ES2333393B1 - Sistema y metodo de control de un aerogenerador. - Google Patents
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Abstract
Sistema y método de control de un aerogenerador,
de los que comprenden un rotor, un generador, un convertidor de
frecuencia, una unidad de control y medios de conexión a la red de
parqué, que dispone de medios para recibir una consigna de tensión
local (V_{REF}) y un regulador (1) que calcula la potencia
reactiva a generar (Q_{T}) en función del error de tensión
(\DeltaV), estando operativo en todo el rango de tensión. El
sistema comprende además: al menos un elemento saturador (2, 6, 7)
en el que se limita la potencia reactiva a generar, donde los
límites (Q_{\_MAX}, Q_{\_MIN}, Q_{C\_MAX}, Q_{C\_MIN},
Q_{S\_MAX}, Q_{S\_MIN}) son calculados dinámicamente en función
de la tensión, obteniéndose a la salida de dicho bloque una potencia
reactiva de referencia del aerogenerador (Q_{\_REF}, Q_{C\_REF},
Q_{S\_REF}); y un elemento (3) donde se calcula el límite actual
de la potencia activa (P_{MAX}) en función de la reactiva
previamente limitada (Q_{\_REF}, Q_{S\_REF}) y la potencia
aparente disponible en ese momento.
Description
Sistema y método de control de un
aerogenerador.
La siguiente invención, según se expresa en el
enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a un
sistema y método de control de un aerogenerador, por el cual, en un
primer objeto de la invención, se trata de generar potencia
reactiva en todo el rango de tensión sin necesidad de una acción
especial en el evento de un hueco sustancial de
red.
red.
En un segundo objeto de la invención, se trata
de limitar la potencia extraída del viento en función de la
potencia que en cada momento es posible evacuar a la red.
En la presente memoria se describe un sistema y
método de control, de especial aplicación para su incorporación en
aerogeneradores cuya función es mantener estable la tensión de la
red de los parques eólicos mediante la generación de potencia
reactiva.
Con el aumento en el grado de penetración de la
generación eólica en la red eléctrica se les están demandando a
este tipo de generadores diversos servicios auxiliares, tales como
el control de tensión y frecuencia, para garantizar su correcta
integración en la red.
De esta forma, se han desarrollado controles de
potencia activa y reactiva para la contribuir a la estabilización
de la frecuencia y de la tensión, respectivamente, en operación
normal, entendiendo por este rango de trabajo el especificado en el
código de red correspondiente. Valores típicos de operación normal
vienen dados en la figura 1.
Convencionalmente, se han utilizado dos
estrategias distintas para el control de tensión en los
aerogeneradores en operación normal.
La primera estrategia ha sido incorporar
controladores de parque, que a partir de la tensión medida en el
punto de conexión del parque envían consignas a los aerogeneradores
de potencia reactiva o factor de potencia. Ejemplos de este tipo de
control son la solicitud de patente EP1433238 y parte de lo
descrito en el documento de patente US7166928B2.
La desventaja de esta solución es que para
conseguir una respuesta rápida exige una sofisticada red
informática que conecte el controlador de parque con los
aerogeneradores.
Otra desventaja de este sistema es que, al no
controlarse la tensión en bornas del aerogenerador, la consigna de
reactiva demandada al aerogenerador puede modificarla, pudiendo
llegar a exceder el rango de tensiones admisible y provocando la
desconexión de la máquina.
La segunda estrategia ha sido incorporar en los
aerogeneradores controladores de la tensión en bornas del
aerogenerador. Un ejemplo de este tipo de control lo constituye el
documento de patente US 6965174 B2.
Este tipo de control es de rápida respuesta y no
necesita equipos adicionales de control en subestación, ya que, los
aerogeneradores siempre incorporan controladores y medidas de
tensión en bornas de conexión.
Sin embargo tiene la desventaja de que
únicamente se controla la tensión local, cuyo valor no es relevante
siempre que se mantenga dentro de los rangos de operación
especificados. Por el contrario la tensión en el punto de conexión
del parque no es controlada y por lo tanto puede estar sujeta a
variaciones.
Soluciones en las que se implementan controles
locales integrados con controles centrales a nivel de parque,
mejorando por lo tanto la respuesta de los anteriores controles son
las siguientes solicitudes de patente EP1512869A1, WO2006037576A1 y
WO2006120033A2.
Por otro lado, otro tipo de servicios auxiliares
están siendo demandados ante eventos de red en los últimos años,
tales como la generación de potencia reactiva en huecos de tensión,
cuando anteriormente el único requisito era permanecer conectado a
la red durante la falta.
De la misma forma que en operación normal,
diversos controles han sido desarrollados para la generación de
reactiva en el evento de un hueco de tensión con el fin de
contribuir al reestablecimiento de la tensión, tal y como aparece
en la solicitud de patente US2007/0273155 A1.
El inconveniente de los citados antecedentes es
que para cumplir con todos los requisitos de la red, disponen de
controles específicos para operación normal y otros controles
distintos específicos para eventos de red como los citados huecos
de tensión, de forma que en el momento de producirse una falta los
controles asociados a la operación en régimen normal se desactivan
para dar paso al control en falta, produciéndose así
discontinuidades en el control.
De la misma manera, al reestablecerse la
tensión, el tipo de control ha de cambiar de nuevo y las variables
de los distintos controladores han de ser recalculadas y adaptadas
a las nuevas condiciones de la red, a través de una serie de
cálculos complejos. Esta serie de discontinuidades en el control
producen una respuesta del aerogenerador de cara a la red
susceptible de mejora y son requeridos complejos algoritmos de
inicialización de los controladores para un correcto
funcionamiento.
Por otro lado, los aerogeneradores han de
permanecer conectados a la red en huecos de tensión durante más o
menos tiempo y para distintas profundidades de hueco dependiendo de
las normativas de los operadores de red.
La potencia eléctrica que es posible evacuar a
la red disminuye proporcionalmente a la profundidad de hueco. Si la
potencia captada del viento permanece inalterada y la potencia
eléctrica que es posible evacuar es menor que la anterior, se
produce una aceleración del rotor que puede llevar a la parada de
emergencia de la máquina por sobrevelocidad, con lo que se
incumplirían las citadas normativas de red.
En el documento de patente US 6,921,985 se
describe un control de pitch en respuesta a la transición entre un
primer modo de operación y un segundo modo de operación,
determinada dicha transición por el evento de un hueco de red. En
el citado documento se determinan unos umbrales de profundidad de
hueco a partir de los cuales se modifica el modo de operación.
En la solicitud de patente WO2008/031433 se
describe un método de control de pitch en la transición entre el
hueco y la operación normal, en el que se mide una variable de la
red eléctrica (por ejemplo tensión) y se traduce a una variable que
toma un valor en situación normal y otro valor distinto en hueco de
tensión.
Los citados antecedentes limitan la captura
exclusivamente en función de la detección o no de un hueco, lo que
puede llevar por un lado a limitar en situaciones en las que no es
necesario, o no hacerlo en otras que sí es necesario, dependiendo
tanto del rango de tensión en el que detectan "modo de
funcionamiento hueco" y de la potencia disponible del
viento.
En la presente memoria se describe un sistema de
control de tensión de un aerogenerador, del tipo que comprende un
rotor, un generador, un convertidor de frecuencia, una unidad de
control y medios de conexión a la red de parque, disponiendo dicho
sistema de control de medios para recibir una consigna de tensión
local (V_{REF}) y un regulador que calcula la potencia reactiva a
generar (Q_{T}) en función del error de tensión (\DeltaV), de
forma que esta operativo en todo el rango de tensión y, comprende
además:
- al menos un elemento saturador en el que se
limita la potencia reactiva a generar, donde los límites
(Q_{\_MAX}, Q_{\_MIN}, Q_{C\_MAX}, Q_{C\_MIN},
Q_{S\_MAX}, Q_{S\_MIN}) son calculados dinámicamente en función
de la tensión, obteniéndose a la salida de dicho bloque una
potencia reactiva de referencia de la turbina (Q_{\_REF},
Q_{C\_REF}, Q_{S\_REF});
- un elemento donde se calcula el límite actual
de la potencia activa (P_{MAX}) en función de la potencia
reactiva previamente limitada (Q_{\_REF}, Q_{S\_REF}) y la
potencia aparente disponible en ese momento;
De esta forma el control permite la generación
de potencia reactiva demandada por el operador del sistema válida
para cualquier rango de tensión, sin necesidad de cambiar el método
o sistema de control ante variaciones bruscas de la tensión de red.
Permite la generación de potencia reactiva en función de la tensión
de red sin discontinuidades, suponiendo por lo tanto una mejora en
la prestación de los servicios auxiliares, mediante la
implementación de algoritmos y lazos de regulación robustos. El
mencionado control de tensión se implementa localmente en cada
aerogenerador, con la consiguiente rapidez en su respuesta ante
cambios bruscos en la tensión, y puede integrarse junto con
controles a nivel de parque.
Además, el sistema comprende medios para
determinar la potencia reactiva generada por la máquina
(Q_{i\_MED}) y un segundo regulador que genera la consigna de
tensión local (V_{REF}) a partir del error existente entre una
determinada potencia reactiva de consigna a (Q_{i}) y la potencia
reactiva generada (Q_{i\_MED}).
En el caso en que el aerogenerador es asíncrono
doblemente alimentado, comprende, además, un elemento de reparto
donde la referencia de potencia reactiva a generar por la turbina
(Q_{T}) se divide en dos consignas, una consigna referida a la
potencia reactiva a suministrar por el generador (Q_{S}) y otra
consigna referida a la potencia reactiva a generar por el
convertidor (Q_{C}), en función de un parámetro
(\alpha_{reparto}) calculado de tal forma que el funcionamiento
de la máquina sea óptimo desde el punto de vista térmico.
En el mencionado caso de que el aerogenerador
sea doblemente alimentado y según otro objeto de la invención, el
sistema comprende dos elementos de saturación de potencia reactiva,
de forma que uno de dichos elementos limita la consigna de potencia
reactiva de estator y el otro elemento la potencia reactiva del
convertidor, en los que los límites de potencia reactiva son
calculados dinámicamente en función de la tensión, obteniéndose a
la salida de cada uno de ellos la referencia de potencia reactiva
del estator (Q_{S\_REF}) y la potencia reactiva del convertidor
(Q_{C\_REF}), respecti-
vamente.
vamente.
En una primera ejecución de la invención, la
consigna de potencia reactiva (Q_{i}) del lazo de control de
potencia reactiva es generada a partir de un control de la tensión
de parque (V_{PCC}) realizado a nivel de subestación.
Según la citada primera ejecución y en otro
aspecto de la invención, el sistema comprende un lazo de
seguimiento de referencia de potencia reactiva, en el que la
reactiva de consigna (Q_{i}) se obtiene como la suma entre una
primera referencia de potencia reactiva (Q_{ref}) y un término
(\DeltaQ_{ref}) calculado en función del error entre la potencia
reactiva total demandada al parque eólico y la potencia reactiva
medida generada por el conjunto de los aerogeneradores operativos
del parque eólico.
En una segunda ejecución de la invención la
consigna de potencia reactiva (Q_{i}) del lazo de control de
potencia reactiva es generada a partir de un control de la tensión
de parque (V_{PCC}) realizado a nivel de máquina.
Según la mencionada segunda ejecución de la
invención y en otro aspecto de la invención el aerogenerador o
turbina eólica dispone de los medios necesarios para recibir a
través de la red de comunicaciones de parque una referencia de
tensión del punto de conexión del parque eólico a la red
(V_{PCC\_REF}) y parámetros asociados al control de tensión.
Así el control de tensión puede implementarse
íntegramente a nivel local, sin la necesidad de controles de parque
que coordinen a los diferentes aerogeneradores.
Por otra parte, en el caso de que la turbina
esté conectada a la red de parque a través de un transformador y en
un primer aspecto de la invención, mediante un regulador
incorporado a nivel de máquina se calcula la consigna de potencia
reactiva (Q_{REF}) a partir de la tensión de bus del parque
(V_{BUS}).
En el citado caso en que la turbina esté
conectada a la red de parque a través de un transformador y en un
segundo aspecto de la invención, la tensión de bus (V_{BUS}) es
estimada utilizando un modelo del transformador y las medidas de
tensión, corriente y factor de potencia en bornes de la
máquina.
Asimismo, en el caso de que la turbina esté
conectada a la red de parque a través de un transformador y en un
tercer aspecto de la invención, el sistema comprende un bloque de
saturación en el que la potencia reactiva a generar (Q_{T}) se
limita en función de unos límites calculados dinámicamente a partir
del modelo del transformador y de las medidas de tensión, corriente
y factor de potencia, de manera que no se supere los límites de
tensión en bornes de la
máquina.
máquina.
Las características del sistema de control de la
presente invención hacen posible que las tareas que ejecuta sean
implementadas en su totalidad en el PLC de la máquina, no siendo
necesario incorporar dichos algoritmos en la unidad de control del
convertidor, del tal forma que las tareas de control del equipo de
potencia resulten más sencillas y se favorezca de esta forma la
integración de equipos de potencia de cualquier fabricante.
En otro aspecto de la invención, se limita la
potencia extraída del viento en función de la potencia activa que
en cada momento es posible evacuar a la red P_{\_MAX}.
Para ello, un elemento calcula un término de
corrección del ángulo de pala (\Delta\beta) en función de la
potencia que en cada momento es posible evacuar a la red
P_{\_MAX} y un valor indicativo de la potencia mecánica
disponible.
Adicionalmente, como valor indicativo de la
potencia mecánica disponible se utiliza la potencia generada en el
instante anterior a una disminución abrupta en la potencia que es
posible evacuar (P_{MAX}).
El control de par tiene en cuenta la corrección
del ángulo de la pala (\Delta\beta) para el cálculo de la
consigna de par o potencia. De este modo se evita un excesivo
frenado del aerogenerador por la acción combinada del ángulo de
paso de pala y el par eléctrico.
Dicho cálculo del término de corrección del
ángulo de pala (\Delta\beta) se realiza, además, en función de
la posición actual de la pala (\beta).
De este modo el control de pitch responde a la
verdadera necesidad de limitación de captura energética, es decir,
al hecho que la potencia eléctrica que se puede evacuar a la red
sea menor que la captada del viento que es lo que motiva las
sobrevelocidades. Esto puede ocurrir en el caso de eventos de red
como son los huecos de tensión pero además con la presente
invención también se puede tener en cuenta que las sobretensiones
también son susceptibles de disminuir la capacidad de evacuación de
potencia activa de la máquina, ante las cuales el pitch habría de
responder de manera similar a cómo lo hace en huecos de
tensión.
Asimismo, también es objeto de la invención un
método de control de un aerogenerador, del tipo que comprende un
rotor, un generador, un convertidor de frecuencia, una unidad de
control y medios de conexión a la red de parque, comprendiendo
dicho método los pasos de recibir una consigna de tensión local
(V_{REF}) y calcular la potencia reactiva a generar (Q_{T}) en
función del error de tensión (\DeltaV), de forma que esta
operativo en todo el rango de tensión y comprende además los
siguientes pasos:
- limitar la potencia reactiva a generar, siendo
los límites (Q_{\_MAX}, Q_{\_MIN}, Q_{C\_MAX}, Q_{C\_MIN},
Q_{S\_MAX}, Q_{S\_MIN}) calculados en función de la tensión,
obteniendo así al menos una potencia reactiva de referencia del
aerogenerador (Q_{\_REF}, Q_{C\_REF}, Q_{S\_REF});
- calcular el límite de potencia activa
(P_{\_MAX}) en función de la reactiva previamente limitada
(Q_{\_REF}, Q_{S\_REF}) Y la potencia aparente disponible en
ese momento, el cual limitará la potencia activa generada;
Dicho método comprende además el paso de
calcular la consigna de tensión local (V_{\_REF}) a partir del
error existente entre una determinada potencia reactiva de consigna
(Q_{i}) y la potencia reactiva generada por el
aerogenerador
(Q_{i\_MED}).
(Q_{i\_MED}).
En el caso en que el aerogenerador es asíncrono
doblemente alimentado, la referencia de potencia reactiva a generar
por la turbina (Q_{T}) se divide en dos consignas en un elemento
de reparto, una consigna referida a la potencia reactiva a generar
por el generador (Q_{S}) y otra consigna referida a la potencia
reactiva a generar por el convertidor (Q_{C}), en función de un
parámetro (\alpha_{reparto}) calculado de tal forma que el
funcionamiento del aerogenerador sea óptimo desde el punto de vista
térmico.
En el citado caso en que el aerogenerador es
doblemente alimentado y según otro aspecto de la invención, se
limita la consigna de potencia reactiva de estator (Q_{S}) y la
potencia reactiva del convertidor (Q_{C}) en sendos elementos de
saturación, obteniéndose a la salida de cada uno de ellos la
referencia de potencia reactiva del estator (Q_{S\_REF}) y la
potencia reactiva del convertidor (Q_{C\_REF}),
respectivamente.
En una primera ejecución de la invención, la
consigna de potencia reactiva (Q_{i}) del lazo de control de
potencia reactiva es generada a partir de un control de la tensión
de parque (V_{PCC}) implementado a nivel de subestación y
parámetros asociados al control de tensión.
Según la citada primera ejecución de la
invención y en otro aspecto de la invención, la potencia reactiva
de consigna (Q_{ref}) se corrige en función del error entre la
potencia reactiva total demandada al parque eólico y la potencia
reactiva medida generada por el conjunto de aerogeneradores
operativos de parque eólico (Q_{GLOBAL\_MED}) en un lazo de
seguimiento de referencia, añadiéndosele un término
(\DeltaQ_{ref}) que compense dicho error.
En una segunda ejecución de la invención, la
consigna de potencia reactiva (Q_{i}) del lazo de control de
potencia reactiva es generada a partir de un control de la tensión
de parque (V_{PCC}) realizado a nivel de máquina.
Según la mencionada segunda ejecución de la
invención y en otro aspecto de la invención, se recibe a través de
la red de comunicación de parque una referencia de tensión del
punto de conexión del parque eólico a la red (V_{PCC\_REF}).
Por otra parte, en el caso de que la turbina
esté conectada a la red de parque a través de un transformador y en
un primer aspecto de la invención, se calcula la consigna de
potencia reactiva (Q_{REF}) a partir de la: tensión de bus del
parque (V_{Bus}) mediante un regulador incorporado a nivel de
máquina.
Asimismo, en el caso de que la turbina esté
conectada a través de un transformador a la red de parque y en un
segundo aspecto de la invención, la tensión de referencia
(V_{REF}) corresponde a la referencia de tensión de bus de
parque, comprendiendo dicho método además el paso de calcular el
error de tensión (\DeltaV) a partir de un modelo del
transformador y de medidas de tensión, corriente y factor de
potencia en bornes de la máquina o aerogenerador.
En el citado caso de que la turbina esté
conectada a través de un transformador a la red de parque y en un
tercer aspecto de la invención, la potencia reactiva a generar
(Q_{T}) se limita en función de unos límites calculados
dinámicamente a partir del modelo del transformador y de las
medidas de tensión, corriente y factor de potencia, de manera que
no se supere los límites de tensión en bornes de la máquina o
aerogenerador.
En otro aspecto de la invención, se limita la
potencia extraída del viento en función de la potencia activa que
en cada momento es posible evacuar a la red. Dicha limitación puede
hacerse basada también en el par eléctrico disponible, el cual, en
máquinas doblemente alimentadas, es proporcional a la potencia
activa generada por el estator del generador.
Para ello se calcula un término de corrección
del ángulo de pala (\Delta\beta) en función de la potencia que
en cada momento es posible evacuar a la red (P_{\_MAX}) y un valor
indicativo de la potencia mecánica disponible.
Como valor indicativo de la potencia mecánica
disponible se utiliza la potencia generada en el instante anterior
a una disminución abrupta en la potencia que es posible evacuar
(P_{MAX}).
El control de par tiene en cuenta la corrección
del ángulo de la pala (\Delta\beta) para el cálculo de la
consigna de par o potencia.
El citado cálculo del término de corrección del
ángulo de pala (\Delta\beta) se realiza, además, en función de
la posición actual de la pala (\beta).
Para complementar la descripción que
seguidamente se va a realizar, y con objeto de ayudar a una mejor
comprensión de las características de la invención, se acompaña a
la presente memoria: descriptiva, de un juego de planos, en cuyas
figuras de forma ilustrativa y no limitativa, se representan los
detalles más característicos de la invención.
Figura 1. Muestra un esquema del sistema de
control núcleo de la invención.
Figura 2. Muestra una gráfica de las
características del control de tensión de acuerdo a una realización
preferente de la invención.
Figura 3. Muestra un esquema del sistema de
control de una realización preferente en el que el aerogenerador es
doblemente alimentado.
Figura 4. Muestra un esquema de configuración de
un parque eólico de acuerdo a una realización preferente de la
invención.
Figura 5. Muestra un esquema de configuración de
un parque eólico de acuerdo a una realización preferente de la
invención.
Figura 6. Muestra un esquema de un lazo de
seguimiento de referencia de reactiva global de acuerdo a una
realización preferente de la invención.
Figura 7. Muestra un esquema del sistema de
control de una realización preferente en el que el aerogenerador
está conectado a la red de parque a través de un transformador.
Figura 8. Muestra una realización preferente del
cálculo del termino de corrección del ángulo de paso de pala en
función del déficit de potencia activa y la posición actual de la
pala.
A la vista de las comentadas figuras y de
acuerdo con la numeración adoptada se puede observar en la figura 1
una realización preferente del sistema descrito en la presente
invención.
Así, a partir de la diferencia entre la tensión
de referencia local del aerogenerador V_{REF} y la tensión local
medida V_{MED}, se obtiene el error de tensión \DeltaV, que es
la señal de entrada al regulador 1 de potencia reactiva.
La salida de dicho bloque es la potencia
reactiva de consigna para la turbina Q_{T}. Dicha consigna se
limita en un elemento de saturación 2, en el cual los límites
Q_{\_MAX\_V}, y Q_{\_MIN\_V} son calculados dinámicamente en
función de la tensión. La salida de dicho elemento de saturación 2
es la potencia reactiva de referencia Q_{REF}. En un elemento 3
se calcula el límite de potencia activa P_{\_MAX} a partir de
Q_{REF} y la potencia aparente disponible en ese momento.
Dicho límite P_{\_MAX} especifica el valor
máximo de potencia activa permitido para que el aerogenerador
mantenga en todo momento la capacidad de corriente necesaria para
generar la potencia reactiva adecuada al nivel de tensión.
De este modo no hay discontinuidades en el
control de tensión al no cambiar el modo de operación dependiendo
de la magnitud de la desviación de tensión.
Según una realización preferente el
aerogenerador dispone de medios para determinar la potencia
reactiva que está generando Q_{i\_MED}, y la consigna de tensión
local V_{REF} se calcula en un segundo regulador 4 a partir del
error existente entre una determinada consigna de potencia reactiva
Q_{i} y dicha potencia reactiva generada Q_{i\_MED}.
En la figura 2 puede verse la relación entre el
límite máximo de potencia reactiva Q_{\_MAX\_V} y \DeltaV en
una realización preferente. Según dicha realización, para
diferencias de tensión inferiores al 50% Q_{\_MAx\_V} es
creciente y sigue una relación del siguiente tipo:
donde K_{1}, y K_{2} son
constantes. Para diferencias de tensión superiores al 50%
Q_{\_MAX\_V} decrece linealmente y para diferencias inferiores al
0% es constante e igual a cero con el fin de que no contribuya a un
incremento del error de
tensión.
\newpage
También se puede ver en dicha figura 2 el límite
mínimo de potencia reactiva en función de la desviación de tensión
\DeltaV. En este caso para desviaciones de tensión positivas, el
límite inferior Q_{\_MIN\_V} marca la potencia reactiva mínima
que se puede generar de tal forma que no se contribuya a un aumento
de la desviación de tensión. Sin embargo, para desviaciones
negativas sigue la siguiente relación:
En la figura 2 también puede verse como el
límite de potencia activa P_{\_MAX} (en el caso particular en que
Q_{REF} = Q_{MAX}), decrece con \DeltaV hasta hacerse nula
con \DeltaV superiores al 50%.
En la figura 3 se puede ver el esquema de una
realización preferente de la invención en el caso particular en que
el aerogenerador es asíncrono doblemente alimentado.
En este caso, el bloque correspondiente al
sistema de control de la presente invención incorpora un bloque de
reparto 5 que divide la consigna de potencia reactiva para la
turbina Q_{T} en dos, una la potencia reactiva a suministrar por
el generador Q_{S} y otra la potencia reactiva a suministrar por
el convertidor del lado de la máquina Q_{C}, en función de un,
parámetro \alpha_{reparto}.
Dicho parámetro está basado en la temperatura de
los componentes eléctricos del aerogenerador (estator, rotor,
convertidor lado máquina y lado red, transformador, etc.) y tiene
como objetivo optimizar el estado térmico de los componentes del
sistema.
El reparto es realizado de tal forma que a la
salida, las cantidades de potencia reactiva de consigna para
estator Q_{S} y convertidor lado red Q_{C} son las adecuadas
para un correcto control de tensión y optimizan la evolución de la
temperatura de todos los componentes del sistema eléctrico.
Dichas cantidades son limitadas en sendos
elementos de saturación 6 y 7 cuyos límites (Q_{C\_MAX},
Q_{C\_MIN}, Q_{S\_MAX} y Q_{S\_MIN}) respectivamente, son
calculados dinámicamente en función de la tensión y de la potencia
activa y la temperatura dando a la salida las referencias de
potencia reactiva para el convertidor y el estator (Q_{S\_REF},
Q_{C\_REF}) respectivamente.
De la misma manera en un elemento 3 se calcula
el límite de potencia activa P_{\_MAX} a partir de Q_{S\_REF} y
la potencia aparente disponible en ese momento. Dicho límite
P_{\_MAX} especifica el valor máximo de potencia activa permitido
para que la máquina mantenga en todo momento la capacidad de
corriente necesaria para generar la potencia reactiva adecuada al
nivel de tensión.
Éstas consignas y límites (Q_{S\_REF},
Q_{C\_REF}, P_{\_MAX}) son empleados por el controlador del
convertidor de potencia 10 para controlar el convertidor de
potencia de manera adecuada, tanto el convertidor del lado de la
máquina 12 al cual se conecta el rotor del generador eléctrico 11
como del lado de la red 13 el cual se conecta a la red a través de
un transformador 14 en una realización permanente.
Según una realización preferente, en la figura 4
se puede ver el esquema de un parque eólico conectado a la red
eléctrica a través de un transformador 50, en el cual el sistema de
control de parque 20 recibe medidas realizadas en el punto de
conexión de parque de tensión y potencia reactiva
(Q_{GLOBAL\_MED}, V_{PCC}) y envía a cada aerogenerador 30
consignas de potencia reactiva Q_{i} a través de la red SCADA de
parque eólico 40 derivadas de un control de tensión implementado en
dicho sistema de control de parque 20.
En la figura 5 se puede ver el control de
tensión implementado en el sistema de control de parque 20 de una
realización preferente. Éste recibe medidas de la potencia reactiva
generada por el parque eólico Q_{\_GLOBAL\_MED} e información del
número de aerogeneradores o máquinas operativas del parque eólico
N_{\_MAQ\_ON}. Dicho sistema de control de parque incorpora un
primer regulador de tensión 200 el cual, a partir del error
existente entre la tensión medida V_{PCC} y la de referencia
V_{REF}, calcula una primera consigna de potencia reactiva para
cada máquina Q_{REF}.
A partir de la información de la potencia
reactiva generada Q_{\_GLOBAL\_MED} y del número de máquinas
operativas del parque eólico N_{\_MAQ\_ON} en elemento de cálculo
202 calcula la potencia reactiva que está generado cada máquina y a
partir del error entre ésta y la de referencia Q_{REF} un segundo
regulador 201 calcula el aporte extra de potencia reactiva
\DeltaQref que cada máquina debe realizar para garantizar el de
seguimiento de la referencia de la potencia reactiva del parque
eólico.
De esta forma, si hay alguna máquina que está
sufriendo limitaciones y por lo tanto a la salida del parque la
potencia reactiva medida global Q_{\_GLOBAL\_MED} no se
corresponde con la potencia reactiva de consigna y mientras el
resto de las máquinas tengan capacidad suficiente, éstas
compensarán los eventuales errores debidos a las limitaciones en
alguna máquina.
En una realización preferente, tal y como se
muestra en la figura 6, las máquinas reciben a través de la red
SCADA de comunicación de parque 40 información de medidas
realizadas en el punto de conexión del parque eólico a la red
(Q_{QGLOBAL\_MED} y V_{PCC}) y datos recibidos desde un punto
remoto como telemando 60 del número de máquinas operativas en el
parque eólico N_{\_MAQ\_ON}, de manera que cada una de ellas sea
capaz de integrar en sus unidades de control local el control de la
tensión de parque, eólico V_{PCC}.
De esta manera se consigue un control de
similares características que un control central de la tensión aún
sin disponer de una unidad de control de parque.
La figura 7 muestra un esquema del sistema de
control de la presente invención de una realización preferente en
el caso particular en que el aerogenerador se encuentra conectado a
la red a través de un transformador 3, caracterizado porque
comprende un bloque de cálculo 8 de la tensión de bus de parque
V_{BUS}.
Dicho bloque de cálculo 8 está basado en un
modelo del transformador y calcula, a partir de medidas de tensión,
corriente y factor de potencia (V, I, cos\phi en bornes de la
máquina, la tensión estimada V_{EST} en el bus de parque al cual
se conecta el aerogenerador.
A partir de dicha tensión estimada V_{EST} y
de la referencia de tensión de bus de parque V_{REF} se calcula
el error de tensión que constituye la señal de entrada al bloque de
regulación de reactiva 11, a la salida del cual se obtiene la
reactiva de consigna para la turbina Q_{T}.
De este modo, el control de tensión se realiza
sobre una variable más representativa de la tensión en el punto de
conexión del parque a la red V_{PCC} que la tensión en bornes de
la máquina V, y mucho menos variable que ésta.
Así, con la agilidad típica de un control local
cada máquina regula la potencia reactiva que genera en función de
una tensión más parecida para todas ellas, obteniéndose un control
de tensión de mejores prestaciones de cara a la red.
Con el fin de que no se superen los límites de
tensión en bornes de máquina, el sistema de control de la presente
invención incorpora un elemento saturador 9 al cual llegan como
entradas la potencia reactiva máxima Q_{MAX} y mínima Q_{MIN}
para que no se sobrepasen los límites de tensión admisibles.
Dichos valores son calculados en el bloque de
cálculo 8 a partir del modelo del transformador y de medidas de
tensión, corriente y factor de potencia (V, I, cos\phi) en bornes
de la máquina.
Esta realización preferente permite un control
de tensión de características similares a las de un control en dos
niveles (subestación y máquina), con la ventaja de que se realiza
de manera local en cada aerogenerador. En una realización
preferente se dispone de un control de subestación desde el que se
envían consignas a cada máquina. En esta situación, si se produce
un fallo en las comunicaciones con alguno de los aerogeneradores,
éstos pueden seguir contribuyendo a un correcto control de la
tensión.
En una realización preferente y en otro aspecto
de la invención, tal y como se muestra en la figura 1, se calcula
un término de corrección del ángulo de pitch \Delta\beta en un
elemento 15 en función de la potencia que se puede evacuar a la red
P_{\_MAX} y la potencia mecánica disponible P_{\_MEC}, la cual
depende de la velocidad de viento, de la velocidad de giro y del
ángulo de paso de pala.
Además, se toma como valor indicativo de la
potencia mecánica disponible la potencia eléctrica que se estaba
generando en el instante anterior a una reducción abrupta en la
potencia que se puede evacuar a la red P_{MAX}.
En una realización preferente, para evitar un
exceso de frenado por la acción combinada de la corrección del
ángulo de pitch \Delta\beta y el par eléctrico de la máquina, en
el control de par del generador se tiene en cuenta la mencionada
corrección del ángulo de pitch.
Para el cálculo de corrección del ángulo de
pitch \Delta\beta se tiene en cuenta la posición actual del
ángulo de pala \beta.
En la figura 8 se muestra una realización
preferente del ángulo de corrección \Delta\beta, para distintas
posiciones del ángulo de pala, calculado a partir del error entre
la potencia mecánica disponible P_{\_MEC} y la potencia máxima
P_{MAX} que es posible evacuar a la red.
Claims (31)
1. Sistema de control de un aerogenerador, del
tipo que comprende un rotor, un generador, un convertidor de
frecuencia, una unidad de control y medios de conexión a la red de
parque, disponiendo dicho sistema de control de medios para recibir
una consigna de tensión local (V_{REF}) y un regulador (1) que
calcula la potencia reactiva a generar (Q_{T}) en función del
error de tensión (\DeltaV), caracterizado por estar
operativo en todo el rango de tensión y comprender además:
- al menos un elemento saturador (2,6,7) en el
que se limita la potencia reactiva a generar, donde los límites
(Q_{\_MAX}, Q_{\_MIN}, Q_{C\_MAX}, Q_{C\_MIN},
Q_{S\_MAX}, Q_{S\_MIN}) son calculados dinámicamente en función
de la tensión, obteniéndose a la salida de dicho bloque una
potencia reactiva de referencia del aerogenerador (Q_{\_REF},
Q_{C\_REF}, Q_{S\_REF});
- un elemento (3) donde se calcula el límite
actual de la potencia activa (P_{MAX}) en función de la reactiva
previamente limitada: (Q_{\_REF}, Q_{S\_REF}) y la potencia
aparente disponible en ese momento.
2. Sistema de control de un aerogenerador, según
la reivindicación 1ª, caracterizado porque comprende además
medios para determinar la reactiva generada por la máquina
(Q_{i\_MED}) y un segundo regulador (4) que genera la consigna de
tensión local (V_{REF}) a partir del error existente entre una
determinada reactiva de consigna (Q_{i}) y la reactiva generada
(Q_{i\_MED}).
3. Sistema de control de un aerogenerador, según
la reivindicación 2ª, caracterizado porque el aerogenerador
es asíncrono doblemente alimentado y porque dicho sistema comprende
además un elemento de reparto (16) donde la referencia de potencia
reactiva a generar por la turbina (Q_{T}) se divide en dos
consignas, una la reactiva a suministrar por el generador (Q_{S})
y otra la reactiva a generar por el convertidor (Q_{C}), en
función de un parámetro (\alpha_{reparto}) calculado de tal
forma que el funcionamiento del aerogenerador sea óptimo desde el
punto de vista térmico.
4. Sistema de control de un aerogenerador, según
la reivindicación 3ª, caracterizado porque comprende dos
elementos de saturación de reactiva (6 y 7), de forma que uno de
dichos elementos limita la consigna de reactiva de estator y el
otro elemento la del convertidor, en los que los límites de reactiva
son calculados dinámicamente en función de la tensión, obteniéndose
a la salida de cada uno de ellos la referencia de reactiva del
estator (Q_{S\_REF}) y la del convertidor (Q_{C\_REF})
respectivamente.
5. Sistema de control de un aerogenerador, según
la reivindicación 2ª ó 4ª, caracterizado porque la consigna
de reactiva (Q_{i}) del lazo de control de reactiva es generada a
partir de un control de la tensión de parque (V_{PCC}) realizado
a nivel de subestación.
6. Sistema de control de un aerogenerador, según
la reivindicación 5ª, caracterizado porque comprende además
un lazo de seguimiento de referencia de reactiva, en el que la
reactiva de consigna (Q_{i}) se obtiene como la suma entre una
primera referencia de reactiva (Q_{ref}) y un término
(\DeltaQ_{ref}) calculado en función del error entre la
reactiva total demandada al parque eólico y la reactiva medida
generada por el conjunto de los aerogeneradores operativos del
parque eólico.
7. Sistema de control de un aerogenerador, según
la reivindicación 2ª ó 4ª, caracterizado porque la consigna
de reactiva (Q_{i}) del lazo de control de reactiva es generada a
partir de un control de la tensión de parque (V_{PCC}) realizado
a nivel de máquina.
8. Sistema de control de un aerogenerador, según
la reivindicación 7ª, caracterizado porque el aerogenerador
dispone de los medios necesarios para recibir a través de la red de
comunicaciones de parque una referencia de tensión del punto de
conexión del parque eólico a la red (V_{PCC\_REF}) y parámetros
asociados al control de tensión.
9. Sistema de control de un aerogenerador, según
la reivindicación 2ª ó 4ª, caracterizado porque el
aerogenerador está conectado a la red de parque a través de un
transformador, y mediante un regulador incorporado a nivel de
máquina se calcula la consigna de reactiva (Q_{REF}) a partir de
la tensión de bus del parque (V_{BUS}).
10. Sistema de control de un aerogenerador,
según las reivindicaciones 9ª, caracterizado porque la
tensión de bus (V_{BUS}) es estimada utilizando un modelo del
transformador y las medidas de tensión, corriente y factor de
potencia en bornes de la máquina.
11. Sistema de control de un aerogenerador,
según la reivindicación 10ª, caracterizado porque comprende
un bloque de saturación en el que la reactiva a generar (Q_{T}) se
limita en función de unos límites calculados dinámicamente a partir
del modelo del transformador y de las medidas de tensión, corriente
y factor de potencia, de manera que no se supere los límites de
tensión en bornes de la máquina.
12. Sistema de control de un aerogenerador,
según cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 3ª, comprendiendo
además medios para regular el paso de pala, caracterizado
porque se limita la potencia extraída del viento en función de la
potencia que en cada momento es posible evacuar a la red
(P_{MAX}).
13. Sistema de control de un aerogenerador,
según la reivindicación 12ª, caracterizado porque comprende
un elemento (15) que calcula un término de corrección del ángulo de
pala (\Delta\beta) en función de la potencia que en cada
momento es posible evacuar a la red (P_{MAX}) y un valor
indicativo de la potencia mecánica disponible.
14. Sistema de control de un aerogenerador,
según la reivindicación 13ª, caracterizado porque dicho
cálculo del término de corrección del ángulo de pala
(\Delta\beta) se realiza, en función de la potencia generada en
el instante anterior a una disminución abrupta en la potencia que
es posible evacuar (P_{MAX}).
15. Sistema de control de un aerogenerador,
según la reivindicación 14ª, caracterizado porque el control
de par tiene en cuenta la corrección del ángulo de la pala
(\Delta\beta) para el cálculo de la consigna de par o
potencia.
16. Sistema de control de un aerogenerador,
según la reivindicación 15ª, caracterizado porque dicho
cálculo del término de corrección del ángulo de pala
(\Delta\beta) se realiza, además, en función de la posición
actual de la pala (\beta).
17. Método de control de un aerogenerador, del
tipo que comprende un rotor, un generador, un convertidor de
frecuencia, una unidad de control y medios de conexión a la red de
parque, comprendiendo dicho método los pasos de recibir una
consigna de tensión local (V_{REF}) y calcular la potencia
reactiva a generar (Q_{T}) en función del error de tensión
(\DeltaV), caracterizado por estar operativo en todo el
rango de tensión y comprender además los siguientes pasos:
- limitar la potencia reactiva a generar, siendo
los límites (Q_{\_MAX}, Q_{\_MIN}, Q_{C\_MAX}, Q_{C\_MIN},
Q_{S\_MAX}, Q_{S\_MIN}) calculados en función de la tensión,
obteniendo así al menos una potencia reactiva de referencia del
aerogenerador (Q_{\_REF}, Q_{C\_REF}, Q_{C\_REF});
- calcular el límite de potencia activa
(P_{\_MAX}) en función de la reactiva previamente limitada
(Q_{\_REF}, Q_{S\_REF}) y la potencia aparente disponible en
ese momento, el cual limitará la potencia activa generada.
18. Método de control de un aerogenerador, según
la reivindicación 17ª, caracterizado porque comprende además
el paso de generar la consigna de tensión local (V_{REF}) a
partir del error existente entre una determinada reactiva de
consigna (Q_{i}) y la potencia reactiva generada por el
aerogenerador (Q_{i\_MED}).
19. Método de control de un aerogenerador, según
la reivindicación 18ª, caracterizado porque el aerogenerador
es asíncrono doblemente alimentado y la referencia de potencia
reactiva a generar por la turbina (Q_{T}) se divide en dos
consignas en un elemento de reparto, una la reactiva a generar por
el generador (Q_{S}) y otra la reactiva a generar por el
convertidor (Q_{C}), en función de un parámetro
(\alpha_{reparto}) calculado de tal forma que el funcionamiento
de la máquina sea óptimo desde el punto de vista térmico.
20. Método de control de un aerogenerador, según
la reivindicación 19ª, caracterizado porque se limita la
consigna de reactiva de estator (Q_{S}) y la del convertidor
(Q_{C}) en sendos elementos de saturación, obteniéndose a la
salida de cada uno de ellos la referencia de reactiva del estator
(Q_{S\_REF}) y la del convertidor (Q_{C\_REF})
respectivamente.
21. Método de control de un aerogenerador, según
la reivindicación 18ª ó 20ª, caracterizado porque la
consigna de reactiva (Q_{i}) del lazo de control de reactiva es
generada a partir de un control de la tensión de parque (V_{PCC})
realizado a nivel de subestación y parámetros asociados al control
de tensión.
22. Método de control de un aerogenerador, según
la reivindicación 21ª, caracterizado porque la potencia
reactiva de consigna (Q_{ref}) se corrige en función del error
entre la potencia reactiva total demandada al parque eólico y la
potencia reactiva medida generada por el conjunto de los
aerogeneradores operativos de parque eólico (Q_{GLOBAL\_MED}) en
un lazo de seguimiento de referencia, añadiéndosele un término
(\DeltaQ_{ref}) que compense dicho error.
23. Método de control de un aerogenerador, según
las reivindicaciones 18ª ó 20ª, caracterizado porque la
consigna de potencia reactiva (Q_{i}) del lazo de control de
potencia reactiva es generada a partir de un control de la tensión
de parque (V_{PCC}) realizado a nivel de máquina.
24. Método de control de un aerogenerador, según
la reivindicación 23ª, caracterizado porque se recibe a
través de la red de parque una referencia de tensión del punto de
conexión del parque eólico a la red (V_{PCC\_REF}).
25. Método de control de un aerogenerador, según
las reivindicaciones 18ª ó 20ª, caracterizado porque el
aerogenerador está conectado a la red de parque a través de un
transformador y la tensión de referencia (V_{REF}) corresponde a
la referencia de la tensión de bus de parque y porque comprende
además el paso de calcular el error de tensión (\DeltaV) a partir
de un modelo del transformador y de medidas de tensión, corriente y
factor de potencia en bornes de la máquina.
26. Método de control de un aerogenerador, según
la reivindicación 25ª, caracterizado porque la potencia
reactiva a generar (Q_{T}) se limita en función de unos límites
calculados dinámicamente a partir del modelo del transformador y de
las medidas de tensión, corriente y factor de potencia, de manera
que no se supere los límites de tensión en bornes de la
máquina.
\newpage
27. Método de control de un aerogenerador, según
cualquiera de las reivindicaciones 17ª a 20ª caracterizado
porque comprende además el paso de limitar la potencia extraída del
viento en función de la potencia que en cada momento es posible
evacuar a la red (P_{\_MAX}).
28. Método de control de un aerogenerador, según
la reivindicación 24ª, caracterizado porque se calcula un
término de corrección del ángulo de pala (\Delta\beta) en
función de la potencia que en cada momento es posible evacuar a la
red (P_{\_MAX}) y un valor indicativo de la potencia mecánica
disponible.
29. Método de control de un aerogenerador, según
la reivindicación 28ª, caracterizado porque dicho cálculo del
término de corrección del ángulo de pala (\Delta\beta) se
realiza, en función de la potencia generada en el instante anterior
a una disminución abrupta en la potencia que es posible evacuar
(P_{MAX}).
30. Método de control de un aerogenerador, según
la reivindicación 29ª, caracterizado porque el control de
par tiene en cuenta la corrección del ángulo de la pala
(\Delta\beta) para el cálculo de la consigna de par o
potencia.
31. Método de control de un aerogenerador, según
la reivindicación 30ª, caracterizado porque dicho cálculo
del término de corrección del ángulo de pala (\Delta\beta) se
realiza, además, en función de la posición actual de la pala
(\beta).
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