MXPA03009788A

MXPA03009788A - Metodo para operar una planta de energia eolica.

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Publication number: MXPA03009788A
Application number: MXPA03009788A
Authority: MX
Original assignee: Wobben Aloys
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2002-04-22
Publication date: 2004-06-30
Also published as: EP1386078A1; US20040178639A1; EP2258945A2; KR20040012762A; PT1493921T; EP1493921B1; CN1524162A; PL366835A1; JP2007124898A; CA2445230C; EP1493921A1; NO20034735L; WO2002086315A1; CY1117918T1; PT2258945T; AU2008264176A1; EP2258945A3; AU2002315303B2; AU2008264176B2; JP5054083B2

Abstract

La presente invencion se refiere un metodo de operacion de una turbina eolica con un generador electrico, que puede ser impulsado por un rotor, a fin de suministrar energia electrica a una red de distribucion electrica, en particular a las cargas conectadas con la misma. El objetivo de la presente invencion es definir un metodo de operacion de una turbina eolica y proporcionar una turbina eolica y/o un campo eolico que sea capaz, incluso cuando fluctue la salida de la potencia no reactiva, de reducir o al menos aumentar en forma insignificante la fluctuacion no deseada en voltaje en un punto predefinido en la red si se compara con la situacion donde no existe turbina (s) eolica (s). El metodo de operacion de una turbina eolica con un generador electrico, que puede ser impulsado mediante un rotor, que suministra energia electrica a una red de distribucion electrica, en particular a las cargas conectadas con la misma, se caracteriza porque el angulo de fase F es cambiado en respuesta al menos a un voltaje medido la red.

Description

MÉTODO DE OPERACIÓN DE TURBINA EÓLICA Descripción de la Invención La presente invención se refiere a un método de operación de una turbina eólica con un generador eléctrico, el cual es susceptible de ser impulsado por un rotor, que suministra energía eléctrica a una red de distribución eléctrica, en particular a las cargas conectadas con la misma . Además, la presente invención se refiere a una turbina eólica, en particular para implementar el método mencionado con anterioridad, que comprende un rotor y un generador eléctrico acoplado con el mismo de modo que suministre energía eléctrica a una red de distribución eléctrica, y a un parque o campo eólico que comprende al menos dos turbinas teóricas . En las turbinas eólicas conocidas que generan energía eléctrica a partir de la energía del viento, el generador con una carga eléctrica, con frecuencia una red de distribución- eléctrica, es operado en un modo en paralelo de red. Durante la operación de la turbina eólica, la potencia eléctrica no reactiva proporcionada por el generador puede variar de acuerdo con la velocidad actual del viento. Esto origina una situación en la cual el voltaje de la red, por ejemplo, en el punto de alimentación de entrada, también REF: 151399 puede variar de acuerdo con la velocidad actual del viento. Sin embargo, cuando la energía eléctrica generada es suministrada a una red eléctrica, por ejemplo, una red pública de energía, las fluctuaciones en el voltaje de la red pueden originarse como una consecuencia. No obstante, en cargas conectadas que van a ser operadas en forma confiable, las fluctuaciones son permisibles sólo dentro de límites muy angostos . Pueden compensarse desviaciones más grandes del valor de referencia para el voltaje de red en la red de suministro, en particular, en el' nivel medio de alto voltaje, por ejemplo, accionando dispositivos de conmutación tales como transformadores variables por pasos, accionando los últimos cuando los valores actuales excedan o caigan de los valores predeterminados' de magnitud. De este modo, el voltaje de red es mantenido sustancialmente constante dentro de límites predefinidos de tolerancia. El objetivo de la presente invención es definir un método de operación de una turbina eólica y proporcionar una turbina eólica y/o un campo eólico, que sea capaz, incluso cuando fluctúa la salida de potencia no reactiva, de reducir o al menos aumentar en forma insignificante la fluctuación no deseada en el voltaje en un punto predefinido en la red si se compara con la situación en la que no existe turbina (s) eólica (s) .

La invención consigue el objetivo con un método del tipo inicialmente especificado, con el cual es cambiado el ángulo de fase F de la salida de energía eléctrica suministrada por la turbina (s) eólica(s) de acuerdo al menos con un voltaje medido en la red. En una turbina eólica del tipo inicialmente especificado, el objetivo es alcanzado mediante un dispositivo que sea capaz de ejecutar el método de la invención. En un campo eólico del tipo inicialmente especificado, el objetivo de la invención es conseguido mediante el campo eólico que tiene, para cada sección susceptible de ser separadamente controlada del campo eólico, al menos un dispositivo capaz de ejecutar el método de la invención y un dispositivo de detección de voltaje. La invención evita fluctuaciones no deseadas en el voltaje suministrado a la carga, en particular en el voltaje en una red, cambiando el ángulo de fase de la energía suministrada de acuerdo con el voltaje de la carga o la red de distribución. Esto compensa cualquier fluctuación de voltaje no deseado que se origina a partir de los cambios en la potencia no reactiva suministrada por la turbin (s) eólica (s) y/o en la energía inducida a partir de la red por las cargas. Es particularmente preferido, que el ángulo de fase sea cambiado de tal modo que el .voltaje permanezca sustancialmente constante al menos en un punto predefinido en la red. Con el fin de determinar los valores requeridos de parámetro, el voltaje debe medirse al menos en un punto en la red. En particular, el punto puede ser distinto al punto de alimentación de entrada. Si se mide el voltaje de este modo y si se cambia en forma adecuada el ángulo de fase de la energía eléctrica suministrada por la turbina (s) eólica(s), puede conseguirse una respuesta rápida y una regulación eficiente del suministro de energía. En una modalidad particularmente preferida, el valor que va a establecerse para el ángulo de fase F es derivado de los valores predefinidos de parámetro. De preferencia, los valores de parámetro pueden proporcionarse como una tabla que contiene una familia predeterminada de características en la forma de valores discretos que permiten efectuar la derivación del ángulo de fase que va a ser establecido. En un desarrollo preferido de la invención, el sistema de regulación puede provocar, directa o indirectamente, que el voltaje sea devuelto dentro del intervalo de tolerancia accionando un dispositivo de conmutación en la red, por ejemplo, un transformador variable por pasos, cuando las fluctuaciones de voltaje hayan excedido los valores predefinidos de magnitud. De manera simultánea y en forma .adicional, el ángulo de fase es establecido para un periodo predeterminado en un valor constante -de preferencia, un valor medio, tal como cero- de manera que ajustando en forma adecuada el ángulo de fase, es posible compensar cualquier fluctuación de voltaje que se genere en forma subsiguiente . En un desarrollo particularmente preferido de la invención, las mediciones y ajustes de voltaje del ángulo de fase pueden efectuarse por separado en porciones eléctricamente separadas de la red, con el fin de regular cada porción de tal modo que el voltaje en cada una de las porciones permanezca sustancialmente constante. La turbina eólica de acuerdo con la invención es ventajosamente desarrollada mediante un dispositivo de regulación que comprende un microprocesador, debido a que este permite la regulación digital de la turbina eólica. El campo eólico que se menciona en el principio es preferiblemente desarrollado proporcionando, para cada sección susceptible de ser separadamente controlada del campo eólico, un dispositivo de medición de voltaje y un dispositivo capaz de efectuar el método de acuerdo con la invención, de manera que las porciones eléctricamente desconectadas de la red puedan regularse por separado de tal modo que el voltaje permanezca sustancialmente constante en cada porción de la red de energía.

A continuación, la invención será descrita con referencia a los dibujos y sobre la base de una modalidad de un método de operación de una turbina eólica. Las figuras muestran : · La Figura 1 en una vista simplificada, es una turbina eólica .que alimenta energía a una red; La Figura 2 es una vista de un dispositivo de control de acuerdo con la invención con el que se opera una turbina eólica; La Figura 3 es una vista que muestra la interrelación entre el voltaje de red y el ángulo de fase; La Figura 4 son las partes esenciales del dispositivo de regulación que se muestra en la Figura 2; y La Figura 5 es una vista simplificada de un sistema común o de regulación separada, en función de la, situación de la red de distribución, para una pluralidad de turbinas eólicas . Una turbina eólica 2, que se muestra en forma esquemática en la Figura 1 y que incluye un rotor 4, es conectada con una red de distribución eléctrica 6 que puede ser, por ejemplo, una red de distribución pública. Varias cargas eléctricas 8 son conectadas con la red. El generador eléctrico de turbina eólica 2, no se muestra en la Figura 1, es conectado con un control eléctrico y el dispositivo de regulación 10, el cual en primer lugar, rectifica la corriente alterna creada en el generador y en forma subsiguiente, convierte la corriente en una corriente alterna con una frecuencia que corresponde con la frecuencia de red. El dispositivo de control y regulación 10 posee un dispositivo de regulación de acuerdo con la invención. En un punto arbitrario 22 en la red 6, puede proporcionarse un dispositivo de detección de voltaje 22 para que regrese el valor de parámetro respectivo al dispositivo de regulación 10. La Figura 2 ilustra el dispositivo de regulación de acuerdo con la invención. El rotor 4, que se muestra en forma esquemática, es conectado con un generador 12 que proporciona una cantidad de energía eléctrica que puede estar en función de la velocidad del viento. El voltaje alternante producido en el generador 12 es inicialmente rectificado y subsiguientemente convertido en un voltaje alterno con una frecuencia que corresponde con la frecuencia de red. El voltaje de red en la posición 22 en la red 6 es medido con un detector de voltaje (no se muestra) . En función del voltaje medido de la red, es calculado un ángulo óptimo F -si fuera necesario con ayuda de un microprocesador como se muestra en la Figura 4. Con ayuda del dispositivo de regulación, posteriormente es ajustado el voltaje de red U al valor deseado Uref. Si se cambia el ángulo de fase, es regulada la energía eléctrica suministrada por el generador 12 a la red 6. La vista mostrada en la Figura 3 ilustra la relación entre el voltaje en la red y el ángulo de fase. Cuando el voltaje se desvía de su valor de referencia Uref, el cual se sitúa entre el voltaje Umin y UmáX; el ángulo de fase F es cambiado de acuerdo con la curva de energía en el diagrama, de tal modo que la potencia no reactiva, ya sea inductiva o capacitiva, sea alimentada a la red, en función de la polaridad de la desviación, con el fin de estabilizar en este modo el voltaje en el punto de medición de voltaje (22 en la Figura 1) . La Figura 4 muestra las partes principales del dispositivo de control y regulación 10 en la Figura 1. El dispositivo de control y regulación 10 incluye un rectificador 16, en el cual es rectificada la corriente alterna producida por el generador. Un convertidor de frecuencia 18, conectado con el rectificador 16, transforma la corriente directa inicialmente rectificada, en una corriente alterna que es alimentada como una corriente alterna de tres fases por medio de las líneas Ll , L2 y L3 en la red 6. El convertidor de frecuencia 18 es controlado con la ayuda de un microcontrolador 20 que forma parte del dispositivo completo de regulación. El microprocesador 20 es conectado para este propósito con el convertidor de frecuencia 18. Los parámetros de entrada para el microprocesador 20 son el voltaje actual de red U, la salida de energía eléctrica P del generador, el valor de referencia de la red de voltaje Uref, y el gradiente de energía dP/dt. La corriente que va a ser suministrada a la red es cambiada, de acuerdo con la invención, en el microprocesador 20. En la Figura 5, dos turbinas eólicas 2 son mostradas como un ejemplo para un campo eólico. Cada una de las turbinas eólicas 2, las cuales obviamente pueden permanecer simbólicamente para una pluralidad de turbinas eólicas, es asignada a un dispositivo de regulación 10. En los puntos predefinidos 22, 27 en la red 6,7, el dispositivo de regulación 10 mide el voltaje y trasmite éste valor a través de las líneas 25, 26 al dispositivo de regulación 10 respectivamente asignado. Las porciones 6, 7 de la red pueden conectarse entre sí por medio de un dispositivo de conmutación 23, o pueden desconectarse entre sí. Paralelo al dispositivo de conmutación 23, se proporciona un dispositivo de conmutación 24 que permite que los dos dispositivos de regulación 10 sean conectados o desconectados entre sí, en función del estado del dispositivo de conmutación 23. De esta manera, si las dos porciones 6, 7 de la red fueran conectadas entre sí, los dos dispositivos de regulación 10 también serían conectados entre sí, de manera que toda la red sería observada como una entidad única y sería suministrada como una entidad con energía a partir de la totalidad del campo eólico, el parque eólico en sí mismo es regulado como una entidad en respuesta al voltaje en el punto de medición 22, 27. Si las dos porciones 6, 7 de la red fueran desconectadas por el dispositivo de conmutación 23, los dispositivos de regulación 10 también serían desconectados entre sí de tal modo que una sección de la red sea monitoreada por el dispositivo de regulación 10 a partir del punto de medición 22 a través de la línea 25, con la sección asignada del campo eólico, que en consecuencia, está siendo regulado, mientras que la otra sección de la red eléctrica 7 es monitoreada a partir de un punto de medición 27 a través de la línea 26 mediante el dispositivo de regulación 10, el cual en consecuencia, ajusta esta otra sección del campo eólico, con el fin de estabilizar el voltaje en ésta porción 7 de la red eléctrica. Obviamente, esta subdivisión no se necesita limitarse a las dos porciones de red. Está subdivisión puede extenderse hasta una turbina eólica única que sea asignada a una porción única de la red. En el caso que el sistema de regulación descrito en lo precedente presente un intervalo de tolerancia distinto en la medición de los parámetros de red que el intervalo del dispositivo de conmutación (transformadores variables por pasos) ya presentes en la red, que puedan suceder en ciertas circunstancias en la que ambos dispositivos -por un lado, el regulador descrito con anterioridad y por otro lado, el dispositivo de conmutación- influyen entre sí de tal modo que se origina un tipo de efecto de "ping pong" , con la conmutación por ejemplo, del transformador variable por pasos, con lo cual se modifica el voltaje en la red, de tal modo que entonces el método de regulación de acuerdo con la invención descrito con anterioridad, toma el control. Debido a que el sistema de regulación toma el control de este modo, el voltaje en la red es cambiado de tal manera que el transformador variable por pasos a su vez es accionado y así sucesivamente . Con el fin de contrarrestar este efecto indeseado de "ping pong" , puede proporcionarse el resultado de medición a partir del dispositivo de conmutación (por ejemplo, el transformador variable por pasos) , en una modalidad adicional de la invención, como una señal de entrada para el dispositivo de regulación de acuerdo con la invención. Aunque esta modalidad posiblemente podría involucrar la desventaja que la medición resulte ser menos precisa, puesto que elimina el riesgo de que los componentes sean continua y recíprocamente influenciados entre sí, y por lo tanto, actúa para conseguir el objetivo de la invención. El ángulo de fase descrito en la presente solicitud es el ángulo entre la corriente y el voltaje de la alimentación de energía eléctrica en la red que proviene del generador de la turbina eólica. Si el ángulo de fase fuera de 0o, sólo sería suministrada potencia no reactiva. Si el ángulo de fase no fuera igual a 0o, también se suministraría una porción de potencia reactiva además de la potencia no reactiva, por medio de lo cual, un cambio en el ángulo de fase no necesariamente implicaría un aumento o disminución en la potencia aparente; más bien, la potencia aparente total también puede permanecer constante, aunque con las respectivas proporciones de la potencia reactiva y no reactiva que cambian de acuerdo con el ángulo de fase que sea establecido. Como se describió en lo precedente, un objetivo de la invención es reducir las fluctuaciones ' no deseadas de voltaje en un punto predefinido en la red, o al menos aumentarlas en forma insignificante cuando una turbina eólica se encuentre en operación. Para conseguir este objetivo, la invención proporciona el ángulo de fase de la energía eléctrica que va ser suministrada por la turbina eólica (o por el campo eólico) que puede ser adecuadamente variado con el fin de compensar las fluctuaciones voltaje. Un dispositivo que se encuentra comúnmente presente en las redes con las cuales son conectadas las turbinas eólicas, a saber, un transformador variable por pasos (no se muestra) , realiza esencialmente la misma función. Debido a la capacidad del transformador variable por pasos de cambiar la relación de transmisión de energía por medio de las operaciones de conmutación, el voltaje en la red -o al menos en el lado secundario del transformador- puede ser influenciado en forma similar. No obstante, esto sólo es posible en etapas que corresponden con las etapas de conmutación del transformador variable por pasos. Este transformador variable por pasos comúnmente posee un medio de medición del voltaje de red. Tan pronto como este voltaje excede o cae por debajo de valores predefinidos de magnitud, es accionada la operación de conmutación mediante el transformador variable por pasos, con el voltaje de red siendo regresado de esta manera dentro del intervalo predefinido de variación permisible. La modalidad de turbina eólica de acuerdo con la invención, o su inversor, monitorea el voltaje en la red y hace posible, con medidas adecuadas, mantener el voltaje dentro de un intervalo predefinido de tolerancia. Debido a que es cierto que estos intervalos de tolerancia no son perfectamente congruentes, puede generarse una situación en la cual la turbina eólica y el transformador variable por pasos funcionen en una manera opuesta entre sí , con el transformador variable por pasos fluctuando hacia arriba y hacia abajo en forma alterna, y la turbina eólica haciendo posible, en un modo contrario, la disminución y el aumento del voltaje. Es fácil entender que esto involucra un deterioro inaceptable en la estabilidad del voltaje de red. Por lo tanto, con el fin de evitar el efecto descrito con anterioridad, la invención enseña en primer lugar, que el voltaje -que es comunicado como una variable medida a la turbina eólica- sea medido en un punto distinto en la red que el punto de alimentación de entrada y/o, en segundo lugar, que el sistema de regulación puede accionar directa o indirectamente un dispositivo de conmutación en la red. El otro punto en la red puede ser el transformador variable por pasos, obviamente, de manera que el inversor sea controlado con los mismos valores de voltaje que el transformador variable por pasos. En primer lugar, esto puede evitar que el transformador variable por pasos y el inversor se contrarresten entre sí con sus distintas tolerancias. En segundo lugar, sin embargo, la- turbina eólica puede accionar específicamente una operación de conmutación en el transformador variable por pasos (accionamiento indirecto) mediante la alimentación adecuada de potencia reactiva en la red, u originando esta operación de conmutación (directamente) a través de una línea de control. A partir de la perspectiva del operador de red, también puede ser deseable que la turbina eólica genere la potencia reactiva que va a ser transferida al otro lado del transformador variable por pasos. Sin embargo, debido a que la alimentación de la potencia reactiva siempre conduce a un cambio en el voltaje de red, esto provocaría en forma indirecta que el transformador variable por pasos sea accionado, esto es precisamente lo que no se desea y por lo tanto, es contraproducente para esta situación. La solución de acuerdo con la invención consiste en suprimir precisamente esta operación de conmutación mediante el transformador variable por pasos, a saber, la variación hacia arriba o hacia abajo. La supresión de la variación hacia · arriba y hacia abajo en este modo es lo que significa mediante el "no accionamiento" del conmutador, con el fin de tener la capacidad de esta manera, de transferir la potencia reactiva deseada al otro lado del transformador variable por pasos .

Se hace constar que con relación a esta fecha el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims

16 REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones : 1. Un método de operación de una turbina eólica con un generador eléctrico, el cual puede ser impulsado por un rotor, que suministra energía eléctrica a una red de distribución eléctrica, en particular a las cargas conectadas con la misma, en donde la potencia reactiva es alimentada en la red eléctrica y la potencia reactiva es predeterminada mediante un ángulo de fase F que describe un ángulo entre la corriente y el voltaje de la energía eléctrica suministrada, de esta manera, el ángulo de fase determina la proporción de potencia reactiva en la potencia que es suministrada mediante la turbina eólica, caracterizado porque el ángulo de fase F es cambiado en respuesta a la cantidad al menos de un voltaje medido en la red, en la que el ángulo de fase permanece sin cambio tanto como el voltaje de red se encuentra entre un valor predeterminado de referencia inferior (Umin) y un valor predeterminado de referencia superior (Umax) , el valor de voltaje inferior es menor que un voltaje de referencia y el valor predeterminado de voltaje superior es más grande que un voltaje predeterminado de referencia, y que, cuando el valor predeterminado de voltaje superior (Umax) sea excedido, o que el valor predeterminado de voltaje inferior (Umin) sea 17 cortado, el tamaño de la ángulo de fase aumentaría en base a cualquier aumento o disminución adicionales en el voltaje de red. 2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el ángulo de fase F es cambiado de tal modo que el voltaje permanece sustancialmente sin cambio al menos en un punto predefinido en la red. 3. El método de' conformidad con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el voltaje es medido al menos en un punto predefinido en la red. 4. El método de conformidad con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el voltaje es medido en un punto distinto del punto de alimentación de entrada . 5. El método de conformidad con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el valor que va a ser establecido para el ángulo de fase F es derivado de los valores predefinidos de parámetro. 6. El método de conformidad con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el sistema de regulación puede accionar, directa o indirectamente, un dispositivo de conmutación en la red. 7. El método de conformidad con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la medición y regulación de voltaje correspondientes puede 18 efectuarse por separado para porciones de la red de energía sobre la base del ángulo de fase F. 8. Una turbina eólica con un generador eléctrico, el cual puede ser impulsado por un rotor, que suministra energía eléctrica a una red de distribución eléctrica, en particular a las cargas conectadas con la misma, en donde la potencia reactiva puede ser alimentada en la red eléctrica por medio de un convertidor de frecuencia y la potencia reactiva es predefinida mediante un ángulo de fase F que determina la proporción de potencia reactiva suministrada por la turbina eólica, caracterizada porque el ángulo de fase F puede ser cambiado en respuesta a la cantidad al menos de un voltaje medido en la red, en el que el ángulo de fase permanece sin cambio tanto como el voltaje de red se encuentra entre un valor predeterminado de voltaje inferior (Umin) y un valor predeterminado de voltaje superior (Umax) el valor de voltaje inferior es menor que el voltaje de referencia de red y el valor predeterminado de voltaje superior es más grande que el voltaje de referencia de red, y que, cuando el valor predeterminado de voltaje superior (Umax) sea excedido, o que el valor de voltaje inferior (Umin) sea cortado, el tamaño del ángulo de fase aumentaría en base a cualquier aumento o disminución adicionales en el voltaje de red. 9. El campo eólico, por lo menos, con dos turbinas eólicas, caracterizado porque comprende un dispositivo que 19 efectúa el método de conformidad con una de las reivindicaciones precedentes y un dispositivo de detección de voltaje dedicado para cada sección susceptible de ser separadamente controlada del campo eólico. 10. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el ángulo de fase es cambiado, capacitiva o inductivamente, en respuesta al menos a un voltaje medido en la red hasta que el voltaje adquiera un valor predefinido de referencia.