Un sistema de energía eólica, que comprende una instalación (1) para generar energía eléctrica a partir del viento por medio de al menos una turbina generadora de energía dispuesta para hacerse girar por el viento,

y un sistema (2, 21, 22) de control, incluyendo dicho sistema de control un controlador (22) de potencia para controlar el suministro de energía eléctrica desde dicho sistema de energía eólica a una red (4) para la distribución de energía eléctrica a una pluralidad de consumidores, en el que el controlador de potencia comprende medios para controlar una corriente suministrada a dicha red mediante dicho sistema de energía eólica según al menos un parámetro (223) de entrada, donde el controlador (22) de potencia está configurado para mantener la magnitud de la corriente total suministrada a la red por debajo de una magnitud máxima prefijada (Imax), donde el sistema de control está dispuesto para establecer, en vista de un voltaje de red medido y en vista de la potencia activa que se suministra a la red, una cantidad máxima de potencia reactiva (Qmax) que puede suministrarse a dicha red, seleccionándose dicha cantidad máxima de potencia reactiva de manera que dicha corriente no supere dicha magnitud máxima prefijada (Imax). caracterizado porque el sistema está dispuesto para evitar que la potencia activa se eleve por encima de un nivel predeterminado (PN), estando el sistema de control configurado para permitir una reducción de la potencia aparente cuando el ángulo de fase entre el voltaje y la corriente decrezca por debajo de cierto nivel, para impedir un par motor excesivo sobre componentes mecánicos del sistema

Sistema de energía eólica y procedimiento para hacerlo funcionar.

Campo de la invención

La presente invención se refiere al campo de sistemas y dispositivos de energía eólica, y más específicamente al control de la manera en que se suministra la energía generada mediante tales sistemas y dispositivos a una red de energía eléctrica para la distribución de la energía.

Estado de la técnica

Los sistemas de energía eólica incluyen uno o más generadores o turbinas de energía eólica dispuestos para producir energía eléctrica mediante rotación inducida por el viento. Esta energía eléctrica, generada por uno o más de estos generadores (por ejemplo, por varios generadores que forman parte de o que constituyen un denominado "parque eólico"), se suministra a una red de energía eléctrica o red para la distribución de la energía. Normalmente, un gran número de generadores de energía eléctrica se conectan a la misma red de energía eléctrica, y normalmente también están conectados a la red de energía eléctrica varios consumidores de energía.

Con el fin de mantener el voltaje y la frecuencia en la red sustancialmente constante, es importante que la entrada de potencia a la red de energía eléctrica en cada momento sea sustancialmente igual a la potencia que se consume. Por tanto, la generación de potencia (incluyendo la potencia generada por los generadores o turbinas eólicas individuales y/o por uno o más parques eólicos considerados como un todo) tiene que controlarse y modificarse según el consumo.

Un problema con la energía eólica, en comparación con otros tipos de generación de energía eléctrica tales como la generación de energía hidroeléctrica, energía nuclear, etc., es que el viento tiende a fluctuar mucho incluso a corto plazo. Si la energía eólica sólo representa una proporción muy pequeña de la energía que se introduce a una red, estas variaciones pueden no ser importantes para el rendimiento general de la red. Sin embargo, puesto que la energía eólica ha aumentado en popularidad y ahora forma una parte sustancial de la energía eléctrica total que se inyecta a la red, la regulación de la manera en que se inyecta y suministra energía eólica a la red de energía eléctrica (mediante turbinas eólicas individuales y/o mediante los parques eólicos considerados como un todo) se ha vuelto cada vez más importante. Un gran número de patentes, solicitudes de patentes y otros documentos se refieren a cómo controlar el suministro de energía eólica a la red.

Un ejemplo de una patente de este tipo es US-B-6906431 que parece que sugiere que una pluralidad instalaciones de energía eólica están dotadas de "un dispositivo para regular la potencia que va a entregarse a la red, en el que la regulación se ajusta de manera que siempre se alimenta una potencia aparente constante a la red". Se dice que la potencia aparente puede calcularse según la fórmula

donde

S es la magnitud de la potencia aparente, P es la magnitud de la potencia activa, y Q es la magnitud de la potencia reactiva.

Ahora bien, esto implica un problema ya que no se utilizan las restricciones de diseño térmicas/de corriente (I). Fundamentalmente, cuando se hace funcionar este tipo de sistema, es importante que la corriente que fluye a través de cualquiera de los componentes no supere el nivel máximo que puede tolerar el componente; una corriente excesiva puede provocar sobrecalentamiento y destruir el componente.

Además, no está claro de qué manera el sistema y el procedimiento descritos en el documento US-B-6906431 pueden implementarse realmente en un sistema práctico. Por ejemplo, mantener siempre la potencia aparente constante parecería ser muy complejo, por no decir imposible, durante, por ejemplo, una fase de arranque del generador o generadores eólicos.

También, cuando se opera en un modo con potencia reactiva sustancialmente cero, la potencia activa ha de mantenerse sustancialmente constante. Ahora bien, esto es imposible durante, por ejemplo, una fase de arranque. Por otro lado, si no se considera la fase de arranque, mantener la potencia activa constante es sólo una manera común de regular la entrada de potencia a la red de energía eléctrica: normalmente, una turbina eólica está prevista para producir su salida de potencia activa nominal, que se alimenta entonces a la red de energía eléctrica. Por tanto, no puede entenderse de qué manera podrían considerarse el procedimiento y sistema de control dados a conocer en el documento US-B-6906431 para implicar cualquier contribución sobre esta manera de operar de la técnica anterior convencional (o prevista para operar, puesto que una salida de potencia constante al 100% es imposible en la práctica, debido a las tolerancias inherentes en cualquier componente y sistema de control del mundo real) una turbina eólica o parque eólico. Lo mismo se aplica, mutatis mutandis, al funcionamiento de la turbina eólica sustancialmente sin generación de potencia activa y generación constante de potencia reactiva.

Un problema adicional es que cuando se opera un sistema de energía eólica (tal como una turbina o generador eólicos, o un parque eólico que comprende varias turbina eólicas) con generación constante de potencia e inyección de dicha potencia a la red, una disminución en el voltaje implicará un aumento en la corriente, si la potencia ha de mantenerse constante. Ahora bien, esto implica que si la corriente está próxima originariamente al nivel de corriente máxima establecido por los componentes implicados, las corrientes superiores pueden provocar daño a dichos componentes. Por tanto, puede ser necesario mantener la corriente sustancialmente por debajo de los niveles máximos determinados por los componentes implicados durante el funcionamiento normal del sistema de energía eólica, para permitir un aumento de este tipo en las corrientes sin ningún daño sustancial para los componentes. Sin embargo, esto, a su vez, requiere fundamentalmente que los componentes implicados (conductores, transformadores, etc.) estén diseñados para aguantar corrientes sustancialmente superiores a las que están presentes normalmente, lo que a su vez implica costes adicionales, etc.

Por tanto, el procedimiento y sistema de control dados a conocer en el documento US-B-6906431 parecen ser difíciles, por no decir imposibles, de implementar en un sistema del mundo real e, incluso si se implementara satisfactoriamente, el procedimiento parece implicar problemas relacionados con el riesgo de sobrecorrientes.

El documento WO-A-2007/006565 trata otra manera de controlar la energía alimentada a la red desde un generador de energía eléctrica o un parque eólico. En este caso, se suministra una corriente que es superior a la corriente nominal. De esta manera, puede suministrarse más energía a la red. La idea que subyace en el sistema dado a conocer en el documento WO-A-2007/006565 se basa en el hecho de que los componentes implicados con la transferencia de energía generada a la red están dimensionados según el comportamiento nominal del generador, sin considerar el hecho de que hay variaciones sustanciales en el voltaje. Por tanto, se aduce que el sistema dado a conocer consigue aumentar el suministro de potencia a la red de energía eléctrica sin dañar los componentes debido a una corriente excesivamente alta.

Ahora bien, un problema relacionado con el sistema dado a conocer en el documento WO-A-2007/006565 es que éste puede dar lugar a una salida de potencia aumentada que puede dañar realmente las partes mecánicas del generador, debido a, por ejemplo, un par motor excesivo.

El documento WO-A-2005/031160 discute, entre otras cosas, inconvenientes relacionadas con el sistema de DE-C-10059018, que se corresponde con la referencia del antecedente US-B-6906431 citado anteriormente, y propone una forma de conseguir una red de apoyo adecuada mediante el suministro de energía reactiva, siempre que no exceda la corriente máxima que los componentes del aerogenerador pueden soportar, y siempre que asegure que una cantidad mínima de energía activa se mantiene disponible por razones de seguridad, de manera que se mantenga la velocidad del rotor del aerogenerador dentro de ciertos límites.

Descripción de la invención

La invención se define en las reivindicaciones independientes. Por lo tanto, algunas realizaciones se definen en las reivindicaciones...

1. Un sistema de energía eólica, que comprende una instalación (1) para generar energía eléctrica a partir del viento por medio de al menos una turbina generadora de energía dispuesta para hacerse girar por el viento, y un sistema (2, 21, 22) de control, incluyendo dicho sistema de control un controlador (22) de potencia para controlar el suministro de energía eléctrica desde dicho sistema de energía eólica a una red (4) para la distribución de energía eléctrica a una pluralidad de consumidores, en el que el controlador de potencia comprende medios para controlar una corriente suministrada a dicha red mediante dicho sistema de energía eólica según al menos un parámetro (223) de entrada,

donde el controlador (22) de potencia está configurado para mantener la magnitud de la corriente total suministrada a la red por debajo de una magnitud máxima prefijada (Imax),

donde el sistema de control está dispuesto para establecer, en vista de un voltaje de red medido y en vista de la potencia activa que se suministra a la red, una cantidad máxima de potencia reactiva (Qmax) que puede suministrarse a dicha red, seleccionándose dicha cantidad máxima de potencia reactiva de manera que dicha corriente no supere dicha magnitud máxima prefijada (Imax).

caracterizado porque el sistema está dispuesto para evitar que la potencia activa se eleve por encima de un nivel predeterminado (P_N), estando el sistema de control configurado para permitir una reducción de la potencia aparente cuando el ángulo de fase entre el voltaje y la corriente decrezca por debajo de cierto nivel, para impedir un par motor excesivo sobre componentes mecánicos del sistema.

2. El sistema de energía eólica según la reivindicación 1, en el que la corriente total se determinar mediante la fórmula

donde I es la amplitud de la corriente total, I_P es la amplitud de la componente de corriente en fase con el voltaje, e I_Q es la amplitud de la componente de corriente que tiene una diferencia de fase de pmπ/2 radianes con respecto al voltaje.

3. El sistema de energía eólica según la reivindicación 1 ó 2, en el que el controlador de potencia está configurado para hacer funcionar el sistema de energía eólica para suministrar una cantidad predeterminada de potencia activa (P) y una cantidad predeterminada de potencia reactiva (Q) a la red según una señal de referencia de potencia activa y una señal de referencia de potencia reactiva, en el que el controlador de potencia está dispuesto además para controlar la corriente suministrada por el sistema de energía eólica y para adaptar la potencia activa (P) y la potencia reactiva (Q) de manera que dicha corriente total no supere dicha magnitud máxima prefijada (Imax).

4. El sistema de energía eólica según la reivindicación 1 ó 2, en el que el controlador de potencia está configurado para hacer funcionar el sistema de energía eólica para suministrar una cantidad predeterminada de potencia activa (P) y una cantidad predeterminada de potencia reactiva (Q) a la red según una señal de referencia de potencia activa y una señal de referencia de ángulo de fase, en el que el controlador de potencia está dispuesto además para controlar la corriente suministrada por el sistema de energía eólica y para adaptar la potencia activa (P) y el ángulo de fase de manera que dicha corriente total no supere dicha magnitud máxima prefijada (Imax).

5. El sistema de energía eólica según la reivindicación 3 ó 4, en el que el sistema de control está configurado para aumentar la corriente suministrada por el sistema de energía eólica cuando hay una caída en el voltaje en un extremo de salida del sistema de energía eólica, para continuar suministrando, mientras sea posible, dichas cantidades predeterminadas de potencia activa y potencia reactiva, con la condición de que la corriente no supere dicha magnitud máxima prefijada (Imax).

6. El sistema de energía eólica según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, dispuesto para dar preferencia al suministro de potencia activa (P) o al suministro de potencia reactiva (Q) en una situación en la que no es posible suministrar las cantidades preestablecidas de dicha potencia activa y dicha potencia reactiva sin permitir que la corriente total supere dicha magnitud máxima prefijada (Imax).

7. El sistema de energía eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el controlador (22) de potencia comprende un bucle de control para la potencia activa y un bucle de control para potencia reactiva, en el que el bucle de control para la potencia activa incluye medios (302) para generar una señal de referencia de corriente activa (IRQ_REF) y en el que el bucle de control para la potencia reactiva incluye medios (402) para generar una señal de referencia de corriente reactiva (IRD_REF), en el que dicho sistema de control comprende además medios (305, 405) para limitar dicha señal de referencia de corriente activa y dicha señal de referencia de corriente reactiva para impedir que la corriente total supere dicha magnitud máxima prefijada (Imax).

8. El sistema de energía eólica según la reivindicación 7, en el que dicho controlador (22) de potencia está dispuesto para limitar dicha señal de referencia de corriente activa y dicha señal de referencia de corriente reactiva según al menos un indicador de preferencia almacenado en el sistema, de manera que se da preferencia a la limitación de o bien dicha señal de referencia de corriente activa o bien de dicha señal de referencia de corriente reactiva.

9. Un método de operación de un sistema de energía eólica que comprende una instalación (1) para generar energía eléctrica a partir del viento por medio de al menos una turbina generadora de energía dispuesta para hacerse girar por el viento para suministrar corriente a una red (4) para la distribución de energía eléctrica a una pluralidad de consumidores,

el método comprende la etapa de mantener la magnitud de la corriente total suministrada a la red por debajo de una magnitud máxima prefijada (Imax),

la etapa de establecer, en vista de un voltaje de red medido y en vista de la potencia activa que se suministra a la red, una cantidad máxima de potencia reactiva (Qmax) que puede suministrarse a dicha red, seleccionándose dicha cantidad máxima de potencia reactiva de manera que dicha corriente total no supere dicha magnitud máxima prefijada (Imax), caracterizado porque comprende

la etapa de impedir que la potencia activa aumente por encima de un nivel predeterminado (P_N), permitiendo así una reducción de la potencia aparente cuando el ángulo de fase entre el voltaje y la corriente disminuye por debajo de un cierto nivel, para impedir un par motor excesivo sobre los componentes mecánicos del sistema.

10. Método según la reivindicación 9, en el que la corriente total se determina mediante la fórmula

donde I es la amplitud de la corriente total, I_P es la amplitud de la componente de corriente en fase con el voltaje, e I_Q es la amplitud de la componente de corriente que tiene una diferencia de fase de pmπ/2 radianes con respecto al voltaje.

11. Método según la reivindicación 9 o 10, en el que el sistema de energía eólica se opera para suministrar una cantidad predeterminada de potencia activa (P) y una cantidad predeterminada de potencia reactiva (Q) a la red según una señal de referencia de potencia activa y una señal de referencia de potencia reactiva, y que comprende la etapa de controlar la corriente y adaptar la potencia activa (P) y la potencia reactiva (Q) de manera que la corriente total no supere dicha magnitud máxima prefijada (Imax).

12. Método según la reivindicación 9 o 10, en el que el sistema de energía eólica se opera para suministrar una cantidad predeterminada de potencia activa (P) y una cantidad predeterminada de potencia reactiva (Q) a la red según una señal de referencia de potencia activa y una señal de referencia de ángulo de fase, y que comprende la etapa de controlar la corriente y adaptar la potencia activa (P) y ángulo de fase de manera que la corriente total no supere dicha magnitud máxima prefijada (Imax).

13. Método según la reivindicación 11 ó 12, que comprende la etapa de aumentar la corriente suministrada por el sistema de energía eólica cuando hay una caída en el voltaje en un extremo de salida del sistema de energía eólica, para continuar suministrando, mientras sea posible, dichas cantidades predeterminadas de potencia activa y potencia reactiva, con la condición de que la corriente total no supere dicha magnitud máxima prefijada (Imax).

14. Método según cualquiera de las reivindicaciones 10-13, que comprende la etapa de dar preferencia al suministro de potencia activa (P) o al suministro de potencia reactiva (Q) cuando sucede una situación en la que no es posible suministrar las cantidades preestablecidas de dicha potencia activa y dicha potencia reactiva sin permitir que la corriente total supere dicha magnitud máxima prefijada (Imax).

15. Método según cualquiera de las reivindicaciones 9-14, que comprende las etapas de, en un bucle de control para la potencia activa, generar (302) una señal de referencia de corriente activa (IRQ_REF), y en un bucle de control para la potencia reactiva, generar una señal de referencia de corriente reactiva (IRD_REF), mientras que limita (305, 405) dicha señal de referencia de corriente activa y dicha señal de referencia de corriente reactiva para impedir que la corriente total suministrada a la red de energía eléctrica supere dicha magnitud máxima prefijada (Imax).

16. Método según la reivindicación 15, que comprende la etapa de limitar dicha señal de referencia de corriente activa y dicha señal de referencia de corriente reactiva según al menos un indicador de preferencia, de manera que se da preferencia a la limitación o bien de dicha señal de referencia de corriente activa o bien de dicha señal de referencia de corriente reactiva.