BR102012016053A2

BR102012016053A2 - Método, controlador de parque e elemento de programa para controlar uma fazenda de vento

Info

Publication number: BR102012016053A2
Application number: BR102012016053-6A
Authority: BR
Inventors: Per Egedal; Drangan Obradovic; Michael Stoettrup; Andrei Szabo
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2014-01-21
Also published as: EP2541053B1; US8633607B2; CN102852721A; AU2012203245A1; BR102012016053A8; EP2541053A1; DK2541053T3; AU2012203245B2; US20130161949A1; CN102852721B

Abstract

MÉTODO, CONTROLADOR DE PARQUE E ELEMENTO DE PROGRAMA PARA CONTROLAR UMA FAZENDA DE VENTO A presente invenção refere-se a um método para controlar uma fazenda de vento, a fazenda de vento compreendendo pelo menos duas turbinas de vento, o método compreendendo: determinar a potência necessária PR; determinar as curvas de carga de fadiga versus potência para cada turbina de vento; e, com base nas curvas de carga de fadiga versus potência, atribuir diferentes ajustes de potência Ps,i para as turbinas de vento, de modo que a soma dos ajustes de potência Psi de todas as turbinas de vento seja igual à potência necessária Pr. Além do mais, a invenção diz respeito a um controlador de parque, para controlar uma fazenda de vento, e a um elemento de programa, para controlar uma fazenda de vento.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO, CONTROLADOR DE PARQUE E ELEMENTO DE PROGRAMA PARA CONTROLAR UMA FAZENDA DE VENTO".

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se ao campo de geração de ener-

gia por fazendas de vento. Em particular, a um método para controlar uma fazenda de vento, um controlador de parque para controlar uma fazenda de vento, e a um elemento de programa para controlar uma fazenda de vento.

Antecedentes da Técnica

As fazendas de vento consistindo em várias turbinas de vento estão ficando cada vez mais populares, como substitutas ecológicas para usinas de energia nucleares ou convencionais. De preferência, as fazen- das de vento são construídas ao largo, porque velocidades de vento e direções de vento maiores e mais regulares propiciam uma melhor efici- ência de produção de energia. Devido às suas altas eficiências, fazendas de vento ao largo são freqüentemente capazes de produzir mais energia elétrica do que a energia necessária, demandada de fato pelos consumi- dores. Consequentemente, as fazendas de vento são dotadas com meios capazes de adaptar a potência proporcionada por elas à potência neces- sária. As fazendas de vento ao largo estão associadas a altos custos para construção, revisão, reparo e substituição das turbinas de vento. A revi- são, reparo ou substituição das turbinas de vento é necessária quando os seus tempos de vida útil terminarem. Consequentemente, pode haver uma necessidade para estender tempo de vida útil médio das ditas turbi- nas de vento. Sumário da Invenção

Essa necessidade pode ser satisfeita pelo objeto de acordo com as reivindicações independentes. As concretizações vantajosas da presente invenção são descritas pelas reivindicações dependentes.

De acordo com um primeiro aspecto da invenção, proporciona- se um método para controlar uma fazenda de vento, a fazenda de vento compreendendo pelo menos duas turbinas de vento, o método compreen- dendo determinar a potência necessária Pr, determinar as curvas de carga de fadiga versus potência para cada turbina de vento, e com base nas curvas de carga de fadiga versus potência, atribuir diferentes ajustes de potência Psj para as turbinas de vento, de modo que a soma dos ajustes de potência Psj de todas as turbinas de vento seja igual à potência neces- sária Pr.

Esse aspecto da invenção é baseado na idéia de que a carga de fadiga média das turbinas de vento pode ser reduzida por operação de uma turbina de vento com um ajuste de alta potência e outra turbina de vento com um ajuste de baixa potência, em vez de operar ambas as turbinas com o mesmo ajuste de potência. A carga de fadiga se refere, por exemplo, ao desgaste, à tensão dinâmica, às tensões por um rotor desequilibrado, que podem todos provocar uma falha material, tornando, desse modo, a turbina de vento inútil, após um certo período de tempo. As curvas de carga de fadi- ga versus potência descrevem a dependência da carga de fadiga em vista da potência proporcionada pela turbina de vento.

De acordo com uma concretização, o método compreende adi- cionalmente: definir, para cada turbina de vento, uma faixa de potência in- termediária PMj, compreendendo apenas um máximo de carga de fadiga re- lativa, e em que Paj < Pm,í < Pbj; definir para cada turbina de vento uma faixa de potência baixa Plj < Pa,í isenta de um máximo de carga de fadiga relativa; definir para cada turbina de vento uma faixa de potência alta Phj > Pbj isenta de um máximo de carga de fadiga relativa, e atribuir os ajustes de potência, de modo que Psj φ Pmj para todas as turbinas de vento.

Desse modo, as faixas de potências que implicam em uma alta redução no tempo de vida útil, mas oferecem poucas vantagens em termos de produção de energia, podem ser evitadas. Desse modo, uma fazenda de vento pode ser operada a um custo mais eficiente. De acordo com uma outra concretização do método, Paj e/ou

Pbj corresponde(m) ao mínimo de carga de fadiga relativa ou absoluta.

A seleção de Paj e/ou Pbj dessa maneira pode permitir a opera- ção das turbinas de vento em uma faixa de potência na qual a carga de fadi- ga média para as turbinas de vento da fazenda de vento é ótima.

De acordo com uma outra concretização, o método compreende: determinar os ajustes de potência de momento Pc,i para todas as turbinas de vento; e atribuir novos ajustes de potência Psj, de modo que |(Psj - Pc1O / 2 < Pa ou |(Ps,í - Pc.i) / 2 > Pb para um máximo de turbinas de vento.

Desse modo, os desgaste e carga médios nas turbinas de vento podem ser reduzidos por minimização do número de transições, em particu- lar, rápidas de uma faixa operacional em outra faixa operacional de cada turbina de vento, e, portanto, evitar o desvio das faixas de potência com um máximo de carga de fadiga relativa.

De acordo com uma outra concretização do método, as faixas de potências baixas Plj e/ou as faixas de potências intermediárias Pmj e/ou as faixas de potências altas PHj são iguais ou diferentes para todas as turbinas de vento.

Se as faixas de potências baixas Plj e/ou as faixas de potências intermediárias Pmj e/ou as faixas de potências altas Phj são selecionadas para que sejam iguais, isso pode facilitar o mecanismo de regulagem, pois menos parâmetros precisam ser otimizados. No entanto, as faixas de potên- cias baixas Plj e/ou as faixas de potências intermediárias PMj e/ou as faixas de potências altas Phj diferentes podem implicar em diferentes tipos de tur- binas de vento ou em diferentes tempos ativos das turbinas de vento. O tempo ativo relativo se refere ao tempo no qual uma turbina de vento fica operacional em relação ao seu tempo de vida útil considerado. Desse modo, o tempo previsto para inspeção ou substituição de uma turbina de vento po- de ser ajustado para que seja igual ao tempo correspondente de outra turbi- na de vento, de modo que possam ser inspecionadas ou substituídas ao mesmo tempo, o que implica em menos custos.

De acordo com uma outra concretização do método, determinar as curvas da carga de fadiga versus potência compreende medir os parâme- tros das turbinas de vento.

Ainda que as curvas da carga de fadiga versus potência, com base nos cálculos, possam proporcionar uma boa primeira aproximação e evitar a necessidade para equipamento de medida, a medida dos parâme- tros das turbinas de vento pode oferecer um resultado mais preciso. Como um exemplo, a dependência das vibrações experimentadas pela torre da turbina de vento, em relação à energia elétrica proporcionada pela turbina de vento, pode ser medida. Alternativa ou adicionalmente, a carga estática na torre da turbina de vento, em relação à energia elétrica proporcionada pela turbina de vento, pode ser medida.

De acordo com uma outra concretização do método, determinar as curvas da carga de fadiga versus potência compreende determinar as curvas da potência versus o ângulo de passo e as curvas da carga de fadiga versus o ângulo de passo. O dito ângulo de passo de pá de turbina de vento pode, por um lado, influenciar na energia elétrica proporcionada pela turbina de vento. Por outro lado, o ângulo de passo pode ter um impacto nas cargas aerodinâmicas experimentadas peias, por exemplo, pás e torre da turbina de vento.

De acordo com uma outra concretização do método, atribuir a- justes de potência para a turbina de vento compreende atribuir os ângulos de passo para as turbinas de vento.

De acordo com um segundo aspecto da invenção, um controla- dor de parque, para controlar uma fazenda de vento compreendendo pelo menos duas turbinas de vento, é proporcionado, o controlador de parque compreendendo uma unidade de determinação de potência necessária para determinar a potência necessária, a ser proporcionada pela fazenda de ven- to, uma unidade de determinação de carga de fadiga para determinar a de- pendência da carga de fadiga versus a potência de cada turbina de vento, e uma unidade de atribuição para atribuir diferentes ajustes de potência para as turbinas de vento, de modo que a soma dos ajustes de potência de todas as turbinas de vento seja igual à potência necessária.

O controlador de parque, para controlar uma fazenda de vento, pode proporcionar um modo fácil de otimizar o tempo de vida útil médio das turbinas de vento de um parque eólico, reduzindo, desse modo, o custo para a operação da fazenda de vento. De acordo com um terceiro aspecto da invenção, um elemento de programa, para controlar uma fazenda de vento, é proporcionado. O ele- mento de programa, quando é executado por um processador de dados, é adaptado para conduzir o método descrito acima.

O dito elemento de programa pode ser facilmente adaptável a

novos tipos de turbinas de vento. Além do mais, o elemento de programa pode ser executado por um processador de dados de um controlador de parque existente, proporcionando, desse modo, um modo fácil de aperfeiço- ar o desempenho de fazendas de vento já existentes. Deve-se notar que as concretizações da invenção foram descri-

tas com referência a diferentes objetos. Em particular, algumas concretiza- ções foram descritas com referência a reivindicações do tipo de método, en- quanto que outras concretizações foram descritas com referência a reivindi- cações do tipo de aparelho. No entanto, aqueles versados na técnica vão reunir o que foi exposto acima e a descrição apresentada a seguir, a menos que indicado de outro modo, além de qualquer combinação de aspectos re- lativos a um tipo de objeto, e qualquer combinação entre os aspectos relati- vos aos diferentes objetos, em particular, entre os aspectos das reivindica- ções do tipo de método e dos aspectos das reivindicações do tipo de apare- Iho sendo considerada como sendo descrita com este documento.

Os aspectos definidos acima e outros da presente invenção são evidentes dos exemplos de concretizações, que vão ser descritas abaixo, e são explicados com referência aos exemplos de concretizações. A invenção vai ser descrita em mais detalhes a seguir, com referência aos exemplos de concretizações, mas aos quais a invenção não é limitada. Breve Descrição dos Desenhos

A figura 1 mostra um exemplo de uma fazenda de vento e de um controlador de parque associado, de acordo com a invenção.

A figura 2 mostra um exemplo de uma curva de carga de fadiga versus ajuste de potência de uma turbina de vento.

A figura 3 mostra um exemplo de uma curva de ângulo de passo versus redução de potência de uma turbina de vento. A figura 4 é um fluxograma ilustrando uma concretização exem- plificativa do método reivindicado. Descrição Detalhada

A ilustração no desenho é esquemática. Deve-se notar que em diferentes figuras, os elementos similares ou idênticos são dotados com os mesmos sinais de referência, ou com sinais de referência, que são diferen- tes dos sinais de referência correspondentes apenas dentro do primeiro dígi- to.

A figura 1 mostra um exemplo de uma fazenda de vento 100 e de um controlador de parque 101 associado. A fazenda de vento 100 com- preende uma primeira turbina de vento 102 e uma segunda turbina de vento 103. Embora as primeiras turbinas de vento 102 e segunda turbina de vento 103 possam ser geralmente selecionadas para que sejam de um tipo dife- rente nesse exemplo, para fins ilustrativos, são selecionadas para que sejam iguais. A velocidade de rotação de cada rotor de turbina de vento 106, 107 é controlado por uma combinação do ângulo de passo e da saída de potência ativa de cada turbina de vento 103, 103 para a grade. A potência ativa é con- trolada por meio de um conversor de grade (não mostrado). No entanto, os ângulos de passo e a velocidade de rotação têm um alto impacto nas cargas experimentadas pela torre de turbina de vento 108, 109.

Ambas as turbinas de vento 102, 103 são conectadas ao contro- lador de parque eólico 101. O controlador de parque eólico 101 não apenas mede a energia produzida no momento por cada turbina de vento 102, 103, mas também adapta os ajustes de potência Psj de cada turbina de vento 102, 103, se a potência necessária Pr1 demandada pelo consumidor, variar. Se, por exemplo, a potência necessária Pr diminuir, o controlador de parque eólico 101 pode dotar as turbinas de vento 102, 103 com um sinai de contro- le 110, 111, para reduzir o ângulo de passo. O controlador de parque eólico 101 pode usar também sinais de controle, para controlar, indiretamente o ângulo de passo. Para o mesmo fim, o sinal de controle 110, 111, proporcio- nado pelo controlador de parque eólico 101, pode também variar os parâme- tros dos geradores de turbinas de vento 112, 113 ou de uma engrenagem, presente entre os rotores de turbinas de vento 106, 107 e os geradores de turbinas de vento 112, 113. Esses parâmetros podem todos influenciar o ajuste de potência Psj de cada turbina de vento. Para determinadas condi- ções de vento, cada ajuste de potência Psj acarreta uma diferente carga de fadiga, experimentada pela, por exemplo, torre de turbina de vento 108, 109. Intuitivamente, pode-se esperar que a carga de fadiga aumente mais ou me- nos uniformemente com o ajuste de potência Psj-

No entanto, os inventores verificaram que esse não é o caso. A figura 2 descreve um exemplo de uma curva da carga de fadiga típica L versus o ajuste de potência P de uma turbina de vento. Como mostrado no diagrama para ajustes de potência P muito baixos, a carga de fadiga L é cor- respondentemente baixa. Um pequeno aumento no primeiro ajuste de po- tência gera um pequeno platô de carga de fadiga, até que a carga de fadiga aumente significativamente, para atingir seu máximo a um ajuste de potência Pm. Para ajustes de potência superiores ao Pm, a carga de fadiga diminui de novo.

Se a potência necessária Pr for duas vezes Pm, é vantajoso ope- rar uma turbina de gás com um ajuste de potência Pa < Pm e a outra turbina de vento com um ajuste de potência Pb > Pm, de modo que a soma de Pa e Pb seja igual a PR, em vez de operar ambas as turbinas com um ajuste de potência Pm- Desse modo, a carga de fadiga média pode ser reduzida de Lm para [(La + Lb)/2]. Consequentemente, o tempo de vida útil médio das turbi- nas de vento pode ser estendido e a fazenda de vento operada com um cus- to mais eficiente.

A figura 3 ilustra como o ângulo de passo influencia o ajuste de

potência de uma turbina de vento. A ordenada corresponde ao percentual da faixa de ângulos de passo da turbina de vento, em que zero porcento cor- responde a um ângulo de passo para um ajuste de potência máximo. A abs- cissa corresponde ao percentual de redução de potência. Para um percentu- al de redução de potência de 20 porcento a 40 porcento, a turbina de vento experimenta altas cargas de fadiga. Por conseguinte, a turbina de vento é operada, de preferência, fora dessa região. Consequentemente, os ângulos de passo são selecionados, de preferência, fora de uma faixa de ângulos de passo de 5 porcento a 40 porcento.

Uma concretização exemplificativa do método reivindicado vai ser descrita a seguir com referência à figura 4.

Em uma primeira etapa 401, as curvas da carga de fadiga ver-

sus potência para todas as turbinas de vento são determinadas, e as faixas operacionais definidas. Depois, em uma segunda etapa 402, determina-se em que faixa as turbinas de vento operam. A seguir, em uma terceira etapa 403, a potência necessária, demandada pelos consumidores, determinada. Avalia-se depois em uma outra etapa 404 se a potência necessária pode ser proporcionada enquanto todas as turbinas de vento se mantêm na faixa ope- racional de momento. Se este não for o caso, em uma etapa seguinte 405, independentemente da faixa operacional de momento, maiores (ou menores) ajustes de potência, para todas as turbinas de vento, são selecionados e seguidos em uma etapa 406 para as turbinas de vento. Se a potência ne- cessária puder ser proporcionada, enquanto todas as turbinas de vento se mantêm na faixa operacional de momento, o controlador passa da etapa 404 para a etapa 407 e avalia se a carga de fadiga média pode ser reduzida por variação das faixas operacionais de algumas turbinas de vento. Se este for o caso, na etapa 408, os ajustes de potência para algumas turbinas de vento são selecionados de modo que algumas das turbinas de vento variam as suas faixas operacionais, e a soma de todos os ajustes de potência segue a potência necessária; se não, os ajustes de potência são selecionados na etapa 409, de modo que todas as turbinas de vento ficam nas suas faixas operacionais de momento. Finalmente, os ajustes de potência são atribuídos às turbinas de vento na etapa 406, e o processo é reiniciado. No entanto, a etapa 401 pode ser omitida, caso as curvas da carga de fadiga versus po- tência não variem entre dois ciclos.

Embora a invenção reivindicada tenha sido descrita com refe- rência a turbinas de vento tendo um eixo de rotação horizontal, ela é tam- bém aplicável, naturalmente, a turbinas de vento com eixos verticais.

Deve-se notar que o termo "compreendendo" não exclui outros elementos ou etapas e o uso de artigos "um" ou "uma" não exclui o plural. Também os elementos descritos em associação com diferentes concretiza- ções podem ser combinados. Deve-se também notar que os sinais de refe- rência nas reivindicações não devem ser considerados como Iimitantes do âmbito das reivindicações.

Claims

1. Método para controlar uma fazenda de vento, a fazenda de vento compreendendo pelo menos duas turbinas de vento, o método com- preendendo: determinar a potência necessária Pr; determinar as curvas de carga de fadiga versus potência para cada turbina de vento; e, com base nas curvas de carga de fadiga versus potência, atribuir diferentes ajustes de potência Ps.i para as turbinas de vento, de modo que a soma dos ajustes de potência Psj de todas as turbinas de vento seja igual à potência necessária Pr.

2. Método de acordo com a reivindicação anterior, compreen- dendo adicionalmente definir, para cada turbina de vento, uma faixa de potência inter- mediária Pmj, compreendendo apenas um máximo de carga de fadiga relati- va, e em que PA,i < Pmj < Ρβ,ιϊ definir para cada turbina de vento uma faixa de potência baixa PLii < Pa,í isenta de um máximo de carga de fadiga relativa; definir para cada turbina de vento uma faixa de potência alta Phj > PB,i isenta de um máximo de carga de fadiga relativa; e atribuir os ajustes de potência, de modo que Psj * Pmj para to- das as turbinas de vento.

3. Método de acordo com a reivindicação 2, em que Paj e/ou Pbj corresponde(m) ao mínimo de carga de fadiga relativa ou absoluta.

4. Método de acordo com a reivindicação 2 ou 3, compreenden- do adicionalmente: determinar os ajustes de potência de momento Pcj para todas as turbinas de vento; e atribuir novos ajustes de potência PSj, de modo que j(Ps,i - Pcj)/2 < Pa ou |(Ps,í - Pcj) / 2 > Pb para um máximo de turbinas de vento.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 4, em que as faixas de potências baixas Plj e/ou as faixas de potências in- termediárias PM,i e/ou as faixas de potências altas Phj são iguais ou diferen- tes para todas as turbinas de vento.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações ante- riores, em que determinar as curvas da carga de fadiga versus potência compreende medir os parâmetros das turbinas de vento.

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações ante- riores, em que determinar as curvas da carga de fadiga versus potência compreende determinar as curvas da potência versus o ângulo de passo e as curvas da carga de fadiga versus o ângulo de passo.

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações ante- riores, em que atribuir ajustes de potência para a turbina de vento com- preende atribuir os ângulos de passo para as turbinas de vento.

9. Controlador de parque para controlar uma fazenda de vento, a fazenda de vento compreendendo pelo menos duas turbinas de vento, o controlador de parque compreendendo uma unidade de determinação de potência necessária para de- terminar a potência necessária, a ser proporcionada pela fazenda de vento; uma unidade de determinação de carga de fadiga para determi- nar a dependência da carga de fadiga versus a potência de cada turbina de vento; e uma unidade de atribuição para atribuir diferentes ajustes de po- tência para as turbinas de vento, de modo que a soma dos ajustes de potên- cia de todas as turbinas de vento seja igual à potência necessária.

10. Elemento de programa para controlar uma fazenda de vento, o elemento de programa, quando é executado por um processador de da- dos, é adaptado para conduzir o método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9.