BR102016005163A2 - método para aperfeiçoar velocidade de resposta de potência reativa em um parque eólico e para regular a potência reativa em um sistema de potência e sistema de controle de tensão - Google Patents
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Abstract
trata-se de um sistema e método para regular potência reativa em um parque eólico (100) conectado a uma rede de potência (190), de modo a aperfeiçoar a velocidade de resposta reativa do parque eólico (100). o método inclui receber uma retroalimentação de tensão (204) a partir da rede de potência (190) e uma referência de tensão (202) e calcular um erro de tensão linear (206) como uma função da retroalimentação de tensão (204) e da referência de tensão (202). uma etapa adicional inclui gerar uma primeira saída (212) com base no erro de tensão linear (206) através de uma primeira trajetória de controle (224) que tem um primeiro regulador de tensão (208). uma etapa adicional inclui determinar um erro de tensão não linear (222) com base no erro de tensão linear (206) através de uma segunda trajetória de controle (226) que tem um segundo regulador de tensão (210). uma segunda saída (214) é gerada através da segunda trajetória de controle (226) com base no erro de tensão não linear (206). de tal forma, um comando de potência reativa (218) é gerado como uma função da primeira e da segunda saídas (212, 214).
Description
“MÉTODO PARA APERFEIÇOAR VELOCIDADE DE RESPOSTA DE POTÊNCIA REATIVA EM UM PARQUE EÓLICO E PARA REGULAR A POTÊNCIA REATIVA EM UM SISTEMA DE POTÊNCIA E SISTEMA DE CONTROLE DE TENSÃO” Campo da Invenção [001] A presente revelação refere-se, em geral, à geração de potência eólica e, mais particularmente, a sistemas e métodos para controlar a velocidade de resposta de potência reativa para um parque eólico.
Antecedentes da Invenção [002] A potência eólica é considerada uma das fontes de energia mais limpas, mais favoráveis ao ambiente atualmente disponíveis e turbinas eólicas têm ganhado atenção crescente nesse aspecto. Uma turbina eólica moderna tipicamente inclui uma torre, um gerador, uma caixa de engrenagens, uma nacela e uma ou mais lâminas de rotor. As lâminas de rotor são os elementos primários para converter energia eólica em energia elétrica. As lâminas tipicamente têm o perfil de corte transversal de um aerofólio de modo que, durante a operação, o ar flui sobre a lâmina produzindo uma diferença de pressão entre os lados da mesma. Consequentemente, uma força de elevação, que é direcionada a partir do lado de pressão para o lado de sucção, atua na lâmina. A força de elevação gera torque na haste de rotor principal, que é conectada a um gerador para produzir eletricidade que é transferida para uma rede de potência. A rede de potência transmite energia elétrica para gerar facilidades para usuários finais.
[003] A geração de potência eólica é tipicamente fornecida por um parque eólico, que contém uma pluralidade de geradores de turbina eólica (frequentemente 100 ou mais). Os geradores de turbina eólica individuais podem fornecer benefícios importantes à operação de sistema de potência relacionados à mitigação de cintilação de tensão causada por rajadas de vento e mitigação de desvios de tensão causados por eventos externos.
[004] Em uma configuração de parque eólico, cada gerador de turbina eólica pode experimentar uma força de vento única. Portanto, cada gerador de turbina eólica tipicamente inclui um controlador local para controlar a resposta a rajadas de vento e outros eventos externos. O controle de parque eólico da técnica anterior tem sido geralmente baseado em uma dentre duas arquiteturas: (1) controle local com fator de potência constante ou potência reativa combinada com controle de nível de parque em controle de tensão, ou (2) controle local em controle de tensão constante sem controle de nível de parque.
[005] O controle local com fator de potência constante e o controle de nível de parque em controle de tensão exigem comunicações rápidas com ação agressiva do nível de parque para o nível local. Se o controle de nível de parque estiver inativo, o controle local pode agravar cintilação de tensão. Com controle de tensão constante em cada gerador, a operação de estado contínuo varia de modo significativo com pequenos desvios em carregamento na rede de transmissão. Isso faz com que os geradores de turbina eólica encontrem limites em operação de estado contínuo que impedem uma resposta a perturbações, resultando, desse modo, em uma perda de regulação de tensão. Visto que a corrente reativa é maior do que necessário durante esse modo de operação, a eficiência geral do gerador de turbina eólica diminui.
[006] A Patente ne U.S. 7.224.081 descreve um método e sistema de controle de tensão para turbinas eólicas em que um regulador de potência reativa controla a produção de potência reativa de turbinas eólicas individuais em um parque eólico ajustando-se o ponto de estabelecimento de tensão para um regulador de tensão. Esse esquema conta com o recebimento de um comando de potência reativa para cada gerador de turbina eólica. No nível de turbina eólica individual, um regulador de tensão rápido mantém o lado de tensão baixa de turbina eólica a um ponto de estabelecimento, que é ajustado pelo regulador de potência reativa para seguir o comando do controle de parque eólico. O regulador de potência reativa tem uma primeira constante de tempo que é numericamente maior do que uma constante de tempo do regulador de tensão. Esse esquema de controle é benéfico em que o mesmo força todas as turbinas eólicas dentro do parque eólico a ter a mesma saída de potência reativa. Além disso, se o controle de nível de parque eólico estiver desligado, então, as turbinas eólicas permanecem todas em uma saída de potência reativa pré-estabelecida até mesmo se a tensão de rede variar. O controlador de parque eólico, entretanto, também deve atuar através da constante de tempo do regulador de potência reativa.
[007] Em conformidade, a técnica está em uma busca contínua por sistema e métodos novos e aperfeiçoados que forneçam rápida resposta de regulador de tensão com operação estável.
Breve Descrição da Invenção [008] Os aspectos e vantagens da invenção serão estabelecidos em parte na descrição a seguir, ou podem ser óbvios a partir da descrição, ou podem ser aprendidos através de prática da invenção.
[009] Em um aspecto, a presente matéria se refere a um método para aperfeiçoar a velocidade de resposta de potência reativa em um parque eólico conectado a uma rede de potência. O método inclui receber, através de um controlador de parque eólico, uma retroalimentação de tensão da rede de potência e uma referência de tensão. Outra etapa inclui calcular um erro de tensão linear como uma função da retroalimentação de tensão e a referência de tensão. O método também inclui gerar uma primeira saída com base no erro de tensão linear através de uma primeira trajetória de controle que tem um primeiro regulador de tensão. As etapas adicionais incluem determinar um primeiro erro de tensão não linear com base no erro de tensão linear através de uma segunda trajetória de controle que tem um segundo regulador de tensão e gerar, através da segunda trajetória de controle, uma segunda saída com base no primeiro erro de tensão não linear. O método, então, inclui gerar um comando de potência reativa como uma função da primeira e da segunda saídas.
[010] Em uma realização, a etapa para determinar o erro de tensão não linear com base no erro de tensão linear inclui, adicionalmente, fornecer uma banda morta na segunda trajetória de controle e determinar o erro de tensão não linear através da banda morta. Em outra realização, o método também inclui determinar um segundo erro de tensão não linear com base no erro de tensão linear através de um amplificador transiente. Em realizações adicionais, o primeiro e segundo reguladores de tensão podem incluir pelo menos um dentre um controlador proporcional, um controlador integral proporcional, um controlador derivado proporcional, um controlador derivado integral proporcional, um controlador de espaço de estado ou similares. Por exemplo, em determinadas realizações, o primeiro regulador de tensão pode ser um controlador integral proporcional e o segundo regulador de tensão pode ser um controlador proporcional.
[011] Em realizações adicionais, o método também pode incluir ajustar pelo menos uma constante de tempo do segundo regulador de tensão de modo a estabilizar a segunda saída da segunda trajetória de controle. Em realizações adicionais, o método pode incluir, adicionalmente, limitar o primeiro regulador de tensão (por exemplo, um controlador integral proporcional) com base em limites integrais predeterminados, e limitar o comando de potência reativa com base em limites de comando predeterminados, em que os limites de comando predeterminados são maiores do que os limites integrais predeterminados.
[012] Em realizações adicionais, o primeiro regulador de tensão pode ser associado a uma primeira variável de estado e o segundo regulador de tensão pode ser associado a uma ou mais segundas variáveis de estado. De tal forma, em realizações particulares, o método pode incluir determinar um derivado dentre uma ou mais das segundas variáveis de estado e controlar os reguladores com base no(s) derivado(s). Mais especificamente, o método pode incluir manter ou congelar a primeira variável de estado e a uma ou mais segundas variáveis de estado nos presentes valores das mesmas enquanto o(s) derivado(s) da segunda variável de estado estiver negativo, a(s) segunda(s) variável(eis) de estado estiver negativa(s), e o primeiro ou segundo erro de tensão não linear estiverem negativos. Além disso, o método pode incluir manter a primeira variável de estado e a uma ou mais segundas variáveis de estado nos presentes valores das mesmas enquanto o(s) derivado(s) da segunda variável de estado estiver negativo, a segunda variável(eis) de estado estiver positiva, e o primeiro ou segundo erro de tensão não linear estiver positivo.
[013] Em realizações adicionais, o método pode incluir manter ou congelar a primeira variável de estado e a uma ou mais segundas variáveis de estado nos presentes valores enquanto a retroalimentação de tensão estiver fora de uma faixa de tensão predeterminada.
[014] Em outra realização, o método pode incluir determinar um ou mais parâmetros de regulador de tensão para o primeiro e segundo reguladores de tensão. Por exemplo, em determinadas realizações, os parâmetros de regulador de tensão podem incluir ganhos proporcionais, ganhos integrais, constantes de tempo, combinações dos mesmos ou similares. Adicionalmente, em realizações particulares, o método pode incluir variar os parâmetros de regulador de tensão com base em um número de turbinas eólicas conectadas no parque eólico e/ou uma situação de um ou mais dispositivos externos ao parque eólico. Os dispositivos externos, por exemplo, podem incluir linhas de transmissão, geradores, etc.
[015] Em outro aspecto, a presente matéria se refere a um método para aperfeiçoar a velocidade de resposta de potência reativa em um sistema de potência conectado a uma rede de potência. Mais particularmente, o método inclui determinar, através de um regulador de tensão não linear, um erro de tensão não linear como uma função de um erro de tensão linear. Outra etapa inclui calcular uma constante de tempo não linear como uma função de pelo menos um dentre o erro de tensão não linear ou histórico do regulador de tensão não linear. O método também inclui determinar uma saída do regulador de tensão não linear com base no erro de tensão não linear, um parâmetro de ganho não linear e/ou a constante de tempo não linear.
[016] Em ainda outro aspecto, a presente revelação se refere a um sistema de controle de tensão. O sistema de controle de tensão inclui uma primeira trajetória de controle e segunda trajetória de controle. A primeira trajetória de controle é configurada para calcular um erro de tensão linear como uma função de pelo menos uma dentre uma retroalimentação de tensão ou uma referência de tensão. Adícionalmente, a primeira trajetória de controle inclui um primeiro regulador de tensão configurado para gerar uma primeira saída com base no erro de tensão linear. A segunda trajetória de controle inclui um segundo regulador de tensão que tem uma banda morta. A banda morta é configurada para determinar um primeiro erro de tensão não linear com base no erro de tensão linear. Adícionalmente, o segundo regulador de tensão é configurado para gerar uma segunda saída com base no primeiro erro de tensão não linear. De tal forma, o sistema de controle de tensão é configurado adícionalmente para gerar um comando de potência reativa como uma função da primeira e da segunda saídas.
[017] Esses e outros recursos, aspectos e vantagens da presente invenção se tornarão mais bem entendidos com referência à descrição a seguir e reivindicações anexas. Os desenhos anexos, que são incorporados e constituem uma parte deste relatório descritivo, ilustram realizações da invenção e, junto com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção.
Breve Descrição dos Desenhos [018] Uma revelação completa e capacitante da presente invenção, que inclui o melhor modo da mesma, direcionada a uma pessoa de habilidade comum na técnica é estabelecida no relatório descritivo, que faz referência às figuras anexas, em que: [019] A Figura 1 ilustra um diagrama de blocos de um parque eólico que tem múltiplos geradores de turbina eólica acoplados a uma rede de transmissão de acordo com a presente revelação;
[020] A Figura 2 ilustra um diagrama de blocos de componentes adequados que podem ser incluídos em uma realização de um controlador de parque de acordo com a presente revelação;
[021] A Figura 3 ilustra um diagrama de blocos simplificado de uma realização de um sistema de controle de tensão de acordo com a presente revelação;
[022] A Figura 4 ilustra um diagrama de blocos detalhado de uma realização de um sistema de controle de tensão de acordo com a presente revelação, que ilustra particularmente aspectos adicionais da primeira e da segunda trajetórias de controle;
[023] A Figura 5 ilustra um diagrama de blocos de uma realização de um esquema de controle de adaptação de parâmetro que pode ser implantado pelo controlador de parque de acordo com a presente revelação;
[024] A Figura 6 ilustra um diagrama de fluxo de uma realização de um método para aperfeiçoar a velocidade de resposta de potência reativa em um parque eólico conectado a uma rede de potência de acordo com a presente revelação;
[025] A Figura 7 ilustra vários gráficos de potência reativa e tensão versos tempo, respectivamente, de acordo com construção convencional;
[026] A Figura 8 ilustra vários gráficos de potência reativa e tensão versos tempo, respectivamente, de acordo com a presente revelação; e [027] A Figura 9 ilustra vários gráficos de potência reativa e tensão versos tempo, respectivamente, que ilustra particularmente os efeitos de implantar apenas uma porção da presente revelação.
Descrição Detalhada da Invenção [028] A referência será feita agora em detalhes às realizações da invenção, um ou mais exemplos das quais são ilustrados nos desenhos. Cada exemplo é fornecido a título de explicação da invenção, e não limitação da invenção. Na verdade, será evidente àqueles versados na técnica que várias modificações e variações podem ser feitas na presente invenção sem se afastar do escopo ou espírito da invenção. Por exemplo, os recursos ilustrados ou descritos como parte de uma realização podem ser usados com outra realização para proporcionar uma realização ainda adicional. Desse modo, pretende-se que a presente invenção abranja tais modificações e variações conforme estão dentro do escopo das reivindicações anexas e seus equivalentes.
[029] Em geral, a presente matéria se refere a um controlador de parque não linear que envia um comando de potência reativa a todos os geradores de turbina eólica dentro de um parque eólico ou subestação. Mais especificamente, o controlador inclui um sistema de controle de tensão não linear ou regulador que regula a potência reativa em um parque eólico conectado a uma rede de potência de modo a aperfeiçoar velocidade de resposta reativa do parque eólico. Assim, o sistema de controle de tensão calcula um erro de tensão linear como uma função de uma retroalimentação de tensão a partir da rede de potência e uma referência de tensão e gera uma primeira saída com base no erro de tensão linear através de uma primeira trajetória de controle que tem um primeiro regulador de tensão. Além disso, o sistema de controle de tensão determina um ou mais erros de tensão não lineares com base no erro de tensão linear através de uma segunda trajetória de controle que tem um segundo regulador de tensão. O sistema gera, então, uma segunda saída através da segunda trajetória de controle com base no erro de tensão não linear. De tal forma, o sistema de controle de tensão gera um comando de potência reativa como uma função da primeira e da segunda saídas que fornece velocidade de resposta de potência reativa aperfeiçoada.
[030] Deve-se verificar que o comando de potência reativa pode ser gerado por qualquer controlador de nível de campo (isto é, maior do que o nível de gerador), tal como um controlador de subestação ou um controlador de nível de parque eólico. Para propósitos de descrição, as realizações são descritas no presente documento em relação a um parque eólico, em que uma pluralidade de turbinas eólicas está em comunicação com o controlador de parque eólico.
[031] O presente sistema e método fornecem muitas vantagens não presentes na técnica anterior. Por exemplo, o esquema de controle da presente revelação fornece resposta mais rápida de potência reativa a redes que exigem estabilização. Mais especificamente, o algoritmo de controle não linear reduz o tempo de resposta de um parque eólico para desequilíbrios de potência reativa no sistema de transmissão. De tal forma, o algoritmo permite controle de tensão rápido e estável. Adicionalmente, o sistema de controle de tensão da presente revelação aumenta a quantidade de geração de vento que pode ser conectado de modo confiável a um determinado sistema de utilidade e evita a necessidade de infraestrutura adicional dentro de parques eólicos para satisfazer a resposta reativa exigida.
[032] Embora a presente tecnologia descrita no presente documento seja explicada com referência a um parque eólico que tem uma pluralidade de geradores de turbina eólica, deve-se entender que a presente tecnologia também pode ser implantada para qualquer aplicação adequada que tem a capacidade de controlar rapidamente a potência reativa. Por exemplo, exemplos não limitantes adicionais incluem sistemas solares, sistemas de armazenamento de energia, sistemas VAR estáticos, STATCOMs, e/ou similares.
[033] Referindo-se agora aos desenhos, a Figura 1 ilustra um diagrama de blocos de um parque eólico 100 que tem múltiplos geradores de turbina eólica 110 acoplados a uma rede de transmissão 190. A Figura 1 ilustra três geradores de vento 110; entretanto, qualquer quantidade de geradores de vento pode estar incluída em um parque eólico. Cada gerador de turbina eólica 110 inclui um controlador local que é responsivo às condições do gerador de turbina eólica sendo controlado. Em uma realização, o controlador para cada gerador de turbina eólica capta apenas a tensão terminal e corrente (através de transformadores de corrente e potencial). A tensão e corrente captadas são usadas pelo controlador local para fornecer uma resposta apropriada para fazer com que o gerador de turbina eólica 110 forneça a potência reativa desejada.
[034] Cada gerador de turbina eólica 110 é acoplado ao barramento de coletor 120 através de transformadores de conexão de gerador 115 para fornecer potência reativa e real (classificado Pwg e Qwg, respectivamente) para barramento de coletor 120. Os transformadores de conexão de gerador e barramentos de coletor são conhecidos na técnica.
[035] O parque eólico 100 fornece saída de potência reativa e real (classificado como Pwf e Qwt, respectivamente) através do transformador principal de parque eólico 130. O controlador de nível de parque 150 capta a saída de parque eólico, bem como a tensão no ponto de acoplamento comum (PCC) 140, para fornecer um sinal de comando Q 105 (Qcmd) que indica potência reativa desejada nos terminais de gerador para garantir uma distribuição razoável de potência reativa entre as turbinas eólicas. Em realizações alternativas, esse sinal de comando Q (Qcmd) 105 pode ser gerado como o nível de operador ou local (indicado pela linha “Local” na Figura 1), por exemplo, no evento de que o gerador de turbina eólica está em modo manual ou, de outra maneira, não em comunicação com o controlador de parque eólico 150, conforme explicado em maiores detalhes abaixo.
[036] Referindo-se agora à Figura 2, um diagrama de blocos de uma realização de componentes adequados que podem ser incluídos dentro do controlador de parque 150 e/ou do controlador (s) de turbina, de acordo com aspectos da presente revelação, é ilustrado. Conforme mostrado, o controlador 150 pode incluir um ou mais processador (es) 152 e dispositivo (s) de memória associado 154 configurado para realizar uma variedade de funções implantadas por computador (por exemplo, realizar os métodos, etapas, cálculos e similares e armazenar dados relevantes conforme revelado no presente documento). Adicionalmente, o controlador 150 também pode incluir um módulo de comunicações 156 para facilitar comunicações entre o controlador 150 e os vários componentes do parque eólico 100. Adicionalmente, o módulo de comunicações 156 pode incluir uma interface de sensor 158 (por exemplo, um ou mais conversores analógico para digital) para permitir que sinais transmitidos de um ou mais sensores 160, 162, 164 sejam convertidos em sinais que podem ser entendidos e processados pelos processadores 152. Deve-se verificar que os sensores 160, 162, 164 podem ser acoplados de modo comunicativo ao módulo de comunicações 156 com o uso de qualquer meio adequado. Por exemplo, conforme mostrado, os sensores 160, 162, 164 são acoplados à interface de sensor 158 através de uma conexão com fio. Entretanto, em outras realizações, os sensores 160, 162, 164 podem ser acoplados à interface de sensor 158 através de uma conexão sem fio, tal como usando-se qualquer protocolo de comunicações sem fio adequado conhecido na técnica.
[037] Conforme usado no presente documento, o termo “processador” se refere não só a circuitos integrados mencionados na técnica como sendo incluídos em um computador, mas também se refere a um controlador, um microcontrolador, um microcomputador, um controlador lógico programável (PLC), um circuito integrado de aplicação específica e outros circuitos programáveis. Adicionalmente, o dispositivo(s) de memória 154 pode compreender, em geral, elemento(s) de memória incluindo, mas sem limitação, meio legível por computador (por exemplo, memória de acesso aleatório (RAM)), meio não volátil legível por computador (por exemplo, uma memória flash), um disquete, uma memória apenas de leitura de disco compacto (CD-ROM), um disco magneto-ótico (MOD), um disco versátil digital (DVD) e/ou outros elementos de memória adequados. Tal(is) dispositivo(s) de memória 154 pode ser configurado, em geral, para armazenar instruções legíveis em computador adequadas que, quando implantadas pelo processador(s) 152, configuram o controlador 150 para realizar várias funções conforme descrito no presente documento.
[038] Os sensores 160, 162, 164 podem incluir quaisquer sensores adequados configurados para fornecer medições de retroalimentação ao controlador de parque 150. Em várias realizações, por exemplo, os sensores 160, 162, 164 podem ser qualquer um dentre ou combinação do seguinte: sensores de tensão, sensores de corrente e/ou quaisquer outros sensores adequados.
[039] Referindo-se agora às Figuras 3 e 4, o controlador de parque 150 conforme descrito no presente documento, inclui um sistema de controle de tensão 200 configurado para aperfeiçoar velocidade de resposta de potência reativa do parque eólico 100. Conforme usado no presente documento, o sistema de controle de tensão 200 descreve, em geral, qualquer regulador de tensão adequado que é configurado para regular e/ou estabilizar níveis de tensão usados pelo processador(es) 152 de outros elementos do controlador de parque 150. Mais especificamente, a Figura 3 ilustra um diagrama de blocos simplificado de uma realização do sistema de controle de tensão 200 de acordo com a presente revelação; enquanto a Figura 4 ilustra um diagrama de blocos detalhado de outra realização do sistema de controle de tensão 200, que ilustra particularmente detalhes adicionais das trajetórias de controle. Conforme mostrado, o sistema de controle de tensão 200 recebe um sinal de retroalimentação de tensão 204 (Vfbk) da rede de potência 190 bem como um sinal de referência de tensão 202 (Vref). O sinal de referência de tensão 202 pode ser qualquer referência de tensão adequada determinada pelo controlador de parque 150 ou inserida manualmente por um operador. O sinal de retroalimentação de tensão 204 é indicativo da tensão real da rede de potência 190. Assim, conforme mostrado, o sistema de controle de tensão 200 determina um sinal de erro de tensão linear 206 (Verr) como uma função do sinal de retroalimentação de tensão 204 e o sinal de referência de tensão 202. Por exemplo, em uma realização, a diferença entre o sinal de retroalimentação de tensão 204 e o sinal de referência de tensão 202 é o sinal de erro de tensão linear 206, que pode ser, por fim, reduzido pelo sistema de controle de tensão 200 para fazer com que a tensão de retroalimentação 204 siga a referência tensão 202.
[040] Com base no sinal de erro de tensão linear 206, o sistema de controle de tensão 200 gera um comando de potência reativa (por exemplo, Qcmd) que é usado para aperfeiçoar velocidade de resposta de potência reativa do parque eólico 100. Mais especificamente, o sistema de controle de tensão 200 gera uma primeira saída 212 com base no erro de tensão linear 206 através de uma primeira trajetória de controle 224 que tem um primeiro regulador de tensão 208. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 4, o primeiro regulador de tensão 208 pode ser um controlador integral proporcional (PI) que tem uma constante de tempo de ciclo fechado na faixa de 0,5 a 10 segundos (por exemplo, 3 segundos, 5 segundos, 5,5 segundos). Em realizações adicionais, outros tipos de controladores também podem ser usados, por exemplo, controladores derivados proporcionais (PD), controladores derivados integrais proporcionais (PID), controladores de espaço de estado ou similares. Outras constantes de tempo podem ser usadas também. O controlador PI 208 inclui uma trajetória proporcional e uma trajetória integral. A trajetória proporcional inclui um primeiro integrador proporcional 228 que está associado a um elemento de filtragem que tem uma largura de faixa tipicamente maior do que a largura de faixa de ciclo fechado do sistema de controle de tensão de parque eólico. Adicionalmente, a trajetória integral inclui um segundo integrador 230. Em determinadas realizações, o controlador PI 208 pode ser limitado com base em limites integrais predeterminados conforme mostrado. Adicionalmente, cada um dos integradores 228, 230 são associados com uma variável de estado, a saber S1 e S3, respectivamente. Conforme usado no presente documento, uma variável de estado geralmente se refere a uma variável que é usada para descrever o “estado” matemático de um sistema dinâmico, por exemplo, os integradores 228, 230.
[041] Referindo-se, ainda, às Figuras 3 e 4, o sistema de controle de tensão 200 também gera uma segunda saída 214 através de uma segunda trajetória de controle 226 que tem um segundo regulador de tensão 210. Mais especificamente, conforme mostrado na Figura 4, o segundo regulador de tensão 210 pode incluir um amplificador transiente 217 e uma banda morta 220 seguido de uma trajetória proporcional filtrada que tem um integrador 232 que está associado com a variável de estado de filtragem S2. Conforme usado no presente documento, uma banda morta abrange seu significado comum amplo e, em geral, se refere a um componente de um regulador de tensão que tem um intervalo de um domínio de sinal em que nenhuma ação ocorre. De tal forma, uma banda morta tipicamente evita oscilação ou movimento oscilante em sistemas de controle proporcionais.
[042] Em conformidade, o amplificador transiente 217 está associado a uma determinada função de transferência, por exemplo, 1+sT-|/1+sT2, em que T-ι e T2 são constantes de tempo e s é variável de estado S4. Mais especificamente, o amplificador transiente 217 é configurado para amplificar rápidas mudanças de tensão na rede de potência 190 de modo a gerar erro de tensão não linear 215 (por exemplo, Verri)· A banda morta 220 pode, então, determinar outro erro de tensão não linear 222 (Verr2) como uma função não linear do sinal de erro de tensão 215.
[043] Adicionalmente, conforme mostrado, o integrador 232 pode ser associado ao elemento de filtragem no controlador proporcional filtrado. Outros tipos de controladores também podem ser usados, por exemplo, controladores integrais proporcionais (PI), controladores derivados proporcionais (PD), controladores derivados integrais proporcionais (PID), controladores de espaço de estado ou similares. Por exemplo, em determinadas realizações, o segundo regulador de tensão 210 pode ser configurado para gerar a segunda saída 214 com o uso de, por exemplo, uma função de histerese. Mais especificamente, em realizações particulares, o segundo regulador de tensão 210 pode ser configurado para determinar uma constante de tempo não linear (por exemplo, Ti, T2 e/ou Tv2) como uma função dos erros de tensão, a saber Verri 215, Verr 206 e Verr2 222 e/ou histórico do integrador não linear 232. Assim, o integrador 232 é configurado para calcular a segunda entrada 214 como uma função do erro de tensão não linear 222, o ganho proporcional Kpv2 e/ou a constante de tempo TV2- Se o erro de tensão linear 206 for alto, o erro de tensão não linear 222 se moverá rápido e fornecerá velocidade de resposta de potência reativa aperfeiçoada. Entretanto, a velocidade aumentada pode causar instabilidade na rede de potência 190. De tal forma, o sistema de controle de tensão 200 também é configurado para fornecer controle de rede estável com o uso de vários algoritmos de controle adequados. Por exemplo, em determinadas realizações, o integrador 232 é configurado para ajustar a constante de tempo TV2, de modo a fornecer controle de rede estável, que é discutido em mais detalhes abaixo em consideração à Figura 9. De tal forma, a segunda saída 214 pode ser atualizada om o uso do erro de tensão não linear 222, o parâmetro de ganho não linear Kpv2 e/ou a constante de tempo não linear ajustada TV2- [044] Em realizações adicionais, o integrador 232 também é configurado para determinar um derivado da segunda variável de estado S2. Se a segunda variável de estado S2 e o derivado da segunda variável de estado S2 forem negativos e o erro de tensão não linear 222 for negativo, o sistema de controle de tensão 200 é configurado para manter ou congelar as variáveis de estado (por exemplo S1, S2, S3 e/ou S4) nos presentes valores das mesmas enquanto as condições são satisfeitas. Além disso, o sistema de controle de tensão 200 é configurado para manter ou congelar as variáveis de estado nos presentes valores das mesmas enquanto a segunda variável de estado S2 estiver positiva, o derivado da segunda variável de estado S2 estiver negativo e o erro de tensão não linear 222 estiver positivo.
[045] Em realizações alternativas, o sistema de controle de tensão 200 pode manter ou congelar as variáveis de estado nos presentes valores das mesmas se a retroalimentação de tensão 204 estiver fora de uma faixa de tensão predeterminada. A faixa de tensão predeterminada pode ser qualquer faixa adequada. Por exemplo, em determinadas realizações, a faixa de tensão predeterminada pode ser de cerca de 70% a cerca de 110% de uma tensão nominal. As condições prévias, quando satisfeitas, indicam que uma condição de tensão anormal temporária está ocorrendo na rede de potência. De tal forma, o sistema de controle de tensão 200 é configurado para congelar os integradores até a condição passar de modo a evitar forçar uma condição de tensão anormal estendida enquanto os integradores respondem após a perturbação de rede originária ser removida externamente ao parque eólico 100. Assim, quando a rede retorna para dentro da faixa normal de operação, o sistema de controle de tensão 200 fornece rápida resposta de potência reativa à rede de potência 190 de um modo suave.
[046] Mais especificamente, conforme mostrado em 234, o sistema de controle de tensão 200 é configurado para combinar a primeira e segunda saídas 212, 214 a partir da primeira e da segunda trajetórias de controle 224, 226 para obter um sinal de saída de potência reativa (por exemplo, Qcmdo 236). O sinal Qcmdo 236 pode ser opcionalmente limitado pelo limitador 216 a uma faixa predeterminada entre Qmin e Qmax (isto é, limites predeterminados de comando) antes de enviar o sinal a cada um dos geradores de turbina eólica 110. Em uma realização, por exemplo, Qmin e Qmax são definidos de modo igual à capacidade reativa taxada dos geradores de turbina eólica 110. Limites alternativos também podem ser usados. Desse modo, o sistema de controle de tensão 200 gera o comando de potência reativa (por exemplo, Qcmd 218) como uma função do sinal Qcmdo 236. O sinal Qcmd 218 é comando de potência reativa gerada pelo controlador de parque 150 que é enviado para cada um dos geradores de turbina eólica 110 para fornecer velocidade de resposta de potência reativa aperfeiçoada. Adicionalmente, o comando de potência reativa 218 é transmitido para os controladores locais dos geradores de turbina eólica 110 para gerar potência reativa com base nos comandos.
[047] Conforme mencionado, em determinadas realizações, o sistema de controle de tensão 200 é configurado para limitar o primeiro regulador de tensão 208 com base nos limites integrais predeterminados conforme mostrado. Além disso, o limitador 216 é configurado para limitar o sinal Qcmdo 236 com base nos limites de comando predeterminados (por exemplo, Qmin e Qmax)· De tal forma, em realizações particulares, os limites de comando predeterminados do limitador 216 podem ser maiores ou mais largos do que os limites integrais predeterminados de integrador 230. Isso pode ser benéfico para geradores de turbina eólica 110 que tem capacidade temporária além de sua taxação de estado contínuo. Por exemplo, os limites de integrador 230 podem ser ajustados à taxação de estado contínuo dos geradores de turbina eólica 110, garantindo que a operação de estado contínuo esteja dentro de sua capacidade. Os limites na saída final 218 será ajustado para a capacidade temporária dos geradores de turbina eólica 110, possibilitando, desse modo, que o controlador de parque eólico 150 se beneficie da maior capacidade de turbina eólica de gerenciar transientes de rede.
[048] Em uma realização, todos os limites discutidos em relação às Figuras 3 e 4 são limites não concluídos; entretanto, em realizações alternativas, um subconjunto dos limites pode ser limites não concluídos. Os limites foram discutidos em termos de parâmetros fixos; entretanto, parâmetros variáveis dinamicamente fornecidos por, por exemplo, uma tabela de pesquisa ou um processador ou máquina de estado que executa um algoritmo de controle pode fornecer os limites. Tal limite variável dinamicamente pode ser com base em uma capacidade de corrente dos geradores 110 e uma saída de potência real contemporânea do parque eólico 100.
[049] Referindo-se agora às Figuras 4 e 5, o controlador de parque 150 também pode determinar um ou mais parâmetros de regulador de tensão para os integradores 228, 230, 232. Por exemplo, em determinadas realizações, os parâmetros de regulador de tensão podem incluir ganhos proporcionais (por exemplo, KpV2, Kpv), ganhos integrais (por exemplo, Kiv), constantes de tempo (por exemplo, T-ι, T2, Tv, TV2), combinações dos mesmos ou similares. Adicionalmente, em determinadas realizações, o controlador de parque 150 pode ser configurado para variar ou ajustar os parâmetros de regulador de tensão com base em um número de turbinas eólicas conectadas no parque eólico 100 e/ou uma situação de um ou mais dispositivos externos ao parque eólico 100. Os dispositivos externos, por exemplo, podem incluir linhas de transmissão, geradores, etc. Adicionalmente, conforme mostrado, o controlador de parque 150 recebe um número de geradores de turbina eólica conectados e insere o número em um ou mais gráficos de parâmetro 238. Com base nos gráficos 238, o controlador de parque 150 pode determinar um ajuste de ganho 240 que pode ser enviado ao sistema de controle de tensão 200 para atualizar os parâmetros. Mais especificamente, conforme mostrado, o ajuste de ganho 240 pode receber uma situação de um ou mais dispositivos externos. Adicionalmente, um supervisor de ganho 242 pode ser incluído o qual monitora os sinais de controle para comportamento oscilatório sustentado que pode ser devido à resposta excessiva do controlador de parque eólico 150 em alguma condição de rede não antecipado. De tal forma, o supervisor de ganho 242 inicia uma redução de ganho para restaurar a estabilidade ao controle de parque eólico. Tais funções de supervisor de ganho são conhecidas na técnica. As entradas do supervisor de ganho 242 podem variar, mas geralmente incluem sinais de controle tais como a saída final do controlador 150 (por exemplo, Qcmd 218), o sinal de retroalimentação de tensão 204 da rede 190 e/ou uma combinação de tais sinais ou similares.
[050] Referindo-se agora à Figura 6, um diagrama de fluxo de uma realização de um método 300 para aperfeiçoar a velocidade de resposta de potência reativa em um sistema de potência conectado a uma rede de potência é ilustrado. Mais particularmente, em 302, o método 300 inclui determinar, através de um regulador de tensão não linear, um erro de tensão não linear como uma função de um erro de tensão linear. Em 304, o método 300 inclui calcular uma constante de tempo não linear como uma função de pelo menos um dentre o erro de tensão não linear e/ou histórico do regulador de tensão não linear. Em 306, o método 300 inclui determinar uma saída do regulador de tensão não linear com base em pelo menos um dentre o erro de tensão não linear, um parâmetro de ganho não linear ou a constante de tempo não linear.
[051] Referindo-se agora às Figuras 7 a 9, várias vantagens de operação do parque eólico, de acordo com a presente revelação, são ilustradas. Mais especificamente, as Figuras 7 a 9 ilustram a resposta de tensão (por exemplo, Vfbk) e comando de potência reativa (por exemplo, Qcmd) versos tempo a uma operação de capacítor na rede de transmissão 190. A operação de capacítor faz com que a tensão VpCC no PCC 140 aumente. O sinal de retroalimentação de tensão 204 do sistema de controle de tensão 200 consequentemente aumenta. De tal forma, as Figuras 7 a 9 ilustram como o sistema de controle de tensão 200 modifica o comando de potência reativa (por exemplo, Qcmd) para trazer o sinal de retroalimentação de tensão 204 próximo ao valor inicial.
[052] Mais especificamente, a Figura 7 ilustra múltiplos gráficos de tensão (por exemplo, Vfbk) e comando de potência reativa (por exemplo, Qcmd) versos tempo, respectivamente, para sistemas da técnica anterior, enquanto a Figura 8 ilustra múltiplos gráficos de tensão (por exemplo, Vfbk) e comando de potência reativa (por exemplo, Qcmd) versos tempo, respectivamente, de acordo com a presente revelação. A Figura 9 ilustra os efeitos da trajetória de controle não linear, mas sem a tecnologia de ajuste de constante de tempo (por exemplo, TV2). Conforme mostrado na Figura 7, a resposta de potência reativa 246 para parques eólicos da técnica anterior exige que um determinado período de tempo reduza o comando de potência reativa 246 e faça com que a retroalimentação de tensão 244 aproxime o valor antes da operação de capacitor. Em contraste, conforme mostrado na Figura 8, a resposta de potência reativa 256 para o parque eólico 100 da presente revelação tem uma redução mais rápida e resulta em uma restauração rápida e estável da retroalimentação de tensão para seu valor inicial. Adicionalmente, conforme mostrado na Figura 9, os gráficos ilustram o comportamento da retroalimentação de tensão e sinais de potência reativa 264, 266 sem os ajustes do integrador de variável de estado S2 no bloco 232 da segunda trajetória de controle 226. Pode-se observar que a redução inicial do comando de potência reativa é a mesma conforme na Figura 8. Após a redução inicial de comando de potência reativa, uma resposta oscilatória é observada.
[053] Esta descrição por escrito usa exemplos para revelar a invenção, incluindo o melhor modo, e também para possibilitar que qualquer pessoa versada na técnica pratique a invenção, incluindo produzir e usar quaisquer dispositivos ou sistemas, e realizar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações, e pode incluir outros exemplos que ocorram àqueles versados na técnica. Tais outros exemplos são destinados a estarem dentro do escopo das reivindicações se os mesmos incluírem elementos estruturais que não difiram da linguagem literal das reivindicações, ou se os mesmos incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais das linguagens literais das reivindicações.
Lista de Componentes 100 Parque Eólico 105 Sinal Qcmd 110 Gerador de Turbina Eólica 115 Transformador 120 Barramento de Coletor 130 Transformador Principal 140 Ponto de Acoplamento Comum 150 Controlador de Nível de Parque 152 Processador(es) 154 Dispositivo(s) de Memória 156 Módulo de Comunicações 158 Interface de Sensor 160 Sensor 162 Sensor 164 Sensor 200 Sistema de Controle 202 Referência de Tensão 204 Retroalimentação de Tensão 206 Erro de Tensão Linear/Verr 208 Primeiro Regulador de Tensão 210 Segundo Regulador de Tensão 212 Primeira Saída 214 Segunda Saída 215 Segundo Erro de Tensão Não Linear/Verri 216 Limitador 217 Amplificador Transiente 218 Comando de Potência Reativa/QcMD 220 Banda Morta 222 Primeiro Erro de Tensão Não Linear/ Verr2 224 Primeira Trajetória de Controle 226 Segunda Trajetória de Controle 228 Integrador 230 Integrador 232 Integrador 234 Soma 236 Sinal de Saída de Potência Reativa/QcMDo 238 Gráficos 240 Ajuste de Ganho 242 Supervisor de Ganho 244 Retroalimentação de Tensão 246 Potência Reativa 254 Retroalimentação de Tensão 256 Potência Reativa 264 Retroalimentação de Tensão 266 Potência Reativa 300 Método 302 Etapa de Método 304 Etapa de Método 306 Etapa de Método Reivindicações
Claims (15)
1. MÉTODO PARA APERFEIÇOAR VELOCIDADE DE RESPOSTA DE POTÊNCIA REATIVA EM UM PARQUE EÓLICO (100), conectado a uma rede de potência (190), caracterizado pelo fato de que o método compreende: receber, através de um controlador de parque eólico (150), uma retroalimentação de tensão (204) a partir da rede de potência (190); receber, através do controlador de parque eólico (150), uma referência de tensão (202); calcular um erro de tensão linear (206) como uma função da retroalimentação de tensão (204) e da referência de tensão (202); gerar uma primeira saída (212) com base no erro de tensão linear (206) através de uma primeira trajetória de controle (224) que tem um primeiro regulador de tensão (208); determinar um primeiro erro de tensão não linear (222) com base no erro de tensão linear (206) através de uma segunda trajetória de controle (226) que tem um segundo regulador de tensão (210); gerar, através da segunda trajetória de controle (226), uma segunda saída (214) com base no primeiro erro de tensão não linear (222); e gerar um comando de potência reativa (218) como uma função da primeira e da segunda saídas (212, 214).
2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que determinar o primeiro erro de tensão não linear (222) com base no erro de tensão linear (206) compreende, adicionalmente, fornecer uma banda morta (220) na segunda trajetória de controle (226) e determinar o primeiro erro de tensão não linear (222) através da banda morta (220).
3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, determinar um segundo erro de tensão não linear (215) com base no erro de tensão linear (206) através de um amplificador transiente (217).
4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro regulador de tensão (208) compreende um controlador integral proporcional e o segundo regulador de tensão (210) compreende um controlador proporcional.
5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, ajustar uma constante de tempo do segundo regulador de tensão (210) de modo a estabilizar a segunda saída (214) da segunda trajetória de controle (226).
6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, limitar o primeiro regulador de tensão (208) com base em limites integrais predeterminados e limitar o comando de potência reativa (218) com base em limites de comando predeterminados, em que os limites de comando predeterminados são maiores do que os limites integrais predeterminados.
7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro regulador de tensão (208) está associado a uma primeira variável de estado e o segundo regulador de tensão (210) está associado a uma ou mais segundas variáveis de estado, e o método compreende, adicionalmente, determinar um derivado de uma ou mais dentre a uma ou mais segundas variáveis de estado.
8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, manter a primeira variável de estado e a uma ou mais segundas variáveis de estado nos presentes valores das mesmas enquanto o derivado de uma ou mais das segundas variáveis de estado estiver negativo, uma ou mais dentre as segundas variáveis de estado estiverem negativas e o primeiro ou segundo erros de tensão não lineares (222, 215) estiverem negativos.
9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, manter a primeira e a segunda variáveis de estado nos presentes valores das mesmas enquanto o derivado da segunda variável de estado estiver negativo, a segunda variável de estado estiver positiva e o primeiro ou o segundo erros de tensão não lineares (222, 215) estiverem positivos.
10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, manter a primeira variável de estado e a uma ou mais segundas variáveis de estado nos presentes valores das mesmas enquanto a retroalimentação de tensão (204) estiver fora de uma faixa de tensão predeterminada.
11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, determinar um ou mais parâmetros de regulador de tensão para o primeiro e o segundo reguladores de tensão (208, 210), em que os parâmetros de regulador de tensão compreendem pelo menos um dentre ganhos proporcionais, ganhos integrais ou constantes de tempo.
12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, variar os parâmetros de regulador de tensão com base em pelo menos um dentre um número de turbinas eólicas conectadas no parque eólico (100) ou uma situação de um ou mais dispositivos externos ao parque eólico (100).
13. MÉTODO PARA REGULAR A POTÊNCIA REATIVA EM UM SISTEMA DE POTÊNCIA, conectado a uma rede de potência (190), caracterizado pelo fato de que o método compreende: determinar, através de um regulador de tensão não linear (208), um erro de tensão não linear (222) como uma função de um erro de tensão linear (206); calcular uma constante de tempo não linear como uma função de pelo menos um dentre o erro de tensão não linear (222) ou histórico do regulador de tensão não linear (208); e, determinar uma saída do regulador de tensão não linear (208) com base em pelo menos um dentre o erro de tensão não linear (206), um parâmetro de ganho não linear ou a constante de tempo não linear.
14. SISTEMA DE CONTROLE DE TENSÃO, caracterizado pelo fato de que compreende: uma primeira trajetória de controle (224) que compreende um primeiro regulador de tensão (208), sendo que a primeira trajetória de controle (224) é configurada para calcular um erro de tensão linear (206) como uma função de pelo menos uma dentre uma retroalimentação de tensão (204) ou uma referência de tensão (202) e gerar uma primeira saída (212) com base no erro de tensão linear (206); e, uma segunda trajetória de controle (226) que compreende um segundo regulador de tensão (210), sendo que o segundo regulador de tensão (210) compreende uma banda morta (220) configurada para determinar um primeiro erro de tensão não linear (222) (206) com base no erro de tensão linear (206), sendo que o segundo regulador de tensão (210) é configurado para gerar uma segunda saída (214) com base no erro de tensão não linear (206), em que o sistema de controle de tensão é configurado, adicionalmente, para gerar um comando de potência reativa (218) como uma função da primeira e da segunda saídas (212, 214).
15. SISTEMA DE CONTROLE DE TENSÃO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o segundo regulador de tensão (210) compreende, adicionalmente, um amplificador transiente (217) configurado para gerar um segundo erro de tensão não linear (215), de modo a amplificar mudanças de tensão em uma rede de potência (190).
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