Procedimiento de control de un conjunto de generadores eléctricos asíncronos y sistema correspondiente.

Procedimiento de control de un conjunto de generadores eléctricos asíncronos y sistema correspondiente.

Procedimiento de control de un conjunto de generadores eléctricos asíncronos, que están conectados a una red local de interconexión que es apta para recibir la potencia eléctrica generada por los generadores. Hay un convertidor central conectado asimismo a la red. Se calcula la velocidad de giro mecánica promedio óptima en función de las condiciones locales de cada generador, y se regula la velocidad mecánica promedio de los generadores controlando la potencia activa y reactiva del conjunto mediante un control vectorial.

PROCEDIMIENTO DE CONTROL DE UN CONJUNTO DE GENERADORES ELÉCTRICOS AsíNCRONOS y SISTEMA CORRESPONDIENTE

Ca moa de la invención La invención se refiere a un procedimiento de control de un conjunto de generadores eléctricos asíncronos que están conectados a una red local de interconexión la cual es apta para recibir la potencia eléctrica generada por los generadores, y donde hay un convertidor central conectado asimismo a la red.

Estado de la técnica

La instalación de parques eólicos marinos está creciendo rápidamente. Durante el

año 2010, en Europa se ha doblado la capacidad de potencia en parques eólicos marinos, hasta 2964 MW. Los parques eólicos marinos dispuestos cerca de la costa pueden ser conectadas mediante la tecnologia HVAC (High Voltage Alternating Current -Corriente alterna de alta tensión) , pero para distancias mayores de unos 50-80 Km, suele ser recomendable hacer una conexión mediante corriente continua de alta tensión (HVDC -High Voltage Direct Current) . Los sistemas de transmisión HVDC pueden ser realizados mediante dos tipos de tecnologias: mediante convertidores de conmutación natural (LCC -Line Commuted Converter) basados en tiristores, o mediante convertidores en fuente de tensión (VSC -Voltage Source Converter) basados en transistores. En ambos casos se debe rectificar la potencia generada y se debe disponer de una estación inversora para poder inyectar la potencia transmitida a la red de corriente alterna.

Los parques eólicos actuales requieren un convertidor de potencia para cada aerogenerador. Se ha descrito la posibilidad de controlar un conjunto de turbinas mediante un único convertidor VSC, tanto en el caso de generadores asíncronos como en el caso de generadores síncronos.

Sin embargo sigue existiendo la necesidad de mejorar y abaratar los sistemas de control de los parques eólicos.

Sumario de la invención La presente invención tiene por objeto un procedimiento de control de un conjunto de generadores eléctricos asíncronos del tipo indicado al principio caracterizado porque se calcula la velocidad de giro mecánica promedio óptima en función de las condiciones locales de cada generador, y se regula la velocidad mecánica promedio de los generadores controlando la potencia activa y reactiva del

conjunto mediante un control vectorial. Preferentemente los generadores son aerogeneradores (y muy preferentemente son generadores de inducción de jaula de ardilla o de rotor bobinado) y la determinación de las condiciones locales incluye la medición de la velocidad del viento local en cada generador.

Esta solución permite extender el control vectorial de un generador de inducción con un convertidor total de potencia a todo un conjunto de generadores con un único convertidor de potencia (preferentemente un VSC-HVDC) calculando y regulando la frecuencia eléctrica óptima. Para ello se calcula la frecuencia eléctrica óptima en función de las condiciones locales de cada generador (por ejemplo, el viento local) y se regula la velocidad mecánica promedio de los generadores del conjunto a base de controlar la potencia activa y reactiva del

conjunto mediante control vectorial.

La solución propuesta se aplica preferentemente a parques eólicos compuestos por una pluralidad de conjuntos cada uno de ellos con una pluralidad de generadores, así como a parques eólicos en su totalidad, que están conectados a la red general a través de un HVDC.

La ventaja principal del nuevo procedimiento , respecto de los parques de aerogeneradores convencionales, con un convertidor de potencia individual para cada generador, radica en el hecho de que no es necesario un convertidor de potencia para cada turbina, con el consiguiente ahorro en coste e incremento en fiabilidad.

Por otro lado, los conjuntos de aerogeneradores (en especial los parques eólicos 5 de alta mar) necesitan tener un sistema capaz de reducir la potencia generada rápidamente en caso de fallo. Convencionalmente se emplean, por ejemplo,

grandes resistencias capaces de disipar la energía sobrante y unos sistemas de comunicación rápidos que reducen el par en los generadores o se modifica el

voltaje o la frecuencia de la red del conjunto a fin de reducir la potencia en el

convertidor. Con el procedimiento propuesto, el convertidor controla la potencia activa y reactiva del conjunto, lo que permite reducir la potencia activa rápidamente sin necesidad de disponer de unas resistencias que disipen la energía sobrante. La reducción de la potencia eléctrica implica la necesidad de una reducción de potencia mecánica en cada generador que puede conseguirse,

por ejemplo, en el caso de aerogeneradores, mediante un sistema de control del ángulo de paso de las palas de la turbina.

Preferentemente la velocidad de giro mecánica promedio óptima se determina a partir de la fórmula:

donde la velocidad de giro óptima de la máquina eléctrica será una ralz de la solución de la derivada de la potencia respecto la velocidad.

Efectivamente, la potencia total generada por un conjunto de aerogeneradores idénticos es:

donde p es la densidad del aire, A es la área barrida por la turbina, R es el radio de la turbina, Nmult es la relación de multiplicación, Aj hace referencia a los coeficientes de la C, ajustada, Npol al grado máximo del polinomio que se ajusta la caracteristica de la C, (ver la expresión de Cp (A) siguiente) , Wm hace referencia a la velocidad de giro del eje de la máquina eléctrica, Vw se refiere a la velocidad del viento y Nwt al número de eólicas que pertenecen al conjunto.; el sublndice i se refiere al número de la turbina por parque o agrupación y el sublndice j se refiere al grado de aproximación de la C, .

Cp (A) se puede expresar como donde, A se refiere a la relación denominada Tip Speed Ratio, Wt se refiere a la velocidad angular de giro de la turbina.

y dado que la potencia generada por cada generador se puede expresar como:

Pwt-i se llega a la expresión de la potencia total generada por un conjunto de aerogeneradores idénticos anterior.

A partir del cálculo de las raices de la derivada de la potencia, y escogiendo el idóneo, se puede determinar la velocidad óptima media de los generadores:

Preferentemente el convertidor central es un convertidor AC/DC, muy preferentemente un convertidor en fuente de tensión (también denominado VSC, 5 del inglés voltage source converter) , y el procedimiento comprende dos etapas en cascada:

[a] la primera etapa (la etapa de bajo nivel) es una etapa de control de corriente en la que los valores objetivo son el valor icd , que se determina teniendo en cuenta el valor objetivo de par promedio que es facilitado por la segunda etapa, y el valor io¡, y cuya salida regula el convertidor AC/DC controlando el par promedio realizado por el conjunto y la corriente de magnetización del conjunto,

[b] la segunda etapa (etapa de alto nivel) es una etapa de control de velocidad de 15 giro que detennina el valor objetivo de par promedio del conjunto.

En una alternativa preferente, en la etapa [b] se calcula la velocidad de giro mecánica promedio óptima a partir de las velocidades de viento en cada generador, se calcula la velocidad de giro mecánica promedio a partir de las velocidades de giro individuales de cada generador y, a partir de la diferencia entre ambas, se determina el valor objetivo del par promedio del conjunto a partir de un controlador de velocidad.

En otra alternativa preferente, en la etapa [b] se estima la velocidad de giro mecánica promedio a partir de un observador basado en las ecuaciones dinámicas de los generadores eléctricos y lectura de las variables globales del parque eólico, y se determina el valor objetivo del par promedio del conjunto mediante un MPPT (algoritmo de seguimiento del punto máximo-Maximum Power

Point Tracker) . Efectivamente, ello permite realizar el control sin necesidad de 30 sensor de velocidad ni comunicaciones entre los generadores y el convertidor

central, por ejemplo, en el caso de una instalación simplificada, o bien en el caso de fallo en la red de comunicaciones responsable de transmitir los datos de velocidad y/o de velocidad de giro mecánica individual.

Ventajosamente, el procedimiento reúne las dos alternativas anteriores, de manera que en la etapa lb] se calcula la velocidad de giro mecánica promedio óptima a partir de las velocidades del viento en cada generador, se calcula la velocidad de giro mecánica promedio a partir de las velocidades de giro mecánicas individuales de cada generador y, a partir de la diferencia entre ambas,

se determina el valor objetivo del par promedio del...

5 10 1 -Procedimiento de control de un conjunto de generadores eléctricos aslncronos, donde dichos generadores están conectados a una red local de interconexión que es apta para recibir la potencia eléctrica generada por dichos generadores, y donde hay un convertidor central conectado asimismo a dicha red, caracterizado porque se calcula la velocidad de giro mecánica promedio óptima en función de las condiciones locales de cada generador, y se regula la velocidad mecánica promedio de los generadores controlando la potencia activa y reactiva de dicho conjunto mediante un control vectorial.

15 2 -Procedimiento según la reivindicación 1, donde dichos generadores son aerogeneradores, caracterizado porque la determinación de las condiciones locales incluye 1a medición de la velocidad del viento local en cada generador.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la velocidad de giro mecánica promedio óptima se determina a partir del cálculo de las raíces de la fórmula:

20 dP. dw wf m = O ~ N, o' 1L '2pAjaj j=1 (R) j PN mult Nw • '.L v!¡'W¡;1= 1=1 O

2S 30 donde p es la densidad del aire, A es la área barrida por la turbina del aerogenerador, R es el radio de la turbina, NmcH es la relación de multiplicación, A; hace referencia a los coeficientes de la Cp ajustada, Npol al grado máximo del polinomio que se ajusta la característica de la ep, W m hace referencia a la velocidad de giro del eje de la máquina eléctrica, Vw se refiere a la velocidad del viento y Nwt al número de aerogeneradores que pertenecen al conjunto; el subíndíce i se refiere al número de la turbina del conjunto y el subíndice j se refiere al grado de aproximación de la Cp

-Procedimiento de control según una de las reivindicaciones 2 ó 3, donde dicho convertidor central es un convertidor AC/DC, preferentemente un convertidor en fuente de tensión , caracterizado porque comprende dos etapas en cascada:

[a] la primera etapa es una etapa de control de corriente en la que los valores objetivo son el valor ied , que se determina teniendo en cuenta el valor objetivo de par promedio que es facilitado por la segunda etapa , y el valor ieq , y cuya salida regula el convertidor AC/DC controlando el par promedio realizado por el conjunto y la corriente de magnetización del conjunto,

[b] la segunda etapa es una etapa de control de velocidad de giro que determina el valor objetivo de par promedio del conjunto.

- Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque en dicha etapa [b] se calcula la velocidad de giro mecánica promedio óptima a partir de las velocidades de viento en cada generador, se calcula la velocidad de giro mecánica promedio a partir de las velocidades de giro individuales de cada generador y, a partir de la diferencia entre ambas, se determina el valor objetivo del par promedio del conjunto.

-Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque en dicha etapa [b] se estima la velocidad de giro mecánica promedio a partir de un observador

basado en las ecuaciones dinámicas de los generadores eléctricos y lectura de las variables globales del parque eólico , y se determina el valor objetivo del par promedio del conjunto mediante un MPPT.

-Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque en dicha etapa [b] se calcula la velocidad de giro mecánica promedio óptima a partir de las velocidades de viento en cada generador, se calcula la velocidad de giro mecánica promedio a partir de las velocidades de giro mecánicas individuales de cada generador y, a partir de la diferencia entre ambas, se determina el valor

objetivo del par promedio del conjunto, o bien , en caso de fallo en la red de comunicaciones responsable de transmitir los datos de velocidad y/o de velocidad de giro mecánica individual,

en dicha etapa lb] se estima la velocidad de giro mecánica promedio a partir de un observador basado en las ecuaciones dinámicas de los generadores eléctricos y lectura de las variables globales del parque eólico, y se determina el valor objetivo del par promedio del conjunto mediante un MPPT.

-Sistema de control de un conjunto de generadores eléctricos asincronos,

caracterizado porque comprende

-una red local de interconexión conectada a dichos generadores y que es apta para recibir la potencia eléctrica generada por dichos generadores,

-un convertidor central conectado a dicha red, y

-un sistema de control con unos medios de cálculo de la velocidad de giro

mecánica promedio óptima en función de las condiciones locales de cada generador, unos medios de determinación de dichas condiciones locales y unos medios de regulación de la velocidad mecánica promedio de los generadores aptos para controlar la potencia activa y reactiva de dicho conjunto mediante un control vectorial.

-Sistema según la reivindicación 8, caracterizado porque dichos generadores son aerogeneradores, y porque dichos medios de determinación de las condiciones locales son unos medios de medición de la velocidad del viento local

en cada generador.

- Sistema según la reivindicación 9, caracterizado porque dichos medios de cálculo de la velocidad de giro mecánica promedio óptima son aptos para determinarla a partir de la fórmula :

N••• 1 N.", . .

(R) j

= O=} L -pAjaj PN L , , !?«?-l = O

j=1 2 tIIutt i=l

donde p es la densidad del aire, A es la área barrida por la turbina del

aerogenerador, R es el radio de la turbina, Nmu1t es la relación de multiplicación, A¡

hace referencia a los coeficientes de la Cp ajustada, Npol al grado máximo del

polinomio que se ajusta la característica de la e pI Wm hace referencia a la velocidad de giro del eje de la máquina eléctrica, Vw se refiere a la velocidad del

viento y Nwt al número de aerogeneradores que pertenecen al conjunto ; el subíndice i se refiere al número de la turbina del conjunto y el subíndice j se refiere al grado de aproximación de la Cp.

- Sistema de control según una de las reivindicaciones 9 ó 10, caracterizado porque:

-dicho convertidor central es un convertidor AC/DC, preferentemente un convertidor en fuente de tensión

-dicho sistema de control comprende dos etapas en cascada:

[a] la primera etapa es una etapa de control de corriente en la que los valores objetivo son el valor io!, que se determina teniendo en cuenta el valor objetivo de par promedio que es facilitado por la segunda etapa, y el valor i"" y cuya salida regula el convertidor AC/DC controlando el par promedio realizado por el conjunto y la corriente de magnetización del conjunto,

[b]la segunda etapa es una etapa de control de velocidad de giro que determina el valor objetivo de par promedio del conjunto.

-Sistema según la reivindicación 11, caracterizado porque dicha etapa [b] 30 incluye unos medios de cálculo de la velocidad de giro mecánica promedio óptima a partir de las velocidades de viento en cada generador, unos medios de cálculo de la velocidad de giro mecánica promedio a partir de las velocidades de giro individuales de cada generador y unos medios de comparación aptos para, a partir de la diferencia entre ambas, determinar el valor objetivo del par promedio del conjunto.

-Sistema según la reivindicación 11 , caracterizado porque dicha etapa lb]

incluye unos medios de estimación de la velocidad de giro mecánica promedio a partir de un observador basado en las ecuaciones dinámicas de los generadores eléctricos y lectura de las variables globales del parque eólico, y unos medios de 10 determinación del valor objetivo del par promedio del conjunto mediante un MPPT.

-Sistema según la reivindicación 11 , caracterizado porque dicha etapa lb] incluye unos medios de cálculo de la velocidad de giro mecánica promedio óptima a partir de las velocidades de viento en cada generador, unos medios de calculo de la velocidad de giro mecánica promedio a partir de las velocidades de giro mecanicas individuales de cada generador y unos medios de comparación aptos para, a partir de la diferencia entre ambas, determinar el valor objetivo del par promedio del conjunto ,

y, adicionalmente, dicha etapa lb] incluye unos medios de detección de fallo en la red de comunicaciones responsable de transmitir los datos de velocidad y/o de velocidad de giro mecánica individual aptos para activar dichos medios de actuación en caso de fallo de comunicaciones que , a su vez, comprenden de estimación de la velocidad de giro mecánica promedio a partir de un observador basado en las ecuaciones dinámicas de los generadores eléctricos y lectura de las variables globales del parque eólico , y unos medios de determinación del valor

objetivo del par promedio del conjunto mediante un MPPT.