ES2302609B1 - Sistema y procedimiento para la operacion de un parque eolico bajo condiciones de viento de alta velocidad. - Google Patents
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Abstract
Sistema y procedimiento para la operación de un
parque eólico bajo condiciones de viento de alta velocidad.
Se suministra una técnica (110) para la
operación de un parque eólico (12) a una producción de potencia de
régimen incrementada. La técnica (110) incluye la detección (112)
de una serie de parámetros operativos (96) del generador (14) de
turbina eólica, la valoración (114) de la serie de parámetros
operativos (96) con respecto a los regímenes de diseño respectivos
de los parámetros operativos (100) y el incremento intermitente de
la producción (116) de potencia de régimen del generador (14) de
turbina eólica basándose en la valoración.
Description
Sistema y procedimiento para la operación de un
parque eólico bajo condiciones de viento de alta velocidad.
Esta invención se efectuó con el apoyo del
Gobierno bajo contrato nº
ZAM-7-13320-26 al
amparo del contrato inicial
DE-AC36-83CH10093.
La invención se refiere en general al campo de
la generación eólica y más particularmente a técnicas para regular
la potencia de régimen de generadores de turbina eólica.
Los generadores de turbina eólica se consideran
como fuentes alternativas de energía medioambientalmente
beneficiosas y relativamente baratas que utilizan la energía eólica
para producir energía eléctrica. Un generador de turbina eólica
incluye generalmente un rotor eólico que tiene una serie de palas
que transforman la energía eólica en el movimiento rotacional de un
eje motriz, que a su vez se utiliza para impulsar un rotor de un
generador eléctrico para producir energía eléctrica. Los modernos
sistemas de generación de energía eólica toman la forma de parques
eólicos que tienen múltiples generadores de turbina eólica que se
hacen funcionar para suministrar energía a un sistema de
transmisión que suministra energía a la red de una compañía
eléctrica.
El viento es un recurso intermitente y la
producción colectiva de potencia de un parque eólico está
significativamente influenciada por los cambios en las condiciones
del viento. Las condiciones del viento pueden cambiar drásticamente
en un espacio de tiempo relativamente corto. Generalmente, la
producción de potencia de un generador de turbina eólica se
incrementa con la velocidad del viento, hasta que la velocidad del
viento alcanza la velocidad de régimen del viento para la turbina.
Con incrementos adicionales de la velocidad del viento, la turbina
opera a una potencia de régimen hasta un valor de corte o nivel de
desconexión. Esta es generalmente la velocidad del viento a la cual
las cargas dinámicas de la turbina eólica provocan que los
componentes mecánicos alcancen un límite de fatiga que tiende a
acortar la vida útil de referencia de la turbina. Como función
protectora, a velocidades superiores a una cierta velocidad, las
turbinas eólicas a menudo se paran o reducen las cargas regulando
la inclinación de las palas o frenando el rotor, tendiendo de esta
forma a reducir la producción de potencia del generador de turbina
eólica y consecuentemente del parque eólico. No obstante, esto
limita la captura máxima de energía al punto de establecimiento de
la potencia de régimen e incrementa el coste efectivo de la energía
del parque eólico. De esta forma, para un generador de turbina
eólica, existe una relación inherente entre la potencia a la cual
funciona y su vida útil de referencia en cuanto a su protección con
referencia al límite de fatiga y otros factores, esto es, la
potencia de régimen
máxima.
máxima.
Adicionalmente, las cargas mecánicas y térmicas
son los mayores factores que determinan el régimen de un generador
de turbina eólica. La potencia de producción máxima de un generador
de turbina eólica se decide en la etapa de su diseño y se utiliza
para seleccionar los regímenes adecuados para otros componentes
claves tales como generadores eléctricos, transformadores, equipos
de conversión de energía, cojinetes, ejes, cajas de engranajes,
etc, manejando asunciones algo conservadoras. Las prácticas
conservadoras del diseño y las estimaciones de régimen de estos
componentes no permiten que el operador aproveche el exceso de
energía del viento una vez que se ha conseguido la potencia de
régimen completa, incluso si hubiera más energía adicional en el
viento. Por lo tanto, las técnicas presentes tienen limitaciones
para conseguir una alta producción de potencia durante condiciones
de alta velocidad del viento.
Por lo tanto, es deseable suministrar una
técnica para aprovechar eficientemente y con un coste efectivo la
mayor energía del viento durante condiciones de alta velocidad del
viento mientras que aun se asegure que los generadores de turbina
eólica conservan su vida útil de referencia. También es deseable
mejorar el diseño de los generadores de turbina eólica de manera
que se aproveche la energía eólica en un grado mayor de lo que es
posible mediante los presentes diseños.
Brevemente, de acuerdo con un aspecto de la
técnica, se proporciona un procedimiento para regular la potencia
de régimen de un generador de turbina eólica. El procedimiento
incluye la detección de una serie de parámetros operativos del
generador de turbina eólica, la valoración de la serie de
parámetros operativos con respecto a los respectivos regímenes de
diseño de los parámetros operativos y el incremento intermitente de
la producción de potencia de régimen del generador de turbina
eólica basándose en esta valoración. Sistemas y programas
informáticos que pueden aportar dicha funcionalidad pueden
suministrarse mediante la técnica presente.
De acuerdo con otro aspecto de la técnica, se
suministra un sistema de control para regular la potencia de
régimen de un generador de turbina eólica. El sistema de control
incluye una serie de sensores para detectar una serie de parámetros
operativos del generador de turbina eólica y un procesador para
valorar la serie de parámetros operativos con respecto a los
respectivos regímenes de diseño de los parámetros operativos. El
sistema de control también incluye un controlador para incrementar
intermitentemente la producción de potencia de régimen del
generador de turbina eólica basándose en la valoración.
De acuerdo con un aspecto adicional de la
técnica presente, se suministra un generador de turbina eólica. El
generador de turbina eólica incluye un sistema de control
configurado para incrementar intermitentemente la producción de
potencia de régimen del generador de turbina eólica basándose en la
valoración de las condiciones operativas del generador de turbina
eólica.
De acuerdo con un aspecto adicional de la
técnica presente, se suministra un parque eólico. El parque eólico
incluye una serie de generadores de turbina eólica y un sistema de
control del parque eólico. La serie de generadores de turbina
eólica operan para suministrar colectivamente energía eléctrica a
un sistema de distribución de energía eléctrica. El sistema de
control del parque eólico se configura para incrementar
intermitentemente la producción de potencia de régimen de uno o más
de la serie de generadores de turbina eólica basándose en la
valoración de las condiciones operativas de los respectivos
generadores de turbina eólica.
Estas y otras características, aspectos y
ventajas de la presente invención se entenderán mejor cuando se lea
la siguiente descripción detallada con referencia a los dibujos
adjuntos en los cuales caracteres similares representan partes
similares a lo largo de los dibujos, en los que:
La figura 1 es una ilustración esquemática de un
sistema de generación de energía eólica de acuerdo con aspectos de
la presente técnica;
La figura 2 es una ilustración esquemática de
componentes funcionales de un generador de turbina eólica de
acuerdo con los aspectos de la técnica presente;
La figura 3 es una ilustración esquemática de un
mecanismo de control de un generador de turbina eólica de acuerdo
con aspectos de la técnica presente;
La figura 4 es una representación gráfica de un
gráfico del par - velocidad para un generador de turbina eólica a
diferentes velocidades del viento; y
La figura 5 es un diagrama de flujo que ilustra
un procedimiento ejemplar de operación de un parque eólico de
acuerdo con los aspectos de la técnica presente.
La presente técnica suministra un sistema y un
procedimiento par regular la potencia de régimen de un generador de
turbina eólica. En la técnica presente, la potencia se define como
potencia aparente, comprendiendo de esta forma componentes de
potencia real y reactiva. La técnica puede extenderse a los
regímenes similares de un parque eólico que tenga una serie de
generadores de turbina eólica a altas velocidades del viento,
mediante un sistema de control central o de supervisión del parque
eólico. En ciertas realizaciones, el sistema de control del parque
eólico es operable para regular la potencia de régimen del parque
eólico incrementando intermitentemente la producción de potencia de
régimen de los generadores de turbina eólica de manera que no se
comprometa la vida útil de referencia de los generadores de turbina
eólica. A continuación se describen realizaciones de la presente
técnica con referencia generalmente a las figuras 1 - 5.
La figura 1 ilustra un sistema ejemplar 10 de
generación de energía eólica de acuerdo con aspectos de la técnica
presente. El sistema 10 de generación de energía eólica incluye un
parque eólico 12 que tiene una serie de generadores 14, 16, 18 de
turbina eólica operables para suministrar energía eléctrica a una
red 20 de distribución eléctrica. Adicionalmente, la red 20 de
distribución eléctrica puede recibir energía de otras unidades 22 de
generación de energía para adaptarse a las variaciones en la
producción de potencia del parque eólico 12 debidas a las
condiciones cambiantes del viento. Otras unidades 22 de generación
de energía pueden incluir, por ejemplo, plantas de generación
hidroeléctrica o nuclear, entre otras.
Los generadores 14, 16 y 18 de turbina eólica
incluyen rotores 24, 26, 28 de turbina que tienen una serie de
palas que impulsan los rotores de los generadores eléctricos 30,
32, 34 para producir energía eléctrica. Puede aumentarse la tensión
de la energía producida por los generadores 30, 32, 34 mediante
transformadores 36, 38, 40 de turbina antes de acoplarse a una red
42 de distribución de media tensión. En la realización ilustrada, se
utiliza una línea 44 de alimentación para acoplar las producciones
de potencia de los generadores 14, 16,18 de turbina eólica para
alimentar la red 42 de distribución de media tensión. En una
aplicación típica, la red 42 de distribución de media tensión
acopla la potencia procedente de múltiples líneas de alimentación
(no mostradas), cada línea de alimentación se acopla con las
producciones de potencia de una serie de generadores de turbina
eólica. En ciertas realizaciones, la energía se acopla desde los
generadores 14, 16, 18 de turbina eólica a la línea 44 de
alimentación a través de dispositivos conmutadores 46, 48, 50 que
pueden incluir, por ejemplo, disruptores de circuito eléctrico.
Dichos dispositivos de conmutación se utilizan generalmente en los
sistemas de generación de energía eólica para detener la generación
de energía de uno o más generadores de turbina eólica durante
condiciones de mucho viento con alta intensidad de turbulencias.
Generalmente se utiliza una estación transformadora 52 para
incrementar o disminuir la tensión de la energía de la red 42 de
distribución de media tensión hasta la tensión de transmisión
requerida por la red 20 de distribución de energía eléctrica.
De acuerdo con la técnica presente, el parque
eólico 12 incluye un sistema 54 de control del parque eólico que
comprende una estación central 56 de supervisión y un controlador
central 58. En la realización ilustrada, el sistema 54 del control
del parque eólico es operable para monitorizar y controlar la
producción de potencia colectiva del parque eólico 12. El sistema
50 de control del parque eólico comprende además sensores de
energía, tal como sensores 60 de tensión y corriente, que están
configurados para detectar la producción colectiva de potencia del
parque eólico 12 y pueden acoplarse bien a una salida del
transformador central 52 (según se ilustra en la figura 1) o bien a
un punto de la red 42 de distribución de media tensión.
El sistema 54 de control del parque eólico está
configurado para comunicarse con los generadores individuales de
turbina eólica a través de enlaces 62 de comunicación, que pueden
implementarse en hardware o en software. En ciertas realizaciones,
los enlaces 62 de comunicación pueden estar configurados para
comunicar de forma remota señales de datos hacia y desde el sistema
54 del control del parque eólico, de acuerdo con cualquier
protocolo de comunicación por cable o inalámbrico conocido por
cualquier experto en la materia. Tal como se analiza
posteriormente, dicha señales de datos pueden comprender señales
indicativas de las condiciones operativas de los generadores
individuales de turbina eólica, transmitidas al sistema 54 de
control del parque eólico y diferentes señales de comando
comunicadas por el sistema 54 de control del parque eólico a
generadores individuales de turbina eólica. El sistema 54 de
control del parque eólico puede estar además en comunicación con la
red 42 de distribución de media tensión y puede operarse para
controlar diferentes dispositivos de conmutación de al red 42, tales
como condensadores y reactores (no mostrados) de manera que se
controle la producción de potencia del parque eólico 12 dentro de
las especificaciones prescritas por los operadores del sistema de
transmisión.
Como se comentó anteriormente, los generadores
14, 16, 18 de turbina eólica están generalmente diseñados para
generar energía a velocidades del viento inferiores a un valor
límite predeterminado, también referenciado como límite de
protección de la velocidad del viento, también denominado velocidad
de corte. No obstante, en la realización ilustrada, la producción de
potencia de régimen del generador de turbina eólica puede
incrementarse intermitentemente en base a las valoraciones de las
condiciones operativas de forma que no se comprometa la vida media
útil de los generadores de turbina eólica. Por ejemplo, debido a
las variaciones y a los períodos en los que la turbina opera por
debajo de la potencia de régimen máxima, la turbina puede operar
por encima del punto de establecimiento del régimen durante cortos
períodos de tiempo mientras que todavía se mantienen las
expectativas normales de vida del equipo. Esta decisión puede
tomarse fácilmente examinando el ciclo de funcionamiento de la
máquina.
Adicionalmente, cada uno de los generadores de
turbina eólica tiene una función autónoma de protección del
controlador que requiere que el generador de turbina eólica
desconecte o apague la generación de energía cuando las velocidades
del viento en el generador de turbina eólica exceden este limite
protector de la velocidad del viento y la vida media de los
generadores de turbina eólica pudiera verse afectada, por ejemplo
durante condiciones de mucho viento con alta intensidad de
turbulencias. En una realización, tal como en el caso de un
generador de turbina eólica que tenga palas de inclinación
variable, una operación de desconexión puede incluir la inclinación
de las palas hacia el punto de entrada en pérdida (es decir, a 90º
con respecto a la dirección del viento) o hacia la posición bandera
(es decir, a 0º con respecto a la dirección del viento), dando como
resultado la captura mínima de la energía eólica por parte de las
palas. En una realización adicional, una operación de desconexión
puede incluir el frenado mecánico del rotor de la turbina. En una
realización adicional, la desconexión puede realizarse mediante
dispositivos conmutadores según se ilustra en la figura 1.
La presente técnica suministra un mecanismo de
control mediante el cual la producción de potencia de régimen de
los generadores de turbina eólica puede incrementarse
intermitentemente de manera que se incremente la producción
colectiva de potencia del parque eólico 12. De acuerdo con aspectos
de la técnica presente, los generadores individuales de turbina
eólica están configurados para anticiparse a su producción de
potencia de régimen y comunicar una señal al sistema 54 de control
del parque eólico. La señal comprende típicamente una solicitud del
generador de turbina eólica para hacer funcionar el generador de
turbina eólica a una producción de potencia superior a su
producción de potencia de régimen de manera que aproveche la mayor
energía del viento. El sistema 54 de control del parque eólico está
configurado para monitorizar las condiciones operativas de los
generadores individuales de turbina eólica, valorar la solicitud
automáticamente o a través de una interfaz de operador y autorizar
o declinar la solicitud en base a una valoración a nivel del parque
de las condiciones operativas llevadas a cabo por el sistema 54 de
control del parque eólico, de forma automática o a través de los
operadores. La selección de los generadores de energía eólica
individuales a los que se les permite operar a una mayor potencia
de régimen puede basarse en una valoración a nivel del parque de
las condiciones operativas de los generadores de turbina eólica con
respecto a otras condiciones tales como la producción de potencia
de las otras unidades 22 de generación de energía, la vida de los
generadores individuales de energía eólica, el número de veces que
se ha permitido en el pasado que los generadores de energía eólica
funcionen por encima del punto de establecimiento de la potencia de
régimen y así sucesivamente.
Según se ilustra en la figura 2, puede
instalarse una amplia variedad de sensores en los generadores
individuales de turbina eólica para recoger y monitorizar
continuamente parámetros operativos tales como los parámetros
eléctricos, mecánicos, térmicos o metrológicos que reflejan las
condiciones operativas de los respectivos generadores de turbina
eólica. Por ejemplo, pueden utilizarse uno o más sensores para
recoger la velocidad del viento, la velocidad media del viento, la
varianza de la velocidad del viento y/o la intensidad de las
turbulencias del viento. Alternativamente, puede instalarse un
sensor tal como un anemómetro 64 para recoger los datos sobre la
velocidad del viento. La varianza de la velocidad del viento y por
lo tanto la intensidad de las turbulencias del viento, que es la
relación entre la velocidad media del viento y la varianza de la
velocidad del viento, puede entonces derivarse indirectamente a
partir de la velocidad media del viento y de la velocidad del
rotor.
Similarmente, pueden instalarse un sensor 66 de
temperatura y/o un sensor 68 de presión en el generador 14 de
turbina eólica para recoger la temperatura ambiente y/o la presión
atmosférica. Como se apreciará por parte de aquellos expertos en la
materia, una velocidad prevista del viento también puede derivarse
de los anteriores parámetros recogidos. Además, pueden instalarse
uno o más sensores 70 en las palas 72 de la turbina para recoger el
ángulo de inclinación de la pala y la tensión mecánica sobre las
palas 72 de la turbina. Las tensiones mecánicas a las que se
exponen el eje 74 de la turbina, la caja de engranajes 76 o los
componentes mecánicos del generador 78 pueden recogerse además a
través de sensores 80 instalados en el eje 74 de la turbina, en la
caja 76 de engranajes y/o en el generador 78.
Pueden instalarse sensores adicionales 82 para
detectar el par o la velocidad del generador 78 o del rotor.
Además, pueden instalarse sensores térmicos 84 en el eje 74 de la
turbina, sobre la caja 76 de engranajes y/o en el generador 78 para
monitorizar la tensión térmica a la cual se expone el generador 14
de turbina eólica. La monitorización de la tensión térmica puede
incluir la monitorización continua de las temperaturas operativas de
los componentes limitadores de potencia que son claves dentro del
generador de turbina eólica, tales como el generador, el
convertidor de energía y el transformador. En ciertas
realizaciones, la monitorización puede extenderse para incluir
aspectos mecánicos tales como la temperatura de la caja de
engranajes que también puede dar una idea adicional acerca de la
tensión mecánica de la caja 76 de engranajes. Además, pueden
instalarse uno o más sensores eléctricos 86 en el generador 78 para
detectar la corriente, la tensión y/o la potencia de producción del
generador 14 de turbina eólica para calcular la fatiga
eléctrica.
Los parámetros operativos recogidos pueden
comunicarse entonces a un controlador 88 donde se efectúa una
valoración de la condición operativa del generador 14 de turbina
eólica que se basa en los parámetros operativos. El controlador 88
puede decidir entonces si incrementar intermitentemente o no la
producción de potencia de régimen del generador 14 de turbina eólica
basándose en la valoración tal como se describirá posteriormente
con mayor detalle. La solicitud para incrementar la producción de
potencia de régimen puede comunicarse entonces al sistema 54 de
control del parque eólico a través de una interfaz 90 de red
implementada sobre un enlace 62 de comunicación tal como una fibra
óptica o un enlace Ethernet. Alternativamente, los parámetros
operativos recogidos y/o la valoración de las condiciones
operativas del generador 14 de turbina eólica basada en los
parámetros operativos pueden comunicarse directamente al sistema 54
de control del parque eólico a través de un enlace 62 de
comunicación. El sistema 54 de control del parque eólico puede
decidir entonces si incrementar intermitentemente o no la
producción de potencia de régimen del generador 14 de turbina
eólica basándose en las condiciones operativas del generador de
turbina eólica. Según se describió anteriormente, el sistema 54 de
control del parque eólico puede tomar su decisión basándose en
otros muchos factores, bien automáticamente o a través de
operadores, y comunicar la misma de nuevo al controlador 88.
Basándose en la confirmación, el controlador 88 puede entonces
incrementar la producción de potencia de régimen del generador 14
de turbina eólica para a provechar el exceso de energía eólica
durante un período de tiempo transitorio de forma que la vida media
útil d el generador 14 de turbina eólica no esté comprometida. Debe
observarse, que en ciertas realizaciones, el período de tiempo
transitorio puede predeterminarse basándose en la valoración de las
condiciones operativas.
La valoración de las condiciones operativas del
generador de turbina eólica para incrementar intermitentemente la
producción de potencia de régimen del generador de turbina eólica
se describe a través de un mecanismo esquemático 92 de control
según se ilustra en la figura 3. Los sensores 94 eléctricos,
mecánicos, térmicos y/o metrológicos instalados sobre los
generadores de turbina eólica, según se describió anteriormente,
miden diferentes parámetros operativos 96 que representan las
condiciones operativas del generador de turbina eólica. Estos
parámetros 96 pueden incluir por ejemplo cargas mecánicas,
velocidad del viento, velocidad media del viento, varianza de la
velocidad del viento, intensidad de las turbulencias del viento,
velocidad prevista del viento, cargas de temperatura, temperatura
atmosférica, presión atmosférica, densidad del aire, potencia de
producción del generador de turbina eólica, par o velocidad del
generador o del rotor y/o ángulo de inclinación de la pala.
Entonces los parámetros operativos 96 pueden almacenarse en una
memoria 98. Debe entenderse que cualquier tipo de memoria 98 puede
ser utilizada por el sistema de control. La memoria 98 puede
almacenar además los regímenes 100 de diseño de los parámetros
operativos recogidos. Los parámetros operativos 96 se comparan
entonces con sus respectivos regímenes de diseño a través del
controlador 88 para valorar las condiciones operativas del
generador de turbina eólica. El controlador 88 puede decidir
entonces si aumentar o no la producción de potencia de régimen del
generador de turbina eólica para las condiciones operativas en
tiempo real. En otras palabras, el régimen del generador de turbina
eólica se determina sobre una base de tiempo real. Como apreciarán
aquellos expertos en la materia, aunque pueden compararse
parámetros simples con sus límites o regímenes de diseño, en la
comparación se empleará una colección de dichos parámetros. La
técnica también puede demandar la generación de un parámetro
compuesto basado en los valores detectados y de diseño de forma que
se tomen en cuenta varios factores de manera simultánea. El
parámetro compuesto particular y su cálculo dependerá típicamente
del diseño del generador y de las preferencias del operador con
respecto a las restricciones del diseño.
Por ejemplo, los regímenes planos de las
turbinas eólicas no se toman en cuenta para el exceso de capacidad
que puede estar presente en los componentes eléctricos del
generador de turbina eólica. Dicha capacidad puede presentarse
debido a las incertidumbres asociadas con el enfriamiento del
ambiente y la historia operativa reciente. Por ejemplo, el tiempo
frío dará como resultado, para una producción de potencia dad,
temperaturas del equipo menores que las que se producirían con
tiempo cálido debido a una mejor disponibilidad de refrigeración.
Además, un sistema que ha sido descargado durante un tiempo
considerable, y de esta forma enfriado, tiene un rendimiento a
corto plazo mucho más alto que una máquina que ya está cerca de su
temperatura máxima. El controlador 88 puede determinar una potencia
de régimen en tiempo real basándose en la información térmica
disponible a partir de la monitorización continua de la temperatura
y puede incrementar de forma intermitente la producción de potencia
de régimen basándose en la potencia de régimen disponible en tiempo
real. El controlador 88 puede entonces autorizar o buscar la
autorización del sistema 54 de control del parque eólico para
permitir el aumento de la velocidad del generador de turbina eólica
hasta el nivel del rendimiento real disponible para la fuerza del
viento predominante. La producción de potencia de régimen del
generador de turbina eólica se cambia dinámicamente por medio del
control 102 de la turbina y del generador. Como apreciarán aquellos
expertos en la materia, la producción de potencia de régimen del
generador de turbina eólica puede incrementarse haciendo funcionar
el generador de turbina eólica con un par o una velocidad más altos
que el par o la velocidad de régimen de diseño. Alternativamente, en
ciertas realizaciones, la producción de potencia de régimen del
generador de turbina eólica puede incrementarse haciendo funcionar
el generador de turbina eólica a corrientes de producción más altas
que la corriente de régimen de diseño a cualquier par y a cualquier
velocidad del generador de turbina eólica. Debe observarse que esto
hace posible el incremento de los rendimientos de potencia de
producción incluso a baja o a ninguna velocidad del viento, que es
el caso para la producción de potencia reactiva pura cuando
solamente está funcionando el convertidor.
Similarmente, como apreciarán aquellos expertos
en la materia, los materiales cuando se exponen a fatiga cíclica,
fallan a una carga mucho menor que su resistencia última. Así, para
un viento de alta velocidad y baja turbulencia (alta velocidad
media del viento y baja varianza del viento) la turbina acumula
fatiga a una menor velocidad, ya que es la varianza del viento y no
la velocidad media del viento la que contribuye sobre todo a la
fatiga y por lo tanto debe tomarse una decisión para aumentar la
velocidad de la turbina para incrementar la captura de energía sin
sacrificar la vida media de uso. El incremento de la producción de
potencia de régimen del generador de turbina eólica durante
condiciones de alta velocidad del viento se explica con mayor
detalle con la ayuda de un gráfico 104 del par - velocidad para un
generador de turbina eólica según se muestra en la figura 4.
Según se ilustra, la línea continua 106 muestra
los diferentes estados por los que pasa una turbina a medida que se
incrementa la velocidad del viento desde una velocidad del viento
de puesta en servicio (\sim4 m/s) hasta velocidades del viento
muy altas (18 m/s). En el punto A, cuando el viento está en una
velocidad de puesta en servicio, la turbina se pone en marcha. A
medida que se incrementa la velocidad del viento, la turbina está
lista para capturar la máxima energía del viento entrante, por lo
tanto la inclinación se fija a un ángulo pequeño (casi mirando a la
dirección viento). Dado un ángulo pequeño, y una velocidad del
viento de aproximadamente 6 m/s, los estados de la turbina que
pueden conseguirse mediante un par variable descansan sobre la
línea de puntos etiquetada 6 m/s. S obre esta línea, el generador se
hace funcionar en un punto en el que la potencia (es decir el
producto del par y la velocidad es máxima). Los estados operativos
de la totalidad de dichos puntos a diferentes velocidades del
viento es la línea continua
A-F-H-C. Este
régimen puede ser denominado régimen de "operación por debajo del
régimen". A medida que se incrementa adicionalmente la velocidad
del viento, existe la posibilidad de que la turbina cruce su límite
final/límite de fatiga. Por lo tanto la captura de energía estará
limitada por la inclinación de las palas. El punto E se denomina
punto de establecimiento de potencia de régimen, y el par y la
velocidad en ese punto se denominan par de régimen (T^{E},
típicamente aproximadamente 10.090 Nm en el diseño actual) y
velocidad de régimen del generador (N_{E}, típicamente
aproximadamente 1440 rpm en el diseño actual), respectivamente. Si
la velocidad del viento excede la velocidad de régimen (14 m/s en
el anterior diagrama para el sistema del ejemplo), la inclinación se
varía de manera que el estado operativo de la turbina (líneas
punteadas 165 m/s, 18 m/s) pase a través del punto E. Esto puede
denominarse régimen de "operación por encima del régimen". En
resumen, en el régimen de operación por debajo del régimen se
mantiene constante la inclinación (ángulo pequeño) y se varía el
par, y en el régimen de operación por encima del régimen se
mantiene constante el par, se varía la inclinación y la turbina
permanece en el punto E del gráfico de par - velocidad.
Generalmente, el punto de establecimiento de la
potencia de régimen E es un valor altamente codificado que limita
la potencia máxima capturada por el generador de turbina eólica
durante condiciones de viento fuerte. Sin embargo, según se
describió anteriormente, en la técnica presente, el punto de
establecimiento de la potencia de régimen E se cambia dinámicamente,
o se aumenta el régimen en el gráfico de par - velocidad,
dependiendo de la velocidad media del viento (V) y de la varianza
del viento (S) para cortos períodos de tiempo. La posición del
punto de establecimiento de potencia de régimen E depende de las
consideraciones finales y de carga de fatiga. Por ejemplo, debido
meramente a consideraciones mecánicas (cargas centrífugas), la
velocidad del generador puede mantenerse dentro de un límite máximo
de velocidad (por regla general aproximadamente 1.600 rpm para el
presente diseño ejemplar) y debido a los límites eléctricos del
generador, el generador puede mantenerse dentro de un límite máximo
del par (por regla general aproximadamente 11.030 Nm para el mismo
diseño). Así, si el par de régimen y la velocidad de régimen del
generador están por debajo de una velocidad máxima y de los límites
máximos del par, puede aumentarse la potencia de régimen del
generador eólico dentro de una pequeña ventana (1.440 - 1.600 rpm y
10.090 -11.030 Nm) sin traspasar las cargas finales.
Debe hacerse notar que las cargas de fatiga se
acumulan a lo largo del tiempo. La posibilidad de que se produzcan
problemas finales de mantenimiento e incluso fallos se incrementa a
medida que el sistema excede sus límites de fatiga de diseño. La
fatiga puede estimarse en tiempo real basándose en la historia del
viento utilizando procesamiento de señales basándose en funciones
de transferencia generadas de las relaciones de potencia y daño. Ya
que la vida útil de referencia de una turbina se calcula asumiendo
las turbulencias en el peor de los escenarios, existe la oportunidad
de aumentar el régimen del la turbina siempre que la varianza del
viento sea menor que la turbulencia asumida para el peor de los
escenarios, mientras que aun se mantiene una vida más amplia que la
prevista.
Como podrán apreciar aquellos expertos en la
materia, las condiciones operativas particulares y la decisión de
aumentar la potencia de régimen del generador de turbina eólica
basándose en la valoración de las condiciones operativas
particulares, pueden almacenarse en la memoria para futuras
referencias. Un programa óptimo de par - velocidad para el punto de
establecimiento de potencia de régimen puede derivarse por lo tanto
basándose en la historia de las condiciones operativas pasadas y en
las decisiones almacenadas en la memoria. Alternativamente, el
programa óptimo de par - velocidad puede derivarse durante la fase
de diseño de los generadores de turbina eólica a través de
cualquier software de simulación de turbinas eólicas que optimice
la potencia de producción del generador de turbina eólica bajo la
restricción de su vida útil de referencia variando el punto de
establecimiento de la potencia de régimen como función de los
parámetros operativos (típicamente, características del viento de
entrada tales como la velocidad media del viento y la varianza del
viento). Entonces puede aumentarse la potencia de régimen del
generador de turbina eólica para las condiciones operativas
presentes cambiando dinámicamente el punto de establecimiento de la
potencia de régimen basándose en el programa óptimo derivado de par
- velocidad.
La lógica de control ejemplar para regular la
potencia de régimen de un generador de turbina eólica basándose en
las condiciones operativas del generador de turbina eólica se
representa en la figura 5. Según se ilustra, en la lógica ejemplar,
designada generalmente por el número de referencia 110, pueden
recogerse una serie de parámetros operativos del generador de
turbina eólica y monitorizarse a través de uno o más sensores en el
paso 112. La serie de parámetros operativos se valora entonces con
respecto a los regímenes respectivos del diseño para los parámetros
operativos en el paso 114 a través de un controlador. Debe
observarse que esta valoración puede llevarse a cabo a través de un
controlador local o a través del sistema de control del parque
eólico. La producción de potencia de régimen del generador de
turbina eólica puede incrementarse entonces intermitentemente
durante condiciones de velocidad elevada del viento basándose en la
valoración del paso 116.
Las técnicas para incrementar intermitentemente
la potencia de régimen del generador de turbina eólica, tal como se
han descrito en las diferentes realizaciones analizadas
anteriormente, suministran una producción de potencia incrementada
utilizando el generador de turbina eólica existente sin reducir su
vida útil de referencia. Alternativamente, puede emplearse un
generador de turbina eólica de un régimen menor que el actualmente
usado para suministrar el mismo nivel de potencia de salida. El
conocimiento en tiempo real de las condiciones mecánicas, térmicas
y/o eléctricas permite la valoración de la capacidad sin utilizar
dentro del diseño y por lo tanto puede permitir la extracción de
energía eólica adicional sin exceder los límites críticos de fatiga
mecánica, eléctrica y/o térmica. La valoración flexible en tiempo
real del régimen basada en condiciones permite capturar esta
energía adicional sin incrementar el coste. Debe observarse que, ya
que la turbina está expuesta a una varianza mínima del viento, en
ciertas realizaciones, la producción de potencia de régimen así
como la vida útil de referencia del generador de turbina eólica
pueden incrementarse por encima de la producción y de la vida útil
de referencia presente.
Como apreciarán aquellos expertos en la materia,
la presente técnica permite incrementar la producción máxima de una
turbina eólica sin que suponga ningún cambio del equipo y por lo
tanto puede modificarse de forma retroactiva como una actualización
del sistema de control para los generadores de turbina eólica
existentes. En resumen, las técnicas presentes tienden a una mayor
captura energética anual, a un menor coste de la energía y a mejorar
la eficiencia de las plantas y equipos existentes como mínimas
modificaciones del equipo.
Mientras que solamente se han ilustrado y
descrito ciertas características de la invención, los expertos en
la materia podrán discurrir muchas modificaciones y cambios. Debe
entenderse, por lo tanto, que las reivindicaciones adjuntas tienen
la intención de cubrir la totalidad de tales modificaciones y
cambios que están dentro del verdadero espíritu de la
invención.
- 10
- sistema de generación de energía eólica
- 12
- parque eólico
- 14
- generadores de turbina eólica
- 16
- generadores de turbina eólica
- 18
- generadores de turbina eólica
- 20
- empresa de distribución de energía eléctrica
- 22
- otras unidades de generación de energía
- 24
- rotores de turbina
- 26
- rotores de turbina
- 28
- rotores de turbina
- 30
- generadores eléctricos
- 32
- generadores eléctricos
- 34
- generadores eléctricos
- 36
- transformadores de turbina
- 38
- transformadores de turbina
- 40
- transformadores de turbina
- 42
- red de distribución de media tensión
- 44
- línea de alimentación
- 46
- dispositivos conmutadores
- 48
- dispositivos conmutadores
- 50
- dispositivos conmutadores
- 52
- transformador principal
- 54
- sistema de control del parque eólico
- 56
- puesto de monitorización central
- 58
- controlador central
- 60
- sensores de potencia
- 62
- enlaces de comunicación
- 64
- anemómetro
- 66
- sensor de temperatura
- 68
- sensor de presión
- 70
- sensores en la pala de la turbina
- 72
- palas de turbina
- 74
- eje de turbina
- 76
- caja de engranajes
- 78
- generador eléctrico
- 80
- sensores mecánicos
- 82
- sensores de velocidad
- 84
- sensores térmicos
- 86
- sensores eléctricos
- 88
- controlador
- 90
- interfaz de red
- 92
- mecanismo de control par aumentar la potencia de régimen
- 94
- sensores
- 96
- parámetros operativos
- 98
- memoria
- 100
- regímenes de diseño para los parámetros operativos recogidos
- 102
- control de turbina y generador
- 104
- gráfico de par - velocidad
- 106
- línea continua del gráfico de par - velocidad
- 110
- técnica para regular la potencia de régimen de un generador de turbina eólica
- 112
- monitorización/recogida de parámetros operativos
- 114
- valoración de los parámetros operativos con los regímenes de diseño respectivos para los parámetros operativos
- 116
- incremento intermitente de la producción de potencia de régimen basándose en la valoración.
Claims (15)
1. Un procedimiento para regular la potencia de
régimen (110) de un generador (14) de turbina eólica,
caracterizado porque comprende:
la detección (112) de una serie de parámetros
operativos (96) del generador de turbina eólica;
la valoración (114) de la serie de parámetros
operativos (96) con respecto a los regímenes de diseño para los
parámetros (100) operativos y
el incremento intermitente de una producción
(116) de potencia de régimen del generador (14) de turbina eólica
en base a la valoración.
2. El procedimiento (110) de la reivindicación
1, caracterizado porque la pluralidad de parámetros
operativos (96) comprende parámetros operativos eléctricos o
parámetros operativos mecánicos o parámetros operativos térmicos o
parámetros operativos metrológicos o cualquiera de sus
combinaciones.
3. El procedimiento (110) de la reivindicación
1, caracterizado porque el incremento intermitente de la
producción (116) de potencia de régimen comprende la operación
intermitente del generador (14) de turbina eólica a un par o a una
velocidad superiores al par o a la velocidad de régimen de
diseño.
4. El procedimiento (110) de la reivindicación
1, caracterizado porque el incremento intermitente de la
producción (116) de potencia de régimen comprende la operación
intermitente del generador (14) de turbina eólica a corrientes de
producción superiores a la corriente de régimen de diseño.
5. El procedimiento (110) de la reivindicación
1, caracterizado porque el incremento intermitente de la
producción (116) de potencia de régimen comprende el cambio
dinámico de un punto de establecimiento de potencia de régimen, en
donde el punto de establecimiento de potencia de régimen comprende
el par o la velocidad de régimen de un generador, o ambos.
6. El procedimiento (110) de la reivindicación
1, caracterizado porque el incremento intermitente de
producción (116) de potencia de régimen comprende el incremento
intermitente de la producción de potencia de régimen para viento de
alta velocidad y baja turbulencia.
7. El procedimiento (110) de la reivindicación
1, caracterizado porque el incremento intermitente de la
producción (116) de potencia de régimen comprende el incremento
intermitente de la producción de potencia de régimen para una
temperatura operativa inferior a la temperatura especificada de los
componentes eléctricos o mecánicos del generador (14) de turbina
eólica.
8. El procedimiento (110) de la reivindicación
1, caracterizado porque además comprende la derivación de un
programa óptimo de par - velocidad para el punto de establecimiento
de la potencia de régimen basándose en la valoración.
9. El procedimiento (110) de la reivindicación
8, caracterizado porque el incremento intermitente de la
producción (116) de potencia de régimen comprende el cambio
dinámico del punto de establecimiento de potencia de régimen
basándose en el programa óptimo de par - velocidad.
10. El procedimiento (110) de la reivindicación
1, caracterizado porque además comprende la determinación de
un régimen de potencia disponible en tiempo real basándose en la
información térmica disponible a partir de la monitorización
continua de la temperatura.
11. El procedimiento (110) de la reivindicación
10, caracterizado porque el incremento intermitente de la
producción (116) de potencia de régimen comprende el incremento
intermitente de la producción de potencia de régimen basándose en
el régimen de potencia disponible en tiempo real.
12. Un sistema (92) de control para regular la
potencia de régimen de un generador (14) de turbina eólica,
caracterizado porque comprende:
una serie de sensores (94) para detectar una
serie de parámetros operativos (96) del generador (14) de turbina
eólica;
un procesador (88) para valorar la serie de
parámetros operativos (96) con respecto a los regímenes de diseño
respectivos de los parámetros operativos (100); y
un controlador (88) para incrementar
intermitentemente la producción de potencia de régimen del
generador de turbina eólica basándose en la valoración.
13. Un generador (14) de turbina eólica,
caracterizado porque comprende:
un sistema de control (92) configurado para
incrementar intermitentemente la producción de potencia de régimen
del generador (14) de turbina eólica basándose en la valoración de
las condiciones operativas del generador (14) de turbina
eólica.
14. El generador (14) de turbina eólica de la
reivindicación 13, caracterizado porque las condiciones
operativas del generador (14) de turbina eólica comprenden
condiciones operativas eléctricas o condiciones operativas
mecánicas o condiciones operativas térmicas o condiciones operativas
metrológicas o cualquiera de sus combinaciones.
15. Un parque eólico (12), caracterizado
porque comprende:
una pluralidad de generadores (14, 16, 18) de
turbina eólica operables para suministrar de forma colectiva
energía eléctrica a un sistema (20) de red de distribución
eléctrica, y
un sistema (54) de control del parque eólico
configurado para incrementar intermitentemente la producción de
potencia de régimen de uno o más de la serie de generadores (14,
16, 18) de turbina eólica basándose en la valoración de las
condiciones operativas de los respectivos generadores (14, 16, 18)
de turbina eólica.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200600828A ES2302609B1 (es) | 2006-03-30 | 2006-03-30 | Sistema y procedimiento para la operacion de un parque eolico bajo condiciones de viento de alta velocidad. |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US11/144,931 | 2005-06-03 | ||
| ES200600828A ES2302609B1 (es) | 2006-03-30 | 2006-03-30 | Sistema y procedimiento para la operacion de un parque eolico bajo condiciones de viento de alta velocidad. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2302609A1 ES2302609A1 (es) | 2008-07-16 |
| ES2302609B1 true ES2302609B1 (es) | 2009-05-20 |
Family
ID=39577360
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200600828A Active ES2302609B1 (es) | 2006-03-30 | 2006-03-30 | Sistema y procedimiento para la operacion de un parque eolico bajo condiciones de viento de alta velocidad. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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|---|---|---|---|---|
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2006
- 2006-03-30 ES ES200600828A patent/ES2302609B1/es active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2302609A1 (es) | 2008-07-16 |
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|---|---|---|---|
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