BRPI0722022A2 - Sistema de geração de energia eólica e método de controle de operação do mesmo - Google Patents
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Description
“SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA E MÉTODO DE CONTROLE DE OPERAÇÃO DO MESMO”
Campo Técnico
A presente invenção refere-se a um sistema de geração de energia eólica e um mé- todo de controle de operação do mesmo.
Antecedente da Técnica
Suavizar flutuações de saída de uma estação eólica é conhecido. Se o desvio- padrão da flutuação de saída de uma turbina de vento for definido como σ, então o atotai do desvio-padrão da flutuação de saída de uma estação eólica com M turbinas de vento é re- presentado pela equação a seguir (1) contanto que as flutuações de saída de cada turbina de vento não sejam correlatadas (aleatórias).
[Equação 1]
Citação da Patente 1: patente US No. 6724097, relatório descritivo,
Citação da Patente 2: patente US No. 6946751, relatório descritivo.
Revelação da Invenção
Porém, se a correlação das flutuações de saída de cada turbina de vento na esta- ção eólica for alta, há um risco que a flutuação de saída da estação eólica não será suavi- zada, mas será observado como uma flutuação de saída grande.
A presente invenção foi concebida para solucionar os problemas supracitados, e um objetivo da mesma é fornecer um sistema de geração de energia eólica que pode dimi- nuir a flutuação de saída em um nó de interconexão e um método de controle de operação do mesmo.
Para solucionar o problema supracitado, a presente invenção emprega as soluções
a seguir.
O primeiro aspecto da presente invenção é um método de controle de operação de um sistema de geração de energia eólica fornecido com uma pluralidade de turbinas de ven- to em que a potência de cada turbina de vento é provida a um sistema de energia elétrica através de um nó de interconexão comum, o método de controle de operação do sistema de geração de energia eólica compreendendo: uma etapa de obter os dados de saída de cada turbina de vento; uma etapa de determinar uma correlação entre as flutuações de saída das turbinas de vento adjacentes usando os dados de saída; e uma etapa de alterar, se uma correlação forte for apresentada, uma fase da flutuação de saída de qualquer uma das duas turbinas de vento adjacentes por um período no qual a correlação forte é apresentada.
(D De acordo com um tal método de controle de operação, a correlação das flutuações de saída das turbinas de vento posicionadas adjacentemente é obtida e, se aquela correla- ção for forte, a fase da flutuação de saída de qualquer uma das duas turbinas de vento adja- centes é alterada pelo período no qual a correlação forte é apresentada, portanto, é possível enfraquecer a correlação das flutuações de saída entre as turbinas de vento adjacentes.
Como resultado, é possível relaxar a flutuação de saída no nó de interconexão no qual a potência de saída de cada turbina de vento é provida, e prover energia elétrica mais estável para o sistema de energia elétrica.
A expressão “se uma correlação forte for apresentada” significa, por exemplo, uma situação onde um valor de correlação mais de 2 vezes maior que o nível médio da correla- ção é apresentado. Por exemplo, no gráfico mostrado na FIG. 5, um pico exibindo um valor de correlação mais de 2 vezes maior que o nível médio da correlação é mostrado. Uma situ- ação como esta será julgada como uma correlação forte.
No método de controle de operação do sistema de geração de energia eólica su- pracitado, a fase da flutuação de saída pode ser alterada alterando um ângulo do passo da pá de qualquer uma das duas turbinas de vento adjacentes.
Alterando qualquer um dos dois ângulos do passo da pá desta maneira, a velocida- de rotacional do gerador é alterada; como resultado, é possível alterar a fase da flutuação de saída. Desse modo, é possível enfraquecer a correlação das flutuações de saída entre as turbinas de vento adjacentes.
Além disso, no método de controle de operação do sistema de geração de energia eólica supracitado, a fase da flutuação de saída pode ser alterada alterando uma velocidade rotacional de um gerador de qualquer uma das duas turbinas de vento adjacentes.
Alterando a velocidade rotacional de qualquer um dos dois geradores desse modo, é possível alterar a fase da flutuação de saída. Desse modo, é possível enfraquecer a corre- lação das flutuações de saída entre as turbinas de vento adjacentes.
O segundo aspecto da presente invenção é um sistema de geração de energia eóli- ca fornecido com uma pluralidade de turbinas de vento em que a potência produzida de ca- da turbina de vento é provida a um sistema de energia elétrica através de um nó de interco- 30 nexão comum, no qual os dados de saída de cada turbina de vento são obtidos; uma corre- lação entre as flutuações de saída das turbinas de vento adjacentes é determinada usando dados de saída; e se uma correlação forte for apresentada, uma fase da saída de qualquer uma das duas turbinas de vento adjacentes é alterada por um período ano qual a correlação forte é apresentada.
De acordo com a presente invenção, uma vantagem é dada em que é possível di-
minuir a flutuação de saída no nó de interconexão.
Breve Descrição dos Desenhos [FIG. 1] FIG. 1 é um diagrama ilustrando a configuração geral de um sistema de ge- ração de energia eólica de acordo com uma modalidade da presente invenção.
[FIG. 2] FIG. 2 é um diagrama ilustrando a configuração de uma turbina de vento de acordo com uma modalidade da presente invenção.
[FIG. 3] FIG. 3 é um diagrama ilustrando, em mais detalhes, a configuração da tur-
bina de vento mostrada na FIG. 2.
[FIG. 4] FIG. 4 é um diagrama de blocos ilustrando uma configuração de exemplo de um gerador e a periferia dos mesmos.
[FIG. 5] FIG. 5 é um gráfico ilustrando um exemplo do valor de correlação da flutua- ção de saída de uma turbina de vento.
' ExplaTfâcão de Referência:
1 sistema de geração de energia eólica 100 dispositivo de controle central 30 linha de energia elétrica
A nó de interconexão
WTG1, WTG2, WTGnTurbinas de vento Melhor Modo para Levar a Cabo a Invenção
No seguinte, uma modalidade de um sistema de geração de energia eólica e um método de controle de operação do mesmo de acordo com a presente invenção será descri- to com referência aos desenhos.
FIG. 1 é um diagrama de blocos que mostra a configuração geral de um sistema de geração de energia eólica de acordo com esta modalidade. Como mostrado na FIG. 1, uma geração de potência de vento para sistema 1 é proporcionado uma pluralidade de turbinas de vento WTG1, WTG2,..., WTGn (doravante, quando referir-se a todas as turbinas de ven- 25 to, elas serão atribuídas simplesmente com o sinal de referência “WTG”, e quando referir-se a cada turbina de vento individualmente, elas serão atribuídas com os sinais de referência “WTG1”, “WTG2”, e assim sucessivamente) e um dispositivo de controle central 100 que dá um comando de controle para cada turbina de vento WTG. Nesta modalidade, cada turbina de vento WTG pode ser uma turbina de vento de velocidade variável ou uma turbina de ven- 30 to de velocidade constante.
A potência de saída de cada turbina de vento WTG1, WTG2..., WTGn é provida a um sistema de energia elétrica através do nó de interconexão comum A por meio de uma linha de energia elétrica 30.
Como mostrado na FIG. 2, cada turbina de vento WTG é equipada com uma torre 2 e uma nacela 3 montadas na extremidade superior da torre 2. A nacela 3 é capaz de girar- se na direção da guinada e é direcionada para uma direção desejada por um mecanismo de giro da nacela 4. Um gerador 5 e uma caixa de câmbio 6 são montados na nacela 3. Um rotor do gerador 5 é conectado a um rotor da turbina de vento 7 através da caixa de câmbio 6.
O rotor da turbina de vento 7 é provido com pás 8 e um centro 9 para suportar as pás 8. As pás 8 são montadas de forma que seus ângulos de passo são ajustáveis. Especi- ficamente, como mostrado na FIG. 3, um cilindro hidráulico 11 para guiar as pás 8 e uma válvula servo 12 para prover pressão hidráulica ao cilindro hidráulico 11 é acomodado no centro 9. Dependendo do grau de abertura da válvula servo 12, a pressão hidráulica a ser provida ao cilindro hidráulico 11 é controlada, e assim, as pás 8 são controladas no ângulo de passo desejado.
Referindo novamente à FIG. 2, um medidor de velocidade/direção 10 é também montado na nacela 3. O medidor de velocidade/direção do vento 10 mede a velocidadeUo vento e a direção do vento. A nacela 3 é girada em resposta à velocidade do vento e à dire- ção do vento medidas pelo medido de velocidade/direção do vento 10.
FIG. 4 é um diagrama de blocos que mostra uma configuração exemplar do gerador e da periferia do mesmo. O gerador 5 nesta modalidade é configurado de forma que a po- tência elétrica geradja pelo gerador 5 pode ser produzida para o sistema de energia elétrica através de uma bobina de estator e uma bobina de rotor. Especificamente, no gerador 5, sua bobina de estator é conectada diretamente ao sistema de energia elétrica, e a bobina de rotor é conectada ao sistema de energia elétrica através de um conversor AC-DC-AC 17.
O conversor AC-DC-AC 17 é formado de um retificador ativo 14, um barramento de DC 15, e um inversor 16 e converte a potência AC recebida da bobina de rotor em potência AC que é ajustada à frequência do sistema de energia elétrica. O retificador ativo 14 conver- te a potência AC gerada na bobina de rotor em potência DC, e produz potência DC para o barramento DC 15. O inversor 16 converte a potência DC recebida do barramento DC 15 em potência AC da mesma frequência que o sistema de energia elétrica, e produz potência AC.
O conversor AC-DC-AC 17 também tem uma função para converter a potência AC recebida do sistema de energia elétrica em potência AC que é ajustada à frequência da bo- bina de rotor, e o conversor de AC-DC-AC 17 é também usado para excitar a bobina de ro- tor dependendo dos estados operacionais da turbina de vento WTG. Neste caso, o inversor
16 converte a potência AC na potência DC e produz potência de DC para o barramento DC
15. O retificador ativo 14 converte a potência de DC recebida do barramento DC 15 na po- tência AC que é ajustada à frequência da bobina de rotor e provê potência AC para a bobina de rotor do gerador 5.
Um sistema de controle da turbina de vento WTG é formado de um PLG (gerador lógico de pulso) 18, uma unidade de controle principal 19, um sensor de voltagem/corrente 20, um controlador acionado pelo conversor 21, uma unidade de controle de passo 22, e um controlador de guinada 23. PLG 18 determina a velocidade rotacional ω do gerador 5 (doravante referido como “velocidade rotacional do gerador ω”).
A unidade de controle principal 19 gera um comando de potência ativo P*, um co- mando de potência reativo Q*, e um comando de passo β* em resposta à velocidade rota- 5 cional do gerador ω determinada pelo PLG 18, e também gera um comando de guinada em resposta à velocidade do vento e direção do vento determinadas pelo medidor de velocida- de/direção do vento 10. Além disso, quando um comando de cancelamento de sincroniza- ção for recebido do dispositivo de controle central 100 (vide FIG. 1), a unidade de controle principal 19 executa a correção do comando de ângulo de passo β* em 0,5° para o lado de 10 transviar as pás durante um tempo predeterminado. Os detalhes deste controle de correção- serão descritos abaixo.
O sensor de voltagem/corrente 20 é fornecido na linha de energia elétrica 30 que conecta o gerador 5 ao sistema de energia elétrica, e determina a voltagem de saída Vea corrente de saída I do gerador 5.
O controlador de acionamento do conversor 21 executa o controle de liga/desliga
do transistor de potência do retificador ativo 14 e o inversor 16 para controlar a saída potên- cia ativa P e potência reativo Q em resposta ao comando de potência ativo P* e o comando de potência realivo Q*. Especificamente, o controlador de acionamento do conversor 21 cal- cula a potência ativa Pea potência reativa Q da voltagem de saída Vea corrente de saída I 20 determinada pelo sensor de voltagem/corrente 20. O controlador de acionamento do con- versor 21 também gera um sinal de PWM conduzindo PWM controle em resposta à diferen- ça entre a potência ativa Peo comando de potência ativa P* e a diferença entre a potência reativa Qeo comando de potência reativo Q*, e provê o sinal de PWM gerado para o retifi- cador ativo 14 e o inversor 16. Desse modo, a potência ativa Pea potência reativa Q são 25 controladas.
A unidade de controle de passo 22 controla o ângulo do β das pás 8 em resposta ao comando de passo β* enviado da unidade de controle principal 19. O ângulo de passo β das pás 8 é controlado para ser consistente com o comando de passo β*.
O controlador de guinada 23 controla o mecanismo de giro da nacela 4 em resposta ao comando de guinada enviado da unidade de controle principal 19 e aponta a nacela 3 na direção indicada.
Um conversor AC/DC 24 é conectado à linha de energia elétrica 30 que é enrolada dentro da turbina de vento WTG. Este conversor AC/DC 24 gera a potência DC a partir da potência AC recebida do sistema de energia elétrica através da linha de energia elétrica 30, 35 e provê aquela potência DC ao sistema de controle da turbina de vento WTG, especialmen- te, a válvula servo 12, a unidade de controle principal 19, e a unidade de controle de passo 22, que são usadas para controlar o ângulo de passo β das pás 8. Também, a fim de estavelmente prover a potência de DC à válvula servo 12, à uni- dade de controle principal 19, e à unidade de controle de passo 22, a turbina de vento WTG é equipada com um sistema de potência ininterrupta 26 equipado com um carregador 27 e uma bateria de emergência 28. Devido às necessidades para o sistema de geração de e- 5 nergia eólica, como LVRT (Low Voltage Ride Thru), é necessário manter um estado em que o gerador 5 fique conectado ao sistema de energia elétrica até mesmo se a voltagem do sistema Vgrid for diminuída. Para fazê-lo, é necessário adequadamente controlar o ângulo de passo das pás 8 até mesmo se a voltagem do sistema de energia elétrica for diminuída, assim mantendo o valor desejado da velocidade rotacional do gerador 5. Para satisfazer tais 10 necessidades, quafldo a voltagem do sistema Vgrid for diminuído para uma voltagem prede- terminada, o Sfètema de potência ininterrupta 26 é conectado à válvula servo 12, à unidade de controle principal 19, e à unidade de controle de passo 22 por um interruptor 25, e ener- gia elétrica é provida da bateria de emergência 28 para a válvula servo 12, a unidade de controle principal 19, e a unidade de controle de passo 22. Assim, o controle do ângulo de 15 passo das pás 8 é mantido. A bateria de emergência 28 é conectada ao carregador 27. O carregador 27 carrega a bateria de emergência 28 com a potência de DC provida do con- versor AC/DC 24.
Em seguida, o método de controle de operação do sistema de geração de potência eólica 1 supracitado será descrito.
O dispositivo de controle central 100 mostrado na FIG. 1 coleta dados de tempo-
série Pi(t) da potência de saída (especificamente, a potência ativa) de cada uma das turbi- nas de vento WTG1, WTG2... WTGn que constitui o sistema de geração de potência eólica
1.
Aqui, Pi(t) = P(kAt), em que “k” é o número de amostragens e k é = 0, 1, 2..., N, “At” é um período de amostragem, e “i” denota a potência ativa da ésima turbina de vento WTG.
Com respeito à coletânea dos dados de tempo-série supracitados P(i), é realizada, por exemplo, obtendo os dados de tempo-série da potência ativa e da potência reativa que são calouladas pelo controlador de acionamento do conversor 21 fornecido em cada turbina de vento WTG.
O dispositivo de controle central 100 coleta os dados de tempo-série da saída de
cada turbina de vento WTG e depois calcula a correlação entre as flutuações de saída das turbinas de vento adjacentes no sistema de geração de potência eólica 1 (na estação eóli- ca). Para este propósito, informação relacionada à posição de cada turbina de vento é ante- cipadamente registrada no dispositivo de processamento central 100.
O cálculo da correlação supracitado pode ser conduzido usando a equação (2)
mostrada abaixo ou usando um cálculo de Fourier rápido (FFT) ou outros. Além disso, é também possível usar outros métodos conhecidos. [Equação 2]
, JV-I
Ri,i+l(m) = — ΣΡΜΡί+ΐ(" + W
/2 = 0
contanto que -(N-1) á m < (N-1)
O dispositivo de controle central 100 conduz aos cálculos da relação de correlação 5 para cada um de i = 1 a M-1 e determina se ou não as turbinas de vento adjacentes que são altamente correlatadas existem. Se houver uma correlação, por exemplo, um pico de corre- lação como o mostrado na FIG. 5 aparecerá. Na FIG. 5, o eixo geométrico horizontal repre- senta tempo e o eixo geométrico vertical representa valor de correlação, e o tempo mpAt representa o tempo decorrido a partir do tempo 0 que é a referência do período de tempo de 10 amostragem. É mostrado que uma correlação forte da flutuação de saída é apresentada entre a ésima turbina de vento e a i+1-a turbina de vento neste tempo.
Se houver um par de turbinas de vento que exibiram uma correlação forte da flutua- ção de saída, o dispositivo de controle central 100 envia um comando de cancelamento de sincronização para ajustar o ângulo de passo por uma quantidade predeterminada e infor- mação sobre o período (tempo) no qual a correlação é apresentada para uma ou outra tur- bina de vento do par de turbinas de vento.
Aqui, com a turbina de vento de velocidade constante, a correlação supracitada se- rá apresentada periodicamente uma vez que a velocidade rotacional do gerador 5 é cons- tante. Portanto, é possível estimar quando a correlação será apresentada no futuro. Além 20 disso, até mesmo com uma turbina de vento de velocidade variável em que a velocidade rotacional do gerador 5 é variável, será possível estimar o tempo no qual a correlação será apresentada no futuro tornando o período de tempo de amostragem dos dados de tempo- série da saída da turbina de vento mais curto com relação ao período de tempo durante o qual a velocidade rotacional varia, por exemplo, entre um minuto e várias dezenas de minu- 25 tos.
Na turbina de vento WTG que recebeu o comando de cancelamento de sincroniza- ção do dispositivo de controle central 100, a unidade de controle principal 19 mostrada na FIG. 4 corrige o comando de ângulo de passo β* supracitado para a extensão que a correla- ção da flutuação de saída não será apresentada entre as turbinas de vento adjacentes por 30 volta do tempo rripAt durante o qual a correlação é apresentada, e dá o comando do ângulo de passo corrigido β*’ para a unidade de controle de passo 22. Especificamente, a unidade de controle principal 19 dá o comando de ângulo de passo corrigido β*’ que é o comando de ângulo de passo β* supracitado sendo corrigido pela quantidade predeterminada (por exem- plo, 0,5°) em direção ao lado de transvio para a unidade de controle de passo 22 no período de tempo de 1/2rripAt a 1/3mpAt tomando o tempo nripAt durante o qual a correlação é apre- sentada como uma referência.
Porque a velocidade rotacional do gerador 5 no tempo NipAt é alterada, a fase da flutuação de saída é alterada. Como resultado, é possível diminuir a correlação da flutuação de saída entre as turbinas de vento adjacentes. Consequentemente, a fase da flutuação de saída no nó de interconexão A pode ser alterada, e é possível diminuir a flutuação de saída no nó de interconexão A para a estação eólica como um todo.
O dispositivo de controle central 100 executa repetitivamente o processamento su- pracitado em intervalos de tempo predeterminados, assim reduzindo a correlação entre as flutuações de saída das turbinas de vento adjacentes. -
Como descrito acima, de acordo com o sistema dé~£jeração de energia eólica e o método de controle de operação do mesmo, de acordo com este modalidade, a correlação das flutuações de saída das turbinas de vento posicionadas adjacentemente é obtida e, se aquela correlação for forte, a fase da flutuação de saída de qualquer uma das duas turbinas 15 de vento adjacentes é alterada pelo período no qual a correlação forte é apresentada, por- tanto, é possível enfraquecer a correlação das flutuações de saída entre as turbinas de ven- to adjacentes.
Como resultado, é possível relaxar a flutuação de saída no nó de interconexão ao qual a potência de saída de cada turbina de vento é provida, e prover energia elétrica mais estável ao sistema de energia elétrica.
Embora a modalidade da presente invenção tenha sido descrita acima com referên- cia aos desenhos, a configuração atual não é limitada a esta modalidade; modificações de projeto que não abandonam o espírito da presente invenção são também abrangidas.
Por exemplo, embora a correlação da flutuação de saída seja diminuída corrigindo o comando de ângulo de passo na modalidade supracitada, a correlação da flutuação de saída pode ser diminuída alterando outros parâmetros. Por exemplo, um ângulo de azimute pode ser ajustado, e no caso da turbina de vento de velocidade variável, a velocidade rota- cional de um motor pode ser ajustada.
Além disso, embora a saída de cada turbina de vento seja monitorada e a presença 30 da correlação seja determinada destes resultados de monitoramento na modalidade supraci- tada, em vez disso, o ângulo de azimute de cada turbina de vento pode ser monitorada e a correlação pode ser determinada para ser alta se este ângulo de azimute estiver em sincro- nização. Neste caso, quaisquer de passo, velocidade rotacional, e ângulo de azimute podem ser controlados para evitar a sincronização do ângulo de azimute.
Claims (4)
1. Método de controle de operação de um sistema de geração de energia eólica for- necido com uma pluralidade de turbinas de vento em que a potência produzida de cada tur- bina de vento é provida a um sistema de energia elétrica através de um nó de interconexão comum, CARACTERIZADO pelo fato de que o método de controle de operação do sistema de geração de energia eólica compreende: uma etapa de obter os dados de saída de cada turbina de vento, uma etapa de determinar uma correlação entre as flutuações de saída das turbinas de vento adjacentes usando os dados de saída, e uma etapa de alterar, se uma correlação forte é-apresentada, uma fase da flutuação de saída de qualquer uma das duas turbinas de \7Snto adjacentes por um período no qual correlação forte é apresentada.
2. Método de controle de operação de um sistema de geração de energia eólica, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a fase da flutuação de saída é alterada alterando um ângulo do passo da pá de qualquer uma das duas turbinas de vento adjacentes.
3. Método de controle de operação de um sistema de geração de energia eólica, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a fase da flutuação de saída é alterada alterando uma velocidade rotacional de um gerador de qualquer uma das duas turbinas de vento adjacentes.
4. Sistema de geração de energia eólica fornecido com uma pluralidade de turbinas de vento em que a potência produzida de cada turbina de vento é provida a um sistema de energia elétrica através de um nó de interconexão comum, CARACTERIZADO pelo fato de que: dados de saída de cada turbina de vento são obtidos, uma correlação entre as flutuações de saída das turbinas de vento adjacentes é de- terminada usando os dados de saída, e se uma correlação forte for apresentada, uma fase da saída de qualquer uma das duas turbinas de vento adjacentes é alterada por um período no qual a correlação forte é apresentada.
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