ES2711005A1 - Método para el control distribuido de la frecuencia en un parque eólico offshore - Google Patents
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Abstract
Método para el control distribuido de la frecuencia en un parque eólico, donde el parque comprende unos aerogeneradores (11) conectados a una línea (24) conectada a una barra colectora (3), donde la barra (3) está conectada por un transformador (6) con una estación rectificadora AC/DC de diodos (7) conectada con un enlace (8) DC que evacúa mediante una estación inversora (9) la energía generada por el parque eólico (1) a la red eléctrica (10). Cada aerogenerador (11) incluye un convertidor (110) interno que comprende un inversor (113) y un condensador (C) conectado entre la salida de dicho inversor (113) y un transformador (23) elevador de salida del aerogenerador (11). El método comprende igualar las frecuencias generadas por cada aerogenerador (11) controlando la componente cuadratura de la corriente (ikq) a la salida del inversor (113), realizándose dicho control actuando sobre las tensiones internas del inversor(113).
Description
DESCRIPCION
Método para el control distribuido de la frecuencia en un parque eolico offshore
OBJETO DE LA INVENCION
La presente invention pertenece al campo de la transmision de ene^a electrica generada por una pluralidad de aerogeneradores a traves de un enlace de corriente continua HVDC cuando el enlace HVDC comprende una estacion rectificadora de diodos.
El objeto de la presente invencion es un metodo de operation para evacuar la potencia activa aportada por la pluralidad de aerogeneradores de un parque eolico conectados a un enlace HVDC que comprende una estacion rectificadora de diodos. Concretamente, el sistema permite sincronizar la pluralidad de aerogeneradores y controlar de forma distribuida la frecuencia en la red de corriente alterna del parque eolico, utilizando para ello la medida de la potencia reactiva generada por cada aerogenerador. Ademas, de esta manera la reactiva del sistema electrico se distribuye en partes iguales entre todos los aerogeneradores que componen el parque eolico.
ANTECENDENTES DE LA INVENCION
Actualmente la tecnologia mas viable para interconectar los parques eolicos ubicados en alta mar con la costa, para distancias largas (>100Km), son los sistemas de transmision de alta tension en corriente continua HVDC (High Voltage Direct Current). Esta tecnologia consiste fundamentalmente en transmitir la energia electrica generada por las turbinas eolicas a traves de un enlace de continua de alta tension desde el parque eolico offshore hasta la red electrica ubicada en tierra firme. Para ello, se utiliza al menos una estacion rectificadora AC/DC en el lado del parque eolico y una estacion inversora DC/AC en el lado de tierra firme entre las cuales se extiende un enlace de continua.
La tecnologia HVDC presenta diferentes ventajas con relation a la tecnologia HVAC (High Voltage Alternating Current), entre las que pueden mencionarse las siguientes:
a) Las perdidas electricas y las caidas de tension en el enlace HVDC son muy inferiores a las que se producen en un enlace HVAC.
b) Al no existir corrientes capacitivas en el cable en un enlace HVDC, la capacidad de transmision del enlace aumenta significativamente con respecto a un enlace HVAC.
c) Las redes de corriente alterna del parque eolico y de tierra firme estan separadas por el enlace HVDC, lo que implica una operation asmcrona de ambas
d) Los enlaces HVDC permiten una controlabilidad de potencia superior a los enlaces HVAC.
Dentro de las estaciones rectificadoras AC/DC o inversoras DC/AC de los enlaces HVDC caben destacar dos tecnologias: HVDC-LCC (Line Commuted Converter), basada en interruptores electronicos conmutados por red (tiristores o diodos) y HVDC-VSC (Voltage Source Converter), basada en interruptores electronicos autoconmutados (IGBT o IGCT) dispuestos de forma modular en convertidores multinivel. Mas concretamente, dentro de la tecnologia HVDC-LCC las estaciones rectificadoras AC/DC de diodos son, por su sencillez y fiabilidad, la option mas adecuada para la interconexion de parques eolicos marinos a enlaces HVDC. Sin embargo, en este caso para que la estacion rectificadora AC/DC funcione correctamente es necesario que la red de corriente alterna del parque eolico sea capaz de mantener la tension y la frecuencia controlada.
El mantenimiento de la tension y la frecuencia en la red de corriente alterna del parque eolico se puede realizar mediante una solucion centralizada instalando en la barra de entrada de la estacion rectificadora AC/DC un banco de condensadores y un convertidor electronico controlado en corriente cuya finalidad sea controlar la frecuencia de la tension en este punto cerrando instantaneamente el balance de potencia reactiva. Esta solution se describe en la solicitud de patente P201530410 titulada “Metodo y sistema para el control de tension y frecuencia en una red aislada”, desarrollada por algunos inventores de la presente solicitud.
La Fig. 1, que describe una configuration particular de la solucion descrita en el documento P201530410, representa una instalacion para evacuar la potencia generada por un parque eolico (1) que comprende una pluralidad de aerogeneradores (11) conectados, a traves de diversas lmeas electricas (24), a una barra colectora (3)
de corriente alterna trifasica. Esta barra colectora (3) esta a su vez conectada a un transformador elevador (6) del parque eolico (1) que alimenta al enlace HVDC (40). El enlace HVDC (40) comprende una estacion rectificadora AC/DC (7) formada por uno o mas puentes de diodos cuyos terminales DC se conectan a un enlace DC (8). A su vez, el enlace DC (8) esta conectado a una estacion inversora DC/AC (9) que evacua la potencia generada a una red electrica (10) de corriente alterna situada en tierra firme. La barra colectora (3) de la red de corriente alterna del parque eolico (1) esta ademas conectada a un elemento adicional que permite efectuar el control de la frecuencia, concretamente un banco de condensadores (5). La solucion del documento P201530410 permite controlar frecuencia en la barra colectora (3) actuando sobre la componente en cuadratura de la corriente inyectada en dicha barra (3) colectora por los aerogeneradores (11) del parque eolico (1). En cuanto a la tension, en el documento P201530410 se comprueba que no es necesaria su regulacion debido al funcionamiento intrinseco de la estacion rectificadora AC/DC (7) y del enlace DC (8).
Si bien esta solucion centralizada resuelve el problema de mantener controlada la tension y la frecuencia en la red interna de corriente alterna del parque eolico, tiene como inconveniente la necesidad de conectar en la barra (3) de entrada del rectificador de diodos un banco de condensadores (5). La disposition de un banco de condensadores (5) de este tipo puede constituir un inconveniente, particularmente en estaciones offshore donde el peso y el espacio disponible estan muy limitados.
Una alternativa a esta propuesta es utilizar una solucion distribuida donde los propios convertidores electronicos de potencia de los aerogeneradores garanticen el control de la frecuencia en la red interna del parque.
En efecto, como se ha representado en la Fig. 1, un aerogenerador (11) normalmente comprende una turbina eolica que mueve un generador (12) conectado a un convertidor electronico de potencia (110) interno que, a su vez, esta conectado a un transformador (23) elevador de salida del aerogenerador (11). El convertidor electronico de potencia (11) incluye: un convertidor electronico rectificador (111) interno; un banco de condensadores (112) interno conectado a un bus de continua de salida de dicho convertidor rectificador (111) interno; un convertidor electronico inversor (113) interno cuya entrada esta conectada al bus de continua mencionado; y un filtro LC (114) interno, formado por un asociacion serie-paralelo de una reactancia (L) y un condensador (C), para la conexion del convertidor electronico inversor (113) a una red (15) alterna de baja tension del aerogenerador (11). En la operation normal, el
convertidor electronico rectificador (111) interno controla el par del generador (12) y por tanto la velocidad de giro de la turbina eolica, permitiendo el funcionamiento a velocidad variable. Con ello, la potencia generada por el generador (12) es transferida por el convertidor electronico rectificador (111) interno al bus de continua interno del aerogenerador (11). Por otro lado, el convertidor electronico inversor (113) interno controla la tension de dicho bus de continua interno del aerogenerador (11). De esta manera se consigue que la potencia vertida por el convertidor electronico rectificador (111) interno al bus de continua se transfiera instantaneamente mediante el convertidor electronico inversor (113) interno a la red (15) alterna de baja tension del aerogenerador (11). Ademas, este convertidor electronico inversor (113) interno permite controlar la potencia reactiva inyectada a la red (15) alterna de baja tension de manera totalmente desacoplada de la potencia activa que se inyecta por el metodo anterior.
En consecuencia, se determina que deberia ser posible actuar sobre este convertidor electronico inversor (113) interno para controlar la frecuencia de la red de corriente alterna del parque eolico. De esta forma, se evitaria afectar al control de potencia activa convencional del aerogenerador (11).
Por lo tanto, una solucion de control distribuido seria posible siempre y cuando se cumplan los siguientes requisitos:
a) El metodo de control empleado no debe afectar a la production de potencia activa del aerogenerador, evitando vertidos de energia.
b) El control distribuido empleado debe garantizar la operation smcrona de los aerogeneradores.
c) Los aerogeneradores deben operar dentro de su curva de limites de funcionamiento.
En el pasado se han propuesto soluciones distribuidas (Blasco-Gimenez, R., Ano-Villalba, S., Rodriguez-D'Derlee, J., Morant, F., & Bernal-Perez, S. (2010), “Distributed voltage and frequency control of offshore wind farms connected with a diode-based HVdc link”, IEEE Transactions on Power Electronics, 25(12), 3095-3105) basadas en actuar sobre el nivel de tension en la barra de entrada del rectificador de diodos para controlar el flujo de potencia activa en el enlace HVDC. Para efectuar este control en
este trabajo se propone medir la tension en la barra AC del rectificador de diodos y utilizar un PLL (Phase Lock Loop), para obtener la referencia angular que precisan los convertidores para su control. El convertidor inversor del aerogenerador contribuye al control de tension en la barra del rectificador de diodos actuando sobre la potencia activa generada por el aerogenerador. De esta forma, es el aerogenerador el que debe adaptarse a la potencia demanda por el convertidor electronico rectificador interno, lo que implica que el aerogenerador no opere en su punto de maxima potencia y se produzcan vertidos de energia no deseados. El control de frecuencia propuesto es un control indirecto donde se calcula la corriente reactiva instantanea que debe proporcionar cada aerogenerador - en un sistema de referencia medido en la barra de entrada AC de la estacion rectificadora AC/DC del enlace HVDC - en funcion del desvio de frecuencia y de medidas de numerosas magnitudes a lo largo del parque eolico. Este sistema de referencia esta sujeto a perturbaciones, lo cual hace que este control de frecuencia propuesto sea muy poco robusto.
Ademas, el envio por comunicaciones a todos los aerogeneradores de un angulo del sistema de referencia comun, y calculado mediante un PLL en la barra de entrada del rectificador, hace que la aplicacion industrial de esta propuesta sea imposible de implementar en la practica, pues no existe un sistema de comunicacion capaz de enviar a todos los aerogeneradores del parque eolico la posicion angular del vector de tension, que gira a 50 Hz, con la latencia necesaria. Por ejemplo, con una latencia en las comunicaciones de 5 ms el error angular seria de 90°. Y aun mas, un fallo en las comunicaciones implicaria la parada del parque eolico.
Otro trabajo mas reciente (Prignitz, C., Eckel, H. G., Achenbach, S., Augsburger, F., & Schon, A. (2016, June). FixReF, “A control strategy for offshore wind farms with different wind turbine types and diode rectifier HVDC transmission”, Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG), 2016 IEEE 7th International Symposium on (pp. 1-7), IEEE) propone utilizar tambien una referencia angular comun para todos los aerogeneradores, pero en este caso utilizando una senal GPS (Global Positioning System). El sistema de control se basa en inyectar una corriente orientada a este sistema de referencia global, de tal forma que la potencia activa entregada por el convertidor electronico inversor interno sea la misma que la generada por la turbina eolica. De esta forma no se producen vertidos de energia y la turbina eolica opera de forma convencional intentando extraer la maxima energia del recurso eolico disponible. En este control los angulos de las tensiones en cada nudo de los aerogeneradores quedan libres, ya que son una consecuencia de la corriente
inyectada. El nivel de tension, no obstante, esta acotado por el convertidor electronico rectificador interno, pero su angulo puede variar significativamente implicando intercambios de potencia reactiva que pueden exceder los limites de funcionamiento del convertidor electronico inversor interno. Para evitar esto los autores de este trabajo proponen un control proporcional donde la componente reactiva de la corriente inyectada por cada convertidor electronico rectificador interno se calcula en funcion de la componente q de la tension en cada nudo. De esta forma se acota el intercambio de potencia reactiva intercambiada por los aerogeneradores, aunque la solucion no sea optima.
Esta solucion, a diferencia de la anterior, evita actuar sobre el canal de potencia del aerogenerador pero presenta el inconveniente de usar una referencia angular comun impuesta por comunicacion satelital. En caso de algun fallo en el sistema de recepcion de la senal GPS el parque eolico dejaria de funcionar.
Por esta razon se hace necesario desarrollar un metodo y un sistema de control distribuido capaz de mantener la frecuencia en la red de corriente alterna de un parque eolico conectado a un enlace HVDC mediante un rectificador de diodos que cumpla los siguientes requisitos:
a) Que no dependa de los sistemas de comunicacion.
b) Que evite actuar sobre el canal de control de potencia activa de los aerogeneradores.
c) Que permita sincronizar de forma estable los convertidores de cada aerogenerador.
d) Que mantenga el intercambio de potencia reactiva en valores optimos y dentro de los limites de funcionamiento de cada aerogenerador.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
La presente invention resuelve los problemas descritos gracias al control distribuido de la frecuencia en la red de corriente alterna de un parque eolico conectado a un enlace HVDC mediante una estacion rectificadora de diodos.
La invention propuesta hace uso de una tecnica similar a la descrita en la solicitud P201530410 titulada “Metodo y sistema para el control de tension y frecuencia en una red aislada” desarrollada por algunos de los inventores de la presente solicitud. La solicitud P201530410, cuyo contenido se ha descrito brevemente con anterioridad en este documento, explica como es posible controlar la frecuencia en un condensador si se mantiene nula la componente en cuadratura del vector de tension en el condensador en un sistema de referencia smcrono que gira a la velocidad prestablecida (p. ej 50 Hz). Esto se consigue actuando sobre la componente en cuadratura de la corriente inyectada en la red aislada. Cuando se aplica esta estrategia de control, la frecuencia en el condensador se mantiene constante si la potencia reactiva del condensador se mantiene constante. Ademas, el angulo de referencia del sistema smcrono se obtiene integrando una senal de referencia de velocidad de giro constante. Por otra parte, con relation a la tension, la solicitud P201530410 describe como el modulo de la tension del banco de condensadores depende del balance de potencia activa y permanece acotado cuando se conecta a un enlace HVDC mediante una estacion rectificadora de diodos.
La presente invencion permite el control distribuido de la frecuencia del parque eolico gracias a una pluralidad de condensadores conectados a la salida del convertidor electronico inversor interno de cada aerogenerador. Se trata de los condensadores pertenecientes al filtro LC presente a la salida de cada uno de dichos convertidores electronicos inversores internos de los aerogeneradores. En la solution que se propone en este documento, dichos condensadores ejercen las funciones que, en la solicitud P201530410, ejerce el unico banco de condensadores conectado a la barra de entrada de la estacion rectificadora AC/DC del enlace HVDC. Es decir, en cada uno de los convertidores electronicos inversores internos de cada aerogenerador se establece el mismo esquema de control que en el sistema centralizado descrito en la solicitud P201530410, con la salvedad de que la velocidad de referencia de cada sistema smcrono depende en este caso de la medida de la potencia reactiva en la barra de salida del convertidor electronico de potencia interno de cada aerogenerador.
En este contexto, notese que los mencionados condensadores forman parte del filtro LC dispuesto a la salida del convertidor electronico inversor interno integrado en el convertidor electronico de potencia interno de los aerogeneradores. Mas concretamente, como se describio con anterioridad en este documento, el convertidor electronico de potencia interno de un aerogenerador comprende: un convertidor electronico rectificador interno; un bus de continua conectado a un banco de
condensadores conectado a la salida del convertidor electronico rectificador interno; un convertidor electronico inversor interno cuya entrada esta conectada al bus de continua; y un filtro LC, que comprende una inductancia y un condensador, conectado entre la salida del convertidor electronico inversor interno y un transformador de salida del aerogenerador.
Por tanto, la presente invention esta dirigida a un metodo para el control distribuido de la frecuencia en un parque eolico offshore. El parque eolico comprende una pluralidad de aerogeneradores conectados en serie a al menos una lmea conectada a una barra colectora. A su vez, la barra colectora esta conectada a traves de un transformador con un enlace de corriente continua a alta tension. El enlace de corriente continua a alta tension comprende una estacion rectificadora AC/DC de diodos conectada con un enlace DC que evacua a traves de una estacion inversora la energia generada por el parque eolico a la red electrica. Ademas, como se ha mencionado con anterioridad, es conocido que cada aerogenerador del parque eolico presenta un convertidor electronico de potencia interno que comprende al menos un convertidor electronico inversor interno y un condensador conectado en un punto entre la salida de dicho convertidor electronico inversor interno y un transformador de salida del aerogenerador.
Pues bien, el metodo de la presente invencion se caracteriza por que ademas comprende el paso de igualar las frecuencias generadas por cada aerogenerador mediante el control de la componente en cuadratura de la corriente a la salida del convertidor electronico inversor interno del aerogenerador. Para controlar la componente en cuadratura de la corriente a la salida del convertidor electronico inversor interno, se actua sobre las tensiones internas del convertidor electronico inversor interno. Esto se puede conseguir de forma convencional actuando sobre dicho convertidor electronico inversor interno para regular la corriente reactiva de forma desacoplada de la corriente activa.
Esta configuration presenta la ventaja de que se sustituye el unico condensador de gran tamano utilizado en el documento P201530410 por una pluralidad de condensadores mas pequenos ubicados a la salida del convertidor electronico inversor interno de cada aerogenerador. Es importante tener en cuenta, ademas, que los condensadores ubicados a la salida de los convertidores electronicos inversores internos de los aerogeneradores no son unos elementos anadidos a la configuracion del sistema, sino que son elementos existentes en los convertidores electronicos de
potencia internos de los aerogeneradores. Como se ha comentado con anterioridad, son los condensadores del filtro LC de conexion a red de los convertidores electronicos inversores internos de los aerogeneradores. Por tanto, este metodo de control distribuido no requiere la disposition offshore de nuevos elementos cuyo peso y volumen podrian constituir un inconveniente.
Tomando como referencia la Fig. 3, el principio de control consiste en orientar el vector de tension a un eje de referencia smcrono para obtener un sistema trifasico de tensiones de la frecuencia deseada, por ejemplo 50 Hz. Para ello, segun puede deducirse de la citada figura, es necesario que la componente de tension en el eje en cuadratura, Vkq, sea cero. Por otro lado, se demuestra que la regulation de la tension en cuadratura en un condensador puede realizarse mediante la inyeccion de la corriente en cuadratura, o en otras palabras, orientada la tension al eje de referencia, se puede controlar el angulo de la tension en el sistema de referencia smcrono mediante la inyeccion de corriente reactiva.
Este principio, que ya se empleaba en la solicitud P201530410, sobre el control centralizado de frecuencia, requiere una modification sustancial para emplearse en el control distribuido de frecuencia. Efectivamente, mediante el metodo anterior tendremos una pluralidad de aerogeneradores generando una tension de la frecuencia deseada. Pero el acoplamiento en paralelo de los citados aerogeneradores requiere, ademas, que se acoplen a la red con el angulo de tension necesario para establecer la inyeccion de potencia a la red. Por este motivo, al metodo anterior de frecuencia constante se le anade ahora una variation de frecuencia con el fin de mover el eje de referencia hasta alcanzar las diferencias angulares necesarias entre los aerogeneradores del parque eolico. Esta variacion de frecuencia se obtiene en el metodo aqu propuesto a partir del incremento de la potencia reactiva inyectada por el aerogenerador multiplicado por una ganancia. De esta forma, un incremento de la potencia del aerogenerador, como consecuencia de un incremento de la velocidad del viento, producira una variacion de la potencia reactiva demandada por la red, que a su vez afectara a la regulacion de frecuencia. El regulador de tension de eje transverso compensara esta variacion de frecuencia modificando la potencia reactiva inyectada por el aerogenerador.
Pero, ademas, es necesario cambiar el angulo de la tension respecto de la red como consecuencia del incremento de potencia. Para ello, se tomara el incremento de reactiva que ha sido necesario aplicar para compensar la variacion de frecuencia y se
obtendra una variation de la frecuencia hasta obtener el angulo de operation necesario. Esta operacion en el conjunto de aerogeneradores conlleva a una operacion smcrona de los mismos con el angulo de tension requerido.
Por otra parte, dado que en regimen permanente todos los aerogeneradores generan la misma frecuencia, en el esquema de control propuesto esto implica que todos suministran la misma potencia reactiva, con lo que se consigue un reparto equitativo entre todos los aerogeneradores de la potencia reactiva demanda por el sistema electrico del parque eolico. De esta manera, si el sistema esta bien dimensionado, se asegura que los aerogeneradores funcionen siempre dentro de los limites de operacion admisibles.
De acuerdo con una realization preferida de la invention, el valor objetivo de la componente en cuadratura de la corriente a la salida del convertidor electronico inversor interno que permite igualar las frecuencias generadas por cada aerogenerador se obtiene mediante los siguientes pasos:
- Medir la potencia reactiva en la barra de salida del convertidor electronico de potencia interno del aerogenerador y compararla con una potencia reactiva de referencia de valor constante.
- Multiplicar la diferencia de ambas potencias reactivas por un bloque proporcional para obtener un incremento de velocidad angular de referencia de la tension del aerogenerador.
- Sumar al incremento de velocidad angular de referencia obtenido una referencia de velocidad angular nominal para obtener una velocidad angular de referencia de la tension en la barra de salida del convertidor electronico de potencia interno del aerogenerador.
- Integrar la velocidad angular de referencia de la tension en la barra de salida del convertidor electronico de potencia interno del aerogenerador para obtener un angulo de referencia del sistema smcrono.
- Medir las tensiones instantaneas de fase en la barra de salida del convertidor electronico de potencia interno del aerogenerador y aplicar a las mismas la transformation de Park con el angulo de referencia para obtener las
componentes directa y en cuadratura del vector de tension.
- Comparar la componente en cuadratura de la tension con una tension de referencia de valor nulo.
- Introducir la diferencia o error entre la componente en cuadratura de la tension y la referencia de valor nulo en un regulador para determinar el valor objetivo de la componente en cuadratura de la corriente a la salida del convertidor electronico inversor interno del aerogenerador. El regulador puede en principio ser de diferentes tipos, aunque preferentemente se utiliza un regulador de tipo proporcional-integral.
- Finalmente, actuar sobre las tensiones internas del convertidor electronico inversor interno para ajustar la componente en cuadratura de la corriente a la salida de dicho convertidor electronico inversor interno del aerogenerador al valor objetivo determinado en el paso anterior.
- Todo lo anterior permite finalmente obtener la frecuencia deseada y el angulo requerido para la operation smcrona de los aerogeneradores.
Este procedimiento de control se lleva a cabo para cada uno de los aerogeneradores del parque eolico. En funcion de las fluctuaciones en la potencia activa aportada por cada aerogenerador, se produciran fluctuaciones de potencia reactiva y, por tanto, de frecuencia en las respectivas barras de salida de los aerogeneradores. Sin embargo, las frecuencias en las barras de salida de todos los aerogeneradores tenderan, en regimen permanente, a converger a una determinada frecuencia. Esta frecuencia de regimen permanente puede alejarse ligeramente de la frecuencia de referencia deseada, por ejemplo 50 Hz.
Por ello, una realization particularmente preferida de la invention comprende ademas ajustar las frecuencias de todos los aerogeneradores a una frecuencia constante de referencia deseada. Para ello, se calcula la potencia reactiva de referencia de todos los aerogeneradores mediante la integration del incremento de velocidad angular de referencia de un aerogenerador maestro.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
La Fig.1 muestra un sistema de control centralizado de tension y frecuencia de un parque eolico offshore de acuerdo con la tecnica anterior.
La Fig. 2 muestra un sistema de control distribuido de tension y frecuencia de un parque eolico offshore de acuerdo con la presente invention.
La Fig. 3 muestra el vector de tension a la salida de cada convertidor electronico inversor interno de cada aerogenerador en un sistema de referencia smcrono girando a la referencia angular dk.
La Fig.4 muestra el esquema de control a partir del cual se determina la referencia angular 6k midiendo la potencia reactiva Qk a la salida de cada convertidor electronico inversor interno de cada aerogenerador.
La Fig. 5 muestra el esquema de regulation secundaria que permite mantener la frecuencia del sistema en un valor constante e igual al de referencia (p.ej 50Hz).
REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION
Se describe a continuation un ejemplo particular de acuerdo con la presente invencion donde se aprecian los diferentes elementos que componen el sistema y los diferentes pasos del procedimiento de control propuesto.
La Fig. 2 muestra el esquema de un parque eolico (1) marino que comprende una pluralidad de aerogeneradores (11) que estan formados por una turbina eolica que mueve un generador (12) cuya potencia se evacua a traves de un convertidor electronico de potencia (110) interno y un transformador (23) elevador de salida del aerogenerador (11). El convertidor electronico de potencia (110) interno a su vez incluye: un convertidor electronico rectificador (111) interno conectado a un bus de corriente continua (112) que, a su vez, esta conectado a un convertidor electronico inversor (113) interno. Este convertidor electronico inversor (113) interno, que tiene conectado a su salida un filtro LC (114) formado por una inductancia (L) y un condensador (C), suministra energia electrica de corriente alterna (AC) trifasica a la barra de baja tension (15) interna del aerogenerador (11). El vector de tension (vk) en la barra (15), mostrado tambien en la Fig. 3, puede descomponerse en sus componentes directa (vkd) y cuadratura (vk?), expresadas en un sistema de referencia
smcrono que gira a la velocidad angular (wk) y con un angulo de giro (9k).
Como se ha comentado, la barra (15) a la salida del convertidor electronico de potencia (110) interno se acopla a la red de media tension del parque eolico (1) a traves de un transformador elevador (23) del aerogenerador (11). Asi, los aerogeneradores (11) se van conectando en paralelo mediante cables electricos (24) formando un alimentador de media tension hasta llegar a conectar con la barra (3) que, a traves de la estacion de transformation (6), conecta con una estacion rectificadora de diodos (7) del enlace HVDC (40). Habitualmente, un parque eolico (1) marino lo componen varios alimentadores de media tension como los descritos anteriormente. Un enlace DC (8) conecta la estacion rectificadora de diodos (7) con una estacion inversora (9), la cual finalmente vierte la energia generada por el parque eolico (1) a la red (10) electrica. Como se puede apreciar, en esta configuration no aparece el banco de condensadores (5) usado en la solution centralizada descrita en la solicitud P201530410.
En la Fig. 4 se muestra el esquema de control propuesto que se implementa individualmente en cada uno de los aerogeneradores (11) del parque eolico (1) marino. Inicialmente se mide la potencia reactiva (Qk) en la barra de salida (15) del convertidor electronico de potencia (110) interno del aerogenerador (11) y se compara con la potencia reactiva de referencia (Q0) de valor constante. La diferencia se ambas potencias reactivas se multiplica por el bloque proporcional (kdroop, 27) para obtener el incremento de velocidad angular (Awk) del sistema de referencia. A este incremento se le suma la referencia de velocidad angular nominal (w0) del sistema (por ejemplo, 2n50rad/s) y se obtiene la velocidad angular de referencia (wk) de cada aerogenerador (11), a partir de la cual se determina por integration (30) el angulo de referencia (0k) del sistema smcrono. A partir de este angulo, y midiendo las tensiones instantaneas de fase (vka, vkb, vkc) en la barra de salida (15) del convertidor electronico de potencia (110) interno del aerogenerador (11), se obtienen las componentes directa y cuadratura de la tension (vkd, vkq) mediante la transformacion de Park del bloque (32).
La componente directa de la tension (vkd) queda libre en el sistema de control distribuido, pues esta limitada por la tension en la barra (3) de la estacion rectificadora de diodos (7). Sin embargo, la tension (vkq) se compara con la referencia ( v ^ ) , que se toma con valor nulo para asegurar que el vector de tension v ) en la barra de
salida (15) este orientado con el eje d mostrado en la Fig.3. El error entre el valor medido de la componente en cuadratura de la tension (vfc?) en la barra (15) y su referencia es la entrada del regulador (33), cuya salida determina el valor objetivo de referencia de la componente en cuadratura de la corriente (i™J) a la salida del convertidor electronico inversor (113) interno.
Cuando se lleva a cabo el control distribuido propuesto en la presente invencion, se consigue la operacion smcrona de los aerogeneradores (11) a traves de la accion proporcional kdroop. El sistema alcanza un punto de equilibrio a una frecuencia diferente, pero proxima, a la de referencia (p.ej. 50 Hz). En este caso, el incremento de velocidad angular del sistema de referencia (Awfc) es igual para todos los aerogeneradores (11) y toma un valor diferente de cero. Por otro lado, si las constantes proporcionales kdroop son iguales, la potencia reactiva intercambiada por todos los aerogeneradores (11) tambien es la misma lo cual garantiza, si el sistema esta bien disenado, que no se sobrepasan los limites de funcionamiento de los aerogeneradores (11), pues los aerogeneradores (11) comparten de forma equitativa la demanda total de reactiva del sistema electrico del parque eolico (1).
Si ademas se desease restituir la frecuencia a su valor de referencia, es posible aplicar un sistema de control secundario a un aerogenerador (11) determinado, que actuara como aerogenerador "maestro”. En este aerogenerador (11) maestro, el incremento de velocidad angular (Awm) pasa por un bloque integrador (ksec, 36) y se calcula la potencia reactiva de referencia (Q0) que se transmite al resto de aerogeneradores (11). El hecho de utilizar una accion integral sobre el incremento de velocidad angular (Awfc) garantiza que en regimen permanente su valor sera nulo (Awfc = 0). De esta forma se garantiza que la frecuencia alcanza su valor de referencia modificando el valor de la potencia reactiva (Q0) que sera la misma en todos los aerogeneradores (11) cuando se alcance el regimen permanente.
Claims (3)
1. Método para el control distribuido de la frecuencia en un parque eolico offshore, donde el parque eolico (1) comprende una pluralidad de aerogeneradores (11) conectados en paralelo a al menos una lmea (24) conectada a una barra colectora (3), donde la barra colectora (3) esta conectada a traves de un transformador (6) con un enlace HVDC (40), donde el enlace HVDC (40) comprende una estacion rectificadora AC/DC de diodos (7) conectada con un enlace DC (8) que evacua a traves de una estacion inversora (9) la energia generada por el parque eolico (1) a la red electrica (10), donde cada aerogenerador (11) comprende un convertidor electronico de potencia (110) interno que comprende al menos un convertidor electronico inversor (113) interno y un condensador (C) conectado en un punto entre la salida de dicho convertidor electronico inversor (113) interno y un transformador (23) elevador de salida del aerogenerador (11),
caracterizado por que comprende el paso de igualar las frecuencias generadas por cada aerogenerador (11) mediante el control de la componente en cuadratura de la corriente (ikq) a la salida del convertidor electronico inversor (113) interno del aerogenerador (11), donde el control de la componente en cuadratura de la corriente (ikq) a la salida del convertidor electronico inversor (113) interno se realiza actuando sobre las tensiones internas del convertidor electronico inversor (113) interno.
2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, donde un valor objetivo (i1ke(f ) de la componente en cuadratura de la corriente (ikq) a la salida del convertidor electronico inversor (113) interno que permite igualar las frecuencias generadas por cada aerogenerador (11) se obtiene mediante los siguientes pasos, para cada aerogenerador (11):
- medir la potencia reactiva (Qk) en la barra de salida (15) del convertidor electronico de potencia (110) interno del aerogenerador (11) y compararla con una potencia reactiva de referencia (Q0) de valor constante;
- multiplicar la diferencia de ambas potencias reactivas (Qk, Q0 ) por un bloque proporcional (27) para obtener un incremento de velocidad angular de referencia (Awk) de la tension del aerogenerador (11);
- sumar al incremento de velocidad angular de referencia (Awk) obtenido una referencia de velocidad angular nominal (w0) para obtener una velocidad angular de referencia (wk) de la tension en la barra de salida (15) del convertidor electronico de potencia (110) interno del aerogenerador (11);
- integrar (30) la velocidad angular de referencia (wk) de la tension en la barra de
salida (15) del convertidor electronico de potencia (110) interno del aerogenerador (11) para obtener un angulo de referencia (0k);
- medir unas tensiones instantaneas de fase (vka, vkb, vkc) de la tension en la barra de salida (15) del convertidor electronico de potencia (110) interno del aerogenerador (11) y aplicar a las mismas la transformation de Park (32) para obtener las componentes directa y en cuadratura de la tension (vkd, vkq);
- comparar la componente en cuadratura de la tension (vkq) con una tension de referencia ( v ^ ) de valor nulo;
- introducir la diferencia entre la componente en cuadratura de la tension (vkq) y la referencia ( v ^ ) de valor nulo en un regulador (33) para determinar el valor
objetivo (irkq) de la componente en cuadratura de la corriente (ikq) a la salida del convertidor electronico inversor (113) del aerogenerador (11);
- actuar sobre las tensiones internas del convertidor electronico inversor (113) interno para ajustar la componente en cuadratura de la corriente (ikq) a la salida del convertidor electronico inversor (113) interno del aerogenerador (11) al valor objetivo ) determinado en el paso anterior.
3. Método de acuerdo con la revindication 2, que ademas comprende ajustar las frecuencias de todos los aerogeneradores (11) a una frecuencia constante de referencia mediante el paso de:
- calcular la potencia reactiva de referencia (Q0) de todos los aerogeneradores (11) mediante la integration del incremento de velocidad angular de referencia (Awm) de un aerogenerador (11) maestro.
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