BR102021000299A2

BR102021000299A2 - Sistema de compensadores de potência reativa para um parque eólico e método de operação de um parque eólico

Info

Publication number: BR102021000299A2
Application number: BR102021000299-9A
Authority: BR
Inventors: Arvind Kumar Tiwari; Jayanti Navilgone Ganesh; Kasi Viswanadha Raju Gadiraju; Robert Gregory Wagoner; Harmeet Singh Narang
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2020-01-10
Filing date: 2021-01-08
Publication date: 2021-07-27
Also published as: US20210218245A1; CA3105096A1; EP3849040A1; US11152787B2; CN113113918A

Abstract

sistema de compensadores de potência reativa para um parque eólico e método de operação de um parque eólico. um sistema de compensadores de potência reativa para um parque eólico inclui um transformador de múltiplos enrolamentos e uma pluralidade de compensadores de potência reativa modulares (mvbs). o transformador de múltiplos enrolamentos inclui um enrolamento primário e uma pluralidade de enrolamentos secundários. o enrolamento primário é configurado para ser acoplado a um ponto de acoplamento comum (pocc) ao parque eólico. a pluralidade de mvbs é cada qual acoplada a um enrolamento correspondente da pluralidade de enrolamentos secundários.

Description

SISTEMA DE COMPENSADORES DE POTÊNCIA REATIVA PARA UM PARQUE EÓLICO E MÉTODO DE OPERAÇÃO DE UM PARQUE EÓLICO

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[001] O campo da divulgação se refere geralmente a compensadores de potência reativa modulares e, mais particularmente, a um sistema de compensadores de potência reativa modulares para um parque eólico.

[002] Com a prevalência da energia renovável, os requisitos para conectar fontes renováveis de energia à rede elétrica, ou seja, os códigos de rede, evoluíram e se tornaram mais complexos e, portanto, mais exigentes para os operadores de fontes renováveis, como, por exemplo, parques eólicos. Geralmente, os códigos de rede especificam padrões operacionais, incluindo, por exemplo, controle de potência ativa e reativa, controle de fator de potência, qualidade da forma de onda de tensão e corrente, resposta à frequência do lado da rede e variação de voltagem e capacidade de manutenção no caso de uma falha de rede lateral.

[003] Dentro de um parque eólico, uma turbina eólica gira um gerador, por exemplo, um gerador de indução duplamente alimentado (DFIG), que gera energia elétrica que é fornecida à rede por meio de um ponto de acoplamento comum (POCC). Em um determinado parque eólico com muitos geradores, cada um gera energia em uma tensão de geração que é aumentada para ser fornecida ao POCC. A tensão no POCC é normalmente aumentada para a tensão da linha de transmissão antes de ser fornecida à própria rede. Os parques eólicos podem incorporar um ou mais compensadores de potência reativa (cada um referido como um compensador VAR) para ajudar a cumprir os códigos da rede local. Um desses dispositivos é um compensador estático síncrono (STATCOM) que pode ser conectado ao POCC ou à turbina para estabilizar a tensão. Ao integrar no POCC, por exemplo, um único compensador VAR pode ser projetado para atender aos códigos da rede local. Como alternativa, um ou mais compensadores VAR modulares, ou “Caixa VAR Modular” (MVB), podem ser conectados ao POCC em qualquer quantidade necessária para cumprir os códigos da rede local.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO

[004] Em um aspecto, um sistema de compensadores de potência reativa para um parque eólico é fornecido. O sistema inclui um transformador de múltiplos enrolamentos e uma pluralidade de compensadores de potência reativa modulares (MVBs). O transformador de múltiplos enrolamentos inclui um enrolamento primário e uma pluralidade de enrolamentos secundários. O enrolamento primário é configurado para ser acoplado a um ponto de acoplamento comum (POCC) para o parque eólico. A pluralidade de MVBs é cada uma acoplada a um enrolamento correspondente da pluralidade de enrolamentos secundários.

[005] Em outro aspecto, um parque eólico é fornecido. O parque eólico inclui um POCC, uma pluralidade de geradores de indução duplamente alimentados (DFIGs), um transformador de múltiplos enrolamentos e uma pluralidade de MVBs. O POCC está configurado para ser acoplado a uma rede elétrica. A pluralidade de DFIGs é configurada para gerar potência de corrente alternada (CA) a ser fornecida ao POCC. O transformador de múltiplos enrolamentos inclui um enrolamento primário e uma pluralidade de enrolamentos secundários. O enrolamento primário é configurado para ser acoplado ao POCC para o parque eólico. Cada um da pluralidade de MVBs é acoplado a um enrolamento correspondente da pluralidade de enrolamentos secundários.

[006] Em ainda outro aspecto, um método de operação de um parque eólico é fornecido. O método inclui o fornecimento, por uma pluralidade de DFIGs acoplados a turbinas eólicas correspondentes, potência de CA a um POCC configurado para ser acoplado a uma rede elétrica. O método inclui o acoplamento de um enrolamento primário de um transformador de múltiplos enrolamentos ao POCC. O método inclui acoplar uma pluralidade de MVBs ao POCC através de um enrolamento correspondente de uma pluralidade de enrolamentos secundários do transformador de múltiplos enrolamentos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[007] Estas e outras características, aspectos e vantagens da presente divulgação serão melhor compreendidos quando a seguinte descrição detalhada for lida com referência aos desenhos anexos nos quais caracteres semelhantes representam partes semelhantes ao longo dos desenhos, em que:

- A Figura 1 é um diagrama de um exemplo de parque eólico com um único compensador VAR;
- A Figura 2 é um diagrama do parque eólico da Figura 1 com uma pluralidade de compensadores VAR modulares;
- A Figura 3 é um diagrama esquemático de um exemplo de compensador VAR modular para uso no parque eólico da Figura 2;
- A Figura 4 é um diagrama de blocos de um exemplo de circuito de controle para o compensador VAR modular das Figuras 2 e 3;
- A Figura 5 é um diagrama do parque eólico das Figuras 1 e 2 com uma pluralidade de compensadores VAR modulares acoplados através de um transformador de múltiplos enrolamentos;
- A Figura 6 é um gráfico de gráficos de potência reativa para dois compensadores VAR modulares da pluralidade de compensadores VAR modulares da Figura 2;
- A Figura 7 é um gráfico de gráficos de potência reativa para dois compensadores VAR modulares da pluralidade de compensadores VAR modulares da Figura 5; e
- A Figura 8 é um diagrama de fluxo de um exemplo de método de operação do parque eólico da Figura 5.

[008] A menos que indicado de outra forma, os desenhos fornecidos neste documento se destinam a ilustrar as características das formas de realização desta divulgação. Acredita-se que essas características sejam aplicáveis em uma ampla variedade de sistemas que compreendem uma ou mais formas de realização desta divulgação. Como tal, os desenhos não se destinam a incluir todas as características convencionais conhecidas por aqueles técnicos no assunto a serem necessárias para a prática das formas de realização aqui divulgadas.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[009] No seguinte relatório descritivo e nas reivindicações, uma série de termos são referenciados que possuem os seguintes significados.

[0010] As formas singulares “um”, “uma” e “o/ a” incluem referências plurais, a menos que o contexto dite claramente o contrário.

[0011] “Opcional” ou “opcionalmente” significa que o evento ou circunstância subsequentemente descrito pode ou não ocorrer, e que a descrição inclui casos em que o evento ocorre e casos em que não ocorre.

[0012] A linguagem aproximada, tal como aqui utilizada ao longo do relatório descritivo e reivindicações, pode ser aplicada para modificar qualquer representação quantitativa que possa variar permissivelmente sem resultar em uma mudança na função básica a que se refere. Consequentemente, um valor modificado por um termo ou termos, como “cerca de”, “aproximadamente” e “substancialmente”, não devem ser limitados ao valor preciso especificado. Em pelo menos alguns casos, a linguagem de aproximação pode corresponder à precisão de um instrumento para medir o valor. Aqui e ao longo do relatório descritivo e reivindicações, as limitações de intervalo podem ser combinadas e/ ou trocadas; tais faixas são identificadas e incluem todas as subfaixas contidas nelas, a menos que o contexto ou a linguagem indiquem o contrário.

[0013] Algumas formas de realização envolvem o uso de um ou mais processamento eletrônico ou dispositivos de computação. Conforme usado neste documento, os termos “processador” e “computador” e termos relacionados, por exemplo, “dispositivo de processamento”, “dispositivo de computação” e “controlador” não estão limitados a apenas aqueles circuitos integrados referidos na técnica como um computador, mas se refere amplamente a um processador, um dispositivo de processamento, um controlador, uma unidade de processamento central de uso geral (CPU), uma unidade de processamento gráfico (GPU), um microcontrolador, um microcomputador, um controlador lógico programável (PLC), um processador de computador de conjunto de instruções reduzido (RISC), uma matriz de portas programáveis de campo (FPGA), um dispositivo de processamento de sinal digital (DSP), um circuito integrado específico de aplicativo (ASIC) e outros circuitos programáveis ou dispositivos de processamento capazes de executar as funções aqui descritas, e estes termos são usados indistintamente aqui. As formas de realização acima são apenas exemplos e, portanto, não se destinam a limitar de forma alguma a definição ou o significado dos termos processador, dispositivo de processamento e termos relacionados.

[0014] Nas formas de realização aqui descritas, a memória pode incluir, mas não está limitada a, um meio legível por computador não transitório, como memória flash, uma memória de acesso aleatório (RAM), memória somente leitura (ROM), memória programável apagável somente leitura (EPROM), memória somente leitura programável apagável eletricamente (EEPROM) e RAM não volátil (NVRAM). Conforme usado neste documento, o termo “mídia legível por computador não transitória” se destina a ser representativo de qualquer mídia legível por computador tangível, incluindo, sem limitação, dispositivos de armazenamento de computador não transitórios, incluindo, sem limitação, mídias voláteis e não voláteis e mídia removível e não removível, como firmware, armazenamento físico e virtual, CD-ROMs, DVDs e qualquer outra fonte digital, como uma rede ou a Internet, bem como meios digitais ainda a serem desenvolvidos, com a única exceção sendo um sinal de propagação transitório. Alternativamente, um disquete, um disco compacto – memória somente leitura (CD-ROM), um disco magneto-óptico (MOD), um disco versátil digital (DVD) ou qualquer outro dispositivo baseado em computador implementado em qualquer método ou tecnologia para armazenamento de informações de curto e longo prazo, tais como instruções legíveis por computador, estruturas de dados, módulos e submódulos de programa ou outros dados também podem ser usados. Portanto, os métodos descritos neste documento podem ser codificados como instruções executáveis, por exemplo, “software” e “firmware”, incorporados em um meio legível por computador não transitório. Além disso, conforme usado neste documento, os termos “software” e “firmware” são intercambiáveis e incluem qualquer programa de computador armazenado na memória para execução por computadores pessoais, estações de trabalho, clientes e servidores. Tais instruções, quando executadas por um processador, fazem com que o processador execute pelo menos uma parte dos métodos descritos neste documento. Além disso, tal como aqui utilizado, o termo “tempo real” refere-se a pelo menos um do tempo de ocorrência dos eventos associados, o tempo de medição e coleta de dados predeterminados, o tempo para processar os dados e o tempo de uma resposta do sistema aos eventos e ao meio ambiente. Nas formas de realização aqui descritas, essas atividades e eventos ocorrem de forma substancialmente instantânea.

[0015] Convencionalmente, um sistema de compensadores de potência reativa modulares (cada um referido como uma caixa VAR modular ou MVB) pode ser operado em um modo mestre-escravo em que um controlador de nível superior comanda cada MVB para operar, por exemplo, em um modo de controle de tensão ou modo de controle de potência reativa, ou para entrar no modo de espera ou desligar quando seu suporte não for necessário. Se essa metodologia de controle mestre-escravo não for seguida e várias caixas VAR forem integradas sem impedância significativa no sistema, isso pode resultar na interação entre os vários MVBs. As interações entre seus circuitos de controle interno podem resultar em, por exemplo, correntes circulantes e potência reativa oscilatória. Esses problemas podem ser superados com comunicação e coordenação adicionais (como arquitetura mestre-escravo) entre os MVBs, mas com maior despesa e complexidade para operadores de parques eólicos.

[0016] As formas de realização dos sistemas e métodos descritos neste documento fornecem uma arquitetura para conectar um sistema de MVBs sem comunicação adicional entre os MVBs. Os sistemas e métodos descritos neste documento fornecem integração de múltiplos MVBs através de um transformador de múltiplos enrolamentos acoplado entre o POCC e cada MVB. Mais especificamente, cada MVB acopla ao POCC por meio de seu próprio enrolamento secundário correspondente do transformador de múltiplos enrolamentos. Em certas formas de realização, a voltagem no POCC é reduzida pelo transformador de múltiplos enrolamentos para uma tensão operacional para os múltiplos MVBs. A indutância de fuga do transformador de múltiplos enrolamentos atua como um caminho de alta impedância para a corrente circulante de alta frequência e isola a corrente circulante entre os conversores MVB. Isso evita oscilações de potência reativa no caminho de conexão e também no PCC.

[0017] A Figura 1 é um diagrama de um exemplo de parque eólico (100) incluindo um único compensador VAR (102). O parque eólico (100) inclui um POCC (104) ao qual o compensador VAR (102) se acopla através de um transformador (106). A Figura 2 é um diagrama do parque eólico (100) (mostrado na Figura 1) incluindo uma pluralidade de MVBs (300) no lugar de um único compensador VAR (102). Com referência a ambas as Figura 1 e Figura 2, o parque eólico (100) inclui uma pluralidade de DFIGs (108), referidos como DFIGs 1 a n. Cada DFIG (108) inclui um rotor (110) e um estator (112). Cada DFIG (108) é girado, através de uma caixa de engrenagens, por uma turbina como resultado do impacto do vento nas pás do rotor (não mostrado). Conforme o rotor (110) gira em relação ao estator (112), o DFIG (108) gera energia que é fornecida ao POCC (104) por meio de um transformador (114). O transformador (114) converte, por exemplo, a energia gerada pelo DFIG (108) em uma tensão relativamente mais baixa até a tensão do POCC (104). O POCC (104) é um barramento ou outro condutor para coletar corrente de DFIGs (108) e entregá-la à rede elétrica (116). A tensão no POCC (104) é aumentada para níveis de linha de transmissão na rede elétrica (116) por meio de um transformador (118). Em uma forma de realização, o DFIG (108) pode gerar energia a 6 quilovolts (kV) que é aumentada para 34,5 kV para fornecer ao POCC (104). As linhas de transmissão dentro da rede elétrica (116) podem operar a, por exemplo, 110 kV. Em tal forma de realização, a tensão de 34,5 kV no POCC (104) é aumentada para 110 kV pelo transformador (118).

[0018] Cada DFIG (108) inclui um conversor de energia bidirecional (120) para permitir que o DFIG (108) sincronize com a rede elétrica (116), independentemente da velocidade em que o rotor (110) gira, ou seja, independentemente da velocidade do vento. Por exemplo, a energia gerada por cada DFIG (108) deve ser sincronizada com a frequência na qual a rede elétrica (116) opera, por exemplo, 50 hertz ou 60 hertz. O conversor de energia bidirecional (120) inclui um conversor do lado do rotor (RSC) (122) acoplado a um conversor do lado da linha (LSC) (124) através de um link de CC (126). RSC (122) e LSC (124) cada um inclui um ou mais dispositivos de comutação (não mostrados) controlados por sinais de comutação modulados por pulso-largura com o propósito de converter AC em DC ou DC em AC, dependendo do regime operacional do DFIG (108). Além disso, o controle do RSC (122) permite um controle adicional da potência reativa (e da energia real) alimentada à rede elétrica (116) de DFIG (108). O conversor de energia bidirecional (120), quando DFIG (108) está operando sub-sincronicamente, extrai energia da linha através do transformador (114). Geralmente, o controle de tensão e corrente no rotor (110) permite que o DFIG (108) sincronize com a frequência da rede elétrica (116). Mais especificamente, LSC (124) converte a energia CA em CC que é regulada pelo link de CC (126). O RSC (122) converte potência de CC do link de CC (126) em potência de CA que é fornecida ao rotor (110) em uma quantidade suficiente para sincronizar a rotação do rotor (110) e consequentemente, a potência de CA gerada no estator (112), para a frequência da rede elétrica (116). Por outro lado, quando DFIG (108) está operando de forma super-síncrona, a potência de CA é gerada no rotor (110) que é fornecido ao RSC (122), convertido em CC regulado pelo link de CC (126), e convertido de volta para potência de CA pelo LSC (124) para ser fornecido ao POCC (104) através do transformador (114).

[0019] Em certas formas de realização, a energia gerada no estator (112) está na mesma tensão que a energia fornecida ao rotor através do conversor de energia bidirecional (120) ou gerada pelo rotor (110) e fornecida de volta ao POCC (104) através do conversor de energia bidirecional (120). Em tais formas de realização, o transformador (114) pode incluir um transformador de dois enrolamentos com razões de enrolamento para aumentar a tensão de geração para a tensão no POCC (104). Por exemplo, em uma tal forma de realização, as tensões no estator (112) e no lado da linha de LSC (124) são 6 kV, que é aumentado para, por exemplo, 34,5 kV no POCC (104). Em formas de realização alternativas, o conversor de energia bidirecional (120) opera em uma tensão diferente, por exemplo, tensão mais baixa, do que a tensão de geração no estator (112). Por exemplo, em uma tal forma de realização, como mostrado em Figura 1, o conversor de energia bidirecional (120) opera, no lado da linha de LSC (124), a 690 V, enquanto o estator (112) gera a 6 kV. Em tais formas de realização, o transformador (114) inclui pelo menos três enrolamentos incluindo um primeiro enrolamento (128) acoplado ao POCC (104), um segundo enrolamento (130) acoplado ao estator (112) e um terceiro enrolamento (132) acoplado ao conversor de energia bidirecional (120).

[0020] A Figura 3 é um diagrama esquemático de um exemplo de um MVB (300) (mostrado na Figura 2). O MVB (300) inclui um conversor de ponte (301) tendo três pernas de fase (302, 304, 306), cada uma das quais inclui uma pluralidade de dispositivos semicondutores (308) configurados para comutar as três fases (310) às quais o MVB (300) está acoplado, por exemplo, as três fases do POCC (104) (mostrado nas Figuras 1 e 2). Dispositivos semicondutores (308) podem incluir, por exemplo, um transistor bipolar de porta isolada (IGBT) ou um transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico (MOSFET). Dispositivos semicondutores (308) são controlados por um processador, por exemplo, um microcontrolador (não mostrado), usando sinais PWM. O MVB (300) também inclui uma fonte de tensão (312) (mostrada como um capacitor na Figura 3) e um filtro (314).

[0021] Geralmente, as funcionalidades do MVB (300) também podem incluir, sem limitação, correção do fator de potência, correção de tensão e compensação de harmônicas no ponto de conexão. Dispositivos semicondutores (308) são controlados para absorver potência reativa do lado da linha, isto é, as três fases (310), quando os níveis de tensão nas três fases (310) excedem o nível na fonte de tensão (312). Por outro lado, os dispositivos semicondutores (308) são controlados para abastecer, ou fornecer potência reativa para as três fases (310) quando a tensão na fonte de tensão (312) excede os níveis de tensão nas três fases (310). Geralmente, a capacidade de compensação VAR de MVB (300) é uma função da capacidade de energia dos dispositivos semicondutores (308) e da fonte de tensão (312). Em certas formas de realização, se uma fonte de alimentação suficiente estiver disponível para a fonte de tensão (312), o MVB (300) também pode fornecer energia ativa para as três fases (310).

[0022] A Figura 4 é um diagrama de blocos de um exemplo de circuito de controle (400) para controlar dispositivos semicondutores (308) de MVB (300) (mostrado nas Figuras 2 e 3). O circuito de controle (400) pode ser incorporado em, por exemplo, um microcontrolador (não mostrado) ou um ou mais outros dispositivos de processamento adequados. O circuito de controle (400) inclui um circuito de controle de potência reativa externo (mostrado à esquerda da Figura 4) (402) que calcula um comando de tensão (404) (Vcmd) com base em um comando de potência reativa (406) (Qcmd) e um feedback de potência reativa (408) (Qfbk). Um controlador de parque eólico (não mostrado) estima a necessidade de potência reativa total do parque e aloca o comando de potência reativa individual (Qcmd) para turbinas e MVBs (300), com base nas condições de operação da rede e da turbina. Geralmente, o controlador de parque eólico é um sistema de computação tendo um ou mais processadores e memória para armazenar e executar instruções executáveis por computador, ou código de programa, com a finalidade de controlar um parque eólico. O controlador do parque eólico pode ser local ou remoto de uma ou todas as turbinas eólicas do parque eólico. Por exemplo, o controlador do parque eólico pode ser integrado em uma única turbina eólica do parque eólico. Em formas de realização alternativas, o controlador do parque eólico é incorporado em uma unidade autônoma de equipamento. Em outra forma de realização alternativa, o controlador do parque eólico é local para a pluralidade de MVBs (300) para o parque eólico.

[0023] O circuito de controle (400), para um dado MVB (300), inclui um circuito de controle de tensão interno (410) seguido por um circuito de controle de corrente interno (412). O circuito de controle de tensão (410) calcula um comando de corrente (414) (Icmd) com base no comando de tensão (404) e um feedback de tensão (416) (Vfbk) O circuito de controle de corrente (412) calcula um comando de tensão (418) com base no comando de corrente (414) e um feedback de corrente (420) (Ifbk). Cada circuito de controle de potência reativa (402), circuito de controle de tensão (410) e circuito de controle de corrente (412) é governado por um módulo de controle, isto é, controlador Q (422), controlador V (424) e controlador I (426). Os módulos de controle podem incluir, por exemplo, um controlador proporcional integral (PI), um DSP ou um microcontrolador. Os módulos de controle podem ser implementados como um módulo de software incorporado no microcontrolador no qual o circuito de controle (400) é implementado, ou em um dispositivo de processamento independente.

[0024] A saída do circuito de controle de corrente (412), ou seja, comando de tensão (418), é fornecida a um índice de modulação (428) que traduz o comando de tensão (418) para um conjunto selecionado de sinais PWM (430) para controlar dispositivos semicondutores (308) do MVB (300).

[0025] A Figura 5 é um diagrama do parque eólico (100) (mostrado nas Figuras 1 e 2) incluindo a pluralidade de MVBs (300) (mostrado na Figura 2) acoplado ao POCC (104) através de um transformador de múltiplos enrolamentos (500) para formar um sistema (501) de compensadores de potência reativa. O transformador de enrolamento múltiplo (500) inclui um enrolamento primário (502) acoplado ao POCC (104) e dois ou mais enrolamentos secundários (504, 506) acoplados aos respectivos MVBs (300). Cada enrolamento secundário (por exemplo, enrolamentos secundários (504 e 506)) do transformador de enrolamento múltiplo (500) é dedicado a um único MVB (300) operando independentemente com seu próprio circuito de controle (400).

[0026] A indutância de fuga do transformador de múltiplos enrolamentos (500) permite um caminho de alta impedância para corrente circulante de alta frequência e reduz a ocorrência de oscilações de potência reativa.

[0027] A Figura 6 é um gráfico (600) incluindo um gráfico de potência reativa (602) para um primeiro MVB e um gráfico de potência reativa (604) para um segundo MVB, onde o primeiro e o segundo MVBs são acoplados, por exemplo, ao POCC (104) através do transformador (106) (ambos mostrados na Figura 2). A Figura 7 é um gráfico (700) incluindo um exemplo de gráfico de potência reativa (702) para um primeiro MVB e um exemplo de gráfico de potência reativa (704) para um segundo MVB, onde o primeiro e o segundo MVBs são acoplados ao POCC (104) através dos respectivos enrolamentos do transformador de múltiplos enrolamentos (500) (mostrado na Figura 5). Os gráficos de potência reativa (602, 604, 702 e 704) são representados graficamente como megavolt-amperes reativos (MVAR) mostrados em um eixo vertical versus tempo (segundos) mostrado em um eixo horizontal.

[0028] O gráfico (600) ilustra a interação entre os circuitos de controle do primeiro e do segundo MVBs, porque cada um está tentando controlar a tensão no lado secundário do transformador (106). Consequentemente, os gráficos de potência reativa (602 e 604) oscilam em torno dos pontos de ajuste, ou comandos de potência reativa, para o primeiro e o segundo MVBs. Por exemplo, no gráfico (600), o primeiro MVB está operando com um ponto de ajuste kVAR de 500 kVAR e o segundo MVB está operando com um ponto de ajuste kVAR de 800 kVAR. Convencionalmente, a resposta de potência reativa oscilatória do primeiro e do segundo MVBs é superada com comunicação e coordenação adicionais entre os MVBs e, mais especificamente, seus respectivos circuitos de controle. Por exemplo, o primeiro MVB pode ser configurado como um mestre e o segundo MVB pode ser configurado como um escravo.

[0029] O gráfico (700) ilustra o isolamento dos circuitos de controle do primeiro e do segundo MVBs, porque cada MVB é acoplado ao POCC (104) por meio de um enrolamento dedicado (por exemplo, enrolamento secundário (504, 506)) do transformador de múltiplos enrolamentos (500). Como no gráfico (600), o primeiro MVB está operando com um ponto de ajuste kVAR de 500 kVAR e o segundo MVB está operando com um ponto de ajuste kVAR de 800 kVAR. Consequentemente, os gráficos de potência reativa (702 e 704) convergem rapidamente em seus respectivos pontos de ajuste kVAR.

[0030] A Figura 8 é um diagrama de fluxo de um exemplo de método (800) do parque eólico em operação (100) (mostrado na Figura 5). A pluralidade de DFIGs (108), quando ativados por turbinas eólicas correspondentes às quais estão acoplados, fornece potência de CA (802) ao POCC (104). O POCC (104) fornece energia à rede elétrica (116) através do transformador (118).

[0031] O transformador de múltiplos enrolamentos (500) e, mais especificamente, o enrolamento primário (502) é acoplado (804) ao POCC (104). Os MVBs (300) são acoplados (806) ao POCC (104) através de enrolamentos secundários correspondentes, tais como os enrolamentos secundários (504 e 506).

[0032] Em certas formas de realização, o método (800) inclui ainda a execução, em um microcontrolador para cada um dos MVBs (300), circuito de controle (400) para controlar a comutação de dispositivos semicondutores dentro de cada MVB (300). Por exemplo, um controlador de parque eólico estima um requisito de potência reativa total para o parque eólico e aloca pelo menos uma parte da necessidade total de potência reativa entre os MVBs (300). As alocações são feitas com base nas condições da rede elétrica (116) e para cada turbina eólica. O microcontrolador para cada MVB (300) recebe um comando de potência reativa individual de acordo com o qual o circuito de controle (400) é executado. Os comandos individuais de potência reativa são baseados ou resultam de alocações feitas pelo controlador do parque eólico.

[0033] As formas de realização descritas acima dos sistemas e métodos descritos neste documento fornecem uma arquitetura para conectar um sistema de MVBs sem comunicação adicional entre os MVBs. Os sistemas e métodos descritos neste documento fornecem integração de múltiplos MVBs através de um transformador de múltiplos enrolamentos acoplado entre o POCC e cada MVB. Mais especificamente, cada MVB se acopla ao POCC por meio de seu próprio enrolamento do transformador de enrolamento múltiplo. Em certas formas de realização, a tensão no POCC é reduzida pelo transformador de múltiplos enrolamentos para uma tensão operacional para os múltiplos MVBs. A indutância de fuga do transformador de múltiplos enrolamentos evita a corrente circulante e isola e estabiliza os circuitos de controle interno de cada MVB e evita oscilações de potência reativa.

[0034] Um exemplo de efeito técnico dos métodos, sistemas e aparelhos descritos neste documento inclui pelo menos um dentre: (a) acoplamento de MVBs a um POCC através de um enrolamento dedicado de um transformador de múltiplos enrolamentos; (b) redução da comunicação entre MVBs em um sistema de compensadores VAR; (c) redução das correntes circulantes em um sistema de compensadores VAR; (d) redução das oscilações na potência reativa em um sistema de compensadores VAR; e (e) redução da complexidade dos sistemas de MVBs.

[0035] Exemplos de formas de realização de métodos, sistemas e aparelhos para sistemas de compensadores VAR não estão limitados às formas de realização específicas aqui descritas, mas sim, componentes de sistemas e/ ou etapas dos métodos podem ser utilizados independentemente e separadamente de outros componentes e/ ou etapas aqui descritos. Por exemplo, os métodos também podem ser usados em combinação com outros compensadores VAR e não estão limitados à prática apenas com os sistemas e métodos descritos neste documento. Em vez disso, o exemplo de forma de realização pode ser implementado e utilizado em conexão com muitas outras aplicações, equipamentos e sistemas que podem se beneficiar de custo reduzido, complexidade reduzida, disponibilidade comercial, capacidade de fabricação aprimorada e tempo de colocação no mercado reduzido do produto.

[0036] Embora características específicas de várias formas de realização da divulgação possam ser mostradas em alguns desenhos e não em outros, isso é apenas por conveniência. De acordo com os princípios da divulgação, qualquer característica de um desenho pode ser referenciada e/ ou reivindicada em combinação com qualquer característica de qualquer outro desenho.

[0037] Esta descrição escrita usa exemplos para divulgar as formas de realização, incluindo o melhor modo, e também para permitir que qualquer técnico no assunto pratique as formas de realização, incluindo a fabricação e uso de quaisquer dispositivos ou sistemas e a execução de quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da divulgação é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorrem aos técnicos no assunto. Esses outros exemplos destinam-se a estar dentro do escopo das reivindicações se eles tiverem elementos estruturais que não diferem da linguagem literal das reivindicações, ou se eles incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças não substanciais da linguagem literal das reivindicações.

Claims

SISTEMA DE COMPENSADORES DE POTÊNCIA REATIVA PARA UM PARQUE EÓLICO, o sistema caracterizado por compreender:
um transformador de enrolamento múltiplo que compreende:
- - um enrolamento primário configurado para ser acoplado a um ponto de acoplamento comum (POCC) para o parque eólico; e
- - uma pluralidade de enrolamentos secundários; e
uma pluralidade de compensadores de potência reativa modulares (MVBs), cada um acoplado a um enrolamento correspondente da pluralidade de enrolamentos secundários.
SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo enrolamento primário compreender um maior número de voltas do que cada um da pluralidade de enrolamentos secundários.
SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado por compreender ainda:
uma turbina eólica; e
um gerador de indução duplamente alimentado (DFIG) acoplado à turbina eólica e configurado para gerar potência de corrente alternada (CA) a ser fornecida ao POCC.
SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por cada um da pluralidade de MVBs compreender uma fonte de tensão e um conversor de ponte acoplado entre a fonte de tensão e o enrolamento correspondente da pluralidade de enrolamentos secundários.
SISTEMA, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por cada um da pluralidade de MVBs compreender um microcontrolador configurado para executar um circuito de controle para controlar a comutação de dispositivos semicondutores dentro do conversor de ponte.
SISTEMA, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelos circuitos de controle da pluralidade de MVBs serem executados independentemente uns dos outros.
SISTEMA, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo circuito de controle para cada um da pluralidade de MVBs ser um circuito de controle de potência reativa.
SISTEMA, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo circuito de controle para cada um da pluralidade de MVBs ser um circuito de controle de tensão.
SISTEMA, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo circuito de controle para cada um da pluralidade de MVBs ser um circuito de controle de corrente.
MÉTODO DE OPERAÇÃO DE UM PARQUE EÓLICO, o método caracterizado por compreender:
fornecer, por uma pluralidade de geradores de indução de alimentação dupla (DFIGs) acoplados a turbinas eólicas correspondentes, potência de corrente alternada (AC) para um ponto de acoplamento comum (POCC) configurado para ser acoplado a uma rede elétrica;
acoplar um enrolamento primário de um transformador de múltiplos enrolamentos ao POCC;
acoplar uma pluralidade de compensadores de potência reativa modulares (MVBs) ao POCC através de um enrolamento correspondente de uma pluralidade de enrolamentos secundários do transformador de múltiplos enrolamentos.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por compreender ainda executar, em um microcontrolador para cada MVB da pluralidade de MVBs, um circuito de controle para controlar a comutação de dispositivos semicondutores dentro de cada MVB.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por compreender ainda:
estimar, por um controlador de parque eólico, uma necessidade total de potência reativa para o parque eólico; e
alocar, pelo controlador do parque eólico, pelo menos uma porção da necessidade de potência reativa total entre a pluralidade de MVBs com base nas condições da rede elétrica e nas condições das turbinas eólicas correspondentes.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por compreender ainda:
receber, no microcontrolador para cada MVB da pluralidade de MVBs, um comando de potência reativa individual com base na alocação pelo controlador do parque eólico; e
executar, pelo microcontrolador para cada MVB, um circuito de controle de potência reativa com base no comando de potência reativa individual.