BR102015005452A2 - Inertia control system for wind turbines - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para: “SISTEMA DE CONTROLE DE INÉRCIA PARA AEROGERADORES”.

OBJETO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção está relacionada com o controle da entrega de potência dos parques eólicos à rede elétrica e mais concretamente a um sistema de controle de inércia de um parque de aerogeradores que compreende um controlador de inércia que define e comunica referências aos aerogeradores que formam parte de dito parque eólico, e que proporciona o valor de uma constante de inércia configurável nos aerogeradores do parque. ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Os aerogeradores convertem a energia cinética do vento em energia elétrica que é transmitida a uma subestação do parque de aerogeradores. Dito parque de aerogeradores consta pelo menos de um controlador de parque e pelo menos de um aerogerador que compreende um rotor, um gerador conduzido por dito rotor, que interatua com um conversor de potência para gerar energia elétrica, um controlador do aerogerador que compreende um controlador do ângulo de passo de lâmina e um controlador de potência gerada, um controlador do conversor de potência que interatua com o controlador do aerogerador e um sistema de regulação que coordena os diferentes controladores do aerogerador em função de uma série de parâmetros como a velocidade de giro da turbina ou a frequência de rede.

[003] Geralmente, em um aerogerador, a gôndola aloja diferentes componentes junto com um eixo de transmissão que converte a energia mecânica em elétrica mediante um gerador que interatua com um conversor de potência. Por eixo de transmissão de um aerogerador se entende a ensamblagem entre o rotor, o eixo do rotor, a multiplicadora, o eixo do gerador e o gerador.

[004] O controlador do aerogerador tem a missão de maximizar a geração de potência ativa até uma máxima potência predefinida e manter um modo de funcionamento seguro que evite danos tanto pessoais como no aerogerador.

Este controlador do aerogerador define um ângulo de passo de lâmina, enviado ao atuador de troca de patamar para mover as alavancas a sua posição correta, e um ponto de referência de potência ativa que supõe uma referência para o controlador do conversor localizado na unidade de controle do conversor.

[005] Hoje em dia, o impacto da conexão dos aerogeradores à rede elétrica é inevitável pelo fato de que os operadores de rede estão endurecendo cada vez mais as condições de conexão à rede dos aerogeradores. Alguns destes requerimentos estão definidos em termos de transitórios de frequência que os aerogeradores devem ser capazes de suportar sem se desconectar da rede e ainda reagir prontamente a ajudar o sistema a recuperar a frequência de rede a seus valores nominais prefixados.

[006] Particularmente, os operadores dos sistemas de transmissão estão preocupados com os transitórios de frequência que geralmente são provocados pela desconexão do gerador, de cargas ou ainda de parte do sistema de transmissão, o que causa uma repentina troca da frequência de rede fora de seus valores nominais, devido à diferença entre a potência ativa produzida e a potência ativa consumida. Esta troca na frequência precisa de uma resposta muito rápida, de forma que se evite que a frequência fuja de suas taxas máximas e se produza uma desconexão em cascata de geradores e consumidores elétricos.

[007] Há diferentes níveis de resposta nos geradores e a rede de fase a corrigir a frequência de rede, no caso de uma repentina queda ou aumento de frequência. Uma primeira resposta é uma resposta natural do gerador convencional, que consiste em entregar uma potência instantânea devido à energia rotativa armazenada nos eixos, a esta é denominada resposta inercial. Uma segunda resposta é a dada por um controlador especifico que aumenta a geração de potência proporcionalmente ao desvio da frequência de rede em relação à frequência nominal, este requer de 15 a 60 segundos, e permite deter a frequência em sua ascensão/descenso. No entanto não permite retornar ao valor de frequência nominal, esta resposta se denomina resposta primária. A terceira e quarta respostas são as denominadas respostas secundárias ou terciárias que se baseiam em administrar a geração de potência ativa a partir de geradores, incluindo o arranque de unidades de geração, que se encontram detidas, com objetivo de mover o valor da frequência de rede até o valor de frequência nominal.

[008] Neste sentido, em relação à resposta inercial, as plantas de potência convencionais que usam máquinas síncronas como geradores, se encontram rigidamente conectadas à rede, por onde uma troca na frequência se traduz diretamente em uma troca proporcional da velocidade de giro da turbina. Neste sentido, a inércia mecânica do gerador síncrono desempenha um papel importante uma vez que dita inércia pode ser vista como uma conversão da energia cinética de uma massa rotativa em energia elétrica entregue à rede, ajudando a rede a reduzir a queda/aumento da frequência.

[009] A conversão de energia cinética em elétrica pode ser expressa em geração de potência ativa, isto é, a energia rotativa é proporcional ao quadrado da velocidade de rotação da turbina, que é proporcional à frequência de rede. Como a potência é a quantidade de energia por unidade de tempo, a potência entregue, devido à troca da frequência, pode ser expressa, mediante dedução matemática, como negativamente proporcional à taxa de troca de frequência.

[010] No entanto, os aerogeradores de velocidade variável não dispõem desta resposta “natural” (resposta inercial) às trocas da frequência de rede, porque o controlador eletrônico do conversor desacopla a frequência da velocidade de rotação do gerador. Consequentemente, os aerogeradores não reduzem naturalmente sua velocidade em relação à frequência e não entregam esta energia movendo o rotor. Os aerogeradores de velocidade variável não amortizam a queda/aumento da frequência.

[011] Dado que a energia eólica está começando a ser uma parte importante do sistema elétrico, a incapacidade de proporcionar uma resposta inercial conduz a uma redução da inércia do sistema e, portanto, a um aumento das quedas/aumentos de frequência. Neste sentido, se devem tomar medidas para evitar esta falta de resposta inercial dos aerogeradores que pode acarretar em maiores problemas na rede elétrica devido a quedas/aumento de frequência.

[012] Os aerogeradores com controle de inércia podem ajudar a suavizar as trocas de frequência e, portanto, ajudar a restaurar a frequência do sistema e prevenir, depois de uma grande queda da frequência, a queda de carga. Para os aerogeradores, a aproximação conceituai passa por aumentar a potência ativa e introduzi-la na rede elétrica de forma dinâmica e rápida, em alguns segundos, usando a inércia das alavancas rotativas. Neste sentido foram encontradas diversas aproximações na literatura científica e de patentes.

[013] O documento “Frequency behavior of grid with high penetration rate of wind generation" (J. Duval, B. Meyer; 2009 IEEE Bucharest Power Tech Conference, June 28th - July 2nd, Bucharest, Romania) descreve a adição de uma potência inercial extra com referência ao conversor, da potência ativa do controlador do aerogerador. Esta potência ativa extra é calculada como proporcionalmente negativa à taxa de troca de frequência, com um parâmetro que define sua proporcionalidade. No entanto, a entrega de potência cai rapidamente depois disto. Esta queda de potência entregue se deve a dois fatores; a desaceleração do rotor do aerogerador, que provoca uma diminuição da referência de potência ativa do controlador do aerogerador, e que o controlador do aerogerador controla a potência de acordo com o desvio da velocidade da turbina em relação a uma velocidade de referência. Como o aerogerador se desacelera e se desvia da velocidade de referência, a potência deve ser reduzida de forma a recuperar a velocidade de referência. Isto é o que se denomina em termos de rede como um “período de recuperação” depois da entrega de inércia e introduz incertezas no comportamento do parque de aerogeradores em termos de resposta de frequência e, ainda, pode provocar uma não desejada queda de frequência depois desta resposta inercial.

[014] A patente W02011/000531A2 e o documento “ Variable Speed Wind Turbines Capability for Temporary Over-Production" (Tarnowski, G.C., Kjar, P.C., Sorensen, P.E., Ostergaard, J.. Power & Energy Society General Meeting, 2009. PES '09. IEEE) descrevem uma solução similar à anterior diferenciada em que a referência de potência ativa do controlador do aerogerador, que se entrega ao conversor, é fixada em um valor prévio aos transitórios durante um tempo predefinido que concorde com a duração esperada dos transitórios de frequência. Dessa forma, a potência extra, é calculada como negativamente proporcional à taxa de troca de frequência e proporcional ao desvio da frequência com relação à frequência nominal e adicionada à potência fixada. Neste caso, como não se segue a referência do controlador, não há uma queda de potência devida à desaceleração da velocidade do aerogerador. No entanto, durante o tempo que a sobre produção é entregue à rede, o aerogerador se desacelera até chegar ao ponto de mínima velocidade e a entrega de inércia é parada e o valor fixo de potência liberado. Isto provoca uma drástica queda da produção que se mantém até que o aerogerador volte a recuperar sua velocidade inicial.

[015] A patente WO2011/1124696 também se baseia na adição de uma potência extra a referência de potência ativa do controlador do aerogerador, que pode ser calculada tanto como proporcional ao desvio da frequência quanto de qualquer outra maneira. Neste caso, não se congela a velocidade da potência ativa, mas se adapta à velocidade do controlador do aerogerador com o problema associado da queda de potência devido ao fato de que a desaceleração da velocidade do aerogerador é superada mediante a “produção de um sinal de troca de velocidade rotativa, tendo em conta um momento de rotação inercial, e tirando este como um sinal de saída, que é adicionado ao sinal de velocidade rotativa nominal mediante um elemento lógico". Isto é, a troca na velocidade devido a calcular esta potência extra, tendo em conta o momento inercial rotativo, é introduzido no controlador do aerogerador para trocar a velocidade de referência e, evitar assim, a queda na referência de potência ativa. No entanto, quando esta potência extra, termina, o aerogerador tem que voltar para seu modo de operação normal e então ocorre um “período de recuperação” que pode causar uma queda de frequência não desejada desta resposta inercial.

[016] Pode ser deduzido do Estado da Técnica que sempre existe um “período de recuperação” que depende do rendimento do aerogerador previamente ao começo deste período. Este “período de recuperação” é um desafio para a rede porque durante o tempo que a resposta inercial está sendo entregue, a rede é suportada e a troca de frequência de rede é amortecida e, portanto, o parque eólico está ajudando ao sistema a atravessar esta situação. No entanto, quando começa o período de recuperação, cai a produção do parque eólico abaixo de valores prévios ao sucesso e, então, durante este período de tempo, o parque eólico pode causar uma queda da frequência de rede que deve ser resolvida por outra planta de geração.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[017] É um objetivo da invenção um aerogerador que compreende um rotor, um gerador conduzido pelo dito rotor que interatua com um conversor de potência para gerar energia elétrica, um controlador do aerogerador que compreende um controlador de ângulo de passo de pelo menos uma lâmina e um controlador da potência produzida, um controlador para o conversor de potência que interatua com o controlador do aerogerador e um sistema de regulação que evita interrupções na saída de potência ativa despois da adição ou subtração de potência proporcional à taxa de troca de frequência, mediante a geração de um sinal de potência, negativamente proporcional à taxa de troca de frequência, que é adicionada à referência de potência do controlador de potência gerada do controlador do aerogerador, de forma que a referência da velocidade rotativa do controlador do aerogerador é adaptada de acordo com a frequência de rede.

[018] É um objetivo da invenção um método que emule o mesmo comportamento que um gerador síncrono em termos de resposta inercial. Para isso, se prevê a implementação de um controlador específico que emule a resposta inercial e que solucione os problemas de desacoplamento de rede dos que aerogeradores com conversor eletrônico descritos no Estado da Técnica.

[019] É outro objeto da invenção um sistema de regulação que evite como ocorre no Estado da Técnica, que o controlador do aerogerador aumente ou reduza a demanda de potência para chegar ao ponto de operação prévio a entrega de potência adicional, sendo esta entrega de potência uma adição a potência definida pelo controlador de potência gerada dentro do controlador do aerogerador. Para isto, o sistema de regulação da invenção não somente demanda potência negativamente proporcional à taxa de troca da frequência, a não ser que gere um sinal de adaptação da velocidade de referência para o controlador do aerogerador proporcional a frequência de rede com dois objetivos;

[020] Assegurar que a entrega de potência concorde com a entrega de energia armazenada em inércia do aerogerador como se faria em um gerador síncrono convencional.

[021] Assegurar que o controlador do aerogerador não atuará sobre a potência que está sendo gerada de forma a recuperar o ponto de operação prévio a demanda de potência adicional e assim evitar um “período de recuperação".

[022] É outro objeto da invenção um sistema que evite dito “período de recuperação", para isto o sistema realiza uma troca da referência da velocidade rotativa do aerogerador proporcionalmente à troca da frequência mediante uma constante proporcional que se corresponde com um parâmetro denominado Kjnertia- Esta proporção está relacionada com a proporcionalidade entre a potência adicional e a taxa de troca de frequência e pode ser modificada de forma a obter uma inércia "sintonizáver, por onde a invenção prevê que o parâmetro Kjnertia se defina em uma faixa de 0 a 2.

[023] É outro objeto da invenção que o sistema tenha em conta os atrasos no tempo que provoca a adição de potência pelas trocas de frequência e a modificação da velocidade rotativa do aerogerador. Para isto, inclui atrasos na medida da taxa de troca de frequência, atrasos na geração de potência por parte do controlador do conversor, e ainda atrasos devidos aos filtros internos na velocidade rotativa do aerogerador, usados dentro do controlador do aerogerador.

[024] É outro objetivo da invenção que o sistema limite a entrega de potência a rede mediante um parâmetro que defina a máxima potência extra, tanto negativa como positiva, que pode ser entregue.

[025] É outro objetivo da invenção um sistema que paralise tanto a entrega de potência adicional como a adaptação da velocidade rotativa do aerogerador, quando ocorre uma das seguintes condições; Quando se alcança um valor predefinido de perda de eficiência aerodinâmica provocado pelo desvio do ponto de operação do aerogerador com relação ao seu ponto de operação ótimo. Quando o aumento ou diminuição da velocidade rotativa do aerogerador alcança um valor máximo ou mínimo de valor predefinido.

[026] É outro objetivo da invenção que o sistema reinicie tanto a entrega de potência adicional quanto a adaptação da velocidade rotativa do aerogerador, quando se produz uma recuperação da frequência.

[027] É outro objetivo da invenção que o sistema disponha de um modo de operação extra que evite o congelamento do acionamento da inércia em uma faixa de frequência predefinida. Para isto a invenção determina um elemento que recalcula o parâmetro Kinertiapar e obtém o valor final K,nertia baseado em um máximo e mínimo frequencial e baseado no máximo aumento/diminuição da velocidade a partir do cálculo da perda de eficiência aerodinâmica e a partir de valores máximo e mínimo da velocidade.

[028] Por último, é ainda outro objetivo da invenção que o parque de aerogeradores administre a resposta inercial mediante um elemento que controla o parâmetro Kinertiapar em nível de parque que adapta o valor do parâmetro Kinertiapar de cada aerogerador para coincidir com um valor predefinido da constante de inércia do parque, estando a constante de inércia definida como a adição das constantes de inércia de todos os aerogeradores, as quais dependem do valor da Kinertia e da velocidade rotativa do aerogerador.

[029] Estes e outros aspectos da invenção se descreverão de uma forma mais detalhada com ajuda dos desenhos que são descritos a seguir.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[030] A figura 1 mostra uma vista em perspectiva de um aerogerador de acordo com uma modalidade da invenção.

[031] A figura 2 mostra uma vista de perfil de uma gôndola de acordo com um trem de potência em correspondência com a modalidade da figura 1.

[032] A figura 3 mostra um diagrama de blocos que reflete a comunicação entre o controlador do aerogerador e a unidade de controle do conversor e entre o controlador do aerogerador e o controlador do parque eólico de acordo com uma modalidade da invenção.

[033] A figura 4 mostra um diagrama em blocos que compreende as etapas para emulação de inércia em correspondência com a modalidade da figura 3.

[034] A figura 5 mostra a curva potência-velocidade dada pelo controlador de par e a troca devido a emulação de inércia.

[035] A figura 6 mostra a interação entre o controlador do parque eólico e o controlador do aerogerador, adicionando as etapas do bloco de emulação de inércia em correspondência com a figura 3.

[036] As figuras 7a-7f mostram o rendimento da invenção quando se dá um caso de baixa frequência transitória sem que esta chegue a um máximo de 200kW a qual a potência adicional está limitada.

[037] As figuras 8a-8f mostram o rendimento da invenção quando uma sobre frequência transitória ocorre, chegando ao máximo de 200kW a qual a potência adicional está limitada.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[038] A figura 1 é uma vista em perfil que mostra um aerogerador (1) de acordo com uma modalidade preferida da invenção. O aerogerador (1) inclui uma torre (2) que se eleva verticalmente sobre uma cimentação (3), uma gôndola (4) montada na parte superior da torre (2), e um rotor (5) montado no final frontal da gôndola (4) de forma que se suporta de forma rotativa com relação a um eixo substancialmente horizontal X1-X1.

[039] O rotor (5) tem pelo menos uma lâmina (6), como se mostra na figura 1, montada em um padrão radial com relação ao seu eixo de rotação. Portanto, a energia do vento ao soprar contra as lâminas (6) do aerogerador desde a direção do eixo de rotação do rotor (5) se converte em energia de movimento que faz girar o rotor (5) com relação ao eixo de rotação. A energia útil, gerada pelo aerogerador (1) é alimentada através de uma linha de fornecimento de potência à subestação de um parque eólico.

[040] Um anemômetro (não mostrado na figura) mede a velocidade do vento na vizinhança e um anemoscópio (não mostrado) mede a direção do vento, e para isso se dispõe em localizações adequadas da superfície externa periférica (por exemplo, na parte superior) da gôndola (4) do aerogerador.

[041] A Figura 2 mostra uma vista lateral em perspectiva da gôndola (4) em correspondência com a modalidade da figura 1. A gôndola (4) inclui vários componentes que são parte do trem de potência do aerogerador (1) como um eixo de rotor (7), uma multiplicadora (8), um eixo de gerador (9) que se conecta mediante um acoplamento (10) a um eixo de entrada (11) do gerador e um gerador (12) conectado eletricamente ao conversor de potência (13).

[042] O aerogerador (1) inclui uma unidade de controle do conversor (14) e um controlador do aerogerador (15). O parque eólico inclui por sua vez um controlador de parque (16). A unidade de controle do conversor (14) e o controlador do aerogerador (15) estão em comunicação entre si, da mesma forma que o controlador do aerogerador (15) e o controlador de parque (16), tal como se mostra na figura 3. O controlador do aerogerador (15) toma sua entrada da unidade de controle do conversor (14) e devolve os sinais de controle. Além disso, o controlador do aerogerador (15) toma medidas de diferentes sensores e envia um sinal de controle às diferentes partes do aerogerador (1), especialmente ao atuador que atua sobre o ângulo de passo na rotação das lâminas com relação ao seu próprio eixo (6). A unidade de controle do conversor (14) toma medidas elétricas de diferentes sensores e envia o sinal de controle às partes elétricas do aerogerador (1), especialmente ao conversor de potência (13) que atua no gerador (12).

[043] De acordo com uma modalidade da invenção, o controlador do aerogerador (15) envia o sinal de referência de potência à unidade de controle do conversor (14) e também, o controlador do aerogerador (15), recebe a medida da velocidade de giro do gerador (12), definida como a velocidade rotativa da turbina, e a medida de frequência procedente tanto da unidade de controle do conversor (14) como do controlador do parque (16) de aerogeradores. Além disso, a taxa de troca de frequência pode ser calculada no controlador (15) do aerogerador ou na unidade de controle do conversor (14) ou no controlador de parque (16) e então ser comunicado ao controlador do aerogerador (15). Por outro lado, o controlador do aerogerador (15) está composto de vários elementos, entre os quais se encontram o bloco de emulação de inércia (17), o controlador de par (18) que é o regulador que envia a referência de potência à unidade de controle do conversor (14), e o controlador de pitch (19) que é o regulador que envia a referência do pitch ao atuador de pitch.

[044] A Figura 4 mostra um diagrama de fluxo de bloco de emulação de inércia (17). Inicialmente, a frequência de rede (21), independente se procede da unidade de controle do conversor (14) ou do controlador de parque de aerogeradores (16), é computado dentro do bloco de emulação de inércia (17). Este computo se realiza dentro do bloco de razão de troca de frequência e cálculos de frequência (22). Este bloco (22) calcula a razão de troca de frequência ou recebe os valores da unidade de controle do conversor (14) ou do controlador de parque (16). Além disso, a frequência (21) é calculada de forma a avaliar se seu valor está fora de um parâmetro predefinido “banda de frequência morta” que é usada para habilitar a emulação de inércia somente se a frequência (21) está fora da banda morta. O objetivo é evitar o contínuo disparo da emulação de inércia devido à variação normal da frequência. A saída (IE_ON) deste teste (22) é a emulação da inércia que define que a frequência (21) está fora da faixa de banda morta de frequência.

[045] O valor da taxa de troca de frequência (23) do bloco (22) é introduzido no bloco de cálculo da potência extra (24), onde primeiro se calcula no bloco (27) um valor de potência extra como o valor negativo da multiplicação da razão de troca de frequência (23) pelo parâmetro Kinertia (25), que pode ser definida localmente ou comunicada pelo elemento de emulação de inércia (20) no controlador de parque (16) e pelo valor ao quadrado da velocidade rotativa da turbina, que se mede mediante a unidade de controle do conversor (14) e é comunicada ao controlador do aerogerador (15). Os cálculos do bloco de cálculo de potência extra (24) podem ser desabilitados mediante o sinal para desabilitar inércia (26) quando se alcança uma limitação. Em segundo lugar, este extra de potência é adicionado (28) mediante a saída (31), será explicado mais adiante, e o computo do bloco de limitação de potência extra (29) que limita este valor mediante um valor máximo e mínimo parametrizável. O resultado desta computação é, em primeiro lugar, o valor final da potência extra (32) e, em segundo lugar, a diferença entre o valor limite e o valor não limite no caso em que a potência extra tenha sido limitada. Este último cálculo é introduzido em um elemento (30) que acumula o valor de entrada e tira o valor acumulado a (31), que multiplica mediante uma constante parametrizável o valor do acúmulo de forma a convertê-la em potência que é adicionada à potência extra em (28). Este computo tem o objetivo de recuperar a energia que tenha sido perdida devido a limitação da potência extra e a seu envio quando for possível, isto é, quando não esteja aplicada a limitação.

[046] Outro bloco (33) se encarrega de calcular a variação máxima positiva e negativa da velocidade da turbina que coincide com uma perda de eficiência aerodinâmica predefinida. A razão deste bloco (33) é que quando o aerogerador está operando abaixo de sua potência nominal, o controlador do aerogerador (15) atua na referência de potência e a referência do pitch de forma a produzir o máximo de energia do vento de tal forma que exista uma correspondência entre o valor do ângulo de pitch e da velocidade de rotação da turbina com o valor da velocidade de vento. No entanto, quando a velocidade rotativa muda devido a uma troca na frequência então o aerogerador (1) sai fora de seu ponto de operação ótimo e então o aerogerador (1) pode sofrer de uma perda de eficiência aerodinâmica.

[047] Este bloco (33) toma como entrada a “ativação de emulação de inércia” (IE_ON) de forma a conseguir cálculos somente quando a emulação de inércia não está atuando porque quando está atuando os cálculos não são válidos. Dessa maneira, utiliza também como entrada a potência disponível (Paer) devido a que quando esta é maior que sua potência nominal então há potência do vento suficiente para extrair potência adicional e então não ocorra perda de eficiência aerodinâmica.

[048] No controlador do aerogerador (15) se calcula um valor denominado lambda (λ), que é definido como a divisão do produto do rádio da lâmina e a velocidade rotativa do rotor pelo valor da velocidade do vento. Este valor lambda (λ) é introduzido no bloco (33). O bloco (34) utiliza o valor de lambda (λ) para obter a eficiência aerodinâmica da lâmina mediante uma tabela que relaciona lambda com o valor ótimo de seu coeficiente de potência. A validez desta tabela se baseia no fato de que o aerogerador opera com um ângulo de passo para um lambda predefinido que alcança este coeficiente de potência ótimo. Consequentemente, este coeficiente de potência, é computado no bloco (35) junto com o valor do parâmetro sintonizável de máxima perda de eficiência aerodinâmica (36) de forma a conseguir um valor “degradado” de eficiência de potência Cp, no qual a perda de eficiência aerodinâmica tenha sido considerada. Consequentemente esta eficiência de potência “degradada”, Cp, é introduzida no bloco (37) para, mediante outra tabela, para obter um novo valor de lambida "degradada". Finalmente, este lambda é convertido no bloco (39) em velocidade rotativa multiplicando lambda pela medida de velocidade de vento (38), que é recolhida do anemômetro e acondicionada pelo controlador do aerogerador (15), e dividido pelo rádio da lâmina. A diferença entre a velocidade rotativa do lambda original e a velocidade rotativa do lambda “degradado" dá ou troca da velocidade rotativa que coincidirá com a perda de eficiência aerodinâmica (40).

[049] O bloco (41) está a cargo de adaptar a velocidade em função da frequência de forma a coordenar o ponto de consigna da velocidade do controlador do aerogerador com o envio de potência extra. Em primeiro lugar, a frequência (21) é empregada no bloco (42) para obter a adaptação a velocidade como a multiplicação da frequência pela Kjnertia (25) e dividido pela frequência nominal. O resultado é um fator que multiplicara a referência de velocidade da turbina normalmente em uma faixa entre 0,94 e 1,06. Em segundo lugar, este cálculo da adaptação da velocidade está limitado no bloco (43) a um valor máximo, valor mínimo e a uma taxa de troca em função do tempo máxima positiva e negativa.

[050] Limitação de valor máximo, normalmente 1,06, se emprega para evitar a desconexão devida a uma velocidade rotativa máxima da turbina quando opera a uma velocidade nominal da turbina.

[051] Cálculo de valor mínimo, convertido a um valor por unidade usando o valor da velocidade rotativa antes da ativação da emulação da inércia, a partir de duas fontes; o Troca na velocidade rotativa que coincidirá com a perda de eficiência aerodinâmica (40) o A referência da velocidade rotativa mínima da turbina.

[052] Os limitadores de máxima taxa de troca em função do tempo positivo e negativo são calculados como uma proporção negativa e positiva do valor de limitação máximo positivo e negativo da potência extra empregada no bloco (29), dividida pela inércia da turbina e a velocidade da turbina. Este valor é convertido a um valor por unidade usando o valor da velocidade rotativa da turbina antes da ativação da emulação da inércia.

[053] Por um lado, o resultado deste bloco é um sinal que informa da aplicação de um limitador máximo ou mínimo (26) que é enviado a (24) para informar que as limitações são aplicadas e que então a entrega de potência extra deve ser desabilitada. Por outro lado, a adaptação da velocidade (46) é enviada ao bloco seguinte (45). Em terceiro lugar, este valor de adaptação da velocidade de inércia é processado através de uma função de transferência que representa: [054] Atrasos entre aplicar a potência de referência mediante o controlador de par (18) e gerar a referência de potência pelo conversor, o controlador mediante a unidade de controle do conversor (14), e gerada (12). Este atraso na potência implica um atraso na troca da velocidade da turbina que deve ser incluído na adaptação da velocidade (47).

[055] Atrasos devidos ao cálculo da razão de troca de frequência (23) devido ao fato de que a formulação empregada neste cálculo implica um atraso em relação a um cálculo ideal que atrasa a referência de potência e, portanto a potência gerada e consequentemente a troca da velocidade rotativa.

[056] Atraso devido aos filtros aplicados a medida da velocidade rotativa da turbina dentro do controlador de pitch (19) e o controlador de par (18) porque a troca da velocidade de referência deve ser atrasada na mesma forma.

[057] Esta adaptação da velocidade rotativa da turbina (47) é empregada pelo controlador de par (18) e o controlador de pitch (19) para adaptar internamente a referência da velocidade rotativa da turbina.

[058] Para o controlador de pitch (19) a referência da velocidade rotativa da turbina é geralmente a velocidade nominal de forma que a adaptação é aplicada a esta velocidade nominal. No entanto, o controlador de par (18) geralmente emprega uma tabela par-velocidade com diferentes zonas de operação, como a que é mostrada na Fig. 5, primeiro na “zona baixa” na qual a referência de velocidade é a velocidade rotativa mínima, em segundo lugar a zona “quadrática” na qual as trocas na velocidade rotativa estão relacionadas com o par e por último a "zona alta” na qual a referência de velocidade é a velocidade rotativa nominal. Portanto, a referência da velocidade rotativa deve ser trocada nestas três zonas de acordo com a adaptação da velocidade rotativa (47). Esta Fig. 5 também mostra a troca da referência de velocidade exceto no caso da “zona baixa” devido a que esta é a referência de velocidade mínima que não pode ser modificada a um valor mais baixo.

[059] O bloco de emulação de inércia (17) contém um bloco (48), mostrado na Figura 6, que computa Kinertiapar que bem pode estar internamente definida como parâmetro ou bem provir como sinal (60) do controlador de parque (16). Em primeiro lugar, há um modo especial no qual o valor de Kjneriiapar é trocado para evitar que se desabilite a emulação de inércia (44) devido tanto a que se alcance a perda de eficiência aerodinâmica como a que se alcance a velocidade máxima ou mínima da turbina no bloco (43). Este bloco (48) considera os parâmetros predefinidos de frequência máximo e mínimo e limita os valores finais de Kjnertia (25) para baixo-frequência ou sobre frequência usando cálculos inversos aos utilizados no elemento (42) que relaciona a frequência mínima com a troca na velocidade rotativa que coincidirá com a perda de eficiência aerodinâmica (40) e a velocidade de turbina mínima, resultando no valor de Kjnertia (25) para baixa-frequência, e a máxima frequência com a velocidade de turbina máxima, resultando em Kinertia (25) para sobre frequência. Em segundo lugar este elemento (48) calcula a constante de inércia do aerogerador (47) como a multiplicação da inércia do aerogerador pelo quadrado da velocidade rotativa e Kmertia (25) e dividido entre dois.

[060] Finalmente, quando o aerogerador opera usando o valor definido pelo controlador de parque (29) de Kjnertiapar (60), o elemento de emulação de inércia (20) dentro do controlador parque eólico (17) é empregado para que o controlador de parque eólico (17) consiga um valor de referência da inércia do parque eólico (50) definida de forma externa, preferencialmente pelo operador de rede. Quando o parque alcança esse valor de referência, a potência extra do parque completo será negativamente proporcional à taxa de troca de frequência, sendo a constante proporcional à constante de inércia de parque eólico (50) multiplicada por dois.

[061] Este valor de referência da inércia do parque eólico (50) é comparado com o valor da inércia do parque eólico ao completo, calculado como a adição da inércia de cada aerogerador individualmente (47). A diferença é o desvio computado por um controlador, preferencialmente um controlador PI, para extrair o valor de Kinertiapar (60) que é enviado como uma ordem aos aerogeradores. Todos os sinais (50), (47) e (60) podem ser separados em eventos de baixa frequência ou sobre frequência. Além disso, todos esses cálculos são realizados quando a emulação de inércia está apagada, o qual fica definido quando a senha (IE_ON) está a zero, e se congela durante o tempo que a emulação de inércia está atuando, definido porque o sinal (IE_ON) está a um, de forma a evitar trocas durante o evento de baixa frequência ou sobre frequência, devido a que durante o evento, o cálculo da inércia do aerogerador (47) não é aplicável e a constante Kinertiapar (60) necessita ser mantida constante para evitar um mau funcionamento.

[062] As figuras 7a-7f mostram o comportamento da invenção no caso de uma frequência baixa entre 50-49Hz (figura 7b) com um vento variável (figura 7a) e uma potência extra (Figura 7e) por debaixo de limites máximo de 200kW e mínimo de -200kw. A adaptação da velocidade (46) pode ser vista na figura 7c com a mesma forma que a frequência e a velocidade da turbina na figura 7d que segue os pontos de ordem com um pequeno atraso devido ao elemento (45) e com uma pequena oscilação derivada da frequência de ressonância do eixo de potência que é amortizada rapidamente. A geração de potência segue o ponto de ordem da potência extra na figura 7e com um atraso devido a que o conversor e o gerador (12) introduzem um atraso entre o ponto de ordem e a geração.

[063] As figuras 8a-8f mostram o comportamento da invenção no caso de uma sobre frequência de 50-51 Hz (figura 8b) com um vento variável como o mostrado na figura 8a e uma potência adicional (ver figura 8e) limitada por seu valor mínimo de 200kW. Neste caso a adaptação da velocidade (46) não segue a mesma forma que a frequência porque a rampa está limitada por uma rampa máxima negativa. A velocidade da turbina, tal como se mostra na figura 8d, segue a adaptação da velocidade (46) com um pequeno atraso devido ao elemento (45) e com uma pequena oscilação devido à frequência de ressonância do trem de potência que é amortizada rapidamente. A geração de potência segue o ponto de ordem da potência extra (ver figura 8e) com um atraso devido a que o conversor e o gerador (12) introduzem um atraso entre o ponto de ordem e a geração.

REIVINDICAÇÕES

Claims (11)

1. Sistema de controle de inércia para aerogeradores do tipo que compreende um rotor (5), um gerador (12) dirigido pelo rotor (5) que interatua com um conversor de potência (13) para gerar energia elétrica, um controlador para o aerogerador (15) que compreende um controlador de troca de passo (19) de lâmina e um controlador da potência gerada (18), um controlador para o conversor de potência (14) que interatua com o controlador do aerogerador (15), caracterizado pelo fato que consta de um bloco emulação de inércia (17) que gera um sinal de potência extra (32) negativamente proporcional à taxa de troca de frequência (23) que é adicionada à referência de potência do controlador de potência gerada do controlador do aerogerador (15) e adapta a referência de velocidade rotativa do controlador de aerogerador (15) de acordo com a frequência de rede (21) de forma a evitar distorções na saída da potência ativa depois da adição ou subtração de potência proporcionalmente à taxa de troca de frequência (23).

2. Sistema de controle de inércia para aerogeradores, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato que a relação proporcional entre a saída de extra de potência (32) do bloco de emulação de inércia (17) e a taxa de troca de frequência é uma constante de inércia a qual é dependente da inércia mecânica, a velocidade rotativa da turbina e a potência ativa, e um parâmetro Kjnertiapar definido localmente ou por um controlador remoto.

3. Sistema de controle de inércia para aerogeradores, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato que a potência ativa extra (32) está previamente limitada no bloco de limitação de potência extra (29) de acordo com um parâmetro configurável e a potência não entregue, devido a limitação, é acumulada em um elemento (30) cujo valor acumulado previa multiplicação por uma constante parametrizável é adicionado à potência ativa extra (28).

4. Sistema de controle de inércia para aerogeradores, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato que a referência da velocidade rotativa do controlador do aerogerador (15) é adaptada (47) proporcionalmente à troca da frequência (21) dividido pela frequência nominal e por Kjnertiapar. (25).

5. Sistema de controle de inércia para aerogeradores, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato que, onde a adaptação da velocidade de referência (46) do controlador do aerogerador (15) está limitada em sua taxa de troca (43) de forma proporcional ao parâmetro que limita a potência ativa adicionada ou subtraída (32).

6. Sistema de controle de inércia para aerogeradores, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato que a adaptação da velocidade de referência (46) do controlador do aerogerador (15) está modificada por uma função de transferência (45) que modela atrasos entre a troca da referência de potência extra (32) e a troca na velocidade rotativa da turbina, medido pelos sensores que comunicam o valor ao controle do aerogerador (17), assim como o atraso associado ao filtrado da velocidade rotativa da turbina dentro do controle do aerogerador (17).

7. Sistema de controle de inércia para aerogeradores, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato que, o bloco de emulação de inércia (17) compreende um bloco (33) que calcula a máxima diminuição na velocidade rotativa da turbina que coincide com uma perda predefinida de eficiência aerodinâmica.

8. Sistema de controle de inércia para aerogeradores, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato que o bloco de emulação de inércia (17) paralisa a adição ou subtração de extra de potência (32) e troca de velocidade rotativa da turbina (26) quando ocorre um dos seguintes casos; a) quando a diminuição da velocidade rotativa da turbina alcança um valor (40) que coincide com uma predefinida perda de eficiência aerodinâmica (36), b) quando a diminuição ou aumento alcança valores máximo e mínimo predefinidos de velocidade.

9. Sistema de controle de inércia para aerogeradores, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato que o bloco de emulação de inércia (17) determina um modo de operação opcional no qual se limitam valores separados de Kinertia para sobre frequência e baixo-frequência de acordo com valores calculados que evitaram parar a adição ou subtração e a troca na velocidade rotativa da turbina quando a velocidade rotativa da turbina aumenta ou diminui alcançando valores predefinidos máximo ou mínimo de velocidade e uma perda de eficiência aerodinâmica predefinida (40).

10. Parque eólico que consta de um sistema de controle de inércia para aerogeradores tal como descrito em qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato que compreende um controlador de parque eólico (16) e pelo menos um aerogerador (1) que compreende um rotor (5), um gerador (12) dirigido pelo rotor (5) que interatua com um conversor de potência (13) para gerar energia elétrica, um controlador para o aerogerador (15) que compreende um controlador de troca de passo (19) de lâmina e um controlador da potência gerada (18), um controlador para o conversor de potência (14) que interatua com o controlador do aerogerador (15) e caracterizado porque gera um sinal de extra de potência negativamente proporcional à taxa de troca de frequência que é adicionada à referência de potência do controlador de potência gerada do controlador do aerogerador (15) e adapta a referência de velocidade rotativa do controlador de aerogerador (15) de acordo com a frequência de rede (21) de forma a evitar distorções na saída de potência ativa depois da adição ou subtração de potência proporcional à taxa de troca de frequência.

11. Parque eólico de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato que o controlador de parque eólico (16) compreende um elemento de emulação de inércia (20) que adapta dinamicamente referências aos aerogeradores Kjnertiapar (60) de forma a conseguir que o parque eólico gere extra de potência negativamente proporcional à taxa de frequência, sendo a constante proporcional à constante de inércia de parque eólico (50) multiplicada por dois.