Método de operación de una turbina eólica para garantizar regulación primaria y secundaria en una red eléctrica.

Controla la frecuencia de red a través de una reserva de potencia activa obtenida interactuando de manera coordinada con la regulación de velocidad que actúa sobre la potencia generada o sobre el ángulo de pitch, para garantizar regulación primaria o secundaria en todo el rango de velocidad de viento

Método de operación de una turbina eólica para garantizar regulación primaria o secundaria en una red eléctrica.

Objeto de la invención

La invención se refiere a un método de operación de una turbina eólica que permite garantizar regulación primaria o secundaria en una red eléctrica en todo rango de velocidad de viento, actuando sobre los reguladores de velocidad de la propia turbina de forma que obtiene y gestiona una reserva de potencia activa a partir de la cual se obtiene la regulación primaria o secundaria.

Antecedentes de la invención

En una red eléctrica de potencia es necesario controlar continuamente el consumo y la generación de potencia con el fin de mantener tanto la frecuencia como la tensión de la red dentro de los límites permitidos. La red de distribución monitoriza continuamente ambas magnitudes y debe ser capaz de dar órdenes a las unidades generadoras con el fin de estabilizar la potencia eléctrica de la red. Como consecuencia de este requerimiento, las unidades de generación de potencia deben ser capaces de realizar una regulación de potencia ya sea primaria o secundaria. Entendiendo como regulación primaria generar una potencia igual a la asignada, más un valor proporcional a la desviación en frecuencia, para reaccionar ante variaciones de la frecuencia con una constante de tiempo de segundos, y entendiendo por regulación secundaria aquella que se encarga de restablecer la frecuencia con una dinámica de minutos. Así, cuando se produce un desajuste en un área, inicialmente, todas las centrales participan en su compensación.

En los últimos años, la potencia generada por los parques eólicos se ha incrementado notablemente a nivel mundial. Los parques eólicos crecen en tamaño y en potencia instalada, la importancia de mejorar tanto la calidad de la potencia entregada como la estabilidad de la red será un reto de gran importancia tanto para los promotores de parques eólicos como para la red de distribución eléctrica. Conforme la energía generada por el viento es inyectada en la red, es muy conveniente tener en cuenta que el comportamiento del parque eólico sea tan similar como sea posible a otras fuentes convencionales de generación de potencia, teniendo en cuenta la particular naturaleza del viento.

Como ya fue indicado, desde el punto de vista de la empresa propietaria de la red de distribución, es importante alcanzar un control exacto de la tensión de la red y de la frecuencia. Con este fin, a las plantas de producción de energía convencionales se les requiere un suministro extra de potencia activa cuando así lo exige la red. Actualmente, los parques eólicos no dan una respuesta apropiada a este tipo de demandas lo que se deriva en una restricción de la expansión de los parques eólicos. Hasta ahora, un parque eólico no puede considerarse como una planta generadora de energía convencional debido a la imposibilidad de determinar exactamente una reserva de potencia activa como causa de la particular naturaleza del viento. Al contrario que las fuentes de energía de las centrales convencionales (carbón, petróleo, gas, uranio, etc.), el viento es un recurso no controlado y difícilmente predecible. De hecho, los métodos convencionales no han sido capaces de lograr una estimación exacta de la reserva de potencia activa o una respuesta exacta de la demanda de potencia. Como consecuencia, existe una necesidad manifiesta de desarrollar un método eficiente para la generación de una reserva de potencia activa siempre y cuando la red puede demandarla. De hecho, cabe destacar que en algunas ocasiones se pueden llegar a ofrecer unas condiciones económicas ventajosas a aquellos capaces de satisfacer las demandas de la red en cuanto a suministro de potencia activa.

La patente EP1282774 (Aloys Wobben) propone un método mediante el cual la turbina disminuye la potencia activa entregada a la red eléctrica cuando la frecuencia de red aumenta. La US2007085343 (Jens Fortmann, Repower System AG) incluye un método para proporcionar potencia extra en caso de detectar variaciones en la frecuencia para participar, aunque de forma transitoria, en la regulación primaria. Por último la EP1467463 (Lütze, Hans Henning, et al., General Electric Company), reivindica un método de control de la potencia entregada por un parque eólico en función de la frecuencia de red.

Ninguno de los anteriores documentos permite obtener una reserva de potencia activa en las condiciones que demandan los operadores de la red eléctrica.

La invención propuesta presenta numerosas ventajas respecto de los sistemas actuales de control de potencia activa y frecuencia en un parque eólico.

Una de las ventajas de la presente invención es que logra una reserva de potencia activa en las condiciones que demandan los operadores de red a las plantas de generación convencionales. Se consigue asegurar una reserva de potencia activa respecto a la potencia producible en cada momento para cada una de las máquinas, por lo que, en consecuencia, se obtiene una reserva de potencia activa a nivel de parque.

Una ventaja adicional de este método es que permite una variación bidireccional de la potencia activa, es decir, que puede lograr aumento o disminución gradual de potencia activa. Además, esta reserva de potencia activa se controla con una dinámica suficiente para garantizar regulación primaria o secundaria en todo el rango de potencias de operación de la máquina.

Otra ventaja es su independencia respecto de la red de comunicaciones del parque, ya que el control reside en cada una de las turbinas, de tal manera que las variaciones de frecuencia son detectadas por la propia turbina eólica, asegurando la reacción del controlador aún en el caso de que se hayan interrumpido las comunicaciones de parque.

Otra ventaja adicional es que la regulación de frecuencia - reserva, no compromete en ningún momento la regulación de velocidad de la máquina, ya que interactúa en todo momento con los controladores de velocidad de la turbina.

Como conclusión, la presente invención presenta un método capaz de garantizar regulación primaria y secundaria. Dicha regulación permite a los parques eólicos tener un comportamiento más cercano al de las fuentes de generación de potencia convencional colaborando a la estabilización de la frecuencia de la red, contribuyendo a aumentar la penetración de las energías renovables en la red eléctrica.

Descripción de la invención

Para conseguir los objetivos y resolver los inconvenientes anteriormente indicados, la invención consiste en un nuevo método de operación de una turbina eólica de paso variable y velocidad variable que garantiza la regulación primaria o secundaria de una red eléctrica para lo que permite obtener una reserva de potencia activa teniendo en cuenta los requerimientos del operador de la red eléctrica en todo momento. La invención asegura un completo control de la reserva de potencia activa en el aerogenerador, y, por tanto, permite contribuir a la regulación de frecuencia de red, de la misma forma que se hace en una planta no eólica de generación de energía convencional.

La invención propuesta aporta la capacidad de aumentar o disminuir la potencia activa generada para mantener la frecuencia de la red estable, en caso de desajustes provocados por variaciones en la generación o consumo de potencia.

En una turbina eólica de paso variable, la potencia extraída del viento depende del ángulo de ataque de las palas que es conocido como ángulo de pitch. Mediante la variación del ángulo de pitch, puede desplazarse el punto de operación de la turbina eólica de su posición óptima con el objetivo de variar la potencia captada del viento. En condiciones de trabajo normales, este ángulo se mantiene en el punto óptimo, en el punto de máxima extracción de potencia. Además las máquinas actuales de velocidad variable permiten realizar también el control de la potencia suministrada a la red mediante un convertidor de potencia.

Por consiguiente las turbinas eólicas de paso variable y velocidad variable convencionales disponen de un actuador del ángulo de pitch para el control de la potencia captada, y de un convertidor de potencia para el control de la potencia generada por el aerogenerador.

En la presente invención se integra un control de la frecuencia en la regulación de velocidad. La regulación de velocidad se consigue actuando sobre la potencia captada del viento (regulación de velocidad que actúa sobre el pitch) y sobre la potencia generada (regulación de velocidad que actúa sobre la potencia).