ES2386436B1

ES2386436B1 - Metodo de control para una instalacion eolica de generacion electrica

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Publication number: ES2386436B1
Application number: ES200900158A
Authority: ES
Inventors: Gonzalo Abad Biain; Miguel Angel RODRIGUEZ VIDAL; Francisco Javier Poza Lobo
Original assignee: JOSE MARIA ARIZMENDIARRIETA S COOP; Jose Maria Arizmendiarrieta Scoop; Mondragon Goi Eskola Politeknikoa Jose Maria Arizmendiarrieta Scoop
Current assignee: JOSE MARIA ARIZMENDIARRIETA S COOP; Jose Maria Arizmendiarrieta Scoop; Mondragon Goi Eskola Politeknikoa Jose Maria Arizmendiarrieta Scoop
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2029-01-21
Also published as: ES2386436A1

Abstract

Método de control para una instalación eólica de generación eléctrica que comprende una máquina (2) asíncrona con un rotor (4), un estator (3) y un convertidor de potencia (6) que regula la alimentación del rotor (4), estando el estator (3) conectado a una red eléctrica (5) y comprendiendo un flujo de estator (13) un comportamiento oscilatorio cuando dicha red (5) sufre huecos de tensión. El método comprende los pasos de añadir, a una consigna de flujo de rotor (12), un término de compensación que refleja el comportamiento del flujo de estator (13), obteniéndose una nueva consigna de flujo de rotor (11), y realizar un control del flujo del rotor (4) y de un par de la máquina (2) mediante un bloque de control (8) que, mediante la nueva consigna (11), genera una pluralidad de consignas de control (Sa, Sb, Sc) para el convertidor de potencia (6).

Description

Método de control para una instalación eólica de generación eléctrica"

5 SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se relaciona con métodos de control para instalaciones de generación eléctrica, y más concretamente con métodos de control para 1O instalaciones eólicas de generación eléctrica.

ESTADO ANTERIOR DE LA TÉCNICA

15 La integración en la red eléctrica de la generación de energía proveniente de fuentes renovables, en particular de la energía eólica, viene sufriendo en los últimos afíos un incremento cada vez más significativo.

De entre las diferentes soluciones existentes para la generación de energías a partir

20 del viento, la solución más comúnmente adoptada a día de hoy es la aeroturbina o aerogenerador de velocidad variable. Tal y como su nombre indica, dicha aeroturbina es capaz de modificar su velocidad de giro, adecuándose a la velocidad del viento, con el objetivo de obtener la mayor eficiencia posible para un viento dado y obteniéndose una electricidad generada con menores fluctuaciones y fruto de un

25 mayor aprovechamiento energético.

Por otro lado, dependiendo del generador utilizado por la aeroturbina para transformar la energía mecánica generada por el viento en energía eléctrica, es posible distinguir dos tipos de aeroturbinas:

Aeroturbinas basadas en máquinas síncronas o asíncronas, y

Aeroturbinas basadas en máquinas doblemente alimentadas.

En las aeroturbinas que comprenden una máquina asíncrona doblemente

35 alimentada, por estator y el rotor, también conocidas como máquinas de inducción de rotor bobinado, el estator de la máquina se conecta directamente a la red, mientras que el rotor se conecta a un convertidor electrónico de potencia reversible, tal y como se divulga por ejemplo en la patente US 6449735 81. Dicho convertidor ajusta la amplitud y frecuencia de la tensión aplicada en el rotor de la máquina,

pudiéndose de esa forma controlar diferentes magnitudes de dicha máquina tales

como el par, la velocidad, las corrientes, las potencias, etc.

Por otro lado, desde el punto de vista de la técnica de control y para la máquina

5: asíncrona doblemente alimentada, las técnicas más utilizadas son el Control

Vectorial divulgado por ejemplo en el artículo "R. Pena, J.C. Ciare and G.M. Asher,

"Doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters and its

application to variable-speed wind-energy generation," Proc. lEE. Elec. Power Appl.,

vol. 143, no. 3, pp. 231-241. May 1996", y el Control Directo de Potencia, o el

1 O: Control Directo de Par. Mediante dichos controles, es posible mantener la máquina

controlada en par o en potencia, llegándose a un equilibrio estable de la misma.

Sin embargo, cuando la red a la que se conecta la aeroturbina se ve afectada por

diferentes tipos de perturbaciones las técnicas de control anteriormente

15: mencionadas no garantizan que la máquina se mantenga en un régimen estable de

funcionamiento durante dichas perturbaciones. En ocasiones incluso, ante

perturbaciones muy severas, es común que la aeroturbina se vea obligada a

desconectarse de la red con el objeto de salvaguardar tanto la parte mecánica como

la parte eléctrica de la misma. En cuanto a las faltas más frecuentes que se puedan

20: dar en la red cabe destacar los huecos de tensión. Dichos huecos de tensión en la

red pueden producir por ejemplo, sin ninguna acción de control especial dedicada,

sobretensiones en la tensión de bus, sobrecorrientes en el rotor y golpes fuertes de

par en dicho rotor, que provocan también la desconexión de la aeroturbina de la red

con los problemas que ello implica desde el punto de vista de la estabilidad de la

25: red.

Se conocen del estado de la técnica soluciones para evitar los problemas

generados por los huecos de tensión mediante una protección auxiliar, conocida

también como protección de crowbar, como son las soluciones divulgadas en lo

30: documentos WO 200401085 A1 y ES 2298014 A1, por ejemplo. Mediante dicha

protección de crowbar, durante un hueco de tensión, se consigue que la máquina o

aeroturbina no opere en un régimen de funcionamiento normal pero logre mitigar los

fuertes incrementos de par y de corriente que se producirfan en la aeroturbina, sin

necesidad de que dicha máquina sea desconectada de la red.

35

En el documento ES 2291103 A 1 por ejemplo, se propone una solución alternativa a

la protección de crowbar para mitigar los problemas generados por los huecos de

: tensión en la red eléctrica. Dicha solución se basa en una estrategia de control

especialmente disef\ada para el momento en que se produce el hueco de red, y es

capaz de evitar la necesidad del crowbar para solventar dichos problemas.

EXPOSICIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención es el de proporcionar un método de control para una instalación eólica de generación eléctrica, según se describe en las reivindicaciones.

El método de control de la invención está diseñado para su uso en una instalación

1O eólica de generación eléctrica. Este tipo de instalaciones comprende una máquina asíncrona doblemente alimentada y conectada a una red eléctrica, que comprende un rotor, un estator y un convertidor de potencia que regula la alimentación del rotor, estando el estator conectado directamente a la red eléctrica.

15 Cuando la red eléctrica sufre huecos de tensión, al estar conectado directamente a dicha red eléctrica no se puede evitar que el estator sea directamente afectado por dichos huecos de tensión, y un flujo de estator comprende un comportamiento oscilatorio. El método comprende el empleo de un término de compensación reflejo del comportamiento oscilatorio del flujo del estator en esas circunstancias, para

20 reflejar dicho comportamiento en la consigna del flujo del rotor. Para ello, a una consigna de flujo de rotor determinada se le añade dicho término de compensación obteniéndose una nueva consigna de flujo de rotor, siendo la nueva consigna de flujo de rotor tratada por un bloque de control que genera una pluralidad de consignas de control que llegan al convertidor de potencia, en vez del empleo

25 directo de la consigna de flujo de rotor determinada, regulando dicho convertidor de potencia la alimentación del rotor en función de dichas consignas de control.

De esta manera, empleándose el método de la invención se consigue controlar el par de la máquina, que permanece al valor demandado incluso cuando la red 30 eléctrica sufre huecos de tensión, y el flujo de rotor incluso cuando en la red eléctrica se tienen huecos de tensión, pudiendo regularse la alimentación de la tensión del rotor para que dicho rotor se comporte bajo circunstancias o premisas similares que el estator (que se ve directamente afectado por dichos huecos al estar directamente conectado a la red eléctrica, es inevitable), y se pueda mantener así 35 controlado tanto el flujo de rotor como el par de la máquina ante dichos huecos de tensión, sin necesidad de desconectar dicha máquina. Al tratarse de un control, además, el método de la invención puede integrarse en un control necesario ya existente en la propia instalación, no siendo necesario incorporar elementos de protección adicionales como el crowbar, que encarecerían dicha instalación, para

mitigar los efectos de los huecos de tensión.

Estas y otras ventajas y características de la invención se harán evidentes a la vista de las figuras y de la descripción detallada de la invención.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La FIG. 1 es una vista esquemática de una realización de una instalación adaptada 1O para utilizar el método de la invención.

La FIG. 2 muestra una realización de un bloque de generación empleado en el método de la invención, para la generación de la nueva consigna de flujo de rotor.

15 La FIG. 3 es una vista esquemática de la instalación de la FIG. 1, con un control según el método de la invención.

En la FIG. 4a se muestra la evolución de una de la tensión de la red eléctrica, obtenida como resultrado de una simulación de una realización del método de la 20 invención.

En la FIG. 4b se muestra la evolución de una corriente de estator de la máquina la tensión de la instalación de la FIG. 1, obtenida como resultrado de una simulación de una realización del método de la invención.

25 En la FIG. 4c se muestra la evolución de una corriente de rotor de la máquina la tensión de la instalación de la FIG. 1, obtenida como resultrado de una simulación de una realización del método de la invención.

30 En la FIG. 4d se muestra la evolución de una nueva consigna de flujo de rotor de la máquina la tensión de la instalación de la FIG. 1, obtenida como resultrado de una simulación de una realización del método de la invención.

En la FIG. 4e se muestra la evolución de un flujo de estator estimado de la máquina

35 la tensión de la instalación de la FIG. 1, obtenida como resultrado de una simulación de una realización del método de la invención.

En la FIG. 4f se muestra la evolución de una de una consigna de par de la máquina la tensión de la instalación de la FIG. 1, obtenida como resultrado de una simulación

de una realización del método de la invención.

5 EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

El método de control de la invención está diseñado para su uso en una instalación 100 eólica de generación eléctrica. La instalación 100 comprende una máquina 2 convencional asincrona doblemente alimentada, por rotor 4 y estator 3, como la 1O divulgada en el documento US6449735B1 por ejemplo. El estator 3 se conecta directamente a una red eléctrica 5, mientras que el rotor 4 se conecta a dicha red eléctrica 5 a través de un convertidor de potencia 6 que regula o controla la alimentación de dicho rotor 4 y que es conocido comúnmente como "convertidor lado rotor" o "Rotor side converter', y de un convertidor adicional 7 conocido 15 comúnmente como "convertidor lado red" o "Grid side converter', tal y como se muestra en la realización de la figura 1. El convertidor de potencia 6 está conectado por un lado al convertidor adicional 7 y por el otro lado al rotor 4, estando dicho convertidor adicional 7 unido por un lado a dicho convertidor de potencia 6 y por otro a la red eléctrica 5, generándose entre ambos convertidores 6 y 7 una tensión de 20 bus Vbus, continua, que es empleada por el convertidor de potencia 6 para alimentar el rotor 4, de acuerdo con una pluralidad de consignas de control Sa, Sb y Se que recibe dicho convertidor de potencia 6, como pueden ser la tensión a aplicar al rotor 4 y su frecuencia o pulsación por ejemplo, pudiendo tenerse en cuenta diferentes parámetros de la máquina 2 para obtener dichas consignas de control

25 Sa, Sb y Se, además de otros parámetros como pueden ser una consigna de flujo de rotor 12 y una consigna de par 10 de la máquina 2. La consigna de flujo de rotor 12 y la consigna de par 10 de la máquina 2 se obtienen en un nivel de control superior Ns, como puede ser el utilizado en el método divulgado en la patente U6448735B1 por ejemplo.

30 El estator 3 está conectado directamente a la red eléctrica 5, viendo directamente afectado por huecos de tensión presentes en dicha red eléctrica 5 sin que pueda evitarse. Asi, el flujo del estator 3 se ve afectado por dichos huecos de tensión, que tal y como es conocido presenta un comportamiento oscilatorio en dichas

35 circunstancias. En el método de la invención se realiza una estimación de dicho flujo del estator 3, que es conocido que puede obtenerse de diferentes maneras. En el método de la invención dicho flujo de estator 13 estimado se obtiene preferentemente a partir de un modelo matemático de la máquina 2, requiriendo dicho modelo matemático las corrientes de rotor ir y de estator is, y los parámetros

de la máquina 2, tal y como se define en la siguiente ecuación:

4Js = Ls * is + Lh * ir ;

en donde: 4J-s = flujo de estator 13 estimado,

Ls = inductancia propia del estator 3,

-: TS= corriente del estator 3,

Lh = inductancia mutua, y

-: ir= corriente del rotor.

Sin embargo, es conocido que el flujo de estator 13 puede obtenerse de otras maneras, no limitándose la invención únicamente a este modo de realización concreto, si no que también puede emplearse un flujo de estator 13 estimado de otra manera, que responda o se vea afectado por los huecos de tensión en la red eléctrica 5.

El método de la invención establece añadir a la consigna de flujo de rotor 12, un término de compensación 70 que refleja el comportamiento del flujo del estator 3, a partir del flujo de estator 13 estimado, obteniéndose una nueva consigna de flujo de rotor 11 como resultado de la adición, un bloque de generación 40 tal y como se muestra en la figura 2.

El término de compensación 70 se obtiene a partir de un valor de referencia 20 establecido para el flujo del estator 3 y del flujo de estator 13 estimado. El valor de referencia 20 es un valor constante que se corresponde con el valor ideal del flujo del estator 3, obtenido, preferentemente, a partir de la pulsación de la red eléctrica 5 y de una amplitud de la tensión de dicha red eléctrica 5, tal y como se define en la siguiente ecuación:

IV si -

14Jref si =-· 1

-: ws

en donde: 141 ref_sl =valor de referencia 20,

IVsl-= amplitud de la tensión de la red eléctrica 5, y

ws = pulsación de la red eléctrica 5.

En el método de la invención, el término de compensación 70 se obtiene

preferentemente tal y como se define en la siguiente ecuación:

-

-: + IVsl

1\.IJrl =1\.IJsl-

ws

en donde: 14J rl =término de compensación 70, IVSI =amplitud de la tensión de la red eléctrica 5, ws =pulsación de la red eléctrica 5, y 141-si =flujo de estator 13 estimado.

De esta manera, el término de compensación 70 es un reflejo del flujo de estator 13 estimado, comprendiendo un comportamiento oscilatorio ante huecos de tensión en la red eléctrica 5 al igual que dicho flujo de estator 13 estimado, estando adaptado además a las características del rotor 4 mediante el empleo del valor de referencia 20 para poder obtenerse la nueva consigna de flujo de rotor 11.

El método de la invención también establece realizar un control del flujo del rotor 4 y del par de la máquina 2 mediante un bloque de control 8 que genera las consignas de control Sa, Sb y Se que llegan al convertidor de potencia 6, llegando la nueva consigna de flujo 11 hasta dicho bloque de control 8 para que sea utilizada en la generación de las consignas de control Sa, Sb y Se. Dicho bloque de control 8, tal y como se muestra en la figura 3, también emplea como consigna la consigna de par 1 O de la máquina 2, por lo que se tiene como resultado un control sobre el flujo del rotor 4 y un control sobre el par de dicha máquina 2. El bloque de control 8 empleado está adaptado para controlar el flujo del rotor 4 y el par de la máquina 2. Preferentemente, el bloque de control 8 empleado es un bloque que permite un control directo tanto de par como de flujo, como puede ser por ejemplo el conocido comúnmente como DTC ("Oirect Torque Controf'), que está divulgado por ejemplo en el documento US6448735B1. A dicho bloque de control 8 también le llega, tal y como se ha comentado anteriormente, una consigna de par 1 O para el par de la máquina 2 que se obtiene en el mismo nivel de control superior Ns que la consigna de flujo de rotor 12, estando dicho bloque de control 8 y el bloque de generación 40 en un nivel Ni de control inferior al nivel superior Ns

En el método de la invención, la consigna del flujo del rotor que se tiene en cuenta para regular la tensión de alimentación del rotor 4 mediante el convertidor de potencia 6 es la nueva consigna de flujo de rotor 11 en vez de la consigna de flujo de rotor 12 determinada en el nivel superior Ns, de tal manera que dicho convertidor de potencia 6 también regula dicha tensión en los intervalos T1 en los que la red eléctrica 5 sufre huecos de tensión, disminuyéndose el riesgo de que debido a dichos huecos de tensión haya sobretensiones en la tensión de bus Vbus y de que la máquina 2 sufra sobrecorrientes en el rotor 4 y/o golpes fuertes de par, que puedan dar como resultado la desconexión de la máquina 2 de la red eléctrica 5, por ejemplo, evitándose los problemas que ello implica desde el punto de vista de la estabilidad de dicha red eléctrica 5.

En las figuras 4a-4f se muestran diferentes variables de la máquina 2 como

1 O resultado de una simulación realizada empleando el método de la invención, mostrándose su comportamiento antes de un instante T1 en el que la red eléctrica 5 sufre un hueco de tensión, y después de dicho instante T1 en donde dicho hueco de tensión está presente.

Claims

REIVINDICACIONES

1.-Método

de control para una instalación eólica de generación eléctrica que

comprende una máquina (2) asíncrona doblemente alimentada y conectada a una

5

red eléctrica (5), comprendiendo la máquina (2) un rotor (4), un estator (3) y un

convertidor de potencia (6) que regula la tensión de alimentación del rotor (4), y

estando el estator (3) conectado directamente a la red eléctrica (5), comprendiendo

un flujo de estator (13) de dicho estator (3) un comportamiento oscilatorio cuando

dicha red eléctrica (5) sufre huecos de tensión,

1O

caracterizado porque

el método comprende los pasos de

añadir,

a una consigna de flujo de rotor (12) determinada, un término de

compensación

(70) que refleja el comportamiento del flujo de estator (13),

obteniéndose

una nueva consigna de flujo de rotor (11) como resultado de la

15

adición, y

realizar

un control del flujo del rotor (4) y de un par de la máquina (2)

mediante

un bloque de control (8) que genera una pluralidad de consignas de

control (Sa, Sb, Se) que llegan al convertidor de potencia (6), regulando dicho

convertidor de

potencia (6) la alimentación del rotor (4) en función de dichas

20

consignas de control (Sa, Sb, Se), tratándose la nueva consigna de flujo de rotor

(11) para tal fin.
2.-Método según la reivindicación 1, en donde el bloque de control (8) permite un

control directo del flujo del rotor (4) y del par de la máquina (2), empleando 25 únicamente una consigna de par (10) y la nueva consigna de flujo (11) como

consignas.
3.-Método según la reivindicación 2, en donde el bloque de control (8) es un bloque de control directo de par o DTC.
4.-Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el término de compensación (70) para la consigna del flujo del rotor (4) se obtiene al restar al flujo de estator (13) un valor de referencia (20) del flujo del estator (3) previamente establecido.
5.-Método según la reivindicación 4, en donde el valor de referencia (20) es un valor constante que se corresponde con el valor ideal del flujo del estator (3), obtenido a partir de la pulsación (ws) de la red eléctrica (5) y la amplitud de la tensión (Vs) de dicha red eléctrica (5).
6.-Método según la reivindicación 5, en donde el valor de referencia (20) se obtiene dividiendo el módulo de la tensión (Vs) de la red eléctrica (5) entre la pulsación (ws) de dicha red eléctrica (5).

5 7.-Método según cualquiera de las reivindicaciones 5 ó 6, en donde el flujo de estator (13) se obtiene a partir de un modelo matemático de la máquina (2), requiriendo dicho modelo matemático las corrientes de rotor (is) y de estator (is) y los parámetros de la máquina (2).

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