Control de transmisión de área amplia de parques eólicos.

Un sistema de control (300) de generadores de turbina eólica, para una pluralidad de parques eólicos (325) queincluye una pluralidad respectiva de generadores (340) de turbinas eólicas conectados a través de un bus derecogida (350) y un transformador principal (355) en un punto de conexión común (315) con una red de transmisión(320) que incluye una pluralidad de grupos de generador/carga (305, 310) distribuidos físicamente dentro de la redde transmisión (320) y que incluye al menos una fuente de energía no renovable (325), que comprende:

un controlador (385) del parque eólico para cada uno de la pluralidad de parques eólicos (325), en el que elcontrolador (385) del parque eólico controla el funcionamiento de la respectiva pluralidad de generadores deturbina eólica (340) dentro del parque eólico (325);

al menos un punto de medición (381, 382) en la red de transmisión (320), estando el al menos un punto demedición (381, 382) alejado de dicho punto de conexión común (315), para la medición de los parámetros defuncionamiento (391, 392) de la red de transmisión (320);

una pluralidad de sensores (390) dispuestos en al menos un punto de medición (381, 382) para la medición delos parámetros de funcionamiento (391, 392) de la red de transmisión (320) en relación con el control de lapluralidad de parques eólicos (325);

un controlador del parque eólico coordinado (395) que emplea al menos uno de los parámetros defuncionamiento (391, 392) de la red de transmisión medida (320) en relación con el control de los parques eólicos(325) para generar señales de control de salida (393, 394) para la estabilización de la red de transmisión (320) auna posición remota del punto de conexión común (315) de cada uno de la pluralidad de parques eólicos (325)en la red de transmisión (320); y

unos medios de comunicación (415 425) para la transmisión de los parámetros de funcionamiento (391, 392) dela red de transmisión (320) para una posición remota del punto de conexión común (315) al controlador delparque eólico coordinado (395) y para la transmisión de las señales de control de salida (393, 394) a al menosuno de la pluralidad de parques eólicos (325).

Control de transmisión de área amplia de parques eólicos La presente invención se refiere, en general, al control de estabilidad de sistemas de parques eólicos eléctricos dentro de un sistema de energía eléctrica y, más específicamente, al control de la estabilidad dinámica y de la tensión de un sistema de energía eléctrica mediante el control de sistemas de parques eólicos eléctricos.

Típicamente, un sistema de energía eléctrica incluye una pluralidad de activos de generación de energía, que se extienden sobre un área geográfica. El sistema de energía eléctrica también incluye sistemas que consumen energía (cargas) que también pueden extenderse sobre el área geográfica. El sistema de energía eléctrica también incluye una red, una serie de líneas de energía eléctrica y equipos asociados utilizados para transmitir y distribuir electricidad a través de un área geográfica. La infraestructura de la red, puede incluir, pero no se limita a dispositivos de interconexión, de control, de mantenimiento, y de mejora de la operación del sistema de energía eléctrica. Típicamente, el sistema de energía eléctrica incluye un sistema de control centralizado conectado operativamente a los activos de generación de energía para controlar una energía de salida de cada uno de los activos de generación de energía, por ejemplo, usando lógica de procesamiento. El operador de red normalmente opera el sistema de control centralizado. La energía de salida de los activos de generación de energía controlados por el sistema de control centralizado puede incluir, pero no está limitado a, una cantidad de energía eléctrica, y una tensión para la energía eléctrica.

El documento US 2005/0040655, por ejemplo, describe un sistema convencional de este tipo en el que una red de sistemas generadores de turbina eólica de velocidad variable incluye un controlador de sistema para controlar la potencia real y reactiva de los generadores individuales.

Los activos de generación de energía incluyen estaciones de generación de energía individuales. Cada estación de generación de energía, por ejemplo, puede servir a una región geográfica dentro de la red mediante el suministro de energía eléctrica a tales regiones. Los activos de generación de energía pueden incluir, cada uno, cualquier tipo de fuente de energía. Por ejemplo, los activos de generación de energía pueden incluir una fuente de energía que genera energía eléctrica, al menos parcialmente, a partir de carbón, agua, un fluido combustible tal como gasolina, gas natural, gasóleo, etc., energía nuclear, eólica, y solar.

La energía eólica se utiliza a menudo para generar energía eléctrica en centrales eléctricas, a menudo llamadas parques eólicos, utilizando, por ejemplo, la rotación de grandes turbinas eólicas para accionar generadores eléctricos. Los parques eólicos y sus controladores de parques eólicos asociados pueden controlar el suministro de potencia reactiva, y en menor medida, la potencia activa. Larsen, en las patentes US 7.119.452, US 7.166.928, y US 7.224.081, describe un control de tensión para generadores eólicos, incluyendo un controlador a nivel de parque con un comando de potencia reactiva y un sistema de control del generador de turbina eólica. El control de la tensión del generador de la turbina eólica puede proporcionarse mediante la regulación de la tensión de acuerdo a un conjunto de referencia mediante un controlador (subestación o nivel de parque) mayor que el nivel del generador. La potencia reactiva se puede regular sobre un plazo más largo (por ejemplo, unos segundos) , mientras que la tensión en los terminales del generador de la turbina eólica se regula en un plazo más corto (por ejemplo, la fracción de un segundo) para mitigar el efecto de los transitorios de la red rápida.

Por razones económicas, y como uno de los enfoques para reducir los impactos ambientales de la generación de energía con combustibles fósiles, se producen generadores de turbinas eólicas con mayor potencia de salida y se ponen en funcionamiento parques eólicos con un mayor número de generadores de turbinas eólicas. La salida de potencia de los parques eólicos en el futuro puede comprender una parte mucho mayor de la energía total que se suministra y se transmite a lo largo de la red de transmisión. Al mismo tiempo, existe una creciente preocupación acerca de la capacidad de transmisión disponible para nuevos parques eólicos a gran escala, y los problemas de estabilidad que limitan la capacidad de transmisión.

La capacidad máxima de operación de los sistemas de transmisión a menudo puede estar limitada por la estabilidad de la tensión, los límites de la tensión, y las oscilaciones electromecánicas, en lugar de por los límites de la carga térmica. Si estas limitaciones se pueden superar, los activos de la red pueden utilizarse mejor y, en algunos casos, puede evitarse la inversión en activos adicionales.

La figura 1 muestra una curva de respuesta representativa de un colapso del sistema de transmisión debido a la mayor transferencia de energía entre áreas y cómo la aplicación de los controles inventivos para los parques eólicos puede extender la operación del sistema de transmisión, evitando el colapso de tensión. El eje vertical representa el flujo de energía de tensión del sistema de transmisión 175 y el eje horizontal representa el flujo de potencia 180. En un estado de tensión, cuando el flujo de potencia (P) 175 aumenta, la tensión 180 en un punto dado en la línea de flujo de la tensión respecto a la potencia (línea continua) 185 comienza a disminuir. La potencia P que puede ser transmitida en el sistema debe limitarse por debajo de Pmax1 194 debido al colapso de la tensión. Si la potencia aumenta cerca de Pmax1 194, la tensión 180 se "colapsa" considerablemente, normalmente causando operaciones de reinstalación de protección y desconexiones de carga. En la práctica, se mantiene un margen operativo (no mostrado) por debajo de Pmax1 194 para evitar el colapso.

Los modos de oscilación electromecánicos que se pueden producir pueden ser locales, donde los generadores síncronos individuales en los activos de generación de energía oscilan contra del sistema de energía eléctrica (del orden de 0, 3 a 1 Hz) , entre áreas, donde los grupos de generadores oscilan sobre un sistema de larga distancia (0, 2 a 1, 0 Hz) , y oscilaciones complejas que pueden ser una combinación de modos locales y entre las áreas.

Será más probable que se produzcan oscilaciones electromecánicas dentro de los generadores tradicionales en la red. Las tecnologías actuales del generador de turbina eólica (WTG) no participan en la oscilación (aunque pueden afectar a su amortiguación) . Además, los nuevos conceptos potencias de WTG (convertidores de par hidráulico con máquinas sincrónicas conectadas directamente) podrían participar activamente en los modos de oscilación electromecánicos.

La amortiguación de las oscilaciones electromecánicas se puede mejorar con dispositivos de control en la excitación de generadores síncronos o controles del estabilizador del sistema de energía (PSS) . El PSS se ha aplicado en la generación de energía convencional.

Los dispositivos de los sistemas de transmisión de corriente alterna flexibles (FACTS) son soluciones a muchos problemas en el sistema de transmisión. Estos dispositivos a menudo consisten en la adición de condensadores en serie o en derivación en combinación con otros dispositivos pasivos o conmutadores activos que se pueden añadir a la red de transmisión. Los dispositivos FACTs típicos son compensadores de VAR estáticos (SVC) y compensadores síncronos estáticos (STATCOM) . El SVC y STATCOM son dispositivos eléctricos para proporcionar una rápida acción de compensación de energía reactiva en las redes de transmisión eléctrica de alta tensión. Otras soluciones consisten en la construcción de líneas adicionales y la utilización de condensadores en serie en las líneas largas. Sin embargo, los enfoques FACTS incurren en el coste de las soluciones de hardware.

En consecuencia, existe la necesidad de proporcionar una estructura y un procedimiento para la prevención de un colapso de tensión en un sistema de transmisión, donde el colapso de tensión resulta en condiciones de tensión en la línea de transmisión. Además, existe la necesidad de mejorar la amortiguación de las oscilaciones electromecánicas dentro de la red eléctrica.

Varios aspectos de la presente invención se refieren a un sistema como se define en las reivindicaciones adjuntas para el uso de capacidades de control de tensión de un parque eólico para proporcionar estabilidad en un sistema de transmisión. Específicamente... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de control (300) de generadores de turbina eólica, para una pluralidad de parques eólicos (325) que incluye una pluralidad respectiva de generadores (340) de turbinas eólicas conectados a través de un bus de recogida (350) y un transformador principal (355) en un punto de conexión común (315) con una red de transmisión (320) que incluye una pluralidad de grupos de generador/carga (305, 310) distribuidos físicamente dentro de la red de transmisión (320) y que incluye al menos una fuente de energía no renovable (325) , que comprende:

un controlador (385) del parque eólico para cada uno de la pluralidad de parques eólicos (325) , en el que el controlador (385) del parque eólico controla el funcionamiento de la respectiva pluralidad de generadores de turbina eólica (340) dentro del parque eólico (325) ; al menos un punto de medición (381, 382) en la red de transmisión (320) , estando el al menos un punto de medición (381, 382) alejado de dicho punto de conexión común (315) , para la medición de los parámetros de funcionamiento (391, 392) de la red de transmisión (320) ; una pluralidad de sensores (390) dispuestos en al menos un punto de medición (381, 382) para la medición de los parámetros de funcionamiento (391, 392) de la red de transmisión (320) en relación con el control de la pluralidad de parques eólicos (325) ; un controlador del parque eólico coordinado (395) que emplea al menos uno de los parámetros de funcionamiento (391, 392) de la red de transmisión medida (320) en relación con el control de los parques eólicos (325) para generar señales de control de salida (393, 394) para la estabilización de la red de transmisión (320) a una posición remota del punto de conexión común (315) de cada uno de la pluralidad de parques eólicos (325) en la red de transmisión (320) ; y unos medios de comunicación (415 425) para la transmisión de los parámetros de funcionamiento (391, 392) de la red de transmisión (320) para una posición remota del punto de conexión común (315) al controlador del parque eólico coordinado (395) y para la transmisión de las señales de control de salida (393, 394) a al menos uno de la pluralidad de parques eólicos (325) .

2. El sistema de control (300) de generadores de turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el controlador de parque eólico (385) para cada uno de los parques eólicos (325) controla al menos uno de la tensión terminal de un generador de turbina eólica (340) , y la tensión de salida para un parque eólico (325) , la salida de potencia reactiva para un generador de turbina eólica (340) , y la salida de potencia reactiva para un parque eólico (325) .

3. El sistema de control (300) de generadores de turbina eólica de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que las señales de salida (393, 394) desde el controlador de parque eólico coordinado (395) para controlar la estabilidad de la red de transmisión (320) comprenden al menos uno de:

una señal (1150) para mitigar el colapso de la tensión (185) en la red de transmisión (320) ; y una señal (888) para proporcionar un control de amortiguación de las oscilaciones electromecánicas (975) que se producen en la red de transmisión (320) .

4. El sistema de control (300) de generadores de turbina eólica de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que la señal de salida del controlador de parque eólico coordinado (395) comprende además al menos una de:

una señal de referencia (460) de la potencia reactiva del parque eólico; una señal de referencia ( (470) de la tensión del parque eólico; una señal de referencia (465) de la potencia activa del parque eólico; y una señal de referencia (475) de la potencia reactiva del parque eólico.

5. El sistema de control (300) de generadores de turbina eólica de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, operable además para:

proporcionar limitaciones (645) de la red al controlador coordinado (395) del parque eólico, incluyendo restricciones en al menos uno de la potencia reactiva para el parque eólico (690) ; la tensión para el parque eólico (690) ; la potencia reactiva para los nodos (621, 622, 623) de la red de transmisión (320) y la tensión para los nodos (621, 622, 623) de la red de transmisión (320) .

6. El sistema de control (300) de generadores de turbina eólica de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, que comprende además:

un cambiador (675) de tomas en línea para el transformador principal (355) , que incluyen la capacidad de control remoto; unos compensadores pasivos de derivación (670) , que incluyen la capacidad de control remoto; una señal de salida (655) desde un controlador (605) del sistema coordinado a al menos uno de los cambiadores

(675) de tomas en línea y los compensadores pasivos de derivación (670) para mitigar al menos los colapsos de tensión y para amortiguar las oscilaciones electromecánicas en la red de transmisión.

7. El sistema de control (300) de generadores de turbina eólica de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que los parámetros (391, 392) que se miden mediante los sensores (390) incluyen al menos una de la potencia real, la potencia reactiva, la corriente y el ángulo de fase para al menos un punto de medición (381, 382) en el grupo de la generación de energía/carga (305, 310) para la red de transmisión (320) , la magnitud de la tensión y el ángulo de referencia de tensión delta para el al menos un punto de medición (381, 382) en el grupo de generación de energía/carga (305, 310) para la red de transmisión (320) .

8. El sistema de control (300) de generadores de turbina eólica de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que los parámetros (391, 392) que se miden mediante los sensores (390) son suministrados al controlador (395) del parque eólico coordinado como fasores sincronizados.

9. El sistema de control (300) de generadores de turbina eólica de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el controlador (395) del parque eólico coordinado comprende además:

un filtro de purga (435) ; un compensador de retraso de carga (440) ; un factor de ganancia (445) , y

un limitador de salida (450) sujeto.

10. El sistema de control (300) de generadores de turbina eólica de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el controlador (395) de parque eólico coordinado comprende además:

una entrada de tensión (610) de referencia ajustable; un parámetro (tensión) (625) medido en al menos una posición (626) en la red de transmisión (320) ;

un comparador (615) de la tensión de referencia ajustable (610) y la tensión (625) medida; un filtro integral (630) proporcional; una entrada (645) para la potencia real y los límites de potencia reactiva para al menos uno de los parques eólicos (690) y los nodos (626, 696) de la red; y un algoritmo de distribución (640) .