Sistema de control de potencia de una unidad de generación eléctrica.

Sistema de control de potencia de una unidad de generación eléctrica.

La presente invención se puede incluir en el campo técnico de los sistemas de control de potencia de unidades de generación eléctrica que comprende un lazo de regulación supervisor aplicable a una unidad de generación que calcula parámetros de funcionamiento o consignas en base a medias temporales de la medida de potencia.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se puede incluir en el campo técnico de los sistemas de control de potencia de unidades de generación eléctrica.

El objeto de la invención es un sistema de control de potencia de una unidad de generación eléctrica, y más concretamente de un aerogenerador o de un parque eólico, que comprende un lazo de regulación supervisor aplicable a una unidad de generación que calcula parámetros de funcionamiento o consignas en base a medias temporales de la medida de potencia.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los aerogeneradores incorporan hoy en día sistemas de control cuyo objetivo es maximizar la producción de energía mediante una solución de compromiso que asegure que se mantienen las cargas asociadas al viento dentro de un rango asumióle por el diseño de los componentes. Es por ello que el control sobre el par demandado al generador para funcionar a velocidad variable y el control del ángulo de paso de pala se han convertido en los sistemas de control convencional.

Por una parte, el control de ángulo de paso de pala o control del ángulo de pitch se controla mediante actuadores dispuestos en la raíz de cada pala, que hacen girar la pala en torno a su eje longitudinal. Dicha actuación consigue variar el comportamiento aerodinámico de la pala modificando el ángulo de paso de la pala para mantener la velocidad de giro entorno a la velocidad de giro nominal una vez alcanzado el par nominal.

Por otra parte, el sistema de control sobre el par demandado modula dicho par demandado al generador desde el convertidor en función de la velocidad del generador.

De esta manera, los aerogeneradores de velocidad variable funcionan maximizando el rendimiento aerodinámico en un régimen de vientos bajos gracias a su capacidad de trabajar a velocidad variable de giro del rotor, donde controlan su velocidad de giro modulando el par en el generador eléctrico en determinado régimen de vientos medios y a vientos altos limitan la velocidad de giro del rotor ante ráfagas gracias al control del ángulo de paso de pala logrando limitar la potencia generada en un valor sustancialmente igual a la potencia nominal.

Generalmente, los lazos de regulación del aerogenerador calculan consignas en ciclos de trabajo cuyo periodo de cálculo es inferior al segundo, con la finalidad de conseguir una gran agilidad de respuesta. Así, el documento US6420795B2 presenta un sistema de control de par como los descritos anteriormente.

Dicho sistema de control puede implicar una pérdida de energía con respecto a la producible en muchas ocasiones debido a que dichos lazos de regulación incorporan unos limitadores que, en cada paso de cálculo, impiden que la potencia o el par superen su respectivo valor máximo en cualquier momento..

Para solventar dicho problema, existen propuestas que incluyen dos tipos de regulación: una regulación como la convencional, con los diferentes tramos de control de velocidad típicos de los aerogeneradores de velocidad variable, y una regulación alternativa empleada en determinados períodos de tiempo, en la que se emplea como límite de potencia un valor más elevado que el nominal del lazo de regulación convencional como vía para la compensación de pérdidas de energía previas que pueden ser debidas a situaciones en las que no había viento disponible para alcanzar la potencia nominal.

Entre los anteriores se encuentra el documento EP2336558A2 relativo a un método de control de aerogeneradores que comprende medios de control para llevar a cabo una regulación estándar siguiendo una curva potencia-velocidad del generador, que comprende una primera zona sub-nominal en la que se mantiene constante la velocidad del generador a su valor de acoplamiento, una segunda zona subnominal en la que se permite que tanto la velocidad del generador como la potencia aumenten o disminuyan en línea con la velocidad del viento, una tercera zona sub-nominal en la que se mantiene constante la velocidad del generador en su valor nominal y una zona nominal en la que se mantiene constante la potencia en su valor nominal, donde durante determinados

períodos de tiempo se usa una regulación alternativa a una potencia más alta que la determinada por la regulación estándar para optimizar la producción de energía compensando pérdidas previas.

Se conoce también la solicitud de patente US2006273595A1 relativa a un sistema y método para operar un parque eólico bajo condiciones de viento elevado, donde el método lleva a cabo un incremento intermitente de la potencia nominal de salida del aerogenerador basado en una estimación de un conjunto de parámetros de operación con respecto a las condiciones de diseño de dichos parámetros de operación.

De la misma manera, en lazos de control de parque eólico que envían consignas de limitación de potencia nominal, para operar por debajo de unos valores de consigna, se aplican los límites superiores nominales a lazos de regulación de rápida actuación o instantáneos, con ciclos de cálculo para las consignas de par en el rango de 10-100 ms y de las consignas de pitch en el rango de 100-200 ms y los lazos de regulación se hacen en base a medidas instantáneas, por lo que la producción se puede extralimitar.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención resuelve el problema técnico planteado, mediante un sistema de control de potencia de una unidad de generación eléctrica que comprende medios de regulación de la potencia instantánea generada Pinst med, medios para determinar una señal indicativa de la potencia instantánea generada y medios para determinar, a partir de la señal indicativa de la potencia instantánea generada Pinst med en un intervalo de

tiempo, una señal de potencia media generada Pmed.

A lo largo de la presente memoria descriptiva, cuando se haga uso del término potencia, ya sea instantánea o media, como norma general se estará haciendo referencia a la potencia activa. Para hacer referencia a otro tipo de potencia, como la aparente o la reactiva, se emplearan, a lo largo de la memoria los términos potencia aparente y potencia reactiva respectivamente.

El sistema de control comprende además medios de regulación de potencia media configurados para modificar un parámetro de funcionamiento Xref de los medios de

regulación de la potencia instantánea generada en función del error entre una señal de

potencia media de referencia Pref, que puede ser la potencia nominal de la unidad de

generación, y la señal de potencia media generada Pmed, de manera que se elimina dicho error.

Para el cálculo de la potencia media Pmed se tiene en cuenta el histórico de valores de la señal de potencia instantánea generada Pinstmecu durante un intervalo de tiempo. Dicho intervalo de tiempo puede ser o bien configurable o bien predeterminado, por ejemplo, igual a diez minutos.

Los medios de regulación de potencia media así configurados permiten que los límites instantáneos pueden sobrepasar transitoriamente los límites estacionarios mientras que éstos no se sobrepasan como norma general. Debido a que los límites estacionarios son normalmente térmicos o de cargas, se garantiza que no se sobrecarguen ni térmica ni mecánicamente los componentes, mientras que, a su vez, los periodos de generación por debajo de los límites estacionarios nominales, que son de menor duración que el intervalo de tiempo configurable mediante los medios de regulación de potencia media, se compensan por otros, también de menor duración que el intervalo de tiempo configurable, en que la potencia es mayor que los límites estacionarios normales.

De esta manera, los medios de regulación de potencia media del sistema de la presente invención llevan a cabo un control continuo, donde debido a esta compensación de los periodos de generación por debajo de los límites estacionarios nominales dicha compensación se maximiza la energía producida por la instalación mientras se garantiza la integridad de sus componentes.

El parámetro de funcionamiento de los medios de regulación de la potencia instantánea generada que es modificado por los medios de regulación de potencia media del sistema de la presente invención puede ser, pero no está limitado a uno de los siguientes: potencia máxima instantánea Pmax jnst, velocidad de giro de referencia, ángulo de paso o pitch de referencia, incremento de potencia o par sobre la potencia de referencia o par de referencia respectivamente calculados en un lazo de regulación instantáneo.

Opcionalmente, la unidad de generación eléctrica es un aerogenerador que

comprende un rotor formado por al menos dos palas y un generador eléctrico conectado a dicho rotor y a la red...

1.- Sistema de control de potencia de una unidad de generación eléctrica que comprende medios de regulación (2) de la potencia instantánea generada Pinst med (3), medios para determinar una señal indicativa de la potencia instantánea generada y medios (4) para determinar, a partir de la señal indicativa de la potencia instantánea generada Pinstmed (3) en un intervalo de tiempo (21), una señal de potencia media generada Pmed (5),

caracterizado por que comprende además medios de regulación (6) de potencia media configurados para modificar un parámetro de funcionamiento Xref (7) de los medios de regulación (2) de la potencia instantánea generada Pinst med (3) en función del error entre una señal de potencia media de referencia Pref (17), y la señal de potencia media generada Pmed (5).

2.- Sistema de control de potencia de una unidad de generación eléctrica según reivindicación 1 caracterizado por que la unidad de generación es un aerogenerador que comprende un rotor formado por al menos dos palas y un generador eléctrico (1) conectado a dicho rotor y a la red eléctrica, donde los medios de regulación (2) de la potencia instantánea generada Pinst_med (3), comprenden medios de control del par eléctrico del generador y/o medios de control de paso de pala.

3.- Sistema de control de potencia de una unidad de generación eléctrica según reivindicaciones 1 ó 2 caracterizado por que la unidad de generación es un parque eólico (8) que comprende unos aerogeneradores y donde el parámetro de funcionamiento Xref (7) de los medios de regulación (2) de la potencia instantánea

generada Pinstmed (3) es una referencia de potencia media Pref j (15) para los aerogeneradores del parque eólico (8).

4.- Sistema de control de potencia de una unidad de generación eléctrica según reivindicación 1 caracterizado por que la señal de potencia media de referencia Pref (17) es la potencia nominal de la unidad de generación.

5.- Sistema de control de potencia de una unidad de generación eléctrica según reivindicación 3 caracterizado por que la señal de potencia media de referencia Pref

(17) es un valor superior al de la potencia nominal del aerogenerador empleado transitoriamente.

6.- Sistema de control de potencia de una unidad de generación eléctrica según 5 reivindicación 3 caracterizado por que la señal de potencia media de referencia Pref

(17) es un valor inferior al de la potencia nominal del aerogenerador empleado transitoriamente.

7.- Sistema de control de potencia de una unidad de generación eléctrica según 10 reivindicaciones 5 ó 6 caracterizado por que el valor de la señal de potencia media de

referencia Pref (17) es obtenido de una consigna recibida del control de parque eólico.

8.- Sistema de control de potencia de una unidad de generación eléctrica según reivindicación 1 caracterizado por que la señal de potencia media de referencia Pref

(17) es la diferencia entre la potencia aparente nominal y la potencia reactiva media en

el intervalo de tiempo (21).

9.- Sistema de control de potencia de una unidad de generación eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que los medios de

regulación (6) de la potencia media empleados para el cálculo del parámetro de funcionamiento (7) son de tipo continuo comprendiendo un regulador proporcional- integral (12).

10.- Sistema de control de potencia de una unidad de generación eléctrica según 25 cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 caracterizado por que los medios de

regulación (6) de la potencia media empleados para el cálculo del parámetro de funcionamiento (7) son de tipo discontinuo, comprendiendo un ciclo de histéresis (13) o conmutador que selecciona entre dos valores del parámetro de funcionamiento (7) en función de la comparación entre la potencia media de referencia Pref (17), y la 30 potencia media generada Pmed (5).

11.- Sistema de control de potencia de una unidad de generación eléctrica según reivindicación 10 caracterizado por que comprende además un bloque de rampeo (14).

12.- Sistema de control de potencia de una unidad de generación eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11 caracterizado por que los medios de regulación (6) de la potencia media empleados para el cálculo del parámetro de funcionamiento (7) comprenden además un bloque limitador.

13.- Sistema de control de potencia de una unidad de generación eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el parámetro de funcionamiento (7) de los medios de regulación (2) de la potencia instantánea generada que es modificado por los medios de regulación (6) de potencia media es

uno de los siguientes: potencia máxima instantánea Pmax_mst. velocidad de giro de referencia, ángulo de paso o pitch de referencia (18), incremento de potencia o par sobre la potencia de referencia o par de referencia (19) respectivamente calculados en un lazo de regulación instantáneo.

14.- Sistema de control de potencia de una unidad de generación eléctrica según

reivindicación 13 caracterizado por que el parámetro de funcionamiento Xref (7) es la potencia máxima instantánea Pmaxjnst. a partir del cual, para una referencia de velocidad de giro constante, se calcula un límite de par máximo que se aplica en el lazo de control de velocidad con par.

15.- Sistema de control de potencia de una unidad de generación eléctrica según reivindicación 13 caracterizado por que el parámetro de funcionamiento Xref (7) es la potencia máxima instantánea Pmax jnst, a partir de la cual, para un límite máximo de par constante se calcula una nueva referencia de velocidad de giro (20), que se aplica

en el lazo de control de velocidad con par y pitch.

16.- Sistema de control de potencia de una unidad de generación eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el intervalo de tiempo (21) en el que se calcula el error entre la señal de potencia media de referencia

Pref (17), y la señal de potencia media generada Pmed (5) es un intervalo de tiempo (21) predeterminado o configurable por el sistema.