Sistema de control de potencia de un parque eólico.

Método para controlar el factor de potencia dinámica o la potencia reactiva de un parque eólico quecomprende varias turbinas (5,

7) eólicas que deben accionarse con un factor de potencia solicitado o una potenciareactiva solicitada, conectadas a una red de distribución eléctrica por medio de una subestación (35) incluida o queestá conectada a un controlador (43) de subestación, controlándose la tensión de salida de la electricidadsuministrada por una turbina (5, 7) eólica individual a un punto de referencia de tensión específico, en el que

a) se mide el factor de potencia del parque eólico y se compara con el factor de potencia solicitado para la red dedistribución eléctrica, o se mide la potencia reactiva del parque eólico y se compara con la potencia reactivasolicitada para la red de distribución eléctrica, respectivamente;

b) el controlador (43) de subestación ajusta la proporción de la tensión del parque eólico respecto a la tensión de lared de distribución eléctrica basándose en una señal de diferencia que representa la desviación del factor depotencia del parque eólico con respecto al factor de potencia solicitado o la desviación de la potencia reactiva delparque eólico con respecto a la potencia reactiva solicitada, respectivamente, y emite de manera iterativa señales deajuste, que se establecen de manera iterativa basándose en una señal de diferencia recibida de manera iterativa

c) se regula la tensión de salida de las turbinas (5, 7) eólicas individuales para que corresponda al punto dereferencia de tensión específico;

realizándose al menos las etapas b) a c) hasta que el factor de potencia de la electricidad suministrada por el parqueeólico corresponda al factor de potencia solicitado o la potencia reactiva de la electricidad suministrada por el parqueeólico corresponda a la potencia reactiva solicitada, respectivamente.

Sistema de control de potencia de un parque eólico La presente invención se refiere a un parque eólico que comprende varias turbinas eólicas conectadas a una red de distribución eléctrica, que deben accionarse con un factor de potencia solicitado o una potencia reactiva solicitada, y a un método para controlar el factor de potencia dinámica o la potencia reactiva del parque eólico.

Durante la última década ha aumentado significativamente la fracción de energía añadida a las redes de distribución de potencia por los parques eólicos. Por tanto, también es necesario cada vez más controlar los parques eólicos que entregan energía a las redes de distribución eléctrica con respecto a varios parámetros que son importantes para que la red de distribución eléctrica funcione perfectamente. Además de la tensión y la frecuencia de la potencia entregada a la red de distribución eléctrica, también puede ser importante proporcionar, a petición del operador del sistema eléctrico, una determinada potencia reactiva o un determinado factor de potencia. La potencia reactiva es la potencia que requieren los usuarios inductores y capacitivos para aumentar sus campos magnéticos y eléctricos, respectivamente. Con una corriente alterna, tales campos magnéticos y eléctricos aumentarán y disminuirán periódicamente, lo que conduce a un flujo de potencia reactiva desde y hacia los generadores eléctricos. El factor de potencia es el coseno del ángulo de fase entre tensión y corriente.

Hay que compensar las variaciones en la demanda de potencia reactiva en la red de distribución eléctrica a través de la potencia reactiva proporcionada por los generadores de potencia. Siempre que la potencia entregada a las redes de distribución eléctrica por los parques eólicos sea sólo una fracción mínima de la potencia total entregada a las redes de distribución, no sería necesario reaccionar a las demandas de potencia reactiva o a las demandas de factor de potencia de la red de distribución por los parques eólicos. Sin embargo, con una fracción cada vez mayor de potencia alimentada a las redes de distribución eléctrica por los parques eólicos, el control del factor de potencia dinámica o un control de potencia reactiva dinámica de los parques eólicos se vuelve cada vez más importante.

El control del factor de potencia dinámica de los parques eólicos se implementa a menudo con baterías de condensadores montados en turbinas eólicas individuales. Los condensadores se conectan a y se desconectan de la red de distribución para proporcionar la potencia reactiva que sea necesaria para alcanzar el factor de potencia especificado. El control del factor de potencia dinámica también puede implementarse mediante una disposición en la que las turbinas eólicas individuales están equipadas con un convertidor electrónico de potencia que convierte parte de o toda la electricidad suministrada por la turbina eólica. El convertidor electrónico de potencia de la turbina eólica individual está programado para controlar el factor de potencia de la electricidad suministrada por la turbina eólica.

Para ambos tipos de sistema de control del factor de potencia, el factor de potencia deseado se proporciona normalmente como señal desde un sistema SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de Datos) central. El operador del sistema eléctrico envía una petición al parque eólico de un determinado factor de potencia y el sistema SCADA central reenvía la petición de factor de potencia a las turbinas eólicas individuales, o bien directamente o bien tras una modificación, para compensar la contribución del factor de potencia de la infraestructura eléctrica del parque eólico. El factor de potencia se controla localmente en las turbinas eólicas individuales mediante ajuste del factor de potencia de la electricidad suministrada por las turbinas eólicas individuales para que corresponda al factor de potencia solicitado por el sistema SCADA. Una disposición de este tipo para un control de potencia dinámica se describe, por ejemplo, en el documento US 5.083.039, que describe una turbina eólica con control del factor de potencia dinámica, enviando señales de control a los convertidores electrónicos de potencia de las turbinas eólicas. Los convertidores electrónicos de potencia se controlan entonces localmente de manera que el factor de potencia entregado por la turbina eólica local se cambia modificando la proporción de corriente activa y reactiva suministrada a la red de distribución mediante el módulo inversor del convertidor electrónico de potencia.

Un sistema de control del factor de potencia dinámica tal como se ha expuesto anteriormente requiere un sistema SCADA con conexiones funcionales y de reacción rápida a las turbinas eólicas individuales. Si la comunicación individual del parque eólico es lenta o deficiente, el control de potencia dinámica no funcionará perfectamente. Además, a menos que todas las turbinas estén operando con la misma salida de potencia activa, lo cual será raramente el caso si la velocidad del viento no es lo suficientemente alta para hacer que todas las turbinas eólicas del parque operen a capacidad nominal, la potencia reactiva suministrada por una turbina eólica individual cambiará proporcionalmente con la potencia activa suministrada por la turbina eólica individual. Esto significa que algunas turbinas eólicas proporcionarán una proporción significativamente mayor de potencia reactiva que otras, lo que a su vez conduce a un flujo de corriente en el parque eólico menos equilibrado y provoca pérdida mayores de lo que podría conseguirse con un flujo de corriente más equilibrado.

L. Holdsworth, et. al. describen “a direct solution method for initializing doubly-fed induction wind turbines in power system dynamic models” en IEE Proc. Gener. Trasm. Distrib., vol. 150, n.º 3, mayo de 2003. En este modelo, la turbina eólica está representada como nudo PQ. El modelo usa una estrategia de control de extracción de potencia óptima (control de velocidad) y corrección del factor de potencia local. Los resultados del método de solución directa son las tensiones de rotor inyectadas para controlar la turbina eólica. Además, se describe un modelo en el que la estrategia de control se modifica con respecto al control de la tensión en los bornes. En un control de la tensión en los bornes, a diferencia del control del factor de potencia o al control de la potencia reactiva, se controla la tensión de salida del parque eólico con respecto al valor solicitado por el operador del sistema eléctrico.

Un primer objetivo de la presente invención es proporcionar un método mejorado para controlar el factor de potencia dinámica o la potencia reactiva de un parque eólico.

Un segundo objetivo de la presente invención es proporcionar un parque eólico que permita un control mejorado del factor de potencia dinámica o de la potencia reactiva.

El primer objetivo se resuelve mediante un método para controlar el factor de potencia dinámica o la potencia reactiva de un parque eólico que comprende varias turbinas eólicas, según la reivindicación 1. El segundo objetivo se resuelve mediante un parque eólico que comprende varias turbinas eólicas, según la reivindicación 8. Las reivindicaciones dependientes definen desarrollos adicionales de la presente invención.

La invención define un método para controlar el factor de potencia dinámica o la potencia reactiva de un parque eólico. El parque eólico comprende varias turbinas eólicas conectadas a una red de distribución eléctrica que deben accionarse con un factor de potencia solicitado o una potencia reactiva solicitada. La tensión de salida de la electricidad suministrada por una turbina eólica individual del parque eólico se controla a un punto de referencia de tensión específico. En el método de la invención, se mide el factor de potencia del parque eólico o la potencia reactiva del parque eólico y se compara con el factor de potencia solicitado para la red de distribución eléctrica o la potencia reactiva solicitada para la red de distribución eléctrica, respectivamente, y se ajusta la proporción de la tensión del parque eólico respecto a la tensión de la red de distribución eléctrica. Además, se regula la tensión de salida de las turbinas eólicas individuales para que corresponda al punto de referencia de tensión específico. Al menos las etapas de ajuste de la proporción de la tensión del parque eólico respecto a la tensión de la red de distribución eléctrica y de regulación de la tensión de salida de las turbinas eólicas individuales al punto de referencia de tensión específico se realizan hasta que el factor de potencia o la potencia reactiva de la electricidad suministrada... [Seguir leyendo]

1. Método para controlar el factor de potencia dinámica o la potencia reactiva de un parque eólico que comprende varias turbinas (5, 7) eólicas que deben accionarse con un factor de potencia solicitado o una potencia reactiva solicitada, conectadas a una red de distribución eléctrica por medio de una subestación (35) incluida o que está conectada a un controlador (43) de subestación, controlándose la tensión de salida de la electricidad suministrada por una turbina (5, 7) eólica individual a un punto de referencia de tensión específico, en el que a) se mide el factor de potencia del parque eólico y se compara con el factor de potencia solicitado para la red de distribución eléctrica, o se mide la potencia reactiva del parque eólico y se compara con la potencia reactiva solicitada para la red de distribución eléctrica, respectivamente;

b) el controlador (43) de subestación ajusta la proporción de la tensión del parque eólico respecto a la tensión de la red de distribución eléctrica basándose en una señal de diferencia que representa la desviación del factor de potencia del parque eólico con respecto al factor de potencia solicitado o la desviación de la potencia reactiva del parque eólico con respecto a la potencia reactiva solicitada, respectivamente, y emite de manera iterativa señales de ajuste, que se establecen de manera iterativa basándose en una señal de diferencia recibida de manera iterativa c) se regula la tensión de salida de las turbinas (5, 7) eólicas individuales para que corresponda al punto de referencia de tensión específico;

realizándose al menos las etapas b) a c) hasta que el factor de potencia de la electricidad suministrada por el parque eólico corresponda al factor de potencia solicitado o la potencia reactiva de la electricidad suministrada por el parque eólico corresponda a la potencia reactiva solicitada, respectivamente.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque se usa una toma de transformador principal para ajustar dicha proporción de la tensión del parque eólico respecto a la tensión de la red de distribución eléctrica.

3. Método según la reivindicación 2, caracterizado porque dicha proporción de la tensión del parque eólico respecto a la tensión de la red de distribución eléctrica se ajusta adicionalmente mediante el uso de un sistema (83) de control del factor de potencia dinámica complementario.

4. Método según la reivindicación 3, caracterizado porque se usa una batería (83) de condensadores ajustable para ajustar adicionalmente dicha proporción de la tensión del parque eólico respecto a la tensión de la red de distribución eléctrica.

5. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque las turbinas (5, 7) eólicas individuales están equipadas con un convertidor (25, 27) electrónico de potencia que convierte parte de o toda la electricidad suministrada por la turbina (5, 7) eólica, y en el que el convertidor (25, 27) electrónico de potencia está programado para controlar la tensión de salida de la electricidad suministrada por una turbina (5, 7) eólica individual a dicho punto de referencia de tensión específico y regular la tensión de salida de las turbinas (5, 7) eólicas individuales para que corresponda a dicho punto de referencia de tensión específico en dicha etapa c) .

6. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque las etapas a) a c) se realizan de manera repetida en etapas discretas hasta que el factor de potencia de la electricidad suministrada por el parque eólico corresponda al factor de potencia solicitado o la potencia reactiva de la electricidad suministrada por el parque eólico corresponda a la potencia reactiva solicitada, respectivamente.

7. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque dicho punto de referencia de tensión es ajustable.

8. Parque eólico con varias turbinas (5, 7) eólicas para su conexión de manera conjunta a una red de distribución eléctrica, que comprende:

- turbinas (5, 7) eólicas individuales equipadas con un convertidor (25, 27) electrónico de potencia para convertir parte de o toda la electricidad suministrada por la turbina (5, 7) eólica, estando el convertidor (25, 27) eléctrico de potencia equipado con un controlador (73, 75) que está programado para controlar la tensión de salida de la electricidad suministrada por la turbina (5, 7) eólica a un punto de referencia de tensión específico;

- medios (43, 47) para medir el factor de potencia del parque eólico o la potencia reactiva del parque eólico y compararlo con un factor de potencia solicitado o la potencia reactiva solicitada, respectivamente;

- medios (39, 41) de ajuste para ajustar la proporción de la tensión del parque eólico respecto a la tensión de la red de distribución eléctrica;

- las turbinas (5, 7) eólicas individuales están equipadas con medios (25, 27) de regulación que están programados para regular la tensión de salida en las turbinas (5, 7) eólicas individuales para que corresponda al punto de referencia de tensión específico,

- comprendiendo el parque eólico además una subestación (35) que conecta el parque eólico a la red de distribución eléctrica, incluyendo la subestación (35) , o estando conectada a, un controlador (43) de subestación que está conectado a o incluye los medios (47) de medición para recibir una señal de diferencia que representa la desviación del factor de potencia del parque eólico con respecto al factor de potencia solicitado o la desviación de la potencia reactiva del parque eólico con respecto a la potencia reactiva solicitada, respectivamente, y a los medios (39, 41) de ajuste para emitir señales de ajuste, estando el controlador (43) de subestación programado para establecer de manera iterativa señales de ajuste basándose en una señal de diferencia recibida de manera iterativa.

en el que

9. Parque eólico según la reivindicación 8, caracterizado porque los medios de ajuste comprenden un transformador (39) principal con al menos dos tomas y un cambiador de tomas.

10. Parque eólico según la reivindicación 9, caracterizado porque los medios (39, 41) de ajuste comprenden además un sistema (83) de control del factor de potencia dinámica complementario.

11. Parque eólico según la reivindicación 10, caracterizado porque el sistema de control del factor de potencia dinámica comprende una batería (83) de condensadores variable.

12. Parque eólico según la reivindicación 10 u 11, caracterizado porque la capacidad del sistema (83) de control del factor de potencia dinámica complementario corresponde al cambio en la potencia reactiva del parque eólico que resulta del cambio en la proporción de la tensión del parque eólico respecto a la tensión de la red de distribución eléctrica provocado por un cambio de tomas en el transformador (39) principal.

13. Parque eólico según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, caracterizado porque el medio de regulación es un convertidor (25, 27) eléctrico de potencia que comprende:

- un inversor (53, 55) que comprende una entrada de inversor y una salida (79) de inversor, estando la entrada de inversor conectada a un enlace (57) de CC del convertidor (25, 27) electrónico de potencia y estando la salida (79) de inversor conectada a la subestación (35) y

- un controlador (73, 75) de inversor que está programado para controlar la tensión de salida del inversor (53, 55) a dicho punto de referencia de tensión específico.

14. Parque eólico según la reivindicación 13, caracterizado porque el inversor (53, 55) comprende varios conmutadores (77) que conectan la entrada del inversor a la salida (79) del inversor, y

en el que el controlador (73, 75) de inversor comprende:

- una unidad de medición de tensión conectada a la salida (79) del inversor para medir la tensión de salida del inversor (53, 55) y para producir una señal de tensión que representa la tensión de salida medida,

- una memoria que almacena dicho punto de referencia de tensión,

- una unidad comparadora que está conectada a la unidad de medición de tensión para recibir la señal de tensión y que está conectada a la memoria para recibir el punto de referencia de tensión, estando la unidad comparadora diseñada para comparar la tensión de salida con dicho punto de referencia de tensión y para producir una señal de desviación que representa la desviación de la tensión medida con respecto al punto de referencia de tensión,

- una unidad de procesamiento conectada a la unidad comparadora para recibir la señal de desviación que está programada para establecer una señal de modulación que representa una modulación de ancho de impulso de señales de conmutación para los conmutadores (77) basándose en la señal de desviación, y

- una unidad de modulación de ancho de impulso conectada a la unidad de procesamiento para recibir la señal de modulación, estando la unidad de modulación de ancho de impulso diseñada para modular el ancho de impulso de las señales de conmutación y estando conectada a un circuito (81) de accionamiento de los conmutadores (77) para emitir señales de conmutación moduladas en ancho de impulso a los mismos.

15. Parque eólico según la reivindicación 14, caracterizado porque comprende una unidad (84) de ajuste de punto de referencia que está conectada a la subestación (35) para recibir una señal de punto de referencia que representa un determinado valor para dicho punto de referencia de tensión desde la subestación (35) y que está conectada además a los medios (25, 27) de regulación de las turbinas (5, 7) eólicas individuales para entregar una señal de configuración a los medios (25, 27) de regulación que hace que el punto de referencia de tensión se ajuste al valor representado por la señal de punto de referencia.