Sistema de control para instalaciones de energía eólica con detección de cortes en la red.

Sistema para el control de una instalación de energía eólica con un rotor (12) eólico y un generador (13) impulsado por el rotor (12) eólico que presenta una unidad (5) de control de par del generador (13)

caracterizado porque

está previsto un sistema de control (7) adicional que comprende un detector (71) para detectar una caída de la tensión de red y

su desaparición,

un indicador (72) de par residual que proporciona un valor de par a fijar del generador (13) tras detectarse la caída de la tensión de red y un inicializador (73) que inicializa un componente de la unidad (5) de control del par imponiéndole un valor de referencia tras detectarse la caída de la tensión de red.

Sistema de control para instalaciones de energía eólica con detección de cortes en la red La invención se refiere a un sistema de control para instalaciones de energía eólica con un rotor eólico y un generador accionado por éste, estando el generador accionado por el rotor eólico y presentando el sistema de control una unidad de control de par del par del generador.

Las instalaciones de energía eólica modernas se hacen funcionar casi exclusivamente a una velocidad de giro variable. Esto significa que el rotor de eólico que habitualmente acciona el generador a través de un mecanismo de transmisión se puede hacer funcionar a una velocidad de giro variable en función de las condiciones de viento. Con este fin están previstos unos medios en el rotor eólico para modificar el ángulo de ataque de las palas del rotor. Al modificar el ángulo de ataque (pitch) se modifica la potencia eólica que extrae del viento el rotor eólico. Análogamente mediante la unidad de control de par se modifica el par del generador y con él la potencia eléctrica de salida. Una regulación habitual prevé mayormente que la unidad de control del ángulo de ataque y la unidad de control de par estén conectadas a un módulo jerárquicamente superior para control del punto de funcionamiento que determina el valor objetivo a fijar para la unidad de control del ángulo de ataque y la velocidad de giro y se lo impone.

El sistema de control puede estar diseñado con la unidad de control del ángulo de ataque y la unidad de control de par independientes (documento US 6137187) . También puede estar previsto que ambas unidades de control estén interconectadas (documento DE 102005029000) de modo que con la interconexión se pueda conseguir una mejoría significativa de la transición entre el funcionamiento a carga parcial y a plena carga de la instalación de energía eólica.

Si durante el funcionamiento se producen averías en la red, en particular, caídas de tensión de corta duración debidas a cortocircuitos también se ven afectadas las instalaciones de energía eólica de velocidad variable. Tradicionalmente las instalaciones de energía eólica se aíslan de la red con lo que hay menos potencia disponible en la red. En caso de cortocircuito esto resulta contraproducente. Se pretende por ello mantener las instalaciones de energía eólica conectadas a la red al menos durante caídas de tensión de corta duración de modo que cuando ya haya pasado la caída de tensión la instalación de energía eólica pueda volver a suministrar potencia a la red lo más rápido posible. Este aspecto de que la instalación de energía permanezca conectada a la red mientras la tensión no se restablece se denomina "low voltage ride through" (aguantar a baja tensión) .

Debido a los rápidos cambios de los parámetros de la red eléctrica cuando la red colapsa aparecen en la instalación de energía eólica y en su conjunto de transmisión los correspondientes efectos muy dinámicos. En éste aparecen oscilaciones. Estas oscilaciones que aparecen cuando empieza a caer la tensión de red, en la práctica se ven estimuladas cuando desaparece la caída de la tensión de red, es decir, cuando la tensión se restablece. Entonces pueden aparecer picos de par que son más de dos veces mayores que el par nominal. Existe, por tanto, el riesgo de que se parta el conjunto de transmisión de la instalación de energía eólica y el riesgo de que se produzcan desperfectos en el entorno. Un remedio conocido consiste en sobredimensionar el conjunto de transmisión mecánica en consonancia. Sin embargo, esto tiene el inconveniente de que los costes de fabricación de la instalación energía eólica se ven aumentados notablemente.

Partiendo del estado de la técnica que se ha acaba de mencionar el objetivo de la invención es mejorar la respuesta de la instalación de energía eólica de la red ante caídas de tensión transitorias (low voltage ride through) .

La solución según la invención se recoge en las características de las reivindicaciones independientes. Los perfeccionamientos ventajosos son el objeto de las reivindicaciones dependientes.

En un sistema de control de instalaciones de energía eólica con un rotor eólico y un generador que está impulsado por el rotor eólico a velocidad variable y que presenta una unidad de control del ángulo de ataque para controlar la velocidad de giro del rotor eólico y una unidad de control de par para controlar el par del generador está previsto según la invención un detector para detectar una caída de la tensión de red y el momento en el que desaparece, un indicador del par que proporciona un valor prefijado del par del generador tras detectarse la caída de la tensión de red y un inicializador que impone el valor prefijado a un componente del sistema de control de par tras detectarse la caída de la tensión de red.

La esencia de la invención está en la idea de imponer obligatoriamente un valor determinado a la unidad de control de par cuando desaparece la caída de tensión. Esto puede hacerse poniendo a cero el estado del integrador. Así se consigue que la unidad de control de par, gracias a la inicialización, presente un valor que esté muy lejos de los límites de saturación eventuales de la unidad de control, en particular, de los reguladores implementados en ella. La invención parte de la observación de que en los sistemas de regulación que se usan tradicionalmente existe el peligro de que cuando desaparece la caída de la tensión de red entren en saturación puesto que el par real que verdaderamente aparece mientras dura la caída de la tensión de red se aleja mucho de los valores objetivo previstos en principio. Los reguladores no pueden reaccionar con suficiente sensibilidad a la desaparición de la caída de la tensión de red. La invención parte también de la observación de que las consecuencias negativas se pueden evitar si se borra la "memoria" del sistema de control. Esto se produce al inicializarla. Entonces existe la garantía de que cuando desaparezca la caída de la tensión de red se impedirá la saturación y así el sistema de control tendrá un margen de posicionamiento suficiente. Con la inicialización se puede poner a un valor inicial que produzca un amortiguamiento óptimo de las vibraciones en el conjunto de transmisión. La invención consigue un amortiguamiento de las oscilaciones espectacularmente bueno con un coste escaso.

A continuación se aclararán primeramente algunos conceptos que se usan. Por inicializar se entenderá imponer a una unidad de control un determinado valor como valor objetivo. Las desviaciones precedentes no tendrán efecto. El historial del sistema de control se borra por así decirlo.

Por una unidad de control se entenderá el sistema que regula o controla una magnitud de control en función de al menos un parámetro de entrada. Por tanto hay que darle una interpretación más amplia en la que queda comprendida también un sistema de regulación.

Por un elemento I de la unidad de control se entenderá un componente que se encargará de mantener la exactitud estacionaria. Un ejemplo de esto es el clásico regulador PI o PID y su elemento I. El concepto "elemento I" no queda limitado, sin embargo, a éstos, sino que comprende también los componentes de otros conceptos de regulación que se encargan de mantener la exactitud estacionaria, como los reguladores de estado o sistemas de regulación basados lógica borrosa. Por restablecimiento de la tensión de red se entiende en el sentido de la invención el aumento de la tensión de red hasta una tensión umbral que se puede ajustar y permitida para el funcionamiento estacionario (por lo general aproximadamente el 90% de la tensión nominal) .

Se prefiere en particular que sea un elemento I el que se inicializa. El elemento I es el componente de la unidad de control que se encarga de mantener la exactitud estacionaria. En el contexto de la invención no se trata de esto sino que, por el contrario, actuar sobre el elemento I ayuda a mejorar la dinámica del regulador. Parece aun sorprendente que alterando específicamente el componente que mantiene la exactitud estacionaria, a saber el elemento I, la invención consiga mejorar la dinámica, concretamente al cargar mucho menos el conjunto de transmisión cuando la red vuelve a la normalidad. Paradójicamente, precisamente actuar sobre el elemento I es lo que mejora la respuesta dinámica.

Este efecto positivo al actuar sobre el elemento I se puede aumentar si el inicializador modifica además un factor de ponderación del componente de la unidad de control del par. El inicializador,... [Seguir leyendo]

1. Sistema para el control de una instalación de energía eólica con un rotor (12) eólico y un generador (13) impulsado por el rotor (12) eólico que presenta una unidad (5) de control de par del generador (13)

caracterizado porque está previsto un sistema de control (7) adicional que comprende un detector (71) para detectar una caída de la tensión de red y su desaparición, un indicador (72) de par residual que proporciona un valor de par a fijar del generador (13) tras detectarse la caída de la tensión de red y un inicializador (73) que inicializa un componente de la unidad (5) de control del par imponiéndole un valor de referencia tras detectarse la caída de la tensión de red.

2. Sistema para el control de una instalación de energía eólica de acuerdo con la reivindicación 1

caracterizado porque el componente de la unidad (5) de control de par es un elemento I (57) .

3. Sistema para el control de una instalación de energía eólica de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2

caracterizado porque el inicializador (73) modifica un factor de ponderación del componente de la unidad (4) de control del par.

4. Sistema para el control de una instalación de energía eólica de acuerdo con la reivindicación 3

caracterizado porque el inicializador (73) modifica al menos un factor de ponderación adicional de otro componente, concretamente en sentido contrario preferentemente.

5. Sistema para el control de una instalación de energía eólica de acuerdo con la reivindicación 3 ó 4

caracterizado porque la modificación de los factores de ponderación se hace transitoriamente durante un intervalo de tiempo que se puede ajustar.

6. Sistema para el control de una instalación de energía eólica de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque está previsto un módulo (74) de cálculo de un valor prefijado que está diseñado para determinar un par de seguridad (MR) en función de la gravedad de la caída de la tensión de red.

7. Sistema para el control de una instalación de energía eólica de acuerdo con la reivindicación 6

caracterizado porque el módulo (74) de cálculo comprende un elemento que sigue una curva característica.

8. Sistema para el control de una instalación de energía eólica de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el sistema control (7) adicional presenta un módulo (76) de aguante que impone un punto de ajuste modificado de la velocidad de giro a la unidad (4) de control del ángulo de ataque y/o la unidad (5) de control de par.

9. Sistema para el control de una instalación de energía eólica de acuerdo con la reivindicación 8

caracterizado porque el punto de ajuste de la unidad (4) de control del ángulo de ataque y la unidad (5) de control del par son diferentes.

10. Sistema para el control de una instalación de energía eólica de acuerdo con la reivindicación 8 ó 9

caracterizado porque el punto de ajuste de la velocidad de giro modificado se impone a un filtro (52) de entrada de un núcleo (51) del regulador de la unidad (5) de control de par.

11. Sistema para el control de una instalación de energía eólica de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el sistema (7) de control adicional presenta además un módulo piloto que está diseñado para detectar la caída de la tensión de red y la aparición de un exceso de par.

12. Sistema para el control de una instalación de energía eólica de acuerdo con la reivindicación 11

caracterizado porque el módulo piloto actúa sobre un sistema (61) de conmutación para imponer un par objetivo al generador (13) durante la caída de la tensión de red.

13. Sistema para el control de una instalación de energía eólica de acuerdo con la reivindicación 11 ó 12

caracterizado porque el módulo piloto interacciona con el inicializador (73) para inicializar el elemento I (57) de la unidad (5) de control del par.

14. Sistema para el control de una instalación de energía eólica de acuerdo con una de las reivindicaciones 11 a 13

caracterizado porque el sistema control adicional presenta además un módulo de ajuste rápido del ángulo de ataque que se controla con el módulo piloto.

15. Instalación de energía eólica con una torre (10) , una góndola (11) dispuesta sobre él, con un rotor (12) eólico en el frente y un generador (13) accionado por éste para generar energía eléctrica y suministrársela a una red (9)

caracterizada porque se utiliza un sistema de control de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 14.

16. Procedimiento para hacer funcionar una instalación de energía eólica con un generador (13) accionado por un rotor (12) eólico para generar energía eléctrica y suministrársela a una red (9) y un sistema de control con una unidad (5) de control de par caracterizado porque: se detecta la caída de la tensión de red y el restablecimiento de la tensión de red se determina un valor del par a fijar del generador (13) tras detectarse la caída de la tensión de la red y se inicializa un componente de la unidad (5) de control del par tras detectarse la caída de la tensión de red imponiéndole el valor prefijado.

17. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 16

caracterizado porque se utiliza el sistema de control de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 14.