ES2905802T3 - Método y dispositivo para regular un valor de la potencia de un sistema de energía eólica marino - Google Patents

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Abstract

Método para regular un valor de la potencia de un sistema de energía eólica marino (30), que comprende: - proporcionar un valor nominal de la potencia, en donde el valor nominal de la potencia es un valor nominal del factor de potencia y/o un valor nominal de la potencia reactiva, - proporcionar al menos una variable de estado de la potencia reactiva instantánea del sistema de energía eólica marino (30), - determinar un valor de corrección de la potencia activa en función del valor nominal de la potencia proporcionado y de la variable de estado de la potencia reactiva instantánea proporcionada, y - regular la potencia activa del sistema de energía eólica marino (30) en función del valor de corrección de la potencia activa determinado, de tal modo que al menos se observe el valor nominal de la potencia proporcionado, en donde proporcionar la variable del estado de la potencia reactiva instantánea comprende: - calcular la potencia reactiva máxima disponible del sistema de energía eólica marino (30) en función del estado operativo instantáneo del sistema de energía eólica marino (30) y de al menos un parámetro de equipamiento de la potencia reactiva predeterminado del sistema de energía eólica marino (30).

Description

DESCRIPCIÓN
Método y dispositivo para regular un valor de la potencia de un sistema de energía eólica marino
La invención se refiere a dos métodos para regular un valor de la potencia de un sistema de energía eólica marino según las reivindicaciones 1 y 3. Además, la invención se refiere a los equipos de regulación correspondientes a la invención para un sistema de energía eólica marino según las reivindicaciones 7 y 8 y a un sistema de energía eólica marino según la reivindicación 9.
Los sistemas de energía eólica se utilizan cada vez más para producir energía eléctrica. En este caso se instalan preferiblemente los denominados sistemas de energía eólica marinos. La razón de esto es que, en comparación con los sistemas de energía eólica terrestres, la velocidad media esperada del viento y, por lo tanto, el rendimiento energético esperado suele ser mayor debido a la ubicación de los sistemas de energía eólica marinos.
Sin embargo, los sistemas de energía eólica marinos tienen que satisfacer unos requisitos diferentes a los de los sistemas de energía eólica terrestres. Aparte de que, debido al emplazamiento en el mar, la operación de un sistema de energía eólica marino con una pluralidad de aerogeneradores y una subestación o estación transformadora y su conexión a la red eléctrica de nivel superior son fundamentalmente más problemáticos que la operación de un sistema de energía eólica terrestre o su conexión a la red de nivel superior, el operador de la red también impone unas condiciones de conexión a la red claras e inequívocas para conectar un sistema de energía eólica marino a una red eléctrica (pública). En particular, las condiciones de conexión a la red incluyen especificaciones con respecto al rango de la potencia reactiva o el rango del factor de potencia que debe mantener el sistema de energía eólica marino.
La figura 1 presenta un diagrama ilustrativo en el que se muestra el rango del factor de potencia 10 que debe mantenerse. El número de referencia 2 denota un primer eje, en particular la tensión entre conductores en kV, y el número de referencia 4, el otro eje, en particular un valor de la potencia en forma de un valor del factor de potencia. Además, el número de referencia 6 denota la zona de subexcitación y el número de referencia 8 denota la zona de sobreexcitación.
Para regular el valor de la potencia, es decir para regular la potencia reactiva y activa entregada o inyectada, un sistema de energía eólica marino puede disponer de un equipo de regulación con un regulador de la potencia activa y un regulador de la potencia reactiva. Sin embargo, la regulación del valor de la potencia, en particular del factor de potencia, con respecto al cumplimiento pleno del rango requerido según el estado de la técnica resulta problemática por varias razones.
Para cumplir las especificaciones con respecto al rango de la potencia reactiva o el rango del factor de potencia, se conoce del estado de la técnica la provisión de potencia reactiva por parte de los generadores eléctricos (por ejemplo, el o los aerogeneradores) y/o mediante la instalación de componentes adicionales (por ejemplo, bobinas de compensación y/o condensadores conmutables) (véase, por ejemplo, el documento US 2015249415 A).
Sin embargo, la provisión de potencia reactiva por parte de los generadores eléctricos generalmente se limita al mínimo indispensable. Como resultado, en ciertas situaciones operativas, la energía reactiva proporcionada por parte de los generadores eléctricos es insuficiente para cumplir todo el rango del factor de potencia especificado y, en particular, un valor nominal actual de la potencia especificado para el sistema de energía eólica marino. Por ejemplo, en situaciones operativas con alta potencia de inyección, puede producirse una elevada necesidad de potencia reactiva en los transformadores principales del sistema de energía eólica marino (por ejemplo, debido al alto flujo de corriente a través de la inductancia del transformador), lo que desplaza desfavorablemente el rango posible del factor de potencia en relación con el requisito especificado (especialmente hacia la zona de subexcitación (véase la figura 1)).
Para resolver esta problemática, se conoce del estado de la técnica una ampliación del rango de la potencia reactiva del sistema de energía eólica marino mediante la instalación de piezas o componentes adicionales. Sin embargo, una ampliación correspondiente es muy costosa, ya que puede afectar prácticamente a todos los componentes eléctricos del sistema de energía eólica marino (por ejemplo, convertidor, transformador, cables y posiblemente también al generador, en el caso de generadores asíncronos de doble alimentación) y, por lo tanto, hace necesario un nuevo y costoso diseño y/o ampliación del sistema de energía eólica marino (incluida la posible necesidad de una nueva certificación). La instalación de componentes adicionales en la estación transformadora o la subestación marina también sería problemática debido a los altos costes de los componentes y el espacio cerrado a causa de la ubicación del sistema de energía eólica marino.
Por tanto, el objetivo de la invención es proporcionar un método para regular un valor de la potencia de un sistema de energía eólica marino que haga posible fácilmente la observancia de un rango del factor de potencia especificado, en particular también en situaciones operativas de alta inyectabilidad.
Según la invención, este objetivo se consigue mediante un método con las características de la reivindicación principal 1 o 3 y un equipo de regulación con las características de la reivindicación principal 7 u 8. Los ejemplos de realización continúan en las reivindicaciones subordinadas.
Por el hecho de que, a diferencia del estado de la técnica, la potencia activa inyectada por parte de al menos un sistema de energía eólica marino se regula en función de un valor nominal de la potencia especificado y de la variable de estado de la potencia reactiva instantánea del sistema de energía eólica marino, en particular, en caso necesario, se reduce, se hace posible fácilmente la observancia de un rango del factor de potencia especificado (correspondiente al valor nominal de la potencia especificado), en particular también en situaciones operativas de alta inyectabilidad. Se puede prescindir de la instalación de piezas o componentes adicionales para ampliar el rango de la potencia reactiva.
El presente método sirve para regular un valor de la potencia, en particular el factor de potencia o la potencia reactiva, de al menos un sistema de energía eólica marino. Una regulación del valor de la potencia debe entenderse en particular como el hecho de que la potencia entregada a una red eléctrica pública se regula de tal modo que se observe un valor nominal de la potencia especificado, en particular un valor nominal del factor de potencia y/o un valor nominal de la potencia reactiva especificado.
Un sistema de energía eólica marino puede tener una pluralidad de aerogeneradores que están conectados eléctricamente a una estación transformadora, en particular una subestación, a través de cables submarinos. Un aerogenerador convierte la energía cinética del viento mediante un rotor y un generador en energía eléctrica, que se transporta a la subestación a través de los cables submarinos. La subestación puede estar conectada eléctricamente a una estación terrestre, tal como una estación de transporte de corriente continua de alta tensión (CCAT). Por ejemplo, pueden preverse conexiones colectivas entre las que puede haber intercalada una estación colectiva marina (adicional) (estación CCAT). En particular, una conexión eléctrica puede implementarse mediante al menos un cable submarino. En el punto de inyección en la red eléctrica pública (por ejemplo, en la subestación y/o la estación principal) puede registrarse al menos un parámetro eléctrico para regular la potencia inyectada o la corriente inyectada en la red eléctrica.
Una entidad remota, por ejemplo, el operador de la red eléctrica en la que el sistema de energía eólica marino inyectará la potencia, puede especificar un valor nominal de la potencia, en particular un valor nominal del factor de potencia y/o un valor nominal de la potencia reactiva. En particular, el valor nominal de la potencia se encuentra en un rango del factor de potencia o de la potencia reactiva que ha de mantenerse, tal como se describe al principio. En particular, como valor nominal de la potencia no debe entenderse un valor nominal de la potencia activa.
Según la invención, para la observancia de este valor nominal de la potencia especificado, se prevé determinar y proporcionar, en particular, una variable de estado de la potencia reactiva instantánea del sistema de energía eólica marino. La variable de estado de la potencia reactiva instantánea indica (directa o indirectamente), en particular, la potencia reactiva actual o actualmente disponible del sistema de energía eólica marino. A partir de la variable de estado de la potencia reactiva instantánea puede determinarse un valor de corrección de la potencia activa. La variable de estado de la potencia reactiva puede incluir, en particular, un factor de potencia, una tensión y/o una potencia reactiva.
Para observar el valor nominal de la potencia especificado, por ejemplo, un valor nominal del factor de potencia, An o m = \p\
—, en donde P es la potencia activa y S es la potencia aparente, la potencia activa entregada se regula en función del valor de corrección de la potencia activa determinado. En particular, la potencia activa inyectada puede regularse de tal modo que se reduzca dicha potencia activa inyectada.
Cabe señalar que, para corrientes y tensiones esencialmente sinusoidales, se aplica la fórmula siguiente para el valor nominal del factor de potencia, An o m = P = cosp, en donde 9 es el ángulo de desplazamiento de fase entre S y P.
No es necesario instalar componentes adicionales. La regulación del valor de potencia puede proporcionarse de una manera fácil y económica. Al tener en cuenta en cuenta la variable de estado de la potencia reactiva instantánea, se consigue, en particular, que la potencia activa inyectada solo se reduzca hasta la observancia del valor nominal de la potencia especificado. En otras palabras, la potencia activa solo se reduce en la medida necesaria para observar el valor nominal de la potencia especificado.
En principio, existen varias opciones de realización para determinar la variable de estado de la potencia reactiva instantánea y/o para determinar el valor de corrección de la potencia activa.
Según una primera forma de realización del método de la presente descripción, proporcionar la variable de estado de la potencia reactiva instantánea puede comprender lo siguiente:
- calcular la potencia reactiva máxima disponible del sistema de energía eólica marino en función del estado operativo instantáneo del sistema de energía eólica marino y de al menos un parámetro de equipamiento de la potencia reactiva especificado del sistema de energía eólica marino.
Preferiblemente, al calcular la potencia reactiva máxima disponible se tiene en cuenta una pluralidad de parámetros de equipamiento de la potencia reactiva previamente determinados o conocidos del sistema de energía eólica marino. Un parámetro de equipamiento de la potencia reactiva indica, para un componente del sistema de energía eólica marino, en particular, la cantidad de potencia reactiva causada por el componente (por ejemplo, cables, transformador (es), dispositivo(s) de compensación, etc.). Esto puede documentarse, por ejemplo, para (prácticamente) cada componente del sistema de energía eólica marino.
Además de los parámetros de equipamiento de la potencia reactiva especificados, se registra el estado operativo instantáneo del sistema de energía eólica marino mediante al menos un medio de registro adecuado y se tiene en cuenta en el cálculo. Preferiblemente, se registra al menos un estado de conmutación instantáneo del sistema de energía eólica marino y/o se mide al menos una tensión de red instantánea del sistema de energía eólica marino y/o se registra al menos un punto de funcionamiento instantáneo de al menos un aerogenerador del sistema de energía eólica marino. Teniendo en cuenta en el cálculo el estado operativo instantáneo del sistema de energía eólica marino y los parámetros de equipamiento de la potencia reactiva predeterminados, puede determinarse casi exactamente la potencia reactiva máxima disponible actualmente. Por ejemplo, el cálculo puede realizarse según la fórmula siguiente:
Qmáx = ZQAER.máx + ZQcable + ZQtransformador + ZQconsumidor + ZQcompensación.máx
Qa e r comprende la potencia reactiva máxima de todos los aerogeneradores que están en funcionamiento, Qcable y Qtransformador las potencias reactivas dependientes e independientes de la carga del equipamiento, ZQconsumidor la potencia reactiva de los consumidores en la OSS (estación transformadora o subestación marina) y en aerogeneradores sin inyección. Finalmente, ZQcompensación.máx. es la potencia reactiva máxima por compensación adicional.
En particular, el estado operativo instantáneo del sistema de energía eólica marino se determina preferiblemente de nuevo de manera casi continua o regular. En consecuencia, el cálculo se realiza de nuevo de manera casi continua o regular.
Según otra forma de realización del presente método, la determinación del valor de corrección de la potencia activa puede comprender el cálculo de un valor nominal de la potencia activa máxima admisible en función de la potencia reactiva máxima disponible calculada. La potencia activa del sistema de energía eólica marino puede regularse en función del valor nominal calculado para la potencia activa máxima admisible. En particular, el cálculo del valor de la potencia activa máxima, para el que todavía puede observarse el valor nominal del factor de potencia o el valor nominal de la potencia reactiva requerido en el punto de conexión a la red, puede derivarse de la potencia reactiva máxima disponible calculada previamente. Como resultado, la potencia activa puede regularse con la mayor precisión posible.
Según una forma de realización (alternativa) preferida del método según la presente descripción, proporcionar la variable de estado de la potencia reactiva instantánea puede comprender lo siguiente:
- enviar al menos una variable de ajuste relativa a al menos un aerogenerador desde un dispositivo de regulación del sistema de energía eólica marino a un dispositivo de ampliación de la regulación,
- en donde la variable de ajuste tiene una relación física con la potencia reactiva instantánea del sistema de energía eólica marino, y
- determinar el valor de corrección de la potencia activa por parte del dispositivo de ampliación de la regulación en función de la variable de ajuste proporcionada.
En particular, se ha reconocido que, mediante un dispositivo de ampliación de la regulación adicional, que puede conectarse al dispositivo de regulación del sistema de energía eólica marino, puede proporcionarse fácilmente una regulación de un valor de la potencia, tal como una regulación del factor de potencia o una regulación de la potencia reactiva, lo que asegura que en cada situación operativa puede observarse el valor nominal de la potencia especificado (sin la instalación de componentes adicionales) con una reducción mínima (necesaria) de la potencia activa.
Para ello, al dispositivo de ampliación de la regulación, en particular un dispositivo de regulación limitador (regulador limitador para abreviar), que comprende al menos un regulador (por ejemplo, un regulador I o PI), puede proporcionársele al menos una variable de ajuste de al menos un aerogenerador. La variable de ajuste puede tener una relación física (directa) con la potencia reactiva (por ejemplo, potencia reactiva, corriente reactiva, ángulo de fase de la potencia aparente compleja o de la corriente; la componente de la tensión del estátor del generador que influye directamente en la potencia reactiva; la componente de la tensión de rotor que influye directamente en la potencia reactiva, la componente del acoplamiento inductivo del estátor del generador que influye directamente en la potencia reactiva, etc.). Con el al menos un regulador del dispositivo de ampliación de la regulación puede determinarse un valor de corrección de la potencia activa en función de esta variable de ajuste. A continuación, puede regularse la potencia entregada, en particular en el punto de inyección, en función del valor de corrección de la potencia activa así determinado. En particular, para ello, el valor de corrección de la potencia activa puede reenviarse al dispositivo de regulación del sistema de energía eólica marino. La ventaja de un dispositivo de ampliación de la regulación consiste además en que un dispositivo de regulación (convencional) del sistema de energía eólica marino ya instalado puede ampliarse fácilmente para poder observar un valor nominal de la potencia especificado. El dispositivo de ampliación de la regulación puede ser un módulo de hardware, un módulo de software o una combinación de los mismos.
Sin embargo, puede ser que una regulación del valor de potencia como se describe anteriormente solo sea necesaria en determinadas situaciones operativas. Según una forma de realización preferida del método descrito, puede especificarse al menos una zona de insensibilidad en el dispositivo de ampliación de la regulación, de tal modo que dicho dispositivo de ampliación de la regulación del sistema de energía eólica marino solo se active cuando se alcance la limitación del dispositivo de regulación.
En comparación con el primer enfoque, el enfoque alternativo descrito es en particular independiente de los parámetros de equipamiento y/o del estado operativo instantáneo. La estructura de regulación del dispositivo de regulación limitador dispone de una estructura de regulación adecuada (por ejemplo, con un regulador PI y/o I) que, sin conocimiento de los parámetros de equipamiento y/o el estado operativo, proporciona la mayor precisión y fiabilidad posibles, así como la suficiente dinámica para cumplir con las normas de conexión a la red, es decir, al menos el valor nominal de la potencia.
Además, el dispositivo de regulación limitador puede implementarse de tal modo que solo intervenga activamente cuando el dispositivo de regulación, en particular un regulador de la potencia reactiva del dispositivo de regulación, alcance su limitación. La salida del dispositivo de regulación limitador puede reenviarse al dispositivo de regulación, en particular al valor nominal de la potencia activa de un dispositivo de regulación del sistema de energía eólica marino, con el fin de producir la reducción de la potencia activa necesaria para cumplir con la prioridad de la potencia reactiva o para observar el valor nominal de la potencia especificado.
Preferiblemente, según una forma de realización, como una primera variable de ajuste, puede enviarse una variable de salida de un regulador de la potencia reactiva del dispositivo de regulación al dispositivo de ampliación de la regulación. Como al menos una variable de ajuste adicional, puede enviarse la desviación de regulación del regulador de la potencia reactiva del dispositivo de regulación al dispositivo de ampliación de la regulación. La primera variable de ajuste y la variable de ajuste adicional pueden sumarse para obtener una variable de regulación sumada para el dispositivo de ampliación de la regulación. De este modo, puede lograrse, en particular, que el dispositivo de ampliación de la regulación solo intervenga activamente o se active cuando en la entrada del dispositivo de regulación, en particular en la entrada del regulador de la potencia reactiva haya una desviación de regulación con el mismo signo que en la salida del dispositivo de regulación, en particular del regulador de la potencia reactiva del dispositivo de regulación. Se prefiere particularmente que el dispositivo de ampliación de la regulación solo intervenga activamente cuando un regulador de la potencia reactiva del dispositivo de regulación haya alcanzado su limitación y al mismo tiempo haya una desviación de regulación en su entrada con el mismo signo que en la salida. Se sobreentiende que los signos también pueden ser diferentes con otras estructuras de dispositivos de ampliación de la regulación (por ejemplo, con un regulador PI).
Además, según una forma de realización adicional de la presente descripción, se propone proporcionar como zona de insensibilidad un valor de insensibilidad que corresponda a la limitación de la salida del regulador de la potencia reactiva del dispositivo de regulación. Por ejemplo, puede ser un valor constante que coincida con la limitación de la salida del regulador de la potencia reactiva del dispositivo de regulación.
A partir de la variable de regulación sumada y el valor de insensibilidad, puede obtenerse un valor diferencial y enviarse a un primer regulador del dispositivo de ampliación de la regulación. Por ejemplo, la variable de ajuste sumada puede restarse del valor de insensibilidad (o viceversa). A partir de la variable de regulación sumada y el valor de insensibilidad puede obtenerse un valor sumado, que puede enviarse a al menos otro regulador del dispositivo de ampliación de la regulación. La variable de salida de uno de los reguladores, preferiblemente dispuestos en paralelo, puede enviarse como valor de corrección de la potencia activa a un regulador de la potencia activa del dispositivo de regulación. Esto permite utilizar un regulador para la regulación en la zona de subexcitación y un regulador para la regulación en la zona de sobreexcitación (véase la figura 1). En particular, de los al menos dos reguladores, solo hay un regulador siempre activo. La señal de salida del regulador activo puede enviarse como valor de corrección de la potencia activa a un regulador de la potencia activa del dispositivo de regulación. El regulador está activo y genera un valor de corrección de la potencia activa hasta que la variable de ajuste enviada al regulador respectivo llegue a cero por la reducción de potencia activa (o se alcance el límite de la reducción de la potencia activa). Con tal estructura de regulación de un equipo de regulación, puede lograrse que, sin un conocimiento preciso del estado operativo del sistema de energía eólica marino, en caso necesario, la potencia activa inyectada se reduzca exactamente en la medida necesaria para observar el valor nominal de la potencia reactiva o el valor nominal del factor de potencia.
Según otra forma de realización, el dispositivo de ampliación de la regulación puede comprender al menos un regulador del siguiente grupo:
- regulador PI,
- regulador I,
- regulador de estado,
- observador de estado,
- regulador difuso,
- regulador Monte Carlo,
- regulador que comprende una red neurona! y
- regulador basado en algoritmos de optimización metaheurísticos (por ejemplo, de enjambre de partículas).
Por ejemplo, pueden configurarse redes neuronales para ser entrenadas preferiblemente en todas las variantes de topologías y/o escenarios de inyección de los sistemas de energía eólica marina. Una red neuronal puede estar configurada y, en particular, entrenada de tal modo que, por ejemplo, un regulador de la potencia reactiva de un dispositivo de regulación detecte una desviación de regulación (por ejemplo, la potencia reactiva en el nudo de conexión a la red red) y la red neuronal reaccione de la manera apropiada, teniendo en cuenta los límites (corriente, tensión) del al menos un aerogenerador.
Otro aspecto de la invención es un equipo de regulación, en particular para un sistema de energía eólica marino. El equipo de regulación comprende al menos una entrada configurada para recibir un valor nominal de la potencia. El valor nominal de la potencia es un valor nominal del factor de potencia y/o un valor nominal de la potencia reactiva. El equipo de regulación comprende al menos una entrada adicional configurada para recibir al menos una variable de estado de la potencia reactiva instantánea del sistema de energía eólica marino. El equipo de regulación comprende al menos un dispositivo de determinación configurado para determinar un valor de corrección de la potencia activa en función del valor nominal de la potencia proporcionado y de la variable de estado de la potencia reactiva instantánea proporcionada. El equipo de regulación comprende al menos una salida configurada para enviar el valor de corrección de la potencia activa determinado a un regulador de la potencia activa configurado para regular la potencia activa del sistema de energía eólica marino en función del valor de corrección de la potencia activa enviado, de tal modo que al menos se observe el valor nominal de la potencia proporcionado.
En particular, el equipo de regulación puede operarse de acuerdo con el método descrito anteriormente. El equipo de regulación puede estar diseñado conforme al dispositivo de ampliación de la regulación descrito anteriormente o comprender medios para calcular la potencia reactiva máxima disponible del sistema de energía eólica marino y, en particular, medios para calcular un valor nominal de la potencia activa máxima admisible. En particular, los medios de determinación pueden comprender al menos parte de un dispositivo de ampliación de la regulación o medios para calcular un valor nominal de la potencia activa máxima admisible. También es posible que el equipo de regulación esté formado al menos en parte por el dispositivo de regulación descrito anteriormente y el dispositivo de ampliación de la regulación descrito anteriormente. El equipo de regulación también puede utilizarse para una instalación fotovoltaica, en particular para el al menos un convertidor de una instalación fotovoltaica.
Otro aspecto más de la invención es un sistema de energía eólica marino. El sistema de energía eólica marino comprende al menos un aerogenerador. El sistema de energía eólica marino comprende al menos un equipo de regulación descrito anteriormente.
Preferiblemente, el sistema de energía eólica marino puede comprender una pluralidad de aerogeneradores que están conectados a una subestación marina (común) a través de cables submarinos. A su vez, la subestación marina puede, estar conectada opcionalmente a una estación principal terrestre. El equipo de regulación puede estar instalado, por ejemplo, en la subestación marina o en la estación principal terrestre.
Además, puede estar previsto que un sistema de energía eólica marino pueda estar formado, por ejemplo, por dos (o más) subsistemas de energía eólica marinos adyacentes, cada uno de los cuales puede tener una pluralidad de aerogeneradores, una subestación y/o una estación principal. En este caso, la regulación del valor de la potencia, en particular el método anterior, puede tener lugar de tal modo que la potencia total inyectada por los al menos dos subsistemas de energía eólica marinos se regule conforme a las realizaciones anteriores. Por ejemplo, dos equipos de regulación pueden controlarse mediante un controlador de nivel superior.
Las características de los métodos, sistemas y equipos pueden combinarse libremente entre sí. En particular, las características de la descripción y/o las reivindicaciones dependientes, incluso con elusión total o parcial de las características de las reivindicaciones independientes, por sí mismas o combinadas libremente entre sí, pueden ser independientemente constitutivas de la invención.
Existen ahora una pluralidad de posibilidades para diseñar y perfeccionar el método según la invención, el equipo de regulación según la invención y el sistema de energía eólica marino según la invención. Para ello, se hace referencia, por un lado, a las reivindicaciones subordinadas a las reivindicaciones independientes y, por otro lado, a la descripción de ejemplos de realización en relación con los dibujos. En los dibujos se presenta:
en la fig. 1 un diagrama ilustrativo en el que se muestra el rango del factor de potencia que debe mantenerse,
en la fig. 2 una vista esquemática de un ejemplo de realización de un equipo de regulación según la presente descripción,
en la fig.3 una vista esquemática de un ejemplo de realización de un sistema de energía eólica marino según la presente descripción,
en la fig. 4 una vista esquemática de otro ejemplo de realización de un equipo de regulación según la presente descripción,
en la fig. 5 una vista esquemática de otro ejemplo de realización de un equipo de regulación según la presente descripción, y
en la fig. 6 un diagrama de un ejemplo de realización de un método según la presente descripción.
En lo que sigue, para los mismos elementos se utilizan los mismos números de referencia.
La figura 2 muestra una vista esquemática de un ejemplo de realización de un equipo de regulación 12 según la presente descripción. El equipo de regulación 12 mostrado puede comprender adicionalmente el módulo 26.
Como se aprecia en la figura 2, el equipo de regulación 12 comprende una primera entrada 19 configurada para recibir un valor nominal de la potencia. El valor nominal de la potencia, en particular un valor nominal del factor de potencia y/o un valor nominal de la potencia reactiva, puede ser proporcionado y en particular especificado, por ejemplo, por un servidor de un operador de red a través de una conexión de comunicación 18.
El equipo de regulación 12 dispone al menos de una entrada adicional 16 configurada para recibir al menos una variable de estado de la potencia reactiva instantánea del sistema de energía eólica marino a través de una conexión adicional 24. En este caso, según un ejemplo de realización, puede preverse que proporcionar la variable de estado de la potencia reactiva instantánea comprenda el cálculo de la potencia reactiva máxima disponible del sistema de energía eólica marino en función del estado operativo instantáneo del sistema de energía eólica marino y de al menos un parámetro de equipamiento de la potencia reactiva predeterminado del sistema de energía eólica marino. De este modo, la potencia reactiva máxima disponible puede calcularse y proporcionarse a partir de los rangos de la potencia reactiva documentados de los aerogeneradores y de los parámetros de equipamiento del sistema de energía eólica marino (cables, transformadores, dispositivos de compensación), teniendo en cuenta el estado operativo actual (estado de conmutación en la red del parque eólico, tensiones de red medidas y puntos de funcionamiento de los aerogeneradores). Se sobreentiende que el cálculo también puede ser realizado por el equipo de regulación, por ejemplo, el dispositivo de determinación 22 y/o un módulo adicional.
Además, puede preverse al menos un dispositivo de determinación 22 configurado para determinar un valor de corrección de la potencia activa, en función del valor de valor nominal de la potencia proporcionado y de la variable de estado de la potencia reactiva instantánea proporcionada, como la potencia reactiva máxima disponible calculada. En particular, el dispositivo de determinación 22 también puede calcular, a partir de la potencia reactiva máxima disponible calculada, el valor de la potencia activa máxima, como valor de corrección de la potencia activa, para el que aún puede observarse el valor nominal del factor de potencia o el valor nominal de la potencia reactiva requerido en el punto de conexión a la red.
Además, el equipo de regulación representado 12 tiene al menos una salida 21. La salida 21 está configurada para enviar el valor de corrección de la potencia activa determinado a un regulador de la potencia activa 26 a través de una conexión 28. El regulador de la potencia activa 26, por ejemplo, de un dispositivo de regulación del sistema de energía eólica marino, está configurado en particular para regular la potencia activa del sistema de energía eólica marino en función del valor de corrección de la potencia activa enviado, de tal modo que al menos se observe el valor nominal de la potencia proporcionado. Preferiblemente, el valor nominal de la potencia se observa limitando solo la potencia activa inyectada (prácticamente) hasta que se observe el valor nominal de la potencia especificado. En otras palabras, el valor nominal del factor de potencia especificado o el valor nominal de la potencia reactiva especificado correspondan en particular al factor de potencia o al valor de la potencia reactiva de la potencia inyectada.
La figura 3 muestra una vista esquemática de un ejemplo de realización ilustrativo de un sistema de energía eólica marino 30 según la presente descripción. El sistema de energía eólica marino 30 tiene una pluralidad de aerogeneradores 32 que están conectados a una subestación marina 36 a través de cables submarinos 34. Un cable submarino 34 está configurado en particular para transportar la energía eléctrica generada por un aerogenerador 32 al siguiente aerogenerador 32 o a la subestación 36.
En el presente ejemplo de realización, se prevé una pluralidad de aerogeneradores 32 conectados en serie en una pluralidad de ramales. Por ejemplo, pueden preverse ocho ramales con seis aerogeneradores cada uno.
En el presente caso, para una mejor visión de conjunto, solo se muestran dos ramales, cada uno con dos aerogeneradores 32. Un extremo de un ramal está conectado eléctricamente a la subestación 36 a través de un cable submarino 34. Los otros dos extremos pueden conectarse entre sí mediante un cable submarino adicional (no mostrado). También puede preverse que un ramal pueda conectarse opcionalmente a varios otros ramales. Se sobreentiende que, según otras variantes de la invención, los aerogeneradores también pueden estar dispuestos en estructuras anulares.
Para la comunicación con los aerogeneradores 32, puede preverse una red de comunicación (no mostrada), que puede estar configurada de forma inalámbrica y/o cableada. Además, en el presente caso se prevén otros dos cables submarinos 40. Los cables submarinos 40 están configurados en particular para transportar la corriente generada por el sistema de energía eólica marino 30 a una estación principal 38, tal como una estación principal CCAT 38. En particular, la estación principal CCAT 38 puede disponerse en tierra para inyectar la corriente o la potencia generada en una red eléctrica pública 53. Para ello, la estación principal CCAT 38 puede contar con dispositivos de transformación adicionales (no mostrados).
Además de los dispositivos de transformación (no mostrados), tales como transformadores, en el presente caso, la subestación 36 presenta un ejemplo de realización de un equipo de regulación 52. El equipo de regulación 52 comprende un dispositivo de regulación 42 y un dispositivo de ampliación de la regulación 48. El dispositivo de regulación 42 está configurado, en particular, para regular la corriente inyectada o la potencia inyectada en la red eléctrica 53. Para ello, en el presente ejemplo de realización, el dispositivo de regulación 42 tiene un regulador de la potencia activa 44 y un regulador de la potencia reactiva 46.
Para observar un valor nominal de la potencia especificado, que puede especificarse a través de una entrada (no mostrada), en particular en cualquier situación operativa, en la presente forma de realización hay instalado un dispositivo de ampliación de la regulación 48, que está acoplado al dispositivo de regulación 42. En particular, al menos una variable de ajuste se envía como variable de estado de la potencia reactiva instantánea desde el dispositivo de regulación 42, en particular desde el regulador de la potencia reactiva 46, a una entrada del dispositivo de ampliación de la regulación 48. Además, al menos otra variable de ajuste se reenvía desde el dispositivo de ampliación de la regulación 48 al dispositivo de regulación 42, en particular al regulador de la potencia activa 44.
La variable de ajuste enviada al dispositivo de ampliación de la regulación 48 tiene, en particular, una relación física (directa) con la potencia reactiva. Por ejemplo, la salida del regulador de la potencia reactiva 46 puede tener como variable de ajuste el valor nominal de la tensión de los aerogeneradores 32. Como ya se ha descrito, también son posibles otras variables de ajuste.
El dispositivo de ampliación de la regulación 48 está configurado, en particular, para determinar un valor de corrección de la potencia activa como variable de ajuste para reenviar, en función de la variable de ajuste recibida. Para ello, el dispositivo de ampliación de la regulación 48 puede comprender al menos un regulador, tal como un regulador PI, un regulador I, un regulador difuso, un regulador Monte Carlo, un regulador que comprende una red neuronal y/o un regulador de enjambre de partículas.
El valor de corrección de la potencia activa puede reenviarse entonces al dispositivo de regulación 42. En particular, el regulador de la potencia activa 44 puede regularse en función del valor de corrección de la potencia activa reenviado, de tal modo que la potencia eléctrica pueda inyectarse en la red eléctrica 53 con observancia del valor nominal de la potencia especificado.
Se sobreentiende que el dispositivo de regulación 42 y un dispositivo de ampliación de la regulación 48 también pueden estar instalados alternativamente en la estación principal 38. Por ejemplo, en el caso de una conexión CCAT, un convertidor CCAT puede regular por sí mismo la potencia reactiva (sin influencia de los aerogeneradores) y comprender el dispositivo de ampliación de la regulación. Además, se sobreentiende que, como alternativa al equipo de regulación 52 mostrado, también preverse un equipo de regulación 12 según la figura 2.
A continuación, se describe con más detalle un ejemplo de realización preferida de un equipo de regulación 54 según la presente descripción. La figura 4 muestra una vista esquemática de un ejemplo de realización de una estructura de regulación 54 según la presente descripción. En el presente caso, la estructura de regulación 54 puede constituir en particular el equipo de regulación 54. El equipo de regulación 54 comprende un dispositivo de regulación 42' y un dispositivo de ampliación de la regulación 48'.
El dispositivo de regulación 42' incluye en particular un regulador de la potencia reactiva 56 en forma de un regulador I 56 y un regulador de la potencia activa 58 en forma de un regulador PI o PID 58. El dispositivo de ampliación de la regulación 48' representado comprende un primer regulador 60 en forma de un regulador I 60 (con limitación de la salida) y un regulador adicional 62 en forma de un regulador I 62 (con limitación de la salida). Además, se prevé un elemento de insensibilidad 64, que proporciona una constante como valor de insensibilidad. También puede apreciarse que el equipo de regulación 54 comprende distintos elementos de adición y sustracción 66, 68, 70, 72, 74.
El modo de funcionamiento del equipo de regulación 54 representado se explica con más detalle a continuación.
El dispositivo de ampliación de la regulación 48' está implementado en particular como un regulador limitador 48', que solo interviene activamente cuando el regulador de la potencia reactiva 56 ha alcanzado su limitación y, en particular, al mismo tiempo se presenta una desviación de regulación en la entrada del regulador de la potencia reactiva 56 con el mismo signo que en la salida del regulador de la potencia reactiva 56. En el presente caso, la salida del regulador limitador 48' se reenvía al valor nominal de la potencia activa del dispositivo de regulación 42' del sistema de energía eólica marino, en particular al regulador de la potencia activa 58, a través del elemento 72, con el fin de efectuar la reducción de la potencia activa necesaria para satisfacer la prioridad de la potencia reactiva o el valor nominal de la potencia especificado. Alternativamente, en lugar de un elemento de adición también puede preverse un elemento de multiplicación.
El regulador limitador 48' del presente ejemplo de realización tiene, en particular, dos reguladores I 60, 62 dispuestos en paralelo. En la entrada del regulador limitador 48' puede sumarse en primer lugar la señal de salida, es decir, una variable de ajuste, del regulador de la potencia reactiva 56 a la desviación de regulación del mismo mediante un elemento de adición 70.
La variable de regulación sumada así obtenida se envía en el presente caso a un elemento de adición 68 y a un elemento de sustracción 66. En particular, puede obtenerse un valor diferencial a partir de la variable de regulación sumada y el valor de insensibilidad proporcionado y enviarse al primer regulador 60 del dispositivo de ampliación de la regulación 48'. Además, puede obtenerse un valor sumado a partir de la variable de regulación sumada y el valor de insensibilidad proporcionado y enviarse a otro regulador 62 del dispositivo de ampliación de la regulación 48'.
Por consiguiente, a partir de la diferencia y la suma obtenidas pueden calcularse las desviaciones de regulación para los dos reguladores I 60, 62. El valor de insensibilidad en forma de constante coincide preferiblemente con la limitación de la salida del regulador de la potencia reactiva 56 (por ejemplo, 0,2, ya que el valor de salida en el presente ejemplo es un valor nominal de la tensión incremental, que puede ser de 0,2 p.u. como máximo).
En el ejemplo de realización representado, los dos reguladores I 60, 62 pueden estar limitados respectivamente en un intervalo desde 0 hasta la reducción de la potencia activa máxima negativa (en p.u.). Debido a los diferentes signos en los elementos de adición o sustracción 66, 68 de los dos reguladores I 60, 62, puede lograrse que, en el caso de una desviación de regulación positiva y una salida limitada positivamente del regulador de la potencia reactiva 56, el regulador I superior 60 presente una diferencia de regulación negativa en la entrada. En particular, el regulador I 60 está configurado para integrar hasta que la diferencia de regulación sea cero (o se alcance el límite de la reducción de la potencia activa) por la regulación del regulador de la potencia activa 58, en particular por reducción de la potencia activa.
En el caso de una desviación de regulación negativa y una salida limitada negativamente en el regulador de la potencia reactiva 56, puede producirse una desviación de regulación negativa en el regulador I inferior 62. En particular, el regulador I 62 está configurado para integrar hasta que la desviación de regulación sea cero (o se alcance el límite de la reducción de potencia activa) por la regulación del regulador de la potencia activa 58, en particular por reducción de la potencia activa.
La ventaja de la estructura de regulación 54 representada es en particular que, sin un conocimiento preciso del estado operativo del sistema de energía eólica marino, en caso necesario, la potencia activa se reduce exactamente en la medida necesaria para observar el valor nominal de la potencia reactiva o el valor nominal del factor de potencia.
La figura 5 muestra otra forma de realización de un equipo de regulación según la presente descripción. En particular, se representa un diagrama de conexiones detallado que comprende un regulador de la potencia activa 58', un regulador de la potencia reactiva 56' y un dispositivo de ampliación de la regulación 48'' que comprende dos reguladores I 60' y 62' y un elemento de insensibilidad 64', como ya se ha explicado más detalladamente en relación con la figura 4.
Cabe señalar que para la conexión del regulador limitador 48" a otra variante de regulación del parque (por ejemplo, regulación del factor de potencia o regulación de la tensión), el regulador limitador 48" puede conectarse a la salida (limitada) y a la desviación de regulación de la misma forma que en el caso del regulador de la potencia reactiva. En este caso, solo sería necesaria una parametrización diferente del regulador limitador 48".
La figura 6 muestra un diagrama de un ejemplo de realización de un método según la presente descripción.
En un primer paso 601, por ejemplo, un operador de red puede proporcionar un valor nominal de la potencia que debe ser observado por un sistema de energía eólica marino. El valor nominal de la potencia puede ser un valor nominal del factor de potencia y/o un valor nominal de la potencia reactiva.
Preferiblemente, en paralelo con el paso 601, en el paso 602 puede proporcionarse al menos una variable de estado de la potencia reactiva instantánea del sistema de energía eólica marino, como se ha descrito, por ejemplo, en relación con las figuras 2, 3 y/o 4.
Sobre la base del valor nominal de la potencia proporcionado y la variable de estado de la potencia reactiva instantánea proporcionada, en el paso 603 puede determinarse un valor de corrección de la potencia activa, como también se ha descrito, por ejemplo, en relación con las figuras 2, 3 y/o 4.
Una vez que se ha determinado el valor de corrección de la potencia activa, este puede aplicarse en particular a un regulador de la potencia activa de un dispositivo de regulación del sistema de energía eólica marino. Así pues, en el paso 604, la potencia activa del sistema de energía eólica marino puede regularse en función del valor de corrección de la potencia activa determinado, de tal modo que al menos se observe el valor nominal de la potencia proporcionado.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Método para regular un valor de la potencia de un sistema de energía eólica marino (30), que comprende:
- proporcionar un valor nominal de la potencia, en donde el valor nominal de la potencia es un valor nominal del factor de potencia y/o un valor nominal de la potencia reactiva,
- proporcionar al menos una variable de estado de la potencia reactiva instantánea del sistema de energía eólica marino (30),
- determinar un valor de corrección de la potencia activa en función del valor nominal de la potencia proporcionado y de la variable de estado de la potencia reactiva instantánea proporcionada, y
- regular la potencia activa del sistema de energía eólica marino (30) en función del valor de corrección de la potencia activa determinado, de tal modo que al menos se observe el valor nominal de la potencia proporcionado, en donde proporcionar la variable del estado de la potencia reactiva instantánea comprende:
- calcular la potencia reactiva máxima disponible del sistema de energía eólica marino (30) en función del estado operativo instantáneo del sistema de energía eólica marino (30) y de al menos un parámetro de equipamiento de la potencia reactiva predeterminado del sistema de energía eólica marino (30).
2. Método según la reivindicación 1, caracterizado por que
- la determinación del valor de corrección de la potencia activa comprende calcular un valor nominal de la potencia activa máxima admisible en función de la potencia reactiva máxima disponible calculada, y
- la potencia activa del sistema de energía eólica marino (30) se regula en función del valor nominal calculado para la potencia activa máxima admisible.
3. Método para regular un valor de la potencia de un sistema de energía eólica marino (30), que comprende:
- proporcionar un valor nominal de la potencia, en donde el valor nominal de la potencia es un valor nominal del factor de potencia y/o un valor nominal de la potencia reactiva,
- proporcionar al menos una variable de estado de la potencia reactiva instantánea del sistema de energía eólica marino (30),
- determinar un valor de corrección de la potencia activa en función del valor nominal de la potencia proporcionado y de la variable de estado de la potencia reactiva instantánea proporcionada, y
- regular la potencia activa del sistema de energía eólica marino (30) en función del valor de corrección de la potencia activa determinado, de tal modo que al menos se observe el valor nominal de la potencia proporcionado, en donde proporcionar la variable de estado de la potencia reactiva instantánea comprende lo siguiente:
- enviar al menos una variable de ajuste relativa a al menos un aerogenerador (32) desde un dispositivo de regulación (42, 42') del sistema de energía eólica marino (30) a un dispositivo de ampliación de la regulación (48, 48', 48"),
- en donde la variable de ajuste tiene una relación física con la potencia reactiva instantánea del sistema de energía eólica marino (30), y
- determinar el valor de corrección de la potencia activa por parte del dispositivo de ampliación de la regulación (48, 48', 48") en función de la variable de ajuste proporcionada,
- en donde en el dispositivo de ampliación de la regulación (48, 48', 48") hay especificada al menos una zona de insensibilidad, de tal modo que el dispositivo de ampliación de la regulación (48, 48', 48") del sistema de energía eólica marino (30) solo se activa cuando se alcanza la limitación del dispositivo de regulación (42, 42').
4. Método según la reivindicación 3, caracterizado por que
- como primera variable de ajuste, se envía una variable de salida de un regulador de la potencia reactiva (46, 56, 56') del dispositivo de regulación (42, 42') al dispositivo de ampliación de la regulación (48, 48', 48"),
- como al menos una variable de ajuste adicional, se envía la desviación de regulación del regulador de la potencia reactiva (46, 56, 56') del dispositivo de regulación (42, 42') al dispositivo de ampliación de la regulación (48, 48', 48"), y
- la primera variable de ajuste y la variable de ajuste adicional se suman para obtener una variable de ajuste sumada para el dispositivo de ampliación de la regulación (48, 48', 48”).
5. Método según la reivindicación 4, caracterizado por que
- como zona de insensibilidad se proporciona un valor de insensibilidad que corresponde a la limitación de la salida del regulador de la potencia reactiva (46, 56, 56') del dispositivo de ampliación de la regulación (42, 42'),
- se obtiene un valor diferencial a partir de la variable de ajuste sumada y el valor de insensibilidad, y se envía a un primer regulador (60, 60') del dispositivo de ampliación de la regulación (48, 48', 48"),
- se obtiene un valor sumado a partir de la variable de ajuste sumada y el valor de insensibilidad, y se envía al menos a otro regulador (62, 62') del dispositivo de ampliación de la regulación (48, 48', 48"), y
- en donde la variable de salida de uno de los reguladores (60, 60', 62, 62') se envía como valor de corrección de la potencia activa a un regulador de la potencia activa (26, 44, 58, 58').
6. Método según las reivindicaciones 3 a 5, caracterizado por que el dispositivo de ampliación de la regulación (48, 48', 48") comprende al menos un regulador (60, 60', 62, 62') del grupo siguiente:
- regulador PI,
- regulador I,
- regulador difuso,
- regulador Monte Carlo,
- regulador que comprende una red neuronal, y
- regulador de enjambre de partículas.
7. Equipo de regulación (12, 52, 54) para un sistema de energía eólica marino (30), que comprende:
- al menos una entrada (19) configurada para recibir un valor nominal de la potencia, en donde el valor nominal de la potencia es un valor nominal del factor de potencia y/o un valor nominal de la potencia reactiva,
- al menos una entrada adicional (16) configurada para recibir al menos una variable de estado de la potencia reactiva instantánea del sistema de energía eólica marino (30),
- al menos un dispositivo de determinación (22, 48, 48', 48") configurado para determinar un valor de corrección de la potencia activa en función del valor nominal de la potencia proporcionado y de la variable de estado de la potencia reactiva instantánea proporcionada, y
- al menos una salida (21) configurada para enviar el valor de corrección de la potencia activa determinado a un regulador de la potencia activa (26, 44, 58, 58') configurado para regular la potencia activa del sistema de energía eólica marino (30) en función del valor de corrección de la potencia activa enviado, de tal modo que al menos se observe el valor nominal de la potencia proporcionado, en donde recibir la variable de estado de la potencia reactiva instantánea comprende lo siguiente:
- calcular la potencia reactiva máxima disponible del sistema de energía eólica marino (30) en función del estado operativo instantáneo del sistema de energía eólica marino (30) y al menos un parámetro de equipamiento de la potencia reactiva predeterminado del sistema de energía eólica marino (30).
8. Dispositivo de regulación (12, 52, 54) para un sistema de energía eólica marino (30), que comprende:
- al menos una entrada (19) configurada para recibir un valor nominal de la potencia, en donde el valor nominal de potencia es un valor nominal del factor de potencia y/o un valor nominal de la potencia reactiva,
- al menos una entrada adicional (16) configurada para recibir al menos una variable de estado de la potencia reactiva instantánea del sistema de energía eólica marino (30),
- al menos un dispositivo de determinación (22, 48, 48', 48") configurado para determinar un valor de corrección de la potencia activa en función del valor nominal de la potencia proporcionado y la variable de estado de la potencia reactiva instantánea proporcionada, y
- al menos una salida (21) configurada para enviar el valor de corrección de la potencia activa determinado a un regulador de potencia activa (26, 44, 58, 58') configurado para regular la potencia activa del sistema de energía eólica marino (30) en función del valor de corrección de la potencia activa enviado, de tal modo que al menos se observe el valor nominal de la potencia proporcionado, en donde recibir la variable de estado de la potencia reactiva instantánea comprende lo siguiente:
- enviar al menos una variable de ajuste relativa a al menos un aerogenerador (32) desde un dispositivo de regulación (42, 42') del sistema de energía eólica marino (30) a un dispositivo de ampliación de la regulación (48, 48', 48"),
- en donde la variable de ajuste tiene una relación física con la potencia reactiva instantánea del sistema de energía eólica marino (30), y
- determinar el valor de corrección de la potencia activa por parte del dispositivo de ampliación de la regulación (48, 48', 48") en función de la variable de ajuste proporcionada,
- en donde en el dispositivo de ampliación de la regulación (48, 48', 48") hay especificada al menos una zona de insensibilidad, de tal modo que el dispositivo de ampliación de la regulación (48, 48', 48") del sistema de energía eólica marino (30) solo se activa cuando se alcanza la limitación del dispositivo de regulación (42, 42').
9. Sistema de energía eólica marino (30), que comprende:
- al menos un aerogenerador (32), y
- al menos un equipo de regulación (12, 52, 54) según la reivindicación 7 u 8.
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