidad de fuentes de energía
auxiliares como requieren los generadores de inducción asíncronos.
Por lo tanto, la turbina eólica podrá producir energía eléctrica
incluso en una situación de interrupción de la red en la que la
turbina eólica se desconecta de suministros energéticos
externos.
El rotor 2, que incluye como mínimo una pala del
rotor 3, transforma la energía eólica en rotaciones del eje del
rotor 5. La velocidad de giro del eje del rotor 5 puede reducirse o
incrementarse con ayuda de una multiplicadora para obtener una
salida de energía máxima del generador de imanes permanentes 6. La
multiplicadora no es necesaria en turbinas eólicas con generadores
de imanes permanentes caracterizados por un número elevado de
polos.
La velocidad de giro de los generadores de
imanes puede variar según la velocidad del viento. En ese caso, la
frecuencia de la tensión de señal del generador variará del modo
correspondiente. Puesto que la frecuencia de la señal de la tensión
de la red de suministro eléctrico es constante, deberá
transformarse la frecuencia variable de la tensión de señal del
generador para satisfacer los requisitos de frecuencia de la red de
suministro eléctrico. Para ello se utiliza un convertidor. El
convertidor rectifica la señal eléctrica del generador de imanes en
una señal CC (señal de corriente continua), que puede filtrarse y
amplificarse. Posteriormente, la señal CC se convierte en una señal
CA (corriente alterna) con la frecuencia requerida, preferentemente
una frecuencia que sea constante e igual a la frecuencia de la
tensión de señal de la red de suministro eléctrico. También puede
colocarse un filtro tras el inversor para reducir la distorsión de
armónicos de la tensión de señal.
Si se produce una interrupción de la red de
suministro eléctrico, el dispositivo de medición de la red 16
detectará la interrupción y, a continuación, el controlador 14
abrirá como mínimo uno de los interruptores 10 y 22 y, de este modo,
desconectará la turbina eólica de la red de suministro eléctrico 23
y posiblemente de las otras turbinas 24 y del consumo no crítico
25. Debido a la capacidad del generador de imanes de producir
energía eléctrica sin ningún suministro eléctrico externo, el
generador podrá seguir produciendo energía mientras la turbina
eólica esté desconectada de la red de suministro. Por lo tanto, la
turbina eólica podrá producir energía eléctrica para sus propios
consumidores de energía (consumo no crítico 12 y consumo crítico
13).
El/los consumo/s críticos 13 de energía
eléctrica incluyen los componentes de la turbina eólica que deben
mantenerse en funcionamiento durante una interrupción de la red de
suministro eléctrico o que es conveniente mantener en funcionamiento
durante una interrupción de la red de suministro eléctrico. Una
lista no exhaustiva de consumos críticos, incluye: como mínimo un
actuador del paso de la pala, un controlador, un convertidor, un
sistema de orientación, un sistema de lubricación, un sistema de
refrigeración, un sistema de calefacción, un sistema de
descongelación y un sistema de deshumidificación. Los consumos no
críticos de energía eléctrica incluyen aquellos componentes de la
turbina eólica que no deben mantenerse operativos durante una
interrupción de la red eléctrica, como ordenadores auxiliares,
instalaciones con un consumo de energía eléctrica limitado y el
equipo de mantenimiento.
El consumo crítico 13 de energía eléctrica de la
turbina eólica forma parte de un grupo de componentes críticos que
también deben mantenerse operativos durante una interrupción de la
red de suministro eléctrico. Además del grupo de consumo crítico,
una lista no exhaustiva de componentes críticos incluye: la
multiplicadora, uno o varios cojinetes, una pala del rotor como
mínimo, un sistema de orientación y un sistema de posicionamiento
de la pala.
Por lo tanto, todos los componentes críticos de
la turbina eólica pueden mantenerse operativos durante un error de
la red de suministro eléctrico. Mantener los componentes críticos
operativos debe entenderse como mantenerlos en funcionamiento u
operativos para evitar problemas de adherencia, heladas,
calentamiento, enfriamiento y humedad. Mantenerlos en
funcionamiento puede implicar el desplazamiento mecánico o rotación
de partes mecánicas (como un sistema de posicionamiento de la pala,
una multiplicadora, un sistema de orientación y los cojinetes)
para evitar problemas tales como la adherencia y las heladas.
Además, mantener en funcionamiento también puede
implicar la acción de calentar o refrigerar, por ejemplo en
condiciones atmosféricas frías calentar un lubricante de la
multiplicadora 4 y calentar los sistemas de lubricación como tal o
en condiciones atmosféricas cálidas, por ejemplo, refrigerar el
lubricante de la multiplicadora 4 y los componentes eléctricos como
el convertidor 7. Mantener en funcionamiento también puede incluir
la acción de calentar, refrigerar, descongelar o deshumidificar los
componentes críticos o toda la góndola para mantener una turbina
eólica en condiciones de temperatura controlada incluso bajo
condiciones atmosféricas severas.
Una ventaja de mantener operativos los
componentes críticos de la turbina eólica durante un fallo de la
red de suministro es que el período de tiempo necesario para
restablecer la conexión de una turbina eólica a una red de
suministro eléctrico tras un fallo de la red será independiente de
la duración de la interrupción de la red de suministro y, por lo
tanto, se minimiza el período de tiempo requerido para restablecer
la conexión. Ello permite restablecer la conexión a la red
rápidamente tras su recuperación. Del mismo modo, la turbina eólica
no requiere un tiempo de preparación para que los componentes
críticos entren en funcionamiento antes de restablecer la conexión
a la red de suministro eléctrico. De este modo se evitan
inconvenientes como la pérdida de producción de energía eléctrica y
la reducción de la energía utilizable de la turbina eólica. Gracias
a las propiedades del generador de imanes no se necesita ninguna
fuente de energía adicional además del generador de imanes para
mantener operativos los componentes críticos. Por lo tanto, la
turbina eólica puede mantenerse operativa incluso durante
interrupciones prolongadas de la red de suministro eléctrico,
siempre que la velocidad del viento se sitúe por encima de los 0,5
metros por segundo.
Al mantener la turbina eólica operativa, también
se consigue evitar el desgaste y los daños ya que los componentes
como los imanes del generador, la multiplicadora y los cojinetes
(por ejemplo los cojinetes de los actuadores del paso de la pala y
de los sistemas de orientación) 10 se mantienen a una temperatura y
humedad ideales.
Además, pueden relajarse los requisitos de
resistencia de los componentes expuestos, como las palas del rotor
y la torre, en comparación con las anteriores turbinas eólicas,
pues existe la posibilidad de utilizar el sistema de orientación,
incluso durante interrupciones de la red de suministro eléctrico. De
esta forma es posible ajustar la posición del rotor de forma ideal,
por ejemplo para que el rotor mire en la dirección del viento.
Otra ventaja es que la energía eléctrica
producida por la turbina eólica además de abastecer a los
consumidores de energía de la propia turbina eólica también puede
abastecer a otras turbinas, como otras turbinas eólicas equipadas
con generadores asíncronos. Los consumos externos no críticos como
los de islas y otros con una sección limitada de la red de
suministro eléctrico completa también pueden ser abastecidos
durante un período de interrupción de la red de suministro
eléctrico. La capacidad de producción de energía eléctrica del
generador de imanes también puede utilizarse para abastecer a los
generadores de una central eléctrica en caso de un arranque desde
cero de una red de suministro eléctrico.
Durante el período de interrupción de la red de
suministro, mientras la turbina eólica se mantiene operativa, la
cantidad de energía eléctrica producida puede ajustarse para
equipararla a la cantidad de energía eléctrica consumida para
controlar la velocidad de giro del rotor.
Si la cantidad producida de energía eléctrica es
superior a la cantidad consumida de energía eléctrica, se
producirá una situación de fuga. De lo contrario, si la cantidad
producida de energía eléctrica es inferior a la cantidad consumida
de energía eléctrica, la velocidad del rotor bajará y puede llegar
a detenerse.
La energía eléctrica consumida varía según el
consumo energético de los consumidores de energía eléctrica (los
consumidores pueden conectarse o desconectarse de forma
imprevista). Por lo tanto, es preciso ajustar la energía eléctrica
producida según el consumo energético estocástico, dependiente del
tiempo, de las cargas de los consumidores de la propia turbina
eólica y de los consumidores externos de energía, como otras
turbinas eólicas y posibles consumos no críticos. La cantidad de
energía eléctrica producida se ajusta aumentando o reduciendo el
ángulo de paso de la pala del rotor 3.
Debido al consumo estocástico, dependiente del
tiempo, de energía, la energía consumida puede cambiar
instantáneamente de cero a un valor máximo. Esta situación plantea
elevadas exigencias sobre el sistema del paso de la pala que debe
ajustar el ángulo de paso según las variaciones de energía
consumida. Sin embargo, utilizando un consumidor ficticio de
energía eléctrica que consume una cantidad de energía constante y
superior a cero durante el período de interrupción de la red de
suministro eléctrico, se reduce la variación relativa del consumo
eléctrico porque la cantidad consumida de energía nunca baja por
debajo de la cantidad constante de energía consumida por el
consumidor ficticio y, por lo tanto, las variaciones relativas del
ángulo de paso son también menores.
El controlador 14 genera una señal del paso de
la pala 15 en forma de tensión de señal eléctrica, utilizada para
impulsar o repercutir sobre el actuador del paso de la pala (no
consta en el diagrama) como un motor eléctrico o actuador
hidráulico, que por su parte aumentará o reducirá el ángulo de paso
\beta de la pala del rotor 3. Si el consumo de energía cae
inesperadamente, ello provocaría una aceleración del rotor 2 y un
aumento de la velocidad de giro del eje del rotor y, como
consecuencia, de la frecuencia de la señal de la tensión generada
por el generador de imanes 6.
Por lo tanto, el controlador 14 puede utilizar
las mediciones de la velocidad de giro del eje del rotor para
determinar la señal del paso de la pala 15, de forma que la cantidad
producida de energía sea igual a la cantidad consumida de energía.
Alternativamente o adicionalmente, pueden realizarse mediciones de
la frecuencia de la tensión de señal del generador en lugar de o
además de medir la velocidad de rotación del eje del rotor y el
controlador 14 puede utilizar estas mediciones para determinar la
señal del paso de la pala 15 de forma que la cantidad producida de
energía sea igual a la cantidad consumida de energía. El
controlador también puede utilizar individualmente o combinadas
otras acciones, como la medición de la velocidad del viento 17, la
medición de la energía eléctrica consumida, la medición del momento
de giro del rotor y la determinación del ángulo de paso real. El
controlador puede utilizar estas acciones alternativa o
adicionalmente para determinar la señal del paso de la pala 15.
Alternativamente, la energía eléctrica producida
puede mantenerse en equilibrio con la energía eléctrica consumida
midiendo alternativa o adicionalmente la energía transferida a la
red de suministro eléctrico, de forma que dicha energía sea
aproximadamente igual a cero. La energía transferida a la red de
suministro eléctrico podría medirse en una posición entre el
interruptor 10 y la red 23. Si la energía medida es distinta a
cero, el ángulo de paso y/o los parámetros del controlador 14, como
la fase entre las señales de corriente y tensión, se ajustan hasta
que la energía activa transferida a la red de suministro eléctrico
es aproximadamente igual a cero.
Utilizando este método es posible controlar la
energía eléctrica generada por la turbina eólica de forma que no se
transfiera energía a la red de suministro eléctrico incluso sin
desconectar la turbina eólica de la red de suministro eléctrico.
Según este método, podrían suprimirse los interruptores 22 y
10.
Durante una situación normal de producción
energética sin interrupciones, el ángulo de paso se ajusta según
otros parámetros que reflejan las condiciones para producir la
mayor cantidad posible de energía eléctrica, los requisitos para
mantener la velocidad de giro del rotor dentro de un intervalo
especificado y/o los requisitos para evitar dañar los componentes
de la turbina eólica.
El sistema de control que consta de un
controlador 14 y del actuador del paso de la pala (no aparece en el
diagrama) descrito anteriormente en relación con el método para
ajustar el ángulo de paso durante el período de interrupción de la
red de suministro eléctrico puede adaptarse para su uso como
control de paso durante una situación normal de producción de
energía modificando determinados parámetros de control, por ejemplo
cambiando los algoritmos de control y cambiando la influencia de
las mediciones de entrada sobre el controlador 14.
La entrada mencionada anteriormente que llega al
controlador 14 puede medirse con, como mínimo, uno de los
dispositivos siguientes: dispositivos para medir la velocidad de
giro del eje del rotor (tacómetros o codificadores), dispositivos
para medir la frecuencia de la tensión de señal (contadores de
frecuencia), dispositivos para medir la velocidad del viento
(anemómetros), dispositivos para medir la energía eléctrica
consumida (medidores de potencia) o dispositivos para medir el
momento de giro del rotor (medidores del momento de giro).
Las mediciones de cantidades distintas, como la
velocidad del rotor, la frecuencia de una tensión de señal, la
velocidad del viento y la energía eléctrica consumida, pueden
complementarse de forma que, por ejemplo, el controlador 14 tolere
la avería de un dispositivo de medición. Por ejemplo, si el
tacómetro falla y las mediciones de la velocidad del rotor dejan de
ser fiables, en su lugar podrán utilizarse las mediciones del
contador de frecuencia; si el anemómetro falla y no se dispone de
mediciones de la velocidad del viento, la velocidad del viento
podrá estimarse a partir de otras mediciones como la medición de la
energía eléctrica producida y la velocidad del rotor.
La Figura 1 muestra un convertidor 7 utilizado
para adaptar la frecuencia de la tensión de señal proporcionada por
el generador de imanes 6. Dicha frecuencia varía según las
variaciones de la velocidad del rotor. Sin embargo, puesto que los
consumidores de energía eléctrica requieren una frecuencia
constante, el convertidor debe ser capaz de transformar la tensión
de señal de entrada con una frecuencia variable a una tensión de
señal de salida con una frecuencia constante predeterminada. La
tensión de pico de la tensión de señal suministrada por el
generador de imanes 6 también puede variar según las variaciones de
la velocidad del rotor. Sin embargo, puesto que los consumidores
de energía eléctrica requieren una tensión de pico constante, el
convertidor también debe ser capaz de ajustar la tensión de pico de
la tensión de señal de forma que la tensión de señal de salida
tenga una tensión de pico constante. Además, el convertidor debe
ser capaz de cambiar la fase entre las señales de corriente y la
tensión para el ajuste de la producción de energía activa y
reactiva. El convertidor también puede incluir filtros para la
reducción de la distorsión de armónicos. Los convertidores con las
propiedades mencionadas anteriormente se conocen como convertidores
estatóricos, convertidores de frecuencia, convertidores
matriciales, convertidores CA/CC-CC/CA, y
convertidores eléctricos.
El transformador 8 se utiliza para adaptar aún
más la tensión de pico de la tensión de señal transmitida desde el
convertidor 7 para ajustarla a la tensión de pico de la red de
suministro eléctrico. Antes o después del transformador 8 puede
colocarse un filtro 9 para eliminar la distorsión de armónicos de
la tensión de señal. El transformador 8 también proporciona una
separación galvánica entre la turbina eólica y la red de suministro
eléctrico.
Durante el intervalo de tiempo entre el momento
en que se produce la interrupción de la red de suministro
eléctrico y el momento en que se ha establecido un equilibrio entre
la producción de energía y el consumo energético, es preciso
disipar una cantidad residual de energía almacenada como energía
cinética de las partes giratorias de la turbina eólica. La duración
de la transición de un estado de producción de energía a otro
normalmente dura entre 0,1 segundos y 10 segundos. Un dispositivo
que suele utilizarse para disipar energía eléctrica durante estos
breves períodos de tiempo es un interruptor CC. En algunas
situaciones, la duración de una interrupción de la red de
suministro eléctrico está entre 0,1 segundos y 10 segundos y, en
ese caso, el interruptor CC debe ser capaz de controlar por sí sólo
la interrupción de la red de suministro eléctrico. La energía
eléctrica también podría disiparse permitiendo la aceleración del
rotor 2, utilizando un motor para acelerar un volante pesado o
simplemente utilizando una resistencia.
La Figura 2 muestra un gráfico que indica la
relación entre el ángulo de paso \beta a lo largo del eje de
ordenadas y el tiempo a lo largo del eje de abscisas. Al principio,
durante un intervalo de tiempo 30, el ángulo de paso tiene un valor
correspondiente a una situación normal de producción energética, en
la que el ángulo de paso de las palas del rotor normalmente se sitúa
en el intervalo entre -5 y 20 grados o en el intervalo entre 10 y
20 grados. En un momento aleatorio 31, el dispositivo de medición
de la red (véase Fig. 1) detecta que no existe una conexión con la
red de suministro eléctrico, un indicativo de una posible
interrupción de la red. Durante un intervalo de tiempo 32 se
verifica si la interrupción de la red de suministro persiste y si,
al mismo tiempo, un interruptor CC u otro dispositivo para disipar
energía eléctrica disipa la energía residual proporcionada por
generadores de imanes. La duración del intervalo de tiempo 32 suele
estar entre 3 y 5 segundos.
Si la red de suministro eléctrico no se
restablece en un período que suele ser de 5 segundos, se abre el
interruptor 10 y/o el interruptor 22 (véase Fig. 1) para
desconectar intencionadamente la turbina eólica 1 de la red de
suministro eléctrico 23. Posteriormente, se cambia el ángulo de
paso de las palas del rotor a un valor predefinido durante un
período de transición 33. El cambio del ángulo de paso a un valor
predefinido puede combinarse con o sustituirse por un procedimiento
en el que el ángulo de paso se ajuste en un bucle de control de
retroalimentación durante el período de transición 33 hasta que la
cantidad de energía producida por el generador de imanes equivalga
a la cantidad consumida de energía de forma que el rotor gire a una
velocidad constante.
Un procedimiento típico de actuación ante una
interrupción de la red de suministro eléctrico, según el método
anterior, es cambiar el ángulo de paso por ejemplo a 90 grados, tal
como muestra la línea discontinua 34, de forma que la velocidad de
giro del rotor se reduce considerablemente o se detiene. Tras el
período de transición 33, la turbina eólica se encuentra en un
estado 35 en el que funciona en modo de auto abastecimiento en el
que el generador de imanes de la turbina eólica produce energía
para sus propios consumidores de energía eléctrica (consumos no
críticos 12 y/o consumos críticos 13 (véase Fig. 1)) y posiblemente
para otras turbinas 24 (véase Fig. 1) y consumos no críticos
externos 25 (véase Fig. 1).
Durante el período en el que la turbina eólica
se encuentra en el estado 35, el ángulo de paso se ajusta
constantemente de forma que la cantidad producida de energía
equivale a la cantidad de energía consumida y, como consecuencia,
la velocidad del rotor se mantiene dentro de un rango óptimo en
relación con el modo de auto abastecimiento. La duración del estado
35 pueden ser segundos, minutos, horas o días si la velocidad del
viento permanece por encima de, por ejemplo, 0,5 metros por
segundo, siendo éste un posible límite inferior para el
funcionamiento del rotor. Cuando la red de suministro eléctrico se
ha recuperado de su interrupción y tras el período de tiempo 36 en
el que se verifica si persiste la recuperación, el ángulo de paso
se ajusta durante un período 37 hasta que se ha restablecido la
situación normal de producción energética.
La Figura 3 ilustra las transiciones implicadas
en un cambio del estado normal de producción de energía al estado
en el que la turbina eólica produce energía para sus propios
consumidores de energía eléctrica y posiblemente otras turbinas y
consumos no críticos externos (es decir, el modo de auto
abastecimiento). En el primer estado 41 cuando la turbina eólica se
encuentra en la situación normal de producción energética, la
turbina eólica permanece en el estado 41, indicado por el bucle 42,
siempre que el dispositivo de medición de la red 16 (véase Fig. 1)
no detecte interrupciones en la red de suministro eléctrico. Si el
dispositivo de medición de la red detecta que la red de suministro
eléctrico no está presente, es decir, indica una interrupción de la
red, la turbina eólica pasa al estado 43, que posteriormente se
sustituye por el estado 44 en el que se activa el interruptor CC u
otro dispositivo para disipar energía eléctrica con el objetivo de
disipar la energía residual.
En el estado 44 se verifica si persiste la
interrupción de la red de suministro eléctrico. La turbina eólica
permanece en el estado 44 durante un período de tiempo, indicado
por el bucle 45, durante normalmente entre 3 y 5 segundos. Si la
red de suministro eléctrico se restablece dentro de un período
normalmente de entre 5 y 10 segundos, la turbina eólica puede volver
al estado de producción de energía normal 41. De lo contrario, si
la red de suministro eléctrico no se restablece en un período de 5
segundos, la turbina eólica pasa al estado 47 abriendo los
cortacircuitos de la red, es decir el interruptor 10 y/o el
interruptor 22. Esta tarea se lleva a cabo en el estado 45
intermedio al estado 46, en el que se verifica la condición de la
red de suministro eléctrico, y en el estado 47, en el que se inicia
el modo de abastecimiento automático.
En el estado 47, el ángulo de paso de las palas
del rotor se cambia a un valor predefinido. El cambio del ángulo
de paso a un valor predefinido en el estado 47 puede combinarse con
o sustituirse por un procedimiento en el que el ángulo de paso se
ajusta en un bucle de control de retroalimentación cuando la
cantidad de potencia producida equivale a la cantidad de energía
consumida de forma que el rotor gira a una velocidad constante.
Posteriormente al paso en el que se consigue ajustar el ángulo de
paso en el estado 47, el estado de la turbina eólica se pasa al
estado 48. La turbina eólica permanece en el estado 48 durante la
interrupción de la red de suministro, tal como indica el bucle 49.
El bucle 49 finaliza si el dispositivo de medición de la red 16
(Véase Fig. 1) detecta el restablecimiento de la red de suministro
eléctrico que, por su parte, provocará un cambio en la situación
normal de producción energética del estado 41.
El bucle 49 también finaliza si la situación
requiere la detención de la turbina eólica. Una situación de este
tipo puede venir dada por condiciones climáticas extremas, la
necesidad de reparar la turbina eólica o cualquier precaución de
seguridad.
Debido a la capacidad de la turbina eólica de
producir energía sin necesidad de fuentes de alimentación externas,
la turbina eólica puede utilizarse para abastecer energía a
generadores de inducción asíncronos de otras turbinas eólicas,
turbinas de gas o generadores de diesel durante una interrupción de
la red de suministro eléctrico. Por lo tanto, en una sección
limitada de una red de suministro eléctrico que consta como mínimo
de una turbina eólica con un generador de imanes y otras turbinas
eólicas con generadores de inducción asíncronos u otras máquinas
generadoras de electricidad con generador de inducción asíncrona,
la turbina eólica equipada con el generador de imanes podrá
producir la energía eléctrica necesaria para la magnetización de,
por ejemplo, las turbinas eólicas con generadores de inducción
asíncronos de forma que puedan mantenerse operativas.
Otra utilización de la capacidad de la turbina
eólica para producir energía sin necesidad de energía externa se
encuentra en el llamado arranque desde cero de una red de suministro
eléctrico. Posteriormente a una interrupción de la red de suministro
eléctrico y, por lo tanto, a una avería de la red, una central
eléctrica necesitará una fuente de energía externa para el
abastecimiento de equipos auxiliares antes de que poder restablecer
la red de suministro eléctrico. Hoy en día, en ocasiones se utilizan
máquinas generadoras de energía como turbinas de gas o generadores
diesel que impulsan a un generador como fuente de energía externa
para la magnetización del generador de inducción asíncrono de la
central eléctrica.
Claims (33)
1. Método para mantener operativo como mínimo un
componente crítico de una turbina eólica durante el período de
tiempo en el que la turbina eólica está desconectada de la red de
suministro eléctrico, y
- -
- en el que como mínimo uno de los componentes críticos indicados incluye un consumidor de energía eléctrica, cuando dicha turbina eólica está prevista que se conecte a la red de suministro eléctrico y consta como mínimo de un control del paso de la pala del rotor, dicho método incluye
- -
- el uso de un generador de imanes como el único elemento generador de energía eléctrica durante períodos de tiempo en los que la turbina eólica está conectada a la red de suministro eléctrico, así como durante períodos de tiempo en los que la turbina eólica está desconectada de la red de suministro eléctrico,
- -
- seguir generando energía eléctrica del viento durante una desconexión de la red de suministro eléctrico,
- -
- ajustar una cantidad de la energía eléctrica producida para mantener la energía eléctrica producida en armonía con un consumo energético estocástico requerido, dependiente del tiempo, de una carga de la que como mínimo hay un consumidor de energía eléctrica de la turbina eólica.
2. Método según la reivindicación 1, que incluya
la utilización del generador de imanes como el único elemento
generador de energía eléctrica cuando la turbina eólica sea
reconectada a la red de suministro eléctrico, utilizando de este
modo el generador de imanes para generar energía activa y energía
reactiva.
3. Método acorde con la reivindicación 1, donde
el ángulo de paso de al menos una de dichas palas del rotor con
control del paso se ajusta mediante un actuador eléctrico del paso
de la pala que presenta un consumo de energía eléctrica
estocástico, dependiente del tiempo, en equilibrio con la energía
eléctrica producida.
4. Método acorde con la reivindicación 3, según
el cual el ángulo de paso se ajusta en relación con como mínimo uno
de los parámetros seleccionados del grupo que incluye la velocidad
del viento, la velocidad de giro del eje del rotor, el momento de
giro del rotor, la velocidad de rotación del generador y el consumo
de energía eléctrica.
5. Método acorde con cualquiera de las
reivindicaciones 1-4, según el cual el generador de
imanes incluye imanes permanentes cuyos imanes ya están totalmente
magnetizados antes de conectar la turbina eólica a la red de
suministro eléctrico, así como cuando la turbina eólica se
desconecta de la red de suministro eléctrico.
6. Método acorde con cualquiera de las
reivindicaciones 1-4, según el cual el generador de
imanes incluye imanes que se magnetizan cuando la turbina eólica se
conecta a la red de suministro eléctrico y se desmagnetizan
gradualmente cuando la turbina eólica se desconecta de la red de
suministro eléctrico.
7. Método acorde con cualquiera de las
reivindicaciones 1-5, según el cual el generador de
imanes incluye imanes que ya han sido totalmente magnetizados y que
están integrados estructuralmente con un generador de inducción
síncrono o asíncrono y cuyos imanes son magnéticamente
independientes de los bobinados del estator del generador de
inducción síncrono o asíncrono.
8. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 1-4 o la reivindicación 6, según el
cual el generador de imanes incluye imanes magnetizados por el
generador, cuyos imanes están integrados estructuralmente con un
generador de inducción síncrono o asíncrono, y cuyos imanes
dependen magnéticamente de cualquier bobinado del estator del
generador de inducción síncrono o asíncrono.
9. Método acorde con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, según el cual la energía eléctrica
producida se conduce a través de un convertidor antes de
abastecerla a al menos un componente crítico y en el que el
convertidor se conoce como convertidor estatórico.
10. Método acorde con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, según el cual la energía eléctrica
producida se mantiene en equilibrio con la energía eléctrica
consumida midiendo como mínimo uno de los parámetros siguientes: la
tensión, la corriente o la energía producida por el generador y en
el que la medición de la tensión, la corriente o la energía se
utiliza para ajustar el ángulo de paso.
11. Método acorde con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, según el cual la energía eléctrica
producida se mantiene en equilibrio con la consumida midiendo
alternativa o adicionalmente como mínimo un parámetro seleccionado
de un grupo que incluye la energía eléctrica consumida, la
velocidad de giro del eje del rotor, la velocidad de giro del eje
del generador y el momento de giro del rotor, en el que la medición
del parámetro en cuestión se utiliza para ajustar el paso.
12. Método acorde con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la energía eléctrica
producida se mantiene en equilibrio con la energía eléctrica
consumida midiendo alternativamente la energía eléctrica que se
abastece a la red de suministro eléctrico de forma que dicha energía
eléctrica abastecida a la red de suministro permanece
aproximadamente igual a cero, y en el que la medición de la energía
se utiliza para ajustar el ángulo de paso.
13. Método acorde con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, según el cual la energía eléctrica
producida se mantiene en equilibrio con la energía eléctrica
consumida midiendo adicionalmente la energía eléctrica abastecida a
la red de suministro eléctrico de forma que permanece igual a cero
y en el que la medición de la energía se utiliza para ajustar el
ángulo de paso.
14. Método acorde con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende adicionalmente un
convertidor eléctrico para ajustar una frecuencia de la señal de la
tensión emitida por el convertidor.
15. Método acorde con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende adicionalmente medios
para ajustar una tensión de pico de la señal de la tensión
eléctrica generada por el generador de imanes.
16. Método acorde con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende adicionalmente medios
para filtrar la señal de la tensión eléctrica generada por el
generador de imanes.
17. Método acorde con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende adicionalmente medios
para transformar la señal de la tensión eléctrica generada por el
generador de imanes.
18. Método acorde con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que como mínimo se mantiene
operativo uno de los componentes críticos seleccionados del
siguiente grupo: sistema de orientación, sistema del paso de la
pala, sistema de lubricación, sistema de refrigeración, sistema de
deshumidificación, sistema de descongelación y sistema de
calentamiento.
19. Método acorde con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que incluye adicionalmente el paso de
disipación de energía durante la transición de un estado de
producción de energía a otro estado de producción de energía.
20. Método acorde con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que incluye adicionalmente el paso de
estimar la velocidad del viento a partir de mediciones de como
mínimo un parámetro seleccionado del siguiente grupo: energía
producida, velocidad del rotor y ángulo de paso.
21. Una turbina eólica diseñada para ser
conectada a una red de suministro eléctrico y para permanecer
operativa durante el período de tiempo en el que la turbina eólica
se desconecte de la red de suministro,
- -
- dicha turbina eólica consta de, como mínimo, un control del paso de la pala del rotor y un generador de imanes para producir energía eléctrica durante los períodos de tiempo en que la turbina eólica se desconecta de la red de suministro eléctrico, y
- -
- dicha turbina eólica se dota con medios que permiten ajustar una cantidad de la energía eléctrica producida de forma que la energía eléctrica producida esté en equilibrio con un consumo estocástico necesario, dependiente del tiempo, de una carga,
- -
- de la cual como mínimo una carga es un consumidor de energía eléctrica de la turbina eólica y dicha turbina eólica comprende un elemento generador de energía capaz de producir energía eléctrica durante los períodos de tiempo en que la turbina eólica está desconectada de la red de suministro eléctrico,
- -
- siendo dicho elemento generador de energía dicho generador de imanes.
22. Turbina eólica acorde con la reivindicación
21, en la que el generador de imanes incluye imanes permanentes que
han sido totalmente magnetizados durante la fabricación.
23. Turbina eólica acorde con la reivindicación
21, en la que el generador de imanes incluye imanes que pueden
magnetizarse durante los períodos de tiempo en los que la turbina
eólica está conectada a la red de suministro eléctrico y que están
sujetos a una desmagnetización gradual durante los períodos de
tiempo en los que la turbina eólica está desconectada de la
red.
24. Turbina eólica acorde con cualquiera de las
reivindicaciones 21-23, en la que el generador de
imanes incluye imanes que han sido totalmente magnetizados
previamente, y cuyos imanes están integrados estructuralmente con
un generador de inducción síncrono o asíncrono, y que estos imanes
son magnéticamente independientes de cualquier bobinado del estator
del generador de inducción síncrono o asíncrono.
25. Turbina eólica acorde con cualquiera de las
reivindicaciones 21-23, en la que el generador de
imanes es del tipo de los que comprende imanes magnetizados por el
generador, cuyos imanes están integrados estructuralmente con un
generador de inducción síncrono o asíncrono, y cuyos imanes son
también magnéticamente dependientes de cualquier bobina del estator
del generador de inducción síncrono o asíncrono.
26. Turbina eólica acorde con cualquiera de las
reivindicaciones 21-25, en la que el generador de
imanes es del tipo de los que al menos comprende un número de imanes
creados a partir de bobinas superconductoras, y que
alternativamente sólo comprende imanes creados a partir de bobinas
superconductoras.
27. Turbina eólica acorde con cualquiera de las
reivindicaciones 21-26, con un convertidor capaz de
modificar la frecuencia de una tensión de señal generada por el
mencionado generador de imanes.
28. Turbina eólica acorde con cualquiera de las
reivindicaciones 21-26, con un convertidor capaz de
modificar la tensión de pico de una señal generada por el
mencionado generador de imanes.
29. Turbina eólica acorde con cualquiera de las
reivindicaciones 21-26, con un filtro para filtrar
una señal eléctrica generada por el generador de imanes.
30. Turbina eólica acorde con cualquiera de las
reivindicaciones 21-29 con, como mínimo, un sistema
operativo seleccionado del grupo siguiente: sistema de calefacción,
sistema de refrigeración, sistema de lubricación, sistema de
deshumidificación y sistema de descongelación, y en la que dicho
sistema operativo es capaz de mantener operativos los componentes
críticos.
31. Turbina eólica acorde con cualquiera de las
reivindicaciones 21-30 con, como mínimo, una de las
actividades siguientes para disipar energía: abastecer energía
eléctrica a un interruptor CC, cambiar mecánicamente el paso de la
pala como mínimo una pala, acelerar el rotor y el eje del
rotor.
32. Turbina eólica acorde con cualquiera de las
reivindicaciones 21-31 con medios para estimar la
velocidad del viento. Dichos medios se seleccionarán de un grupo de
medios de medición de la velocidad del viento compuesto por:
anemómetros, medios para medir la velocidad de giro del eje del
rotor como tacómetros, medios para medir el momento de giro del
rotor como galgas extensiométricas y medios para medir la energía
como medidores de energía, y donde el objetivo de dichos medios es
ayudar a ajustar la cantidad de energía eléctrica producida.
33. Turbina eólica acorde con cualquiera de las
reivindicaciones 21-32, con un consumo de energía
eléctrica que no forma parte de los consumos de energía eléctrica
operativos durante el período de tiempo en el que la turbina eólica
está conectada a la red de suministro eléctrico, y que es capaz de
consumir una cantidad de energía constante y superior a cero a lo
largo de un período de tiempo.
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