SISTEMA Y METODO DE CONTROL DE UN AEROGENERADOR.

Sistema y método de control de un aerogenerador, de los que comprenden un rotor,

un generador, un convertidor de frecuencia, una unidad de control y medios de conexión a la red de parqué, que dispone de medios para recibir una consigna de tensión local (V{sub,REF}) y un regulador (1) que calcula la potencia reactiva a generar (Q{sub,T}) en función del error de tensión ({del}V), estando operativo en todo el rango de tensión. El sistema comprende además: al menos un elemento saturador (2, 6, 7) en el que se limita la potencia reactiva a generar, donde los límites (Q{sub,_MAX}, Q{sub,_MIN}, QC{sub,_MAX}, QC{sub,_MIN}, QS{sub,_MAX}, QS{sub,_MIN}) son calculados dinámicamente en función de la tensión, obteniéndose a la salida de dicho bloque una potencia reactiva de referencia del aerogenerador (Q{sub,_REF}, QC{sub,_REF}, Qs{sub,_REF}); y un elemento (3) donde se calcula el límite actual de la potencia activa (P{sub,MAX}) en función de la reactiva previamente limitada (Q{sub,_REF}, Qs{sub,_REF}) y la potencia aparente disponible en ese momento

Sistema y método de control de un aerogenerador.

Objeto de la invención

La siguiente invención, según se expresa en el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a un sistema y método de control de un aerogenerador, por el cual, en un primer objeto de la invención, se trata de generar potencia reactiva en todo el rango de tensión sin necesidad de una acción especial en el evento de un hueco sustancial de red.

En un segundo objeto de la invención, se trata de limitar la potencia extraída del viento en función de la potencia que en cada momento es posible evacuar a la red.

Campo de aplicación

En la presente memoria se describe un sistema y método de control, de especial aplicación para su incorporación en aerogeneradores cuya función es mantener estable la tensión de la red de los parques eólicos mediante la generación de potencia reactiva.

Antecedentes de la invención

Con el aumento en el grado de penetración de la generación eólica en la red eléctrica se les están demandando a este tipo de generadores diversos servicios auxiliares, tales como el control de tensión y frecuencia, para garantizar su correcta integración en la red.

De esta forma, se han desarrollado controles de potencia activa y reactiva para la contribuir a la estabilización de la frecuencia y de la tensión, respectivamente, en operación normal, entendiendo por este rango de trabajo el especificado en el código de red correspondiente. Valores típicos de operación normal vienen dados en la figura 1.

Convencionalmente, se han utilizado dos estrategias distintas para el control de tensión en los aerogeneradores en operación normal.

La primera estrategia ha sido incorporar controladores de parque, que a partir de la tensión medida en el punto de conexión del parque envían consignas a los aerogeneradores de potencia reactiva o factor de potencia. Ejemplos de este tipo de control son la solicitud de patente EP1433238 y parte de lo descrito en el documento de patente US7166928B2.

La desventaja de esta solución es que para conseguir una respuesta rápida exige una sofisticada red informática que conecte el controlador de parque con los aerogeneradores.

Otra desventaja de este sistema es que, al no controlarse la tensión en bornas del aerogenerador, la consigna de reactiva demandada al aerogenerador puede modificarla, pudiendo llegar a exceder el rango de tensiones admisible y provocando la desconexión de la máquina.

La segunda estrategia ha sido incorporar en los aerogeneradores controladores de la tensión en bornas del aerogenerador. Un ejemplo de este tipo de control lo constituye el documento de patente US 6965174 B2.

Este tipo de control es de rápida respuesta y no necesita equipos adicionales de control en subestación, ya que, los aerogeneradores siempre incorporan controladores y medidas de tensión en bornas de conexión.

Sin embargo tiene la desventaja de que únicamente se controla la tensión local, cuyo valor no es relevante siempre que se mantenga dentro de los rangos de operación especificados. Por el contrario la tensión en el punto de conexión del parque no es controlada y por lo tanto puede estar sujeta a variaciones.

Soluciones en las que se implementan controles locales integrados con controles centrales a nivel de parque, mejorando por lo tanto la respuesta de los anteriores controles son las siguientes solicitudes de patente EP1512869A1, WO2006037576A1 y WO2006120033A2.

Por otro lado, otro tipo de servicios auxiliares están siendo demandados ante eventos de red en los últimos años, tales como la generación de potencia reactiva en huecos de tensión, cuando anteriormente el único requisito era permanecer conectado a la red durante la falta.

De la misma forma que en operación normal, diversos controles han sido desarrollados para la generación de reactiva en el evento de un hueco de tensión con el fin de contribuir al reestablecimiento de la tensión, tal y como aparece en la solicitud de patente US2007/0273155 A1.

El inconveniente de los citados antecedentes es que para cumplir con todos los requisitos de la red, disponen de controles específicos para operación normal y otros controles distintos específicos para eventos de red como los citados huecos de tensión, de forma que en el momento de producirse una falta los controles asociados a la operación en régimen normal se desactivan para dar paso al control en falta, produciéndose así discontinuidades en el control.

De la misma manera, al reestablecerse la tensión, el tipo de control ha de cambiar de nuevo y las variables de los distintos controladores han de ser recalculadas y adaptadas a las nuevas condiciones de la red, a través de una serie de cálculos complejos. Esta serie de discontinuidades en el control producen una respuesta del aerogenerador de cara a la red susceptible de mejora y son requeridos complejos algoritmos de inicialización de los controladores para un correcto funcionamiento.

Por otro lado, los aerogeneradores han de permanecer conectados a la red en huecos de tensión durante más o menos tiempo y para distintas profundidades de hueco dependiendo de las normativas de los operadores de red.

La potencia eléctrica que es posible evacuar a la red disminuye proporcionalmente a la profundidad de hueco. Si la potencia captada del viento permanece inalterada y la potencia eléctrica que es posible evacuar es menor que la anterior, se produce una aceleración del rotor que puede llevar a la parada de emergencia de la máquina por sobrevelocidad, con lo que se incumplirían las citadas normativas de red.

En el documento de patente US 6,921,985 se describe un control de pitch en respuesta a la transición entre un primer modo de operación y un segundo modo de operación, determinada dicha transición por el evento de un hueco de red. En el citado documento se determinan unos umbrales de profundidad de hueco a partir de los cuales se modifica el modo de operación.

En la solicitud de patente WO2008/031433 se describe un método de control de pitch en la transición entre el hueco y la operación normal, en el que se mide una variable de la red eléctrica (por ejemplo tensión) y se traduce a una variable que toma un valor en situación normal y otro valor distinto en hueco de tensión.

Los citados antecedentes limitan la captura exclusivamente en función de la detección o no de un hueco, lo que puede llevar por un lado a limitar en situaciones en las que no es necesario, o no hacerlo en otras que sí es necesario, dependiendo tanto del rango de tensión en el que detectan "modo de funcionamiento hueco" y de la potencia disponible del viento.

Descripción de la invención

En la presente memoria se describe un sistema de control de tensión de un aerogenerador, del tipo que comprende un rotor, un generador, un convertidor de frecuencia, una unidad de control y medios de conexión a la red de parque, disponiendo dicho sistema de control de medios para recibir una consigna de tensión local (V_REF) y un regulador que calcula la potencia reactiva a generar (Q_T) en función del error de tensión (ΔV), de forma que esta operativo en todo el rango de tensión y, comprende además:

- al menos un elemento saturador en el que se limita la potencia reactiva a generar, donde los límites (Q_{_MAX}, Q_{_MIN}, Q_{C_MAX}, Q_{C_MIN}, Q_{S_MAX}, Q_{S_MIN}) son calculados dinámicamente en función de la tensión, obteniéndose a la salida de dicho bloque una potencia reactiva de referencia de la turbina (Q_{_REF}, Q_{C_REF}, Q_{S_REF});

- un elemento donde se calcula el límite actual de la potencia activa (P_MAX) en función de la potencia reactiva previamente limitada (Q_{_REF}, Q_{S_REF}) y la potencia aparente disponible en ese momento;

De esta forma el control permite la generación de potencia reactiva demandada por el operador del sistema válida para cualquier rango de tensión, sin necesidad de cambiar el método o sistema de control ante variaciones bruscas de la tensión de red. Permite la generación de potencia reactiva en función de la tensión de red sin discontinuidades, suponiendo por lo tanto una mejora en la prestación...

1. Sistema de control de un aerogenerador, del tipo que comprende un rotor, un generador, un convertidor de frecuencia, una unidad de control y medios de conexión a la red de parque, disponiendo dicho sistema de control de medios para recibir una consigna de tensión local (V_REF) y un regulador (1) que calcula la potencia reactiva a generar (Q_T) en función del error de tensión (ΔV), caracterizado por estar operativo en todo el rango de tensión y comprender además:

- al menos un elemento saturador (2,6,7) en el que se limita la potencia reactiva a generar, donde los límites (Q_{_MAX}, Q_{_MIN}, Q_{C_MAX}, Q_{C_MIN}, Q_{S_MAX}, Q_{S_MIN}) son calculados dinámicamente en función de la tensión, obteniéndose a la salida de dicho bloque una potencia reactiva de referencia del aerogenerador (Q_{_REF}, Q_{C_REF}, Q_{S_REF});

- un elemento (3) donde se calcula el límite actual de la potencia activa (P_MAX) en función de la reactiva previamente limitada: (Q_{_REF}, Q_{S_REF}) y la potencia aparente disponible en ese momento.

2. Sistema de control de un aerogenerador, según la reivindicación 1ª, caracterizado porque comprende además medios para determinar la reactiva generada por la máquina (Q_{i_MED}) y un segundo regulador (4) que genera la consigna de tensión local (V_REF) a partir del error existente entre una determinada reactiva de consigna (Q_i) y la reactiva generada (Q_{i_MED}).

3. Sistema de control de un aerogenerador, según la reivindicación 2ª, caracterizado porque el aerogenerador es asíncrono doblemente alimentado y porque dicho sistema comprende además un elemento de reparto (16) donde la referencia de potencia reactiva a generar por la turbina (Q_T) se divide en dos consignas, una la reactiva a suministrar por el generador (Q_S) y otra la reactiva a generar por el convertidor (Q_C), en función de un parámetro (α_reparto) calculado de tal forma que el funcionamiento del aerogenerador sea óptimo desde el punto de vista térmico.

4. Sistema de control de un aerogenerador, según la reivindicación 3ª, caracterizado porque comprende dos elementos de saturación de reactiva (6 y 7), de forma que uno de dichos elementos limita la consigna de reactiva de estator y el otro elemento la del convertidor, en los que los límites de reactiva son calculados dinámicamente en función de la tensión, obteniéndose a la salida de cada uno de ellos la referencia de reactiva del estator (Q_{S_REF}) y la del convertidor (Q_{C_REF}) respectivamente.

5. Sistema de control de un aerogenerador, según la reivindicación 2ª ó 4ª, caracterizado porque la consigna de reactiva (Q_i) del lazo de control de reactiva es generada a partir de un control de la tensión de parque (V_PCC) realizado a nivel de subestación.

6. Sistema de control de un aerogenerador, según la reivindicación 5ª, caracterizado porque comprende además un lazo de seguimiento de referencia de reactiva, en el que la reactiva de consigna (Q_i) se obtiene como la suma entre una primera referencia de reactiva (Q_ref) y un término (ΔQ_ref) calculado en función del error entre la reactiva total demandada al parque eólico y la reactiva medida generada por el conjunto de los aerogeneradores operativos del parque eólico.

7. Sistema de control de un aerogenerador, según la reivindicación 2ª ó 4ª, caracterizado porque la consigna de reactiva (Q_i) del lazo de control de reactiva es generada a partir de un control de la tensión de parque (V_PCC) realizado a nivel de máquina.

8. Sistema de control de un aerogenerador, según la reivindicación 7ª, caracterizado porque el aerogenerador dispone de los medios necesarios para recibir a través de la red de comunicaciones de parque una referencia de tensión del punto de conexión del parque eólico a la red (V_{PCC_REF}) y parámetros asociados al control de tensión.

9. Sistema de control de un aerogenerador, según la reivindicación 2ª ó 4ª, caracterizado porque el aerogenerador está conectado a la red de parque a través de un transformador, y mediante un regulador incorporado a nivel de máquina se calcula la consigna de reactiva (Q_REF) a partir de la tensión de bus del parque (V_BUS).

10. Sistema de control de un aerogenerador, según las reivindicaciones 9ª, caracterizado porque la tensión de bus (V_BUS) es estimada utilizando un modelo del transformador y las medidas de tensión, corriente y factor de potencia en bornes de la máquina.

11. Sistema de control de un aerogenerador, según la reivindicación 10ª, caracterizado porque comprende un bloque de saturación en el que la reactiva a generar (Q_T) se limita en función de unos límites calculados dinámicamente a partir del modelo del transformador y de las medidas de tensión, corriente y factor de potencia, de manera que no se supere los límites de tensión en bornes de la máquina.

12. Sistema de control de un aerogenerador, según cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 3ª, comprendiendo además medios para regular el paso de pala, caracterizado porque se limita la potencia extraída del viento en función de la potencia que en cada momento es posible evacuar a la red (P_MAX).

13. Sistema de control de un aerogenerador, según la reivindicación 12ª, caracterizado porque comprende un elemento (15) que calcula un término de corrección del ángulo de pala (Δβ) en función de la potencia que en cada momento es posible evacuar a la red (P_MAX) y un valor indicativo de la potencia mecánica disponible.

14. Sistema de control de un aerogenerador, según la reivindicación 13ª, caracterizado porque dicho cálculo del término de corrección del ángulo de pala (Δβ) se realiza, en función de la potencia generada en el instante anterior a una disminución abrupta en la potencia que es posible evacuar (P_MAX).

15. Sistema de control de un aerogenerador, según la reivindicación 14ª, caracterizado porque el control de par tiene en cuenta la corrección del ángulo de la pala (Δβ) para el cálculo de la consigna de par o potencia.

16. Sistema de control de un aerogenerador, según la reivindicación 15ª, caracterizado porque dicho cálculo del término de corrección del ángulo de pala (Δβ) se realiza, además, en función de la posición actual de la pala (β).

17. Método de control de un aerogenerador, del tipo que comprende un rotor, un generador, un convertidor de frecuencia, una unidad de control y medios de conexión a la red de parque, comprendiendo dicho método los pasos de recibir una consigna de tensión local (V_REF) y calcular la potencia reactiva a generar (Q_T) en función del error de tensión (ΔV), caracterizado por estar operativo en todo el rango de tensión y comprender además los siguientes pasos:

- limitar la potencia reactiva a generar, siendo los límites (Q_{_MAX}, Q_{_MIN}, Q_{C_MAX}, Q_{C_MIN}, Q_{S_MAX}, Q_{S_MIN}) calculados en función de la tensión, obteniendo así al menos una potencia reactiva de referencia del aerogenerador (Q_{_REF}, Q_{C_REF}, Q_{C_REF});

- calcular el límite de potencia activa (P_{_MAX}) en función de la reactiva previamente limitada (Q_{_REF}, Q_{S_REF}) y la potencia aparente disponible en ese momento, el cual limitará la potencia activa generada.

18. Método de control de un aerogenerador, según la reivindicación 17ª, caracterizado porque comprende además el paso de generar la consigna de tensión local (V_REF) a partir del error existente entre una determinada reactiva de consigna (Q_i) y la potencia reactiva generada por el aerogenerador (Q_{i_MED}).

19. Método de control de un aerogenerador, según la reivindicación 18ª, caracterizado porque el aerogenerador es asíncrono doblemente alimentado y la referencia de potencia reactiva a generar por la turbina (Q_T) se divide en dos consignas en un elemento de reparto, una la reactiva a generar por el generador (Q_S) y otra la reactiva a generar por el convertidor (Q_C), en función de un parámetro (α_reparto) calculado de tal forma que el funcionamiento de la máquina sea óptimo desde el punto de vista térmico.

20. Método de control de un aerogenerador, según la reivindicación 19ª, caracterizado porque se limita la consigna de reactiva de estator (Q_S) y la del convertidor (Q_C) en sendos elementos de saturación, obteniéndose a la salida de cada uno de ellos la referencia de reactiva del estator (Q_{S_REF}) y la del convertidor (Q_{C_REF}) respectivamente.

21. Método de control de un aerogenerador, según la reivindicación 18ª ó 20ª, caracterizado porque la consigna de reactiva (Q_i) del lazo de control de reactiva es generada a partir de un control de la tensión de parque (V_PCC) realizado a nivel de subestación y parámetros asociados al control de tensión.

22. Método de control de un aerogenerador, según la reivindicación 21ª, caracterizado porque la potencia reactiva de consigna (Q_ref) se corrige en función del error entre la potencia reactiva total demandada al parque eólico y la potencia reactiva medida generada por el conjunto de los aerogeneradores operativos de parque eólico (Q_{GLOBAL_MED}) en un lazo de seguimiento de referencia, añadiéndosele un término (ΔQ_ref) que compense dicho error.

23. Método de control de un aerogenerador, según las reivindicaciones 18ª ó 20ª, caracterizado porque la consigna de potencia reactiva (Q_i) del lazo de control de potencia reactiva es generada a partir de un control de la tensión de parque (V_PCC) realizado a nivel de máquina.

24. Método de control de un aerogenerador, según la reivindicación 23ª, caracterizado porque se recibe a través de la red de parque una referencia de tensión del punto de conexión del parque eólico a la red (V_{PCC_REF}).

25. Método de control de un aerogenerador, según las reivindicaciones 18ª ó 20ª, caracterizado porque el aerogenerador está conectado a la red de parque a través de un transformador y la tensión de referencia (V_REF) corresponde a la referencia de la tensión de bus de parque y porque comprende además el paso de calcular el error de tensión (ΔV) a partir de un modelo del transformador y de medidas de tensión, corriente y factor de potencia en bornes de la máquina.

26. Método de control de un aerogenerador, según la reivindicación 25ª, caracterizado porque la potencia reactiva a generar (Q_T) se limita en función de unos límites calculados dinámicamente a partir del modelo del transformador y de las medidas de tensión, corriente y factor de potencia, de manera que no se supere los límites de tensión en bornes de la máquina.

27. Método de control de un aerogenerador, según cualquiera de las reivindicaciones 17ª a 20ª caracterizado porque comprende además el paso de limitar la potencia extraída del viento en función de la potencia que en cada momento es posible evacuar a la red (P_{_MAX}).

28. Método de control de un aerogenerador, según la reivindicación 24ª, caracterizado porque se calcula un término de corrección del ángulo de pala (Δβ) en función de la potencia que en cada momento es posible evacuar a la red (P_{_MAX}) y un valor indicativo de la potencia mecánica disponible.

29. Método de control de un aerogenerador, según la reivindicación 28ª, caracterizado porque dicho cálculo del término de corrección del ángulo de pala (Δβ) se realiza, en función de la potencia generada en el instante anterior a una disminución abrupta en la potencia que es posible evacuar (P_MAX).

30. Método de control de un aerogenerador, según la reivindicación 29ª, caracterizado porque el control de par tiene en cuenta la corrección del ángulo de la pala (Δβ) para el cálculo de la consigna de par o potencia.

31. Método de control de un aerogenerador, según la reivindicación 30ª, caracterizado porque dicho cálculo del término de corrección del ángulo de pala (Δβ) se realiza, además, en función de la posición actual de la pala (β).