Producción de energía eólica con fluctuaciones de potencia reducidas.

Un procedimiento de funcionamiento a carga parcial de una turbina eólica (1) que suministra potencia a una red eléctrica (20),

estando equipada la red eléctrica (20) con capacidad de regulación frente a fluctuaciones de frecuencia de la red, que comprende:

- monitorizar la estabilidad de la red eléctrica (20); y

- tras la detección de una reducción en la estabilidad de la red, cambiar el funcionamiento de la turbina eólica limitando, Límite ΔP, las fluctuaciones del suministro de potencia a la red eléctrica (20) provocadas por el viento, o reduciendo un límite ya existente, Límite ΔP, para las fluctuaciones del suministro de potencia.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/DK2011/050307.

Solicitante: VESTAS WIND SYSTEMS A/S.

Nacionalidad solicitante: Dinamarca.

Dirección: Hedeager 42 8200 Aarhus N DINAMARCA.

Inventor/es: TARNOWSKI,GERMÁN CLAUDIO.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F03D7/04 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F03 MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO, DE RESORTES, O DE PESOS; PRODUCCION DE ENERGIA MECANICA O DE EMPUJE PROPULSIVO O POR REACCION, NO PREVISTA EN OTRO LUGAR.F03D MOTORES DE VIENTO.F03D 7/00 Control de los motores de viento (alimentación o distribución de energía eléctrica H02J, p.ej. disposiciones para ajustar, eliminar o compensar la potencia reactiva en las redes H02J 3/18; control de generadores eléctricos H02P, p.ej. disposiciones para el control de generadores eléctricos con el propósito de obtener las características deseadas en la salida H02P 9/00). › Control automático; Regulación.
  • F03D9/00 F03D […] › Adaptaciones de los motores de viento para usos especiales; Combinaciones de motores de viento con los aparatos que accionan (disposiciones relativas a conjuntos de propulsión de vehículos alimientados por energía eólica B60K 16/00; bombas caracterizadas por su combinación con motores de viento F04B 17/02).
  • H02J3/24 SECCION H — ELECTRICIDAD.H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA.H02J CIRCUITOS O SISTEMAS PARA LA ALIMENTACION O DISTRIBUCION DE ENERGIA ELECTRICA; SISTEMAS PARA LA ACUMULACION DE ENERGIA ELECTRICA (circuitos de alimentación de energía paralos aparatos de medida de rayos X, rayos gamma, radiaciones corpusculares o de las radiaciones cósmicas G01T 1/175; circuitos de alimentación de energía eléctrica especialmente adaptados para su uso en relojes electrónicos sin partes móviles G04G 19/00; para computadores digitales G06F 1/18; para los tubos de descargar H01J 37/248; circuitos o aparatos para la conversión de la potencia eléctrica, disposiciones para su control o regulación H02M; control de una combinación máquina motriz-generador, control interrelacionado de varios motores H02P; control de energía a alta frecuencia H03L; utilización complementaria de línea o red de energía para transmisión de información H04B). › H02J 3/00 Circuitos para redes principales o de distribución, de corriente alterna. › Disposiciones para evitar o reducir las oscilaciones de potencia en las redes (por control efectuado en un solo generador H02P 9/00).

PDF original: ES-2536231_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Producción de energía eólica con fluctuaciones de potencia reducidas Campo de la invención La presente invención se refiere a un procedimiento para hacer funcionar un parque eólico o una turbina eólica con fluctuaciones de potencia reducidas, y a un sistema de control y un parque eólico o turbina eólica dispuesto para llevar a cabo este procedimiento.

Antecedentes de la invención En una red de suministro eléctrico, normalmente los consumidores pueden consumir potencia eléctrica de manera incontrolada. Puesto que casi no se almacena energía en la red, no puede haber un desequilibrio entre la potencia producida y la potencia consumida. Por lo tanto, la producción momentánea de potencia debe coincidir con el consumo de potencia momentáneo. La superproducción da lugar a un incremento en la frecuencia de la red más allá del valor nominal (por ejemplo, 50 o 60 Hz) , ya que los generadores síncronos convencionales aceleran, mientras que el sobreconsumo dará lugar a una disminución en la frecuencia de la red más allá del valor nominal (por ejemplo, 50 o 60 Hz) , ya que entonces los generadores síncronos convencionales decelerarán.

Con el fin de estabilizar la frecuencia de la red eléctrica, de forma convencional, aproximadamente un 10 % de los productores contribuyen a lo que se denomina "control energético primario". Estos productores, también denominados "controladores primarios", incrementan la salida de potencia cuando la frecuencia cae por debajo del valor nominal y disminuyen la salida de potencia cuando sube por encima del valor nominal.

De forma convencional, las turbinas eólicas no contribuyen al control primario, en primer lugar porque normalmente las turbinas eólicas no pueden incrementar su salida de potencia por una orden (ya que normalmente funcionan a una carga nominal o, cuando funcionan a una carga parcial, en un punto de trabajo óptimo) , y en segundo lugar porque la energía eólica disponible, normalmente, se debe explotar en su totalidad. Se han propuesto excepciones, por ejemplo, en los documentos US 7.372.173 B2, WO 2009/112605 A1 y WO 2010/000663 A1, de acuerdo con estos, la salida de potencia se incrementa con la disminución de la frecuencia de la red por debajo de un límite de frecuencia determinado, y viceversa.

En general, la energía eólica añade un momento adicional de inestabilidad de la red debido a que, con una fracción significativa de energía eólica en una red, no sólo el consumo es incontrolado, sino también la producción por las turbinas eólicas. Aún cuando las previsiones de viento permiten predecir la producción de energía eólica con una precisión considerable sobre una base a largo plazo (del nivel de horas) , normalmente la velocidad del viento fluctúa de manera impredecible sobre una base a corto plazo (del nivel de minutos a unos pocos segundos) . Una turbina eólica que funciona a carga parcial (es decir, cuando la velocidad del viento está por debajo de la velocidad del viento nominal de la turbina eólica considerada) normalmente transformará estas fluctuaciones de la velocidad del viento en fluctuaciones correspondientes de la cantidad de potencia real producida y suministrada a la red eléctrica. Sólo a velocidades del viento por encima de la nominal, cuando una turbina eólica funciona a una carga nominal, normalmente las turbinas eólicas controlan su salida de potencia para que sea constante a la salida de potencia nominal.

La consecuencia de la producción de potencia fluctuante por las turbinas eólicas sobre la estabilidad de la red depende de las características de la red. En una gran red estable, una fluctuación de potencia por una turbina eólica o un parque eólico no producirá ninguna respuesta significativa en forma de una fluctuación de frecuencia. Por tanto, dichas redes pueden hacer frente a mayores variaciones de potencia. Sin embargo, en una red pequeña aislada, o en redes débiles, una fluctuación de potencia de este tipo puede producir una fluctuación de frecuencia significativa, de modo que las variaciones de potencia a corto plazo pueden provocar problemas de estabilidad y regulación en la red (E. Hau, "Windturbines", Springer, Berlín, 2000, sección 13.1.5, p. 390) .

Sumario de la invención La invención proporciona un procedimiento de funcionamiento a carga parcial de una turbina eólica que suministra potencia a una red eléctrica que está equipada con capacidad de regulación frente a fluctuaciones de frecuencia de la red. El procedimiento comprende monitorizar la estabilidad de la red eléctrica y, tras la detección de una reducción en la estabilidad de la red, cambiar el funcionamiento de la turbina eólica limitando las fluctuaciones provocadas por el viento del suministro de potencia a la red eléctrica, o reduciendo un límite ya existente para las fluctuaciones del suministro de potencia.

De acuerdo con otro aspecto, se proporciona un sistema de control para controlar al menos una turbina eólica que suministra potencia a una red eléctrica. El sistema de control está dispuesto para llevar a cabo un procedimiento que comprende monitorizar la estabilidad de la red eléctrica y, tras la detección de una reducción en la estabilidad de la red, cambiar el funcionamiento de la turbina eólica limitando las fluctuaciones provocadas por el viento del suministro de potencia a la red eléctrica, o reduciendo un límite ya existente para las fluctuaciones del suministro de potencia.

De acuerdo con otro aspecto, se proporciona un parque eólico o turbina eólica que comprende un control para controlar al menos una turbina eólica que suministra potencia a una red eléctrica. El sistema de control está dispuesto para llevar a cabo un procedimiento que comprende monitorizar la estabilidad de la red eléctrica y, tras la detección de una reducción en la estabilidad de la red, cambiar el funcionamiento de la turbina eólica limitando las fluctuaciones provocadas por el viento del suministro de potencia a la red eléctrica, o reduciendo un límite ya existente para las fluctuaciones del suministro de potencia.

Otras características son inherentes en los procedimientos y productos divulgados o serán evidentes para los expertos en la técnica a partir de la siguiente descripción y los dibujos adjuntos.

Breve descripción de los dibujos Se explican modos de realización de la presente invención a modo de ejemplo con respecto a los dibujos adjuntos, en los que:

la fig. 1 muestra esquemáticamente un modo de realización de una turbina eólica ejemplar;

la fig. 2 ilustra, por medio de un ejemplo, la variación de potencia y frecuencia en función del tiempo en un modo de realización con funcionalidad del límite de fluctuaciones;

la fig. 3 es un diagrama de circuito funcional de un modo de realización de un controlador de parque eólico dispuesto para realizar el procedimiento explicado en relación con la fig. 2;

la fig. 4 es un diagrama de flujo para ilustrar funciones adicionales o alternativas de modos de realización.

Descripción detallada de los modos de realización Antes de volver a la descripción detallada de los modos de realización en base a los dibujos, se analizarán unos pocos puntos más generales de los modos de realización.

Los modos de realización se refieren a un procedimiento de funcionamiento de una turbina eólica (por ejemplo, una turbina eólica de velocidad variable) que suministra potencia a una red eléctrica que está equipada con capacidad de regulación frente a fluctuaciones de frecuencia de la red. "Red eléctrica" o "red" es una red de suministro fuera del límite y punto de acoplamiento común de un parque eólico; cuando se hace referencia a la red dentro de un parque eólico se hace una expresión con indicación explícita al parque eólico, por ejemplo, "red de parque eólico". La capacidad de regulación frente a fluctuaciones de frecuencia de la red se proporciona, por ejemplo, por una determinada fracción (típicamente de aproximadamente un 10 %) de controladores primarios, que, típicamente son productores convencionales, que pueden usar turbinas accionadas por vapor o gas y fuentes de energía fósil, o energía hidroeléctrica. Los controladores primarios incrementan la salida de potencia cuando la frecuencia cae por debajo del valor nominal (por ejemplo, 50 o 60 Hz) y disminuyen la salida de potencia cuando sube por encima del valor nominal.

Como el presente texto trata de la potencia activa más que de la potencia reactiva, la potencia activa se denomina brevemente como "potencia" o "potencia de salida". Cuando se hace referencia a potencia reactiva, se denomina explícitamente como "potencia reactiva"

Existe un límite superior a la potencia de salida que se puede producir por la turbina eólica... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un procedimiento de funcionamiento a carga parcial de una turbina eólica (1) que suministra potencia a una red eléctrica (20) , estando equipada la red eléctrica (20) con capacidad de regulación frente a fluctuaciones de frecuencia de la red, que comprende:

- monitorizar la estabilidad de la red eléctrica (20) ; y

-tras la detección de una reducción en la estabilidad de la red, cambiar el funcionamiento de la turbina eólica limitando, Límite ΔP, las fluctuaciones del suministro de potencia a la red eléctrica (20) provocadas por el viento,

o reduciendo un límite ya existente, Límite ΔP, para las fluctuaciones del suministro de potencia.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la monitorización de la estabilidad de la red comprende determinar al menos uno de un intervalo de fluctuaciones de frecuencia de la red y una varianza de fluctuaciones de frecuencia de la red.

3. El procedimiento de la reivindicación 1 o 2, en el que la monitorización de la estabilidad de la red comprende determinar una correlación entre la potencia suministrada a la red eléctrica (20) y la frecuencia de la red, en el que cuanto mayor sea la correlación menor será la estabilidad de la red detectada.

4. El procedimiento de la reivindicación 3, en el presente documento la determinación de la correlación comprende realizar una variación de prueba (24) de la potencia suministrada a la red eléctrica (20) y medir una respuesta de la frecuencia de la red (24') .

5. El procedimiento de la reivindicación 3 o 4, en el que la correlación se determina de acuerdo con una función de correlación = ⁄ () · () , en la que x (t) es la potencia, Peléctrica, suministrada a la red eléctrica (20)

º ∫⁄

en función del tiempo t, y (t) es la frecuencia de la red en función del tiempo t, TF es un periodo de tiempo para el que se determina la correlación.

6. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en el que las fluctuaciones de frecuencia de la red provocadas por el suministro de potencia se mantienen dentro de un intervalo, Fmax/Fmin, de un mínimo a un máximo de frecuencia permitida, o una varianza de fluctuaciones de frecuencia de la red provocadas por el

suministro de potencia se mantiene por debajo de un límite de varianza, eligiendo el límite en las fluctuaciones de potencia, Límite ΔP, de forma correspondiente.

7. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, en el que el límite de fluctuaciones (Límite ΔP) se ajusta continuamente para mantener la frecuencia de la red dentro de un intervalo, Fmax/Fmin, de un mínimo a un máximo de frecuencia permitida, o una varianza de fluctuaciones de frecuencia de la red por debajo de un límite de varianza.

8. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el funcionamiento de la turbina eólica (1) se cambia de un modo de funcionamiento normal a un modo de fluctuación reducida en el que el límite de fluctuaciones (Límite ΔP) se activa o se reduce, en respuesta a la detección de una reducción en la estabilidad de la red más allá de un valor umbral de cambio de modo.

9. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 3-5 o 6-8, cuando dependen de la reivindicación 3, en el que cuanto mayor sea la correlación entre la potencia suministrada a la red eléctrica y la frecuencia de la red más se limitan las fluctuaciones del suministro de potencia, Límite ΔP.

10. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que las fluctuaciones positivas del suministro de potencia por la turbina eólica (1) se limitan, Límite ΔP, cortando los picos de salida altos.

11. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que la turbina eólica (1) tiene un punto de trabajo óptimo, y en el que el funcionamiento de la turbina eólica con un límite de fluctuaciones, Límite ΔP, o una reducción en el límite de fluctuaciones, comprende hacer funcionar la turbina eólica en un punto de trabajo no óptimo, y en el que las fluctuaciones negativas del suministro de potencia por la turbina eólica (1) se contrarrestan cambiando el punto de trabajo hacia el punto de trabajo óptimo.

12. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, usando una previsión de viento para reducir el límite de fluctuaciones, Límite ΔP, o para elevar un valor umbral de la estabilidad de la red de cambio de modo que define el cambio de un modo de funcionamiento normal a un modo de fluctuación reducida, en respuesta a la previsión de viento que predice un incremento en las fluctuaciones de energía eólica.

13. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, que comprende además usar una 50 expectativa de consumo de potencia en la red eléctrica para reducir el límite de fluctuaciones, Límite ΔP, o para elevar un valor umbral de la estabilidad de la red de cambio de modo que define el cambio de un modo de funcionamiento normal a un modo de fluctuación reducida, en respuesta a la expectativa de consumo de potencia que da lugar a la expectativa de incremento en la fluctuación de frecuencia de la red.

14. Un sistema de control (13, 23) para controlar al menos una turbina eólica (1) que suministra potencia a una red eléctrica (20) , estando dispuesto el sistema de control (13, 23) para llevar a cabo el procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.

15. Un parque eólico (2) o turbina eólica (1) equipado con el sistema de control (13, 23) de la reivindicación 14.


 

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