ES2947415T3 - Método de control de un generador de turbina eólica - Google Patents

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Abstract

Un método para usar en el control de un generador de turbina eólica (1) de una planta de energía eólica basado en una condición de un convertidor de energía o un componente que forma parte de un convertidor de energía en la planta de energía eólica. El método comprende determinar la condición inicial del convertidor de potencia o un componente que forma parte de un convertidor de potencia y determinar la evolución de la condición desde la condición inicial en base a valores de referencia de potencia nocionales del aerogenerador (1). El método comprende además comparar la evolución de la condición con un umbral predeterminado y determinar, a partir de la comparación, un período de tiempo en el que la condición del convertidor de potencia o un componente que forma parte de un convertidor de potencia igualará sustancialmente el umbral predeterminado. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método de control de un generador de turbina eólica
La presente invención se refiere a un método para usar en el control de un convertidor de potencia en un generador de turbina eólica de una planta de energía eólica.
Antecedentes de la invención
Una turbina eólica convierte la energía contenida en el viento en energía eléctrica, que normalmente se entrega a una red eléctrica. Dado que la naturaleza cambiante del viento implica una producción de energía eléctrica de características variables, también se incluye un convertidor de energía para modificar la energía eléctrica de frecuencia variable producida por el generador en una salida de energía eléctrica de frecuencia fija que es más adecuada para entregar a una red eléctrica.
Para este fin, se proporciona un controlador de convertidor para ajustar la salida del convertidor de potencia de acuerdo con las condiciones ambientales del viento. El controlador del convertidor también se puede usar para administrar el generador en vista de las consideraciones de seguridad y las limitaciones físicas para mantener una producción de energía rentable al evitar fallos en los componentes y minimizar el tiempo de inactividad.
El documento de la técnica anterior EP2948679A1 divulga un método para controlar una turbina eólica. El método implica pronosticar la evolución de la temperatura de un componente de la turbina eólica basándose en los parámetros operativos actuales de la turbina eólica y en la potencia de salida requerida; predecir a partir del pronóstico de temperatura un futuro evento de alarma causado por la temperatura del componente que excede un primer nivel de umbral o cae por debajo de un segundo nivel de umbral; y ajustar los parámetros de funcionamiento de la turbina eólica para controlar la evolución de la temperatura del componente y así evitar o retrasar el evento de alarma previsto.
La invención se ha concebido en este contexto.
Sumario de la invención
Un aspecto de la invención proporciona un método para usar en el control de un generador de turbina eólica de una planta de energía eólica basado en una condición de un convertidor de energía o un componente que forma parte de un convertidor de energía en la planta de energía eólica. El método es de acuerdo con la reivindicación independiente 1.
El método comprende además determinar, en base a los valores de referencia de potencia, un límite de potencia activa y un límite de potencia reactiva. Preferiblemente, el límite de potencia activa y el límite de potencia reactiva toman la forma de un gráfico P-Q.
El método comprende además priorizar entre potencia activa y potencia reactiva al determinar el límite de potencia activa y el límite de potencia reactiva.
El método comprende además controlar el generador de turbina eólica en los valores teóricos de referencia de potencia durante una duración que no exceda el período de tiempo.
La temperatura inicial y la evolución de la temperatura se determinan como una función no lineal basada en la pérdida de potencia del convertidor de potencia o de un componente que forma parte de un convertidor de potencia a los parámetros de funcionamiento actuales y una temperatura ambiente.
Preferiblemente, la pérdida de potencia del convertidor de potencia o un componente que forma parte de un convertidor de potencia se determina en función de la tensión a través del convertidor de potencia y la corriente a través del convertidor de potencia. Más preferiblemente, la pérdida de potencia del convertidor de potencia es el producto de la tensión a través del convertidor de potencia y la corriente a través del convertidor de potencia. Cada una de estas propiedades puede medirse directamente o estimarse de otro modo.
Preferiblemente, el método, cuando se aplica a una pluralidad de convertidores de potencia, comprende además seleccionar, de una pluralidad de períodos de tiempo, el período de tiempo más corto como el período de tiempo.
Preferiblemente, la temperatura ambiente es la temperatura medible más cercana al convertidor de potencia. Es decir, la temperatura ambiente es la temperatura de un área que rodea al convertidor de potencia en la medida en que sea razonablemente posible medirla. Esto puede incluir, por ejemplo, la temperatura del aire ambiente.
Preferiblemente, el método comprende además comparar la condición inicial del convertidor de potencia con el umbral predeterminado y modificar los valores de referencia de potencia del generador de turbina eólica si la condición es sustancialmente igual o excede el umbral predeterminado. En particular, la etapa de modificar los valores de referencia de potencia actuales de la turbina eólica comprende la desclasificación de los parámetros.
Otro aspecto de la invención proporciona un controlador para una turbina eólica que comprende unos medios de procesamiento de datos y un módulo de memoria, en donde el módulo de memoria comprende un conjunto de instrucciones de código de programa que, cuando son ejecutadas por los medios de procesamiento de datos, implementan un método de acuerdo con el primer aspecto de la invención.
Otro aspecto de la invención proporciona un producto de programa informático descargable desde una red de comunicación y/o almacenado en un medio legible por máquina que comprende instrucciones de código de programa para implementar un método de acuerdo con el primer aspecto de la invención.
Se apreciará que las características preferidas y/u opcionales del primer aspecto de la invención pueden incorporarse solas o en combinación apropiada también en el segundo aspecto de la invención.
Breve descripción de los dibujos
A continuación, se describirán los aspectos anteriores y otros de la invención, tan solo a modo de ejemplo, con referencia a los siguientes dibujos, en los que:
La figura 1 es un diagrama esquemático de un generador de turbina eólica que es adecuado para su uso con realizaciones de la invención;
La figura 2 es un diagrama esquemático de una arquitectura de una planta de energía eólica basada en un convertidor a gran escala que es adecuada para su uso con realizaciones de la invención;
La figura 3 es una representación en diagrama de bloques de un controlador de convertidor del convertidor de la figura 2;
La figura 4 es un diagrama de bloques de un administrador de capacidad térmica del controlador de convertidor de la figura 3;
La figura 5 es un diagrama de bloques de un modelo térmico de componentes del administrador de capacidad térmica de la figura 4;
La figura 6 es un modelo térmico del modelo térmico de componentes de la figura 5; y,
La figura 7 es una representación de un gráfico P-Q típico utilizado por el controlador del convertidor de la figura 3;
La figura 8 es un gráfico que ilustra la evolución de la temperatura de un componente utilizando el modelo térmico de componentes de la figura 5;
La figura 9 es un diagrama de bloques esquemático de una arquitectura de una disposición DFIG que es adecuada para su uso con realizaciones de la invención.
En los dibujos, las partes similares se indican con signos de referencia similares.
Descripción detallada de las realizaciones de la invención
Para proporcionar contexto a la invención, la figura 1 muestra un generador de turbina eólica individual 1 de un tipo que puede controlarse según realizaciones de la invención. Debe apreciarse que el generador de turbina eólica 1 de la figura 1 se menciona aquí solo a modo de ejemplo, y sería posible implementar realizaciones de la invención en muchos tipos diferentes de sistemas de turbina eólica.
El generador de turbina eólica 1 que se muestra es una turbina eólica de eje horizontal contra el viento (HAWT) de tres palas, que es el tipo más común de turbina en uso. El generador de turbina eólica 1 comprende un rotor de turbina 2 que tiene tres palas 3, estando soportado el rotor 2 en la parte delantera de una góndola 4 de la forma habitual. Se observa que aunque tres palas es común, se pueden usar diferentes números de palas en realizaciones alternativas. La góndola 4 está a su vez montada en la parte superior de una torre de soporte 5, que está fijada a una base (no mostrada) que está incrustada en el suelo.
La góndola 4 contiene un generador (no mostrado en la figura 1) que es accionado por el rotor 2 para producir energía eléctrica. Por lo tanto, el generador de turbina eólica 1 es capaz de generar energía a partir de un flujo de viento que pasa a través del área de barrido del rotor 2, provocando la rotación de las palas 3.
Con referencia a continuación a la figura 2, se muestra un ejemplo de una planta de energía eólica 12 a la que se pueden aplicar métodos según realizaciones de la invención. El ejemplo que se muestra es solo representativo y el lector experto apreciará que los métodos que se describen a continuación pueden aplicarse a muchas configuraciones diferentes. Por ejemplo, aunque el ejemplo que se muestra en la figura 2 se basa en una arquitectura de convertidor a gran escala, en la práctica, la invención se puede usar con otros tipos de convertidores y, en términos generales, la invención es adecuada para usarse con todas las topologías, tales como disposiciones de DFIG.
Además, el convertidor de potencia o los componentes que forman parte de un convertidor de potencia de la planta de energía eólica 12 son convencionales y, como tales, son familiares para el lector experto, y por lo tanto solo se describirán de forma general.
La planta de energía eólica 12 que se muestra en la figura 2 incluye un solo generador de turbina eólica 1 como el que se muestra en la figura 1, pero en la práctica pueden incluirse más generadores de turbinas eólicas.
Como ya se ha señalado, el generador de turbina eólica 1 comprende un generador eléctrico 20 que es accionado por un rotor (no mostrado en la figura 2) para producir energía eléctrica. El generador de turbina eólica 1 incluye un enlace de baja tensión 14 definido por un haz de líneas de baja tensión 16 que terminan en un transformador de acoplamiento 18, que actúa como un terminal que conecta la turbina eólica 1 a una línea de transmisión de red, que a su vez se conecta a una red eléctrica. La energía eléctrica producida por la turbina eólica 1 se entrega a la red a través del transformador de acoplamiento 18.
La energía producida en el generador eléctrico 20 es CA trifásica, pero no está en una forma adecuada para la entrega a la red, en particular porque normalmente no está en la frecuencia o el ángulo de fase correctos. Por consiguiente, el generador de turbina eólica 1 incluye un convertidor de potencia 22 y un filtro 24 dispuestos entre el generador eléctrico 20 y el transformador de acoplamiento 18 para procesar la salida del generador eléctrico 20 en una forma de onda adecuada que tiene la misma frecuencia que la red y el ángulo de fase apropiado.
El convertidor de potencia 22 proporciona conversión de CA a CA alimentando corriente eléctrica a través de un convertidor de CA-CC 26 seguido de un convertidor de CC-CA 28 en serie. El convertidor CA-CC 26 está conectado al convertidor CC-CA 28 mediante un enlace CC convencional 30, que incluye un conmutador 31 en serie con una resistencia 32 para actuar como una carga de descarga para permitir que se descargue el exceso de energía, y un condensador 34 que proporciona suavizado para la salida de CC.
Se puede utilizar cualquier convertidor de potencia 22 adecuado. En esta realización, las partes CA-CC y CC-CA del convertidor de potencia 22 están definidas por puentes respectivos de dispositivos de conmutación (no mostrados), por ejemplo, en la configuración de un convertidor consecutivo convencional de dos niveles. Los dispositivos de conmutación adecuados para este propósito incluyen transistores bipolares de puerta integrada (IGBT) o transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido de metal (MOSFET). Los dispositivos de conmutación normalmente funcionan utilizando señales de activación moduladas por ancho de pulso.
La salida de CC suavizada del convertidor CA-CC 26 es recibida como una entrada de CC por el convertidor CC-CA 28 y crea una salida de CA trifásica para entregar al transformador de acoplamiento 18.
Como se ha indicado anteriormente, en una arquitectura a gran escala, el convertidor CC-CA 28 está configurado para proporcionar un nivel de control sobre las características de la energía de CA producida, por ejemplo, para aumentar la potencia reactiva relativa en función de la demanda de la red. Teniendo en cuenta que la magnitud, el ángulo y la frecuencia de la salida están dictados por los requisitos de la red, y que la tensión se establece en un nivel constante de acuerdo con las especificaciones del enlace de baja tensión 14, en la práctica, solo se controla la corriente de la salida de CA, y se proporciona un controlador de convertidor 36 para este fin. El controlador de convertidor 36 forma parte de un sistema de control general que controla el funcionamiento de la planta de energía eólica 12 y se describe con más detalle más adelante con referencia a la figura 3.
El sistema de control actúa en base a datos de muestra obtenidos por un sistema de muestreo que sondea el generador de turbina eólica 1 en varias etapas para muestrear señales eléctricas que son indicativas de corriente y/o tensión, por ejemplo. En particular, como es típico para una arquitectura a gran escala, el sistema de muestreo recopila datos sin procesar relacionados con la corriente y la tensión de las salidas del estator 23 del generador 20 y del convertidor de potencia 22 en el lado de la red. Estos datos sin procesar se procesan en datos de muestra, que luego se pasan al controlador del convertidor 36, por ejemplo. El controlador del convertidor 36 usa los datos de muestra para determinar los parámetros operativos para el generador de turbina eólica 1. Por ejemplo, se puede determinar el ciclo de trabajo de las señales de control para los IGBT del lado del generador del convertidor de potencia 22, al menos en parte, en base a las propiedades instantáneas de la energía generada suministrada por el generador eléctrico 20.
La salida de CA sale del convertidor de potencia 22 a través de las tres líneas de potencia 16, llevando una cada fase, que juntas definen el enlace de baja tensión 14. El enlace de baja tensión 14 incluye el filtro 24, que en esta realización comprende un respectivo inductor 38 con un respectivo condensador de filtro derivado 40 para cada una de las tres líneas eléctricas 16 , para proporcionar filtrado de paso bajo para eliminar los armónicos de conmutación de la forma de onda de CA.
Las tres líneas eléctricas 16 también pueden incluir cada una un disyuntor respectivo (no mostrado) para gestionar fallos dentro de la planta de energía eólica 12.
Como se ha indicado anteriormente, el enlace de baja tensión 14 termina en el transformador de acoplamiento 18, que proporciona un aumento requerido en la tensión. Una salida de alta tensión del transformador de acoplamiento 18 define un terminal de generador de turbina eólica 42, que actúa como punto de acoplamiento común para el parque eólico 12.
El enlace de baja tensión 14 también incluye tres ramas, una para cada fase, que definen líneas eléctricas auxiliares 44 que desvían parte de la energía que sale del filtro 24 para alimentar sistemas auxiliares de la planta de energía eólica 12, tales como, por ejemplo, sistemas de guiñada, cabeceo y refrigeración.
Como parte de la potencia que sale del convertidor de potencia 22, o Pconv, se desvía para proporcionar energía a los sistemas auxiliares, o PAUX, se sigue que PCONV es mayor que la potencia que se entrega a la red, o 'potencia de línea' Pl.
El controlador de convertidor 36 puede configurarse para priorizar las diversas referencias de potencia que recibe y ajustar correspondientemente la referencia de potencia total según la cual se controla el convertidor de potencia 22.
Por ejemplo, si la potencia total demandada, es decir, la demanda total de la red, Pl, combinada con la demanda total para alimentar los sistemas auxiliares, PAUX, es mayor que la potencia total que la planta de energía eólica 12 es capaz de producir con respecto a la temperatura ambiente y a las condiciones del viento, Pconv, la demanda no será satisfecha en alguna parte del sistema. En esta situación, el controlador de convertidor 36 puede controlar el convertidor de potencia 22 de acuerdo con una lista de referencias de potencia priorizadas para garantizar que se satisfaga la demanda total de la red. Como alternativa, la demanda total de la red puede sacrificarse en favor de la demanda total para alimentar los sistemas auxiliares.
Como muestra la figura 3, el controlador de convertidor 36 de esta realización comprende un controlador de potencia activa 46, un controlador de potencia reactiva 48, un bloque de software que define un módulo de administración de energía 50 y un administrador de capacidad térmica 49. El lector experto apreciará que, en la práctica, el controlador del convertidor 36 puede incluir varios otros módulos de control, pero para los fines de la presente divulgación solo se hace referencia a aquellos que se relacionan con el control de potencia.
El controlador de potencia activa 46 y el controlador de potencia reactiva 48 funcionan en tándem para interactuar con controladores de corriente (no mostrados), que emiten señales de activación a los dispositivos de conmutación del convertidor de potencia 22 para controlar los componentes activos y reactivos de su salida de CA en función de las señales recibidas de los controladores de potencia activa y reactiva 46, 48. El controlador de potencia activa 46 está configurado para recibir una referencia de potencia activa del módulo de administración de energía 50, y el administrador de energía reactiva 48 está configurado para recibir una referencia de energía reactiva del módulo de administración de energía 50.
El módulo de gestión de energía 50 proporciona un conjunto de funciones que permiten el procesamiento y la optimización de las referencias de energía que surgen dentro de la planta de energía eólica 12 y las recibidas de fuentes externas, tal como un operador del sistema de transmisión responsable de la red, un controlador de planta de energía responsable de múltiples generadores de turbinas eólicas dentro de una sola planta de energía eólica, o un controlador de turbina, por ejemplo.
El módulo de administración de energía 50 está modularizado, porque comprende un conjunto de módulos discretos, cada uno de los cuales proporciona una función específica. En esta realización, esos módulos se implementan como bloques de software individuales dentro de una unidad de procesamiento común, pero en otras disposiciones podrían utilizarse módulos de hardware dedicados.
La disposición modularizada mejora la integración con el controlador del convertidor 36, en particular, porque permite desarrollar y actualizar funciones individuales sin afectar otras funciones. Además, se puede crear una jerarquía claramente definida entre las diferentes funciones, mejorando así la interacción entre las funciones y, por lo tanto, mejorando la eficiencia del controlador convertidor 36.
Más específicamente, en esta realización, el módulo de administración de energía 50 incluye un administrador de referencia de energía 52, un administrador de capacidad de potencia 54 y un administrador de modo degradado 56. Estos módulos están ordenados de acuerdo con una jerarquía en la que el administrador de modo degradado 56 proporciona entradas al administrador de capacidad de potencia 54, que a su vez proporciona entradas al administrador de referencia de energía 52, que luego transmite una referencia de potencia activa y una referencia de potencia reactiva al controlador de potencia activa 46 y al controlador de potencia reactiva 48, respectivamente.
El administrador de modo degradado 56 está dispuesto para degradar, o desclasificar, la capacidad de generación de energía del generador 20 en base a parámetros operativos instantáneos. Por ejemplo, la capacidad de generación del generador 20 puede degradarse si la temperatura de un sistema de refrigeración del generador de turbina eólica 1 es más alta de lo que debería ser, o si un módulo dentro del convertidor de potencia 22 desarrolla un fallo.
El administrador de modo degradado 56, por lo tanto, se relaciona con el nivel de energía que el generador de turbina eólica 1 puede producir en un nivel fundamental, en vista de consideraciones de seguridad o limitaciones físicas.
Para este fin, el administrador de modo degradado 56 también está dispuesto para degradar la capacidad de generación de energía del generador 20 según la temperatura de al menos un componente de la planta de energía eólica 12. Por ejemplo, la capacidad de generación de energía puede degradarse si se determina que la temperatura de un componente está cerca o excede un umbral predeterminado del componente, que podría ser un límite de temperatura de funcionamiento o un límite de temperatura general del componente. Las temperaturas que excedan el límite anterior podrían comprometer el rendimiento del componente, mientras que las temperaturas que excedan el último límite pondrían al componente en riesgo de desarrollar un fallo y convertirse en un peligro de incendio. Esto significa que sería necesario apagar el generador de turbina eólica 1 para reparar o reemplazar el componente, resultando en pérdida de tiempo de producción.
Algunos ejemplos de componentes cuyas temperaturas pueden usarse para degradar la capacidad de generación de energía del generador 20 son los siguientes: los inductores 38; el convertidor CA-CC 26; el convertidor CC-CA 28; el conmutador 31; la resistencia 32; un disyuntor de estator (no mostrado) usado en el generador 20; y, los disyuntores respectivos (no mostrados) utilizados en las líneas eléctricas 16. Sin embargo, será evidente para los expertos en la técnica que esta lista de componentes no es exhaustiva y que la temperatura de otros componentes de la planta de energía eólica 12 podría usarse para determinar si se degrada la capacidad de generación de energía del generador 20.
El administrador de capacidad térmica 49 está configurado para calcular la temperatura de los componentes de un convertidor de energía y generar una referencia de reducción de potencia al módulo de administración de energía 36 en función de la comparación entre la temperatura calculada y un umbral predeterminado del convertidor de energía o un componente que forma parte de un convertidor de potencia. El funcionamiento del administrador de capacidad térmica 49 se describe a continuación con más detalle con un enfoque en un solo componente de la planta de energía eólica 12. Será evidente para un experto en la materia, sin embargo, que el administrador de capacidad térmica 49 es capaz de calcular y realizar una comparación de temperaturas para múltiples convertidores de potencia o componentes que forman parte de un convertidor de potencia simultáneamente.
La figura 4 muestra la arquitectura del administrador de capacidad térmica 49 en forma esquemática. El administrador de capacidad térmica 49 incluye una serie de módulos, cada uno de los cuales proporciona una función dedicada, que procesan datos de muestra recibidos del sistema de muestreo en una secuencia de etapas con el fin de generar referencias de reducción de potencia que se pasan al módulo de administración de energía 52. Las referencias de reducción limitan la salida del generador 20 y el convertidor 22 de acuerdo con las temperaturas estimadas del convertidor de potencia o de los componentes que forman parte de un convertidor de potencia de la planta de energía eólica 12. Los expertos en la técnica apreciarán que las referencias de reducción también se pueden generar en función de las mediciones directas de la temperatura de un componente, cuando estén disponibles.
Específicamente, el administrador de capacidad térmica 49 comprende cuatro módulos: un perturbador de punto de operación 60; un módulo térmico de componentes 62; un evaluador de capacidad del convertidor 64; y, un controlador de reducción de potencia 66. Estos módulos pueden incorporarse como bloques de software, por ejemplo, o alternativamente como componentes de hardware dedicados. Aunque solo se muestra el modelo térmico 62 de un componente por simplicidad, en la práctica, se incluye un modelo térmico de componente respectivo para cada componente que se va a monitorizar.
El perturbador de punto operativo 60 recibe datos de entrada que incluyen las referencias de potencia activa y reactiva presentes, y datos de muestra que indican parámetros operativos tales como tensión y corriente en varias etapas de la planta de energía eólica 12, así como la temperatura ambiente.
Con referencia a figura 5, el modelo térmico de componentes 62 comprende tres bloques de software: un modelo de circuito de componentes 67; un modelo de pérdida de componentes 68; y, un modelo térmico 70.
El modelo de circuito de componentes 67 simula la tensión a través y la corriente a través del componente en base a los datos de entrada recibidos del perturbador de punto operativo 60 en relación con las referencias de potencia activa y reactiva presentes.
Una vez que se han determinado la tensión y la corriente, a su vez, se utilizan como entradas para un modelo de pérdida de componentes 68, que está configurado para determinar la potencia asociada disipada por el componente. A continuación, se utiliza la potencia disipada, junto con una temperatura ambiente del componente, como entradas para el modelo térmico 70, que estima la temperatura actual del componente.
La temperatura ambiente en este caso es una temperatura medible más cercana al componente. Es decir, la temperatura ambiente es una indicación de la temperatura de un área que rodea al componente en la medida en que sea razonablemente posible medirla. Esto puede incluir, por ejemplo, la temperatura del aire o la temperatura del sistema de refrigeración en las proximidades del componente. La temperatura ambiente puede estimarse o medirse utilizando métodos o sistemas convencionales, todo lo cual será familiar para el lector experto.
La figura 6 muestra un ejemplo de un modelo térmico, indicado en general con el número 70, para uso en el modelo térmico de componentes 62. El modelo térmico 70 es un modelo de orden superior que comprende una pluralidad de circuitos Foster 72 dispuestos en serie. Sin embargo, será evidente para el lector experto que el modelo térmico 70 también podría implementarse como un primer, modelo de segundo orden o de orden superior. En este ejemplo, el mismo flujo de calor, que es equivalente a la pérdida de potencia determinada utilizando el modelo de pérdida de componentes, pasa por cada circuito Foster 72. Sin embargo, será evidente para el lector experto que un componente puede estar expuesto a más de un flujo de calor donde el mismo modelo térmico se comparte entre los componentes. Cada circuito Foster 72 comprende un condensador 74 y una resistencia 76 dispuestos en paralelo, y la suma de las caídas de tensión en cada parte es igual a la diferencia de temperatura entre la temperatura del componente y la temperatura ambiente. Esto se puede expresar simplemente como:
Figure imgf000007_0001
Cada circuito de Foster 72 es una función de primer orden, que se puede describir mediante una constante de tiempo y una ganancia (H):
Figure imgf000007_0002
En donde,
Figure imgf000007_0003
La temperatura del componente se puede estimar entonces como:
Figure imgf000007_0004
La salida del modelo térmico del componente 62 se pasa al evaluador de capacidad del convertidor 64, que compara la temperatura del componente con un umbral predeterminado.
El evaluador de capacidad del convertidor 64 emite una indicación sobre si la temperatura estimada del componente es sustancialmente igual o supera el umbral predeterminado al controlador de reducción de potencia 66. Si se determina que la temperatura estimada del componente es sustancialmente igual o excede el umbral predeterminado, el controlador de reducción de potencia 66 genera respectivos factores de reducción de potencia activa y potencia reactiva en consecuencia. Los factores de reducción se pasan al administrador de modo degradado 56 del módulo de administración de energía 50, que los utiliza para actualizar las referencias de potencia activa y reactiva que se utilizan para controlar el funcionamiento del convertidor 22 y el generador 20. En caso de que la temperatura del componente supere el umbral predeterminado, los factores de reducción pueden ser proporcionales o no lineales con respecto a la medida en que se supera el umbral.
El administrador de modo de degradación 56 calcula factores de degradación de entre 0 y 1 que se aplican globalmente en todo el sistema. En un ejemplo simplificado, si el administrador de modo degradado 56 determina que el generador 20 solo es capaz de generar la mitad de su capacidad normal en términos de potencia activa debido a una temperatura excesiva del componente, el administrador de modo degradado 56 calcula un factor de degradación de 0,5 para la potencia activa.
A este respecto, se observa que como deben evitarse temperaturas excesivas de los componentes, en esta realización, los factores de reducción que calcula el controlador de reducción 66 definen una capacidad máxima del convertidor 22 y, a su vez, el generador 20. Cualquier otro factor que pueda provocar una mayor degradación, tal como los que se mencionan a continuación, luego se aplican dentro de los parámetros establecidos por los factores de reducción. Por lo que, por ejemplo, si los factores de reducción se establecen en 0,8, el administrador del modo de degradación generará un factor de degradación en el intervalo de 0 a 0,8.
Los factores de degradación calculados por el administrador de modo de degradación 56 se envían al administrador de capacidad de potencia 54, que utiliza los factores para actualizar un gráfico P-Q que define la relación entre la potencia activa y la potencia reactiva que la turbina eólica 1 es capaz de producir, así como magnitudes absolutas para cada tipo de potencia. Un ejemplo de un gráfico P-Q 80 que puede ser utilizado por el controlador del convertidor 36 se muestra en la figura 7, que representa la potencia activa en kilovatios, en el eje x, contra la potencia reactiva en kilovoltios-amperios reactivos, en el eje y.
Una línea continua 82 que forma una forma trapezoidal representa la capacidad del generador 20 cuando funciona a capacidad normal. El lector experto apreciará que esta forma es típica para cualquier gráfico P-Q para un generador 20 de un generador de turbina eólica. Dentro de la línea continua 82, una línea discontinua 84 que forma un trapecio más pequeño representa una capacidad degradada para el generador 20.
Se indica que en el ejemplo que se muestra en la figura 7, tanto la potencia activa como la reactiva se degradan en la capacidad degradada representada por la línea discontinua 84, y cada una en cantidades iguales. Sin embargo, en otros modos de funcionamiento solo se puede degradar uno de estos, o se puede aplicar una ponderación diferente a cada tipo de potencia. Por ejemplo, si se prioriza la potencia activa sobre la reactiva, la potencia reactiva se degrada en mayor medida que la potencia activa y, opcionalmente, solo se degrada la potencia reactiva. De manera correspondiente, si se prioriza la potencia reactiva, la potencia activa se degrada en mayor medida que la potencia reactiva.
Las líneas que se muestran en el gráfico P-Q 80 definen, por lo tanto, la capacidad de generación de energía a largo plazo del generador de turbina eólica 1. El administrador de capacidad de potencia 54 actualiza el gráfico P-Q 80 de acuerdo con los factores de degradación generados por el administrador de modo de degradación 56, si esos factores caen por debajo de 1.
El administrador de capacidad de potencia 54 genera entonces límites de potencia activa y reactiva comprobando el gráfico P-Q actualizado 80 frente a una priorización de potencia activa frente a potencia reactiva, que está definido por un modo de operación del generador de turbina eólica 1 como lo indica el controlador de la planta de energía o el controlador de la turbina.
Por ejemplo, si se prioriza la potencia reactiva, pero una referencia de potencia reactiva suministrada por el controlador de la planta de energía o el controlador de la turbina no puede cumplirse dentro de los límites del gráfico P-Q actualizado 80, el administrador de capacidad de potencia 54 ajusta los límites de potencia activa y reactiva en consecuencia degradando más el límite de potencia activa para permitir que se satisfaga la demanda de potencia reactiva.
A su vez, una vez que el administrador de capacidad de potencia 54 ha actualizado el gráfico P-Q 80 de acuerdo con el factor de degradación proporcionado por el administrador de modo de degradación 56, y ha generado límites de potencia activa y reactiva de acuerdo con la priorización entre los dos tipos de potencia, esos límites de potencia se comunican al controlador de la planta de energía o al controlador de la turbina como una solicitud de reducción de potencia. El controlador de la planta de energía y el controlador de la turbina pueden tener en cuenta la solicitud al generar el siguiente conjunto de referencias de potencia, proporcionando así un circuito de retroalimentación para este elemento del control. De esta manera, los cambios definidos por los factores de reducción basados en la temperatura de los componentes en comparación con su respectivo umbral predeterminado se propagan por toda la planta de energía eólica 12.
El gráfico P-Q actualizado 80 se transmite al administrador de referencia de potencia 52, que también recibe varias referencias de energía de varias fuentes. A este respecto, el administrador de referencias de energía 52 incluye una entrada (no mostrada) que está configurada para recibir las diversas referencias de energía. El administrador de referencia de potencia 52 incluye además un procesador 58 que está dispuesto para analizar las referencias de potencia de entrada para determinar las referencias de potencia activa y reactiva de salida, y una salida (no mostrada) configurada para transmitir esas referencias al convertidor de potencia 22, como se describirá.
Las referencias recibidas en la entrada del administrador de referencia de potencia 52 incluyen las referencias de potencia activa y reactiva recibidas del controlador de la planta de energía o del controlador de la turbina, junto con varias referencias internas de potencia activa que en conjunto definen la demanda auxiliar.
El administrador de referencia de potencia 52 también prioriza la potencia reactiva sobre la potencia activa o viceversa en el corto plazo de acuerdo con la misma priorización aplicada por el administrador de capacidad de potencia 54. Esto implica establecer una referencia de potencia activa o reactiva que esté fuera del gráfico P-Q 80 por un período corto para atender el tipo de demanda priorizada, tal y como se explica en mayor detalle más adelante.
Típicamente, el controlador de la planta de energía o el controlador de la turbina emite una referencia de potencia activa que indica el nivel de potencia real que debe entregar la planta de energía eólica 12, junto con una referencia de potencia reactiva. Como alternativa a una referencia de potencia reactiva, o además de una, el controlador de la planta de energía o el controlador de la turbina puede proporcionar una referencia de factor de potencia (o 'CosPhi'), que define la relación entre la potencia real y la potencia total disipada en el sistema, o "potencia aparente", en cuyo caso el administrador de referencia de potencia 52 es responsable de determinar una referencia de potencia reactiva en base a la referencia de potencia activa y la referencia de factor de potencia. Como entendería el experto, la referencia de potencia reactiva se puede derivar de estas entradas utilizando relaciones geométricas y trigonométricas básicas. El administrador de referencia de potencia 52 puede tener la opción de calcular la referencia de potencia reactiva a partir del factor de potencia y las referencias de potencia activa, o utilizar la referencia de potencia reactiva suministrada por el controlador de la planta de energía o el controlador de la turbina.
El administrador de referencia de energía 52 compara las referencias de energía que recibe con la capacidad actual del generador de turbina eólica 1 como se indica en el gráfico P-Q 80 recibido del administrador de capacidad de energía 54, y determina si las demandas a las que se refieren esas referencias se pueden cumplir todas al mismo tiempo que suministran la potencia reactiva adecuada.
Si las demandas pueden ser satisfechas, el administrador de referencias de potencia 52 simplemente genera referencias de potencia activa y reactiva que representan los respectivos totales de las diferentes referencias de potencia activa y reactiva que recibe. Si la demanda no se puede satisfacer dentro de las restricciones del gráfico P-Q 80, el administrador de referencias de potencia 52 prioriza las referencias que recibe de acuerdo con un régimen predeterminado.
Al crear las referencias de potencia activa y reactiva en función de las diversas demandas que surgen en todo el sistema, el administrador de referencia de potencia 52 evita hacer funcionar el generador de turbina eólica 1 a su capacidad operativa, según lo indicado por el administrador de capacidad de potencia 54, en todo momento. Esto, a su vez, aumenta la eficiencia operativa y reduce el riesgo de fallos debido a temperaturas excesivas de los componentes.
En síntesis, la presente invención hace uso de la funcionalidad del administrador de capacidad térmica 49 para monitorizar la temperatura de los componentes dentro de la planta de energía eólica 12. Esto, a su vez, se usa para actualizar los factores de reducción que se transmiten al módulo de administración de energía 52, que se incorporan en los factores de degradación que definen los límites de la capacidad del convertidor 22 según lo definido por el diagrama P-Q 80. Al monitorizar varios componentes, el administrador de capacidad 49 proporciona una reducción general para el sistema de componentes que se evalúan. Esto finalmente se transmite a las referencias finales de potencia activa y reactiva que emite el administrador de referencia de potencia 52 y se transfiere al controlador de potencia activa 46 y al controlador de potencia reactiva 48 en consecuencia. Esto, a su vez, retroalimenta al controlador de la turbina y, por lo tanto, efectúa la limitación de la salida del generador 20 según se requiera.
El administrador de capacidad térmica 49 de esta realización también se puede usar para modelar el efecto a lo largo del tiempo en el convertidor de potencia o un componente que forma parte de un convertidor de potencia si el generador de turbina eólica 1 funciona hasta el límite operativo. En este caso, el convertidor de potencia o un componente que forma parte de un modelo térmico 62 de convertidor de potencia se utiliza con el fin de determinar la evolución de temperatura de un componente a partir de su temperatura inicial en base a referencias de potencia nocional o perturbada. Las referencias de potencia nocional definen un límite a corto plazo para la potencia aparente producida por el generador 20 fuera de los límites operativos normales definidos por el diagrama P-Q 80. El límite a corto plazo está representado por la línea discontinua 86 en la figura 7 y se refiere al funcionamiento del generador de turbina eólica 1 en su límite operativo. Se puede ver en esta figura que la línea discontinua 86 forma una forma trapezoidal. Sin embargo, será evidente para el lector experto que la línea discontinua 86, que define el límite a corto plazo de la turbina eólica 1, también podría formar diferentes formas. Dentro del límite de potencia aparente, los componentes de potencia reactiva y activa se pueden variar para adaptarse a las prioridades instantáneas. En este contexto, 'a corto plazo' normalmente implica una duración de unos pocos minutos como máximo. Otras referencias de potencia nocional, definiendo un límite a medio plazo, que se encuentra entre el límite de funcionamiento normal 82 y el límite a corto plazo 86, también puede ser considerado, pero no se presenta aquí. Además, se pueden evaluar continuamente numerosos límites a corto y/o medio plazo.
El límite a corto plazo se determina según la duración durante la cual la turbina eólica 1 puede funcionar en su límite operativo antes de que la temperatura de un convertidor de potencia o un componente que forma parte de un convertidor de potencia alcance su umbral predeterminado.
Para este fin, el perturbador de punto de operación 60 recibe datos de entrada que incluyen las referencias de potencia activa y reactiva presentes, las referencias de potencia nocional que definen el límite operativo del generador de turbina eólica 1, y datos de muestra que indican parámetros operativos tales como tensión y corriente en varias etapas de la planta de energía eólica 12, así como la temperatura ambiente y la temperatura del componente. Las referencias de potencia nocional pueden ser fijas o comandadas/ajustadas en línea.
El modelo de circuito de componente 67 simula un conjunto de tensiones y corrientes a través del componente en base a los datos de entrada recibidos del perturbador de punto de operación 60 en relación con las referencias de potencia presentes y las referencias de potencia nocionales.
Una vez determinadas las tensiones y las corrientes, a su vez se utilizan como entradas para el modelo de pérdida de componentes 68, que está configurado para determinar la potencia asociada disipada por el componente. A continuación, se utiliza la potencia disipada, junto con una temperatura ambiente del componente, como entradas para el modelo térmico 70, que determina la evolución de la temperatura del componente en las referencias de potencia actuales y en las referencias de potencia teórica.
La figura 8 muestra dos ejemplos de la evolución de la temperatura de un componente, un ejemplo basado en referencias de potencia actuales, indicado por la línea 90, y otro ejemplo basado en referencias de potencia nocional, representado por la línea 92. La línea horizontal 93 indica un umbral predefinido del componente. En esta realización, el umbral predefinido es la temperatura de funcionamiento del componente, pero también podría relacionarse con el límite de temperatura del componente. A partir de esta figura puede verse que la turbina eólica 1 podría funcionar con las referencias de potencia actuales indefinidamente sin que la temperatura del componente alcance su límite de temperatura de funcionamiento. Sin embargo, la línea 92 indica que el generador de turbina eólica 1 solo podría operar en las referencias de potencia nocional durante un período finito, indicado por Tlímite, antes de que la temperatura del componente alcance su límite o capacidad térmica. En este supuesto, Tlímite corresponde al límite a corto plazo para la potencia aparente producida por el generador 20 fuera de los límites normales de operación definidos por el gráfico PQ 80. Es decir, Tlímite corresponde al límite a corto plazo para operar el generador 20 en las referencias de potencia nocional introducidas. Se pueden calcular varios límites a corto plazo para diferentes referencias de potencia nocional.
El evaluador de capacidad del convertidor 64 calcula Tlímite, que luego se pasa al módulo de administración de energía 50. El módulo de administración de energía 50 luego usa Tlímite para actualizar las referencias de potencia activa y reactiva que se utilizan para controlar el funcionamiento del convertidor 22 y el generador 20 como se ha descrito anteriormente. Es decir, Tlímite se comunica al controlador de la planta de energía o al controlador de la turbina eólica para establecer la capacidad térmica del componente.
Por ejemplo, si el administrador de referencia de energía 52 determina que los servicios esenciales no pueden mantenerse mientras también suministra algo de energía a la red, puede proporcionar un refuerzo a corto plazo al priorizar la potencia activa sobre la potencia reactiva. Dicho de otra forma, si las demandas de potencia activa de los servicios esenciales y de la red superan la potencia activa que la tabla P-Q 80 indica que se puede suministrar, el administrador de referencia de potencia 52 aumenta la referencia de potencia activa más allá del límite del gráfico P-Q normal y reduce la referencia de potencia reactiva en consecuencia dentro de las limitaciones de la potencia eléctrica total que el generador 20 puede producir.
En otro escenario, si el controlador de la planta de energía o el controlador de la turbina prioriza la potencia reactiva para mejorar la estabilidad, el administrador de referencia de potencia 52 aumenta la referencia de potencia reactiva fuera del gráfico P-Q 80 durante un breve período de tiempo, dentro de los límites definidos por el límite de potencia aparente a corto plazo 86.
Esto ilustra que el administrador de referencia de energía 52 proporciona una función de refuerzo para permitir que se suministre energía activa y/o reactiva a la red a corto plazo, por ejemplo, cuando la velocidad del viento local es baja y, por lo tanto, se reduce la capacidad de generación del generador de turbina eólica 1. De esta manera, el administrador de referencia de potencia 52 hace posible que la turbina eólica 1 funcione a su máximo potencial de generación durante períodos cortos de manera segura.
Como se ha mencionado anteriormente, se pueden evaluar continuamente numerosos límites a corto y/o medio plazo. Esto significa que el cálculo de Tlímite es iterativo y se actualiza de acuerdo con la información de la iteración anterior. Por lo tanto, si se ha utilizado la capacidad térmica a corto plazo de un componente, entonces la Tlímite disminuirá a cero. Tlímite luego aumentará mientras el componente se enfría. La disminución de Tlímite es en realidad lo que permite el funcionamiento a corto plazo fuera del gráfico PQ normal 80 y, al mismo tiempo, garantiza que el componente no alcance ni exceda su límite operativo.
A largo plazo, se deben cumplir los límites normales o reducidos 80, 84 determinados por el administrador de capacidad de potencia 54 para que el generador de turbina eólica 1 no funcione fuera de su intervalo previsto durante períodos prolongados, para evitar estrés térmico prolongado dentro del generador de turbina eólica 1, lo que podría provocar desgaste o fallos como se mencionó anteriormente. Por lo que, siempre que el administrador de referencia de potencia 52 determine que las demandas de potencia activa y reactiva realizadas por el controlador de la planta de energía o el controlador de la turbina se pueden satisfacer mientras opera dentro del gráfico P-Q normal 80 definido por el administrador de capacidad de potencia 54 y mientras también satisface la presente priorización entre potencia activa y reactiva, el administrador de referencia de potencia 52 calcula las referencias de potencia activa y reactiva para los respectivos controladores que caen dentro de esos límites. Si no se puede suministrar energía a la red sin operar fuera del gráfico P-Q 80 durante un período más largo, la planta de energía eólica 12 debe apagarse hasta que la capacidad de generación sea suficiente para un funcionamiento estable.
Como ya se ha señalado, las realizaciones de la invención también son aplicables a otros tipos de sistemas de turbinas eólicas, incluyendo topologías de DFIG que tienen un generador de inducción doblemente alimentado con un convertidor conectado al rotor. Aunque el experto en la materia estará familiarizado con tales disposiciones, para completar, la figura 9 muestra una vista general de un ejemplo de una planta de energía eólica 81 que tiene una arquitectura de este tipo.
La planta de energía eólica 81 de la figura 9 tiene un generador 83 que comprende un conjunto de bobinados de rotor que son accionados por el rotor 2 y un conjunto de bobinados de estator. Para permitir que el generador 83 produzca energía eléctrica cuando los devanados del rotor giran, un convertidor de potencia 85 alimenta una corriente de excitación a los devanados del rotor.
La salida del generador 83 está conectada a un transformador de acoplamiento de tres vías 87 que proporciona conexión eléctrica a un punto de acoplamiento común (no mostrado) a una red y al convertidor de potencia 85. A su vez, el convertidor de potencia 85 está conectado a los devanados del rotor del generador 83, definiendo así un circuito de retroalimentación. Por lo tanto, una vez que comienza la generación de energía, el convertidor de potencia 85 puede usar la salida del generador 83 para producir la corriente de excitación que se entrega a los devanados del rotor.
En síntesis, el módulo de administración de energía 50 de esta realización separa la administración de energía del generador de turbina eólica 1 en dos categorías distintas, a saber, gestión de energía a largo plazo para un funcionamiento estable, y gestión de energía a corto plazo para aumentar temporalmente la potencia activa y/o la potencia reactiva cuando sea necesario.
El alcance de la invención está definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Un método para usar en el control de un generador de turbina eólica de una planta de energía eólica basado en una condición de temperatura de un convertidor de energía o un componente que forma parte de un convertidor de energía en la planta de energía eólica, comprendiendo el método:
determinar la condición de temperatura inicial del componente;
determinar una evolución de la condición de temperatura a partir de la condición de temperatura inicial en base a valores de referencia de potencia teóricos del generador de turbina eólica;
comparar la evolución de la condición de temperatura con un umbral predeterminado; y,
determinar, a partir de la comparación de la evolución de la condición al umbral predeterminado, un período de tiempo en el que la condición de temperatura del componente igualará sustancialmente el umbral predeterminado, caracterizado por
determinar un primer factor de reducción para la potencia activa y un segundo factor de reducción para la potencia reactiva,
determinar un factor de degradación que se aplicará al componente en función de los factores de reducción primero y segundo,
determinar, basado en el factor de degradación, un límite de potencia activa y un límite de potencia reactiva, y priorizar entre la potencia activa y la potencia reactiva, al determinar el límite de potencia activa y el límite de potencia reactiva,
determinar una referencia de potencia activa y una referencia de potencia reactiva que satisfagan el límite de potencia activa y el límite de potencia reactiva
controlar el generador de turbina eólica usando la referencia de potencia activa y una referencia de potencia reactiva de manera que la condición del componente no alcance el umbral predeterminado durante el período de tiempo.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la pérdida de potencia del componente se determina basándose en la tensión a través del componente y la corriente a través del componente.
3. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, que comprende, además, impulsar al menos una producción de energía activa o producción de energía reactiva del generador de turbina eólica durante al menos una parte del período de tiempo.
4. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior cuando se aplica a una pluralidad de componentes, que comprende, además, seleccionar, de una pluralidad de períodos de tiempo, el período de tiempo más corto como el período de tiempo.
5. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, que comprende, además:
comparar la condición inicial del componente con el umbral predeterminado; y,
modificar los valores de referencia de potencia de la turbina eólica si la condición es sustancialmente igual o superior al umbral predeterminado.
6. Un controlador para una turbina eólica que comprende unos medios de procesamiento de datos y un módulo de memoria, en donde el módulo de memoria comprende un conjunto de instrucciones de código de programa que, cuando son ejecutadas por los medios de procesamiento de datos, implementan un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
7. Una turbina eólica que comprende el controlador de la reivindicación 6.
8. Un producto de programa informático descargable desde una red de comunicación y/o almacenado en un medio legible por máquina que comprende instrucciones de código de programa para implementar un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.
ES18819450T 2017-12-22 2018-12-05 Método de control de un generador de turbina eólica Active ES2947415T3 (es)

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ES (1) ES2947415T3 (es)
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019120404A1 (en) 2017-12-22 2019-06-27 Vestas Wind Systems A/S Method of controlling a wind turbine generator
EP3853991A1 (en) * 2018-09-19 2021-07-28 Vestas Wind Systems A/S Method of operating a power generation system in an overmodulation range
EP3840213A1 (en) 2019-12-18 2021-06-23 Siemens Gamesa Renewable Energy Innovation & Technology, S.L. Method of protecting a converter of a wind turbine and protection system
EP3839253B1 (de) * 2019-12-20 2022-05-11 Wobben Properties GmbH Verfahren zum bestimmen einer energieproduktion einer windenergieanlage
EP3869030A1 (en) * 2020-02-20 2021-08-25 ABB Schweiz AG Wind turbine assembly
EP3996228A1 (en) * 2020-11-04 2022-05-11 Siemens Gamesa Renewable Energy Innovation & Technology S.L. Control of a dfig grid side converter
US20240035932A1 (en) * 2021-02-17 2024-02-01 Abb Schweiz Ag Method of Generating A Thermal Model of A System Comprising An Electrical Machine
US11499524B2 (en) * 2021-02-17 2022-11-15 General Electric Company System and method for controlling low-speed operations of a wind turbine
EP4198304A1 (en) * 2021-12-14 2023-06-21 Vestas Wind Systems A/S Monitoring a wind turbine based on a predicted future thermal condition of a wind turbine electrical component

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101401294B (zh) * 2006-03-17 2013-04-17 英捷电力技术有限公司 具有激励器设备和不连接至电网的功率变换器的变速风机
ATE546646T1 (de) 2009-10-06 2012-03-15 Siemens Ag Verfahren zur steuerung einer windturbine bei thermischen überlastungen
CN103109085B (zh) * 2010-08-12 2016-06-29 维斯塔斯风力系统集团公司 风力发电站的控制
EP2565442A1 (en) * 2011-09-05 2013-03-06 Siemens Aktiengesellschaft System and method for operating a wind turbine using adaptive reference variables
US8249852B2 (en) 2011-05-19 2012-08-21 General Electric Company Condition monitoring of windturbines
CN102810875B (zh) * 2011-05-30 2014-10-22 通用电气公司 使用变流器进行能量转换的系统及其运作方法
GB201207915D0 (en) * 2012-05-04 2012-06-20 Control Tech Ltd Thermal model
US10151301B2 (en) * 2013-01-25 2018-12-11 Vestas Wind Systems A/S Control of wind turbines
CN105706355B (zh) * 2013-11-07 2018-01-19 三菱电机株式会社 车辆用逆变器的保护装置
EP3149325B1 (en) * 2014-05-30 2020-09-30 Vestas Wind Systems A/S A wind power plant with reduced losses
EP3317518B1 (en) 2015-06-30 2020-09-02 Vestas Wind Systems A/S Wind turbine control based on forecasts
EP3116089B1 (en) * 2015-07-07 2020-02-26 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Wind turbine operation based on a frequency of an ac output voltage signal provided by a power converter of the wind turbine
WO2019120404A1 (en) 2017-12-22 2019-06-27 Vestas Wind Systems A/S Method of controlling a wind turbine generator

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