ES2238576T3

ES2238576T3 - Instalacion de energia eolica y procedimiento para operacion de instalacion de energia eolica.

Info

Publication number: ES2238576T3
Application number: ES02740489T
Authority: ES
Inventors: Aloys Wobben
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2002-04-22
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2022-04-22
Also published as: EP1386078A1; US20040178639A1; EP2258945A2; KR20040012762A; PT1493921T; EP1493921B1; CN1524162A; PL366835A1; JP2007124898A; CA2445230C; EP1493921A1; NO20034735L; WO2002086315A1; CY1117918T1; PT2258945T; AU2008264176A1; MXPA03009788A; EP2258945A3; AU2002315303B2; AU2008264176B2

Abstract

Procedimiento para la operación de una instalación de energía eólica con un generador eléctrico, que se puede accionar mediante un rotor, para el suministro de potencia eléctrica a una red eléctrica y, especialmente, a los consumidores conectados a ésta, alimentándose potencia reactiva a la red eléctrica y predeterminándose la potencia reactiva a través de un ángulo de fase que describe un ángulo entre la corriente y la tensión de la potencia eléctrica alimentada y que determina el porcentaje de potencia reactiva de la potencia suministrada por la instalación de energía eólica, caracterizado porque el ángulo de fase se modifica en dependencia del valor de, al menos, una tensión registrada en la red, porque el ángulo de fase permanece sin cambios mientras la tensión de la red esté entre un valor nominal (Umín.) inferior predeterminado y un valor nominal (Umáx.) superior predeterminado, siendo el valor de tensión inferior menor que un valor de tensión nominal y el valor de tensión superior predeterminado, mayor que un valor de tensión nominal predeterminado y porque en caso de sobrepasarse el valor (Umáx.) de tensión superior predeterminado o de no alcanzarse el valor (Umín.) de tensión inferior predeterminado, el valor del ángulo de fase se incrementa con tensión que sigue subiendo o bajando.

Description

Instalación de energía eólica y procedimiento para operación de instalación de energía eólica.

La presente invención trata de un procedimiento para la operación de una instalación de energía eólica con un generador eléctrico, que se puede accionar mediante un rotor, para el suministro de potencia eléctrica a una red eléctrica y, especialmente, a los consumidores conectados a ésta.

La presente invención trata, asimismo, de una instalación de energía eólica, especialmente, para la realización de un procedimiento de este tipo, con un rotor y con un generador eléctrico, acoplado al rotor, para el suministro de potencia eléctrica a una red eléctrica, así como de un parque eólico con, al menos, dos instalaciones de energía eólica.

En las instalaciones de energía eólica conocidas para la generación de energía eléctrica a partir de la energía del viento, el generador se acciona en servicio en paralelo con un consumidor eléctrico, frecuentemente una red eléctrica. Durante el funcionamiento de la instalación de energía eólica, la potencia eléctrica activa producida por el generador puede variar en dependencia de la velocidad actual de viento. Esto provoca que también la tensión de la red, por ejemplo, en un punto de alimentación, pueda cambiar en dependencia de la velocidad actual del viento.

En el caso de la alimentación de la potencia eléctrica generada a una red eléctrica, por ejemplo, a una red pública de corriente, se pueden producir por esa razón variaciones de la tensión de la red. Estas variaciones sólo son permisibles, sin embargo, dentro de límites muy estrechos en interés de un funcionamiento seguro de los consumidores conectados.

Desviaciones mayores del valor nominal de la tensión en la red de distribución, especialmente, el plano de tensión media, se pueden compensar, por ejemplo, a través del accionamiento de dispositivos de conmutación como los transformadores con tomas, accionando estos cuando se sobrepasan o no se alcanzan valor límite predeterminados. De esta forma se mantiene básicamente constante la tensión de la red dentro de límites de tolerancia predeterminados.

El documento WO9311604A da a conocer los preámbulos de las reivindicaciones independientes.

El objetivo de la presente invención es dar a conocer un procedimiento para el accionamiento de una instalación de energía eólica, así como una instalación de energía eólica o un parque eólico, que incluso en caso de variaciones en el suministro de potencia activa estén en condiciones de reducir o, al menos, no aumentar significativamente las variaciones no deseadas de la tensión en un punto predeterminado en la red, en comparación con la situación sin la instalación o instalaciones de energía eólica.

Este objetivo se alcanza según la invención mediante las características de las reivindicaciones independientes.

En un parque eólico del tipo mencionado al inicio, este objetivo se alcanza mediante, al menos, un dispositivo según la reivindicación independiente referida al dispositivo y mediante un dispositivo de registro de tensión, en cada caso, para cada parte regulable por separado del parque eólico.

La invención evita variaciones no deseadas de la tensión conectada en el consumidor, especialmente de la tensión eléctrica existente en la red, al modificarse el ángulo de fase de la potencia suministrada en dependencia de la tensión del consumidor o de la red. Así se compensan variaciones no deseadas que resultan de la potencia activa suministrada por la instalación o las instalaciones de energía eólica y/o de la potencia tomada de la red por los consumidores.

De forma especialmente preferida se modifica el ángulo de fase de modo que la tensión permanece básicamente constante al menos en un punto predeterminado de la red. En este sentido hay que registrar la tensión al menos en un punto de la red para obtener la magnitud de regulación requerida.

Especialmente, este punto puede ser distinto al punto de alimentación. Se puede crear una regulación efectiva y de reacción rápida través de este registro de la tensión y de una modificación adecuada del ángulo de fase de la potencia eléctrica suministrada por la instalación o las instalaciones de energía eólica.

En una forma de realización especialmente preferida, los valores, que se deben ajustar para el ángulo de fase, se derivan de valores característicos predeterminados. Estos valores característicos se pueden facilitar, preferiblemente, como una tabla en la que esté reflejada una familia de características, determinada previamente, en forma de valores discretos que permite una derivación del ángulo de fase que se debe ajustar.

En una variante preferida de la invención, la regulación puede causar directa o indirectamente que, cuando las variaciones de tensión hayan sobrepasado los valores límite predeterminados, se vuelva a llevar la tensión al intervalo de tolerancia mediante el accionamiento de un dispositivo de conmutación en la red, por ejemplo, un transformador con tomas. Al mismo tiempo o de manera adicional, el ángulo de fase se ajusta para un intervalo de tiempo predeterminado a un valor constante, preferiblemente a un valor medio, por ejemplo, cero, con el fin de poder compensar las variaciones de tensión que aparecen a continuación, de nuevo a través de una modificación adecuada del ángulo de fase.

En una variante especialmente preferida de la invención también se pueden realizar por separado en zonas parciales de la red, desconectadas eléctricamente, registros de tensión y ajustes del ángulo de fase correspondientes para regular cada zona parcial de modo que la tensión permanezca básicamente constante en cada una de las zonas parciales.

En una variante de la instalación de energía eólica según la invención está compuesta ventajosamente en una variante existe un dispositivo de regulación que presenta un microprocesador, pues así se puede realizar una regulación digital.

En una variante del parque eólico, mencionado al inicio, existe un dispositivo en condiciones de realizar el procedimiento según la invención y un dispositivo de registro de tensión para cada parte, regulable por separado, del parque eólico de manera que las zonas parciales, desconectadas eléctricamente, de la red se pueden regular por separado de modo que la tensión permanece básicamente constante en cada zona parcial de la red.

La invención se explica a continuación mediante un ejemplo de realización de un procedimiento para el accionamiento de una instalación de energía eólica, haciéndose referencia a los dibujos. Muestra:

Fig. 1 una instalación de energía eólica que alimenta una red, en representación simplificada,

Fig. 2 un dispositivo de regulación, según la invención, para el accionamiento de una instalación de energía eólica,

Fig. 3 una representación que explica la relación entre la tensión de la red y el ángulo de fase,

Fig. 4 componentes básicos del dispositivo de regulación mostrado en la figura 2 y

Fig. 5 una representación simplificada de una regulación común o por separado, según la situación de la red, para varias instalaciones de energía eólica.

Una instalación 2 de energía eólica con un rotor 4, representada esquemáticamente en la figura 1, está conectada a una red eléctrica 6 que puede ser, por ejemplo, una red pública. Varios consumidores eléctricos 8 están conectados a la red. El generador eléctrico, no representado en la figura 1, de la instalación 2 de energía eólica está acoplado a un dispositivo eléctrico 10 de control y regulación que primero rectifica la corriente alterna producida en el generador y a continuación la transforma en una corriente alterna con una frecuencia que se corresponde con la frecuencia de la red. El dispositivo 10 de control y regulación presenta un dispositivo de regulación según la invención.

En un punto 22 cualquiera en la red 6 puede estar previsto un dispositivo de registro de tensión que devuelve una magnitud de regulación correspondiente al dispositivo 10 de regulación.

La figura 2 muestra el dispositivo de regulación según la invención. El rotor 4, representado esquemáticamente, está acoplado a un generador 12 que produce una potencia eléctrica que puede depender de la velocidad del viento. La corriente alterna, producida en el generador 12, primero se puede rectificar y a continuación se puede transformar en una corriente alterna que presenta una frecuencia que se corresponde con la frecuencia de la red.

Mediante un captador de tensión (no representado) se mide la tensión de la red en un punto 22 de la red 6. En dependencia de la tensión de red detectada, dado el caso a través de un microprocesador representado en la figura 4, se calcula un ángulo \phi de fase óptimo. Mediante el dispositivo de regulación se ajusta la tensión U de red al valor U_{nom.} deseado. A través de la modificación del ángulo de fase se regula la potencia eléctrica suministrada por el generador 12 a la red 6.

La representación, mostrada en la figura 3, explica la relación entre la tensión en la red y el ángulo de fase. Cuando la tensión se aparta de su valor nominal U_{nom.} situado entre el valor U_{\text{mín.}} y U_{\text{máx.}} de tensión, se modifica el ángulo \phi de fase en correspondencia con la característica en el diagrama de modo que se alimenta potencia reactiva inductiva o capacitiva, en dependencia del signo de la desviación, para estabilizar así la tensión en el punto (22 en la figura 1) de registro de tensión.

La figura 4 muestra componentes básicos del dispositivo 10 de control y regulación de la figura 1. El dispositivo 10 de control y regulación presenta un rectificador 16, con el que se rectifica la corriente alterna producida en el generador. Un convertidor 18 de frecuencia, conectado al rectificador 16, transforma la corriente continua, rectificada primero, en una corriente alterna que se alimenta como corriente alterna trifásica a la red 6 a través de las líneas L1, L2 y L3.

El convertidor 18 de frecuencia se controla a través de un microprocesador 20 que es parte del conjunto del dispositivo de regulación. Con este fin el microprocesador 20 está acoplado al convertidor 18 de frecuencia. Como magnitudes de entrada del microprocesador 20 está prevista la tensión U de red actual, la potencia eléctrica P del generador, el valor nominal de la tensión U_{nom.} de red, así como el gradiente dP/dt de potencia. En el microprocesador 20 se realiza la modificación, según la invención, de la potencia que se debe alimentar.

En la figura 5 están representadas dos instalaciones 2 de energía eólica como ejemplo de un parque eólico. Un dispositivo 10 de regulación está asignado a cada una de estas instalaciones 2 de energía eólica que naturalmente pueden simbolizar también en cada caso una pluralidad de instalaciones de energía eólica. El dispositivo 10 de regulación registra la tensión en puntos 22, 27 predeterminados de la red 6, 7 y la transmite a través de líneas 25, 26 hasta el dispositivo 10 de regulación asignado en cada caso.

Las zonas parciales 6, 7 de la red se pueden conectar o desconectar entre sí mediante un dispositivo 23 de conmutación. Paralelamente a este dispositivo 23 de conmutación está previsto un dispositivo 24 de conmutación que permite conectar o desconectar entre sí ambos dispositivos 10 de regulación en correspondencia con el estado de conmutación del dispositivo 23 de conmutación.

Esto significa que cuando ambas zonas parciales 6, 7 de la red están unidas entre sí, también se unen entre sí ambos dispositivos 10 de regulación, de modo que toda la red se considera una unidad y todo el parque eólico la alimenta como una unidad, regulándose unificadamente el parque eólico en dependencia de la tensión en el punto 22, 27 de registro.

Cuando el dispositivo 23 de conmutación desconecta ambas zonas parciales 6, 7, también se desconectan entre sí los dispositivos 10 de regulación, de modo que una parte del parque eólico es vigilada desde un punto 27 de registro a través de una línea 26 por la regulación 10 la parte asignada del parque eólico se puede regular de forma correspondiente, mientras que la otra zona parcial de la red 7 es vigilada desde un punto 27 de registro a través de una línea 26 por la regulación 10 que regula correspondientemente la otra parte del parque eólico para estabilizar la tensión en la zona parcial de la red 7.

Naturalmente, esta división no tiene que estar limitada a dos zonas parciales. Esta división puede llegar hasta una asignación de una instalación individual a una zona parcial de la red.

En el caso de que la regulación descrita antes presente, especialmente durante el registro de datos de medición, una tolerancia distinta que la del dispositivo de conmutación ya existente en la red (transformadores con tomas), puede ocurrir en ciertas condiciones que ambos dispositivos, por una parte la regulación descrita antes y por otra parte el dispositivo de conmutación, se influyan mutuamente de modo que se produce un tipo de efecto "ping-pong", conmutando, por ejemplo, el transformador con tomas y cambiando así la tensión en la red de manera que se activa la regulación descrita según la invención. Mediante esta regulación activada se modifica, a su vez, la tensión en la red de modo que el transformador con tomas se conecta y así continúa.

Con el fin de contrarrestar este efecto "ping-pong" no deseado, en otra forma de realización de la invención puede estar previsto usar el resultado de medición del dispositivo de conmutación (por ejemplo, del transformador con tomas) como señal de entrada para el dispositivo de regulación según la invención. Sin embargo, en ciertas condiciones esto encierra la desventaja de una disminución de la exactitud del resultado de la medición, pero elimina el riesgo de que los componentes se influyan mutuamente de forma continua, contribuyendo al objetivo propuesto.

El ángulo de fase, descrito en la presente solicitud, es el ángulo entre la corriente y la tensión de la potencia eléctrica suministrada del generador de la instalación de energía eólica. Si el ángulo de fase es 0º, se alimenta sólo potencia activa. Si el ángulo de fase es \neq 0º, además de la potencia activa también se alimenta un porcentaje de potencia reactiva, no teniendo que ir acompañada necesariamente una modificación del ángulo de fase por un aumento o una disminución de la potencia aparente, sino que la potencia aparente también puede permanecer constante en general, pero cambiando después los porcentajes, en cuanto al valor, entre la potencia reactiva y la potencia activa en correspondencia con el ajuste del ángulo de fase.

Como se ha descrito, un objetivo de la invención es reducir las variaciones no deseadas de la tensión en un punto predeterminado de la red o, al menos, que no aumenten significativamente al conectarse una instalación de energía eólica. Con este fin está previsto que el ángulo de fase de la potencia eléctrica, que debe suministrar la instalación de energía eólica (o el parque eólico), se pueda variar de forma adecuada para compensar variaciones de la tensión.

Un dispositivo que ya existe por regla general en las instalaciones de energía eólica y en la red, concretamente un llamado transformador con tomas (no representado), persigue básicamente el mismo objetivo. Debido a la capacidad del transformador con tomas de modificar la relación de transmisión mediante procesos de conmutación, se puede influir también en la tensión en la red o, al menos, en el lado secundario del transformador. Esto es posible sólo en escalones que se correspondan con los escalones de conmutación del transformador con tomas.

Con este fin un transformador con tomas de este tipo dispone por regla general de la posibilidad de registrar la tensión de la red. Cuando esta tensión sobrepasa o no alcanza valores límite predeterminados, se inicia un proceso de conmutación del transformador con tomas, regresando así la tensión de red a un intervalo de tolerancia predeterminado.

También la instalación de energía eólica, o sus onduladotes, vigila la tensión en la red y trata mediante medidas adecuadas de mantener esa tensión dentro de un intervalo de tolerancia predeterminado. Dado que seguramente estos intervalos de tolerancia no son exactamente congruentes, puede surgir una situación en la que la instalación de energía eólica y el transformador con tomas trabajen uno contra otro, al realizar el transformador con tomas el escalonamiento de forma alternante hacia arriba y hacia abajo y al tratar la instalación de energía eólica de forma alternante, a la inversa, de reducir y elevar la tensión. Se puede comprender fácilmente que de ello resulta un empeoramiento no aceptable de la estabilidad de la tensión en la red.

Con el fin de evitar el efecto descrito antes, se instruye, por una parte, que la tensión, transmitida como magnitud de medida a la instalación de energía eólica, se registre en un punto diferente al punto de alimentación y/o, por otra parte, que la regulación pueda provocar de forma directa o indirecta el accionamiento de un dispositivo de conmutación en la red. Este otro punto también puede ser, naturalmente, el transformador con tomas, de modo que el ondulador se controla con los mismos valores de tensión que el transformador con tomas. Con ello se puede evitar, por una parte, el trabajo en sentido contrario del transformador con tomas y del control del ondulador debido a desviaciones de la tolerancia. Por otra pare, la instalación de energía puede iniciar (accionamiento indirecto) de forma dirigida, mediante una alimentación correspondiente de potencia reactiva, un proceso de conmutación en el transformador con tomas o realizar (directamente) un proceso de conmutación de este tipo a través de una línea de control.

El operador de la red podría desear que la instalación de energía eólica genere potencia reactiva que se debe transmitir en el otro lado del transformador con tomas. Dado que la alimentación de energía reactiva provoca siempre una modificación de la tensión en la red, se iniciaría de esta forma un accionamiento indirecto del transformador con tomas y precisamente esto no es conveniente en esta situación, siendo por tanto contraproducente.

La solución de este problema consiste en suprimir precisamente este proceso de conmutación del transformador con tomas, concretamente el escalonamiento ascendente y descendente. Con esta supresión del escalonamiento se hace referencia a la "no conexión" del interruptor para poder transmitir así la potencia reactiva deseada al otro lado del transformador con tomas.

Claims

1. Procedimiento para la operación de una instalación de energía eólica con un generador eléctrico, que se puede accionar mediante un rotor, para el suministro de potencia eléctrica a una red eléctrica y, especialmente, a los consumidores conectados a ésta, alimentándose potencia reactiva a la red eléctrica y predeterminándose la potencia reactiva a través de un ángulo \phi de fase que describe un ángulo entre la corriente y la tensión de la potencia eléctrica alimentada y que determina el porcentaje de potencia reactiva de la potencia suministrada por la instalación de energía eólica, caracterizado porque el ángulo \phi de fase se modifica en dependencia del valor de, al menos, una tensión registrada en la red, porque el ángulo de fase permanece sin cambios mientras la tensión de la red esté entre un valor nominal (U_{\text{mín.}}) inferior predeterminado y un valor nominal (U_{\text{máx.}}) superior predeterminado, siendo el valor de tensión inferior menor que un valor de tensión nominal y el valor de tensión superior predeterminado, mayor que un valor de tensión nominal predeterminado y porque en caso de sobrepasarse el valor (U_{\text{máx.}}) de tensión superior predeterminado o de no alcanzarse el valor (U_{\text{mín.}}) de tensión inferior predeterminado, el valor del ángulo de fase se incrementa con tensión que sigue subiendo o bajando.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el ángulo \phi de fase se modifica de manera que la tensión permanece básicamente sin cambios en, al menos, un punto predeterminado de la red.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la tensión se registra en, al menos, un punto (22, 27) predeterminado de la red.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la tensión se registra en otro punto (22, 27) distinto al punto de alimentación.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los valores, que se deben ajustar para el ángulo \phi de fase, se derivan de valores característicos predeterminados.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la regulación puede provocar de forma directa o indirecta el accionamiento de un dispositivo de conmutación en la red.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque para zonas parciales de la red (6, 7) se realizan por separado registros de la tensión y regulaciones correspondientes mediante el ángulo \phi de fase.

8. Instalación de energía eólica con un generador eléctrico, que se puede accionar mediante un rotor, para el suministro de potencia eléctrica a una red eléctrica, especialmente, a los consumidores conectados a ésta, alimentándose potencia reactiva a la red eléctrica mediante un convertidor (18) de frecuencia y predeterminándose la potencia reactiva a través de un ángulo \phi de fase que determina el porcentaje de potencia reactiva de la potencia suministrada por la instalación de energía eólica, caracterizada porque el ángulo \phi de fase se puede modificar en dependencia del valor de, al menos, una tensión registrada en la red y porque el ángulo de fase permanece sin cambios mientras la tensión de la red esté entre un valor (U_{\text{mín.}}) de tensión inferior predeterminado y un valor (U_{\text{máx.}}) de tensión superior predeterminado, siendo el valor de tensión inferior menor que el valor de tensión nominal de red y el valor de tensión superior predeterminado, mayor que el valor de tensión nominal de red predeterminado y porque en caso de sobrepasarse el valor (U_{\text{máx.}}) de tensión superior predeterminado o de no alcanzarse el valor (U_{\text{mín.}}) de tensión inferior predeterminado, el valor del ángulo de fase se incrementa con tensión que sigue subiendo o bajando.

9. Parque eólico con, al menos, dos instalaciones de energía eólica según la reivindicación 8, caracterizado por un dispositivo (10) para la realización del procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes y por un dispositivo (22, 27) de registro de tensión para cada parte del parque eólico que se puede regular por separado.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el ángulo de fase, en dependencia de, al menos, una tensión registrada en la red, se modifica de manera capacitiva o inductiva hasta que la tensión asume un valor nominal predeterminado.