BR112021005018A2

BR112021005018A2 - método para controlar uma usina de geração de energia renovável durante falha no aterramento da rede

Info

Publication number: BR112021005018A2
Application number: BR112021005018-3A
Authority: BR
Inventors: Marco Matuonto; Santiago Lentijo; Rajat Majumder; Didier Velez Castellano
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy A/S
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2019-08-12
Publication date: 2021-06-08
Also published as: US11870243B2; US20220052518A1; EP3834268A1; CN112689932A; WO2020057860A1

Abstract

MÉTODO PARA CONTROLAR UMA USINA DE GERAÇÃO DE ENERGIA RENOVÁVEL DURANTE FALHA NO ATERRAMENTO DA REDE. A presente invenção refere-se a método para controlar uma usina de geração de energia renovável (1) que compreende um conversor de potência (10) para conectar a usina de geração de energia renovável (1) a uma rede de transmissão de energia (3); um arranjo de disjuntor (16) entre o conversor de potência (10) e a rede de transmissão de energia (3), que compreende um disjuntor (16A, 6B, 16C) para cada fase (1A, 1B, 1C) da usina de geração de energia renovável (1); e um controlador de conversor (11) configurado para gerar sinais de controle (112, 114) para o conversor de potência (10) e sinais de controle (116) para o arranjo de disjuntor (16); cujo método compreende as etapas de detectar a ocorrência de um evento de falha de fase-terra (Fevent) em uma das fases (3A, 3B, 3C) da rede de transmissão de energia (3); de emitir sinais de controle (116) para o arranjo de disjuntor (16) para manter os disjuntores (16A 16B, 16C) fechados durante o evento de fase-terra (Fevent); e de emitir sinais de controle (112, 114) para o conversor de potência (10) passar pelo evento de falha de fase-terra (Fevent). Refere-se ainda a usina de geração e a produto de programa de computador.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO PARA CONTROLAR UMA USINA DE GERAÇÃO DE ENERGIA RE- NOVÁVEL DURANTE FALHA NO ATERRAMENTO DA REDE".

[0001] A presente invenção refere-se a método para controlar usina de geração de energia renovável, e a usina de geração de energia re- novável.

[0002] De acordo com as estatísticas, muitas falhas que surgem em redes de transmissão de energia são falhas temporárias que desapare- cem um certo tempo após a desenergização das seções defeituosas da rede. Uma falha pode ser causada, por exemplo, pela vegetação que entra em contato com a linha de transmissão de força que queima então após um breve período de tempo. Este tipo de falha em uma fase única de uma rede de transmissão de energia multifásica é comumente refe- rido como uma falha de linha-terra ou uma falha de fase-terra.

[0003] Para responder a tais falhas, a rede de transmissão de ener- gia apresenta um sistema de resposta à falhas que compreende, por exemplo, um relé de controle e uma unidade de disjuntor entre a rede de transmissão de energia e cada usina de geração de energia. O relé de controle monitora tensões e correntes de fase. Se uma falha for con- siderada como tendo ocorrido, o relé de controle emitirá sinais de con- trole para a unidade de disjuntor para abrir o(s) disjuntor(es) de uma ou mais fases dependendo da natureza da falha. Por exemplo, no caso de uma falha de polo único em uma das fases, o relé de controle emitirá sinais de controle para a unidade de disjuntor para abrir o disjuntor dessa fase. O relé de controle pode religar o disjuntor após um tempo morto predeterminado durante o qual a causa da falha pode ter sido eliminada. A sequência de ocorrência de falha e subsequente restaura- ção é referida como um evento de falha. Uma falha de polo único se- guida pela abertura do disjuntor e pelo subsequente religamento do dis- juntor após o tempo morto predeterminado é um evento de falha de fase-terra, sendo referido como religamento automático de polo único (SPAR) quando executado pelo relé de controle da rede de transmissão de energia. A intervenção manual não é necessária.

[0004] Em usinas de geração de energia renovável existentes tais como turbinas eólicas, uma falha de fase-terra de polo único na rede de transmissão de energia pode fazer com que polos de um conversor de potência desarmem, isto é, os disjuntores de polo entre a usina de ge- ração de energia renovável e a rede de transmissão são abertos para desconectar a usina de geração de energia da rede. Isto se dá porque um evento SPAR é seguido por instabilidade com sobretensões transi- tórias, e as técnicas de controle existentes para usinas de geração de energia renovável podem apenas tolerar instabilidade ou operação de- sequilibrada por alguns ciclos (~100ms). Por esta razão, um controlador de um conversor de potência de uma usina de geração de energia re- novável é geralmente configurado para desarmar seus disjuntores de polo (entre a usina de geração de energia e a rede de transmissão) em resposta a uma anomalia de sinal como uma proteção para proteger os circuitos do lado da máquina contra sobretensões potencialmente pre- judiciais. Em um sistema de energia trifásica de uma usina de energia renovável, tal como uma turbina eólica, todos os disjuntores de polo do conversor de potência são abertos em resposta a uma falha de fase- terra na rede de transmissão de energia. Isto significa que todas as três fases serão cortadas da rede de transmissão mesmo que a falha tenha sido apenas uma falha de fase-terra de polo único. Uma vez que a falha na rede de transmissão de energia tenha sido eliminada, os disjuntores de polo do conversor de potência poderão fechados novamente.

[0005] Entretanto, a usina não pode vender energia 10esconectada da linha de transmissão. Além disso, antes do religamento dos disjunto- res de polo abertos, é necessário sincronizar as fases da usina nas fa-

ses de rede. Pode levar várias horas para reiniciar uma usina de gera- ção de energia renovável que foi desarmada e desligada em resposta a uma falha na rede de transmissão. A maneira estabelecida de respon- der a uma falha de fase única-terra pode ter, portanto, um impacto pre- judicial sobre a Produção de Energia Anual (AEP) para usinas de gera- ção de energia renovável.

[0006] Portanto, um objetivo da invenção é o de prover uma maneira aperfeiçoada de responder a uma falha de fase-terra de polo único em uma usina de geração de energia renovável.

[0007] Este objetivo é alcançado pelo método da reivindicação 1 de controlar uma usina de geração de energia renovável, e pela usina de geração de energia renovável da reivindicação 9.

[0008] No contexto da invenção, uma usina de geração de energia renovável compreende um conversor de potência para conectar a usina de geração de energia renovável a uma rede de transmissão de energia, um arranjo de disjuntor entre o conversor de potência e a rede de trans- missão de energia, que compreende um disjuntor para cada fase da usina de geração de energia renovável, e um controlador de conversor configurado para gerar sinais de controle para o conversor de potência e sinais de controle para o arranjo de disjuntor.

[0009] De acordo com a invenção, o método para controlar tal usina de geração de energia renovável compreende as etapas de detectar a ocorrência de um evento de falha de fase-terra em uma das fases da rede de transmissão de energia, de emitir sinais de controle do arranjo de disjuntor para manter os disjuntores fechados durante o evento de fase-terra, e de emitir sinais de controle para o conversor de potência passar pelo o evento de falha de fase-terra.

[0010] Conforme descrito acima, uma falha de fase-terra de polo único deve ser entendida como o tipo de falha que surgirá quando uma fase única (a "fase defeituosa" ou a "fase afetada") da rede de transmis- são de energia entrar em curto circuito por um período de tempo. Isto está em contraste com outros tipos de falha, por exemplo, uma falha de alta tensão ou uma falha de baixa tensão. Controladores existentes de usinas de energia renovável, tais como turbinas eólicas, podem passar por tais falhas de alta tensão transitória e falha de baixa tensão execu- tando uma rotina adequada de passagem de falha.

[0011] Uma vantagem do método da invenção é a de que não há nenhum tempo de paralisação para a usina de geração de energia re- novável como resultado de um evento SPAR na rede de transmissão. Isto significa que não há essencialmente nenhuma perda de receita que surge de um evento SPAR.

[0012] Outra desvantagem do método da invenção é a de que não há qualquer necessidade de executar uma verificação de sincronização antes de religar do disjuntor de polo aberto. Isto se dá porque ambas as exs da linha foram mantidas sincronizadas pelas duas fases íntegras (as "fases não afetadas").

[0013] Uma vantagem do método da invenção é a de que qualquer usina de geração de energia renovável existente pode ser atualizada para incluir a funcionalidade de resposta SPAR sem ter que instalar ne- nhum hardware adicional. A funcionalidade de resposta SPAR pode ser incluída com a atualização do software de controle que é executado em um controlador de conversor de potência, uma plataforma de controla- dor de usina, etc.

[0014] O método da invenção permite que a usina passar pelo evento, conforme será explicado abaixo, de modo que a usina de gera- ção de energia renovável continue a ser conectada à rede. Com o mé- todo da invenção, a usina renovável pode permanecer online e pronta para retomar toda a energia emitida depois do religamento automático do polo afetado.

[0015] De acordo com a invenção, a usina de geração de energia renovável compreende um conversor de potência para conectar a usina de geração de energia renovável a uma rede de transmissão de energia, um arranjo de disjuntor entre o conversor de potência e a rede de trans- missão de energia, que compreende um disjuntor para cada fase da usina de geração de energia renovável, e um controlador de conversor configurado para gerar sinais de controle para o conversor de potência e sinais de controle para o arranjo de disjuntor, a usina sendo caracteri- zada pelo fato de o controlador de conversor ainda compreender um módulo de detecção de falha configurado para detectar a ocorrência de um evento de falha de fase-terra em uma fase única da rede de trans- missão de energia, e de o controlador de conversor ser configurado para emitir sinais de controle para o arranjo de disjuntor para manter os disjuntores fechados durante o evento de fase-terra, e para emitir sinais de controle para o conversor de potência passar pelo evento de falha de fase-terra.

[0016] O módulo de detecção de falha da usina de geração de energia renovável é configurado para manter o disjuntor de polo afetado fechado durante o evento de falha ou o evento SPAR. Uma vantagem do controlador de conversor da usina de geração de energia renovável da invenção é a de que ele mantém a usina de geração de energia re- novável conectada à rede de transmissão por todo o evento SPAR.

[0017] Concretizações e características particularmente vantajosas da invenção são fornecidas pelas reivindicações dependentes, con- forme revelado na seguinte descrição. Características de diferentes ca- tegorias de reivindicação podem ser combinadas, conforme apropriado, para conferir concretizações adicionais não descritas aqui.

[0018] Uma usina de geração de energia renovável, tal como uma turbina eólica, um parque solar, etc., geralmente compreende um con- versor estático na interface à rede. No método da invenção, o controle do sistema provê uma estratégia para impedir que o conversor desarme, enquanto ainda permite que a usina de geração de energia alimente alguma energia ativa na rede. A estratégia de controle aplicada no mé- todo da invenção pode ser robusta o suficiente para trabalhar de forma confiável em uma ampla faixa de configurações de rede, por exemplo, sobre uma ampla faixa de valores de relação de curto circuito (SCR) e diferentes configurações de rede, tais como de malha, radial, etc.

[0019] A seguir, sem restringir a invenção de maneira alguma, pode-se assumir que a usina ou instalação de geração de energia reno- vável seja uma turbina eólica configurada para gerar potência trifásica. Em uma configuração exemplificativa, a turbina eólica compreende um conversor de potência total. A turbina eólica pode ter um rotor aerodinâ- mico muito grande, por exemplo, com um diâmetro acima de 100 m. A potência nominal de tal turbina eólica pode estar na faixa de megawatts. Pode-se assumir, a seguir, que a turbina eólica de "baixa tensão" seja conectada a uma rede de energia de alta tensão por meio de uma su- bestação, conforme será conhecido daquele versado na técnica. Os ter- mos "rede de transmissão de energia" e "rede" são sinônimos e podem ser usadas intercambiavelmente.

[0020] O conversor de potência de uma turbina eólica geralmente compreende um conversor do lado da máquina e um conversor do lado da rede conectados por uma ligação CC. O conversor de potência de uma usina fotovoltaica compreende geralmente apenas um conversor do lado da rede. Estes são realizados usando interruptores eletrônicos de energia, por exemplo, IGBTs (transistores bipolares de porta isolada) ou IGCTs (tiristores comutados por porta integrada). Durante a opera- ção normal, estes são comutados por sinais de modulação de largura de fase emitidos pelo controlador de conversor. O tempo é gerenciado por uma malha de captura de fase que mantém os sinais do lado da máquina em sincronia com os sinais do lado da rede.

[0021] Similarmente, os disjuntores de polo ou os disjuntores da usina de geração de energia renovável podem ser realizados usando tais arranjos de interruptor eletrônico de energia.

[0022] Um controlador de turbina eólica geralmente implementa um algoritmo de monitoramento de falha que examina as tensões e as cor- rentes relevantes para determinar se tudo está ou não funcionando cor- retamente. Se uma falha do lado da máquina ou uma falha do lado da rede ocorrer, as tensões e/ou as correntes exibirão um comportamento anormal. É conhecido aplicar o método de componentes simétricos para simplificar a análise de um sistema de energia trifásica, por exemplo, convertendo os sinais de tensão trifásica em uma tensão de sequência positiva, uma tensão de sequência negativa e uma tensão de sequência zero. O método de componentes simétricos pode grandemente simplifi- car a identificação de comportamento anormal, isto é, para identificar o tipo de falha e para escolher uma resposta apropriada. Por exemplo, se uma sobretensão de rede for detectada, o controlador poderá iniciar uma sequência de passagem de alta tensão através da sequência (HVRT). Similarmente, se uma subtensão de rede for detectada, o con- trolador poderá iniciar uma sequência de passagem de baixa tensão (LVRT).

[0023] Similarmente, em uma concretização preferida da invenção, a ocorrência de um evento SPAR é deduzida da análise das tensões de sequência positiva e das tensões de sequência negativa. Preferivel- mente, a detecção do evento SPAR na rede de transmissão de energia é atribuída a uma menor prioridade do que a detecção de uma falha mais séria, tal como uma falha de sobretensão ou uma falha de subten- são.

[0024] Quando a ocorrência de um evento SPAR for detectada pelo controlador, uma primeira medida será preferivelmente a de "congelar" a malha de captura de fase (PLL) do controle de conversor de potência,

uma vez que as fases não afetadas permanecerão conectadas à rede e permanecerão, portanto, sincronizadas. Preferivelmente, o controlador de conversor é configurado para ajustar os sinais de comutação de porta dos interruptores eletrônicos de energia das fases não afetadas durante o evento de falha, de modo que o sistema de geração de energia reno- vável permaneça conectado à rede durante e após um evento SPAR, e possa rapidamente retomar a operação normal, uma vez que a fase afe- tada da rede de transmissão seja restaurada, uma vez que a PLL do conversor de potência permaneça sincronizada com a rede. Alternativa- mente, o controlador de conversor poderia ser configurado para suprimir os sinais de comutação de porta dos interruptores eletrônicos de ener- gia do conversor do lado da rede.

[0025] Em uma concretização particularmente preferida da inven- ção o controlador de conversor é configurado para injetar corrente de sequência negativa em uma fase "não afetada" da usina de geração de energia renovável durante o evento SPAR. Alternativamente, o contro- lador de conversor poderia ser configurado para suprimir os sinais de comutação de porta dos interruptores eletrônicos de energia do conver- sor do lado da rede. O efeito da corrente de sequência negativa injetada é o de neutralizar as sobretensões transitórias (TOVs) que aparecerão quando o disjuntor de polo for aberto para a fase defeituosa da rede de transmissão. Preferivelmente, a magnitude da corrente injetada é deter- minada com base em uma tensão de sequência negativa observada no lado da máquina, por exemplo, conforme observado por um gerador de turbina eólica em seus terminais de conversor de potência do lado da máquina. No método da invenção, a magnitude por unidade da corrente de sequência negativa injetada é preferivelmente de pelo menos 0,4. No método da invenção, o algoritmo de controle leva em consideração os desequilíbrios de tensão e corrente, bem como a contribuições das ten- sões de sequência positiva e negativa. Desta maneira, o algoritmo pode diferenciar entre um evento SPAR e qualquer outro tipo de transiente de rede.

[0026] Uma sequência SPAR exemplificativa de eventos pode ser a seguinte: uma falha de linha única-terra ocorre, por exemplo, como re- sultado de vegetação que cai em uma fase de uma linha de transmissão aérea. Tal falha pode persistir por diversos ciclos. O disjuntor de polo que corresponde à fase defeituosa é aberto por um relé de controle da linha de transmissão. Em um mesmo ponto após a falha de fase-terra, o relé de controle da linha de transmissão determina que se pode religar o disjuntor de polo. A abertura e o religamento de polo resultam em um modo desequilibrado de operação na usina de energia renovável. O modo desequilibrado pode persistir por diversos ciclos, por exemplo, até 30 ciclos. Com a análise dos sinais de tensão e de corrente do lado da rede, o módulo de detecção de falha pode deduzir que aconteceu um evento SPAR e inicia uma sequência de passagem de falha SPAR. Uma primeira resposta é a de assegurar que todos os disjuntores de polo da usina de geração de energia renovável permaneçam fechados, inclu- indo o disjuntor de polo da fase defeituosa. As sobretensões transitórias (TOVs) que surgem do evento SPAR são tratadas com a injeção de cor- rente de sequência negativa para neutralizar a tensão de sequência ne- gativa detectada pelo gerador em seu próprio terminal, a fim de impedir danos à eletrônica de potência. Finalmente, com a análise dos sinais de tensão/corrente do lado da rede, o módulo de detecção de falha pode deduzir que o evento SPAR passou e que a fase afetada da linha de transmissão é totalmente operacional novamente. A sequência de pas- sagem de falha SPAR pode terminar, e operação normal pode ser então retomada. O conversor de potência pode ser então retomado alimen- tado a corrente reativa e ativa na rede. Não há nenhuma necessidade de executar qualquer rotina de ressincronização, uma vez que as duas fases não afetadas permaneceram in sincronia, e a PLL já está correta- mente configurada.

[0027] Conforme indicado acima, o método da invenção pode lidar com TOVs nas fases não afetadas com a injeção de corrente de se- quência negativa para neutralizar uma tensão de sequência negativa do lado da rede detectada pela usina de geração de energia em seu próprio terminal.

[0028] Em uma concretização preferida da invenção, o controlador de conversor é configurado para controlar o conversor de potência para dispensar energia ativa e reativa durante uma falha de fase-terra. Pre- ferivelmente, a dispensa de energia reativa recebe prioridade sobre a energia ativa durante uma falha de fase-terra.

[0029] Em uma concretização particularmente preferida da inven- ção, a produção de corrente reativa recebe inicialmente para facilitar a total recuperação. Quando a tensão de terminal da geração de energia renovável estiver dentro de uma faixa aceitável, a facilidade de geração de energia renovável receberá então prioridade para a produção de energia ativa.

[0030] O algoritmo de detecção de falha de um controlador continu- amente analisa tensões e correntes. O método da invenção também compreende preferivelmente uma etapa de determinar a restauração da fase afetada na rede de transmissão de energia. A fase afetada é res- taurada com a remoção ou a eliminação da falha. Isto pode ser deduzido da análise das tensões de sequência positiva e tensões de sequência negativa.

[0031] O método de resposta a falhas da invenção é robusto o sufi- ciente para trabalhar de modo confiável em uma ampla faixa de confi- gurações de rede, por exemplo, para uma ampla faixa de valores de relação de curto circuito (SCR) e vários tipos de configuração de rede, tal como de malha, radial, etc. Por exemplo, uma SCR baixa na região de 3,0 irá resultar em TOV elevado, o que pode ser neutralizado, con- forme descrito acima, pela injeção de corrente de sequência negativa. Em uma concretização particularmente preferida da invenção, parâme- tros de controle e de proteção do conversor podem ser adaptados de acordo. Por exemplo, um ou mais parâmetros, tal como um valor de ga- nho, uma constante de tempo, uma frequência de corte de filtro corta- faixa, etc. podem ser ajustados, conforme apropriado. Desta forma, o método da invenção pode auxiliar na resposta a um evento SPAR, mesmo em uma rede desafio.

[0032] O método da invenção pode ser executado pelo menos par- cialmente como um algoritmo ou programa de computador. Um produto de programa de computador de acordo com a invenção pode compre- ender um programa de computador que é diretamente carregável em uma memória de um controlador de uma usina de geração de energia renovável e que compreende elementos de programa para executar as etapas do método da invenção quando o programa de computador for executado pelo controlador.

[0033] Outros objetos e características da presente invenção se tor- narão evidentes a partir das seguintes descrições detalhadas conside- radas em conjunção com os desenhos. Deve ser entendido, entretanto, que os desenhos são projetados unicamente para fins de ilustração e não como uma definição dos limites da invenção.

[0034] A Figura 1 mostra um diagrama de blocos simplificado de uma rede de transmissão de energia alimentada pelas usinas de gera- ção de energia renovável.

[0035] As Figuras 2 - 4 mostram concretizações de uma usina de geração de energia renovável de acordo com a invenção.

[0036] A Figura 5 é um fluxograma para ilustrar etapas do método da invenção.

[0037] As Figuras 6 - 8 ilustram aspectos do método da invenção.

[0038] Nos diagramas, números semelhantes referem-se a objetos semelhantes do início ao fim. Os objetos nos diagramas não são neces- sariamente desenhos em escala.

[0039] A Figura 1 mostra um diagrama de bloco muito simplificado de uma rede de transmissão de energia 3 alimentada por duas usinas de geração de energia renovável 1. Naturalmente, a rede de transmis- são de energia 3 pode ser alimentada por qualquer número de usinas de geração de energia incluindo tais usinas de geração de energia re- novável 1. Por exemplo, cada usina de geração de energia 1 pode ser uma turbina eólica de um parque eólico, e todas as turbinas eólicas de um parque eólico alimentam a rede de transmissão de energia 3 através de uma barra B.

[0040] A rede de transmissão de energia 3 é uma rede trifásica, por exemplo, uma rede de 20 kV, e energia pode ser assumida como sendo transportada em cabos de energia aéreos suspensos em postos, com um cabo separado para cada fase 3A, 3B, 3C.

[0041] Ocasionalmente, uma falha de fase única-terra F poderá ocorrer, por exemplo, se uma ramificação de uma árvore entrar em con- tato com um cabo de energia, neste caso, o cabo de energia que trans- porta a fase 3C. Esta falha F irá pôr em curto-circuito a fase afetada à terra.

[0042] Para responder a falhas, a rede de transmissão de energia 3 apresenta um sistema de resposta à falhas, mostrado aqui como com- preendendo um relé de controle 30 e uma unidade de disjuntor 31 entre a rede de transmissão de energia 3 e cada barra B. O relé de controle 30 é configurado para monitorar as medições de fase 32 (tensão e cor- rente) e para emitir sinais de controle 33 para a unidade de disjuntor 31 para abrir o(s) disjuntor(es) de uma ou mais fases 3A, 3B, 3C, depen- dendo da natureza da falha. Por exemplo, no caso de uma falha de polo único F na fase 3C, o relé de controle 30 irá emitir sinais de controle 33 para a unidade de disjuntor 31 para abrir o disjuntor da fase 3C. O relé de controle 30 continua a monitorar as tensões e as correntes de fase a fim de determinar quando a fase afetada 3C foi restaurada. Uma vez que a fase 3C é considerada como sendo íntegra novamente, o relé de controle 30 emite os sinais de controle 33 para a unidade de disjuntor 31 para religar o disjuntor da fase 3C. A sequência de ocorrência de falha, abertura de disjuntor de polo, intervalo de tempo morto e religa- mento do disjuntor de polo é referido como um "evento de falhar". Uma falha de polo único seguida pela abertura do disjuntor e pelo subse- quente religamento do disjuntor será referida como religamento automá- tico de polo único (SPAR) quando executada pelo relé de controle 30 da rede de transmissão de energia 3. A intervenção manual não é neces- sária.

[0043] Uma usina de energia renovável, tal como uma turbina eólica ou uma usina fotovoltaica, deve estar em conformidade com o código de rede aplicável. Um código de rede é um conjunto de requisitos que define como uma instalação de geração de energia tem que ser conec- tada à rede de transmissão 3 para assegurar uma operação protegida, segura e apropriada. Até agora, resposta a uma falha de fase única- terra F não foi incorporada como parte de qualquer código de rede para uma usina de energia renovável. Isto porque, historicamente, este tipo de falha não apresenta um problema para uma usina de geração de energia convencional, tal como uma usina de energia nuclear, uma es- tação de energia de combustíveis fósseis, etc., ou qualquer gerador sín- crono grande que possa passar por uma falha e eventos de religamento de polo subsequentes. Uma usina de energia renovável, tal como uma turbina eólica, pode controlar a operação desequilibrada por apenas um breve período de tempo, por exemplo, alguns ciclos (cerca de 100 ms), de modo que a resposta estabelecida a um evento SPAR tenha sido simplesmente a de desligar e reiniciar, quando a fase afetada tiver sido restaurada. Contudo, leva um tempo considerável para reiniciar uma usina de energia renovável, e o tempo de paralisação acumulado de diversos destes eventos SPAR pode significativamente reduzir a produ- ção de energia anual (AEP).

[0044] A Figura 2 mostra uma primeira concretização de uma usina de geração de energia renovável 1 de acordo com a invenção. Aqui, a usina de geração de energia renovável 1 compreende um gerador de turbina eólica WTG do tipo de conversor completo. O gerador de turbina eólica WTG gera potência trifásica que é convertida ascendentemente em um conversor de potência modulado por largura de pulso (PWM) 10.

[0045] A usina de geração de energia renovável 1 é configurada para alimentar energia em uma rede de transmissão de alta tensão 3. O conversor de potência 10 converte a energia trifásica de baixa tensão (por exemplo, de 690 V) gerada pela turbina eólica 1 para um nível de tensão mais elevado. De modo geral, o sistema de geração e de trans- missão de energia usa dois transformadores aumentadores, por exem- plo um transformador de unidade de geração de energia para aumentar uma baixa tensão (por exemplo, de 690 V) para uma tensão média (por exemplo, de 20 kV) e um transformador de subestação para aumentar de média tensão para tensão de rede (por exemplo, 220 kV).

[0046] A usina de geração de energia renovável 1 ainda compre- ende um controlador de conversor 11 que monitora medições de ten- são/corrente do lado da máquina 111 bem como medições de ten- são/corrente do lado da rede 115. As medições do lado da rede 115 serão afetadas por qualquer distúrbio na rede de transmissão de ener- gia 3.

[0047] O conversor de potência 10 compreende um conversor do lado da máquina 102 e um conversor do lado da rede 104. O controlador de conversor 11 recebe as medições do lado da máquina 111 e as me- dições do lado da rede 115. Com base nesta informação o controlador de conversor 11 é configurado para emitir pulsos de comutação apropri- ados 112 para o conversor do lado da máquina 102 e pulsos de comu- tação 114 para o conversor do lado da rede 104. Os pulsos de comuta- ção 112, 114 podem ser assumidos como compreendendo um conjunto de sinais de porta PWM para os interruptores eletrônicos de energia do conversor de potência. Durante a operação normal, as tensões do lado da máquina são convertidas ascendentemente para as fases do lado da rede 1A ,1B, 1C que podem ser alimentadas por meio da barra na rede de transmissão 3.

[0048] Para responder a uma falha de alta tensão de uma falha de baixa tensão na rede, o controlador de conversor 11 compreende um módulo de detecção de falha 12 e um modo de passagem de falha 13.

[0049] Uma unidade de disjuntor 16 é disposta entre o conversor de potência 10 e a rede de transmissão de energia 3, e compreende um disjuntor 16A, 16B, 16C para cada fase do lado da rede 1A, 1B, 1C da usina de geração de energia renovável 1.

[0050] A seguinte discussão refere-se à detecção de um evento SPAR na rede de transmissão de energia 3, isto é, uma falha de fase- terra de polo único, conforme descrito na Figura 1, seguido por um reli- gamento automático subsequente do disjuntor da fase afetada, por meio do que SPAR é efetuado pelo relé de controle relevante 30 e pela uni- dade de disjuntor 31. A partir da ocorrência da falha F para a restaura- ção da fase afetada na rede de transmissão de energia 3, são detecta- dos desequilíbrios de tensão nas fases "não afetadas" do lado da rede da usina de geração de energia renovável 1.

[0051] Nesta concretização específica da invenção, o controlador de conversor 11 também compreende um módulo de passagem SPAR

14. Usando as medições do lado da rede 115, o controlador de conver- sor 11 pode detectar a ocorrência de um evento SPAR na rede de trans- missão de energia 3. O módulo de passagem SPAR 14 do controlador de conversor 11 responde emitindo sinais de controle 116 para a uni- dade de disjuntor 16 para manter fechado o disjuntor 16A, 16B, 16C para a fase afetada do lado da rede, isto é, a fase 1C que usa a falha de fase-terra exemplificativa na fase 3C da rede de transmissão 3 des- crita na Figura 1 acima. O resultado de manter a fase 1C conectada à fase afetada do lado da rede 3C indica que os desequilíbrios de tensão (TOVs) depois do evento SPAR também seriam "vistos" pelo conversor de potência 10.

[0052] Para lidar com isto, o módulo de passagem SPAR 14 no con- trolador de conversor 11 da usina de geração de energia renovável da invenção 1 é configurado para ajustar os pulsos de comutação 112, 114 do conversor de potência 10 para minimizar os desequilíbrios de tensão, isto é, passar pelo evento SPAR.

[0053] Desta forma, a usina de geração de energia renovável 1 per- manece conectada à rede de transmissão 3 por todo o evento SPAR. Pelo fato de as fases 1A, 1B permanecerem conectadas às fases de rede não afetadas correspondentes 3A, 3B, não há necessidade alguma de executar qualquer sequência de ressincronização depois de a fase defeituosa ser restaurada, e a fase afetada 1C pode imediatamente re- tomar a alimentação na fase do lado da rede 3C.

[0054] O módulo de detecção de falha 12, o módulo de passagem de falha 13 e o módulo de passagem SPAR 14 podem ser implementa- dos como módulos de software que são executados em um processador de um controlador de usina, por exemplo, um controlador de turbina eó- lica, se a usina de geração de energia renovável 1 for uma turbina eó- lica.

[0055] A Figura 3 mostra uma segunda concretização de uma usina de geração de energia renovável 1 de acordo com a invenção. Aqui, a usina de geração de energia renovável 1 compreende um gerador de turbina eólica WTG do tipo dupla alimentação. O princípio da operação do controlador de conversor 11 é igual àquele da Figura 2 acima, e o controlador de conversor 11 irá emitir sinais de controle de comutação apropriados para os interruptores eletrônicos de energia do conversor do lado da máquina 102 e do conversor do lado da rede 104.

[0056] A Figura 4 mostra uma terceira concretização de uma usina de geração de energia renovável 1 de acordo com a invenção. Aqui, a usina de geração de energia renovável 1 compreende uma usina fo- tovoltaica PV que gera uma tensão CC. Neste caso, o conversor de po- tência compreende apenas um conversor do lado da rede 104, e o con- trolador de conversor 11 irá emitir sinais de controle de comutação apro- priados para os interruptores eletrônicos de energia do conversor do lado da rede 104.

[0057] A Figura 5 mostra um fluxograma simplificado para ilustrar as etapas do método da invenção.

[0058] Em uma primeira etapa 51, as magnitudes e os ângulos de fase das tensões trifásicas são medidos. Em uma etapa subsequente 52, as magnitudes e os ângulos de fase das correntes instantâneas são medidos. Com esta informação, os valores da sequência positiva, da sequência negativa e da sequência zero são computador no estágio 53. Falhas de maior prioridade são tratadas em vários estágios coletiva- mente referidos como bloco 54 aqui. Resposta a uma falha pode ser referida como passagem de falha (FRT). Rotinas comuns de resposta à falhas são passagem de baixa tensão (LVRT), passagem de sobreten- são (OVRT), etc. Depois de as falhas de maior prioridade terem sido descartadas, os valores da sequência positiva, da sequência negativa e da sequência zero são analisados no bloco 55 para detectar a ocorrên- cia de um evento SPAR.

[0059] A ocorrência de um evento SPAR pode ser identificada ao detectar características nas tensões e nas correntes depois de tal evento de falha. A lógica de detecção pode se basear no conhecimento de características de falha; por exemplo, pode ser assumido que ne- nhum outro tipo de falha de tensão resultaria em uma tensão de sequên- cia negativa por unidade acima de 0,5. A análise dos parâmetros rele- vantes podem levar em conta os desequilíbrios de tensão e de corrente que seguem um evento SPAR bem como a contribuição das tensões de sequência positiva e negativa.

[0060] Isto irá permitir que o controlador diferencie um evento de SPAR de outros tipos de transientes de rede. Se a detecção de evento SPAR retornar "não", a sequência de controle poderá terminar. Se re- tornar "sim", o passagem de falha SPAR será iniciado no bloco 56. Con- forme descrito acima, a resposta SPAR pode compreender as etapas de manter todos os disjuntores de polo fechados e de ajustar os sinais de comutação de porta do conversor de potência; de reduzir a energia reativa a um nível baixo; de "congelar" a PLL; e de desativar um alarme de frequência, e de executar o ajuste do parâmetro de sobretensão. No caso de uma turbina eólica, a energia reativa é reduzida a um nível in- ferior, e esforços são feitos para manter a tensão nos terminais da tur- bina eólica dentro de uma faixa específica, por exemplo, + 10% da ten- são nominal. Em condições normais, uma unidade de geração de ener- gia irá operar dentro do sistema de rede de energia quando a frequência estiver fora destes limites de frequência. Uma vez que frequências tran- sitórias fora destes limites podem aparecer durante o evento SPAR, o alarme de frequência será desativado imediatamente quando um evento SPAR for detectado a fim de impedir o desarme do conversor. Similar- mente, um evento SPAR inclui uma etapa de abrir a fase defeituosa, o que geralmente resulta em sobretensões transitórias. Quando um evento SPAR for detectado pelo método da invenção, qualquer parâme- tro de sobretensão relevante será brevemente ajustado para impedir qualquer desarme do conversor.

[0061] Depois de uma falha de polo único, os TOVs de subciclo es- tarão presentes. Uma vez que um TOV de subciclo tenha passado, o controlador de conversor preferivelmente avalia sua capacidade de dis- pensar correntes de sequência negativas com o objetivo de permanecer conectado à rede. Então, com base na capacidade de corrente total, o controlador de conversor irá determinar a corrente ativa de sequência positiva disponível. Desta forma, a instalação de geração de energia re- novável pode continuar distribuindo pelo menos alguma quantidade de energia ativa durante o evento SPAR. O efeito de uma falha de fase única-terra na rede sobre a receita e a produção de energia anual (AEP) da usina de geração de energia renovável será, portanto, mantido em um mínimo favorável. O método da invenção apresenta, portanto o po- tencial para aumentar o desempenho de uma usina de geração de ener- gia renovável, por meio de manter a operação e impedir a perda de re- ceita durante os eventos SPAR.

[0062] A sequência de eventos pode ser precedida por uma etapa para permiti/desativar SPAE, por exemplo, para assegurar que a res- posta PSAR descrita aqui seja apenas implementada em uma rede dis- tribuição de energia que inclui um sistema de resposta à falhas que iden- tifica e responde a uma falha de fase-terra executando uma rotina SPAR.

[0063] As Figuras 6 - 8 ilustram aspectos do método da invenção. A Figura 6 mostra tempos exemplificativos de um valor p.u. (potência por unidade) de tensão/corrente para uma fase da rede de transmissão an- tes, durante e após um evento SPAR Fevent. Uma falha de fase-terra ocorre em uma fase da rede de transmissão no tempo tF e persiste até o tempo tR, conforme indicado na Figura 7. A duração da falha de fase- terra pode ser na ordem de alguns milissegundos, vários segundos, ou mais longa.

[0064] Como resultado da falha, aparecem anomalias nas ten- sões/correntes do lado de rede da usina de geração de energia renová- vel 1, conforme descrito acima. A natureza do evento de falha é detec- tada rapidamente (dentro de alguns ciclos) pelo módulo de detecção de falha 13 e o controlador de conversor 11 responde, conforme descrito acima, e a operação normal é restaurada dentro de um tempo favora- velmente curto. Em operação normal (no momento anterior ao tempo tF, e no momento depois do tempo tR), os fasores de cada conjunto (se- quência positiva, sequência negativa, sequência zero) são todos do mesmo tamanho, e os fasores de sequência positiva e de sequência negativa estão em 120° entre si.

[0065] A Figura 7 mostra uma sequência de tensão e sequência de corrente exemplificativas depois de um evento SPAR, com a falha em 3,5 s e religamento de polo no lado da rede logo depois disso. O dia- grama mostra tensão de sequência positiva Upos, tensão de sequência negativa Uneg, corrente de sequência positiva Ipos e corrente de sequên- cia negativa Ineg. No método da invenção, tensão e corrente de sequên- cia negativa e de sequência positiva são monitoradas para identificar um evento SPAR, isto é, para diferenciar entre um evento SPAR e qual- quer outro tipo de falha. Neste exemplo, a lógica SPAR começa em 3,5 s com a turbina eólica ainda conectada ao sistema de rede de energia. O comportamento do sistema depois da falha pode ser resumido como segue: a tensão de sequência positiva aumenta; a tensão de sequência negativa aumenta, uma condição de tensão altamente desequilibrada segue; uma corrente de sequência negativa alta é injetada. Aqui, a ten- são de sequência negativa além de 0,5 p.u. permite a identificação de um evento SPAR, uma vez que nenhum evento de falha de tensão re- sultaria em tal magnitude de tensão negativa. Passar pelo evento SPAR, o alarme de limite de tensão é aumentado para um período curto de tempo. Uma corrente de sequência negativa alta Ineg é injetada para au- xiliar no passagem de falha. O controlador é configurado para interpretar a corrente de sequência negativa alta Ineg como uma característica do evento SPAR. Em operação estável de uma rede, a corrente negativa tem um valor por unidade de 0,0. Uma "corrente de sequência negativa alta" pode ser entendida como sendo corrente de sequência negativa p.u. além de 0,4.

[0066] A Figura 8 mostra dois gráficos de corrente de sequência ne- gativa exemplificativos para ilustrar a diferença entre a resposta de cor- rente de sequência negativa em um evento de fase única sem SPAR, e em um evento SPAR. Depois de um evento de fase única sem SPAR, a corrente negativa Isp_neg é relativamente baixa. No passagem de falha SPAR usando o método da invenção, a corrente de sequência negativa por unidade Ineg é considerável; neste exemplo, ela excede a corrente negativa de evento de fase única Isp_neg por um fator de dez, e alcança um valor p.u. de 1,0, conforme mostrado na Figura 7. O efeito da cor- rente de sequência negativa injetada Ineg é o de neutralizar uma sobre- tensão transitória. Neste exemplo, o controlador de falha 11 detecta a passagem do evento SPAR e inicia a conclusão da sequência de pas- sagem SPAR de modo que o controlador de conversor emita sinais de controle para resumir a operação normal do conversor de potência. Em- bora a presente invenção tenha sido descrita na forma das concretiza- ções e variações preferidas na mesma, será entendido que inúmeras modificações e variações adicionais poderiam ser feitas à mesma sem se afastar do escopo da invenção. Por exemplo, durante uma passagem de evento SPAR, o conversor pode para de comutar os dispositivos de energia do conversor, de modo que nem a energia ativa nem a energia reativa é injetada na rede. Contudo, o conversor está em um estado de espera pronto para retomar a operação tão breve quanto o evento SPAR passa. O método descrito aqui é aplicável à usina de geração de energia renovável que seja conectada à rede via um conversor, tais como par- ques eólicos e parques fotovoltaicos.

[0067] Para fins de clareza, será entendido que o uso de "um/uma" por toda este pedido não exclui uma pluralidade, e "compreendendo" não exclui outras etapas ou elementos. A menção de uma "unidade" ou de um "módulo" não impede o uso de mais de uma unidade ou módulo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para controlar uma usina de geração de energia renovável (1), caracterizado pelo fato de compreender: - um conversor de potência (10) para conectar a usina de geração de energia renovável (1) a uma rede de transmissão de energia (3); - um arranjo de disjuntor (16) entre o conversor de potência (10) e a rede de transmissão de energia (3), que compreende um dis- juntor (16A, 16B, 16C) para cada fase (1A, 1B, 1C) da usina de geração de energia renovável (1); e - um controlador de conversor (11) configurado para gerar sinais de controle (112, 114) para o conversor de potência (10) e sinais de controle (116) para o arranjo de disjuntor (16); cujo método compreende as etapas de - detectar a ocorrência de um evento de falha de fase-terra (Fevent) em uma das fases (3A, 3B, 3C) da rede de transmissão de ener- gia (3); - emitir sinais de controle (116) para o arranjo de disjuntor (16) para manter os disjuntores (16A, 16B, 16C) fechados durante o evento de fase-terra (Fevent); e - emitir sinais de controle (112, 114) para o conversor de po- tência (10) passar pelo evento de falha de fase-terra (Fevent).

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ocorrência de um evento de falhada fase-terra (Fevent) ser deduzido dos valores de tensão e corrente do lado da rede (115).

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracteri- zado pelo fato de os sinais de controle (112, 114) emitidos para o con- versor de potência (10) serem gerados para injetar corrente de sequên- cia negativa (Ineg) para neutralizar uma sobretensão transitória do lado da rede resultante do evento de falha de fase-terra (Fevent).

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações antecedentes, caracterizado pelo fato de o controlador de conversor (11) ser configurado para emitir sinais de comutação de porta (112, 114) para dispensar energia ativa na rede de transmissão de energia (3) du- rante um evento de falha de fase-terra (Fevent).

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações antecedentes, caracterizado pelo fato de o controlador de conversor (11) ser configurado para emitir sinais de comutação de porta (112, 114) para dispensar energia reativa na rede de transmissão de energia (3) durante um evento de falha de fase-terra (Fevent).

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações antecedentes, caracterizado pelo fato de a dispensa de energia reativa receber prioridade sobre a dispensa de energia ativa durante um evento de falha de fase-terra (Fevent).

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações antecedentes, caracterizado pelo fato de a detecção de um evento de falha de fase-terra (Fevent) receber uma prioridade mais baixa do que a detecção de uma falha de sobretensão.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações antecedentes, caracterizado pelo fato de a detecção de um evento de falha de fase-terra (Fevent) receber uma prioridade mais baixa do que a detecção de uma falha de baixa tensão.

9. Usina de geração de energia renovável (1), caracterizada pelo fato de compreender: - um conversor de potência (10) para conectar a usina de geração de energia renovável (1) a uma rede de transmissão de energia (3); - um arranjo de disjuntor (16) entre o conversor de potência (10) e a rede de transmissão de energia (3), que compreende um dis- juntor (16A, 16B, 16C) para cada fase (1A, 1B, 1C) da usina de geração de energia renovável (1); e - um controlador de conversor (11) configurado para gerar sinais de controle (112, 114) para o conversor de potência (10) e sinais de controle (116) para o arranjo de disjuntor (16); em que o controlador de conversor (11) ainda compreende um mó- dulo de detecção de falha (14) configurado para detectar a ocorrência de um evento de falha de fase-terra (Fevent) em uma fase única (3A, 3B, 3C) da rede de transmissão de energia (3), e em que o controlador de conversor (11) é configurado para emitir sinais de controle (116) para o arranjo de disjuntor (16) para manter os disjuntores (16A, 16B, 16C) fe- chados durante o evento de fase-terra (Fevent), e para emitir sinais de controle (112, 114) para o conversor de potência (10) passar pelo evento de falha de fase-terra (Fevent).

10. Usina de geração de energia renovável, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de o módulo de detecção de falha (12) ser configurado para distinguir um evento de falha de fase- terra (Fevent) de um evento de falha de alta tensão e/ou para distinguir um evento de fase-terra (Fevent) de um evento de falha de baixa tensão.

11. Usina de geração de energia renovável, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizada pelo fato de ser realizada como um gerador de turbina eólica (WTG).

12. Usina de geração de energia renovável, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizada pelo fato de o conversor de potência (10) compreender um conversor do lado da má- quina (102) e um conversor do lado da rede (104), cada qual com um arranjo de interruptor de semicondutor de energia para cada fase (1A, 1B, 1C), e de o controlador de conversor (11) ser configurado para emitir sinais de comutação de porta modulados por largura de fase (112) para o conversor do lado da máquina (102) e para emitir sinais de comutação de porta modulados por largura de fase (114) para o conversor do lado da rede (104).

13. Usina de geração de energia renovável, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizada pelo fato de ser realizada como gerador fotovoltaico (PV).

14. Usina de geração de energia renovável, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizada pelo fato de o conversor de potência (10) compreender um conversor do lado da rede (104) com um arranjo de interruptor de semicondutor de energia para cada fase (1A, 1B, 1C), e de o controlador de conversor (11) ser confi- gurado para emitir sinais de comutação de porta modulados por largura de fase (114) para o conversor do lado da rede (104).

15. Produto de programa de computador, caracterizado pelo fato de compreender um programa de computador que é diretamente carregável em uma memória de um controlador (11) de uma usina de geração de energia renovável (1) e de compreender elementos de pro- grama para executar as etapas do método, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8, quando o programa de computador for executado pelo controlador (11).