ES2585403T3 - Almacenamiento de energía y control de frecuencia de aerogenerador - Google Patents

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Abstract

Un sistema (10) de almacenamiento de energía caracterizado por: un sistema (12) de suministro de potencia ininterrumpida (UPS) que comprende un dispositivo (14) de almacenamiento de energía acoplado entre una fuente (16) de energía y una carga (18) auxiliar de la fuente (14) de energía, un conversor (36) bidireccional acoplado por un enlace (24) CC de fuente de un sistema de conversión de potencia de la fuente de energía y un inversor (38) UPS acoplado a la carga (18) auxiliar, y en el que el dispositivo (14) de almacenamiento de energía se acopla entre el conversor (36) bidireccional y el inversor (38) UPS; y un sistema (20) de control configurado para generar órdenes (22) para controlar un estado de carga del dispositivo (14) de almacenamiento de energía, proporcionar potencia desde el dispositivo (14) de almacenamiento de energía a la carga (18) auxiliar y usar la potencia del dispositivo (14) de almacenamiento de energía para controlar la tensión de un enlace CC, el par de torsión de fuente de energía, el flujo de potencia del lado de la red de distribución (26) o combinaciones de los mismos.

Description

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DESCRIPCION
Almacenamiento de energfa y control de frecuencia de aerogenerador
La invencion se refiere generalmente a almacenamiento de energfa y mas espedficamente al uso de almacenamiento de energfa para multiples fines de fuentes de energfa renovables. La invencion se refiere adicionalmente a aerogeneradores y mas espedficamente a la flexibilidad de la frecuencia de red de distribucion en sistemas electricos de aerogenerador.
Los aerogeneradores tienen rotores con palas que se conectan a generadores electricos mediante arboles. Los ejemplos de generadores electricos incluyen generadores de induccion doblemente alimentados (DFIG) y generadores de iman permanentes (PM). Para suministrar la potencia electrica a la red de distribucion, los elementos electronicos de potencia se usan para el acondicionamiento energetico. En un ejemplo, los elementos de sistema electronico de potencia incluyen conversores de fuente de tension consecutiva conectados a un enlace CC. Para un DFIG, unos terminales de estado del generador se conectan directamente con la red de distribucion, y el sistema electronico de potencia se conecta entre el rotor y los terminales de estator. Para una maquina PM, unos terminales de maquina CA se conectan por medio del sistema electronico de potencia.
Diversos aerogeneradores convencionales y sistemas para el se describen, por ejemplo, en los documentos US 2007/024227, US 2007/080666 y US 2004/0264082.
A medida que se desarrollan nuevos codigos de red de distribucion para parques eolicos, y a medida que se incrementa el nivel de penetracion en el mercado de los parques eolicos, la variabilidad de la potencia eolica se vuelve menos aceptable para las empresas de utilidad. Por ejemplo, las empresas de utilidad estan imponiendo o esperando imponer requisitos relacionados con lfmites de tasa de rampa de potencia, paso a traves de baja tension, control de frecuencia de potencia, respuesta de inercia y restricciones.
Sena aconsejable tener un sistema y un procedimiento para abordar eficazmente la variabilidad de la potencia eolica para ayudar a satisfacer los requisitos relacionados de empresas de utilidad.
Los aerogeneradores se disenan normalmente y estan especificados para una frecuencia de red de distribucion espedfica tal como 50 Hz o 60 Hz. Al menos dos configuraciones se desarrollan para cada tipo de aerogenerador siendo una aplicable a 50 Hz y la otra aplicable a 60 Hz. Normalmente un diseno inicial se realiza para una frecuencia de red de distribucion y luego se modifica para la segunda frecuencia de red de distribucion. Ambos disenos deben certificarse independientemente. El diseno, la ingeniena, adquisicion de partes, partes de repuesto y requisitos de entrenamiento se incrementan de esta manera mediante la necesidad del segundo diseno y certificacion.
Sena aconsejable tener un diseno de sistema electrico de aerogenerador que permita una instalacion flexible del aerogenerador independientemente de la frecuencia de red de distribucion.
Diversos aspectos y realizaciones de la presente invencion se definen mediante las reivindicaciones adjuntas.
Diversas caractensticas, aspectos y ventajas de la presente invencion se entenderan mejor cuando la siguiente descripcion detallada se lea en referencia a los dibujos adjuntos en los que los caracteres similares representan partes similares a traves de los dibujos, en los que:
la FIG. 1 es un diagrama de bloques de un sistema de almacenamiento de energfa de acuerdo con una realizacion desvelada en el presente documento.
La FIG. 2 es un diagrama de bloques de un sistema de almacenamiento de energfa de acuerdo con otra realizacion desvelada en el presente documento.
La FIG. 3 es un diagrama de bloques de un sistema de almacenamiento de energfa de acuerdo con otra realizacion desvelada en el presente documento.
La FIG. 4 es un diagrama de bloques de un sistema electrico flexible de frecuencia de acuerdo con una realizacion desvelada en el presente documento.
La FIG. 5 es un diagrama de bloques de otro sistema electrico flexible de frecuencia de acuerdo con otra realizacion desvelada en el presente documento.
En determinadas realizaciones descritas en el presente documento, se anade un almacenamiento de energfa de uso dual a las fuentes de energfa, particularmente fuentes de energfa renovables tal como aerogeneradores 30 (mostrado en la FIG. 1), para un rendimiento y captura de energfa mejorados. Los aerogeneradores ya incluyen normalmente equipo de suministro de potencia ininterrumpida (UPS) con almacenamiento de energfa para cargas de bus cnticas. Las realizaciones desveladas en el presente documento usan almacenamiento para soportar las cargas de bus cnticas y otras cargas auxiliares, asf como proporcionar soporte de potencia para un sistema de conversion de potencia que suministra potencia desde la fuente de energfa a un circuito electrico o red de distribucion. Tal como se usa en el presente documento, “uno”, “una”, y otras formas del singular pretender abarcar uno o mas elementos a menos que se
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indique claramente lo contrario.
La FIG. 1, por ejemplo, es un diagrama de bloques de un sistema 10 de almacenamiento de ene^a que comprende: un sistema 12 de suministro de potencia ininterrumpida (UPS) que comprende un dispositivo 14 de almacenamiento de energfa acoplado entre una fuente 16 de energfa y una carga 18 auxiliar de fuente 16 de energfa; y un sistema 20 de control configurado para generar ordenes 22 para controlar un estado de carga del dispositivo 14 de almacenamiento de energfa, proporcionar potencia desde el dispositivo 14 de almacenamiento de energfa a la carga 18 auxiliar y usar potencia desde el dispositivo 14 de almacenamiento de energfa para controlar la tension del enlace 24 CC, el par de torsion de fuente de energfa, el flujo de potencia del lado de la red de distribucion 26, o combinaciones de los mismos. La carga 18 auxiliar comprende normalmente al menos una carga que es necesaria para soportar el funcionamiento de la fuente de energfa. Varios ejemplos de tales cargas en una realizacion de aerogenerador incluyen accionamientos de guinada, bombas, reguladores de temperatura y motores 56 de control de cabeceo (FIG. 4). Otros ejemplos incluyen equipo de monitorizacion y diagnostico y equipo de iluminacion (no se muestra).
La FIG. 1 ilustra adicionalmente un dispositivo 14 de almacenamiento de energfa acoplado entre un sistema 28 de conversion de potencia de la fuente 16 de energfa y la carga 18 auxiliar. “Entre” tal como se usa en este contexto pretende cubrir que el acoplamiento del dispositivo 14 de almacenamiento de energfa es con la carga 18 auxiliar en un extremo y con el sistema 28 de conversion de potencia en el otro extremo. El acoplamiento con el sistema 28 de conversion de potencia puede estar en el extremo del sistema 28 de conversion de potencia o en el enlace 24 CC del sistema 28 de conversion de potencia. En la realizacion de la FIG 1, por ejemplo, el generador 32 acopla el aerogenerador 30 al sistema 28 de conversion de potencia, y el dispositivo 14 de almacenamiento de energfa se acopla entre el enlace 24 CC del sistema 28 de conversion de potencia y la carga 18 auxiliar. En una realizacion mas espedfica, el sistema 12 UPS comprende un conversor 36 bidireccional acoplado al sistema 28 de conversion de potencia y un inversor 38 UPS acoplado a la carga auxiliar, y el dispositivo 14 de almacenamiento de energfa se acopla entre el conversor bidireccional y el inversor UPS.
El dispositivo 14 de almacenamiento de energfa puede comprender cualquier dispositivo de almacenamiento deseado dependiendo su capacidad de almacenamiento de requisitos del sistema. Varios ejemplos incluyen un ultracondensador, una batena electroqmmica, una celula de combustible y un circuito compensador. Adicionalmente, pueden usarse combinaciones de tales dispositivos. El control del estado de carga se realiza para intentar evitar una circunstancia en la que el dispositivo de almacenamiento de energfa se carga completamente por lo que no existe mas capacidad disponible para absorber energfa y evitar la circunstancia inversa de no tener suficiente carga para cumplir los requisitos del sistema. Los objetivos del estado de carga variaran con la aplicacion y condiciones de funcionamiento de la fuente 16 de energfa.
La FIG. 2 es un diagrama de bloques de un sistema 110 de almacenamiento de energfa de acuerdo con otra realizacion en la que el dispositivo 14 de almacenamiento de energfa se acopla a conexiones 34 CA entre el generador 32 y el sistema 28 de conversion de potencia. En esta realizacion, un conversor 37 CA a CC se usa para convertir la potencia CA en una tension CC constante para el uso mediante las cargas auxiliares de fuente de energfa.
La FIG. 3 es un diagrama de bloques de un sistema 210 de almacenamiento de energfa de acuerdo con otra realizacion en la que la fuente 16 de energfa comprende una pluralidad de aerogeneradores 30, 130. Una unidad 114 de almacenamiento puede acoplarse a multiples aerogeneradores, tal como se muestra en la FIG. 3. Adicionalmente, multiples unidades de almacenamiento pueden acoplarse a uno o mas aerogeneradores tal como se muestra en las FIGS. 1 y 2. El sistema 20 de control, cuando proporciona ordenes para suministrar potencia, puede programarse basandose en prioridades de los requisitos de la carga 18, 118 auxiliar y los requisitos de soporte del sistema 28, 128 de conversion de potencia. Este equilibrio de prioridades puede volverse mas desafiante a medida que se incrementa el numero de fuentes de energfa acopladas a un unico dispositivo de almacenamiento de energfa o un banco de dispositivos de almacenamiento de energfa.
Las anteriores realizaciones se han descrito en referencia a un sistema, pero tambien son aplicables a procedimientos de control. Por ejemplo, en una realizacion relacionada con lo mostrado en la FIG. 1, un procedimiento comprende: generar ordenes 22 para controlar un estado de carga y un dispositivo 14 de almacenamiento de energfa acoplado entre una fuente 16 de energfa y una carga 18 auxiliar; proporcionar potencia desde el dispositivo de almacenamiento de energfa a la carga auxiliar; y usar la potencia desde el dispositivo de almacenamiento de energfa para controlar la tension de un enlace 24 CC, el par de torsion de fuente de energfa, el flujo de potencia del lado de la red de distribucion 26 o combinaciones de los mismos.
Al usar realizaciones seleccionadas desveladas en el presente documento para almacenamiento y control de energfa, los requisitos de utilidad pueden abordarse mas eficazmente. Con respecto a los parques eolicos, si se usa una cantidad suficiente de almacenamiento de energfa, entonces los parques podran mitigar la intermitencia eolica tanto para el funcionamiento conectado a red de distribucion como para el aislado.
Como un ejemplo de control de flujo de potencia del lado de red de distribucion, los lfmites de tasa de rampa de potencia se mantienen normalmente mediante el cabeceo de las palas del aerogenerador a medida que la velocidad eolica y la potencia se incrementan (en otras palabras, mediante restricciones). Siempre y cuando el estado de carga del dispositivo de almacenamiento de energfa este por debajo del lfmite superior, el dispositivo de almacenamiento de
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ene^a puede en su lugar usarse para absorber algo del exceso de energfa. En comparacion, cuando la velocidad del viento y la salida de potencia desde el aerogenerador disminuyen sin almacenamiento de ene^a, no existe una manera eficaz de controlar la cafda de potencia de la red de distribucion. Si el almacenamiento se dimensiona correctamente, este puede usarse para controlar la rampa de cafda ademas de proporcionar el suministro UPS.
Como otro ejemplo, con respecto al control del par de torsion del generador, cuando ocurre una falla en la red de distribucion de manera que un aerogenerador no puede enviar potencia a la red de distribucion, el par de torsion de rotura (aplicado al generador mediante el sistema 28 de conversion de potencia) pasa a traves de una rapida transicion desde un valor nominal hasta un valor casi cero si no se encuentra ninguna mitigacion en su lugar. El cambio repentino en el par de torsion tiene efectos adversos en la caja de cambios (tal como la caja 31 de cambios de la FIG.4) y en el arbol. Si el par de torsion se reduce repentinamente, el arbol pasara a traves de un estado transitorio torsional que impacta negativamente en la vida de la caja de cambios y provocara que el arbol se acelere. La mitigacion convencional de tales estados transitorios implica anadir un resistor de rotura en el conversor del lado de la red de distribucion para que la potencia se desvfe temporalmente al resistor para ayudar temporalmente a mantener el par de torsion. Al usar un almacenamiento de energfa se podna eliminar el resistor, y esto podna ser beneficioso para capturar en su lugar la energfa a traves del dispositivo de almacenamiento de energfa y permitir el paso a traves de baja tension.
En un ejemplo relacionado con el control de la tension del enlace CC, unos problemas de estabilidad pueden abordarse en aplicaciones de red de distribucion debil. Durante la interaccion de alta velocidad entre los bucles de control de una fuente de energfa y una red de distribucion de potencia, ocurren problemas de estabilidad si los bucles de control interaction con un circuito electrico debil de la red de distribucion. En estas circunstancias, la tension de enlace CC puede oscilar. Al proporcionar energfa desde el dispositivo de almacenamiento de energfa de una manera que tiene como resultado un enlace CC firme, la composicion se reduce.
El control de frecuencia de potencia es otra preocupacion de las utilidades. A medida que cambia la frecuencia de la red de distribucion, una respuesta convencional es hacer cabecear las palas para ignorar el viento temporalmente y disminuir la salida del aerogenerador. Tener capacidad de almacenamiento de energfa puede reducir la necesidad de hacer cabecear rapidamente las palas.
Otra caractenstica de interes para las utilidades es la respuesta de inercia. Los generadores sincronicos convencionales responden naturalmente a problemas de frecuencia debido a la inercia de rotacion de tales generadores. Algunos operadores de utilidad requieren que los aerogeneradores respondan de manera similar a perturbaciones de frecuencia. Espedficamente, un incremento de potencia de corta duracion (por ejemplo, cinco por ciento de potencia clasificada) puede ser necesario para cafdas de frecuencia por debajo de un umbral. Una tecnica para abordar estos problemas que no requiere el uso de almacenamiento de energfa se describe en la solicitud normalmente asignada N.° 12/023368, presentada el 31 de enero de 2008, que se incorpora en el presente documento mediante referencia y que describe un conformador de potencia configurado para proporcionar una senal de ajuste de generacion de potencia transitoria. Los conceptos de almacenamiento de energfa desvelados en la presente solicitud pueden ser utiles para proporcionar flexibilidad al generar y suministrar potencia para tales senales de ajuste.
Las realizaciones desveladas en el presente documento pueden ser adicionalmente beneficiosas para fluctuaciones de potencia y parpadeos debido a turbulencias del viento mediante el uso del dispositivo de almacenamiento de energfa para calmar la potencia absorbiendo las turbulencias del viento en el almacenamiento de energfa y suministrando energfa cuando sea necesario para proporcionar mas potencia constante.
La FIG. 4 es un diagrama de bloques de un sistema 310 electrico flexible de frecuencia de red de distribucion de acuerdo con una realizacion desvelada en el presente documento que puede usare en combinacion con las realizaciones antes desveladas o como una realizacion separada. En esta realizacion, el conjunto 29 de aerogenerador comprende: una pluralidad de cargas 48, 50, 52, 56 de aerogenerador auxiliar; un sistema 41 de conversion de potencia; y un sistema 58 de control configurado para generar ordenes 60 para conmutar elementos de un conversor 44 de carga auxiliar para proporcionar potencia compatible con frecuencia a las cargas auxiliares. En una realizacion, la potencia que tiene una frecuencia y una tension sustancialmente constantes se proporciona a un bus 46 auxiliar comun. Al menos algunas de las cargas de aerogenerador auxiliar se acoplan al bus auxiliar comun. En el ejemplo de la FIG. 4, algunas de las cargas de aerogenerador auxiliar (tal como, por ejemplo, el accionamiento 48 de guinada, las bombas 50, los reguladores 52 de temperatura y el sistema 54 de cabeceo) se acoplan directamente al bus auxiliar comun.
La realizacion de la FIG. 4 ilustra adicionalmente un conversor 44 de carga auxiliar acoplado entre el bus 46 auxiliar comun y un enlace 62 CC de los conversores 40 y 42 del sistema 41 de conversion de potencia. La conexion al enlace CC puede usarse para proporcionar un almacenamiento de energfa a corto plazo. La fIg. 5 ilustra una realizacion 410 alternativa en la que el conversor 64 de carga auxiliar se acopla a un enlace 66 de red de distribucion CA del sistema de conversion de potencia.
Las realizaciones de la FIG. 4 y la FIG. 5 son utiles para permitir un diseno global de aerogenerador que sea adaptable para proporcionar una potencia de gran calidad para equipo sensible al control y que no requiera partes de carga auxiliar para diferentes frecuencias de red de distribucion y, de esta manera, que sean utiles para proporcionar
econoirnas de escala, ahorros de ingeniena no recurrentes, gestion de partes de repuesto, procedimientos de servicio simplificados y despliegue global rapido. De una manera similar tal como se ha analizado antes, la fuente de energfa puede comprender uno o mas aerogeneradores 30. Adicionalmente, una o mas unidades de almacenamiento de energfa del tipo antes analizado tambien pueden incorporarse (tal como, por ejemplo, haciendo que el inversor 38 UPS 5 de la FIG. 1 conmute de la manera analizada con respecto al conversor 44 de carga auxiliar de la FIG. 4).

Claims (9)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un sistema (10) de almacenamiento de energfa caracterizado por:
    un sistema (12) de suministro de potencia ininterrumpida (UPS) que comprende un dispositivo (14) de almacenamiento de energfa acoplado entre una fuente (16) de energfa y una carga (18) auxiliar de la fuente (14) de energfa,
    un conversor (36) bidireccional acoplado por un enlace (24) CC de fuente de un sistema de conversion de potencia de la fuente de energfa y un inversor (38) UPS acoplado a la carga (18) auxiliar, y en el que el dispositivo (14) de almacenamiento de energfa se acopla entre el conversor (36) bidireccional y el inversor (38) UPS; y
    un sistema (20) de control configurado para generar ordenes (22) para controlar un estado de carga del dispositivo (14) de almacenamiento de energfa, proporcionar potencia desde el dispositivo (14) de almacenamiento de energfa a la carga (18) auxiliar y usar la potencia del dispositivo (14) de almacenamiento de energfa para controlar la tension de un enlace CC, el par de torsion de fuente de energfa, el flujo de potencia del lado de la red de distribucion (26) o combinaciones de los mismos.
  2. 2. El sistema (10) de almacenamiento de energfa de la reivindicacion 1, en el que el sistema (20) de control se configura ademas para generar ordenes para proporcionar energfa desde la fuente (16) de energfa al dispositivo (14) de almacenamiento de energfa tras la aparicion de un exceso de potencia suministrado a la fuente (16) de energfa.
  3. 3. El sistema (10) de almacenamiento de energfa de cualquier reivindicacion anterior, en el que el dispositivo (14) de almacenamiento de energfa se acopla entre un sistema (28) de conversion de potencia de la fuente (16) de energfa y la carga (18) auxiliar.
  4. 4. El sistema (10) de almacenamiento de energfa de cualquier reivindicacion anterior, en el que la fuente (16) de energfa comprende un aerogenerador (30).
  5. 5. El sistema (10) de almacenamiento de energfa de cualquier reivindicacion anterior, en el que la carga comprende una pluralidad de cargas (18) auxiliares de la fuente (16) de energfa, y en el que el controlador (20) se configura ademas para conmutar elementos del sistema (12) UPS para proporcionar potencia compatible con frecuencia en las cargas (18) auxiliares.
  6. 6. Un procedimiento que comprende:
    generar ordenes (22) para controlar un estado de carga del dispositivo (14) de almacenamiento de energfa, proporcionado en el sistema (10) de almacenamiento de energfa tal como se define en cualquier reivindicacion anterior, acoplado entre la fuente (16) de energfa y la carga (18) auxiliar de la fuente de energfa;
    proporcionar potencia desde el dispositivo (14) de almacenamiento de energfa a la carga (18) auxiliar; y
    usar potencia desde el dispositivo (14) de almacenamiento de energfa para controlar la tension de un enlace CC, el par de torsion de fuente de energfa, el flujo de potencia del lado de la red de distribucion (26) o combinaciones de los mismos.
  7. 7. El procedimiento de la reivindicacion 6 en el que la fuente (16) de energfa comprende un aerogenerador (30), y en el que usar la potencia comprende adicionalmente abordar al menos un requisito de utilidad del grupo que consiste en lfmites de tasa de rampa de potencia, paso a traves de baja tension, control de frecuencia de potencia, respuesta de inercia, suavizado de potencia y restricciones.
  8. 8. Un conjunto (310) de aerogenerador que comprende:
    una pluralidad de cargas (48, 50, 52) de aerogenerador auxiliares; un conversor (44, 64) de carga auxiliar;
    un sistema (58) de control configurado para conmutar elementos del conversor de carga auxiliar para proporcionar potencia compatible con frecuencia en las cargas auxiliares; y
    un sistema (10) de almacenamiento de energfa tal como se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.
  9. 9. El conjunto de aerogenerador de la reivindicacion 8, en el que el conjunto (30) de aerogenerador comprende un sistema (41) de conversion de potencia, y en el que el conversor (44, 64) de carga auxiliar comprende un conversor CC a CA acoplado al enlace CC del sistema (41) de conversion de potencia.
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