BRPI0418588B1 - Método para operar um conversor de frequência de um gerador e uma turbina de energia eólica apresentando um gerador operado de acordo com o método - Google Patents
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Abstract
método para operar um conversor de frequência de um gerador uma turbina de energia eólica apresentando um gerador operado de acordo com o método. método para operar um conversor de frequência (26) de um gerador (14) em particular de uma turbina eólica (10), no caso de uma queda substancial na tensão da grade, no qual o conversor de frequência (26) compreende um conversor de energia do lado do gerador (32), a ser ligado ao gerador (14), um conversor de energia do lado da grade (28) a ser ligado na grade (18) e um ircuito de ligação dc (30) para ligar o conversor de energia do lado da grade (28), o método compreendendo a etapa de gerar a quantidade de corrente reativa a ser fornecida á grade (18) através do controle do conversor de frequência (26) de tal forma a gerar corrente reativa.
Description
[001] A presente invenção se refere a um método para a operação de um conversor de frequência de um gerador e, em particular, de um gerador de uma turbina de energia eólica, no caso de uma queda substancial na tensão da rede. Ainda mais, a presente invenção também compreende uma turbina de energia eólica apresentando um gerador operado desta forma. Por fim, a presente invenção também se refere à operação de um gerador em condições normais da rede com o gerador não estando em seu estado operacional para fornecer energia à rede, e a uma turbina de energia eólica apresentando um gerador operado desta forma.
[002] A potência elétrica, nas redes públicas de energia, é fornecida por diversas fontes de energia que convertem a energia mecânica em energia elétrica. As principais fontes de energia que suportam as redes públicas de energia são as usinas de queima de carvão e as usinas de energia nuclear. Diversos outros tipos de fontes de energia, em particular as usinas de energias renováveis (ou limpas) tais como as usinas de energia solar, as usinas hidroelétricas, ou as turbinas eólicas, também contribuem de modo a suportar a rede pública de energia.
[003] No passado, no caso de uma queda significativa na tensão de rede em uma rede pública de energia, era necessário que em tal caso as turbinas de energia eólica fossem desligadas automaticamente. Contudo, e devido ao incremento no número de turbinas eólicas, tem se tornado cada vez mais importante que estas turbinas suportem a rede pública de energia no caso de uma queda substancial na tensão da rede.
[004] Nos geradores de energia, como aqueles utilizados nas turbinas eólicas, é sabido acoplar os enrolamentos de rotor do gerador, através de um conversor de frequência, na rede. No conversor de frequência, a frequência da energia gerada pelo gerador é convertida na frequência da rede.
[005] De forma a suportar a rede pública de energia, deve ser fornecida não apenas a potência real, mas também a potência reativa. Tanto a potência real quanto a potência reativa devem ser controladas pelo conversor de frequência no caso das condições normais da rede. Os métodos para o controle da potência reativa sob as condições normais da rede são descritos, p. ex., nos documentos DE A 100.20.635, WO A 01/20745, WO A 02/086314 WO A 02/086315 e EP A 1.222.389.
[006] Do ponto de vista do uso, é cada vez mais necessário fornecer um suporte para a rede através do fornecimento de corrente reativa no caso de uma queda substancial na tensão da rede ou nas condições normais da rede, mas com os enrolamentos do estator do gerador sendo desconectados da rede.
[007] A presente invenção fornece um método para a operação de um conversor de frequência de um gerador, em particular, de uma turbina de energia eólica, no caso de uma queda substancial na tensão da rede, no qual o conversor de frequência compreende um conversor de energia do lado do gerador, a ser conectado ao gerador, um conversor de energia do lado da rede a ser conectado na rede de tensão, e um circuito de ligação CC para conectar o lado do gerador do conversor de energia ao lado da rede do conversor de energia, o método compreendendo a etapa de controlar a quantidade de corrente reativa a ser fornecida para a rede, através do controle da frequência do conversor, de tal forma a gerar uma corrente reativa também no caso de uma queda na tensão da rede.
[008] De acordo com um primeiro aspecto da invenção, no caso de uma queda substancial na tensão da rede, a intensidade da corrente reativa a ser fornecida para a rede é controlada através do controle apropriado do conversor de frequência, de tal forma a gerar uma corrente reativa. Dependendo do tipo de gerador usado, tanto o lado do gerador do conversor de energia quanto o lado da rede do conversor de energia, ou ambos os conversores de energia do conversor de frequência é/são controlado(s). O conversor de energia do lado do gerador de um conversor de frequência em geral é referido como um conversor CA/CC ou retificador, enquanto que o conversor de energia do lado da rede é referido como um conversor CC/CA ou inversor. Em um conversor de frequência, os conversores de energia do lado do gerador e do lado da rede estão ligados pelo circuito de ligação CC que compreende ao menos um capacitor.
[009] Se é utilizado um gerador assíncrono de alimentação dual ou duplamente alimentado, no caso de uma queda substancial na tensão da rede, de acordo com a invenção, a menos um entre o conversor de energia do lado do gerador e o conversor de energia do lado da rede é controlado de tal forma a gerar uma corrente reativa necessária para suportar a rede. Um equipamento assíncrono de alimentação dupla é um gerador indutivo apresentando os seus enrolamentos do estator ou induzido e do rotor comandados pela rede. No caso de uma desconexão dos enrolamentos do induzido desde a rede, de acordo com a invenção, a corrente reativa ainda pode ser controlada no caso de uma queda substancial na tensão da rede, sendo que é controlado o conversor de energia do lado da rede. No caso do gerador ser um equipamento assíncrono ou síncrono, o controle da intensidade da corrente reativa a ser fornecida para a rede é realizado através do controle do conversor de energia do lado da rede de tal forma a gerar uma corrente reativa. Se tal conversor, no caso de uma queda substancial na tensão da rede, não se encontra em seu estado operacional para a geração de energia, isto é, o induzido está desconectado da rede, quando p. ex., a velocidade do vento é menor que a velocidade de corte abaixo ou que a velocidade mínima do vento, ou esta excede a velocidade de corte acima ou a velocidade máxima do vento a intensidade da corrente reativa a ser fornecida para a rede é gerada através do controle do conversor de energia do lado da rede.
[010] De forma mais preferencial e tipicamente, a corrente reativa no conversor de frequência, de acordo com a invenção, é controlada através do controle do fator de potência (cos Φ). Contudo, também outros mecanismos de controle para o deslocamento da fase, os quais são basicamente conhecidos pelos técnicos no assunto, podem ser utilizados de acordo com a invenção.
[011] Tipicamente, a etapa de controle da corrente reativa, ou ao menos uma dentre as etapas de controle, é realizada quando, por certo período de tempo, por exemplo, entre uns poucos milissegundos e uns poucos segundos, a tensão da rede decai a até ao menos cerca de 40%, mais preferencialmente 20%, e em particular até pelo menos 15% de seu valor normal, no caso em que a média da alta tensão da rede está em torno de 20KV. De acordo com um outro aspecto da invenção, após p. ex., uma tal queda na tensão da rede, a etapa de controle da corrente reativa, ou ao menos uma das etapas de controle, é terminada quando, por uns poucos segundos, a tensão da rede é novamente aumentada até ao menos cerca de 70%, mais preferencialmente 80 e, em particular, até cerca de 90% de seu valor normal.
[012] De acordo com outro aspecto da invenção, é fornecido um método para operar um conversor de frequência de um gerador, em particular de uma turbina eólica, nas condições da rede substancialmente normais (tipicamente ± 5-10 % de desvio em relação à tensão normal da rede) e com o gerador não estando em seu estado operacional, sendo que o conversor de frequência compreende um conversor de energia do lado do gerador, a ser ligado ao gerador, um conversor de energia do lado da rede, a ser ligado na tensão da rede, e um circuito de ligação CC, para ligar o conversor de energia do lado do gerador ao conversor de energia do lado da rede, o método compreendendo a etapa de controlar a intensidade da corrente reativa a ser fornecida para a rede através do controle do conversor de energia do lado da rede.
[013] De acordo com este aspecto da invenção, a intensidade da corrente reativa a ser fornecida para a rede é controlada através do controle do conversor de energia do lado da rede quando, nas condições normais da rede, o gerador não se encontra em seu estado operacional, isto é, quando o seu induzido está desconectado da rede como referido acima. O gerador pode ser um equipamento assíncrono, um equipamento assíncrono de alimentação dupla, ou um equipamento síncrono. O controle do conversor de frequência pode ser supervisionado pela utilização ou pelo controle do gerenciamento de energia do gerador ou de um grupo de geradores, ao menos um dentre os quais estando operacionalmente ligado à rede.
[014] De acordo com outro aspecto, a presente invenção fornece uma turbina de energia eólica para gerar a energia a ser fornecida para a rede, compreendendo:- um rotor,- um gerador operacionalmente ligado ao rotor,- um conversor de frequência, passível de ser eletricamente ligado ao gerador e à rede e compreendendo um conversor de energia do lado do gerador operacionalmente ligado ao gerador, um conversor de energia do lado da rede operacionalmente ligado na rede, e um circuito de ligação CC para ligar o conversor de energia do lado do gerador ao conversor de energia do lado da rede, e - uma unidade de controle para controlar a frequência do conversor de modo a gerar uma corrente reativa a ser fornecida para a rede,- sendo que, no caso de uma queda substancial na tensão da rede, a unidade de controle controla a frequência do conversor de modo a controlar a intensidade da corrente reativa a ser fornecida para a rede, de tal forma a gerar a corrente reativa.
[015] Por fim, em um aspecto da invenção, é fornecida uma turbina de energia eólica para gerar energia a ser fornecida para a rede, compreendendo:- um rotor,- um gerador operacionalmente ligado ao rotor,- um conversor de frequência, passível de ser eletricamente ligado ao gerador e à rede e compreendendo um conversor de energia do lado do gerador operacionalmente ligado ao gerador, um conversor de energia do lado da rede operacionalmente ligado na rede, e um circuito de ligação CC para ligar o conversor de energia do lado do gerador ao conversor de energia do lado da rede, e- uma unidade de controle para controlar a frequência do conversor de modo a gerar uma corrente reativa a ser fornecida para a rede,- sendo que, na condição normal da rede, mas com o gerador não estando em seu estado operacional, a unidade de controle controla o conversor de energia do lado da rede do conversor de frequência para controlar a intensidade da corrente reativa a ser fornecida para a rede.
[016] Uma descrição completa e suficiente da presente invenção, incluindo a melhor forma de realização desta, dirigida a um técnico no assunto, é apresentada mais particularmente no restante da descrição, incluindo as referências aos desenhos que a acompanham, nos quais: A figura 1 mostra, de forma esquemática, o circuito de um conversor de frequência para o controle da intensidade de potência reativa, no caso de uma queda substancial na tensão da rede, com o gerador estando ou não desconectado da rede, ou nas condições normais da rede, mas com o gerador estando desconectado da rede;A figura 2 mostra uma forma de realização da invenção, similar àquela da figura 1, com o gerador assíncrono sendo substituído por um gerador síncrono de excitação permanente; eA figura 3 mostra uma forma de realização da invenção, similar àquela da figura 2, com o gerador síncrono de excitação permanente sendo substituído por um gerador síncrono eletricamente excitado.
[017] Na figura 1, são mostrados os componentes primários da turbina 10 de energia eólica para converter energia mecânica em energia elétrica. De acordo com os desenhos, um rotor 12 da turbina eólica 10 está mecanicamente acoplado a um gerador assíncrono 14 (isto é, um gerador de indução), através de uma caixa de engrenagens 16. O gerador assíncrono converte a energia mecânica de rotação em energia elétrica, a qual é fornecida a uma rede 18 de distribuição de energia. Para proceder desta forma, o gerador assíncrono tipicamente inclui um estator 20 apresentando um enrolamento de três fases (não mostrado) e ligado à rede 18 de distribuição de energia. Ainda mais, o gerador assíncrono 14 também inclui um rotor 22 dotado de um enrolamento de três fases (não mostrado), o qual está conectado a um curto circuito 24 (também referido como proteção por curto-circuito - ”crowbar”).
[018] Como é usualmente sabido, o enrolamento do rotor é excitado por um conversor de frequência 26, o qual, por sua vez, está ligado à rede 18 de distribuição de energia. O projeto do conversor de frequência 26 é em geral conhecido pelos técnicos no assunto. O conversor de frequência 26 inclui um conversor de energia do lado da rede 28 (conversor CA/CC ou inversor) ligado à rede 18 de distribuição de energia, um circuito de ligação CC 30 e um conversor de energia do lado do gerador 32 (conversor CA/CC ou retificador) ligado ao enrolamento do rotor. Na entrada e na saída do conversor de frequência 26 são providos circuitos de filtro 34, 36. São fornecidas as chaves 37, 39 para ligar e desligar o estator e o rotor na e da rede,respectivamente.
[019] O conversor de frequência 26 é controlado por meio de uma unidade de controle 38, a qual recebe os parâmetros do rendimento nominal (p. ex., as condições operacionais) da turbina eólica (não mostrada), assim como a tensão da rede Ugrid e a corrente da rede Igrid. Estes parâmetros de entrada recebidos pela unidade de controle 38 são em geral conhecidos pelos técnicos no assunto com relação às turbinas de energia eólica de velocidade variável.
[020] Apesar de que na figura 1 são mostradas chaves eletrônicas específicas como uma parte dos conversores de energia do lado da rede e do lado do gerador 28, 32 respectivamente, pode ser utilizado qualquer tipo de elemento eletrônico de comutação auto comunicante ou externamente controlado, tal como um tiristor, um transistor, um IGBT, um diodo ou similar. Ainda mais, e apesar de que na figura 1 o gerador 14 é mostrado através de uma forma de construção do tipo de um dispositivo assíncrono de alimentação dupla, podem ser usados outros tipos de geradores, tais como dispositivos assíncronos ou síncronos (o último sendo de tipo excitado eletricamente ou de forma permanente) de acordo com a invenção para controlar a corrente reativa no caso de uma queda substancial na tensão da rede e/ou no caso em que o gerador não se encontra em seu estado operacional devido a uma desconexão temporária da rede 18.
[021] Como mostrado na figura 1, o controle da unidade de controle 38 é supervisionado por meio de um controlador da turbina 40 o qual,nesta forma de realização, é controlado pelo gerenciamento de energia 42 das fazendas de vento o qual controla uma pluralidade (não mostrada) de controladores de turbina 40 e controlado por empresas de serviços públicos 44. No caso em que a turbina eólica 10 não faz parte da fazenda de vento que compreende uma pluralidade de turbinas eólicas, a empresa de serviços públicos 44 controla, de forma direta, o controlador da turbina 40.
[022] Atualmente, as redes são estabilizadas por meio de usinas de energia convencionais. A partir da ocorrência de um breve curto circuito ou de um distúrbio, por exemplo, uma desconexão indesejável dentro da rede, a tensão da rede sofre uma breve queda, e após o distúrbio ser terminado, as usinas de energia em geral aumentam novamente a tensão. Atualmente está sendo fornecida uma potência útil maior por parte das usinas de energia eólica e o número de usinas de energia eólica está aumentando rapidamente. Assim, as modernas e grandes fazendas de vento alcançam a potência útil similar a de pequenas usinas de energia. Para se obter a estabilidade da rede, as futuras usinas eólicas devem apresentar as mesmas propriedades que a das usinas de energia convencional para o caso de distúrbios na rede. No caso de uma queda na tensão da rede, deve ser gerada não apenas potência real para suportar a rede 18, mas deve ser gerada também energia ou corrente reativa de modo a suportar a rede sob distúrbio, devido às suas impedâncias e, em particular, devido aos indutores, representados pelos cabos da rede, que necessitam de alguma potência reativa.
[023] De acordo com a invenção, no caso em que um detector 46, para a tensão da rede e/ou para a corrente da rede, detecta uma distorção na rede (isto é, uma substancial queda na tensão da rede), através do controlador 40 da turbina e/ou da unidade de controle 38, o conversor de frequência 26 é controlado de modo a fornecer a quantidade de corrente reativa necessária para suportar a rede perturbada. A corrente reativa pode ser gerada e controlada por ao menos um entre o conversor de energia do lado da rede 28 ou o conversor de energia do lado do gerador 32. Se a chave 37 está aberta, isto é, se o gerador 14 não se encontra em seu estado operacional, e se a rede 18 está sofrendo um distúrbio, a corrente reativa pode ser gerada somente através do controle do conversor de energia do lado da rede 28. Para o controle da corrente reativa nas circunstâncias supra citadas, por exemplo, pode ser controlado o fator de potência dos conversores de energia 28, 32 do conversor de frequência 26.
[024] Ainda mais, por meio do circuito e do sistema mostrado na figura 1, e também sob as condições normais da rede e com o gerador 14 estando desconectado da rede 18 (chave 37 aberta), a corrente reativa pode ser gerada de modo a ser fornecida para a rede 18. Na presente forma de realização, isto pode ser realizado através do controle do conversor de energia do lado da rede 28.
[025] Como fica evidente a partir do supra, e em um aspecto da presente invenção, a potência reativa pode ser fornecida através do conversor de frequência 26 para a rede 18, de modo a suportar a mesma. A intensidade da potência reativa fornecida será aumentada. Isto causa um aumento no fornecimento de tensão pela turbina eólica 10, o que é desejável no caso de uma queda na tensão da rede. De acordo com a invenção, a potência reativa é fornecida através da operação do conversor de frequência 26, isto é, através da operação de ao menos um entre os conversores de energia 28 e 32. Ambos os conversores podem criar potência reativa, a qual pode ser controlada pela unidade de controle 38 e/ou pelo controlador 40 da turbina.
[026] Uma possibilidade para o controle da quantidade de potência reativa gerada pela turbina eólica 10 e que é fornecida para a rede 18 está em medir a tensão da rede de modo a influenciar a unidade de controle 38 de tal forma que o gerador 14 fique sobre excitado. Isto faz com que o gerador 14 forneça potência reativa. Esta possibilidade é aplicável nos dispositivos assíncronos de alimentação dupla através do controle do conversor de energia do lado do gerador 32 do conversor de frequência 26. como uma alternativa e em adição ao quanto supra, a potência reativa também pode ser gerada através do controle do conversor de energia do lado da rede 28. Neste caso, o conversor de energia do lado da rede 28 fornece potência reativa para a rede 18. Mesmo que o estator, ou estator, do gerador 14 não esteja ligado na rede 18, o conversor de energia do lado da rede 28 está apto a fornecer potência reativa em qualquer um dos modos operacionais sobre ou sub excitado do gerador 14.
[027] Outro aspecto da invenção está relacionado ao controle da potência reativa dentro das condições normais da rede. Neste caso, o conversor de energia do lado da rede 28 está apto a fornecer potência reativa em qualquer um dos modos operacionais sobre ou subexcitado do gerador 14, quando o estator do gerador 14 não está conectado na rede 18 e quando a turbina eólica 10 não envia potência real.
[028] Para todos os aspectos supra citados, a referência da potência reativa pode ser calculada dentro da unidade de controle 38 do conversor ou dentro do controlador 40 da turbina. Além disto, é possível calcular a referência da potência reativa por meio de outra unidade, por exemplo o gerenciamento da energia 42 da fazenda eólica. Isto também pode compreender a opção de unidades externas calculando a referência da potência reativa, isto é, por exemplo, pela empresa de serviços públicos 44.
[029] Outras formas de realização são mostradas nas figuras 2 e 3. Nestas figuras, para as partes similares ou idênticas às partes da figura 1, são usados os mesmos números de referência dotados de uma ou duas linhas.
[030] A diferença entre a turbina eólica 10' de acordo com a figura 2 em relação àquela da figura 1 está no tipo de gerador 14' utilizado. Contudo, o controle da geração da corrente reativa no conversor de frequência 26'é basicamente o mesmo. Isto também é verdade para a forma de realização da figura 3, na qual o gerador assíncrono 14' da forma de realização da figura 2 é substituído por um gerador 14"síncrono de excitação elétrica comandado por um circuito de excitação 48", controlado pelo controlador 40" da turbina, que depende, além de outros fatores, da velocidade de rotação do rotor 12".
[031] Mais especificamente, e nas formas de realização da figura 2 e da figura 3, a corrente reativa, no caso de uma queda substancial na tensão da rede, é gerada através do controle do conversor de energia do lado da rede 28 do conversor de frequência 26.
[032] Em conexão com a forma de realização da figura 1, também é levado em consideração o caso em que a rede 18 está substancialmente sob uma condição normal de operação e que o gerador 14 está desconectado da rede por meio da chave 37, a qual está aberta. Em um gerador síncrono 14' e 14", como mostrado na figura 2 e na figura 3, a desconexão do gerador em relação à rede é realizada deixando abertas as chaves eletrônicas do conversor de energia do lado do gerador 32. Nesta situação, o conversor de energia do lado da rede 28 ainda está conectado na rede 18, uma vez que as chaves 37' e 37", respectivamente, ainda estão fechadas. Desta forma, a corrente reativa pode ser gerada através do controle do conversor de energia do lado da rede 28 de tal forma a suprir de corrente reativa a rede 18.
[033] Apesar de a invenção ter sido descrita e exemplificada em relação a formas de realização específicas da mesma, não se pretende que a invenção seja limitada por estas formas ilustrativas de realização. Os técnicos no assunto irão perceber que podem ser feitas variações e modificações sem com isto escapar do verdadeiro escopo da invenção, conforme definido pelas reivindicações que seguem. Pretende-se, portanto, incluir dentro da invenção todas estas variações e modificações que recaem dentro do escopo das reivindicações em anexo e dos equivalentes desta.
Claims (3)
1. MÉTODO PARA OPERAR UM CONVERSOR DE FREQUÊNCIA (26, 26', 26") DE UM GERADOR (14, 14', 14") DE UMA TURBINA EÓLICA (10, 10', 10"), no caso de uma queda substancial na tensão da rede, no qual o conversor de frequência (26, 26', 26") compreende um conversor de energia do lado do gerador (32, 32', 32"), a ser ligado ao gerador (14, 14', 14"), sendo que o gerador é um equipamento assíncrono de alimentação dupla, um conversor de energia do lado da rede (28, 28', 28") a ser ligado na rede (18, 18', 18") e um circuito de ligação CC (30, 30', 30") para ligar o conversor de energia do lado do gerador (32, 32', 32") ao conversor de energia do lado da rede (28, 28', 28"), sendo que quando o gerador (14) não está em seu estado operacional para a geração de energia, o método compreende a etapa de: - gerar a quantidade de corrente reativa a ser fornecida à rede (18, 18', 18") através do controle do conversor de energia do lado da rede (28) do conversor de frequência (26, 26', 26") de tal forma a gerar corrente reativa, caracterizado pelo controle do conversor de energia do lado da rede (28) do conversor de frequência ser feito quando, por um certo período, a tensão de rede diminui a pelo menos 15% do seu valor normal; e em que sob condições normais de rede, com o gerador estando desconectado da rede (18), a corrente reativa ser gerada para ser suprida à rede pelo controle do conversor de energia do lado de rede (28).
2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopor, para gerar a corrente reativa por meio do conversor de frequência (26, 26', 26"), o fator de potência ser controlado.
3. TURBINA DE ENERGIA EÓLICA (10, 10', 10") PARAGERAR ENERGIA A SER FORNECIDA A UMA REDE (18, 18', 18"), quecompreende:- um rotor (12, 12', 12''),- um gerador (14, 14', 14") operacionalmente ligado ao rotor (12, 12', 12''),- um conversor de frequência (26, 26', 26") passível de ser ligado eletricamente ao gerador (14, 14', 14"), sendo que o gerador (14) é um equipamento assíncrono de alimentação dupla, e à rede (18, 18', 18'') e compreendendo um conversor de energia do lado do gerador (32, 32', 32") passível de ser operacionalmente ligado ao gerador (14, 14', 14"), umconversor de energia do lado da rede (28, 28', 28") passível de seroperacionalmente ligado à rede (18, 18', 18") e um circuito de ligação CC (30, 30', 30") para ligar o conversor de energia do lado do gerador (32, 32',32") ao conversor de energia do lado da rede (28, 28', 28"), e- uma unidade de controle (38, 38', 38'') para controlar o conversor de energia do lado da rede (28) do conversor de frequência (26, 26', 26") de modo a gerar a corrente reativa a ser fornecida para a rede,caracterizada por, se o gerador (14) não estiver em seu estado operacional para a geração de energia, em caso de a tensão da rede diminuir para pelo menos 15% de seu valor normal por determinado período de tempo, a unidade de controle (38, 38', 38") controlar o conversor de energia do lado da rede (28) do conversor de frequência (26, 26', 26") de modo a gerar aquantidade de corrente reativa a ser fornecida para a rede (18, 18', 18"); esob condições normais de rede, com o gerador estandodesconectado da rede (18), a corrente reativa ser gerada para ser suprida à rede pelo controle do conversor de energia do lado de rede (28).
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