ES2893314T3 - Método y disposición para controlar una turbina eólica - Google Patents

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Abstract

Método para controlar una turbina (811) eólica que tiene un rotor (813) y que está conectada a una red (831) de distribución, comprendiendo el método: aumentar una velocidad de rotación (205) del rotor desde una velocidad de rotación nominal (209, 505) hasta una velocidad de rotación aumentada (211, 507); mantener un ángulo de paso de pala de una pala (815) conectada al rotor (813) al menos aproximadamente constante mientras se aumenta la velocidad de rotación y/o mientras se funciona a la velocidad aumentada, reduciendo de ese modo la eficiencia (Cp) de la transferencia de energía desde el viento hasta el rotor (813), en el que la velocidad de rotación aumentada (211, 507) es entre 1,1 y 1,4 veces la velocidad de rotación nominal (209, 505) en un intervalo de velocidad del viento (513, 519) de al menos desde 12 m/s hasta 25 m/s.

Description

DESCRIPCIÓN
Método y disposición para controlar una turbina eólica
Campo de invención
La presente invención se refiere a un método y a una disposición para controlar una turbina eólica, en particular para mejorar la estabilidad de una red de distribución a la que está conectada la turbina eólica.
Técnica anterior
Una o más turbinas eólicas pueden formar un parque eólico que está conectado a una red de distribución que puede proporcionar energía eléctrica a múltiples consumidores. La potencia eléctrica necesaria por los consumidores puede no equilibrar en todas las situaciones la potencia eléctrica producida por las turbinas eólicas. En particular, si se conecta o se enciende una carga grande en la red de distribución, puede esperarse una reducción de la frecuencia de la red. En este caso, las turbinas eólicas pueden proporcionar tan sólo una respuesta de inercia limitada, con el fin de soportar o estabilizar la frecuencia. En otras situaciones, la potencia eléctrica producida por las turbinas eólicas puede ser más grande que la potencia consumida por los consumidores, en cuyo caso puede requerirse una reducción de la potencia a partir de las turbinas eólicas. De ese modo, en un método y sistema convencionales, la reducción de potencia puede lograrse desajustando el paso de las palas de rotor de las turbinas eólicas. Desajustando el paso de las palas de rotor, puede reducirse la eficiencia de transferencia de energía desde el viento hasta el rotor al que están conectadas las palas de rotor, dando como resultado una reducción de producción de potencia por las turbinas eólicas.
El documento EP 2532888 A1 da a conocer una disposición para generar una señal de control para controlar una producción de potencia de un sistema de generación de potencia, en particular una turbina eólica, en la que se recibe una primera señal de entrada indicativa de una frecuencia de red real de la red de distribución y en la que un circuito de control genera una señal de control y en la que el circuito de control comprende un controlador de todo/nada que se activa cuando la primera señal de entrada disminuye por debajo de un primer umbral predeterminado. El documento anteriormente mencionado propone una función de refuerzo de potencia, en la que se aumenta la producción de potencia.
Se ha observado que la estabilidad de la red de distribución puede no garantizarse de una manera suficiente en todas las condiciones de velocidad del viento, demanda en la red de distribución y condiciones de funcionamiento de la turbina eólica.
El documento WO 2013/010332 A1 da a conocer otro método de la técnica anterior para controlar una turbina eólica. Puede existir una necesidad de un método y una disposición para controlar una turbina eólica que puedan mejorar la estabilidad de la red de distribución, en particular en situaciones en las que la red de distribución requiere más potencia, en particular un aumento repentino de potencia.
Sumario de la invención
Esta necesidad puede satisfacerse por el objeto según las reivindicaciones independientes. Las reivindicaciones dependientes describen realizaciones ventajosas de la presente invención.
Según una realización de la presente invención, se proporciona un método para controlar una turbina eólica que tiene un rotor y que está conectada a una red de distribución, comprendiendo el método aumentar una velocidad de rotación del rotor desde una velocidad de rotación nominal hasta una velocidad de rotación aumentada; mantener un ángulo de paso de pala de una pala conectada al rotor al menos aproximadamente constante mientras se aumenta la velocidad de rotación y/o mientras se funciona a la velocidad aumentada, reduciendo de ese modo la eficiencia de la transferencia de energía desde el viento hasta el rotor, en el que la velocidad de rotación aumentada es entre 1,1 y 1,4 veces la velocidad de rotación nominal en un intervalo de velocidad del viento de al menos desde 12 m/s hasta 25 m/s.
La turbina eólica puede comprender una torre de turbina eólica, una góndola unida en una parte superior de la torre de turbina eólica de tal manera que puede rotar alrededor de un eje vertical, en la que la góndola puede comprender un rotor soportado de manera rotatoria dentro de la góndola, en la que, en el rotor, pueden estar conectadas una o más palas de rotor. El rotor puede accionar, con la rotación del rotor, un generador que puede producir un flujo de potencia de frecuencia variable. El flujo de potencia de frecuencia variable puede suministrarse a un convertidor, en particular un convertidor de CA-CC-Ca que puede comprender múltiples conmutadores controlables y que puede producir un flujo de potencia de frecuencia fija que puede tener sustancialmente una frecuencia predeterminada según se demanda por un operador de red de la red de distribución.
El método de control puede realizarse mediante un transformador de parque eólico y/o mediante un(os) controlador(es) de turbina eólica individual(es). La velocidad de rotación del rotor también puede expresarse como velocidad angular del rotor. El viento puede incidir sobre una o más palas de rotor conectadas al rotor, haciendo que el rotor rote. La velocidad de rotación del rotor puede aumentar al aumentar la velocidad del viento. En particular, la velocidad de rotación puede aumentar de una manera lineal desde cero en ausencia de velocidad del viento hasta la velocidad de rotación aumentada a un primer valor de velocidad del viento, en particular de entre 10 y 15 m/s. Para una velocidad del viento creciente, la velocidad de rotación del rotor puede mantenerse constante a la velocidad de rotación aumentada, al menos para el caso en el que no se requiere ninguna producción de potencia adicional a partir de la turbina eólica.
Aumentar la velocidad de rotación del rotor puede implicar controlar uno o más componentes de la turbina eólica, tales como, por ejemplo, un convertidor, un generador u otros componentes, en particular de un tren de accionamiento, de la turbina eólica. El aumento de la velocidad de rotación desde la velocidad de rotación nominal hasta la velocidad de rotación aumentada puede ser, por ejemplo, de una manera lineal dentro de un intervalo de tiempo predeterminado o según una línea curva dentro del intervalo de tiempo predeterminado. La línea curva puede ser, en particular, una curva convexa.
Aumentando la velocidad de rotación hasta la velocidad de rotación aumentada, puede almacenarse energía cinética adicional dentro del rotor que después, en el caso en el que se requiere una producción de potencia adicional a partir de la turbina eólica, puede usarse para proporcionar realmente la producción de potencia adicional, implicando simultáneamente reducir la velocidad de rotación del rotor. De ese modo, puede mejorarse la estabilidad de la red. Además, pueden observarse menos apagones del sistema de potencia completo incluyendo la red eléctrica y el parque eólico. Además, puede permitirse conectar cargas más grandes a la red de distribución, dado que la energía cinética adicional puede usarse para suministrar potencia a esas cargas. Además, puede permitirse una mayor penetración de turbinas eólicas. Adicionalmente, realizaciones de la presente invención pueden mejorar para amortiguar oscilaciones del sistema de potencia, dado que la energía cinética adicional puede usarse como potencia de amortiguación. Además, el sistema de potencia puede soportarse con servicios auxiliares (por ejemplo, reserva de perturbación controlada por frecuencia rápida).
Según la presente invención, el aumento de la velocidad de rotación se realiza en el caso en que debe reducirse la producción de potencia de la turbina eólica, en el que, en particular, el aumento de la velocidad de rotación se realiza en un intervalo de velocidad del viento de al menos desde 12 m/s hasta 25 m/s.
Esta situación puede producirse, por ejemplo, si la velocidad del viento ha aumentado y/o si se reduce una demanda de potencia por la red de distribución. En esta situación, sin cambiar el funcionamiento de la turbina eólica, la turbina eólica producirá más potencia de la necesaria por la red de distribución. De ese modo, pueden producirse sobretensiones o sobrefrecuencias que pueden obstaculizar el funcionamiento suave y fiable del parque de turbinas eólicas y/o la red de distribución. En particular, pueden excitarse oscilaciones del sistema que pueden dañar componentes electrónicos y/o mecánicos de la turbina eólica o la red de distribución o uno o más sistemas de transmisión. En tales casos, ventajosamente puede almacenarse más energía cinética dentro del rotor de la turbina eólica aumentando la velocidad de rotación del rotor sin afectar de manera negativa al aprovisionamiento fiable de energía eléctrica.
Sin embargo, en un sistema convencional, la reducción de la producción de potencia puede haberse realizado desajustando el paso de las palas, es decir, haciendo rotar las palas de rotor alrededor de un eje longitudinal de las palas de rotor de tal manera como para reducir una eficiencia de transferencia de energía desde el viento hasta el rotor. En particular, estos sistemas convencionales no aumentaban la velocidad de rotación y la energía cinética del rotor en el caso en que deba reducirse la producción de potencia de la turbina eólica.
La producción de potencia de la turbina eólica puede reducirse, por ejemplo, en el caso en el que la velocidad del viento aumenta y/o en el que una demanda de energía o potencia de la red de distribución disminuye.
Según la presente invención, el método comprende además mantener un ángulo de paso de pala de una pala conectada al rotor al menos aproximadamente constante, en particular dentro de /- 10% (de un valor anteriormente ajustado del ángulo de paso de pala), mientras se aumenta la velocidad de rotación y/o mientras se funciona a la velocidad aumentada, reduciendo de ese modo la eficiencia de la transferencia de energía desde el viento hasta el rotor. El ángulo de paso de pala puede definir una orientación de la pala con respecto a una posible rotación a lo largo de un eje longitudinal de la pala. En particular, el ángulo de paso de pala puede haberse ajustado hasta un ángulo de paso de pala optimizado para la velocidad del viento actual. Cuando, en esta condición, debe reducirse la producción de potencia de la turbina eólica, el ángulo de paso de pala puede mantenerse al ángulo de paso de pala optimizado para la velocidad del viento dada. Sin embargo, cuando se ha aumentado la velocidad de rotación del rotor según realizaciones de la presente invención, el ángulo de paso de pala anteriormente ajustado puede no ser ya óptimo para la velocidad de rotación cambiada, es decir, aumentada, dado que la eficiencia de la pala puede cambiar con la razón de la velocidad de la punta y la velocidad del viento. Dado que la velocidad de rotación se ha ajustado a la velocidad de rotación aumentada, la velocidad de la punta también ha cambiado a una velocidad de la punta aumentada de tal manera que la razón entre la velocidad de la punta respectiva y la velocidad del viento puede haberse aumentado. Por tanto, para la velocidad de rotación aumentada, la pala puede no estar ajustada en su orientación óptima con respecto a la eficiencia, de tal manera que, como resultado de aumentar la velocidad de rotación hasta la velocidad de rotación aumentada, la reducción de la producción de potencia también puede deberse (además de a almacenar energía eólica como energía cinética del rotor) a una eficiencia reducida de la turbina eólica.
Según una realización de la presente invención, el método de control comprende además recibir información, en particular que incluye datos de medición y/o un comando a partir de un controlador, que indica que se requiere reducción de la producción de potencia, en particular en un caso en el que un parque eólico que incluye la turbina eólica está produciendo más potencia de la necesaria por la red de distribución.
Los datos de medición pueden incluir datos de medición referentes a una tensión, frecuencia y/o corriente en un terminal de salida de la turbina eólica y/o en un punto de acoplamiento común al que están conectadas una pluralidad de turbinas eólicas, o datos de medición referentes a una ubicación de medición incluso más allá del punto de acoplamiento común. El comando a partir del controlador puede comprender un comando a partir de un controlador de turbina eólica y/o un controlador de parque eólico. El comando a partir del controlador puede depender, por ejemplo, de datos de medición de tensión, frecuencia y/o corriente en una o más ubicaciones dentro del parque eólico y/o la red de distribución y/o una línea de transmisión entre el parque eólico y la red de distribución.
La información puede transmitirse a través de señales eléctricas/ópticas de una manera basada en cables y/o inalámbrica.
Según la presente invención, la velocidad de rotación aumentada es entre 1,1 y 1,4 veces la velocidad de rotación nominal. De ese modo, una porción relativamente grande de energía cinética adicional puede almacenarse dentro del rotor para soportar eficazmente una estabilidad de la red en caso de producirse un desequilibrio repentino entre la producción de potencia y el consumo de potencia, en un intervalo de velocidad del viento (513, 519) de al menos desde 12 m/s hasta 25 m/s.
Según una realización de la presente invención, el método comprende además producir a partir de la turbina eólica potencia que está reducida, en particular en entre el 5% y el 25%, en comparación con una producción de potencia típica, en particular nominal, de la turbina eólica.
La producción de potencia a partir de la turbina eólica puede ajustarse para equilibrar la potencia demandada por los consumidores de la red de distribución.
Según una realización de la presente invención, la velocidad de rotación del rotor se mantiene constante (en particular al menos aproximadamente) a la velocidad aumentada para aumentar la velocidad del viento, si no se requiere ninguna producción de potencia adicional a partir de la turbina eólica. De ese modo, la turbina eólica puede prepararse para proporcionar producción de potencia adicional (si se necesita) para diferentes velocidades del viento lo cual puede mejorar todavía adicionalmente el método, en particular con respecto a la estabilidad de la red de distribución.
Sin embargo, si se requiere producción de potencia adicional de la turbina eólica, puede reducirse la velocidad de rotación del rotor para aumentar la producción de potencia de la turbina eólica.
Según una realización de la presente invención, el método comprende además, tras haber aumentado la velocidad de rotación hasta la velocidad de rotación aumentada: requerir un aumento de producción de potencia a partir de la turbina eólica y aumentar un par de torsión que actúa sobre el rotor, con el fin de aumentar la producción de potencia de la turbina eólica, en particular un generador de la turbina eólica.
Requerir el aumento de la producción de potencia a partir de la turbina eólica puede implicar o resultar de una reducción de la velocidad del viento y/o un aumento de una demanda de potencia de consumidores de la red de distribución. Aumentar el par de torsión que actúa sobre el rotor puede reducir eficazmente la velocidad de rotación del rotor, extrayendo de ese modo energía cinética a partir del rotor que entonces puede convertirse en energía eléctrica o potencia eléctrica que después puede emitirse por el generador y/o el convertidor de la turbina eólica. Para la producción de potencia adicional, puede usarse la porción de la energía eléctrica almacenada debido al aumento de la velocidad de rotación hasta la velocidad de rotación aumentada.
Según una realización de la presente invención, el método comprende además medir una frecuencia de una tensión de la red de distribución y determinar que se requiere un aumento de producción de potencia a partir de la turbina eólica, si la frecuencia medida está por debajo, en particular al menos el 0,1% por debajo, de una frecuencia de referencia de la red.
La red de distribución puede tener una frecuencia de referencia tal como de 50 Hz o 60 Hz. Una frecuencia medida que disminuye por debajo de la frecuencia de referencia puede indicar que hay un desequilibrio entre la demanda de potencia en la red de distribución y la producción de potencia en la turbina eólica o el parque de turbinas eólicas. En particular, si la frecuencia medida disminuye por debajo de la frecuencia de referencia, puede requerirse más potencia en la red de distribución de la que se produce por la(s) turbina(s) eólica(s) y/o el parque de turbinas eólicas. En esta situación, ventajosamente, la energía cinética almacenada dentro del rotor puede usarse para satisfacer la demanda de potencia adicional. Con el fin de extraer la energía cinética a partir del rotor, puede aumentarse el par de torsión, convirtiendo de ese modo parte de la energía de rotación cinética en energía eléctrica.
La medición de la frecuencia de la tensión y/o corriente de la red de distribución puede realizarse en o cerca de un punto de acoplamiento común, en o cerca de un terminal de salida de turbina eólica y/o más allá de una ubicación del punto de acoplamiento común. Una frecuencia medida de este modo puede ser una buena indicación de si hay un desequilibrio de demanda de potencia y producción de potencia. De ese modo, puede simplificarse el método. Si la frecuencia medida está por encima, en particular al menos el 0,1% por encima, de la frecuencia de referencia de la red, esto puede indicar que debe reducirse la producción de potencia de la turbina eólica.
Según una realización de la presente invención, el método comprende además ajustar la producción de potencia aumentada a partir de la turbina eólica de tal manera que la frecuencia de la red permanece a la frecuencia de referencia. De ese modo, puede mejorarse la estabilidad de la red.
En particular, el método según cada una de las realizaciones descritas anteriormente o a continuación puede realizarse en una o más turbinas eólicas en paralelo. En particular, el método puede realizarse para todas las turbinas eólicas en el parque eólico. De ese modo, puede lograrse una cantidad considerable de reserva de potencia que puede suministrarse a la red de distribución en casos en los que la demanda de potencia de la red de distribución es más grande que la producción de potencia actual de las turbinas eólicas.
Según una realización de la presente invención, la velocidad nominal es una velocidad a la que la turbina eólica está diseñada para funcionamiento continuo, en particular optimizada con respecto a al menos uno de producción de potencia y desgaste electrónico y/o mecánico de componentes de turbina eólica, en particular al menos uno de un cojinete, un generador, un convertidor, una pala de rotor.
Según una realización de la presente invención, el aumento de la velocidad de rotación del rotor implica enviar una señal de control a un convertidor que convierte una producción de flujo de potencia mediante un generador acoplado al rotor, tal como para reducir un par de torsión generado por el generador y que actúa sobre el rotor, en particular entre el 5% y el 30% en comparación con un par de torsión correspondiente a la velocidad de rotación típica, en particular nominal.
La señal de control enviada al convertidor puede comprender una tensión de referencia, potencia de referencia, potencia activa de referencia, potencia reactiva de referencia y/o factor de potencia de referencia. El convertidor puede comprender una sección de CA-CC, una conexión de CC y una sección de CC-CA. En cada una de la sección de CA-CC y la sección de CC-CA, el convertidor puede comprender, en particular, seis transistores de potencia, tales como IGBT. El convertidor puede comprender además un circuito controlador de compuerta que, basándose en la señal de control, puede determinar o calcular señales de modulación de anchura de impulso que pueden transmitirse a compuertas de los transistores de potencia. Tras recibir la señal de modulación de anchura de impulso, los transistores de potencia pueden abrirse y cerrarse tal como para producir un par de torsión deseado en el rotor y tal como para producir un flujo de potencia según la tensión de referencia, potencia de referencia, potencia reactiva de referencia, potencia activa de referencia y así sucesivamente. De ese modo, puede usarse un convertidor convencional.
Según la presente invención, la velocidad de rotación se mantiene, si no se requiere ninguna producción de potencia adicional a partir de la turbina eólica, a la velocidad de rotación aumentada en un intervalo de velocidad del viento de al menos desde 12 m/s hasta 25 m/s.
De ese modo, puede proporcionarse una reserva de potencia o energía disponible en diferentes condiciones de velocidad del viento, extendiendo de ese modo el método de control. De ese modo, puede mejorarse la estabilidad de la red de distribución en un intervalo de velocidad del viento extendido. Según una realización de la invención, el aumento de la velocidad de rotación del rotor implica aumentar la energía cinética contenida dentro del rotor rotatorio. La energía cinética puede depender de la velocidad de rotación y un momento de inercia del rotor incluyendo las palas de rotor conectadas al rotor.
Debe entenderse que características que se han dado a conocer, descrito, explicado o proporcionado de manera individual o en cualquier combinación para un método para controlar una turbina eólica también pueden aplicarse, de manera individual o en cualquier combinación, a una disposición para controlar una turbina eólica según una realización de la presente invención y viceversa.
Según una realización de la presente invención, se proporciona una disposición para controlar una turbina eólica según la reivindicación 15.
La disposición puede estar comprendida dentro de un controlador de turbina eólica y/o un controlador de parque eólico.
Debe indicarse que se han descrito realizaciones de la invención con referencia a diferentes objetos. En particular, algunas realizaciones se han descrito con referencia a reivindicaciones de tipo de método mientras que otras realizaciones se han descrito con referencia a reivindicaciones de tipo de aparato. Sin embargo, un experto en la técnica entenderá a partir de la descripción anterior y siguiente que, a menos que se notifique lo contrario, además de cualquier combinación de características pertenecientes a un tipo de objeto también se considera que en este documento se da a conocer cualquier combinación entre características referentes a diferentes objetos, en particular entre características de las reivindicaciones de tipo de método y características de las reivindicaciones de tipo de aparato.
Los aspectos definidos anteriormente y aspectos adicionales de la presente invención resultan evidentes a partir de los ejemplos de realización que van a describirse a continuación en el presente documento y se explican con referencia a los ejemplos de realización. La invención se describirá en más detalle a continuación en el presente documento con referencia a ejemplos de realización pero a los que no se limita la invención.
Ahora se describen realizaciones de la presente invención con referencia a los dibujos adjuntos. La invención no se restringe o limita a las realizaciones explicadas o ilustradas.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 ilustra esquemáticamente un transcurso de tiempo de una producción de potencia eléctrica mediante una turbina eólica según un método convencional y un método de control según una realización de la presente invención; la figura 2 ilustra un transcurso de tiempo de una velocidad de rotación de un rotor de una turbina eólica según un método convencional y un método de control según una realización de la presente invención;
la figura 3 ilustra un transcurso de tiempo de una inercia de un rotor en un método convencional y un método de control según una realización de la presente invención;
la figura 4 ilustra un transcurso de tiempo de una frecuencia de red tal como se observa en un método convencional y un método de control según una realización de la presente invención;
la figura 5 ilustra curvas de potencia y curvas de velocidad de rotación según un método convencional y según un método de control según una realización de la presente invención en función de una velocidad del viento;
la figura 6 ilustra un par de torsión de rotor según un método convencional y según un método de control según una realización de la presente invención dependiendo de una velocidad de rotación de un rotor;
la figura 7 ilustra una curva de eficiencia (curva de Cp) para un ángulo de paso particular de una pala de rotor tal como puede usarse en un método de control según una realización de la presente invención; y
la figura 8 ilustra esquemáticamente una disposición para controlar una turbina eólica junto con la turbina eólica controlada según una realización de la presente invención.
Descripción detallada
La ilustración en los dibujos es de forma esquemática.
En las figuras 1 a 4, las abscisas 101, 201, 301 y 401 designan el tiempo, de 102 a 402, de 104 a 404 designan puntos de tiempo particulares. Las ordenadas 103 designan una producción de potencia de la turbina eólica (en la figura 1), 203 designa la velocidad de rotación de un rotor de la turbina eólica (en la figura 2), 303 designa la inercia de turbina eólica, es decir, la inercia del rotor que incluye las palas (figura 3) y 403 designa la frecuencia de red (figura 4) en unidades arbitrarias. Las curvas 105, 205, 305, 405 en las figuras 1 - 4 ilustran de ese modo transcursos de tiempo a modo de ejemplo de las cantidades eléctricas/mecánicas respectivas tal como se logran en un método para controlar una turbina eólica según una realización de la presente invención. De ese modo, acontecimientos en la misma posición horizontal en las diferentes figuras se producen al mismo tiempo.
La curva 105 en la figura 1 indica una producción de potencia de una turbina eólica en el método de control según una realización de la presente invención. En un intervalo de tiempo 107 desde el punto de tiempo 0 hasta el punto de tiempo 102, la producción de potencia permanece a una producción de potencia nominal 109. En el punto de tiempo 102, se reduce la producción de potencia desde la producción de potencia nominal 109 hasta una producción de potencia reducida 111 que se mantiene dentro del intervalo de tiempo 113. En el punto de tiempo 104, se demanda más potencia a partir de una red de distribución que se alimenta actualmente por la turbina eólica. Por tanto, en un intervalo de tiempo 115 adyacente al punto de tiempo 104 (por ejemplo, en el que se conecta una gran carga a la red de distribución), la producción de potencia aumenta (casi de una manera lineal) hasta alcanzar al final del intervalo de tiempo 115 una producción de potencia aumentada 117. La producción de potencia aumentada 117 se mantiene dentro del intervalo de tiempo 119 y después se reduce posteriormente, dado que la demanda de potencia aumentada puede no estar ya presente.
La figura 2 ilustra como curva 205 la velocidad de rotación del rotor de una turbina eólica que se controla según un método de control según una realización de la presente invención. Durante el intervalo de tiempo 207 correspondiente al intervalo de tiempo 107 en la figura 1, la velocidad de rotación del rotor permanece a una velocidad de rotación nominal, en la que la velocidad de rotación nominal se indica con el signo de referencia 209. En el punto de tiempo 202 correspondiente al punto de tiempo 102 en la figura 1, se determina que debe reducirse la producción de potencia de la turbina eólica. Por tanto, con el fin de almacenar energía cinética en el rotor, se aumenta la velocidad de rotación desde la velocidad de rotación nominal 209 hasta una velocidad nominal aumentada 211. La velocidad de rotación aumentada 211 se mantiene dentro de un intervalo de tiempo 213 para estar por encima de la velocidad de rotación nominal 209. En el punto de tiempo 204, en el que aumenta la demanda de potencia en la red de distribución, por ejemplo, en el que se conecta una gran carga a la red de distribución, la velocidad de rotación comienza lentamente a reducirse de una manera convexa e incluso disminuye por debajo de la velocidad de rotación nominal 209 en un punto de tiempo 206. Durante el intervalo de tiempo 215, se ha extraído energía de rotación cinética almacenada dentro del rotor y se ha convertido en energía eléctrica y se ha producido por la turbina eólica, con el fin de satisfacer una demanda de potencia adicional. Entonces, más allá del punto de tiempo 206, la velocidad de rotación puede aumentar, en un intervalo de tiempo 217, hasta o más allá de la velocidad de rotación nominal 209.
La velocidad de rotación en un método de control según una realización de la presente invención se indica con una curva 205 en función del tiempo.
La figura 3 ilustra como curva 305 la inercia o la energía cinética almacenada dentro del rotor de la turbina eólica durante un método de control según una realización de la presente invención. En el intervalo de tiempo 307 correspondiente al intervalo de tiempo 207 en la figura 2, la inercia permanece a una inercia nominal 309. En el intervalo de tiempo 313 tras el punto de tiempo 302 correspondiente al punto de tiempo 202 en la figura 2, la inercia aumenta según la curva 305 y después permanece aproximadamente constante a una inercia aumentada 311. En el punto de tiempo 304, la inercia todavía está a la inercia aumentada 311 y, durante un intervalo de tiempo 315, la inercia disminuye lentamente incluso por debajo de la inercia nominal hasta alcanzar un valor mínimo en un punto de tiempo 306. Tras el punto de tiempo 306, la inercia aumenta lentamente dentro de un intervalo de tiempo 317 tras el intervalo de tiempo 315.
La figura 4 ilustra en una curva 405 un transcurso de tiempo de una frecuencia de red de una red de distribución a la que está conectada la turbina eólica según una realización de la presente invención. En un intervalo de tiempo 407 correspondiente a la unión de los intervalos de tiempo 307, 313 en la figura 3, la frecuencia de red permanece a una frecuencia de referencia o frecuencia nominal 409. En el punto de tiempo 404 correspondiente al punto de tiempo 304 en la figura 3, la frecuencia de red disminuye de manera relativamente pronunciada dentro de un intervalo de tiempo 415 hasta una frecuencia de red reducida 411. Sin embargo, la frecuencia no disminuye de manera tan drástica que la estabilidad de la red se vea afectada. En vez de eso, dentro de un intervalo de tiempo 417, la frecuencia se recupera desde la frecuencia reducida 411 hasta la frecuencia nominal 409 de modo que se garantiza un funcionamiento normal de la red de distribución. Además, en un intervalo de tiempo 419, la frecuencia de red permanece sustancialmente a la frecuencia de red nominal 409.
En las figuras 1 a 4, las curvas 125, 225, 325 y 425 designan transcursos de tiempo respectivos de la producción de potencia, la velocidad de rotación, la inercia y la frecuencia de red tal como se observan según un método de control convencional. Por ejemplo, según un método convencional, la producción de potencia 125 (véase la figura 1) disminuye dentro del intervalo de tiempo 119, mientras que la producción de potencia según una realización de la presente invención (curva 105 en la figura 1) permanece aproximadamente constante en el intervalo de tiempo 119. Además, tal como se ilustra en la figura 2, la velocidad de rotación 225 según un método convencional permanece a la velocidad de rotación nominal 209 en el intervalo de tiempo 213, mientras que la velocidad de rotación 205 en este intervalo de tiempo se aumenta y después se mantiene a una velocidad de rotación aumentada 211.
Además, la inercia (o energía cinética) 325 del rotor (en la figura 3) según un método convencional permanece en el intervalo de tiempo 313 a la inercia nominal 309, mientras que según el método de control según una realización de la presente invención, la inercia de turbina eólica (véase la curva 305 en la figura 3) se aumenta hasta, y después se mantiene a, una inercia aumentada 311.
Además, según un método convencional (véase la curva 425 en la figura 4), la frecuencia de red sigue disminuyendo después de la demanda de potencia aumentada tras el punto de tiempo 404 de manera mucho más intensa y más lejos que la frecuencia de red reducida 411 de modo que no puede excluirse un apagón según este método de control convencional.
La figura 5 ilustra, en función de una velocidad del viento en las abscisas 501, una velocidad de rotación según un método convencional (véase la curva 505) y según un método de control según una realización de la presente invención (véase la curva 507), una producción de potencia según un método convencional (véase la curva 509) y una producción de potencia según un método según una realización de la presente invención (véase la curva 511). De ese modo, las ordenadas 503 designan o bien la velocidad de rotación o bien la producción de potencia en unidades relativas (up). Por tanto, por ejemplo, la velocidad de rotación nominal puede corresponder a la posición vertical en la marca 1,0 ó 1,1 y la producción de potencia nominal también puede corresponder a la posición vertical en la marca 1,0.
Tal como puede observarse a partir de la figura 5, en un intervalo de velocidad del viento 513 que alcanza desde aproximadamente 0 m/s hasta 12 m/s, la velocidad de rotación del rotor según el método convencional aumenta de una manera lineal desde 0 hasta un valor relativo de aproximadamente 1,1 (signo de referencia 515), mientras que la velocidad de rotación según el método de control según una realización de la presente invención (véase la curva 507) aumenta desde 0 hasta la velocidad de rotación aumentada a aproximadamente 1,3 tal como se indica con el signo de referencia 517. Por tanto, la velocidad de rotación aumentada 517 está aproximadamente el 30% por encima de la velocidad de rotación nominal 515 que se alcanza en el método convencional.
En el intervalo de tiempo 519 posterior, la velocidad de rotación 507 para el método de control según una realización de la presente invención permanece sustancialmente a la velocidad de rotación aumentada 517, almacenando de ese modo energía cinética dentro del rotor.
Dentro del intervalo de tiempo 513, la producción de potencia según el método convencional (véase la curva 509) aumenta desde 0 hasta la producción de potencia nominal 521 y permanece, dentro del intervalo de tiempo 519 posterior, sustancialmente a la producción de potencia nominal 521. En cambio, según un método de control según una realización de la presente invención, la producción de potencia (véase la curva 511) aumenta desde 0 hasta una producción de potencia reducida (con respecto al valor nominal) tal como se indica con el signo de referencia 523. Además, en el intervalo de tiempo 519 posterior, la producción de potencia según el método de control según una realización de la presente invención permanece sustancialmente a la producción de potencia reducida 523.
La figura 6 ilustra gráficos de una velocidad de rotación en las abscisas 601 frente a un par de torsión en las ordenadas 603 según un método convencional 605 y según un método de control según una realización de la presente invención (curva 607). Tal como puede observarse a partir de la figura 6, en la que la velocidad de rotación en las abscisas 601 se indica en unidades relativas que están relacionadas con la velocidad de rotación nominal, el par de torsión 607 aplicado dentro del método de control según una realización de la presente invención está por debajo del par de torsión 605 según un método convencional. Dado que el par de torsión 607 según el método de control según una realización de la presente invención permanece por debajo del par de torsión 605 según el método convencional, el rotor acelerará hasta alcanzar una velocidad de rotación aumentada, tal como una velocidad de rotación 517 ilustrada en la figura 5 en comparación con la velocidad de rotación nominal 517 alcanzada en un método convencional.
La figura 7 ilustra en las abscisas 701 una razón X entre una velocidad de la punta y una velocidad del viento, en la que la velocidad de la punta es de nuevo la velocidad de una punta de una pala de rotor que está conectada al rotor de la turbina eólica. Las ordenadas 703 designan una eficiencia y la curva de Cp 705 muestra la eficiencia para un ángulo de paso fijo particular. Tal como puede observarse a partir de la curva 705 que hace referencia a la eficiencia de la pala, la eficiencia aumenta desde la razón X = velocidad de la punta / velocidad del viento = 0 hasta aproximadamente X = 8 y disminuye desde X = 8 hasta X = 12. La curva 705 sólo se aplica a un ángulo de paso particular y puede presentar un aspecto diferente para un ángulo de paso diferente.
Según un método convencional, la eficiencia de la pala de rotor puede cambiarse cambiando el ángulo de paso de pala, mientras que en el método según una realización de la presente invención, el ángulo de paso de pala puede mantenerse constante. En particular, una manera convencional para limitar la producción de potencia puede ser cambiar el ángulo de paso hasta una curva de Cp menos eficiente. Según una realización de la presente invención, en vez de eso se aumenta la velocidad de rotación del rotor, mientras que el ángulo de paso puede mantenerse constante. Si se considera que la eficiencia está, por ejemplo, al valor de X = 8, puede observarse a partir de la figura 7 que Cp disminuirá y la producción de potencia también disminuirá para X creciente desde 8 hasta 9. Por tanto, también según una realización de la presente invención, dado que se aumenta la velocidad de rotación, la producción de potencia puede disminuir debido a una eficiencia Cp reducida. Sin embargo, en comparación con un sistema convencional, la energía cinética almacenada es mayor y puede usarse ventajosamente para proporcionar producción de potencia adicional si se requiere, por ejemplo, cuando disminuye la frecuencia de red.
La figura 8 ilustra esquemáticamente una disposición 801 para controlar una turbina 811 eólica según una realización de la presente invención junto con una turbina 811 eólica a modo de ejemplo y turbinas 827 eólicas adicionales a modo de ejemplo que están conectadas a una red 831 de distribución.
La disposición 801 comprende un procesador 803 para generar una señal de control 805 para su transmisión a un convertidor 807 u otro componente de un tren 809 de accionamiento de la turbina 811 eólica. De ese modo, la señal de control 805 se genera para aumentar una velocidad de rotación del rotor 813 desde una velocidad de rotación nominal hasta una velocidad de rotación aumentada. De ese modo, el rotor 813 tiene una o más palas 815 de rotor conectadas al mismo y está mecánicamente acoplado a un generador 817 que proporciona un flujo de potencia de frecuencia variable 819 al convertidor 807 que convierte el flujo de potencia en un flujo de potencia de frecuencia fija 821 que se suministra a un transformador 823 de turbina eólica y desde ahí hasta un punto 825 de acoplamiento común al que están conectadas la turbina 811 eólica y múltiples otras turbinas 827 eólicas. A través de un transformador 827 de estación, se proporciona el flujo de potencia combinado 829 a la red 831 de distribución. La disposición 801 puede estar adaptada para llevar a cabo un método de control según una realización de la presente invención. Según una realización a modo de ejemplo, la disposición 801 recibe información 833 para reducir la producción de potencia, recepción de información tras la cual puede generarse la señal de control 805. Después, en un método de control según una realización de la presente invención, la disposición 801 puede recibir otra información 833 que indica que debe aumentarse la producción de potencia. Después de eso, puede transmitirse otra señal de control 805 al convertidor 807 para hacer que el convertidor 807 extraiga energía cinética almacenada dentro del rotor 813 con el fin de proporcionar la energía cinética tras la conversión en energía eléctrica a la red 831 de distribución.
Debe observarse que el término “que comprende” no excluye otros elementos o etapas y “un” o “una” no excluye una pluralidad. Además, elementos descritos en asociación con diferentes realizaciones pueden combinarse. También debe observarse que signos de referencia en las reivindicaciones no deben interpretarse como limitativos del alcance de las reivindicaciones.

Claims (15)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Método para controlar una turbina (811) eólica que tiene un rotor (813) y que está conectada a una red (831) de distribución, comprendiendo el método:
    aumentar una velocidad de rotación (205) del rotor desde una velocidad de rotación nominal (209, 505) hasta una velocidad de rotación aumentada (211, 507);
    mantener un ángulo de paso de pala de una pala (815) conectada al rotor (813) al menos aproximadamente constante mientras se aumenta la velocidad de rotación y/o mientras se funciona a la velocidad aumentada, reduciendo de ese modo la eficiencia (Cp) de la transferencia de energía desde el viento hasta el rotor (813),
    en el que la velocidad de rotación aumentada (211, 507) es entre 1,1 y 1,4 veces la velocidad de rotación nominal (209, 505) en un intervalo de velocidad del viento (513, 519) de al menos desde 12 m/s hasta 25 m/s.
  2. 2. Método según la reivindicación 1, en el que el aumento de la velocidad de rotación se logra reduciendo un par de torsión que actúa sobre el rotor (813),
    en el que, en particular, el aumento de la velocidad de rotación (205) se realiza en el caso en que debe reducirse la producción de potencia de la turbina eólica,
    en el que, en particular, el aumento de la velocidad de rotación se realiza en un intervalo de velocidad del viento (513, 519) de al menos desde 0 m/s hasta 40 m/s.
  3. 3. Método según la reivindicación 1 ó 2, en el que el ángulo de paso de pala se mantiene constante dentro de /-10% mientras se aumenta la velocidad de rotación y/o mientras se funciona a la velocidad aumentada.
  4. 4. Método según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende además:
    recibir información (833), en particular que incluye datos de medición y/o un comando a partir de un controlador, que indica que se requiere una reducción de la producción de potencia, en particular en un caso en el que un parque (827) eólico que incluye la turbina (811) eólica está produciendo más potencia de la necesitada por la red (831) de distribución.
  5. 5. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la velocidad de rotación aumentada (211, 507) se aplica en un intervalo de velocidad del viento (513, 519) de al menos desde 0 m/s hasta 40 m/s.
  6. 6. Método según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende además:
    producir a partir de la turbina (811) eólica potencia (821) que está reducida, en particular en entre el 5% y el 25%, en comparación con una producción de potencia típica, en particular nominal, de la turbina eólica.
  7. 7. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la velocidad de rotación (507) del rotor se mantiene constante a la velocidad aumentada para una velocidad del viento creciente (519), si no se requiere ninguna producción de potencia adicional a partir de la turbina eólica.
  8. 8. Método según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende además, tras haber aumentado la velocidad de rotación hasta la velocidad aumentada:
    requerir un aumento de producción de potencia a partir de la turbina eólica;
    aumentar un par de torsión (603) que actúa sobre el rotor, con el fin de aumentar la producción de potencia de la turbina eólica, en particular un generador de la turbina eólica.
  9. 9. Método según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende además:
    medir una frecuencia (403) de una tensión de la red (831) de distribución;
    determinar que se requiere un aumento de producción de potencia a partir de la turbina eólica, si la frecuencia medida está por debajo, en particular al menos el 0,1% por debajo, de una frecuencia de referencia (409) de la red (831) de distribución.
  10. 10. Método según una de las reivindicaciones anteriores 8 ó 9, que comprende además:
    ajustar la producción de potencia aumentada a partir de la turbina eólica de tal manera que la frecuencia de la red difiere en menos del 5%, en particular el 1%, con respecto a, o permanece a, la frecuencia de referencia (409).
  11. 11. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la velocidad nominal (209, 505) es una velocidad a la que la turbina eólica está diseñada para funcionamiento continuo, en particular optimizada con respecto a al menos uno de producción de potencia (821) y desgaste electrónico y/o mecánico de componentes de turbina eólica, en particular al menos uno de un cojinete, un generador (817), un convertidor (807), una pala (815) de rotor.
  12. 12. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el aumento de la velocidad de rotación implica:
    enviar una señal de control (805) a un convertidor (807) que convierte una producción de flujo de potencia (819) mediante un generador (817) acoplado al rotor (813), tal como para reducir un par de torsión (607) generado por el generador y que actúa sobre el rotor, en particular entre el 5% y el 30% en comparación con un par de torsión (605) correspondiente a la velocidad de rotación típica, en particular nominal (505).
  13. 13. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la velocidad de rotación (205) se mantiene, si no se requiere ninguna producción de potencia adicional a partir de la turbina eólica, a la velocidad de rotación aumentada (211) en un intervalo de velocidad del viento (519) de al menos desde 12 m/s hasta 25 m/s.
  14. 14. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el aumento de la velocidad de rotación (205) implica aumentar la energía cinética (305) contenida dentro del rotor rotatorio.
  15. 15. Disposición (801) para controlar una turbina (811) eólica que tiene un rotor (813) y que está conectada a una red (831) de distribución, comprendiendo la disposición:
    un procesador (803) para generar una señal de control (805) para la transmisión a un tren (809) de accionamiento de la turbina (811) eólica para aumentar una velocidad de rotación (205) del rotor (813) desde una velocidad de rotación nominal (209) hasta una velocidad de rotación aumentada (211), en la que un ángulo de paso de pala de una pala (815) conectada al rotor (813) se mantiene al menos aproximadamente constante mientras se aumenta la velocidad de rotación y/o mientras se funciona a la velocidad aumentada, reduciendo de ese modo la eficiencia (Cp) de la transferencia de energía desde el viento hasta el rotor (813),
    en la que la velocidad de rotación aumentada (211, 507) es entre 1,1 y 1,4 veces la velocidad de rotación nominal (209, 505) en un intervalo de velocidad del viento (513, 519) de al menos desde 12 m/s hasta 25 m/s.
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