ES2941641T3 - Método de control de un generador de aerogenerador - Google Patents
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Abstract
Se describe un método 300 para controlar un generador de turbina eólica. El método comprende hacer funcionar 302 la turbina eólica de acuerdo con una curva de potencia que tiene una región de codo y controlar 304 la temperatura de al menos un punto de acceso térmico del generador de turbina eólica. El método comprende además iniciar 306 un aumento de potencia para aumentar temporalmente la potencia activa generada por el generador de turbina eólica por encima de la potencia nominal cuando el generador de turbina eólica entra en la región de codo de la curva de potencia y controlar 312 al menos uno de una magnitud y una duración del aumento de potencia en función de la temperatura del al menos un punto de acceso térmico del aerogenerador. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Método de control de un generador de aerogenerador
Campo de la invención
La presente invención se refiere principalmente a un método de control de un generador de aerogenerador, y también a un generador de aerogenerador que comprende un controlador, y a un parque eólico que comprende un controlador de parque eólico y una pluralidad de generadores de aerogeneradores.
Antecedentes
Un generador de aerogenerador es un dispositivo que es capaz de generar potencia eléctrica a partir de la energía eólica. La energía cinética del viento se captura por una o más palas giratorias y convierte en energía eléctrica a través de un rotor acoplado a un generador.
La operación de un generador de aerogenerador se controla convencionalmente de acuerdo con una curva de potencia, que es un gráfico que indica la potencia generada por el generador de aerogenerador a diferentes velocidades del viento. Durante la operación, se sabe que los generadores de aerogeneradores gastan hasta aproximadamente 1/3 de su tiempo de operación dentro de una región de la curva de potencia conocida como región de codo. La región de codo es un término de la técnica que se refiere a una sección de la curva de potencia en donde la potencia generada por el generador de aerogenerador aumenta desde por debajo de una potencia nominal hasta la potencia nominal.
Los generadores de aerogeneradores modernos a menudo son capaces de aumentar temporalmente su salida de potencia por encima de la potencia nominal, usando un modo de operación conocido como impulso de potencia. Los impulsos de potencia típicamente se inician cuando el generador de aerogenerador ha estado operando por debajo de la potencia nominal y la velocidad del viento vuelve a estar por encima de la velocidad nominal. Durante un impulso de potencia, la salida de potencia nominal del generador de aerogenerador se puede aumentar hasta aproximadamente un 5%, por ejemplo, ajustando el paso de palas con el fin de aumentar la velocidad de rotación del rotor. Con el fin de evitar dañar el rotor u otros componentes del generador de aerogenerador, el impulso de potencia se limita a un período de tiempo corto de, por ejemplo, aproximadamente 10 segundos. Después del impulso de potencia, se puede iniciar un período de recuperación en donde se permite que el generador y el convertidor se enfríen hasta las temperaturas de operación normales.
Aumentando las características nominales del convertidor, es posible aumentar o extender el impulso de potencia; no obstante, este es un coste prohibitivo. Por lo tanto, un objeto de la presente invención es mejorar la producción anual de energía del generador de aerogenerador, sin aumentar el coste de la lista de materiales.
El documento WO2016/058617 A1 describe un aerogenerador que comprende al menos un sensor de temperatura de cable para medir los valores de temperatura de cable y un controlador dispuesto para generar una señal de control de sobrevaloración al aerogenerador. La señal de control de sobrevaloración se modifica en vista de los valores de temperatura de cable.
Compendio de la invención
Según un primer aspecto de la invención, de acuerdo con la reivindicación 1, se proporciona un método de control de un generador de aerogenerador, que comprende: operar el generador de aerogenerador de acuerdo con una curva de potencia que tiene una región de codo; monitorizar una temperatura de al menos un punto caliente térmico del generador de aerogenerador; iniciar un impulso de potencia para aumentar temporalmente una potencia activa generada por el generador de aerogenerador por encima de una potencia nominal cuando el generador de aerogenerador entra en la región de codo de la curva de potencia; y controlar al menos una de una magnitud y una duración del impulso de potencia en dependencia de la temperatura del al menos un punto caliente térmico del generador de aerogenerador y cuando el generador de aerogenerador entra en la región de codo, se reducen una o más funciones de amortiguación del generador de aerogenerador, de manera que se reduzca una proporción de la potencia activa generada por el generador de aerogenerador que se usa para la una o más funciones de amortiguación y se aumente una proporción de potencia activa generada por el generador de aerogenerador que se puede exportar por el generador de aerogenerador.
De esta forma, la magnitud y la duración del impulso de potencia se pueden aumentar más allá de sus límites preestablecidos habituales sin dañar los componentes del generador de aerogenerador, por ejemplo sin exceder los límites térmicos del convertidor. En particular, se sabe que los generadores de aerogeneradores convencionales limitan su impulso de potencia a aproximadamente el 5% de la potencia nominal durante una duración de 10 segundos para evitar el sobrecalentamiento del convertidor y/u otros componentes del aerogenerador. Como se describe en la presente memoria, el uso de un impulso de potencia adaptativo que se controla de acuerdo con la temperatura de uno o más puntos calientes térmicos del generador de aerogenerador, típicamente o preferiblemente los que son más propensos al sobrecalentamiento, permite que el impulso de potencia sea aumentado de manera segura más allá de los límites actuales sin riesgo de sobrecalentamiento y posterior daño de componentes. Como
resultado, la producción anual de energía del aerogenerador se puede aumentar significativamente sin requerir nuevos componentes de hardware del tren motriz o del sistema de producción de potencia, es decir, sin aumentar el coste de la lista de materiales.
Como se refirió anteriormente, los aerogeneradores gastan aproximadamente 1/3 de su tiempo de operación dentro de una región de la curva de potencia conocida como región de codo. De este modo, maximizar el rendimiento del aerogenerador dentro de la región de codo tiene el potencial de impactar significativamente la producción anual de energía del aerogenerador.
Preferiblemente, tanto la magnitud como la duración del impulso de potencia se controlan en dependencia de la temperatura del al menos un punto caliente térmico del aerogenerador.
En algunos ejemplos, la magnitud del impulso de potencia puede ser al menos el 10% de la potencia nominal. En otros ejemplos, la magnitud del impulso de potencia puede ser al menos el 2%, 3%, 5% o 7% de la potencia nominal, y preferiblemente al menos el 10%, 12%, 15% o 20% de la potencia nominal, pero típicamente no más de aproximadamente el 25% de la potencia nominal.
En algunos ejemplos, la duración del impulso de potencia puede ser de al menos 100 segundos. En otros ejemplos, la duración del impulso de potencia puede ser de al menos 10, 20, 30, 50, 60, 75 o 90 segundos, y preferiblemente de al menos 100, 150 o 200 segundos, pero típicamente no más de 600, 800 o 1000 segundos.
Preferiblemente, al menos una de la magnitud y la duración del impulso de potencia se controla en dependencia de una diferencia entre la temperatura del al menos un punto caliente térmico y una temperatura umbral del al menos un punto caliente térmico. De esta forma, la magnitud y/o la duración del impulso de potencia se aumentan a medida que se disminuye la temperatura del menos un punto caliente térmico. Por ejemplo, en un día fresco cuando la temperatura ambiente es baja, el al menos un punto caliente térmico puede estar significativamente por debajo de la temperatura umbral. Bajo estas circunstancias, un impulso de potencia puede realizarse con una magnitud y/o duración mayores que un impulso de potencia realizado en un día caluroso con una temperatura ambiente alta. Este control adaptativo, que tiene en cuenta las condiciones de operación del aerogenerador, es capaz de maximizar el rendimiento del aerogenerador.
Preferiblemente, tanto la magnitud como la duración del impulso de potencia se controlan en dependencia de la diferencia entre la temperatura del al menos un punto caliente térmico y una temperatura umbral del al menos un punto caliente térmico.
En algunas realizaciones, si la temperatura del al menos un punto caliente térmico se determina que es igual o mayor que la temperatura umbral, la magnitud y la duración del impulso de potencia se pueden controlar para que sean cero, es decir, no se realiza un impulso de potencia.
Preferiblemente, el método comprende además: reducir la potencia reactiva generada por el aerogenerador cuando el aerogenerador entra en la región de codo de la curva de potencia; y controlar al menos una de la magnitud y la duración del impulso de potencia en dependencia de la reducción de la potencia reactiva generada por el aerogenerador. De esta forma, la magnitud y/o la duración del impulso de potencia se pueden aumentar aún más sin sobrecalentar el sistema. En particular, la temperatura del aerogenerador y, por ejemplo, el uno o más puntos calientes térmicos, está influenciada por la temperatura ambiente y la potencia total generada por el aerogenerador, por ejemplo, la potencia total transportada a través del convertidor. La potencia total se compone de potencia activa y potencia reactiva. Por lo tanto, reduciendo temporalmente la potencia reactiva generada por el aerogenerador, la potencia activa generada por el aerogenerador se puede aumentar temporalmente sin aumentar el efecto de calentamiento en el aerogenerador y, en particular, el convertidor.
Preferiblemente, tanto la magnitud como la duración del impulso de potencia se controlan en dependencia de la reducción de la potencia reactiva generada por el aerogenerador.
Preferiblemente, el método comprende además: recibir una indicación de demanda de potencia reactiva; y reducir la potencia reactiva generada por el aerogenerador en dependencia de la indicación de la demanda de potencia reactiva cuando el aerogenerador entra en la región de codo de la curva de potencia. De esta forma, se puede aumentar la magnitud y duración del impulso de potencia, al tiempo que se asegura que se cumple la demanda de potencia reactiva total del parque eólico. Por ejemplo, si la demanda de potencia reactiva es baja, el aerogenerador puede ser capaz de disminuir significativamente la potencia reactiva generada por el aerogenerador durante el impulso de potencia y, de este modo, aumentar aún más la magnitud y la duración del impulso de potencia sin sobrecalentar el aerogenerador. Por el contrario, si la demanda de potencia reactiva es alta, la potencia reactiva puede que no se disminuya tan significativamente (o en absoluto), dando como resultado un aumento menor en la magnitud y la duración del impulso de potencia.
El método comprende además: reducir una o más funciones de amortiguación del aerogenerador cuando el aerogenerador entra en la región de codo, de manera que se reduzca una proporción de la potencia activa generada por el aerogenerador que se usa para la una o más funciones de amortiguación y se aumente una proporción de la potencia activa generada por el aerogenerador que se puede exportar por el aerogenerador. De esta forma, la
magnitud y/o la duración del impulso de potencia se pueden aumentar aún más sin exceder los límites de diseño del convertidor. En particular, la potencia activa generada por el aerogenerador y transportada a través del convertidor se exporta predominantemente a la red. No obstante, una cantidad de la potencia activa también se usa para funciones de amortiguación del aerogenerador. Eliminando temporalmente la prioridad de las funciones de amortiguación, la cantidad de potencia activa que se exporta a la red se puede aumentar durante un impulso de potencia, sin aumentar la cantidad de potencia activa que se transporta a través del convertidor y, por lo tanto, sin exceder los límites de diseño del convertidor.
Preferiblemente, el método comprende además: monitorizar un nivel de oscilaciones asociado con la una o más funciones de amortiguación; y reducir la una o más funciones de amortiguación en dependencia del nivel de oscilaciones. De esta forma, se puede optimizar el impulso de potencia de acuerdo con el nivel de oscilaciones, al tiempo que se asegura que no se vea comprometida la seguridad del aerogenerador. Cuanto menor sea el nivel de oscilaciones, mayor será la reducción en las funciones de amortiguación y, de este modo, mayor será el aumento de la magnitud y duración del impulso de potencia. En algunos ejemplos, si se determina que el nivel de oscilaciones está por debajo de un primer nivel de oscilaciones, las funciones de amortiguación se pueden deshabilitar por completo. Por el contrario, si se determina que el nivel de oscilaciones está por encima de un segundo nivel de oscilaciones, las funciones de amortiguación no se pueden reducir, asegurando por ello una operación segura del aerogenerador.
Preferiblemente, la una o más funciones de amortiguación comprenden al menos una de: amortiguación del tren motriz; y amortiguación activa de la torre.
Preferiblemente, el uno o más puntos calientes térmicos corresponde a uno o más componentes del aerogenerador que comprende al menos uno de: un chip de transistor bipolar de puerta aislada, IGBT; una bobina de choque de red; un condensador; y una barra colectora.
Preferiblemente, el método comprende además: controlar una velocidad de rotación de un rotor del aerogenerador de manera que se limite una desviación estándar de las variaciones en la velocidad de rotación del rotor. De esta forma, se limita el par y, de este modo, también se limitan los excesos de corriente en el convertidor del lado de la máquina. Esto proporciona mayor margen para el impulso de potencia activa.
Según un segundo aspecto de la invención, se proporciona un controlador para un generador de aerogenerador, configurado para realizar el método del primer aspecto.
Según un tercer aspecto de la invención, se proporciona un generador de aerogenerador que comprende un controlador según el segundo aspecto.
Según un cuarto aspecto de la invención, se proporciona un parque eólico que comprende un controlador de parque eólico y una pluralidad de generadores de aerogeneradores según el tercer aspecto, en donde el controlador de parque eólico está configurado para: en respuesta a al menos un generador de aerogenerador de la pluralidad de generadores de aerogeneradores que realizan un impulso de potencia en su región de codo, controlar al menos una de la potencia activa y la potencia reactiva generada por al menos un generador de aerogenerador de la pluralidad de generadores de aerogeneradores que no está operando en su región de codo. De esta forma, el aumento de la potencia activa o disminución de la potencia reactiva del al menos un generador de aerogenerador que se somete a un impulso de potencia se puede compensar por los demás generadores de aerogeneradores para lograr, por ejemplo, una salida del parque eólico constante.
Preferiblemente, el controlador del parque eólico está configurado para controlar al menos una de la potencia activa y la potencia reactiva generadas por el al menos un generador de aerogenerador de la pluralidad de generadores de aerogeneradores que no están operando en su región de codo de acuerdo con al menos una de una demanda de potencia activa y una demanda de potencia reactiva. De esta forma, se asegura que la salida de potencia total del parque eólico cumple las demandas de la red eléctrica.
Preferiblemente, dicho control de al menos una de la potencia activa y la potencia reactiva comprende: aumentar la potencia reactiva generada por el al menos un generador de aerogenerador de la pluralidad de generadores de aerogeneradores que no están operando en su región de codo. De esta forma, es posible conseguir una salida de potencia reactiva del parque eólico total constante. Por ejemplo, los aerogeneradores en la dirección en contra del viento pueden comenzar a operar en la región de codo antes que los aerogeneradores en la dirección a favor del viento. Por lo tanto, el controlador del parque eólico puede aumentar la salida de potencia reactiva de uno o más aerogeneradores en la dirección a favor del viento para compensar los aerogeneradores en la dirección en contra del viento que están sometiéndose a un impulso de potencia con una salida de potencia reactiva reducida.
En este documento, también se puede hacer referencia al generador de aerogenerador solo como 'aerogenerador'. No obstante, con 'aerogenerador' se entiende un generador de aerogenerador. No obstante, cuando solamente se usa la palabra 'generador', se hace referencia - a menos que se entienda evidentemente de otro modo a partir de la oración y el párrafo dados - al dispositivo eléctrico específico que transfiere energía de rotación de un eje de transmisión del generador de aerogenerador en energía eléctrica, es decir, la unidad generadora en sí misma.
Breve descripción de los dibujos
Ahora se describen realizaciones de la invención, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos, en los que: la Figura 1 es una vista esquemática de un generador de aerogenerador;
la Figura 2 es una curva de potencia típica de un generador de aerogenerador;
la Figura 3 es un diagrama de flujo que muestra los pasos del método para operar un generador de aerogenerador; y la Figura 4 es una vista esquemática de un parque eólico que comprende un controlador de parque eólico y una pluralidad de generadores de aerogeneradores.
Descripción detallada
La Figura 1 muestra una vista esquemática de un generador de aerogenerador 100 típico. El aerogenerador 100 comprende una torre 102, una góndola 104 dispuesta en un extremo longitudinal de la torre 102 y un rotor 106 acoplado a la góndola 104. El rotor 106 comprende un buje giratorio 108 que tiene una pluralidad de palas 110 montadas en el mismo y que se proyectan hacia fuera del buje 108. En la realización ilustrada, el rotor 106 incluye tres palas 110, pero los expertos en la técnica apreciarán que el número puede variar. La góndola 104 típicamente aloja un generador y un convertidor (no mostrado). Un eje de transmisión (no mostrado) conecta el buje 108 al generador o bien directamente o bien a través de una caja de engranajes. En uso, el rotor 106, y en particular la pluralidad de palas 110, se acciona por el viento que hace que el buje 108 gire. Como consecuencia, el eje de transmisión también gira y hace que el generador genere energía eléctrica. El convertidor convierte la energía eléctrica generada en energía eléctrica adecuada para su entrega a una red eléctrica conectada, es decir, que tiene una frecuencia que coincide con la de la red eléctrica conectada.
El aerogenerador 100 comprende además un controlador 112 configurado para controlar la operación del aerogenerador 100. El controlador se puede situar dentro de la góndola 104 o se puede distribuir en una serie de ubicaciones dentro (o externamente) del aerogenerador 100 y conectar de manera comunicativa al aerogenerador 100.
La Figura 2 muestra una curva de potencia 200 típica que se puede usar por el controlador 112 para controlar la operación del aerogenerador 100. La curva de potencia 100 se traza en un gráfico de salida de potencia, y más específicamente de salida de potencia activa, frente a la velocidad del viento. A bajas velocidades del viento, no hay suficiente par en las palas 110 para hacer que el rotor 106 gire y la salida de potencia del aerogenerador 100 es cero. A medida que la velocidad del viento aumenta, el rotor 106 comienza a girar y generar energía eléctrica. La velocidad del viento a la que el rotor 106 comienza a girar y generar energía eléctrica se conoce como velocidad de conexión 202. Como ejemplo, la velocidad de conexión 202 puede oscilar de 3 a 4 metros por segundo.
A medida que la velocidad del viento aumenta aún más por encima de la velocidad de conexión 202, la potencia generada por el aerogenerador 100 aumenta significativamente. A menudo se hace referencia a esto como el aerogenerador 100 operando bajo carga parcial. La operación de carga parcial continúa hasta que la velocidad del viento alcanza una velocidad nominal del viento 204. A la velocidad nominal del viento 204, el aerogenerador 100 comienza a operar a plena carga y genera una potencia nominal 206, tal como 8 MW o 10MW. La potencia nominal 206 es la salida de potencia eléctrica continua máxima que un aerogenerador 100 está diseñado que logre en operación y condiciones externas normal. Esto asegura que no se excedan las cargas de diseño y la vida de fatiga de los componentes. En otras palabras, la potencia nominal 206 es la salida de potencia máxima que el aerogenerador 100 es capaz de entregar durante un período de tiempo sostenido. Como ejemplo, la velocidad nominal del viento 204 puede estar entre 12 y 17 metros por segundo.
A medida que la velocidad del viento aumenta aún más por encima de la velocidad nominal del viento 204, la potencia generada por el aerogenerador 100 permanece sustancialmente constante a la potencia nominal 206 hasta que se alcanza una velocidad de desconexión 208. Se puede lograr una salida de potencia constante, por ejemplo, alterando el ángulo de paso de las palas 110 de modo que las palas 110 se inclinen fuera del viento máximo. A la velocidad de desconexión 208, se considera demasiado inseguro operar el aerogenerador 100. El aerogenerador 100 se apaga, por ejemplo, utilizando un sistema de frenado, reduciendo por ello las cargas que actúan sobre el aerogenerador 100, y la salida de potencia del aerogenerador 100 se reduce a cero. Como ejemplo, la velocidad de desconexión 208 puede ser de aproximadamente 25 metros por segundo.
Como se ilustra, la curva de potencia 200 comprende una curva característica en forma de “S” entre la velocidad de conexión 202 y la velocidad nominal 204. La región de la curva de potencia 200 en la que la salida de potencia se estabiliza y aumenta desde por debajo de la potencia nominal 206 hasta la potencia nominal 206 se conoce como la región de codo 210, a la que también se hace referencia como área de codo o punto de desviación. A través de la región de codo 210, el aerogenerador 100 hace una transición de operación de carga parcial a plena carga, o viceversa.
Un método para aumentar temporalmente la potencia generada por el aerogenerador 100 por encima de la potencia nominal 206 se conoce como impulso de potencia. Los impulsos de potencia típicamente se inician cuando el aerogenerador 100 ha estado operando por debajo de la potencia nominal 206 y la velocidad del viento vuelve a estar por encima de la velocidad nominal 204. Durante un impulso de potencia, la salida de potencia del aerogenerador 100 se puede aumentar, por ejemplo, ajustando el paso de las palas 110 con el fin de aumentar la velocidad de rotación del rotor 106.
Con el fin de evitar dañar el rotor 106 u otros componentes del aerogenerador 100 (es decir, para evitar exceder sus límites térmicos), los impulsos de potencia convencionales están limitados a una magnitud predeterminada, típicamente hasta un máximo del 5% de la potencia nominal 206, y una duración predeterminada, típicamente hasta un máximo de 5 segundos.
Después del impulso de potencia, se puede iniciar un período de recuperación que permite que los componentes del aerogenerador 100 tales como el generador y el convertidor se enfríen hasta temperaturas de operación normales. La Figura 3 ilustra un diagrama de flujo que es un método 300 de control de un aerogenerador 100 de acuerdo con una realización de la presente invención. En particular, el método 300 permite que la magnitud y/o duración de un impulso de potencia se aumente más allá de los límites predeterminados convencionales. De esta forma, se puede maximizar la potencia total exportada a la red y aumentar la producción de energía anual del aerogenerador 100. En general, el método 300 se describirá en la presente memoria con referencia al aerogenerador 100 y, en particular, se puede implementar por el controlador 112 del aerogenerador 100. No obstante, se debería apreciar que el método 300 se puede implementar usando aerogeneradores, generadores de aerogeneradores o controladores de aerogeneradores que tengan cualquier otra configuración adecuada. Además, aunque la Figura 3 representa los pasos realizados en un orden particular con propósitos de ilustración y discusión, los métodos discutidos en la presente memoria no están limitados a ningún orden o disposición particular.
El método comienza en el paso 302 en donde un aerogenerador 100 se opera de acuerdo con una curva de potencia 200, la curva de potencia 200 tiene una región de codo 210 en la que la potencia activa generada por el aerogenerador 100 aumenta desde por debajo de una potencia nominal 206 hasta la potencia nominal 206.
En el paso 304, se monitoriza la temperatura de al menos un punto caliente térmico del aerogenerador 100. Un punto caliente térmico se puede definir como una ubicación dentro del aerogenerador 100 que es particularmente susceptible al sobrecalentamiento durante la operación del aerogenerador 100. Ejemplos de componentes del aerogenerador 100 que se pueden considerar como puntos calientes térmicos incluyen un chip de transistor bipolar de puerta aislada (IGBT), una bobina de choque de red, un condensador; y una barra colectora. Las temperaturas respectivas del uno o más puntos calientes térmicos se pueden medir continuamente durante la operación del aerogenerador 100, a intervalos periódicos durante la operación del aerogenerador 100, inmediatamente antes de iniciar el impulso de potencia y/o durante el impulso de potencia. Las mediciones se pueden realizar usando uno o más sensores de temperatura dispuestos en ubicaciones respectivas del uno o más puntos calientes térmicos. La temperatura de los puntos calientes térmicos se ve influenciada por la temperatura ambiente y la potencia total generada por el aerogenerador 100.
En el paso 306, se inicia un impulso de potencia para aumentar temporalmente la potencia activa generada por el aerogenerador 100 por encima de la potencia nominal 206 cuando el aerogenerador 100 entra en la región de codo 210 de la curva de potencia 200. El impulso de potencia se puede realizar igualmente cuando el aerogenerador 100 entra en la región de codo 210 debido a un aumento de la velocidad del viento, o cuando el aerogenerador 100 entra en la región de codo 210 debido a una disminución en la velocidad del viento.
Preferiblemente, el aumento temporal de la potencia activa ocurre cada vez que el aerogenerador 100 entra en la región de codo 210. No obstante, pueden ser beneficiosos los modos particulares en los que el modo de impulso de potencia solamente ocurre si se cumplen otras condiciones específicas, por ejemplo, solamente cuando se entra en la región de codo 210 mientras que está disminuyendo la velocidad del viento o solamente cuando se entra en la región de codo 210 mientras que está aumentando la velocidad del viento. Algunos aerogeneradores 100 se pueden ajustar para entrar en el modo de impulso cada vez que el aerogenerador 100 entra en la región de codo 210, otros solamente mientras que está aumentando la velocidad del viento y otros más solamente mientras que está disminuyendo la velocidad del viento.
Los posibles criterios alternativos o adicionales para iniciar el impulso de potencia pueden incluir uno o más de una duración desde el último impulso de potencia, la producción actual de todo un parque de aerogeneradores 400 y la producción histórica y/o predicha del parque de aerogeneradores 400.
En algunas realizaciones, el impulso de potencia solamente se puede iniciar si la temperatura del al menos un punto caliente térmico está por debajo de un umbral de temperatura. Por ejemplo, una temperatura umbral para el chip de IGBT puede ser de 100°C, que es la temperatura de operación máxima para el chip de IGBT con una vida útil prevista de 25 años. Por lo tanto, en este caso, el impulso de potencia solamente se puede iniciar si la temperatura del chip de IGBT se determina que es menor que 100°C.
Opcionalmente, en el paso 307, se puede monitorizar el nivel de oscilaciones dentro de una o más ubicaciones del aerogenerador 100. Por ejemplo, se puede monitorizar el nivel de oscilaciones dentro de la torre 102 y/o el tren motriz (por ejemplo, generador, caja de engranajes). El nivel de oscilaciones se puede monitorizar continuamente durante la operación del aerogenerador 100, a intervalos periódicos durante la operación del aerogenerador 100, inmediatamente antes de iniciar el impulso de potencia, y/o durante el impulso de potencia.
En el paso 308, una o más funciones de amortiguación del aerogenerador 100 se reducen o inhabilitan temporalmente. Esto puede ocurrir concurrentemente con el inicio del impulso de potencia cuando el aerogenerador 100 entra en la región de codo 210 de la curva de potencia 200, o inmediatamente antes del inicio del impulso de potencia cuando el aerogenerador 100 entra en la región de codo 210 de la curva de potencia 200.
La potencia eléctrica pico que se puede transportar a través del convertidor del aerogenerador 100 está determinada por los límites térmicos del convertidor. Por encima de la potencia eléctrica pico, se espera que el convertidor se sobrecaliente y se pueda dañar el aerogenerador 100. La potencia total transportada a través del convertidor, es decir, la potencia total generada por el aerogenerador 100, se reparte en varios componentes. Una primera proporción de la potencia transportada a través del convertidor se usa para funciones de amortiguación transitorias, por ejemplo, amortiguación del tren motriz y/o amortiguación activa de la torre, tal como la amortiguación de la torre de lado a lado, una segunda proporción de la potencia transportada a través del convertidor se pierde como calor, y una tercera proporción, es decir, el resto de la potencia, se puede exportar a la red eléctrica. Por lo tanto, eliminando temporalmente la priorización o reduciendo los componentes que no se exportan a la red, la potencia (activa) que se puede transportar o se transporta a la red se puede aumentar sin exceder la potencia eléctrica pico que se puede transportar a través del convertidor del aerogenerador 100.
En particular, reduciendo o inhabilitando una o más funciones de amortiguación, la cantidad de potencia activa que se usó anteriormente para la una o más funciones de amortiguación se puede exportar en su lugar a la red, permitiendo por ello un impulso de potencia con una mayor magnitud y/o duración sin exceder los límites térmicos, por ejemplo, los límites térmicos del convertidor.
Ejemplos de funciones de amortiguación incluyen amortiguación activa de la torre y amortiguación del tren motriz. Las funciones de amortiguación pueden operar controlando el generador del aerogenerador 100, de manera que el par que contrarresta se proporcione al eje del generador. En otras palabras, se pueden imponer fluctuaciones de potencia activa por el controlador 112 para reducir las fluctuaciones de par en la caja de engranajes, conocidas como amortiguación del tren motriz, o reducir los movimientos de la torre, conocidas como amortiguación activa de la torre o de lado a lado de la torre. Reduciendo o desinhibiendo la una o más funciones de amortiguación, una carga más alta, tal como la carga de fatiga, de los componentes, por ejemplo, el tren motriz se acepta a cambio de un aumento temporal de la producción de potencia activa, es decir, un impulso de potencia aumentado.
En algunas realizaciones, la una o las funciones de amortiguación se pueden reducir o inhabilitar de acuerdo con el nivel de oscilaciones dentro de una o más ubicaciones del aerogenerador 100, como se monitoriza en el paso 307. Por ejemplo, cuando el nivel de oscilaciones es bajo, las funciones de amortiguación se pueden reducir o inhabilitar significativamente por completo. Por el contrario, cuando el nivel de oscilaciones es alto, las funciones de amortiguación solamente se pueden reducir ligeramente o no reducir absolutamente. Ventajosamente, esto asegura que la seguridad del aerogenerador no se vea comprometida cuando se reducen las funciones de amortiguación. En algunas realizaciones, la una o más funciones de amortiguación se pueden reducir o inhabilitar de acuerdo con la temperatura ambiente. Por ejemplo, si la temperatura ambiente es menor que una temperatura ambiente umbral, la una o más funciones de amortiguación se pueden inhabilitar, mientras que si la temperatura ambiente es más alta que la temperatura ambiente umbral, se puede minimizar la una o más funciones de amortiguación. Los expertos en la técnica apreciarán que la una o las funciones de amortiguación se pueden controlar de manera similar de acuerdo con la temperatura del uno o más puntos calientes térmicos, por ejemplo, el chip de IGBT, que es dependiente de la temperatura ambiente.
Opcionalmente, en el paso 309, se recibe una indicación de demanda de potencia reactiva. Por ejemplo, el aerogenerador 100 puede recibir una indicación de la cantidad mínima de potencia reactiva que el aerogenerador 100 debe producir para satisfacer las demandas de la red eléctrica. La indicación de demanda de potencia reactiva se puede recibir en el aerogenerador 100 continuamente durante la operación del aerogenerador 100, a intervalos periódicos durante la operación del aerogenerador 100, inmediatamente antes de iniciar el impulso de potencia y/o durante el impulso de potencia.
En el paso 310, se reduce la potencia reactiva generada por el aerogenerador 100. Esto puede ocurrir concurrentemente con el inicio del impulso de potencia cuando el aerogenerador 100 entra en la región de codo 210 de la curva de potencia 200, o inmediatamente antes del inicio del impulso de potencia cuando el aerogenerador 100 entra en la región de codo 210 de la curva de potencia 200. La potencia total generada por el aerogenerador 100 y transportada a través del convertidor está compuesta por potencia activa y potencia reactiva, ambas de las cuales son responsables de accionar los límites térmicos del convertidor. Por lo tanto, reduciendo temporalmente la potencia reactiva que se genera por el aerogenerador 100 y alimenta a través del convertidor del lado de la red, se
puede generar una mayor cantidad de potencia activa por el aerogenerador y alimentar a través del convertidor sin exceder los límites térmicos del convertidor.
En algunas realizaciones, la potencia reactiva generada por el aerogenerador 100 se puede reducir de acuerdo con la indicación de demanda de potencia reactiva, recibida en el paso 309. Por ejemplo, la potencia reactiva se puede reducir a una cantidad mínima de potencia reactiva que es capaz de satisfacer las demandas de potencia reactiva de la red eléctrica. Alternativamente, el aerogenerador 100 se puede operar en un modo de control de factor de potencia, en donde la producción de potencia reactiva del aerogenerador 100 se controla para que coincida con la producción de potencia activa en una relación fija. Por ejemplo, dado que la energización reactiva de una red de agrupaciones en alta mar es baja por debajo de la potencia nominal donde la corriente total de las turbinas es menor que la nominal, operar en el modo de control de factor de potencia dará como resultado una minimización automática de la demanda de inyección de potencia reactiva por el aerogenerador 100 a la red en la región de codo 210 cuando la potencia del aerogenerador 100 no haya alcanzado una potencia nominal, dejando por ello más margen para el impulso de potencia activa. Esto se puede apreciar usando la relación entre potencia total (S), potencia activa (P) y potencia reactiva (Q), que se puede dar mediante P = - V s 2 - Q2 .
Las ráfagas de viento repentinas son susceptibles de causar variaciones en la velocidad de rotación del rotor 106. Por lo tanto, en algunas realizaciones, el método 200 puede comprender además controlar el aerogenerador 100 de manera que se limite o minimice una desviación estándar de las variaciones de la velocidad de rotación del rotor 106. Esto puede ocurrir concurrentemente con el inicio del impulso de potencia cuando el aerogenerador 100 entra en la región de codo 210 de la curva de potencia 200, o durante la operación del aerogenerador 100 dentro de la región de codo 210. Tal control limita el par y, de este modo, limita los excesos de corriente en el convertidor del lado de la máquina, que de otro modo darían como resultado que el aerogenerador 100 se detuviera debido a la desconexión del convertidor. Por lo tanto, se permite un mayor margen para el impulso de potencia activa.
En el paso 312, al menos una de una magnitud y una duración del impulso de potencia, y preferentemente tanto la magnitud como la duración del impulso de potencia, se controla de acuerdo con la temperatura del uno o más puntos calientes y, opcionalmente, la reducción en la una o más funciones de amortiguación y/o la reducción en la potencia reactiva generada por el aerogenerador 100. Esto puede ocurrir concurrentemente con el inicio del impulso de potencia cuando el aerogenerador 100 entra en la región de codo 210 de la curva de potencia 200, o inmediatamente antes del inicio del impulso de potencia cuando el aerogenerador 100 entra en la región de codo 210 de la curva de potencia 200. Como se discutió anteriormente, controlando el impulso de potencia de acuerdo con estos factores, la magnitud y/o la duración del impulso de potencia se puede maximizar sin exceder los límites térmicos del aerogenerador 100, y en particular el convertidor. Por ejemplo, la magnitud y/o la duración del impulso de potencia se pueden controlar en dependencia de una diferencia entre la temperatura del al menos un punto caliente térmico y una temperatura umbral del al menos un punto caliente térmico. El al menos un punto caliente térmico típicamente puede corresponder a un componente dentro del aerogenerador 100 con la inercia térmica más alta. Por ejemplo, el al menos un punto caliente térmico puede corresponder a la ubicación del chip de IGBT, y la temperatura umbral para el chip de IGBT puede ser de 100°C.
En algunas realizaciones, la magnitud y/o la duración del impulso de potencia se pueden controlar concurrentemente con el inicio del impulso de potencia cuando el aerogenerador 100 entra en la región de codo 210 de la curva de potencia 200. En otras palabras, la magnitud y/o la duración del impulso de potencia se controla de acuerdo con la temperatura del uno o más puntos calientes térmicos, y opcionalmente la reducción en la una o más funciones de amortiguación y/o la reducción en la potencia reactiva generada por el aerogenerador 100, en el instante en que el aerogenerador 100 entra en la región de codo 210. En otras realizaciones, la magnitud y/o la duración del impulso de potencia se pueden controlar, además o alternativamente, durante el impulso de potencia. Por ejemplo, la magnitud y/o la duración del impulso de potencia se pueden controlar de manera adaptativa de acuerdo con la temperatura variable del uno o más puntos calientes térmicos durante el impulso de potencia.
La operación del aerogenerador 100 de acuerdo con el método 300 permite que la magnitud del impulso de potencia se aumente hasta al menos el 10% de la potencia nominal 206, y/o la duración del impulso de potencia se aumente hasta al menos 100 segundos, sin exceder los límites de diseño del aerogenerador 100.
En el paso 314, se termina el impulso de potencia. Esto se puede causar por el aerogenerador 100 que excede la duración del impulso de potencia controlado en el paso 312, o se puede causar por el aerogenerador 100 que sale de la región de codo 210 de la potencia curva 200, por ejemplo, la velocidad del viento que disminuye por debajo de la velocidad de conexión 202 o el viento que aumenta por encima de la velocidad nominal 204. El método 300 regresa al paso 302 en donde el aerogenerador 100 se opera de acuerdo con la curva de potencia 200. En otras palabras, una vez que se pasa la región de codo 210, el aerogenerador 100 vuelve al control normal, a ambos lados de la región de codo 100, es decir, el aerogenerador 100 de manera gradual o inmediata deja de realizar el impulso de potencia.
La Figura 4 muestra un parque eólico 400 que comprende un controlador de parque eólico 402 y una pluralidad de aerogeneradores 100 (es decir, generadores de aerogeneradores). Cada aerogenerador 100 está configurado para ser controlado de acuerdo con el método 300. En el ejemplo ilustrado, el parque eólico 400 comprende cuatro
aerogeneradores 100, pero los expertos en la técnica apreciarán que el número de aerogeneradores 100 puede variar.
Cada aerogenerador 100 está acoplado comunicativamente a un controlador de parque eólico 402, o bien de manera inalámbrica o bien a través de una conexión por cable. El controlador de parque eólico 402 puede comunicarse bidireccionalmente con cada aerogenerador 100, y el controlador de parque eólico 402 está configurado para controlar la operación de cada controlador de parque eólico 402, por ejemplo, enviar uno o más comandos a cada aerogenerador 100, el uno o más comandos que están configurados para controlar la operación del aerogenerador 100, tal como aumentar o disminuir la potencia reactiva generada por el aerogenerador 100. Cada aerogenerador 100 está configurado para enviar potencia eléctrica a un punto de conexión a la red 404 a través de una o más líneas eléctricas 406.
El controlador de parque eólico 402 está configurado para controlar la salida de potencia (por ejemplo, potencia activa y/o potencia reactiva) de uno o más aerogeneradores 100 de la pluralidad de aerogeneradores 100 para asegurar, por ejemplo, una salida de potencia constante del parque eólico 400 al punto de conexión a la red 404 y/o que la salida de potencia del parque eólico 400 cumpla la demanda de potencia de la red.
En particular, cuando al menos un aerogenerador 100 de la pluralidad de aerogeneradores 100 está realizando un impulso de potencia en su región de codo 210, el controlador de parque eólico 402 puede controlar o ajustar la potencia activa y/o la potencia reactiva generada por al menos un aerogenerador 100 de la pluralidad de aerogeneradores 100 que no están operando en su región de codo 210. Por ejemplo, la potencia activa y/o potencia reactiva generadas por al menos un aerogenerador 100 que no está operando en su región de codo 210 se puede controlar en dependencia de al menos una de una demanda de potencia activa y una demanda de potencia reactiva de la red.
En algunas realizaciones, cuando al menos un aerogenerador 100 está realizando un impulso de potencia y ha reducido su generación de potencia reactiva (es decir, se ha realizado el paso 310 del método 300), el controlador del parque eólico 402 puede aumentar la potencia reactiva generada por al menos otro aerogenerador 100 que no está operando en la región de codo 210. De esta forma, la reducción en la salida de potencia reactiva del aerogenerador 100 que se somete a un impulso de potencia se compensa por el al menos otro aerogenerador 100 que no se está sometiendo a un impulso de potencia. En otras palabras, el controlador de parque eólico 402 está configurado para controlar una proporción de la potencia reactiva (y/o activa) generada por los dos o más aerogeneradores 100 de la pluralidad de aerogeneradores 100 de acuerdo con una diferencia en la temporización de los dos o más aerogeneradores 100 que entran en la región de codo 210 de la curva de potencia 200.
Por ejemplo, uno o más aerogeneradores 100 situados en una posición en la dirección en contra del viento del parque eólico 400 puede entrar en sus respectivas regiones de codo 210 antes que uno o más aerogeneradores 100 situados en una posición en la dirección a favor del viento del parque eólico 400. En consecuencia, el uno o más aerogeneradores 100 en la posición en la dirección en contra del viento pueden iniciar un impulso de potencia y reducir su salida de potencia reactiva, mientras que el uno o uno o más aerogeneradores 100 en la posición en la dirección a favor del viento continuarán su operación normal. En respuesta, el controlador del parque eólico 402 aumentará la salida de potencia reactiva del uno o más aerogeneradores 100 en la posición en la dirección a favor del viento que no han entrado en sus respectivas regiones de codo 210, compensando por ello la reducción en la potencia reactiva del uno o más aerogeneradores 100 en la posición en la dirección en contra del viento.
Claims (13)
1. Un método (300) de control de un generador de aerogenerador (100), que comprende:
operar (302) el generador de aerogenerador de acuerdo con una curva de potencia (200) que tiene una región de codo (210);
monitorizar (304) una temperatura de al menos un punto caliente térmico del generador de aerogenerador; iniciar (306) un impulso de potencia para aumentar temporalmente una potencia activa generada por el generador de aerogenerador por encima de una potencia nominal cuando el generador de aerogenerador entra en la región de codo de la curva de potencia; y
controlar (312) al menos una de una magnitud y una duración del impulso de potencia en dependencia de la temperatura del al menos un punto caliente térmico del aerogenerador (100)
caracterizado por que, cuando el generador de aerogenerador entra en la región de codo (210), se reduce una o más funciones de amortiguación del generador de aerogenerador, de manera que se reduzca una proporción de la potencia activa generada por el aerogenerador (100) que se usa para la una o más funciones de amortiguación y se aumente una proporción de la potencia activa generada por el generador de aerogenerador que se puede exportar por el generador de aerogenerador.
2. El método de la reivindicación 1, en donde al menos una de la magnitud y la duración del impulso de potencia se controla en dependencia de la diferencia entre la temperatura del al menos un punto caliente térmico y una temperatura umbral del al menos un punto caliente térmico.
3. El método de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, que comprende además:
reducir una potencia reactiva generada por el generador de aerogenerador (100) cuando el generador de aerogenerador entra en la región de codo (210) de la curva de potencia (200); y
controlar al menos una de la magnitud y la duración del impulso de potencia en dependencia de la reducción de la potencia reactiva generada por el generador de aerogenerador.
4. El método de la reivindicación 3, que comprende además:
recibir una indicación de demanda de potencia reactiva; y
reducir la potencia reactiva generada por el generador de aerogenerador (100) en dependencia de la indicación de demanda de potencia reactiva cuando el generador de aerogenerador (100) entra en la región de codo de la curva de potencia.
5. El método de la reivindicación 4, que comprende además:
monitorizar un nivel de oscilaciones asociado con la una o más funciones de amortiguación; y
reducir la una o más funciones de amortiguación en dependencia del nivel de oscilaciones.
6. El método de la reivindicación 4 o la reivindicación 5, en donde la una o más funciones de amortiguación comprenden al menos una de:
amortiguación del tren motriz; y
amortiguación activa de la torre.
7. El método de cualquier reivindicación anterior, en donde el uno o más puntos calientes térmicos corresponden a uno o más componentes del generador de aerogenerador (100) que comprenden al menos uno de:
un chip de transistor bipolar de puerta aislada, IGBT;
una bobina de choque de red;
un condensador; y
una barra colectora.
8. El método de cualquier reivindicación anterior, que comprende además:
controlar una velocidad de rotación de un rotor del generador de aerogenerador (100) de manera que se limite una desviación estándar de las variaciones en la velocidad de rotación del rotor.
9. Un controlador para un generador de aerogenerador (100), configurado para realizar el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8.
10. Un generador de aerogenerador (100) que comprende un controlador según la reivindicación 9.
11. Un parque eólico (400) que comprende un controlador de parque eólico y una pluralidad de generadores de aerogeneradores según la reivindicación 10, en donde el controlador de parque eólico está configurado para: en respuesta a al menos un generador de aerogenerador (100) de la pluralidad de generadores de aerogeneradores que realizan un impulso de potencia en su región de codo, controlar al menos una de la potencia activa y la potencia reactiva generadas por al menos un generador de aerogenerador de la pluralidad de generadores de aerogeneradores que no están operando en su región de codo.
12. El parque eólico (400) de la reivindicación 11, en donde el controlador del parque eólico se configura para controlar al menos una de la potencia activa y la potencia reactiva generadas por el al menos un generador de aerogenerador de la pluralidad de generadores de aerogeneradores que no están operando en su región de codo de acuerdo con al menos una de una demanda de potencia activa y una demanda de potencia reactiva.
13. El parque eólico (400) de la reivindicación 11 o la reivindicación 12, en donde dicho control de al menos una de la potencia activa y la potencia reactiva comprende:
aumentar la potencia reactiva generada por el al menos un generador de aerogenerador de la pluralidad de generadores de aerogeneradores que no están operando en su región de codo (210).
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