Inercia frecuencial de sistema de potencia para sistema de generación eléctrica.

Sistema de generación eléctrica que comprende:

- una unidad de generación eléctrica que puede hacerse funcionar para suministrar potencia eléctrica a un sistema público de distribución;

- una máquina síncrona que puede acoplarse al sistema público de distribución, proporcionando respuesta inercial para la red eléctrica de servicio público;

- un dispositivo de medición de la red eléctrica dispuesto para medir la corriente y la potencia que se intercambia entre la máquina síncrona y el sistema público de distribución;

- un controlador para ajustar la potencia de salida de la unidad de generación eléctrica en función de la potencia y corriente que mide el dispositivo de medición de la red eléctrica; y

- medios de comunicación entre el dispositivo de medición de la red eléctrica, controlador y/o la unidad de generación eléctrica, en el que la unidad de generación eléctrica está configurada para proporcionar corriente y potencia al sistema público de distribución en función de la potencia y corriente que mide el dispositivo de medición de la red eléctrica.

Antecedentes de la invención

La invención se refiere de manera general al campo de las unidades de generación eléctrica usadas para la generación eléctrica para redes eléctricas de servicio público, y más particularmente a técnicas para garantizar la adecuación a la red eléctrica de unidades de generación eléctrica, incluyendo estabilizar la potencia durante condiciones transitorias.

Un número cada vez mayor de unidades de generación eléctrica tales como turbinas eólicas, células solares, células de combustible, sistemas de energía undimotriz o similares se conectan a la red eléctrica de servicio público. La necesidad de un soporte de frecuencia para la red eléctrica de servicio público se hace mayor a medida que las centrales eléctricas convencionales que comprenden grandes generadores síncronos se sustituyen por unidades de generación eléctrica tales como turbinas eólicas. Las unidades de generación eléctrica se conectan a la red eléctrica de servicio público usando electrónica de potencia, y el enlace directo entre potencia y frecuencia se pierde, por lo que las perturbaciones en la red eléctrica pueden dar como resultado mayores desviaciones de frecuencia. A continuación se usa el reto para una turbina eólica para describir los antecedentes de la invención. Sin embargo, los retos son similares para otros tipos de unidades de generación eléctrica tales como una célula solar, célula de combustible, microturbina, energía undimotriz o similares en las que la interconexión entre la red eléctrica de servicio público y la unidad de generación eléctrica está basada en un convertidor de potencia.

Un generador de turbina eólica incluye de manera general un rotor eólico que convierte la energía eólica en movimiento giratorio de un árbol de la turbina, que a su vez acciona el rotor de un generador eléctrico para producir potencia eléctrica. Las instalaciones de generadores de turbinas eólicas modernas normalmente adoptan la forma de un parque eólico que tiene múltiples generadores de turbinas eólicas conectados a una red de potencia de parque eólico común. Esta red eléctrica de parque eólico se conecta a una red eléctrica de servicio público, o bien directamente o bien a través de una subestación que puede incluir un transformador de elevación.

Es necesario que las turbinas eólicas individuales y los parques eólicos cumplan con los requisitos de calidad del suministro del operador del sistema público de distribución. Tales requisitos de calidad del suministro, a menudo denominados "requisitos de la red eléctrica" pueden incluir normalmente regulación de tensión, regulación de frecuencia, control de potencia activa y reactiva, funcionamiento ante huecos de tensión en la red (fault ride- through), y en algunos casos también elevación de potencia y la provisión de inercia o reserva de potencia en caso de condiciones transitorias provocadas por un fallo repentino de generación, fallo en la línea o conexión de aplicación rápida de grandes cargas.

Desde un punto de vista funcional sería preferible que los generadores de turbinas eólicas incorporasen generadores síncronos clásicos con las mismas capacidades de regulación que los generadores síncronos aplicados en grandes centrales hidroeléctricas o térmicas. Tales generadores síncronos clásicos pueden regular la tensión, potencia activa y reactiva, etc. En condiciones transitorias, los generadores síncronos también pueden proporcionar servicios de control adicionales que modulan la potencia activa para estabilizar el sistema de potencia y restablecer la frecuencia a su valor nominal.

Sin embargo, los generadores síncronos clásicos no son muy adecuados para su uso en turbinas eólicas, puesto que sus características muy rígidas no son compatibles con aplicaciones de turbinas eólicas. Para aproximar las capacidades y el funcionamiento de los generadores síncronos, los generadores de turbinas eólicas modernos usan normalmente inversores electrónicos de potencia para interconectar la salida del generador de turbina eólica con la red eléctrica de servicio público. En un enfoque común la salida del generador de turbina eólica se alimenta directamente a un convertidor electrónico de potencia, en el que se rectifica la frecuencia de la turbina y se invierte para dar una frecuencia fija como según sea necesario para el sistema público de distribución. Un enfoque alternativo usa un generador asincrono doblemente alimentado (DFAG) con un inversor electrónico de potencia de frecuencia variable que excita los devanados de rotor y estator del DFAG que se acoplan directamente al sistema público de distribución.

Tradicionalmente, los generadores de turbinas eólicas se han configurado para responderá los requisitos de la red eléctrica a través del uso de una combinación de dispositivos de medición de la red eléctrica, señales del servicio público y referencias de respuesta y algoritmos internos al controlador de la turbina, tal como se describe, por ejemplo, en los documentos GB233256, EP17985 y US44659.

Esta disposición tiene varios inconvenientes. En primer lugar, la respuesta del generador de turbina eólica a los requisitos de la red eléctrica generalmente se convierte en una caja negra visto desde la perspectiva del operador del sistema. En segundo lugar, pueden producirse elementos de respuesta retroalimentada cuando el sistema de generador de turbina eólica regula en respuesta a artefactos autogenerados. Además, en la configuración normal las turbinas eólicas no contribuyen a la estabilización de frecuencia del sistema público de distribución.

El propósito de la invención es superar las limitaciones mencionadas anteriormente para unidades de generación eléctrica y proporcionar técnicas de control de modo que la unidad de generación eléctrica pueda satisfacer los requisitos de la red eléctrica de un modo transparente para los operadores del sistema, incluyendo contribuir a la regulación de frecuencia y estabilización de oscilaciones de potencia para el sistema público de distribución.

Descripción de la invención

La invención está definida por las características del dispositivo de la reivindicación 1 y el método de la reivindicación 13. Las reivindicaciones dependientes indican realizaciones ventajosas de la invención.

Una realización a modo de ejemplo de la invención incluye un sistema de generación eléctrica que comprende al menos una unidad de generación eléctrica que puede hacerse funcionar para suministrar potencia eléctrica a un sistema público de distribución y al menos una máquina síncrona que se hace funcionar en paralelo a la unidad de generación eléctrica. La unidad de generación eléctrica se interconecta con el sistema público de distribución usando un convertidor de potencia.

Un dispositivo de medición de la red eléctrica está ubicado entre la máquina síncrona y la red eléctrica para medir la corriente y la potencia intercambiada entre el generador síncrono y la red eléctrica. La salida del dispositivo de medición de la red eléctrica se transmite por medios de comunicación a un controlador que está dispuesto para ajustar la potencia de salida de la unidad de generación eléctrica en función de la potencia y la corriente que mide el dispositivo de medición de la red eléctrica. En una realización de la invención el controlador es una parte integrada de un controlador interno para la unidad de generación eléctrica tal como un controlador interno de turbina eólica o similar. En otra realización el controlador es un controlador externo que usa medios de comunicación entre el controlador y la unidad de generación eléctrica. La unidad de generación eléctrica está configurada para proporcionar corriente y potencia al sistema público de distribución en función de la salida del dispositivo de medición de la red eléctrica y de este modo contribuir a la estabilización de la frecuencia de la red eléctrica en caso de desequilibrio.

En una realización preferida de la invención la unidad de generación eléctrica es de uno de los siguientes tipos: un generador de turbina eólica, una célula solar, célula de combustible, microturbina, de energía undimotriz u otras unidades de generación eléctrica que tienen una interconexión por convertidor de potencia a la red eléctrica.

En una realización preferida de la invención el sistema de generación eléctrica comprende varias unidades de generación eléctrica que funcionan en paralelo tal como turbinas eólicas en un parque eólico. En una realización adicional el sistema de generación eléctrica comprende varias máquinas síncronas que funcionan en paralelo con las unidades de generación eléctrica para soporte de la red... [Seguir leyendo]

Sistema de generación eléctrica que comprende:

- una unidad de generación eléctrica que puede hacerse funcionar para suministrar potencia eléctrica a un sistema público de distribución;

- una máquina síncrona que puede acoplarse al sistema público de distribución, proporcionando respuesta inercial para la red eléctrica de servicio público;

- un dispositivo de medición de la red eléctrica dispuesto para medir la corriente y la potencia que se intercambia entre la máquina síncrona y el sistema público de distribución;

- un controlador para ajustar la potencia de salida de la unidad de generación eléctrica en función de la potencia y corriente que mide el dispositivo de medición de la red eléctrica; y

- medios de comunicación entre el dispositivo de medición de la red eléctrica, controlador y/o la unidad de generación eléctrica, en el que la unidad de generación eléctrica está configurada para proporcionar corriente y potencia al sistema público de distribución en función de la potencia y corriente que mide el dispositivo de medición de la red eléctrica.

Sistema de generación eléctrica según la reivindicación 1, en el que la unidad de generación eléctrica es de uno de los siguientes tipos: un generador de turbina eólica, una célula solar, célula de combustible, microturbina, un sistema de energía undimotriz o similar.

Sistema de generación eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en el que la máquina síncrona es una micromáquina síncrona con una constante de inercia relativamente alta.

Sistema de generación eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el sistema de generación eléctrica comprende varias unidades de generación eléctrica que funcionan en paralelo.

Sistema de generación eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el controlador está configurado además para proporcionar una señal de control de paso de pala o una señal de control de velocidad de la turbina en respuesta a las perturbaciones de frecuencia o las oscilaciones de potencia del sistema público de distribución en función de la respuesta de máquina síncrona al sistema público de distribución.

Sistema de generación eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que una señal de entrada para el controlador comprende una señal de potencia o par motor y es función de la respuesta de máquina síncrona al sistema público de distribución.

Sistema de generación eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende además una función de límite configurada para limitar una frecuencia relativa de modulación de flujo de potencia, una señal de par motor o potencia complementaria, o combinaciones de las mismas.

Sistema de generación eléctrica según la reivindicación 7, en el que la función de límite comprende límites que pueden hacerse funcionar en función de al menos uno de una limitación física en el sistema de generación eléctrica tal como un límite de potencia, un límite de par motor, un límite de corriente, un límite de energía o un límite de velocidad.

Sistema de generación eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el sistema de generación eléctrica comprende un generador de turbina eólica, generador de turbina eólica que comprende un generador asincrono doblemente alimentado o un generador para su uso con un convertidor de plena potencia.

Sistema de generación eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende un elemento de almacenamiento de energía, un elemento consumidor de energía o combinaciones de los mismos, en el que el elemento de almacenamiento de energía, el elemento consumidor de energía o las combinaciones de los mismos están acoplados a un convertidor.

Sistema de generación eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 1, en el que el árbol principal de la máquina síncrona está acoplado a un motor tal como un motor diésel, un motor eléctrico o similar.

Sistema de generación eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que la máquina síncrona está conectada a medios de control para que la máquina síncrona genere o absorba potencia reactiva.

Método para estabilizar la frecuencia y oscilaciones de potencia de un sistema público de distribución, método que comprende las etapas de:

- suministrar potencia procedente de una unidad de generación eléctrica al sistema público de distribución;

- proporcionar una máquina síncrona, que puede acoplarse al sistema público de distribución, una respuesta inercial para la red eléctrica de servicio público;

- medir la corriente y potencia que se intercambia entre la máquina síncrona y el sistema público de distribución;

- ajustar la potencia de salida de la unidad de generación eléctrica en función de la potencia y corriente que mide el dispositivo de medición de la red eléctrica, mientras se usan medios de comunicación entre el dispositivo de medición de la red eléctrica y la unidad de generación eléctrica, y

- en el que el sistema de generación eléctrica modula el flujo de potencia procedente de la unidad de generación eléctrica en función de las mediciones de potencia y corriente.

Método según la reivindicación 13, que comprende además ajustar la potencia de salida basándose en la tasa de cambio de la frecuencia de las mediciones de potencia y/o corriente.

Método según la reivindicación 13, que comprende además cambiar el paso de pala o la velocidad de turbina de un generador de turbina eólica en respuesta a la perturbación de frecuencia o la oscilación de potencia.

Método según la reivindicación 13, que comprende además modular el flujo de potencia en al menos un elemento de almacenamiento de energía o un elemento consumidor de energía en respuesta a perturbaciones de frecuencia u oscilaciones de potencia del sistema público de distribución.