ES2338396A1 - Instalacion de energia eolica y procedimiento para su funcionamiento. - Google Patents
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Abstract
El objetivo de la invención es reducir la contribución de las instalaciones de energía eólica a los errores de frecuencia en la red, y preferiblemente contribuir a la eliminación de tales errores. Por tanto, el procedimiento implica la utilización de control PID y/o control con histéresis para regular la potencia activa inyectada en la red, a la vista de la desviación entre una frecuencia de red medida y la frecuencia de red nominal.
Description
Instalación de energía eólica y procedimiento
para su funcionamiento.
\global\parskip0.900000\baselineskip
La presente invención se refiere al campo de
sistemas y dispositivos de energía eólica y, más específicamente,
al control de la manera en la que se suministra la energía generada
por tales sistemas y dispositivos a una malla o red para la
distribución de la energía.
Los sistemas e instalaciones de energía eólica
incluyen uno o más generadores o turbinas de energía eólica
dispuestos para producir energía eléctrica mediante la rotación
inducida por el viento. Esta energía eléctrica, generada por uno o
más de estos generadores (por ejemplo, por varios generadores que
forman parte de o constituyen un denominado "parque eólico"),
se suministra a una malla o red para la distribución de la energía.
Normalmente, un gran número de generadores de energía eléctrica
están conectados a la misma red, y normalmente varios consumidores
de energía están también conectados a la red.
Con el fin de mantener sustancialmente
constantes la tensión y frecuencia en la red, es importante que la
entrada de potencia a la red en cada momento sea sustancialmente
igual a la potencia que se consume. Por tanto, la generación de
potencia (incluyendo la potencia generada por los generadores
individuales o turbinas eólicas y/o por uno o más parques eólicos
considerados como un todo) tiene que controlarse y modificarse según
el consumo.
Un problema con la energía eólica, en
comparación con otros tipos de generación de energía eléctrica tal
como la generación de energía hidroeléctrica, energía nuclear, etc.
es que el viento también tiende a fluctuar demasiado también a
corto plazo. Si la energía eólica sólo representa una proporción muy
pequeña de la energía que se introduce a una red, estas variaciones
pueden no ser muy relevantes para el rendimiento general de la red.
Sin embargo, puesto que la energía eólica ha crecido en popularidad
y ahora constituye una parte sustancial de la energía eléctrica
total que se inyecta en la red, la regulación acerca de la manera en
la se inyecta y suministra la energía eólica a la red (mediante
turbinas eólicas individuales y/o mediante parques eólicos
considerados como un todo) se ha vuelto cada vez más importante. Un
gran número de patentes, solicitudes de patentes y otros documentos
enseñan diferentes maneras de controlar el suministro de energía
eólica a la red.
Un ejemplo de una solicitud de patente de este
tipo es el documento
DE-A1-102005052011 (E.ON Netz GmbH)
que describe cómo se varía la potencia activa inyectada en la red
desde una instalación de energía eólica según una fórmula
especificada, relacionada con la frecuencia en la red. Normalmente,
una red está dispuesta para operar a una frecuencia preestablecida,
por ejemplo, en la práctica, de 50 Hz ó 60 Hz. Con el fin de
mantener la frecuencia de red real a esta frecuencia nominal, la
inyección de potencia en la red debería ser igual al consumo.
Cuando se consume más potencia activa de la que se inyecta en la
red, la frecuencia de red real o instantánea tiende a bajar. Cuando
se inyecta más potencia activa a la red de la que se consume, la
frecuencia de red real tiende a subir. Las mallas o redes, así como
los aparatos e instalaciones conectados a las mismas para la
inyección y/o consumo de potencia activa, están diseñadas
normalmente para tolerar desviaciones menores de la frecuencia
nominal. Sin embargo, desviaciones importantes pueden tener efectos
negativos en el funcionamiento de la red y en los dispositivos
conectados a la red.
Puesto que la energía eólica se está
convirtiendo en una fuente de energía importante y puesto que la
potencia generada mediante turbinas eólicas que se inyecta en la
red se está convirtiendo en una parte importante de la potencia
activa total inyectada en la red, es importante controlar las
instalaciones de energía eólica para que contribuyan a la
estabilidad de la red o, al menos, para que contribuyan lo menos
posible a la inestabilidad de la red.
Tal como se mencionó en el documento
DE-A1-102005052011, una solicitud
anterior, el documento
DE-A1-10022974 (Aloys Wobben), ya
propuso una reducción de la potencia activa cuando la frecuencia de
red real aumentase más allá de un límite de frecuencia de red que
fuese el 0,3% por encima de la frecuencia de red nominal. Además,
el documento DE-A1-10022974 dio a
conocer que no debería inyectarse potencia en la red cuando la
frecuencia de red real estuviese un 2% por encima de la frecuencia
de red nominal. Se mencionó un controlador, pero no se dio a
conocer exactamente cómo debería operar.
El documento
DE-A1-102005052011 propone que
cuando la tensión de red real aumenta más allá de 50,2 Hz, la
potencia activa debería reducirse dinámicamente según la fórmula
\DeltaP = 20
P_{M} [(50,2 Hz - f_{red})]/50
Hz,
en la
que
\DeltaP es la reducción en la potencia P
activa inyectada en %,
P_{M} es la potencia activa que se inyecta
actualmente en la red, y
F_{red} es la frecuencia de red real.
\global\parskip1.000000\baselineskip
Se establece que la regulación tiene lugar sólo
dentro de un intervalo de frecuencia desde 50,2 Hz y hasta 51,5 Hz
incluido. Además, se sugiere que el generador de energía eólica se
desconectará automáticamente de la red cuando la frecuencia de red
real disminuya por debajo de un límite de frecuencia inferior de
47,5 Hz y/o aumente más allá de un límite de frecuencia superior de
51,5 Hz, por lo que dicha desconexión debería ser una desconexión
"física". De esta manera, se establece que no existe riesgo de
que el generador permanezca conectado a la red cuando la frecuencia
de red real alcance valores fuera del intervalo de 47,5 Hz a 51,5
Hz mencionado anteriormente.
Sin embargo, se ha descubierto que si se supone
que la "reconexión" tiene lugar de nuevo tan pronto como la
frecuencia de red real vuelva a estar dentro de dicho intervalo de
frecuencia de 47,5 Hz a 51,5 Hz, podrían producirse problemas. Por
ejemplo, si la "reconexión" de una instalación de energía
eólica tiene lugar tan pronto como la frecuencia de red real o
medida baje desde "justo por encima" de 51,5 HZ hasta 51,5 Hz,
esta reconexión, y la correspondiente inyección de más potencia
activa en la red, podría "empujar" la frecuencia de red real
de nuevo más allá de 51,5 Hz, lo que podría forzar una nueva
desconexión de la instalación de la red. El riesgo de que la
"reconexión" tenga este efecto es obviamente mayor cuando la
instalación tiene una capacidad de potencia alta en relación a la
potencia total inyectada en la red, por ejemplo, si la instalación
comprende un generador de energía eólica de gran capacidad y/o una
gran número de generadores de energía eólica (tal como si la
instalación es un parque eólico), o si varias instalaciones se
operan según los mismos "criterios" para la desconexión, en
cuyo caso pueden reconectarse al mismo tiempo. Si esto sucede,
podría producirse un estado de oscilación, en el que las
instalaciones se desconectan repetidamente (cuando la frecuencia
aumenta más allá del límite de frecuencia superior) y se reconectan
(cuando la frecuencia vuelve a bajar de nuevo a dicho límite de
frecuencia superior). Esto podría dar lugar a un bucle del cual
podría ser difícil salir.
Otro problema es que la fórmula descrita
anteriormente podría realmente ayudar a evitar o reducir un aumento
adicional sustancial de la frecuencia de red real cuando la
frecuencia alcanzase el límite de 50,2 Hz mencionado anteriormente,
puesto que cualquier aumento adicional implicará una reducción en la
potencia inyectada en la red. Sin embargo, este simple control
"P" (proporcional) y control en bucle abierto no ayudarían a
hacer volver la frecuencia de red real hacia la frecuencia de red
nominal; simplemente ayudarían a estabilizarla a algún nivel mas
allá de los 50,2 Hz.
Es decir, básicamente, tanto el documento
DE-A1-102005052011 como el documento
DE-A1-10022974 mencionados
anteriormente (así como muchos "códigos de red" conocidos de la
técnica anterior) se basan en algún tipo de regulación "P"
(proporcional) o también en algún control en bucle abierto con una
ganancia P fija que puede, al menos en algunos casos, ayudar a
reducir la contribución de una instalación de energía eólica a un
aumento adicional de la frecuencia de red real, pero que puede ser
insuficiente para hacer volver la frecuencia de red real hacia la
frecuencia de red nominal. Quizá esto se deba a que tradicionalmente
se ha considerado que la tarea de hacer volver la frecuencia de red
hacia la frecuencia real no es un tarea que deba resolverse con la
ayuda de las instalaciones de energía eólica, sino que es una tarea
que debe tratarse por el operador del sistema utilizando otros
medios, por ejemplo, reduciendo la potencia generada por otros
generadores de energía, normalmente controlando la potencia
generada por las plantas de energía rápidas con turbinas de gas
(donde la salida de potencia puede variar rápidamente) o por las
plantas de energía hidroeléctrica.
Sin embargo, se ha descubierto que también las
turbinas eólicas pueden controlarse para modificar rápidamente su
salida de potencia. Por tanto, se ha considerado de interés utilizar
esta ventaja de la turbina eólica utilizando más activamente el
controlador de las turbinas eólicas.
Además, a la vista de la creciente proporción de
la potencia activa total inyectada en la red que se produce
mediante instalaciones de energía eólica, se ha considerado que las
instalaciones de energía eólica también deberían ayudar a la red en
hacer volver realmente la frecuencia de red real hacia la frecuencia
nominal, y que no debería tener lugar ninguna oscilación de
"conectado/desconectado" en correspondencia con los límites de
frecuencia superior e inferior.
Por tanto, la invención tal como se da a conocer
en el presente documento puede utilizarse para
- a)
- reducir el riesgo de oscilaciones de conectado/desconectado; y/o
- b)
- contribuir activamente a la estabilización de la frecuencia de red y/o ayudar a hacer volver la frecuencia de red a su valor "normal" o nominal.
Por tanto, un primer aspecto de la invención se
refiere a un procedimiento para operar una instalación de energía
eólica conectada a una red para la distribución de energía
eléctrica, comprendiendo dicha instalación de energía eólica al
menos un generador de energía eólica (es decir, la instalación de
energía eólica puede corresponder a un único generador de energía
eólica o turbina eólica, o a un grupo de los mismos, tal como un
parque eólico o una parte de un parque eólico), estando relacionada
dicha instalación de energía eólica con dicha red para la inyección
de potencia en dicha red (es decir, para la inyección de potencia
activa y, opcionalmente, de potencia reactiva, en uno o más puntos
de interconexión entre la instalación de energía eólica y la red),
teniendo dicha red una frecuencia (f_{n}) de red nominal (por
ejemplo, 50 Hz) y estando dispuesta dicha red para operar a dicha
frecuencia de red nominal (normalmente, dentro de una banda en torno
a dicha frecuencia de red nominal).
El procedimiento comprende controlar la potencia
activa que se inyecta en dicha red desde dicha instalación de
energía eólica a la vista de una frecuencia (f_{a}) de red real
medida a la que la red está operando. Más específicamente, el
procedimiento comprende las etapas de
- -
- medir dicha frecuencia (f_{a}) de red real;
- -
- determinar una diferencia (E) entre dicha frecuencia (f_{a}) de red real y dicha frecuencia (f_{n}) de red nominal;
- -
- si dicha diferencia es mayor que un umbral predefinido (que puede ser 0 Hz o un valor superior, tal como, por ejemplo, 0,2 Hz), adaptar (es decir, aumentar o disminuir) la cantidad de potencia activa que se inyecta en la red desde dicha instalación de energía eólica de manera que se haga volver la frecuencia (f_{a}) de red real hacia la frecuencia (f_{n}) de red nominal.
De esta manera, se consigue que la instalación
de energía eólica contribuya activamente a la estabilización de la
red haciendo volver la frecuencia de red real hacia la frecuencia de
red nominal (en lugar de, como se sugería en la técnica anterior,
simplemente adaptar la cantidad de potencia activa que se inyecta en
la red para reducir la contribución a un aumento adicional en la
diferencia entre la frecuencia de red real y la frecuencia de red
nominal).
Por tanto, contrariamente a lo que sucede en los
sistemas dados a conocer en el documento
DE-A1-102005052011 y en el
documento DE-A1-10022974 a los que
se hizo referencia anteriormente, el procedimiento de la presente
invención garantiza que la instalación de energía eólica no sólo
reduce su contribución a un error de frecuencia aumentado (es
decir, a una diferencia aumentada entre la frecuencia real y la
frecuencia nominal), sino que también contribuye activamente a una
reducción de dicho error.
Por ejemplo, la fórmula \DeltaP = 20 P_{M}
[(50,2 Hz – f_{red})]/50 Hz a la que se hace referencia en el
documento DE-A1-102005052011
representa una regulación "P" (proporcional) pura, con un
factor de ganancia o factor P de 0,4 (es decir, 20/50). Sin
embargo, este control P (proporcional) puro tiene la desventaja de
que no elimina el error, ya que en ausencia de perturbaciones el
control proporcional puro tiende a mantener un error de estado
estacionario.
Por el contrario, la presente invención puede
implicar una componente de control integral y/o derivativo, es
decir, por ejemplo, regulación PI, PD o PID. Estos tipos de
controladores los conocen ampliamente los expertos en la materia de
sistemas de control, y se ha descubierto que su utilización para el
control de frecuencia según la presente invención es útil para
reducir el riesgo y/o duración de errores de frecuencia.
Básicamente, un controlador proporcional
integral derivativo (controlador PID) puede considerarse que es un
mecanismo de retroalimentación en bucle de control genérico que
sirve para corregir el error entre una variable de proceso medida y
un punto de ajuste deseado generando una acción correctiva que puede
ajustar el proceso en consecuencia.
El algoritmo de control PID implica tres
diferentes parámetros o componentes, concretamente, el proporcional
(P), el integral (I) y el derivativo (D). La parte proporcional
determina una reacción basándose en un error medido
instantáneamente (tal como se enseña en el documento
DE-A1-10022974 y en el documento
DE-A1-102005052011 citados
anteriormente). Ahora, la parte integral determina la reacción
basándose en el error integrado sobre un determinado periodo de
tiempo, es decir, básicamente, basándose en la suma de una
pluralidad de los valores de error medidos más o menos
recientemente (y por tanto es útil para evitar el error de estado
estacionario existente mencionado anteriormente). Por otro lado, la
parte derivativa determina la reacción basándose en la velocidad a
la que el error ha estado cambiando recientemente. Se utiliza una
suma ponderada de estas tres componentes para ajustar el proceso a
través de un elemento de control, que regula el suministro de
potencia activa a la red.
Al "amoldar" la contribución de las tres
componentes en el algoritmo de controlador PID, el PID puede
proporcionar una acción de control diseñada para requisitos de
proceso específicos. La respuesta del controlador puede describirse
en cuanto a la capacidad de reacción del controlador frente a un
error, el grado con el que el controlador sobrepasa el punto de
ajuste y el grado de oscilación del sistema.
Además, algunos de los ajustes pueden
proporcionarse por el operador del sistema para garantizar que las
instalaciones de energía eólica conectadas a una red reaccionan
frente a cambios de frecuencia de la manera deseada por el operador
de red o sistema. Por ejemplo, si el operador del sistema desea que
cada turbina eólica o parque eólico contribuya al control de
frecuencia de la misma manera, puede definir un cierto ajuste para
la parte "I" (ya que ésta modificará la reducción de potencia
dependiendo de la duración de tiempo del error) y/o para la parte
"D" (ya que ésta determinará la reducción de potencia
dependiendo de la velocidad de cambio en la frecuencia de red).
Algunas veces, sólo se necesitan una o dos de
las tres componentes para proporcionar el control apropiado del
sistema. Esto se consigue deshabilitando las componentes de control
no deseadas.
Por tanto, la potencia activa que se inyecta en
la red puede, por ejemplo, adaptarse utilizando un controlador que
implica al menos una integración en el tiempo de dicha diferencia
(E) entre dicha frecuencia (f_{a}) de red real y dicha frecuencia
(f_{n}) de red nominal. Es decir, podría aplicarse al menos la
componente (I) integral mencionada anteriormente. Por tanto, dicho
controlador puede ser un controlador PI, un controlador PID, un
controlador ID o un simple controlador I.
La contribución del término integral es
proporcional tanto a la magnitud del error como a la duración del
error. Por tanto, sumando el error instantáneo en el tiempo (es
decir, integrando el error), se determina un "desfase
acumulado". Este desfase acumulado se multiplica entonces por la
ganancia integral del controlador y se añade a la salida del
controlador, de la manera conocida.
Por tanto, utilizando este término integral, el
controlador acelera el movimiento hacia el punto de ajuste y
elimina el error de estado estacionario residual que se produce con
un controlador proporcional "puro". Obviamente, debe tenerse
cuidado cuando se diseña el sistema de control para no sobrepasar
(excesivamente) el punto de ajuste, y para limitar la salida (la
parte integral integrará hasta que el error sea cero pero, si hay
un error continuo, la parte integral integrará todo el tiempo, lo
que podría dar lugar a serios problemas si no se impone un límite
sobre la salida del controlador).
Como una alternativa o complemento, dicha
potencia activa que se inyecta en la red puede adaptarse utilizando
un controlador que implique al menos una derivada en el tiempo de
dicha diferencia (E) entre dicha frecuencia (f_{a}) de red real y
dicha frecuencia (f_{n}) de red nominal. Es decir, el controlador
puede ser un controlador ID o un controlador PID (como se mencionó
anteriormente), o un controlador D o un controlador PD.
El término derivativo reduce la velocidad de
cambio de la salida del controlador y este efecto es más perceptible
cerca del punto de ajuste del controlador. Por tanto, el control
derivativo puede utilizarse para reducir la magnitud del exceso
producido por la componente integral y mejorar la estabilidad del
controlador-proceso combinada. Como la contribución
de la parte derivativa depende directamente de la velocidad de
cambio, la reducción de salida de potencia correspondiente
dependerá sustancialmente de la velocidad de cambio
(df/dt) en lugar de (y/o además de) el valor absoluto
del error de frecuencia. Esto puede ser una gran ventaja ya que las
turbinas eólicas con control de salida de potencia relativamente
rápido (comparadas con muchas plantas de energía convencionales)
pueden ayudar a estabilizar la frecuencia de red de manera más
rápida utilizando un parte "D" alta. Por tanto, al utilizar la
parte "D" el error de frecuencia no aumentará tanto como en
muchos sistemas de la técnica anterior, ya que el sistema
estabilizarse mucho más deprisa. Por tanto, la parte "D" puede
ayudar a impedir grandes errores de frecuencia.
Otro aspecto de la invención se refiere a un
procedimiento para operar una instalación de energía eólica
conectada a una red para la distribución de energía eléctrica,
comprendiendo dicha instalación de energía eólica al menos un
generador de energía eólica (es decir, la instalación de energía
eólica puede corresponder a un único generador de energía eólica o
turbina eólica, o a un grupo de los mismos, tal como un parque
eólico o una parte de un parte eólico), estando dicha instalación
de energía eólica relacionada con o conectada a dicha red para la
inyección de potencia en dicha red (es decir, para la inyección de
potencia activa y, opcionalmente, de potencia reactiva, en uno o
más puntos de interconexión entre la instalación de energía eólica y
la red), teniendo dicha red una frecuencia (f_{n}) de red nominal
(por ejemplo, 50 Hz) y estando dispuesta dicha red para operar a
dicha frecuencia de red nominal (normalmente, dentro de una banda en
torno a dicha frecuencia de red nominal).
El procedimiento comprende controlar la potencia
activa que se inyecta en dicha red desde dicha instalación de
energía eólica a la vista de una frecuencia (f_{a}) de red real
medida a la que la red está operando. El procedimiento comprende
las etapas de
- -
- reducir la potencia activa inyectada en la red, en función de la frecuencia de red real (es decir, según "reglas" basadas en dicha frecuencia de red real, tales como según reglas "proporcionales" tales como la fórmula a la que se hace referencia en el documento DE-A1-102005052011 mencionado anteriormente, o según "reglas" PID, PD, ID, PI, I o D), si dicha frecuencia de red real aumenta por encima de un primer valor (f_{1}) umbral superior de frecuencia de red (que correspondería a 50,2 Hz, como en el documento DE-A1-102005052011, o a cualquier otro valor seleccionado de manera adecuada), y
- -
- detener la inyección de potencia activa en la red si dicha frecuencia de red real aumenta más allá de un segundo valor (f_{2}) umbral superior de frecuencia de red mayor que dicho primer valor (f_{1}) umbral superior de frecuencia.
Según este aspecto de la invención, y una vez
que dicha frecuencia de red real ha aumentado más allá de dicho
segundo valor (f_{2}) umbral superior de frecuencia de red (este
segundo valor (f_{2}) umbral superior de frecuencia de red puede,
por ejemplo ser 51,5 Hz, acorde con lo que se da a conocer en el
documento DE-A1-102005052011), no
se reanuda la inyección de potencia activa en la red hasta que la
frecuencia de red real haya disminuido por debajo de un tercer
valor (f_{3}) umbral superior de frecuencia menor que dicho
segundo valor (f_{2}) umbral superior de frecuencia (y
opcionalmente o preferiblemente mayor que dicho primer valor
(f_{1}) umbral superior de frecuencia). Es decir, si f_{1} =
50,2 Hz y f_{2} = 51,5 Hz, f_{3} podría ajustarse a un valor
ligeramente por debajo de 51,5 Hz, tal como a 51,4 Hz, 51,3 Hz,
51,2 Hz o 51,0 Hz. Al utilizar este tercer valor umbral superior de
frecuencia, se consigue que no se reanude la inyección de potencia
activa hasta que la frecuencia de red real haya disminuido
suficientemente por debajo del segundo valor umbral superior de
frecuencia para "garantizar" o al menos hacer probable que un
reinicio de la inyección de potencia activa no "empujará"
inmediatamente hacia arriba la frecuencia de red más allá del
segundo valor umbral superior de frecuencia. Por tanto, pueden
evitarse "oscilaciones" en el estado de conectado/desconectado
de la inyección de potencia activa, lo que puede servir para
aumentar la estabilidad del sistema. Este tipo de sistema de control
es robusto y es fácil de implementar.
El procedimiento puede comprender además las
etapas de reducir la potencia activa inyectada en la red en función
de la frecuencia de red real (es decir, según "reglas" basadas
en dicha frecuencia de red real), si dicha frecuencia de red real
disminuye por debajo de un primer valor (f_{4}) umbral inferior de
frecuencia de red (que podría corresponder a, por ejemplo, 49,8
Hz), y detener la inyección de potencia activa en la red si dicha
frecuencia de red real disminuye por debajo de un segundo valor
(f_{5}) umbral inferior de frecuencia de red menor que dicho
primer valor (f_{4}) umbral inferior de frecuencia. Además, una
vez que dicha frecuencia de red real haya disminuido por debajo de
dicho segundo valor (f_{5}) umbral inferior de frecuencia de red
(este segundo valor (f_{5}) umbral inferior de frecuencia de red
puede ser, por ejemplo, 47,5 Hz), no se reanudaría la inyección de
potencia activa en la red hasta que la frecuencia de red real
hubiera aumentado más allá (es decir, por encima) de un tercer
valor (f_{6}) umbral inferior de frecuencia mayor que dicho
segundo valor (f_{5}) umbral inferior de frecuencia de red (y
opcionalmente o preferiblemente menor que dicho primer valor
(f_{4}) umbral inferior de frecuencia). Por tanto, pueden evitarse
las "oscilaciones" en el estado de conectado/desconectado de
la inyección de potencia activa o reducirse también en el intervalo
de frecuencias inferiores a la frecuencia de red nominal, lo que
puede servir para aumentar adicionalmente la estabilidad del
sistema.
Como alternativa, en lugar de reducir la
cantidad de potencia activa inyectada en la red en función de la
frecuencia de red real, si dicha frecuencia de red real disminuye
por debajo del primer valor (f_{4}) umbral inferior de frecuencia
de red, es posible aumentar la cantidad de potencia activa inyectada
en el sistema. Esto puede ayudar a estabilizar adicionalmente la
malla/red (una caída de frecuencia implica que se consume más
potencia activa que la que se inyecta en la red, y una respuesta
adecuada a una caída de frecuencia puede comprender por tanto
aumentar la cantidad de potencia activa inyectada en la red, cuando
esto sea posible) pero, por otro lado, puede requerir algún tipo de
"reserva de potencia" o "reserva conectada y lista para su
utilización" en la instalación de energía eólica. También en este
caso, también puede implementarse la función de histéresis descrita
anteriormente, por ejemplo, de manera que se inyecte ninguna o menos
potencia en la red cuando la frecuencia real baje por debajo de
dicho segundo valor (f_{5}) umbral inferior de frecuencia y de
manera que se vuelva a reanudar o aumentar primero la inyección de
potencia cuando la frecuencia de red real aumente por encima de
dicho tercer valor (f_{6}) umbral inferior de frecuencia.
La función de "histéresis" del segundo
aspecto de la invención puede combinarse con el primer aspecto de la
invención, de manera que el control (por ejemplo, PI, PD, PID,
etc.) se inicia una vez que la frecuencia aumenta más allá
(disminuye por debajo) de dicho primer valor umbral de frecuencia
superior (inferior), etc.
Un tercer aspecto de la invención se refiere a
una instalación de energía eólica conectada o dispuesta para
conectarse a una red para la distribución de energía eléctrica,
comprendiendo dicha instalación de energía eólica al menos un
generador de energía eólica (es decir, la instalación de energía
eólica puede corresponder a un único generador de energía eólica o
turbina eólica, o a un grupo de los mismos, tal como un parque
eólico o una parte de un parque eólico), estando relacionada dicha
instalación de energía eléctrica (tal como conectada, por ejemplo,
a través de uno o más transformadores) con dicha red para la
inyección de potencia en dicha red (es decir, para la inyección de
potencia activa y, opcionalmente, de potencia reactiva, en uno o más
puntos de interconexión entre la instalación de energía eólica y la
red). La instalación de energía eólica comprende además un
controlador o sistema de control dispuesto para controlar la
inyección de potencia activa en la red según el procedimiento de
cualquiera de los aspectos de la invención descritos anteriormente,
o según ambos aspectos de la invención.
Para completar la descripción y con el fin de
proporcionar una mejor comprensión de la invención, se proporciona
un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman una parte integral de
la descripción e ilustran algunas realizaciones preferidas de la
invención, que no deberían interpretarse como restrictivas del
alcance de la invención, sino sólo como un ejemplo de cómo puede
realizarse la invención. Los dibujos comprenden las siguientes
figuras:
Figura 1: una ilustración esquemática de una
instalación de energía eólica conectada a una red para la
distribución de energía.
Figura 2: un diagrama de bloques que ilustra un
controlador 3 de una instalación de energía eólica según una
posible realización de la invención.
Figura 3: un diagrama de bloques que ilustra, en
mayor detalle, una posible realización de dicho controlador.
Figura 4: un diagrama que ilustra
esquemáticamente la potencia suministrada a la red por una
instalación de energía eólica operada según una posible realización
de la invención.
Figura 5: un diagrama que ilustra
esquemáticamente la potencia suministrada a la red por una
instalación de energía eólica operada según otras dos posibles
realizaciones de la invención.
Figuras 6A y 6B: diagramas que ilustran
esquemáticamente el efecto del control de turbina eólica que implica
una componente (D) derivativa.
Figuras 7A y 7B: diagramas que ilustran
esquemáticamente dos conceptos de controlador básicos que pueden ser
útiles para implementar diferentes realizaciones de la
invención.
La figura 1 ilustra esquemáticamente una
instalación de energía eólica que comprende una pluralidad de
turbinas eólicas o generadores 1 de energía eólica, estando
conectados cada uno de ellos por un primer transformador 4, a un
segundo transformador 5 por medio del cual las turbinas 1 eólicas se
conectan a un red o malla 2 para la distribución de energía
eléctrica a una pluralidad de consumidores (no ilustrados)
conectados a la red. Convencionalmente, otros productores de
energía (no ilustrados) también están conectados a la red.
Además, se proporciona un sistema de control o
controlador 3 (puede utilizarse un controlador para toda la
instalación, o puede proporcionarse un controlador individual para
cada turbina 1 eólica o para un grupo de turbinas eólicas). El
controlador 3 recibe (por ejemplo, desde una memoria interna o desde
una estación de control remota) un valor de referencia indicativo
de la frecuencia (f_{n}) nominal de la red 2, es decir, de la
frecuencia a la que la red 2 debería operar preferiblemente.
Normalmente, esta frecuencia puede ser de 50 Hz o 60 Hz.
Además, el controlador recibe una entrada
adicional correspondiente a una "frecuencia real" (f_{a})
medida a la que la red está operando realmente. Obviamente, esta
frecuencia real puede desviarse de la frecuencia nominal (por
ejemplo, debido a un exceso de potencia activa inyectada o debido a
insuficiente potencia activa inyectada). El controlador 3, como se
ilustra en la figura 2, está diseñado para determinar la diferencia
E entre la frecuencia nominal y la frecuencia real (esto puede
realizarse mediante un sencillo circuito 31 restador), y para
producir (mediante hardware y software adecuados representados por
el módulo 32) una señal (P_{ref}) de referencia de potencia que
determina el funcionamiento de la(s) turbina(s) 1
(incluyendo su(s) sistema(s) conversor(es)) de
una manera para regular la potencia P_{A} activa inyectada en la
red 2 por la instalación de energía eólica, de la manera definida
en las reivindicaciones y descrita anteriormente (véase también la
figura 3).
El controlador según una posible realización se
ilustra con mayor detalle en la figura 3. Puede observarse cómo el
módulo 32 de hardware y software comprende un módulo P
(proporcional), un módulo I (integral) y un módulo D (derivativo),
realizando por tanto un controlador PID. Las ganancias
correspondientes a las partes P, I y D pueden ajustarse por un
experto (o ajustarse según los requisitos de/acuerdos con el
operador del sistema) a la vista de las características específicas
del sistema. El controlador PID como tal es muy conocido en la
técnica, y el experto podrá ajustar los parámetros de control de una
manera adecuada. Por tanto, no se considera necesaria ninguna
descripción adicional de los detalles del control PID (o PD, o PI, o
ID, o D o I).
Por tanto, el controlador 32 produce la señal
(P_{ref}) de referencia que se toma como un valor de entrada para
el control de la instalación 1 de energía eólica, para ajustar en
consecuencia la potencia P activa que se inyecta en la red.
Las figuras 6A y 6B ilustran esquemáticamente la
importancia o efecto de una componente (D) derivativa del
controlador 32 con el fin de ayudar a impedir un aumento excesivo en
el error de frecuencia, por ejemplo, cuando hay una caída repentina
en la potencia consumida desde la red.
La figura 6A incluye un diagrama de frecuencia
que ilustra cómo la frecuencia (f_{a}) real varía en el tiempo
(t) (el diagrama superior de la figura 6A), como resultado de la
variación del consumo (P_{c}) de potencia en la red, la cantidad
total de potencia (P_{T}) activa inyectada en la red desde los
diferentes proveedores de energía conectados a la red, y la
potencia (P_{W}) inyectada desde la instalación de energía eólica
controlada (las figuras son simplemente representaciones
esquemáticas, y la "proporción" entre los niveles de las
diferentes curvas no corresponde a ninguna situación real), en el
caso de una instalación de energía eólica sin una componente de
control derivativa. La figura 6B ilustra los mismos elementos pero
para una instalación de energía eólica con una componente de
control derivativa (D) ajustada apropiadamente. Por tanto, las
figuras 6A y 6B ilustran cómo una componente de control derivativa
puede proporcionar una respuesta muy rápida y firme a un aumento en
el error de frecuencia, proporcionando por tanto una variación
adecuadamente rápida y suficiente en la cantidad de potencia
(P_{W}) inyectada desde la instalación de energía eólica,
reduciendo de ese modo el nivel máximo del error de frecuencia (el
nivel máximo del error de frecuencia es mucho menor en la figura 6B
que en la figura 6A).
El módulo 32 de control puede configurarse
adicionalmente o como alternativa para implementar histéresis. Por
ejemplo, como se ilustra en la figura 4 (la curva P_{1} representa
la manera en la que la potencia activa inyectada en la red desde
una instalación de energía eólica varía según la frecuencia de red
real), el módulo de control puede configurarse para controlar la
potencia P_{A} activa que se inyecta en dicha red desde dicha
instalación de energía eólica a la vista de la frecuencia (f_{a})
de red real medida a la que la red está operando,
- -
- reduciendo la cantidad de potencia activa inyectada en la red (por ejemplo, a partir de un nivel P_{max} correspondiente a la cantidad máxima de potencia activa que puede generarse y emitirse desde la instalación de energía eólica), en función de la frecuencia de red real (es decir, según "reglas" basadas en dicha frecuencia de red real, como se mencionó anteriormente), si dicha frecuencia de red real aumenta más allá de un primer valor (f_{1}) umbral superior de frecuencia de red (que podría corresponder a, por ejemplo, 50,2 Hz), y
- -
- deteniendo la inyección de potencia activa en la red si dicha frecuencia de red real aumenta más allá de un segundo valor (f_{2}) umbral superior de frecuencia de red mayor que dicho primer valor (f_{1}) umbral superior de frecuencia.
Además, el módulo 32 de control puede
configurarse de manera que una vez que dicha frecuencia de red real
ha aumentado más allá de dicho segundo valor (f_{2}) umbral
superior de frecuencia de red (este segundo valor (f_{2}) umbral
superior de frecuencia de red puede ser, por ejemplo, 51,5 Hz), no
se reanuda la inyección de potencia activa en la red hasta que la
frecuencia de red real haya disminuido por debajo de un tercer valor
(f_{3}) superior de frecuencia menor que dicho segundo valor
(f_{2}) umbral superior de frecuencia. Es decir, si f_{1} =
50,2 Hz y f_{2} = 51,5 Hz, f_{3} podría ajustarse a un valor
ligeramente por debajo de 51,5 Hz, tal como a 51,2 ó 51,0 Hz. Al
utilizar este tercer valor umbral superior de frecuencia, se
consigue que no se reanude la inyección de potencia activa hasta
que la frecuencia de red real haya disminuido suficientemente por
debajo del segundo valor umbral superior de frecuencia, para
"garantizar" o al menos hacer probable que un reinicio de la
inyección de potencia activa no "empujará" inmediatamente hacia
arriba la frecuencia de red más allá del segundo valor umbral
superior de frecuencia. Por tanto, pueden evitarse las
"oscilaciones" en el estado de conectado/desconectado de la
inyección de potencia activa, lo que puede servir para aumentar la
estabilidad del sistema.
Además, tal como se ilustró en la parte
izquierda de la figura 4, el módulo 32 de control puede configurarse
además para
- -
- reducir la potencia activa inyectada en la red, en función de la frecuencia de red real, si dicha frecuencia de red real disminuye por debajo de un primer valor (f_{4}) umbral inferior de frecuencia de red (que podría ser, por ejemplo, 49,8 Hz), y
- -
- detener la inyección de potencia activa en la red si dicha frecuencia de red real disminuye por debajo de un segundo valor (f_{5}) umbral inferior de frecuencia de red menor que dicho primer valor (f_{4}) umbral inferior de frecuencia,
- y además para que
- -
- una vez que dicha frecuencia de red real haya disminuido por debajo de dicho segundo valor (f_{5}) umbral inferior de frecuencia de red (que puede ser, por ejemplo, 47,5 Hz), no se reanude la inyección de potencia activa en la red hasta que la frecuencia de red real haya aumentado más allá de un tercer valor (f_{6}) umbral inferior de frecuencia mayor que dicho segundo valor (f_{5}) umbral inferior de frecuencia. Por tanto, pueden evitarse las "oscilaciones" en el estado de conectado/desconectado de la inyección de potencia activa también en el intervalo de frecuencias inferiores a la frecuencia de red nominal, lo que puede servir para aumentar adicionalmente la estabilidad del sistema.
Como alternativa, el módulo de control puede
configurarse para aumentar (en lugar de reducir) la cantidad de
potencia activa inyectada en la red, en función de la frecuencia de
red real (y siempre que sea posible un aumento a la vista de las
limitaciones de salida de la instalación de energía eólica), si
dicha frecuencia de red real disminuye por debajo de un primer
valor (f_{4}) umbral inferior de frecuencia de red, hasta que,
por ejemplo, dicha frecuencia de red real baje por debajo del
segundo valor (f_{5}) umbral inferior de frecuencia. Una vez por
debajo de dicho segundo valor umbral inferior de frecuencia, la
potencia activa inyectada puede, por ejemplo, mantenerse constante,
reducirse, aumentarse adicionalmente o incluso ajustarse a cero,
dependiendo de los códigos de red o de las preferencias del operador
de la red o el operador de la instalación de energía eólica. Por
ejemplo, según una posible realización, el módulo de control puede
configurarse para detener la inyección de potencia activa en la red
si dicha frecuencia de red real disminuye por debajo de dicho
segundo valor (f_{5}) umbral inferior de frecuencia de red menor
que dicho primer valor (f_{4}) umbral inferior de frecuencia, y
puede configurarse además de manera que, una vez que dicha
frecuencia de red real haya disminuido por debajo de dicho segundo
valor (f_{5}) umbral inferior de frecuencia de red, no se reanude
la inyección de potencia activa en la red hasta que la frecuencia de
red real haya aumentado más allá de un tercer valor (f_{6})
umbral inferior de frecuencia mayor que dicho segundo valor
(f_{5}) umbral inferior de frecuencia.
La figura 5 ilustra dos posibles realizaciones
de la invención. En una primera, correspondiente a la curva P_{2}
de potencia, la potencia inyectada en la red desde la instalación de
energía eólica está al nivel P_{max} máximo cuando la frecuencia
de red real corresponde a la frecuencia f_{n} de red nominal.
Cuando la frecuencia de red real aumenta más allá de f_{1}, se
reduce la inyección de potencia y finalmente se detiene cuando la
frecuencia aumenta más allá de f_{2}, y no se reanudará de nuevo
hasta que la frecuencia haya disminuido por debajo de f_{3}, tal
como se describió en relación a la figura 4.
Sin embargo, la diferencia en comparación con la
realización P_{1} es que según la realización P_{2}, la
potencia inyectada no se disminuye cuando la frecuencia real baja
por debajo de f_{4}; en su lugar, la potencia activa máxima
disponible continua inyectándose en la red, hasta que la frecuencia
real baje por debajo de f_{5}, en cuyo caso se detiene la
inyección de potencia, que no va a reanudarse de nuevo hasta que la
frecuencia suba por encima de f_{6}.
Una realización adicional se ilustra mediante la
curva P_{3} de potencia, similar a P_{2} pero con la diferencia
de que a frecuencias de red desde f_{n} y hasta f_{1}, la
cantidad de potencia activa inyectada en la red no es la potencia
máxima que podría suministrar la instalación de energía eólica, sino
una cantidad menor de potencia activa, reducida en una cantidad X
que constituye una denominada "reserva de potencia" o
"reserva conectada y lista para su utilización". Esto hace
posible aumentar la cantidad de potencia activa cuando la
frecuencia de red real baja por debajo del primer valor (f_{4})
umbral inferior de frecuencia de red, hasta que se alcanza la
P_{max} máxima, como se muestra en la figura 5 (también en este
caso, puede detenerse la inyección en f_{5} y reanudarse en
f_{6}). De esta manera, la disposición ayuda a estabilizar
adicionalmente el sistema, ya que la inyección insuficiente de
potencia activa que provocó la disminución de la frecuencia de red
real puede compensarse al menos parcialmente por la "reserva de
potencia".
En situaciones en las que se está por debajo de
la frecuencia, la reducción frecuentemente empleada de la potencia
activa inyectada está a menudo relacionada básicamente con
limitaciones internas en la turbina. Sin embargo, desde un punto de
vista del sistema/red, cuando la frecuencia real en la red baja por
debajo del valor deseado, puede ser mejor aumentar la cantidad de
potencia activa inyectada en la red. Por supuesto, esto requiere
algún tipo de "reserva de potencia" en la turbina eólica, es
decir, una capacidad para producir e inyectar en la red más
potencia activa de la que se produjo anteriormente.
Las figuras 7A y 7B ilustran esquemáticamente
dos conceptos de controlador básicos que pueden ser útiles para
implementar diferentes realizaciones de la invención. En la figura
7A se ilustra un controlador de histéresis de dos niveles, con una
primera señal f_{ref} de entrada (que podría corresponder a un
valor "deseado" de, por ejemplo, una frecuencia, tal como la
frecuencia f_{n} nominal a la que se hizo referencia
anteriormente) y una segunda señal f_{m} de entrada (que podría
ser un valor "verdadero" medido de una frecuencia, tal como la
frecuencia f_{a} de red real a la que se hizo referencia
anteriormente), y una señal de salida que puede tener dos niveles
diferentes (por ejemplo, "0" ó "1"), mediante el que el
nivel de la señal de salida depende de la diferencia entre las dos
señales de entrada.
La figura 7B ilustra un concepto similar, pero
con una señal de salida que puede tener tres niveles diferentes,
tal como "-1", "0" y "1".
En este texto, el término "comprende" y sus
derivados (tal como "que comprende", etc.) no debería
entenderse con un sentido de exclusión, es decir, estos términos no
deberían interpretarse como excluyentes de la posibilidad de que lo
que se describe y define pueda incluir otros elementos, etapas,
etc.
Por otro lado, la invención no está limitada
obviamente a la(s) realización(es) descrita(s)
en el presente documento, sino que abarca además cualquier
variación que pueda considerar cualquier experto en la técnica (por
ejemplo, con respecto a la elección de materiales, dimensiones,
componentes, configuración, etc.), dentro del alcance general de la
invención como definen las reivindicaciones.
Claims (6)
1. Procedimiento para operar una instalación de
energía eólica conectada a una red (2) para la distribución de
energía eléctrica, comprendiendo dicha instalación de energía eólica
al menos un generador (1) de energía eólica, estando relacionada
dicha instalación de energía eólica con dicha red para la inyección
de potencia en dicha red, teniendo dicha red una frecuencia
(f_{n}) de red nominal y estando dispuesta dicha red para operar a
dicha frecuencia de red nominal, comprendiendo dicho procedimiento
controlar la potencia activa que se inyecta en dicha red desde dicha
instalación de energía eólica a la vista de una frecuencia (f_{a})
de red real medida a la que la red está operando, comprendiendo
dicho procedimiento las etapas de
- -
- medir dicha frecuencia (f_{a}) de red real; y
- -
- determinar una diferencia (E) entre dicha frecuencia (f_{a}) de red real y dicha frecuencia (f_{n}) de red nominal;
caracterizado porque
dicho procedimiento comprende además la etapa
de, si dicha diferencia es mayor que un umbral predeterminado,
emplear la diferencia (E) de las frecuencias mencionadas en un
regulador PID, que en base a dicha diferencia varía la potencia
activa que se inyecta a la red desde dicha instalación de energía
eólica para que la frecuencia de red real regrese a su valor
nominal.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
comprendiendo dicho procedimiento además las etapas de
- -
- reducir la potencia activa inyectada en la red, en función de la frecuencia de red real, si dicha frecuencia de red real aumenta más allá de un primer valor (f_{1}) umbral superior de frecuencia de red, y
- -
- detener la inyección de potencia activa en la red si dicha frecuencia de red real aumenta más allá de un segundo valor (f_{2}) umbral superior de frecuencia de red mayor que dicho primer valor (f_{1}) umbral superior de frecuencia,
en el que,
una vez que dicha frecuencia de red real haya
aumentado más allá de dicho segundo valor (f_{2}) umbral superior
de frecuencia de red, no se reanuda la inyección de potencia activa
en la red hasta que la frecuencia de red real haya disminuido por
debajo de un tercer valor (f_{3}) umbral superior de frecuencia
menor que dicho segundo valor (f_{2}) umbral superior de
frecuencia.
\vskip1.000000\baselineskip
3. Procedimiento según la reivindicación 2, en
el que dicho procedimiento comprende además las etapas de
- -
- reducir la potencia activa inyectada en la red, en función de la frecuencia de red real, si dicha frecuencia de red real disminuye por debajo de un primer valor (f_{4}) umbral inferior de frecuencia de red, y
- -
- detener la inyección de potencia activa en la red si dicha frecuencia de red real disminuye por debajo de un segundo valor (f_{5}) umbral inferior de frecuencia de red menor que dicho primer valor (f_{4}) umbral inferior de frecuencia, en el que, una vez que dicha frecuencia de red real haya disminuido por debajo de dicho segundo valor (f_{5}) umbral inferior de frecuencia de red, no se reanuda la inyección de potencia activa en la red hasta que la frecuencia de red real haya aumentado más allá de un tercer valor (f_{6}) umbral inferior de frecuencia mayor que dicho segundo valor (f_{5}) umbral inferior de frecuencia.
\vskip1.000000\baselineskip
4. Procedimiento según la reivindicación 2, en
el que dicho procedimiento comprende además la etapa de
- -
- aumentar la potencia activa inyectada en la red, en función de la frecuencia de red real, si dicha frecuencia de red real disminuye por debajo de un primer valor (f_{4}) umbral inferior de frecuencia de red.
\vskip1.000000\baselineskip
5. Procedimiento según la reivindicación 4, que
comprende además la etapa de detener la inyección de potencia activa
en la red si dicha frecuencia de red real disminuye por debajo de un
segundo valor (f_{5}) umbral inferior de frecuencia de red menor
que dicho primer valor (f_{4}) umbral inferior de frecuencia, en
el que, una vez que dicha frecuencia de red real haya disminuido por
debajo de dicho segundo valor (f_{5}) umbral inferior de
frecuencia de red, no se reanuda la inyección de potencia activa en
la red hasta que la frecuencia de red real haya aumentado más allá
de un tercer valor (f_{6}) umbral inferior de frecuencia mayor que
dicho segundo valor (f_{5}) umbral inferior de frecuencia.
\newpage
6. Instalación de energía eólica dispuesta para
conectarse a una red (2) para la distribución de energía eléctrica,
comprendiendo dicha instalación de energía eólica al menos un
generador (1) de energía eólica, estando relacionada dicha
instalación de energía eólica con dicha red para la inyección de
potencia en dicha red,
caracterizada porque
dicha instalación de energía eólica comprende un
sistema (3) de control dispuesto para controlar la inyección de
potencia activa en la red según el procedimiento de cualquiera de
las reivindicaciones anteriores.
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