Sistema de control de turbinas eólicas y empresas de energía eléctrica.

Un sistema de turbina eólica (10) que comprende:

un generador de turbina eólica (18) operable para suministrar energía de la turbina eólica a un sistema de empresas de energía eléctrica (40);

un convertidor (34) acoplado al generador de turbina eólica (18) y el sistema de empresas de energía eléctrica (40);

y

un controlador (32) que comprende un marco interno de referencia (62) del generador de turbina eólica (18); estando dicho controlador acoplado al convertidor (34) y configurado para modular el flujo de energía a través del convertidor (34) en respuesta a las perturbaciones de frecuencia o las oscilaciones de energía del sistema de empresas de energía eléctrica (40) con respecto al marco de referencia interno (62);

caracterizado porque:

dicho marco de referencia interno (62) se implementa como un integrador que emula una inercia virtual; estando dicho marco de referencia interno (62) configurado para proporcionar una señal de salida de frecuencia de referencia variable (64);

dicho controlador está adaptado para el uso dicha señal de salida de frecuencia de referencia (64) para proporcionar una señal de entrada suplementaria (50) como una señal de entrada a los controles de turbina eólica (44) para controlar características de la turbina, tales como paso de las palas o velocidad de la turbina con el fin de aumentar o disminuir la energía de salida de la instalación eólica; y

dicho controlador está adaptado además para proporcionar dicha señal de entrada suplementaria (50) para el elemento de suma (52) para sumar con una señal de par o de comando de energía (48) de los controles de turbina eólica (44) para proporcionar una señal de entrada (54) al convertidor para modular el flujo de energía a través del convertidor.

Sistema de control de turbinas eólicas y empresas de energía eléctrica La invención se refiere en general al campo de los generadores de turbinas eólicas utilizados para la generación de energía para empresas de energía eléctrica y, más particularmente, a técnicas para la estabilización de energía durante condiciones transitorias.

Los generadores de turbinas eólicas son considerados como fuentes alternativas respetuosas del medio ambiente y relativamente baratas de energía que utilizan la energía eólica para producir energía eléctrica. Un generador de turbina eólica incluye generalmente un rotor eólico que tiene palas de turbina que transforman la energía eólica en un movimiento de rotación de un eje de accionamiento, que a su vez se utiliza para conducir un rotor de un generador eléctrico para producir energía eléctrica. Los sistemas de generación de energía eólica modernos normalmente toman la forma de un parque eólico que tiene múltiples de tales turbinas eólicas que son operables para suministrar energía a un sistema de transmisión que proporciona energía a un sistema de empresas de energía eléctrica.

Estos generadores de turbinas eólicas y parques eólicos normalmente están diseñados para suministrar energía al sistema de empresas de energía eléctrica con el poder de ser independientes de la frecuencia del sistema. Algunos generadores de turbinas eólicas tienen una operación de frecuencia variable y requieren un convertidor electrónico de energía de frecuencia variable para conectar la salida del generador de turbina eólica con la red de suministro eléctrico. En un enfoque común la salida del generador de turbina eólica se alimenta directamente a un convertidor electrónico de energía, donde se rectifica la frecuencia de la turbina y se invierte en una frecuencia fija, según sea necesario mediante el sistema de empresas de energía eléctrica. Un enfoque alternativo utiliza un generador asíncrono doblemente alimentado (DFAG) con un convertidor electrónico de energía de frecuencia variable que excita las bobinas del rotor DFAG y del estator estando acoplados directamente al sistema de empresas de energía eléctrica.

En los sistemas tradicionales de energía, la frecuencia de los generadores síncronos del sistema de energía coincide con el sistema de empresas de energía eléctrica, y la respuesta dinámica de la frecuencia del sistema de empresas de energía eléctrica depende de la inercia de los generadores síncronos y cargas. Los generadores sincrónicos utilizados en un sistema de energía tradicional son capaces de contribuir en el control de la frecuencia y el voltaje del sistema eléctrico durante condiciones transitorias, es decir, un fallo repentino de generación, falla en la línea o la conexión de una carga grande. Durante de condiciones transitorias, la frecuencia del sistema comienza a cambiar a una velocidad determinada principalmente por el momento cinético total del sistema. El momento cinético total es una suma del momento angular de todos los generadores y las cargas rotativas conectadas al sistema de energía. En tales condiciones transitorias, los generadores síncronos también pueden proporcionar servicios de control adicionales que modulan la energía activa para estabilizar el sistema de energía y restaurar la frecuencia a su valor nominal.

Las turbinas eólicas, cuando se utilizan para la generación de energía en un sistema de energía, sin embargo, no contribuyen a la estabilización de la frecuencia del sistema de empresas de energía eléctrica. A medida que más energía generada por las turbinas eólicas se interconecta a través del sistema de empresas de energía eléctrica, sería deseable que las turbinas eólicas contribuyan también para el control de voltaje y la frecuencia del sistema de energía en condiciones transitorias con el fin de estabilizar el sistema de energía.

Gonzalo Costales Ortiz et al., Solicitud OMPI Nº 03023224, describe un sistema para el uso de la inercia de la turbina mecánica para la estabilidad dinámica y control de frecuencia. El sistema utiliza una referencia de frecuencia fija y la derivada de la frecuencia para calcular el par suplementario y la salida de energía al sistema. Términos derivados de los sistemas de control están sujetos al ruido que puede afectar al rendimiento. Una referencia fija es una dificultad en realizaciones en las que el control de la turbina se desea para realizar un seguimiento de las fluctuaciones normales en la frecuencia de servicio sin par suplementario indebido o interacciones de energía.

El documento DE 198 27 261 C1 divulga un procedimiento para compensar/corregir las fluctuaciones de energía (delta P) de un generador en el que el estator del generador es accionado directamente desde una máquina de producción, y el rotor del generador es accionado directamente desde una unidad de velocidad variable de tal manera que una fluctuación de energía detectada (delta P) se ajusta a cero cambiando las revoluciones del rotor reales (NR) . En el documento US-A-5 225 712 se describe un convertidor de energía de turbina eólica que suaviza la energía de salida de una turbina eólica de velocidad variable, para reducir o eliminar las fluctuaciones de energía sustanciales en la línea de salida. El convertidor de energía tiene un convertidor de CA a CC conectado a un generador de velocidad variable que convierte la energía eólica en energía eléctrica, un inversor de CC a CA conectado a una red de suministro eléctrico, y un enlace de voltaje de CC conectado a un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica tal como una batería o una pila de combustible, o una célula fotovoltaica o solar.

Por lo tanto, existe una creciente necesidad de superar las limitaciones mencionadas anteriormente para los sistemas de turbina eólica y para proporcionar técnicas de control de modo que las turbinas eólicas pueden

participar en la regulación de frecuencia y la estabilización del desvío de energía para el sistema de empresas de energía eléctrica.

Un ejemplo de realización incluye un sistema de turbina eólica. El sistema de turbina eólica incluye un generador de turbina eólica que puede operar para suministrar energía de turbina eólica a un sistema de empresas de energía eléctrica. Un convertidor está acoplado al generador de turbina eólica y al sistema de empresas de energía eléctrica. La instalación eólica también incluye un controlador que comprende un marco de referencia interno del generador de turbina eólica, junto al convertidor, y configurado para modular el flujo de energía a través del convertidor en respuesta a las perturbaciones de frecuencia u oscilaciones de energía del sistema de empresas de energía eléctrica relativa al marco de referencia interno. El marco de referencia interno se implementa como un integrador que emula una inercia virtual y está configurado para proporcionar una señal de salida de frecuencia de referencia variable. El controlador está adaptado para utilizar la señal de salida de frecuencia de referencia para proporcionar una señal de entrada suplementaria como una señal de entrada, para cerrar los controles de turbina para controlar características de la turbina, tales como el paso de las palas o la velocidad de la turbina con el fin de aumentar o disminuir la energía de salida del sistema de turbina eólica. El controlador está adaptado además para proporcionar la señal de entrada suplementaria para elemento de suma para sumar con una señal de comando de par o de energía desde los controles de la turbina eólica para proporcionar una señal de entrada al convertidor para modular el flujo de energía a través del convertidor.

Otro aspecto de la invención incluye un sistema de gestión de parque eólico, el sistema comprende una pluralidad de generadores de turbina eólica operables para suministrar energía de turbina eólica a un sistema de empresas de energía eléctrica; una pluralidad de convertidores, estando cada convertidor acoplado a un respectivo generador de turbina eólica y el sistema de empresas de energía eléctrica; y un controlador de supervisión que comprende un marco de referencia interno de los generadores de turbinas eólicas y configurado para modular el flujo de energía a través de la pluralidad de convertidores en respuesta a las perturbaciones de frecuencia u oscilaciones de energía del sistema de empresas de energía eléctrica con respecto al marco de referencia interno. El marco de referencia interno se implementa como un integrador que emula una inercia virtual y está configurado para proporcionar una señal de salida variable de frecuencia de referencia. El controlador de supervisión está adaptado para utilizar la señal de salida de frecuencia de referencia... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de turbina eólica (10) que comprende:

un generador de turbina eólica (18) operable para suministrar energía de la turbina eólica a un sistema de empresas de energía eléctrica (40) ;

un convertidor (34) acoplado al generador de turbina eólica (18) y el sistema de empresas de energía eléctrica (40) ; y un controlador (32) que comprende un marco interno de referencia (62) del generador de turbina eólica (18) ; estando dicho controlador acoplado al convertidor (34) y configurado para modular el flujo de energía a través del convertidor (34) en respuesta a las perturbaciones de frecuencia o las oscilaciones de energía del sistema de empresas de energía eléctrica (40) con respecto al marco de referencia interno (62) ;

caracterizado porque:

dicho marco de referencia interno (62) se implementa como un integrador que emula una inercia virtual; estando dicho marco de referencia interno (62) configurado para proporcionar una señal de salida de frecuencia de referencia variable (64) ;

dicho controlador está adaptado para el uso dicha señal de salida de frecuencia de referencia (64) para proporcionar una señal de entrada suplementaria (50) como una señal de entrada a los controles de turbina eólica (44) para controlar características de la turbina, tales como paso de las palas o velocidad de la turbina con el fin de aumentar o disminuir la energía de salida de la instalación eólica; y dicho controlador está adaptado además para proporcionar dicha señal de entrada suplementaria (50) para el elemento de suma (52) para sumar con una señal de par o de comando de energía (48) de los controles de turbina eólica (44) para proporcionar una señal de entrada (54) al convertidor para modular el flujo de energía a través del convertidor.

2. El sistema de la reivindicación 1, en el que el controlador (32) está configurado además para proporcionar una señal de control de paso de pala eólica o una señal de control de velocidad de la turbina (56) en respuesta a las perturbaciones de frecuencia o las oscilaciones de energía del sistema de empresas de energía eléctrica (40) con relación al marco de referencia interno (62) .

3. El sistema de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el marco de referencia interno (62) está configurado para emitir una frecuencia variable que puede diferir del sistema de empresas de energía eléctrica (40) durante condiciones transitorias, y que comprende además un elemento de diferencia (68) configurado para generar una frecuencia relativa (66) que comprende una diferencia entre una frecuencia del sistema servicio medida (70) y una frecuencia de marco de referencia interna (64) .

4. El sistema de cualquier reivindicación anterior, en el que el controlador (32) está configurado además para proporcionar una señal de entrada suplementaria (50) al convertidor (34) , en el que la señal de entrada suplementaria (50) comprende una señal de par o de energía y es una función de al menos uno de un ángulo relativo, una frecuencia relativa, o el tiempo.

5. El sistema de la reivindicación 4, en el que el ángulo relativo (74) se calcula a partir de la integral de la frecuencia relativa (66) multiplicada por una constante para convertir frecuencia por unidad en radianes.

6. El sistema de cualquier reivindicación anterior, que comprende además una función de límite (90) configurada para limitar un ángulo relativo, una frecuencia relativa de modulación de flujo de energía, una energía o el par de señal suplementaria, o combinaciones de los mismos.

7. El sistema de la reivindicación 6, en el que la función de límite (90) comprende límites que son operables como una función de al menos uno de una limitación física en el sistema de turbina eólica, un límite de energía, un límite de par, un límite de corriente, un límite de energía, o un límite de velocidad del rotor del generador de turbina eólica.

8. El sistema de cualquier reivindicación anterior, en el que el generador de turbina eólica (18) es al menos uno de un generador asíncrono doblemente alimentado o un generador para su uso con un convertidor completo.

9. El sistema de la reivindicación 8, que comprende además un elemento de almacenamiento de energía, un elemento consumidor de energía o combinaciones de los mismos (60) , donde el elemento de almacenamiento de energía, el elemento consumidor de energía o las combinaciones de los mismos están acoplados al convertidor (34) .

10. Un sistema de gestión de parques eólicos (200) , comprendiendo el sistema

una pluralidad de generadores de turbina eólica (226, 228, 230) que puede operar para suministrar energía de 11

turbina eólica a un sistema de empresas de energía eléctrica (218) ;

una pluralidad de convertidores (232, 234, 236) , estando cada convertidor acoplado a un respectivo generador de turbina eólica y el sistema de empresas de energía eléctrica; y un controlador de supervisión (242) que comprende un marco de referencia interno (62) de los generadores de turbinas eólicas y configurado para modular el flujo de energía a través de la pluralidad de convertidores en respuesta a las perturbaciones de frecuencia o las oscilaciones de energía del sistema de empresas de energía eléctrica con respecto al marco de referencia interna;

caracterizado porque:

dicho marco de referencia interno (62) se implementa como un integrador que emula una inercia virtual; estando dicho marco de referencia interno (62) configurado para proporcionar una señal de salida de frecuencia de referencia variable (64) ;

dicho controlador de supervisión (242) está adaptado para el uso dicha señal de salida de frecuencia de referencia (64) para proporcionar una señal de entrada suplementaria (50) como señal de entrada para controles de la turbina eólica (44) para controlar características de la turbina, tales como el paso de las palas o la velocidad de la turbina de 15 manera de aumentar o disminuir la energía de salida del sistema de turbina eólica; y dicho controlador de supervisión está adaptado además para proporcionar dicha señal de entrada suplementaria (50) para el elemento de suma (52) para sumar con una señal de par o energía de comando (48) de los controles de turbina eólica (44) para proporcionar una señal de entrada (54) a los convertidores para modular el flujo de energía a través de los convertidores.