DISPOSITIVO Y MÉTODO PARA CONTROLAR UN SISTEMA DE GENERACIÓN DE POTENCIA ELÉCTRICA DE TURBINA DE GAS.

Un dispositivo para controlar un sistema de gene- ración de potencia eléctrica incluyendo una turbina de gas (15);

un compresor (12, 13); una cámara de combustión (14); y un generador de potencia eléctrica (6) conectado mecánicamente a la turbina de gas; incluyendo el dispositivo medios reguladores (24, 25; 124, 125) que suministran una primera señal de control (UFV) para controlar el suministro de carburante a la cámara de combustión (14); y una segunda señal de control (UIGV) para controlar la admisión de aire por el compresor (12, 13); caracterizado porque dichos medios reguladores (24, 25; 124, 125) están configurados para generar dicha primera (UFV) y segunda (UIGV) señales de control en forma de control de modo deslizante e incluyen un primer regulador de modo deslizante (24; 124) que suministra dicha primera señal de control (UFV) y un segundo regulador de modo deslizante (25; 125) que suministra dicha segunda señal de control (UIGV); donde dicho primer regulador de modo deslizante (24; 124) incluye: una primera etapa de conmutación (35; 135) que genera dicha primera señal de control (UFV) en base a un primer conjunto de variables (Ω, PE, ß, TE, TEC) que se pueden adquirir del sistema, y en base a respectivos primeros valores de referencia ((ΩR, PER, ßMAX, TMAX), incluyendo dicho primer conjunto de variables (Ω, PE, ß, TE, TEC) al menos una velocidad angular (Ω) de la turbina de gas (15), una potencia eléctrica activa (PE) suministrada por el generador (6), la temperatura de los gases de escape (TE, TEC) de la turbina de gas (15) y una relación de compresión (ß); y una primera, una segunda y una tercera etapa de generación (41, 45, 47) que suministra una primera, una segunda y una tercera superficie de deslizamiento (σ1, σ2, σ3) respectivamente representativas de un error de velocidad angular (EΒ) y un error de potencia eléctrica activa (EPE), un primer error de temperatura de los gases de escape (ETE1) y un error de relación de compresión (Eß), generando dicha primera etapa de conmutación (35; 135) dicha primera señal de control (UFV) en base a una superficie mínima (σMIN) seleccionada de dicha primera, dicha segunda y dicha tercera superficie de deslizamiento (σ1, σ2, σ3); y donde dicho segundo regulador de modo deslizante (25; 125) incluye: una segunda etapa de conmutación (51; 151) que genera dicha segunda señal de control (UIGV) en base a un segundo conjunto de variables (TE, TEC) que se pueden adquirir del sistema, y en base a respectivos segundos valores de referencia (TR), incluyendo dicho segundo conjunto de variables (TE, TEC) dicha temperatura de los gases de escape; y una cuarta etapa de generación (50) que suministra una cuarta superficie de deslizamiento (σ4) representativa de un segundo error de temperatura de los gases de escape (ETE2), generando dicha segunda etapa de conmutación (51; 151) dicha segunda señal de control (UIGV) en base a dicha cuarta superficie de deslizamiento (σ4)

La presente invención se refiere a un dispositivo y método para controlar un sistema de generación de potencia eléctrica de turbina de gas.

Como es conocido, los sistemas de generación de potencia eléctrica de turbina de gas, o sistemas de turbo-gas, incluyen normalmente un accionador (turboaccionador), del que forman parte un compresor de geometría variable, una cámara de combustión, y una turbina de gas; y un generador conectado mecánicamente al mismo eje que la turbina y el compresor, y por un disyuntor principal a una red de suministro de potencia eléctrica. Los sistemas de turbogas también están equipados con dispositivos de control para realizar varias operaciones necesarias para asegurar una correcta operación, y que deben también asegurar la flexibilidad con las normas cada vez más estrictas que controlan el funcionamiento del sistema en términos de seguridad, estabilidad, y la capacidad de responder a variaciones en la demanda de la red de suministro de potencia.

Más específicamente, los dispositivos de control deben al menos:

- regular la velocidad de la turbina sin carga, es decir cuando el generador está desconectado de la red de suministro (por ejemplo, al arrancar);

- controlar la carga eléctrica (potencia eléctrica activa) suministrada a la red de suministro, y, si es necesario, asistir a controlar la frecuencia de la red de suministro;

- controlar la temperatura de los gases de escape de la turbina;

- limitar la temperatura de los gases de escape, con prioridad sobre otras funciones de control, para evitar que el sobrecalentamiento dañe el sistema.

Las cantidades mensurables de sistema de turbogas normalmente disponibles a efectos de control son la velocidad angular de la turbina y el generador, la potencia eléctrica activa suministrada a la red de suministro, y la temperatura de los gases de escape de la turbina. Por otra parte, la activación actúa en una válvula de alimentación que suministra carburante a la cámara de combustión (para regular la velocidad sin carga, controlar la carga eléctrica, y limitar la temperatura de los gases de escape), y en la geometría del compresor, ajustando la inclinación de un grupo de álabes de estator (para controlar la temperatura de los gases de escape).

En los dispositivos de control conocidos, cada función es realizada por un controlador PID (Proporcional-Integral-Derivado) respectivo. Y dado que un número de controladores actúan en el mismo accionador (es decir la válvula de alimentación de carburante), se facilitan dispositivos de selección para evitar el conflicto según reglas dadas. En primer lugar, un interruptor permite selectivamente el control de la carga eléctrica y la velocidad sin ajuste de carga, dependiendo de si el generador está conectado o no a la red de suministro (es decir, dependiendo de la posición del disyuntor principal). Y un orificio de selección mínima asigna entonces acceso a válvula de alimentación al controlador que implica el menor esfuerzo (es decir, que suministra la señal de control con el módulo más bajo).

Sin embargo, los dispositivos de control conocidos, tienen varios inconvenientes. Un primer problema está en calibrar los controladores PID, que, dado los numerosos parámetros implicados y la naturaleza compleja de los sistemas de turbogas, es invariablemente difícil y no repetible, incluso al tratar con sistemas similares. Como resultado, el arranque del sistema es una tarea larga y meticulosa, y la sensibilidad del sistema a las variaciones en los parámetros de la máquina requiere frecuentes ajustes, igualmente meticulosos. Otros inconvenientes tienen que ver con el rendimiento, y son producidos, en particular, por el efecto de acción integral de los controladores PID de selección mínima. Es decir, dado que el controlador no seleccionado es incapaz de actuar en la respectiva variable controlada para reducir el error en cuestión, la contribución del término integral tiende asaturar rápidamente la señal de control. Ésta es obviamente una situación a evitar, produciendo retardos inaceptables y evitando la intervención oportuna del controlador excluido cuando sea necesario. Por lo tanto, se han propuesto técnicas anti-wind-up, que consisten básicamente en forzar artificialmente la realimentación para mantener la señal fuera de control a un valor ligeramente más alto que la señal competidora en el orificio de selección mínima. En este caso, sin embargo, el controlador no seleccionado tiende a intervenir cuando no es estrictamente necesario, cuando el controlador competidor intenta rastrear una variación rápida en la respectiva variable controlada, dando lugar así también a un deterioro significativo del rendimiento. De hecho, los sistemas convencionales no reaccionan rápidamente, especialmente en el caso de repentinas variaciones de la carga, y a menudo manifiestan oscilaciones indeseadas incompatibles con los requisitos de estabilidad cada vez más estrictos de la normativa reciente. Más específicamente, los sistemas tienen que asistir a regular la red de suministro, y a resistir la repentina conmutación de condiciones nominales, en las que la red de suministro es virtualmente capaz de absorber cargas infinitas, las denominadas condiciones de “isla de carga”, en las que una sección de la red de suministro está aislada, por ejemplo debido a un fallo, y solamente absorbe una carga limitada.

Un ejemplo de un dispositivo conocido para controlar una planta de potencia de turbina de gas se describe en JP 2002 295661 A e incluye medios reguladores que suministran una primera señal para controlar el suministro de carburante a una cámara de combustión y una segunda señal para controlar la admisión de aire por un compresor.

JP 01 294915 A describe el control de realimentación de la velocidad rotacional de la turbina en una fase de inercia durante el cambio de engranaje en una transmisión automática.

CHANG G-K y colaboradores: “Modified integral variable structure model following control of synchronous generator” PROCEEDINGS OF THE 2001 AMERICAN CONTROL CONFERENCE ACC. ARLINGTON, VA, JUNE 25-27, 2001, AMERICAN CONTROL CONFERENCE, NEW YORK, NY: IEEE US, vol.2, 25 June 2001(2001-06-05), páginas 823-828 y SENJYU T y colaboradores: “Cooperative control of AVR and GOV for improving transient stability of power systems using fuzzy controlled” NEURAL NETWORKS TO POWER SYSTEMS, 1993, ANNPS '93, PROCEEDINGS OF THE SECOND INTERNATIONAL FORUM ON APPLICATIONS OF YOKOHAMA, JAPAN 19-22 APRIL 1993, NEW YORK, NY, USA, IEEE, IS, 19 April 1993, páginas 35-40, describe aplicar técnicas de control de modo deslizante a generadores en sistemas de generación de potencia.

Un objeto de la presente invención es proporcionar un dispositivo de control y método diseñados para eliminar dichos inconvenientes.

Según la presente invención, se facilita un dispositivo y método para controlar un sistema de generación de potencia eléctrica incluyendo una turbina de gas, como se reivindica en las reivindicaciones 1 y 6 respectivamente.

Una realización no limitadora de la invención se describirá a modo de ejemplo con referencia a los dibujos acompañantes, en los que:

La figura 1 representa un diagrama de bloques simplificado de un sistema de generación de potencia eléctrica.

La figura 2 representa un diagrama de bloques de un dispositivo de control incorporado en el sistema de la figura 1 y según una primera realización de la presente invención.

Las figuras 3 y 4 muestran diagramas de bloques más detallados de partes del dispositivo de control de la figura 2.

La figura 5 representa un diagrama de bloques de un dispositivo de control según una segunda realización de la presente invención.

las figuras 6 y 7 muestran diagramas de bloques más detallados de partes del dispositivo de control de la figura 5.

La figura 1 representa un sistema de generación de potencia eléctrica de turbina de gas 1. El sistema 1 es selectivamente conectable a una red de suministro 2 por un disyuntor principal 3, e incluye un turboaccionador 5, un generador 6, un módulo sensor 7, un dispositivo de control 8, y un primer y un segundo accionador 9, 10.

El turboaccionador 5 es un tipo convencional incluyendo un compresor 12 con una etapa de entrada de geometría variable 13; una cámara de combustión 14; y una turbina de gas 15. Más específicamente, la etapa de entrada 13 del compresor 12 tiene un número de álabes...

1. Un dispositivo para controlar un sistema de generación de potencia eléctrica incluyendo una turbina de gas (15); un compresor (12, 13); una cámara de combustión (14); y un generador de potencia eléctrica (6) conectado mecánicamente a la turbina de gas;

incluyendo el dispositivo medios reguladores (24, 25; 124, 125) que suministran una primera señal de control (UFV) para controlar el suministro de carburante a la cámara de combustión (14); y una segunda señal de control (UIGV) para controlar la admisión de aire por el compresor (12, 13);

caracterizado porque dichos medios reguladores (24, 25; 124, 125) están configurados para generar dicha primera (UFV) y segunda (UIGV) señales de control en forma de control de modo deslizante e incluyen un primer regulador de modo deslizante (24; 124) que suministra dicha primera señal de control (UFV) y un segundo regulador de modo deslizante (25; 125) que suministra dicha segunda señal de control (UIGV);

donde dicho primer regulador de modo deslizante (24; 124) incluye:

una primera etapa de conmutación (35; 135) que genera dicha primera señal de control (UFV) en base a un primer conjunto de variables (ω, PE, β, TE, TEC) que se pueden adquirir del sistema, y en base a respectivos primeros valores de referencia ((ωR, PER, βMAX, TMAX), incluyendo dicho primer conjunto de variables (ω, PE, β, TE, TEC) al menos una velocidad angular (ω) de la turbina de gas (15), una potencia eléctrica activa (PE) suministrada por el generador (6), la temperatura de los gases de escape (TE, TEC) de la turbina de gas (15) y una relación de compresión (β); y

una primera, una segunda y una tercera etapa de generación (41, 45, 47) que suministra una primera, una segunda y una tercera superficie de deslizamiento (σ1, σ2, σ3) respectivamente representativas de un error de velocidad angular (Eω) y un error de potencia eléctrica activa (EPE), un primer error de temperatura de los gases de escape (ETE1) y un error de relación de compresión (Eβ), generando dicha primera etapa de conmutación (35; 135) dicha primera señal de control (UFV) en base a una superficie mínima (σMIN) seleccionada de dicha primera, dicha segunda y dicha tercera superficie de deslizamiento (σ1, σ2, σ3); y donde dicho segundo regulador de modo deslizante

(25; 125) incluye: una segunda etapa de conmutación (51; 151) que genera dicha segunda señal de control (UIGV) en base a un segundo conjunto de variables (TE, TEC) que se pueden adquirir del sistema, y en base a respectivos segundos valores de referencia (TR), incluyendo dicho segundo conjunto de variables (TE, TEC) dicha temperatura de los gases de escape; y una cuarta etapa de generación (50) que suministra una cuarta superficie de deslizamiento (σ4) representativa de un segundo error de temperatura de los gases de escape (ETE2), generando dicha segunda etapa de conmutación (51; 151) dicha segunda señal de control (UIGV) en base a dicha cuarta superficie de deslizamiento (σ4).

2. Un dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por incluir un orificio de selección mínima (33) que recibe dicha primera, dicha segunda y dicha tercera superficie de deslizamiento (σ1, σ2, σ3) y suministra dicha superficie mínima (σMIN) a dicha primera etapa de conmutación (35; 135).

3. Un dispositivo según cualquiera de las reivindi

caciones 1 o 2, caracterizado porque dicho primer regulador de modo deslizante (24; 124) es un regulador de modo deslizante de primer orden o de segundo orden.

4. Un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho segundo regulador de modo deslizante (25; 125) es un regulador de modo deslizante de primer orden o de segundo orden.

5. Un sistema de generación de potencia eléctrica incluyendo una turbina de gas (15); un compresor (12, 13); una cámara de combustión (14); y un generador de potencia eléctrica (6) conectado mecánicamente a la turbina de gas;

caracterizado por incluir un dispositivo de control (8; 108) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

6. Un método de controlar un sistema de generación de potencia eléctrica incluyendo una turbina de gas (15); un compresor (12, 13); una cámara de combustión (14); y un generador de potencia eléctrica (6) conectado mecánicamente a la turbina de gas; incluyendo el método los pasos de generar una primera señal de control (UFV) para controlar el suministro de carburante a la cámara de combustión (14); y generar una segunda señal de control (UIGV), para controlar la admisión de aire por el compresor (12, 13); caracterizado porque dicha primera (UFV) y segunda (UIGV) señales de control son generadas en forma de control de modo deslizante; donde dicha primera señal de control (UFV) es generada en base a un primer conjunto de variables (ω, PE, β, TE, TEC) que se pueden adquirir del sistema, y en base a respectivos primeros valores de referencia (ωR, PER, βMAX, TMAX), incluyendo dicho primer conjunto de variables (ω), PE, β, TE, TEC) al menos una velocidad angular (ω) de la turbina de gas (15), una potencia eléctrica activa (PE) suministrada por el generador (6), la temperatura de los gases de escape (TE, TEC)

de la turbina de gas (15) y una relación de compresión (β);

donde el paso de generar la primera señal de control (UFV) incluye generar una primera, una segunda y una tercera superficie de deslizamiento (σ1, σ2, σ3) respectivamente representativas de un error de velocidad angular (Eω) y un error de potencia eléctrica activa (EPE), un primer error de temperatura de los gases de escape (ETE1) y un error de relación de compresión (Eβ), generándose dicha primera señal de control (UFV) en base a una superficie mínima (σMIN) seleccionada de dicha primera, dicha segunda y dicha tercera superficie de deslizamiento (σ1, σ2, σ3);

donde dicha segunda señal de control (UIGV) es generada en base a un segundo conjunto de variables (TE, TEC) que se pueden adquirir del sistema, y en base a respectivos segundos valores de referencia (TR), incluyendo dicho segundo conjunto de variables (TE, TEC) dicha temperatura de los gases de escape;

y donde el paso de generar la segunda señal de control (UIGV) incluye generar una cuarta superficie de deslizamiento (σ4) representativa de un segundo error de temperatura de los gases de escape (ETE2).

7. Un método según la reivindicación 6, caracterizado porque la primera señal de control (UFV) es generada en forma de control de modo deslizante de primer orden o de segundo orden.

8. Un método según la reivindicación 6 o 7, caracterizado porque dicha segunda señal de control (UIGV) es generada en base a dicha cuarta superficie de deslizamiento (σ4).

9. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque dicha segunda señal de control (UIGV) es generada en forma de control de modo deslizante de primer orden o de segundo orden.