Sistema y método para el control de un parque eólico.

Sistema y método de control de un parque eólico, siendo del tipode parques eólicos constituidos por una pluralidad de aerogeneradores que contienen un rotor,

un generador, una unidad de controly medios de conexión a la red de parque, estando dotados dichos aerogeneradores de medios para generar potencia reactiva siguiendolas consignas del sistema de control del parque, calculando dicho sistema de control una demanda global de potencia reactiva a producir por todo el parque a partir de la tensión en el punto de conexión o el factor de potencia demandado y enviando dicho sistema de control consignas de potencia reactiva a los aerogeneradoresdel parque, recibiendo el sistema de control central (103) de los aerogeneradores (1,...n) una información basada en uno o variosparámetros indicativos del nivel de calentamiento de los componentes eléctricos (501, 50n) de los aerogeneradores, produciéndoseun reparto de generación de potencia reactiva entre los diferentes aerogeneradores (1,...n).

Sistema y método para el control de un parque eólico Objeto de la invención Tal como se indica en el título de la presente descripción, la siguiente invención hace referencia a un sistema y método para el control de un parque eólico, tratándose del tipo de parque eólico que está compuesto de un conjunto de turbinas eólicas, de tal manera que el sistema de control que se propone distribuya la producción de potencia reactiva, de manera que sea posible efectuar una distribución de la limitación de potencia activa entre las diferentes turbinas eólicas, teniendo en cuenta el estado térmico de los componentes de cada turbina eólica en el momento de enviar las instrucciones individuales a cada una de ellas.

Área técnica de la invención La presente descripción revela un sistema y un método para el control de un parque eólico que permite la operación coordinada de cada una de las turbinas eólicas de las que está compuesto, de tal manera que globalmente se cumplan los requisitos de la red eléctrica, y que se logre individualmente un funcionamiento óptimo de cada turbina eólica desde el punto de vista térmico.

Antecedentes de la invención El control de la potencia activa y reactiva en el propio parque eólico en respuesta a los controles de frecuencia y tensión o factor de potencia, es un tema muy conocido y ampliamente estudiado.

Por un lado, a fin de modificar la tensión en el punto de conexión, el sistema de control central envía las instrucciones de potencia reactiva necesaria para cada turbina eólica, mientras que un posible control individual de cada turbina eólica, como el descrito en la solicitud de patente EP1512869A1, es responsable de asegurarse de que no se excedan los límites permitidos en cada una de ellas.

Por otro lado, con el fin de colaborar en la limitación de la frecuencia de la red eléctrica dentro de un rango determinado, se realiza un control sobre la potencia activa generada, a partir de la cual se derivan las instrucciones individuales para cada turbina eólica. Un ejemplo de este tipo de control es el que se presenta en la solicitud de patente EP1467463A1.

El control de la potencia reactiva se ha realizado habitualmente en base al factor de potencia deseado y, teniendo en cuenta la potencia activa generada, calculando la potencia reactiva global necesaria y enviando las instrucciones del factor de potencia a cada turbina eólica.

Tal como se cita en la patente estadounidense US 6.924.565 (véase el preámbulo de la reivindicación 1) , la desventaja de un control de este tipo se encuentra en el hecho de que no pueda ser explotada la capacidad total de cada turbina eólica. Dicha patente propone métodos alternativos para la generación de potencia reactiva con el objetivo de explotar la total capacidad, en base al nivel de potencia activa generada en cada momento.

Descripción de la invención Los sistemas citados, sin embargo, presentan la desventaja de que el sistema de control central no tiene en cuenta el estado térmico de los componentes eléctricos de cada turbina eólica cuando genera las instrucciones individuales para la potencia reactiva, de tal manera que estas instrucciones podrían no ser las óptimas para el funcionamiento individual de cada máquina. Con el objeto de superar esta desventaja, la presente especificación describe un sistema y un método, tal como se reivindica en las reivindicaciones 1 y 8, para el control de la potencia reactiva mediante los cuales se crean instrucciones individuales para la potencia reactiva para cada turbina eólica de la que se compone el parque, con el objeto de garantizar que las demandas de la red eléctrica se cumplan, teniendo en cuenta el estado térmico de los componentes eléctricos de cada turbina eólica.

Generalmente, la necesidad de generación de potencia reactiva obtenida a partir de los controles del factor de potencia o de la tensión, no tiene que corresponder en general con la capacidad de generación máxima del parque eólico. Por lo tanto, existe un grado de libertad cuando se trata de enviar las instrucciones individuales para la potencia reactiva de cada turbina eólica, de tal forma que, dependiendo de su estado térmico, generen más o menos de la misma, aunque garantizando en todo momento que se cumplan los requisitos de la red a nivel global.

La presente invención reivindica un sistema y un método para el control de un parque eólico que explota ese grado de libertad y es capaz de optimizar el funcionamiento desde el punto de vista térmico de los componentes eléctricos de todas las turbinas eólicas que componen el parque, con el objeto de extender su tiempo de vida útil.

El sistema de control de la presente invención se aplica a un parque eólico compuesto de varias turbinas eólicas, del tipo que consta de un rotor, un generador, una unidad de control y medios de conexión a la red del parque. Dichas turbinas eólicas se encuentran dotadas con medios para generar potencia reactiva siguiendo las instrucciones del sistema de control del parque eólico. El sistema de control del parque eólico comprende un módulo de cálculo de instrucción global, el cual calcula una demanda global para que la potencia reactiva sea producida por todo el parque en base a la tensión en el punto de conexión o al factor de potencia que se demanda. El sistema de control de la presente invención comprende también un módulo de distribución que recibe dicha instrucción de potencia reactiva global, y además recibe información de las turbinas eólicas en base a uno o más parámetros que indican el nivel de calentamiento de los componentes eléctricos de la turbina eólica. En base a esa información, el módulo de distribución calcula algunas instrucciones de generación de potencia reactiva para las diferentes turbinas eólicas, las cuales reducen la temperatura en los componentes eléctricos de aquellas turbinas eólicas que muestren un calentamiento más elevado, satisfaciendo la demanda global de potencia reactiva para la totalidad del parque.

De esta manera, la demanda individual de potencia reactiva será de tal forma que permita que aquellas turbinas eólicas que contengan un componente que presente una temperatura que esté más cercana a su correspondiente límite sean capaces de reducir su temperatura, mientras que aquellas que estén menos estresadas térmicamente compensen la potencia reactiva restante, siempre a condición de que no se excedan sus capacidades y con el objeto de suministrar a la red eléctrica el nivel reactivo apropiado en cada momento. De esta manera, se alarga el tiempo de vida útil de los diferentes componentes eléctricos.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, se tienen en cuenta determinados índices térmicos que representan la temperatura de, entre otros componentes que están térmicamente afectados por la producción de potencia reactiva, el componente que se encuentra más cerca de su límite de temperatura y el tipo de su componente más caliente, teniendo en cuenta el efecto que la producción de potencia reactiva inductiva tiene en el calentamiento de dicho componente. La producción de potencia reactiva se distribuye de tal manera que minimice las pérdidas eléctricas en el componente más caliente de las turbinas eólicas que presentan un índice de calentamiento más elevado.

El sistema de control de la presente invención ajusta la regla de distribución de la producción de potencia reactiva como una función del error que existe en el nivel reactivo demandado de todo el parque y la potencia reactiva real producida por el mismo, y, más aún, dicho sistema además tiene en cuenta la capacidad para la generación de potencia reactiva por parte del convertidor de las turbinas eólicas que se encuentran desactivadas.

Además, los requerimientos que se realizan de las fuentes de energía no gestionables con respecto a su participación en las tareas de mantenimiento de la estabilidad de la red eléctrica, están aumentando y entre ellos se encuentra el de implementar los controles de la potencia activa en respuesta a variaciones en la frecuencia.

En caso de que la frecuencia experimente un aumento por encima de su valor nominal, la turbina eólica tiene que limitar la potencia que produce en un porcentaje definido, dependiendo de la desviación en la frecuencia.

En general, esta reducción de potencia es habitualmente breve y no ofrece oportunidad alguna a la reducción de la temperatura en las turbinas eólicas. Sin embargo, es posible que, en el futuro, se requiera que las turbinas eólicas constituyan una reserva de potencia activa de manera continua, de tal forma que dicha reserva pueda ser utilizada en relación con eventos que impliquen una caída de frecuencia que requiera un incremento de la potencia... [Seguir leyendo]

1. Sistema de control de un parque eólico, tratándose del tipo de parque eólico que comprende un conjunto de turbinas eólicas que constan de un rotor, un generador, una unidad de control y medios de conexión a la red del parque, donde dichas turbinas eólicas se encuentran dotadas con medios para la generación de potencia reactiva siguiendo las instrucciones del sistema de control del parque eólico, donde dicho sistema comprende:

- un módulo de cálculo de instrucciones globales (105) que calcula una referencia global para la potencia reactiva (40) para la totalidad del parque como una función de la tensión en el punto de conexión o de un factor de potencia (21) , y

- un módulo de distribución (106) que recibe dicha referencia global para la demanda de potencia reactiva (40) ,

caracterizado porque dicho módulo de distribución (106) se encuentra operativo para:

- recibir además información de las turbinas eólicas (1, …n) en base a uno o más parámetros que indican el nivel de calentamiento de los componentes eléctricos (501, …50n) de las turbinas eólicas, y

- en base a dicha información, calcular las instrucciones de generación de potencia reactiva (401, 402, 40n) para que las diferentes turbinas eólicas (1, …n) aumentan o reducen la temperatura en los componentes eléctricos, satisfaciendo la referencia global de potencia reactiva (40) para la totalidad del parque eólico.

- enviar dichas instrucciones (401, 402, 40n) a cada turbina eólica (1, …n) .

2. Sistema de control de un parque eólico, de acuerdo a la reivindicación 1, en donde los parámetros que indican el calentamiento de cada turbina eólica comprenden al menos:

• un primer parámetro que consiste en un índice de calentamiento (tx) , calculado de acuerdo a al menos las siguientes etapas:

o seleccionar los componentes eléctricos que están térmicamente afectados por la producción de potencia reactiva;

o seleccionar de entre ellos el componente que se encuentra más cercano a su límite de temperatura; y,

o calcular para el componente más caliente un índice de calentamiento que representa la cercanía de su temperatura de funcionamiento a su límite de temperatura;

• un segundo parámetro calculado para el componente más caliente que indica el efecto que la producción de potencia reactiva inductiva tiene sobre su temperatura;

y en que el módulo de distribución:

• selecciona la turbina eólica con el mayor índice de calentamiento; y

• modifica la instrucción de potencia reactiva que corresponde a esa turbina eólica en base al segundo parámetro a fin de reducir las pérdidas eléctricas en su componente más caliente (501, …50n) .

3. Sistema de control de un parque eólico, de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la distribución de potencia reactiva se ajusta en base al error (42) que existe entre la referencia global para la potencia reactiva (40) de la totalidad del parque y la potencia reactiva real (41) producida por el mismo.

4. Sistema de control de un parque eólico, de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la distribución de potencia reactiva tiene en cuenta la capacidad de generación de potencia reactiva por parte del convertidor de las turbinas eólicas (1, …n) que están desactivadas.

5. Sistema de control de un parque eólico, de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el módulo de distribución

(106) recibe una referencia global para la reducción de potencia activa (30) , y realiza una distribución de la generación de potencia activa entre las diferentes turbinas eólicas (1, …n) , calculando, en base a la información sobre el nivel de calentamiento de cada turbina eólica (501, …50n) , instrucciones para la limitación de potencia activa (301, 302…30n) para las diferentes turbinas eólicas (1, …n) , donde la limitación de potencia activa es mayor para aquellas turbinas eólicas que presentan un mayor calentamiento, satisfaciendo la referencia global para la reducción de potencia activa (30) para la totalidad del parque.

6. Sistema de control de un parque eólico, de acuerdo con la reivindicación 5, en donde al menos uno de los parámetros que indican el nivel de calentamiento de los componentes eléctricos (501, …50n) de las turbinas eólicas (1, …n) es un índice (tx) , el cual representa la temperatura del componente más cercano a su límite de temperatura de entre los componentes que están térmicamente afectados por la producción de potencia activa (30) .

7. Sistema de control de un parque eólico, de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde las instrucciones de generación de potencia reactiva (401, 402, 40n) comprenden instrucciones de generación de potencia reactiva inductiva e instrucciones de generación de potencia reactiva.

8. Método de control de un parque eólico, tratándose de un parque eólico del tipo que comprende un conjunto de turbinas eólicas que constan de un rotor, un generador, una unidad de control y medios de conexión a la red del parque eólico, donde dichas turbinas eólicas se encuentran dotadas con medios para generar potencia reactiva siguiendo las instrucciones del sistema de control del parque eólico, donde dicho método comprende la etapa de calcular que una demanda global de potencia reactiva sea producida por la totalidad del parque en base a la tensión en el punto de conexión del factor de potencia, caracterizado porque además comprende las siguientes etapas:

• recibir uno o varios parámetros de cada turbina eólica (1, …n) que indican el nivel de calentamiento de los componentes (501, …50n) que comprende;

• calcular, en base a la referencia global deseada para la potencia reactiva (40) y a los valores de los parámetros térmicos recibidos, las instrucciones para la producción de potencia reactiva (401, 402..40n) para las diferentes turbinas eólicas (1, …n) , las cuales aumentan o reducen la temperatura en los componentes eléctricos de las turbinas eólicas, satisfaciendo la referencia global para la potencia reactiva

(40) y;

• enviar instrucciones individuales (401, …40n) a cada turbina eólica.

9. Método de control de un parque eólico, de acuerdo con la reivindicación 8, en donde los parámetros que indican el calentamiento de cada turbina eólica comprenden al menos:

• un primer parámetro que comprende un índice de calentamiento (tx) , calculado de acuerdo con al menos las siguientes etapas:

o seleccionar los componentes eléctricos que están térmicamente afectados por la producción de potencia reactiva;

o seleccionar de entre ellos el componente que está más cercano a su límite de temperatura; y,

o calcular para el componente más caliente un índice de calentamiento que representa la cercanía de su temperatura de funcionamiento a su límite de temperatura;

• un segundo parámetro calculado para el componente más caliente que indica el efecto que la producción de potencia reactiva inductiva tiene sobre su temperatura;

y en que la producción de potencia reactiva se distribuye de acuerdo a un método que comprende las siguientes etapas:

• seleccionar la turbina eólica con el mayor índice de calentamiento;

• modificar la instrucción de potencia reactiva correspondiente a dicha turbina en base al segundo parámetro, con el fin de reducir las pérdidas eléctricas en el componente más caliente (501, …50n) .

10. Método de control de un parque eólico, de acuerdo con la reivindicación 8, en donde además éste comprende las siguientes etapas:

• obtener la potencia reactiva (41) generada por el parque en cada momento en base a las mediciones realizadas (104) o los datos proporcionados por cada una de las turbinas eólicas (1, …n) de las que consta el parque;

• comparar la potencia reactiva (41) generada con la referencia global de potencia reactiva (40) y,

• ajustar la distribución de potencia reactiva en base al error que existe entre el nivel de potencia reactiva demandado y el producido.

11. Método de control de un parque eólico, de acuerdo a la reivindicación 8, en donde la distribución de potencia reactiva tiene en cuenta la capacidad de generación de potencia reactiva por parte del convertidor de las turbinas eólicas que se encuentran desactivadas.

12. Método de control de un parque eólico, de acuerdo con la reivindicación 8, en donde éste además comprende las siguientes etapas:

• obtener una referencia global para la reducción de potencia activa (30) para la totalidad del parque;

• calcular, en base al valor de referencia para la reducción de potencia activa (30) y de los valores de los parámetros térmicos recibidos (501, …50n) , algunas instrucciones individuales para la limitación de potencia activa para cada turbina eólica (301, …30n) , siendo la limitación de potencia activa mayor para aquellas turbinas que muestran un mayor calentamiento, satisfaciendo la referencia global para la reducción de potencia activa (30) para la totalidad del parque; y,

• enviar instrucciones individuales (301, …30n) a cada turbina eólica (1, …n) .

13. Método de control de un parque eólico, de acuerdo con la reivindicación 12, en donde al menos uno de los parámetros que indican el nivel de calentamiento de los componentes eléctricos (501, …50n) de las turbinas eólicas (1, …n) es un índice (tx) , el cual representa la temperatura del componente más cercano a su límite de temperatura de entre los componentes que están térmicamente afectados por la producción de potencia activa (30) , y en el que la limitación de potencia activa es mayor para aquellas turbinas eólicas que presentan un mayor calentamiento, de tal manera que minimiza las pérdidas eléctricas en el componente más caliente de las turbinas eólicas que presentan un índice de calentamiento mayor.

14. Método de control de un parque eólico, de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 7 a 13, en donde las instrucciones para la producción de potencia reactiva (401, 402..40n) comprenden las instrucciones para la 25 producción de potencia reactiva inductiva y las instrucciones para la producción de potencia reactiva capacitiva.