Aparato y procedimiento para controlar la potencia reactiva de un grupo de turbinas eólicas conectadas a una red eléctrica.

Un procedimiento para aumentar incrementalmente una capacidad de potencia reactiva total de un grupo de turbinas eólicas conectadas funcionalmente a una red,

siendo aumentable la capacidad de potencia reactiva total de dicho grupo en etapas discretas de cantidades predeterminadas de potencia reactiva, en el que a cada turbina eólica en dicho grupo de turbinas eólicas se le asigna una cantidad predeterminada de potencia reactiva, comprendiendo el procedimiento las etapas de:

- generar un valor de voltaje representativo de un nivel de voltaje de red;

- determinar un valor de potencia reactiva requerida total en base al valor de voltaje; y

- activar al menos una turbina eólica en dicho grupo para aumentar la capacidad de potencia reactiva total de dicho grupo de turbinas eólicas desde un primer valor de potencia reactiva hasta el valor de potencia reactiva requerida total, implicando dicha activación un encendido o apagado de la cantidad predeterminada de potencia reactiva asignada a dicha al menos una turbina eólica.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2008/067694.

Solicitante: VESTAS WIND SYSTEMS A/S.

Nacionalidad solicitante: Dinamarca.

Dirección: Hedeager 44 8200 Aarhus N DINAMARCA.

Inventor/es: HELLE,Lars , JØRGENSEN,Allan Holm, SCHAIER,Leonard.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F03D9/00 MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F03 MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO, DE RESORTES, O DE PESOS; PRODUCCION DE ENERGIA MECANICA O DE EMPUJE PROPULSIVO O POR REACCION, NO PREVISTA EN OTRO LUGAR.F03D MOTORES DE VIENTO.Adaptaciones de los motores de viento para usos especiales; Combinaciones de motores de viento con los aparatos que accionan; Motores de viento especialmente adaptados para su instalación en lugares particulares (sistemas híbridos de energía eólica-fotovoltaica para la generación de energía eléctrica H02S 10/12).
  • G01R21/127 FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01R MEDIDA DE VARIABLES ELECTRICAS; MEDIDA DE VARIABLES MAGNETICAS (indicación de la sintonización de circuitos resonantes H03J 3/12). › G01R 21/00 Disposiciones para proceder a las medidas de la potencia o del factor de potencia (G01R 7/12 tiene prioridad). › utilizando la modulación de impulsos (G01R 21/133 tiene prioridad).
  • H02J3/18 ELECTRICIDAD.H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA.H02J CIRCUITOS O SISTEMAS PARA LA ALIMENTACION O LA DISTRIBUCION DE ENERGIA ELECTRICA; SISTEMAS PARA EL ALMACENAMIENTO DE ENERGIA ELECTRICA.H02J 3/00 Circuitos para redes principales o de distribución, de corriente alterna. › Disposiciones para ajustar, eliminar o compensar la potencia reactiva en las redes (para ajuste de la tensión H02J 3/16).
  • H02J3/42 H02J 3/00 […] › con conexión automática en paralelo cuando se obtiene el sincronismo.
  • H02P9/00 H02 […] › H02P CONTROL O REGULACION DE MOTORES ELÉCTRICOS, GENERADORES ELECTRICOS O CONVERTIDORES DINAMOELECTRICOS; CONTROL DE TRANSFORMADORES, REACTANCIAS O BOBINAS DE CHOQUE.Disposiciones para el control de generadores eléctricos con el propósito de obtener las características deseadas en la salida.
  • H02P9/26 H02P […] › H02P 9/00 Disposiciones para el control de generadores eléctricos con el propósito de obtener las características deseadas en la salida. › utilizando tubos de descarga o dispositivos de semiconductores (H02P 9/34 tiene prioridad).

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Aparato y procedimiento para controlar la potencia reactiva de un grupo de turbinas eólicas conectadas a una red eléctrica.

Fragmento de la descripción:

Aparato y procedimiento para controlar la potencia reactiva de un grupo de turbinas eólicas conectadas a una red eléctrica

Campo de la invención

La presente invención se refiere al control de la potencia reactiva de un grupo de turbinas eólicas para controlar el voltaje en una red eléctrica, y más concretamente, a un aparato y a un procedimiento para controlar la contribución de potencia reactiva de turbinas individuales en el grupo utilizando un control de encendido-apagado en lugar de un control lineal de cada turbina.

Antecedentes de la invención

Una turbina eólica es un dispositivo de conversión de energía que convierte energía cinética del viento en energía eléctrica para su uso por clientes conectados a una red de distribución eléctrica. Este tipo de conversión de energía implica típicamente utilizar el viento para hacer girar las palas de la turbina que, a su vez, gira el rotor de un generador eléctrico de AC, bien directamente o a través de una caja de engranajes.

La potencia eléctrica disponible de un generador accionado por viento y suministrada a una red de distribución es una función de la potencia disponible del viento, su velocidad, las perdidas en la red y las características del sistema de distribución y de las cargas conectadas al mismo. Debido a que la velocidad del viento y la carga fluctúan, los niveles de voltaje en la red varían. Igualmente, como la mayoría de los componentes de transmisión de potencia eléctrica tienen una componente reactiva significativa; los voltajes en la red son función igualmente de las características reactivas de cargas y componentes conectados a la red.

Para evitar daños al equipo, el voltaje de red debe ser mantenido dentro de ciertas tolerancias. Un procedimiento de soportar un control de voltaje de red es el uso de suministradores o absorbentes de cantidades variables de potencia reactiva para compensar los cambios en voltaje debidos a la naturaleza reactiva de la red. Cuando las líneas aéreas son principalmente inductivas, por ejemplo, un dispositivo pasivo tal como un inductor absorbe potencia reactiva y tiende a disminuir los voltajes de red, mientras que un condensador suministra potencia reactiva lo que tiende a elevar los voltajes de red.

La salida eléctrica principal de un generador de AC es de su estator. La salida del estator puede ser conectada directamente a la red o pasar a través de un convertidor de potencia. Un generador común de los sistemas del estado de la técnica anterior es el generador de inducción doblemente alimentado (DFIG) , en el que la salida del estator está controlada por la corriente en su rotor. El estator en tal sistema puede estar conectado directamente a la red, ya que el voltaje y la frecuencia del estator, que están controlados por el rotor, pueden ser forzados a igualar el voltaje y frecuencia de la red.

Un DFIG puede ser utilizado igualmente como un suministrador o absorbente de potencia reactiva y contribuir así al control de voltaje. El estado de la máquina depende de si el nivel suministrado de corriente del rotor es superior o inferior al que se necesita para proporcionar un flujo suficiente para generar el voltaje de salida nominal. Cuando es aplicada corriente en exceso al rotor de un DFIG, se considera que la máquina está sobreexcitada. En este estado se genera por la corriente del rotor más flujo del necesario, la máquina suministra o genera potencia reactiva del estator. Por convención, la potencia reactiva del generador se considera que es positiva (que fluye del generador) y se etiqueta típicamente como "+Q".

Si por otro lado la máquina recibe una corriente de rotor demasiado pequeña, se considera que está infraexcitada. En este estado la máquina absorbe potencia reactiva en el estator para contribuir a suministrar flujo. Por convención, la potencia reactiva se considera que es negativa (que fluye en el generador) , y se etiqueta típicamente como "-Q".

Un no-DFIG tal como un generador síncrono o máquina de inducción de jaula se puede utilizar igualmente como el generador eléctrico en un sistema de turbina eólica que proporciona potencia reactiva controlada. Cuando estos tipos de máquina se utilizan en una configuración de velocidad variable, se necesita un convertidor total entre la salida del estator y una red de distribución. Los convertidores totales modernos utilizados en aplicaciones de turbina eólica utilizan dispositivos autoconmutados que permiten controlar la razón de potencia real a reactiva, así como el control de la potencia reactiva de modo sustancialmente independiente de la potencia real. Sistemas del estado de la técnica anterior divulgados en las patentes norteamericanas 5.083.039 y 5.225.712 son ejemplos de turbinas eólicas que utilizan un convertidor total y divulgan factores de potencia o control de potencia reactiva. Asimismo, para estos sistemas la dirección del flujo de potencia reactiva (+Q o -Q) está basada en la relación de fase entre voltaje de salida y corriente, pero las convenciones relativas al signo de Q son las mismas que para generadores; +Q indica que el convertidor está suministrando potencia reactiva y -Q indica que está absorbiendo potencia reactiva.

En algunos sistemas del estado de la técnica anterior, cuando se utilizan dos o más turbinas en una granja eólica un sistema de control determina una potencia reactiva concreta para la granja o parque eólico que está basada bien en un voltaje detectado o en una orden del operador del sistema, o en ambos. En este caso, cada turbina eólica proporciona sustancialmente la misma cantidad de potencia reactiva. Esto es, la potencia reactiva requerida total dividida por el número de turbinas proporciona el soporte de potencia reactiva.

Alternativamente, cada turbina eólica en un parque puede ajustar su salida de potencia reactiva en base al propio voltaje detectado (que es transmitido a cada turbina) , sin una conversión intermedia a un nivel de potencia reactiva para el parque. Un ejemplo es la turbina del estado de la técnica anterior divulgada en la patente norteamericana nº

6.965.174. Como se divulga en la misma, la turbina utiliza un sistema de control que aumenta y disminuye linealmente un ángulo de fase entre salida real y reactiva de cada turbina eólica individual una vez el voltaje detectado se encuentra fuera de una banda muerta.

Con el uso creciente de potencia eléctrica generada por turbinas eólicas, la cantidad de potencia real y de potencia reactiva suministrada por turbinas eólicas ha aumentado, y el papel de la turbina en el control del funcionamiento de la red se ha vuelto de mayor importancia. Además, con el número siempre creciente de turbinas eólicas agrupadas en parques eólicos, hacer que cada turbina individual controle su potencia reactiva en paralelo con todas las otras puede conducir a interacciones indeseables del sistema de control. Sistemas del estado de la técnica anterior tales como los divulgados en las patentes norteamericanas nº 5.083.039, 5.225.712, 6.137.187 y 4.924.684 divulgan disposiciones que controlan la potencia reactiva, aunque lo hacen en base a cada turbina. Una regulación de potencia reactiva lineal y continua para un grupo de turbinas eólicas se describe en los documentos WO2006120033, EP1841037, DE102004048341 y US2004178639.

De acuerdo con modos de realización de la presente invención, el control de potencia reactiva es proporcionado por el control de encendido-apagado de un valor prealmacenado en base a una capacidad de potencia reactiva global de un grupo de turbinas. Esta aproximación simplifica el diseño del parque eólico y reduce la carga en el sistema de transmisión de datos SCADA. Esta carga reducida resulta de la eliminación de una necesidad de comunicar continuamente a cada turbina un requerimiento de potencia reactiva o una muestra del voltaje que va a ser controlado.

Descripción de la invención

La invención se define precisamente en la reivindicación de procedimiento 1 y la reivindicación de sistema 6. Las reivindicaciones dependientes recitan modos de realización ventajosos de la invención.

La presente invención proporciona un control incremental de potencia reactiva ordenando la activación o desactivación de la salida de potencia reactiva de una o más turbinas, generalmente de una turbina cada vez, a medida que varía el voltaje de red u otras necesidades. En un modo de realización preferido, el número de turbinas eólicas activadas para proporcionar potencia reactiva es proporcional a la potencia reactiva total disponible y a la desviación... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un procedimiento para aumentar incrementalmente una capacidad de potencia reactiva total de un grupo de turbinas eólicas conectadas funcionalmente a una red, siendo aumentable la capacidad de potencia reactiva total de dicho grupo en etapas discretas de cantidades predeterminadas de potencia reactiva, en el que a cada turbina eólica en dicho grupo de turbinas eólicas se le asigna una cantidad predeterminada de potencia reactiva, comprendiendo el procedimiento las etapas de:

- generar un valor de voltaje representativo de un nivel de voltaje de red;

- determinar un valor de potencia reactiva requerida total en base al valor de voltaje; y

- activar al menos una turbina eólica en dicho grupo para aumentar la capacidad de potencia reactiva total de dicho grupo de turbinas eólicas desde un primer valor de potencia reactiva hasta el valor de potencia reactiva requerida total, implicando dicha activación un encendido o apagado de la cantidad predeterminada de potencia reactiva asignada a dicha al menos una turbina eólica.

2. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que el aumento de capacidad de potencia reactiva total de dicho grupo de turbinas eólicas corresponde a una absorción aumentada de potencia reactiva.

3. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que el aumento de capacidad de potencia reactiva total de dicho grupo de turbinas eólicas corresponde a una generación aumentada de potencia reactiva.

4. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que la cantidad predeterminada de potencia reactiva se basa en la capacidad de potencia reactiva de la turbina eólica activada.

5. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que la al menos una turbina eólica activada se selecciona de un mapa de grupo, definiendo dicho mapa de grupo un orden en el cual son activadas las turbinas eólicas de dicho grupo.

6. Un sistema dispuesto para aumentar incrementalmente una capacidad de potencia reactiva total de un grupo de turbinas eólicas conectadas funcionalmente a una red, siendo aumentable la capacidad de potencia reactiva total de dicho grupo en etapas discretas de cantidades predeterminadas de potencia reactiva, en el que a cada turbina eólica en dicho grupo de turbinas eólicas se le asigna una cantidad predeterminada de potencia reactiva, comprendiendo el sistema medios configurados para:

- generar un valor de voltaje representativo de un nivel de voltaje de red;

- determinar un valor de potencia reactiva requerida total basado en el valor de voltaje; y

- activar al menos una turbina eólica en dicho grupo para aumentar la capacidad de potencia reactiva total de dicho grupo de turbinas eólicas desde un primer valor de potencia reactiva hasta el valor de potencia reactiva requerida total, implicando dicha activación un encendido o un apagado de la cantidad predeterminada de potencia reactiva asignada a dicha al menos una turbina eólica.

7. Un sistema según la reivindicación 6, en el que el grupo de turbinas eólicas comprende al menos 50 turbinas eólicas.

8. Un sistema según las reivindicaciones 6 o 7, en el que la turbina eólica identificada se selecciona de un mapa de grupo, definiendo dicho mapa de grupo un orden en el cual las turbinas eólicas deben ser activadas.

9. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, que comprende además las etapas de:

- asignar a cada turbina eólica en el grupo una posición en un mapa de grupo, definiendo dicho mapa una secuencia en la cual las turbinas eólicas son activadas;

- comparar el valor de potencia reactiva requerida total con el primer valor de potencia reactiva y realizar una de las siguientes etapas:

activar la siguiente turbina en el mapa si el valor de potencia reactiva requerida total es mayor que el primer valor de potencia reactiva en la cantidad predeterminada asignada de potencia reactiva, o desactivar la última turbina eólica activada si el valor de potencia reactiva requerida total es menor que el primer valor de potencia reactiva en la cantidad predeterminada asignada de potencia reactiva.

10. Un procedimiento según la reivindicación 9, en el que el valor de voltaje es representativo de un nivel de voltaje de la red.


 

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