BR112013000240B1

BR112013000240B1 - Método de controle de torque de gerador e turbina eólica

Info

Publication number: BR112013000240B1
Application number: BR112013000240-9A
Authority: BR
Inventors: Dominic David Banham-Hall; Gareth Anthony Taylor; Christopher Alan Smith
Original assignee: Ge Energy Power Conversion Technology Ltd
Priority date: 2010-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2020-12-15
Also published as: CN102985685B; EP2405134A1; ES2407678T3; EP2405134B1; BR112013000240A2; DK2405134T3; CN102985685A; US8981584B2; WO2012003970A1; CA2802766A1; KR20140000138A; US20130207394A1

Abstract

método de controle de torque do gerador. uma turbina eólica inclui tipicamente um gerador e um sistema mecânico de rotação tendo um período natural. a presente invenção se refere a um método para se controlar o torque do gerador e que minimize as oscilações na velocidade do rotor do gerador. no caso de falha na grade ou de um transitório, ou de uma falha no conversor de energia, o torque do gerador é reduzido a uma taxa substancialmente constante em relação ao tempo conforme é mostrado no gráfico (c). a taxa à qual o torque do gerador é reduzido é proporcional ao torque nominal estimado do gerador e inversamente proporcional ao múltiplo inteiro do período natural do sistema mecânico de rotação.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção se refere a métodos de controle de torque do gerador, e especialmente a métodos para o controle de torque no gerador de uma turbina eólica durante uma condição de falha.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] É possível se converter a potência eólica em potência elétrica usando-se uma turbina eólica para acionar o rotor de um gerador, ou diretamente ou por meio de uma caixa multiplicadora. A frequência de CA que é desenvolvida nos terminais de estator do gerador (a “tensão de estator”) é diretamente proporcional à velocidade de rotação do rotor. A tensão nos terminais de gerador também varia como uma função da velocidade e, dependendo do tipo específico do gerador, do nível de fluxo. Para uma captura ótima de energia, a velocidade de rotação no eixo de saída ao da turbina eólica variará de acordo com a velocidade do vento que aciona as pás da turbina. Para se limitar a captura de potência a altas velocidades de vento, a velocidade de rotação do eixo de saída é controlada alterando-se o ângulo de inclinação das pás de turbina. Pode se adaptar a tensão variável e a frequência do gerador à frequência nominalmente fixa e à frequência da rede de abastecimento, usando-se um conversor de potência.

[003] Uma turbina eólica típica com um conjunto de conversor de potência é mostrada na Figura 1. O conversor de potência é usado para formar uma interface entre a turbina eólica 2 que aciona um gerador de CA de velocidade variável 4 e uma rede de abastecimento (denominada NETWORK). A turbina eólica tipicamente inclui tres pás de turbina montadas em um eixo de rotação e cujo ângulo de inclinação pode ser controlado por meio de um atuador do ângulo de inclinação de pás. Uma caixa multiplicadora 8 é usada para conectar o eixo de rotação ao rotor do gerador 4. Em alguns casos, o eixo de rotação pode ser conectado diretamente ao rotor de gerador.

[004] Os terminais do gerador 4 são conectados aos terminais de CA de uma ponte de gerador trifásica 10 que em operação normal opera como uma retificadora ativa para fornecer potência a um elo CC 12. A ponte de gerador 10 tem uma topologia de dois níveis trifásica convencional com uma série de dispositivos de comutação de potência semicondutores totalmente controlados e regulados usando-se uma estratégia de modulação por largura de pulso (PWM). No entanto, na prática, a ponte de gerador 10 pode ter qualquer topologia adequada tal como uma topologia grampeada de ponto neutro de tres níveis ou uma topologia de muitos níveis (arranjo de Foch- Maynard, por exemplo).

[005] A tensão de saída CC da ponte de gerador 10 é introduzida nos terminais de CC de uma ponte de rede 14 que em uma operação normal opera como um inversor. A ponte de rede 14 tem uma topologia análoga de dois níveis trifásica à da ponte de gerador 10 com uma série de dispositivos de comutação semicondutores de potência totalmente controlados e regulados usando uma estratégia de PWM. No entanto, na prática, a ponte de rede 14 pode ter qualquer topologia adequada, conforme discutido acima para a ponte de gerador 10.

[006] A ponte de gerador 10 é controlada por um controlador de ponte de gerador 20 e a ponte de rede 14 é controlada por um controlador de ponte de rede 22. Fisicamente, o sistema de controle pode residir dentro do mesmo equipamento físico e consistir em uma separação somente no interior do software.

[007] A tensão de saída de CA da ponte de rede 14 é filtrada por um filtro de rede antes de ser fornecida à rede de abastecimento por meio de um transformador principal 6. O protetor do distribuidor (não mostrado) pode ser incluído para proporcionar uma conexão confiável à rede de abastecimento e para isolar o sistema gerador da rede de abastecimento para diversas exigências operacionais e não operacionais.

[008] Alterações súbitas no torque do gerador podem causar oscilações mecânicas sérias na unidade de tração da turbina eólica. Tais alterações podem ocorrer durante uma falha da grade em que a incapacidade de exportar potência para a rede de abastecimento resulta em uma redução em degrau praticamente simultânea em torque do gerador, ou então como um resultado de uma falha no conversor de potência. A magnitude das oscilações mecânicas é diretamente proporcional à magnitude da redução em degrau no torque do gerador. Em alguns casos, o conjunto de turbina e a unidade de tração podem ser projetados fisicamente e construídos para resistir a estas oscilações mecânicas sem haver a necessidade de qualquer outra proteção. No entanto, as oscilações mecânicas podem ser mantidas dentro de limites aceitáveis fazendo-se com que seja permitido que pelo menos parte da potência que não pode ser exportada para dentro da rede de abastecimento seja absorvida em um resistor de frenagem dinâmica (DBR) 16 que está conectado em série com um atuador adequado 18 ou com o distribuidor (um dispositivo de comutação semicondutor, por exemplo, tal como um FET ou um IGBT a que se refere às vezes com “chopper”) através do elo CC 12. Quando a tensão do elo cc se eleva acima de um limite em resposta a uma condição de falha, então o atuador 18 é controlado por um controlador de chopper 24 para produzir um curto-circuito do elo CC 12 de modo que a potência que é exportada do gerador 4 seja absorvida pela DBR 16. A potência que é absorvida pelo DBR 16 devido à condição de falha é a totalidade da potência absorvida e é dissipada em forma de calor. O DBR 116 pode ter qualquer construção física adequada e pode ser resfriado por ou poro água, por exemplo.

[009] Se o DBR 16 estiver parcialmente estimado então somente parte da potência do gerador é absorvida pelo DBR. Nesta situação, o torque do gerador ainda sofrerá uma redução em degrau, mas ele será de uma grandeza menor quando comparado a um arranjo em que não é previsto nenhum DBR. A magnitude das oscilações mecânicas na unidade de tração, portanto, será reduzida de modo correspondente. Se o DBR 16 for totalmente estimado, então a totalidade da potência de gerador é absorvida pelo DBR até aquele instante em que o gerador 4 pode começar a exportar potência para a rede de abastecimento. Convencionalmente isto pode significar que o DBR 15 é estimado para aceitar a totalidade da potência de gerador durante um segundo ou mais. Se o DBR 16 for totalmente estimado, então o torque do gerador não sofrerá uma redução em degrau e não há nada para excitar as oscilações mecânicas na unidade de tração.

[010] A diferença na resposta do torque do gerador para um arranjo me que não há nenhum DBR e um arranjo em que é previsto um DBR 16 totalmente estimado em todo o elo CC 12 é mostrada nas Figuras 2A e 2B. Cada figura inclui uma série de sete gráficos rotulados (a) a (g) que mostra como os parâmetros operacionais seguintes da turbina eólica e do conjunto de conversor de potência da Figura 1 variam em um sistema pu ou “por unidade” durante uma falha da grade quando a tensão da grade na rede de abastecimento cai para zero durante um segundo: Gráfico (a) - tensão de grade (ou tensão de abastecimento). Gráfico (b) - velocidade do rotor do gerador. Gráfico (c) - torque do gerador. Gráfico (d) - quantidade de potência que é exportada para a rede de abastecimento através da ponte de rede 14. Gráfico (e) - a quantidade da potência que é exportada do gerador 4 para o elo CC 12 através da ponte de gerador 10. Gráfico (f) - a quantidade de potência de gerador que é absorvida pelo DBR5 16. Gráfico (g) - a quantidade de potência que é absorvida pelo DBR 16.

[011] Pode se observar dos gráficos (a) das Figuras 2A e 2B que a tensão de grade sofre uma redução em degrau de 1 para 0 no instante t = 65 x, permanece em 0 durante um segundo e se recupera com um aumento em degrau de 0 a 1 no instante t = 66 s. Os códigos de grade exigem tipicamente que a turbina eólica permaneça conectada à rede de abastecimento durante falhas na grade ou transitórios. Em outras palavras, a turbina eólica e o conjunto conversor de potência devem normalmente ter alguma capacidade para a passagem pela falha na grade ou tensão baixa. Durante tais falhas na grade ou transitórios, o gerador é incapaz de exportar potência à rede de abastecimento. Os gráficos (d) das Figuras 2A e 2B, portanto, mostram que a potência que é exportada para a rede de abastecimento sofre uma redução em degrau de 1 para 0 no instante t = 65 s, permanece em 0 durante um segundo e, depois de um pequeno surto no instante t = 66 s, começa a aumentar a uma taxa constante no instante t = 66s quando a tensão de grade tiver se recuperado.

[012] No arranjo em que não há nenhum DBR, então o gráfico (c) da Figura 2A mostra que o torque do gerador sofre uma redução em degrau de 11 para 0 no instante t = 65 x, permanece em 0 durante um segundo e começa a aumentar a uma taxa constante no instante t = 66 s quando a tensão da grade tiver se recuperado. O gráfico (b) da Figura 2A mostra como a redução em degrau no torque do gerador no instante t = 65 x produz oscilações significativas na velocidade do rotor de gerador. A incapacidade de exportar potência para a rede de abastecimento durante falha na grade também faz com que a velocidade do rotor de gerador se eleve até uma velocidade de pico aproximadamente no instante t - 66,5 s antes de começar gradualmente a se reduzir.

[013] O gráfico (e) da Figura 2A mostra que a quantidade de potência que é exportada do gerado para o ele CC também sofre uma redução em degrau de 1 para 0 no instante t = 65 s, continua em 0 durante um segundo e começa a aumentar a uma taxa constante no instante t = 66 s quando a tensão de grade tiver se recuperado.

[014] No arranjo em que o atuador 18 é controlado no instante t = 65 s para fazer o elo cc 12 entrar em curto circuito, de modo que a potência que é exportada do gerador 4 para o elo através da ponte de gerador 10 é absorvida pelo DBR totalmente estimado 16 então o gráfico (f) da Figura 2B mostra que a potência que é absorvida pelo DBR sofre um aumento em degrau no instante t = 65 s. Toda a potência de gerador é absorvida pelo DBR 16 até o instante t = 66 s quando a tensão de grade tinha se recuperado e a potência pôde ser novamente exportada para a rede de abastecimento. No instante t = 66 s a potência que é absorvida pelo DBR 16 começa a se reduzir a uma taxa constante. O gráfico (g) mostra a quantidade total de energia que é absorvida pelo DBR 16. Será fácil de se observar que a energia é a totalidade da potência absorvida mostrada no gráfico (f). A energia é absorvida a uma taxa constante entre os instantes t = 65 s e t = 66 s desde que o DBR 16 absorva toda a potência de gerador durante toda a duração da falha da grade. A taxa à qual a energia é absorvida começa a ser reduzida no instante t = 66 s à medida que a potência que é absorvida pelo DBR 16 começa a ser reduzida a uma taxa constante e o gráfico (g) eventualmente mostra um valor constante no instante de aproximadamente t = 66,4 s que representa a quantidade total de energia que foi absorvida pelo DBR como resultado da falha da grade.

[015] Como a totalidade da potência do gerador é absorvida pelo DBR 16 durante a falha da grade, o torque do gerador e a quantidade de potência que é exportado do gerador 4 permanecem substancialmente constantes. Não há nenhuma oscilação significativa na velocidade do rotor do gerador e tampouco qualquer aumento gradual da velocidade. O uso de um DBR totalmente estimado proporciona, portanto, uma proteção útil e evita os problemas que ocorrem quando se permite que o torque do gerador sofra uma redução em degrau. Embora os gráficos para um DBR parcialmente estimado não são mostrado, poderá ser facilmente observado que eles apresentarão uma variação nos parâmetros operacionais da turbina eólica e do conjunto d conversor de potência que se encontra em algum ponto entre estes mostrados nas Figuras 2A e 2B. Em outras palavras, o torque do gerador sofrerá uma redução em degrau, mas a magnitude da redução em degrau e a magnitude das oscilações resultantes na velocidade do rotor de gerador dependerão da estimativa parcial do DBR em comparação com uma estimativa nominal completa.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[016] A presente invenção propõe um método melhorado decontrolar o torque do gerador durante uma condição de falha (tal como uma falha na grade ou um transitório, em que a rede de abastecimento sofre uma queda de tensão ou uma falha no conversor de potência que está conectado ao gerador do conjunto de turbina eólica). Mais especificamente em uma turbina eólica que compreende um gerador e um sistema mecânico de rotação que tem um período natural Tn, incluindo o método de controle do torque do gerador a etapa de se reduzir o torque do gerador durante uma condição de falha a uma taxa substancialmente constante em relação a instante t de acordo com a equação:

em que: torque_estimado é o torque estimado nominal do gerador (4), n é um número inteiro, e c é uma constante (que pode opcionalmente ser zero),

[017] O torque nominal estimado do gerador normalmente será definido como o torque do gerador na potência de saída estimada e com uma velocidade de gerador igual à velocidade nominal estimada, isto é: torque_estimado= (potência_estimada / velocidade_estimada)

[018] Se o torque do gerador for deste modo reduzido, então a magnitude absoluta de quaisquer oscilações mecânicas no sistema mecânico de rotação pode ser significativamente reduzida a zero ou a substancialmente zero.

[019] Em um sistema de controle de vetor então o torque do gerador pode ser reduzido impondo-se limites da taxa em rampa adequados ao controlador de corrente real que faz parte do controlador para a ponte do gerador, por exemplo. Os limites da taxa em rampa podem ser aplicados a uma referência de torque e/ou a uma referência de corrente do eixo do torque.

[020] O sistema mecânico de rotação da turbina eólica pode incluir um conjunto de turbina que tem pelo menos uma pá de turbina (tres seria típico), um conjunto de rotor do gerador e qualquer(quaisquer) eixo(s) de acionamento associado(s). No caso de uma turbina eólica de acionamento não direto então o sistema mecânico de rotação pode ainda incluir uma caixa multiplicadora que é prevista entre o conjunto de turbina e o conjunto de rotor do gerador. O sistema mecânico de rotação pode, portanto, ser considerado em termos de um sistema de duas massas, mola e amortecedor em que o conjunto de turbina é separado do conjunto de rotor do gerador por pelo menos um eixo (e caixa multiplicadora opcional) de rigidez e amortecimento finitos. O período natural Tn para qualquer sistema mecânico de rotação pode ser determinado ou calculado a partir de parâmetros tais como rigidez do eixo,amortecimento, inércia das pás e inércia do gerador.

[021] O ângulo de inclinação da pelo menos uma pá de turbina pode ser alterado ou ajustado sob o controle de um atuador de ângulo de inclinação. O método pode, portanto, incluir ainda a etapa de se alterar o ângulo de inclinação da pelo menos uma pá de turbina para minimizar a velocidade de pico do gerador durante uma condição de falha. Em outras palavras, o ângulo de inclinação da pelo menos uma pá de turbina pode ser alterado de modo tal que o conjunto de turbina capture uma quantidade menor de vento e qualquer aumento na velocidade da rotação do eixo de saída (e, consequentemente, do conjunto do gerador) como resultado da minimização da condição de falha. Pode-se fazer variar o ângulo de inclinação das pelo menos uma pá de turbina logo que uma condição de falha é detectada ou a qualquer outro momento.

[022] Pode-se fazer o torque do gerador se reduzir logo que uma condição de falha é detectada. Alternativamente, o torque do gerador pode ser mantido substancialmente constante (tal como no torque de gerador estimado nominal ou no torque do gerador imediatamente antes do aparecimento da condição de falha) durante um período de tempo antes que se fez o mesmo reduzir. Mais especificamente, o torque do gerador pode ser mantido substancialmente constante durante um período de tempo predeterminado enquanto o ângulo de inclinação da pelo menos uma pá de turbina é alterado ou ajustado pelo atuador do ângulo de inclinação.

[023] Tipicamente o gerador está conectado a um conversor de potência que faz interface com o gerador para uma rede de abastecimento ou grade de potência. O conversor de potência pode ter qualquer topologia adequada, mas em um arranjo inclui uma ponte de gerador conectada a uma ponte de rede por um elo CC. A estimativa do DBR e do atuador associado ou do distribuidor pode ser significativamente reduzida caso se faça reduzir o torque do gerador a uma taxa substancialmente constante conforme foi descrito acima. Isto se deve ao fato do fluxo de energia para dentro do DBR poder ser rapidamente reduzido, assegurando deste modo que seja minimizada a quantidade total de energia que é absorvida pelo DBR como resultado da condição de falha. O DBR pode ter uma estimativa menor do que seria o caso para uma turbina eólica convencional e conjunto de conversor de potência em que a potência do gerador à absorvida durante a totalidade da condição de falha. Isto significa que o DBR pode ser tornado fisicamente menor e as exigências de resfriamento sejam significativamente reduzidas levando a uma economia nos custos.

[024] O método é especialmente importante para turbina eólicas que têm geradores magnéticos permanentes (PMGs) em que a velocidade de pico do gerador é crítica para a estimativa de tensão do conversor de potência e em que os transitórios devido a oscilações mecânicas no sistema mecânico de rotação ou unidade de tração podem exceder os que resultam da aceleração da turbina. Os PMGs tipicamente têm arranjos de acionamento direto ou relações de baixa velocidade e assim o período natural dos seus sistemas mecânicos de rotação é frequentemente inferior ao dos outros tipos de turbinas eólicas.

[025] A presente invenção propõe ainda uma turbina eólica que compreende: um gerador; um sistema mecânico de rotação tendo um período natural Tn, incluindo o sistema mecânico de rotação um conjunto de turbina que tem pelo menos uma pá de turbina, um conjunto de rotor do gerador e qualquer (quaisquer) eixo(s) motor(es) associado(s); e um conversor de potências; sendo que o conversor de potência é controlado para reduzir o torque do gerador durante uma condição de falha a uma taxa substancialmente constante em relação ao instante t de acordo com EQ1.

[026] O conjunto de turbina pode incluir um atuador de ângulo de inclinação que é controlado para alterar o ângulo de inclinação da pelo menos uma pá de turbina para minimizar a velocidade de pico do gerador durante uma condição de falha. O conversor de potência pode ter qualquer topologia adequada, mas em um arranjo inclui uma ponte de gerador que é controlada por um controlador de ponte do gerador para reduzir o torque do gerador durante uma condição de falha a uma taxa substancialmente constante por imposição de limites da taxa em rampa a uma referência de torque e/ou a uma referência de corrente do eixo de torque que é usada pelo controlador de ponte de gerador.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[027] A Figura 1 é um desenho esquemático de uma turbina eólica e de um arranjo de conversor de potência; as Figuras 2A a 21D são uma série de gráficos (a) a (g) mostrando como os parâmetros operacionais da turbina eólica e o conjunto de conversor de potência da Figura variam em determinadas situações; e a Figura 3 é um diagrama de controle esquemático para a turbina eólica e o arranjo de conversor de potência da Figura 1 de acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[028] O método de controle do torque do gerador da presente invenção será mais bem compreendido fazendo-se referência às Figuras 2C e 2D. Cada figura inclui uma série de sete gráficos rotulados (a) a (g) conforme foi descrito acima e que mostram como os parâmetros operacionais da turbina eólica e do conjunto de conversor de potência da Figura 1 variam em um sistema pu ou “por unidade’ durante uma falha na grade em que a tensão da grade na rede de abastecimento cai para zero durante um segundo. A Figura 2C mostra como os parâmetros operacionais variam em uma situação em que se faz o torque do gerador reduzir logo que é detectada a falha na grade. A Figura 2D mostra como os mesmos parâmetros operacionais variam em uma situação em que o torque do gerador é mantido substancialmente constante durante 0,5 s antes de se fazer o mesmo reduzir.

[029] Pode se observar dos gráficos (a) das Figuras 2C e 2D que a tensão da grade sofre uma redução em degrau de 1 a 0 no instante t = 65 s, permanece em 0 durante um segundo e se recupera com um aumento em degrau de 0 a 1 no instante t - 66 s. Pelos motivos discutidos acima, os gráficos (d) das Figuras 2C e 2D mostram que a energia que é exportada à rede de abastecimento sofre, portanto, uma redução em degrau de 1 para 0 no instante t - 65 s, permanece em 0 durante um segundo e, depois de um pequeno surto, no instante t - 66 s, começa a aumentar a uma taxa constante no instante t - 66s quando a tensão de grade tiver se recuperado.

[030] Nas duas situações, o atuador 18 é controlado no instante t - 65 s para produzir um curto circuito no elo CC 12, de modo que a potência do gerador seja absorvida pelo DBR 116.

[031] O gráfico (c) da Figura 2C mostra que o torque do gerador começa a se reduzir a uma taxa constante no instante t - 65 s, permanece em 0 e começa a aumentar a uma taxa constante no instante t = 66 s, quando a tensão da grade se recupera. A taxa constante à qual o torque do gerador é reduzido é determinada pela equação E11 e está relacionada com o torque nominal estimado do gerador 4 e com o período natural Tn do sistema mecânico de rotação da turbina eólica que inclui o conjunto de turbina, o rotor do gerador e os eixos motores associados. O gráfico (b) da Figura 2C mostra como a velocidade do rotor do gerador aumenta até uma velocidade de pico aproximadamente no instante t = 66,5 s antes de começar a gradualmente reduzir. Devido à redução do torque (ou redução em rampa), não há nenhuma oscilação significativa na velocidade do rotor.

[032] O gráfico (e) da Figura 2C mostra que a quantidade de potência que é exportada do gerador 4 ao elo CC 12 começa a reduzir a uma taxa constante no instante t = 65 s alinhada co a redução no torque do gerador, permanece em 00 e começa a aumentar a uma taxa constante no instante t = 66 quando a tensão de grade se restabelece.

[033] O gráfico (f) da Figura 2C mostra que a potência que é absorvida pelo DBR sofre um aumento em degrau no instante t = 65 s. Toda a potência do gerador é absorvida pelo DBR 16 até o instante t = 66 s quando a tensão da grade se recupera e a potência pode novamente ser exportada à rede de abastecimento. No entanto, pode ser facilmente observado que ao contrário da situação mostrada na Figura 2B em que a potência do gerador permanece substancialmente constante durante a falha de grade, pois não há nenhuma redução no torque do gerador, neste caso a quantidade de potência que é exportada do gerador 4 ao elo CC 12 começa a se reduzir a uma taxa constante no instante t = 65 s e atinge 0 aproximadamente no instante t = 65,4 s. Isto significa que a partir do instante t = 65 s há uma quantidade decrescente da potência de gerador para o DBR 16 absorver, e a partir do instante t = 65,4 não há absolutamente nenhuma potência de gerador para absorver.

[034] O gráfico (g) da figura 2C mostra a quantidade total de energia que é absorvida pelo DBR 16 como resultado da falha na grade. O valor constante que representa a quantidade total de energia que foi absorvida pelo DBR 16 é consideravelmente inferior à mostrada no gráfico (g) da Figura 2B onde o DBR totalmente estimado absorve toda a potência do gerador durante a totalidade da duração da falha de grade.

[035] O gráfico (c) da Figura 2D mostra que o torque do gerador é mantido substancialmente constante durante 0,5 s depois da falha de grade ter sido detectada e somente começa a se reduzir a uma taxa constante no instante t = 65,5 s. Isto poderia dar tempo para que se fizesse variar o ângulo de inclinação das pás de turbina através de um atuador de ângulo de inclinação para minimizar a velocidade de gerador de pico, por exemplo. O torque do gerador permanece em 0 e começa a aumentar a uma taxa constante no instante t = 66s quando a tensão da grade se recupera. A taxa constante à qual o torque do gerador é reduzido é determinada pela equação EQ1 e está relacionada com o torque nominal estimado do gerador 4 e o período natural Tn do sistema mecânico de rotação da turbina eólica que inclui o conjunto de turbina, o rotor do gerador e os eixos motores associados. A taxa à qual o torque do gerador é reduzida é a mesma para as situações alternativas mostradas nas Figuras 2C e 2D, uma vez que a taxa depende de parâmetros físicos do sistema de turbina eólica específico e não do instante em que o torque do gerador começa a se reduzir durante uma condição de falha. O gráfico (b) da Figura 2D mostra como a velocidade do rotor do gerador aumenta até uma velocidade de pico aproximadamente no instante t = 66,5 s antes de começar gradualmente a se reduzir. Devido à redução do torque, não há nenhuma oscilação significativa na velocidade do rotor.

[036] O gráfico (e) da Figura 2D mostra que a quantidade de potência que é exportada do gerador 4 ao elo CC 12 permanece na potência de saída estimada durante 0,5 s depois da falha na grade ter sido detectada e somente começa a se reduzir a uma taxa constante no instante t = 65,5 s alinhado com a redução no torque do gerador. A potência do gerador permanece em 0 e começa a aumentar a uma taxa constante no instante t = 66 x quando a tensão da grade se recupera.

[037] O gráfico (f) da Figura 2D mostra que a potência que é absorvida pelo DBR sobre um aumento em degrau no instante t = 65 s. Toda a potência do gerador é absorvida pelo DBR 16 até o instante t = 66S quando a tensão de grade se recupera e a potência pode novamente ser exportada à rede de abastecimento. No entanto, poderá ser facilmente observado que ao contrário da situação mostrada na Figura 2B em que a potência do gerador permanece substancialmente constante durante a falha na grade, pois não há nenhuma redução no torque de gerador, neste caso a quantidade de potência que é exportada do gerador 4 para o elo 12 começa a se reduzir a uma taxa constante no instante t = 65,5 e atinge 0 aproximadamente no instante t = 69,4 s. Isto significa que a partir do instante t = 65,5 há uma quantidade decrescente de potência de gerador para o DBR 16 absorver, e não há absolutamente nenhuma potência de gerador para absorver a partir do instante t = 65,9 s.

[038] O gráfico (g) da Figura 2D mostra a quantidade total de energia que é absorvida pelo DBR 16 como resultado da falha na grade. O valor constante que representa a quantidade total de energia que foi absorvida pelo DBR 16 é consideravelmente inferior à quantidade total mostrada no gráfico (g) da Figura 2B em que o DBR totalmente estimado absorve toda a potência do gerador durante toda a duração da falha na grade. No entanto, o valor constante mostrado no gráfico (g) da Figura 2D é superior à quantidade total mostrada no gráfico (g) da Figura 2C em que se faz o torque do gerador reduzir logo que é detectada a falha da grade.

[039] A Figura 3 mostra um diagrama esquemático de controle para a turbina eólica e conjunto de conversor de potência da Figura 1. O gerador 4 é um gerador magnético permanente (PMG). A série de dispositivos semicondutores de comutação de potência da ponte de gerador 10 é totalmente controlada e regulada usando-se uma estratégia de modulação por largura de pulso (PWM) pelo controlador de ponte de gerador 20. O controlador de ponte de gerador 20 usa o controle vetor em que, neste exemplo, o controle de torque ocorre no eixo q. Um sinal de referência de tensão Vdc_ref que indica uma tensão desejada do elo CC é comparado a um sinal de retorno de tensão Vdc que é uma medição da tensão do elo CC. Um controlador à base de PI de tensão de CC 26 usa a comparação do sinal de referência de tensão Vdc_ref e o sinal de retorno de tensão Vdc para fornecer um sinal de referência de corrente no eixo do torque (ou eixo q) lq*_ref. Um bloco de função 28 impõe um limite da taxa em rampa adequado ao sinal de referência de corrente do eixo do torque lq*_ref e fornece um sinal de corrente do eixo de torque limitado lq*_lim que é então usado pelo controlador de ponte de gerador 20 para derivar os comandos de disparo Eabc para os dispositivos semicondutores de comutação de potência da ponte de gerador 10 para se obter um torque de gerador desejado. Durante uma falha na grade ou de um transitório, então os limites da taxa em rampa impostos pelo bloco de função 28 ao sinal de referência corrente lq*_ref não permitirá que o torque do gerador sofra uma alteração em degrau e faz, em vez disso com que o torque de gerador se reduza a uma taxa constante (isto é, que se reduza em rampa) de acordo com a equação EQ1 mencionada acima. Os limites da taxa em rampa possam ser impostos logo que é detectada a falha da grade ou depois de um tempo predeterminado de retardo durante a qual o torque de gerador é mantido no mesmo torque que tinha imediatamente antes do aparecimento da falha de grade.

[040] A importância dos limites da taxa em rampa pode ser observada considerando-se o caso sem a sua presença. Antes de uma falha da grade ou falha no conversor de potência, o gerador 4 exportará energia para o elo CC 12 através da ponte do gerador 10. Para equilibrar a tensão do elo CC, a potência é exportada através da ponte da rede 14 para a rede de abastecimento. Ou a ponte do gerador 10 ou a ponte da rede 14 pode ter a responsabilidade de manter a tensão do elo cc no nível desejado. /durante uma falha na grade ou uma falha no conversor de potência, a energia que pode ser exportada à rede de abastecimento se reduzirá e fará com que a tensão do elo CC aumentar. Se a ponte do gerador 10 for a responsável pelo controle da tensão do elo CC então o controlador da ponte do gerador 20 rapidamente reduzirá o sinal de referência de corrente no eixo do torque lq*_ref para reduzir a tensão do elo CC. Alternativamente, pode se fazer rapidamente reduzir a referência de torque da ponte de gerador por um sinal de avançar que é fornecido pelo controlador da ponte de rede 22. Qualquer dos dois métodos que for empregado, o sinal de referência de corrente no eixo de torque lq*_ref sofrerá, portanto, uma alteração de torque se aproxima de uma alteração em degrau conforme mostrado no gráfico (c) da Figura 2A. Na presente invenção, os limites da taxa em rampa são aplicados para limitar a taxa à qual o sinal de referência de corrente no eixo de torque lq*_ref pode ser reduzido e fazer o torque do gerador se reduzir a uma taxa constante de acordo com a equação EQ1 mencionada acima.

[041] Embora a descrição específica tenha se concentrado em uma situação de falha na grade, será facilmente observado que os limites de taxa em rampa podem ser impostos ao sinal de referência de corrente no eixo de torque lq*_ref no caso de uma falha no conversor de potência.

[042] O diagrama de controle da Figura 3 tem fins ilustrativos somente, e poderá ser facilmente observado que o torque do gerador pode ser controlado usando-se outros sistemas de controle de referência de corrente do eixo de torque e/ou de referência de torque.

Claims

1. MÉTODO DE CONTROLE DE TORQUE DE GERADOR, aplicado em uma turbina eólica (2) que compreende um gerador (4) e um sistema mecânico de rotação tendo um período natural Tn, caracterizado por incluir uma etapa de se reduzir o torque do gerador (4) durante uma condição de falha a uma taxa constante em relação ao tempo t de acordo com a equação:

em que: torque_estimado é o torque estimado nominal do gerador (4), n é um número inteiro, e c é uma constante.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopela turbina eólica (2) compreender ainda um conjunto de turbina que tem pelo menos uma pá de turbina, incluindo ainda o método uma etapa de se alterar o ângulo de inclinação da pelo menos uma pá de turbina para minimizar a velocidade de pico do gerador (4) uma condição de falha.

3. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações1 a 2, caracterizado pelo ângulo de inclinação da pelo menos uma pá de turbina ser alterado logo que a condição de falha é detectada.

4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações2 a 3, caracterizado por incluir ainda uma etapa de se manter o torque do gerador (4) constante durante um período de tempo durante uma condição de falha antes de se reduzir o torque a uma taxa constante.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizadopelo torque do gerador (4) ser mantido constante enquanto se altera o ângulo de inclinação da pelo menos uma pá de turbina.

6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo torque ser reduzido a uma taxa constante logo que a condição de falha édetectada.

7. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações1 a 6, caracterizado pela turbina eólica (2) compreender ainda uma ponte de gerador (10) que é controlada por um controlador de ponte de gerador (20), compreendendo ainda o método uma etapa de se reduzir o torque a uma taxa constante pela imposição de limites da taxa em rampa a uma referência de torque e/ou a uma referência de corrente do eixo de torque (lq*_ref) que éusada pelo controlador de ponte de gerador (20).

8. TURBINA EÓLICA (2), caracterizada por compreender: um gerador (4); um sistema mecânico de rotação que tem um período natural Tn, o sistema mecânico de rotação incluindo um conjunto de turbina que tem pelo menos uma pá de turbina, um conjunto de rotor do gerador (4) equalquer(quaisquer) eixo(s) motor(es) associado(s); um conversor de potência; sendo que o conversor de potência é controlado para se reduzir otorque do gerador (4) durante uma condição de falha a uma taxa constante emrelação ao instante t de acordo com a equação

9. TURBINA EÓLICA (2), de acordo com a reivindicação 8,caracterizada pelo conjunto de turbina incluir ainda um atuador do ângulo de inclinação de pá que é controlado para alterar o ângulo de inclinação da pelo menos uma pá de turbina para minimizar a velocidade de pico do gerador (4) durante uma condição de falha.

10. TURBINA EÓLICA (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 9, caracterizada pelo conversor de potência compreender uma ponte de gerador (10) que é controlada por um controlador de ponte de gerador (20) para se reduzir o torque do gerador (4) durante uma condição de falha a uma taxa constante por imposição de limites da taxas em rampa a uma referência de torque e/ou uma referência de corrente do eixo de torque (lq*_ref) que é usada pelo controlador de ponte de gerador (20).