ES2545535T3 - Procedimiento para el funcionamiento de una instalación de energía eólica - Google Patents

Procedimiento para el funcionamiento de una instalación de energía eólica Download PDF

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Abstract

Procedimiento para el funcionamiento de una instalación de energía eólica a velocidad de giro variable, conectable en una red, con un rotor con velocidad de giro variable, un regulador de momento, un regulador de ángulo de ataque de pala y un convertidor principal, en el que la conexión de la instalación de energía eólica se realiza mediante conmutación del convertidor principal en la red y antes de la conexión de la instalación de energía eólica se regula la velocidad de giro del rotor mediante variación del ángulo de ataque de pala, caracterizado porque se predetermina un ángulo de ataque de pala mínimo Φarranque constante que es mayor que un ángulo de ataque de pala optimizado para el rango de carga parcial, durante el arranque de la instalación de energía eólica, el ángulo de ataque de pala se reduce de forma continua partiendo de un ángulo de ataque de pala máximo Φmáx y no se queda por debajo del ángulo de ataque de pala mínimo Φarranque antes de la conexión.

Description

E06024888
18-08-2015
DESCRIPCIÓN
Procedimiento para el funcionamiento de una instalación de energía eólica.
5 La invención se refiere a un procedimiento para la regulación de la velocidad de giro de una instalación de energía eólica a velocidad de giro variable mediante la variación del ángulo de ataque de pala y del momento para el proceso de conexión en la red. La instalación de energía eólica dispone para ello de un regulador de momento y un regulador de ángulo de ataque de pala.
10 Se conocen las instalaciones de energía eólica a velocidad de giro variable con regulador de momento y de ángulo de ataque de pala. En la regulación del ángulo de ataque de pala, cada pala de rotor se regula alrededor de su eje longitudinal en su ángulo de ataque de pala. En el caso de ángulos de ataque de pala diferentes la pala de rotor absorbe cada vez otro momento del viento.
15 Para el control / la regulación de las instalaciones de energía eólica se conoce diferenciar entre dos modos de funcionamiento. El primer modo de funcionamiento se designa como funcionamiento con carga parcial, en el que se realiza una regulación de la velocidad de giro a través de la especificación de un par de fuerzas. El segundo modo de funcionamiento es el funcionamiento a plena carga, en el que se realiza una regulación de la velocidad de giro a través de una regulación del ángulo de ataque.
20 Para obtener un aprovechamiento óptimo de la potencia con la instalación de energía eólica, la velocidad de giro de la instalación se ajusta en el rango de carga parcial a la relación óptima entre velocidad periférica del rotor y velocidad del viento (λópt). Las palas de rotor están ajustadas en este caso a un ángulo de pala que genera el momento de accionamiento más elevado para el árbol del rotor. La velocidad de giro del rotor se ajusta en el rango
25 de carga parcial a través del momento antagónico generado en el generador y/o convertidor.
Si con la velocidad nominal se ha alcanzado el momento antagónico máximo en el generador, entonces mediante el aumento posterior del momento del generador no se puede mantener la velocidad de giro más tiempo en el punto de trabajo. Entonces se evita una sobrecarga del sistema en tanto que se empeora la eficiencia aerodinámica de las
30 palas y éstas se sacan del ángulo de ataque óptimo. La velocidad de giro del rotor se influye por consiguiente después de alcanzar el momento del generador máximo a través del ángulo de ataque de las palas.
Para poder hacer funcionar una instalación de energía eólica en el funcionamiento con carga parcial o a plena carga explicado, la instalación se debe conectar en primer lugar a la red. Anteriormente en el generador no se puede
35 generar un par de fuerzas antagónico, ya que no se pueden imbuir corrientes en el generador sin unión a la red. Antes de la conexión el rotor de la instalación de energía eólica se gira por en general de forma libre, con la conexión se establece una unión eléctrica con la red y comienza una excitación de la instalación de energía eólica para la alimentación de potencia eléctrica a la red.
40 Para el proceso de conexión se requiere una cierta velocidad de giro mínima del generador acoplado con el rotor, la así denominada velocidad de giro de sincronización nsinc.
Por el documento EP 1 007 844 B1 se conoce una instalación de energía eólica a velocidad de giro variable que posee un generador de inducción con rotor bobinado. Para la gestión del funcionamiento, en la instalación de
45 energía eólica conocida se conoce un control del par de fuerzas y un control para el ángulo de ataque de pala que funciona independientemente del control del par de fuerzas.
En la instalación de energía eólica conocida, la regulación del ángulo de ataque de pala ajusta por debajo de una velocidad de giro determinada muy baja del generador, que se sitúa muy por debajo de la velocidad de giro de
50 sincronización, un gran ángulo de ataque de pala de, por ejemplo, 25º. De este modo se consigue que también en el caso de velocidades de giro muy bajas del rotor se absorba un momento suficiente del viento para poner en marcha el rotor. En cuanto se alcanza la velocidad de giro predeterminada muy baja del generador, se ajusta un ángulo de ataque de pala que se corresponde con el ángulo de ataque óptimo para el funcionamiento en el rango de carga parcial.
55 En aquel rango de velocidad de giro en el que tiene lugar el proceso de conexión, en la instalación de energía eólica conocida no está prevista por lo tanto una regulación de la velocidad de giro a través del ángulo de ataque de pala, dado que el ángulo de ataque de pala ya ha adoptado un valor fijo, optimizado para el rango de carga parcial. Dado que antes de la conexión no es posible una influencia de la velocidad de giro mediante la especificación de un
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momento en el generador, no se regula en absoluto la velocidad de giro antes de la conexión.
Por el documento GB 2 023 237A se ha conocido un procedimiento para el funcionamiento de una instalación de energía eólica hecha funcionar a velocidad de giro fija con un generador síncrono directamente acoplado a la red. Lo 5 mismo es válido para el documento EP 0 008 584 A1 que tiene su origen en el mismo solicitante.
Por el libro de texto “Windenergieanlagen – Systemauslegung, Netzintegration und Regelung [Instalaciones de energía eólica – Diseño del sistema, integración de red y regulación]” de Siegfried Heier, 4ª edición 2005 se ha conocido un procedimiento para el funcionamiento de una instalación de energía eólica a velocidad de giro variable
10 con las características del preámbulo de la reivindicación 1.
Partiendo de ello el objetivo de la invención es especificar un procedimiento para el funcionamiento de una instalación de energía eólica que mejore el proceso de conexión.
15 El objetivo se resuelve mediante un procedimiento para el funcionamiento de una instalación de energía eólica conectable en una red con un rotor con velocidad de giro variable, un regulador de momento y un regulador de ángulo de ataque de pala, en el que antes de la conexión de la instalación de energía eólica se regula la velocidad de giro del rotor mediante la variación del ángulo de ataque de pala.
20 De este modo la velocidad de giro del rotor y del generador acoplado con el rotor se puede estabilizar respecto a un giro libre. El proceso de conexión se facilita ya que se puede evitar tanto un aumento de la velocidad de giro excesivo durante o antes del proceso de conexión, como también una bajada de la velocidad de giro.
Según una configuración se realiza la regulación de la velocidad de giro a una velocidad de giro de sincronización
25 del generador nsinc apropiada para la conexión en la red. De este modo se realiza la estabilización de la velocidad de giro del generador en un rango apropiado para el proceso de conexión o especialmente preferido.
En una configuración preferida, la regulación de la velocidad de giro sólo comienza después de que se ha sobrepasado una velocidad de giro de sincronización nsinc. De este modo el ángulo de ataque de pala se puede
30 seleccionar libremente por la regulación por debajo de la velocidad de giro de sincronización nsinc. Simultáneamente la regulación del ángulo de ataque de pala afectada con un cierto consumo de energía sólo se requiere luego cuando se ha alcanzado realmente la velocidad de giro requerida para la conexión.
En la invención está previsto reducir continuamente el ángulo de ataque de pala, partiendo de un ángulo de ataque
35 de pala máximo Φmáx, en el arranque de la instalación de energía eólica antes del comienzo de la regulación de la velocidad de giro. De este modo el ángulo de ataque de pala se puede mantener, durante el arranque de la instalación de energía eólica, es decir, sobre un gran rango de velocidades de giro, en un rango favorable para la absorción máxima del momento a partir del viento. La instalación de energía eólica se puede llevar entonces más rápidamente a la velocidad de giro requerida para la conexión que en una regulación fija o que se realiza
40 gradualmente del ángulo de ataque de pala.
En una configuración, la reducción del ángulo de ataque de pala se realiza en función de la velocidad de giro. De este modo se puede conseguir que con cada velocidad de giro se ajuste el ángulo de ataque de pala óptimo. De esta manera también se puede obtener con velocidades del viento oscilantes un arranque lo más rápido posible del
45 rotor.
La reducción del ángulo de ataque de pala se realiza preferiblemente hasta un ángulo de ataque de pala mínimo Φarranque. El ángulo de ataque de pala mínimo Φarranque puede ser en este caso mayor que el ángulo de ataque de pala optimizado para el funcionamiento con carga parcial. En este caso se garantiza que después de la conexión,
50 cuando el rotor se carga adicionalmente con el par de fuerzas antagónico del generador, se puede absorber este momento mediante reducción posterior del ángulo de ataque de pala adicionalmente a partir del viento. En particular antes de la conexión no se queda por debajo del ángulo de ataque de pala mínimo Φarranque.
Según una configuración está previsto seleccionar el valor para el ángulo de ataque de pala mínimo Φarranque en
55 función de la velocidad del viento. De este modo con velocidades del viento menores se pueden seleccionar ángulos de ajuste de pala mínimos Φarranque menores, a fin de alcanzar de forma segura la velocidad de giro de sincronización en un intervalo de tiempo predeterminado también en el caso de oferta de viento garantizada baja. Además, en el caso de velocidades del viento elevadas, mediante la elección de un ángulo Φarranque mayor se puede impedir una sobreoscilación innecesariamente fuerte de la velocidad de giro tras alcanzar la velocidad de giro de sincronización.
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El proceso de conexión requiere entonces movimientos de ajuste menores del ángulo de pala y se desarrolla de forma esencialmente más cuidadosa para el sistema mecánico.
Según una configuración está previsto que después de la conexión el ángulo de ataque de pala quede por debajo
5 del ángulo de ataque de pala mínimo Φarranque. De este modo la regulación del ángulo de ataque de pala después de la conexión puede regular el ángulo de ataque de pala sobre todo el rango libremente a un ángulo de ataque de pala optimizado.
Para el regulador de ángulo de ataque de pala y regulador de momento está previsto preferiblemente que éstos se 10 hagan funcionar simultáneamente después de la conexión.
La invención se explica a continuación más en detalle mediante un ejemplo de realización y dos figuras.
La figura 1 muestra a modo de ejemplo el desarrollo de la velocidad de giro del generador n, el ángulo de ataque de 15 pala Φ y el par de fuerzas M en un diagrama común representadas respecto al tiempo t.
La figura 2 representa los procesos de regulación requeridos para el comportamiento mostrado en la figura 1 en un diagrama de flujo.
20 El fragmento de tiempo representado en la figura 1 comienza con el arranque de la instalación de energía eólica, partiendo de un rotor y generador parado con una velocidad de giro n = 0, representado por el comienzo de la sección de curva 1 en el instante t = 0. Simultáneamente el ángulo de ataque de pala presenta un valor máximo Φmáx, representado por el comienzo de la línea 5.
25 El ángulo de ataque de pala se reduce continuamente a lo largo de la línea 5, hasta que en t1 se alcanza el valor mínimo Φarranque para el ángulo de ataque de pala. Simultáneamente la velocidad de giro n del generador asciende conforme a la curva 1 en un proceso no lineal.
En el instante t1 el ángulo de ataque de pala se mantiene constante con Φarranque según la línea 6 hasta el instante t2. 30 En este lapso de tiempo la velocidad de giro del generador asciende aun más según la curva 2 hasta que se sobrepasa la velocidad de giro de sincronización nsinc.
En este instante se activa completamente la regulación de la velocidad de giro mediante la variación del ángulo de ataque de pala. Se lucha contra la sobreoscilación de la velocidad de giro en la sección de curva 3 en tanto que el 35 ángulo de ataque de pala se aumenta según la curva 7 partiendo del valor Φarranque. La velocidad de sincronización nsinc se alcanza en el instante t3 mediante esta intervención de la regulación.
En el instante t3 también se realiza la conexión de la instalación de energía eólica en la red. Según se representa en el dibujo, la conexión siempre se realiza con la velocidad de giro de sincronización nsinc. La línea 9 representada a 40 puntos muestra el momento predeterminado del generador que asciende linealmente comenzando del valor cero. El gradiente del ascenso está parametrizado dentro de límites posibles.
La velocidad de giro del generador asciende aun más después de la conexión en la red conforme a la sección de curva 4. Simultáneamente el ángulo de ataque de pala se reduce aun más a lo largo de la curva 8 partiendo del valor
45 Φarranque, para obtener un aprovechamiento óptimo de la potencia. Se reconoce que después del instante de la conexión t3 están activas simultáneamente la regulación del ángulo de ataque de pala y la regulación del momento. En particular la regulación del ángulo de ataque de pala controla de forma ininterrumpida el ángulo de ataque de pala. Este control también contiene un aspecto de seguridad, ya que en el caso de viento fuerza se requiere eventualmente una intervención de regulación rápida para evitar velocidades de giro excesivas.
50 Existe otra situación en el caso de velocidades de viento muy bajas, con las que no se puede conseguir una velocidad de giro ascendente después de la conexión. En este caso la instalación permanece en la red, aun cuando la velocidad de giro baja por debajo de la velocidad de sincronización, según se representa en la sección de curva 10 a trazos.
55 En la figura 2 están representados los procesos durante el arranque de la instalación de energía eólica en un diagrama de flujo, que comienza con una orden de arranque para la instalación de energía eólica en 20 hasta el funcionamiento de producción 80. En la mitad superior del diagrama de flujo están representados en paralelo tres procesos que se desencadenan sucesivamente a la orden de arranque. Son, en primer lugar, una regulación del
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ángulo de ataque de pala (también designado como ajuste de paso) en la caja 30 rebordeada a trazos, en segundo lugar, la determinación de un ángulo de ataque de pala Φarranque en la caja designada con 40 y, en tercer lugar, la supervisión de la velocidad de giro del generador que se realiza con la caja designada con 50.
5 La regulación del ángulo de ataque de pala que se realiza en la caja designada con 30 comienza en 31 en una posición en la que el ángulo de ataque de pala presenta un valor máximo. En 32 el ángulo de ataque de pala se ajusta en un ángulo de arranque de 70º. Éste ángulo de arranque se corresponde con el ángulo de ataque de pala designado en la figura 1 con Φmáx. En el bucle formado por 33 y 34 se mide de forma ininterrumpida el cambio de la velocidad de giro y el ángulo de ataque de pala se reduce en función de la velocidad de giro hasta que se alcanza el
10 valor de arranque Φarranque.
El valor predeterminado para el Φarranque se determina en paralelo en la caja designada con 40. Para ello en 41 se mide un valor medio de 30 segundos de la velocidad del viento. Si este valor medio sobrepasa en 42 una velocidad del viento vlímite_de_viento predeterminada, Φarranque en 43 se pone a un valor Φviento_elevado_arranque, en caso contrario, en
15 44 a un valor menor Φviento_bajo_arranque. Si dentro de la caja designada con 30 se alcanza el valor Φarranque predeterminado para un ángulo de ataque de pala, la instalación se sitúa en el instante t1 en 60 en un estado que se corresponde con el instante designado igualmente con t1 en la figura 1.
En la caja designada con 50 se supervisa la velocidad de giro del generador. Para ello en 51 se predeterminar como
20 valor de consigna en primer lugar una velocidad de giro de sincronización nsinc. En 52 se mide de forma ininterrumpida la velocidad de giro actual del generador y en 53 se examina de forma ininterrumpida si se ha superado la velocidad de giro de sincronización nsinc. Si este es el caso la instalación de energía eólica se sitúa en el instante t2 en 61 en un estado, que se corresponde con el instante designado igualmente con t2 en la figura 1.
25 Para luchar contra una sobreoscilación de la velocidad de giro sobre la velocidad de giro de sincronización nsinc, en 62 el ángulo de ataque de pala se aumenta en primer lugar. Se realiza una regulación de la velocidad de giro mediante la variación del ángulo de ataque de pala a la velocidad de giro de sincronización nsinc. En 63 se verifica si la velocidad de sincronización también se cumple en un valor medio de 3 segundos, es decir, si la velocidad de giro requerida para la conexión se ha estabilizado suficientemente.
30 En este caso la instalación de energía eólica se sitúa en el instante t3 en 64 en un estado que se corresponde con el instante designado igualmente con t3 en la figura 1.
En este instante se libera la regulación del ángulo de ataque de pala, es decir, que para la absorción de momento
35 máxima a partir del viento también se puede ajustar el ángulo de ataque de pala por debajo del valor de arranque Φarranque y la regulación del ángulo de ataque de pala ya no sirve para mantener la velocidad de giro de sincronización nsinc, como también en 62.
Igualmente en el instante t3 se realiza la conexión verdadera en 66, es decir, el convertidor principal se libera y la
40 instalación se conecta con la red. Por consiguiente en 67 se finaliza el proceso de conexión. En 68 está representado que el par de fuerzas del generador se aumenta a lo largo de una rampa en un valor posible máximo.
En paralelo en el instante t3 en 69 tiene lugar un cambio del valor de consigna para la velocidad de giro del generador. Ésta se pone de la velocidad de giro de sincronización nsinc a un valor de consigna para el
45 funcionamiento de producción. Por consiguiente la instalación de energía eólica se sitúa en el funcionamiento de producción designado con 80.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento para el funcionamiento de una instalación de energía eólica a velocidad de giro variable, conectable en una red, con un rotor con velocidad de giro variable, un regulador de momento, un regulador 5 de ángulo de ataque de pala y un convertidor principal, en el que la conexión de la instalación de energía eólica se realiza mediante conmutación del convertidor principal en la red y antes de la conexión de la instalación de energía eólica se regula la velocidad de giro del rotor mediante variación del ángulo de ataque de pala, caracterizado porque se predetermina un ángulo de ataque de pala mínimo Φarranque constante que es mayor que un ángulo de ataque de pala optimizado para el rango de carga parcial, durante el arranque de la instalación de energía eólica, el
    10 ángulo de ataque de pala se reduce de forma continua partiendo de un ángulo de ataque de pala máximo Φmáx y no se queda por debajo del ángulo de ataque de pala mínimo Φarranque antes de la conexión.
  2. 2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la regulación de la velocidad de giro
    se realiza a una velocidad de giro de sincronización del generador nsinc apropiada para la conexión en la red. 15
  3. 3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la regulación de la velocidad de giro comienza después de la que se ha sobrepasado una velocidad de giro de sincronización nsinc.
  4. 4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la reducción del ángulo 20 de ataque de pala se realiza en función de la velocidad de giro.
  5. 5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la reducción del ángulo de ataque de pala se efectúa hasta el ángulo de ataque de pala mínimo Φarranque.
    25 6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el ángulo de ataque de pala mínimo Φarranque depende de la velocidad del viento.
  6. 7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque después de la conexión
    el ángulo de ataque de pala queda por debajo del ángulo de ataque de pala mínimo Φarranque. 30
  7. 8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque después de la conexión se hace funcionar simultáneamente el regulador de ángulo de ataque de pala y el regulador de momento.
    6
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