PT1493921T

PT1493921T - Processo para a operação de uma instalação de energia eólica

Info

Publication number: PT1493921T
Application number: PT41042953T
Authority: PT
Inventors: Wobben Aloys
Original assignee: Wobben Properties Gmbh
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2002-04-22
Publication date: 2018-03-26
Also published as: EP2258945A3; WO2002086315A1; JP2004525598A; PL366835A1; PT1386078E; PT2258945T; KR20040012762A; NO20034735D0; EP2258945B1; NO342761B1; EP1493921B1; AU2008264176A1; KR100669029B1; MXPA03009788A; EP1386078A1; US6965174B2; BR0209079A; CA2445230A1; US20040178639A1; NO20034735L

Description

rede. Tais oscilações apenas são admissíveis, no entanto, dentro de limites muito estreitos, no interesse de um funcionamento seguro dos consumidores conectados.

Maiores desvios em relação ao valor nominal da tensão da rede, em particular ao nível de tensão média, podem ser compensados, por exemplo, através do acionamento de dispositivos de comutação, como transformadores reguláveis, sendo estes acionados quando os valores limites previamente determinados são ultrapassados por excesso ou por defeito. Desta maneira a tensão da rede mantém-se no essencial constante, dentro de limites de tolerância previamente indicados. 0 objetivo da presente invenção é indicar um processo para a operação de uma instalação de energia eólica, bem como uma instalação de energia eólica ou um parque eólico que estejam em condições, mesmo em caso de fornecimento de potência efetiva oscilante, de reduzir ou pelo menos não aumentar de modo significativo as oscilações indesejadas na tensão, num ponto previamente indicado na rede, em comparação com a situação sem instalação ou instalações de energia eólica. A invenção soluciona o objetivo com um processo do género referido na introdução, por o desfasamento cp da potência elétrica alimentada pela instalação ou pelas instalações de energia eólica ser alterado em função do valor de pelo menos uma tensão detetada na rede.

Com uma instalação de energia eólica do género referido na introdução, o objetivo é solucionado através de um dispositivo que esteja em condições para a realização do processo de acordo com a invenção.

Com um parque eólico do género referido na introdução, o objetivo é solucionado através de pelo menos um dispositivo, respetivamente, que esteja em condições para a realização do processo de acordo com a invenção e por um dispositivo de deteção da tensão, respetivamente, para cada parte do parque eólico regulável separadamente. A invenção impede oscilações indesejadas da tensão existente no consumidor, em particular da tensão elétrica existente numa rede, sendo o desfasamento da potência cedida alterado em função da tensão do consumidor ou da rede. Deste modo são compensadas oscilações da tensão indesejadas, que resultam de alterações da potência efetiva cedida pela instalação ou pelas instalações de energia eólica e/ou da potência retirada da rede pelos consumidores.

De um modo particularmente preferido, o desfasamento é alterado de modo que a tensão se mantenha no essencial constante, pelo menos num ponto previamente definido na rede. Neste caso, para a obtenção da grandeza de regulação necessária a tensão tem de ser determinada em pelo menos um ponto na rede.

Em particular, este ponto pode ser um outro ponto que não o ponto de alimentação. Através desta determinação da tensão e através de uma alteração adequada do desfasamento da potência elétrica cedida pela instalação ou pelas instalações de energia eólica pode criar-se uma regulação de reação rápida e eficaz.

Numa forma de realização particularmente preferida da invenção, os valores a serem regulados para o desfasamento são deduzidos a partir de valores caracteristicos definidos previamente. Estes valores característicos podem estar disponíveis, de um modo preferido, sob a forma de uma tabela, na qual está representada uma família de curvas características, previamente determinada, sob a forma de valores discretos, que permite uma derivação do desfasamento a ser regulado.

Num aperfeiçoamento preferido da invenção, a regulação pode atuar direta ou indiretamente de modo que, se as oscilações da tensão tiverem ultrapassado os valores limites previamente indicados, através da operação de uma unidade de comutação na rede, por exemplo, de um transformador regulável, a tensão seja reconduzida à gama de tolerância. Ao mesmo tempo ou para tal, o desfasamento é ajustado para um intervalo de tempo previamente definido, a um valor constante - de um modo preferido um valor médio, por exemplo zero, para consequentemente poder compensar, por sua vez, as oscilações da tensão que ocorram, através de uma alteração adequada do desfasamento.

Num aperfeiçoamento particularmente preferido da invenção, em zonas parciais eletricamente separadas da rede pode-se proceder a determinações da tensão correspondente e a regulações do desfasamento, igualmente em separado, de forma a regular cada zona parcial, de tal modo que a tensão se mantenha no essencial constante em cada uma das zonas parciais. A instalação de energia eólica de acordo com a invenção é aperfeiçoada, de um modo vantajoso, através de um dispositivo de regulação que apresenta um microprocessador, visto que deste modo se pode realizar uma regulação digital. 0 parque eólico referido na introdução é aperfeiçoado, de um modo preferido, por existir, respetivamente, um dispositivo que está em condições para a realização do processo de acordo com a invenção e, respetivamente, um dispositivo de determinação da tensão para cada parte do parque eólico regulável separadamente, de modo que também se podem regular separadamente zonas parciais eletricamente separadas da rede, de modo que a tensão se mantenha no essencial constante, em cada zona parcial da rede.

Em seguida, a invenção é explicada com base num exemplo de realização de um processo para a operação de uma instalação de energia eólica, tomando como referência os desenhos. Neste caso mostram:

Figura 1 uma instalação de energia eólica que alimenta uma rede, numa representação simplificada;

Figura 2 uma unidade de regulação de acordo com a invenção para a operação de uma instalação de energia eólica;

Figura 3 uma representação que ilustra a relação entre a tensão da rede e o desfasamento;

Figura 4 componentes essenciais da unidade de regulação representada na figura 2; e

Figura 5 uma representação simplificada de uma regulação conjunta ou separada de acordo com a situação da rede de várias instalações de energia eólica.

Uma instalação 2 de energia eólica representada de forma esquemática na figura 1 com um rotor 4 está ligada a uma rede 6 elétrica, que, por exemplo, pode ser uma rede pública. À rede encontram-se ligados vários consumidores 8 elétricos. 0 gerador elétrico da instalação 2 de energia eólica, não representado na figura 1, está acoplado a um dispositivo 10 elétrico de controlo e regulação, que retifica, em primeiro lugar, a corrente alternada produzida no gerador e, em seguida, transforma-a numa corrente alternada, com uma frequência que corresponde à frequência da rede. O dispositivo 10 de controlo e regulação apresenta um dispositivo de regulação de acordo com a invenção.

Num qualquer ponto 22 na rede 6 pode estar previsto um dispositivo 22 de deteção da tensão, que devolve uma grandeza da regulação correspondente à do dispositivo 10 de regulação. A figura 2 ilustra o dispositivo de regulação de acordo com a invenção. O rotor 4, representado esquematicamente, está acoplado a um gerador 12, que disponibiliza uma potência elétrica que pode depender da velocidade do vento. A tensão alternada produzida no gerador 12 pode, em primeiro lugar, ser retificada e, em seguida, transformada numa tensão alternada, que apresenta uma frequência que corresponde à frequência da rede.

Com auxilio de um dispositivo sensor de tensão (não representado) mede-se a tensão da rede num local 22 na rede 6. Dependendo da tensão da rede verificada - eventualmente com auxilio de um microprocessador representado na figura 4 calcula-se um desfasamento cp ideal. Com auxilio da unidade de regulação regula-se então a tensão U da rede a um valor Uson desejado. Através da alteração do desfasamento regula-se a potência elétrica cedida pelo gerador 12 à rede 6. A representação mostrada na figura 3 ilustra a associação entre a tensão na rede e o desfasamento. Se a tensão divergir do seu valor Uson nominal, que se situa entre o valor da tensão Umin e Umax, altera-se o desfasamento cp correspondentemente à curva característica no diagrama, de modo que, dependendo do sinal do desvio é alimentada de uma potência reativa indutiva ou capacitiva para, deste modo, estabilizar a tensão no ponto de tomada da tensão (22 na figura 1). A figura 4 mostra componentes essenciais do dispositivo 10 de controlo e regulação da figura 1. O dispositivo 10 de controlo e regulação apresenta um retificador 16, no qual é retificada a corrente alternada produzida no gerador. Um conversor 18 de frequências ligado ao retificador 16 transforma a corrente retificada em primeiro lugar em corrente alternada, que é alimentada à rede 6 como corrente alternada trifásica, através das ligações Ll, L2 e L3. O conversor 18 de frequências é controlado com auxílio de um microcomputador 20, que é parte de conjunto da unidade de regulação. Para esse efeito, o microprocessador 20 está acoplado ao conversor 18 de frequências. Como grandezas iniciais do microprocessador 20 estão previstas a tensão U atual da rede, a potência P elétrica do gerador, o valor Uson nominal da tensão da rede, bem como o gradiente dP/dt de potência. No microprocessador 20 realiza-se a alteração de acordo com a invenção da potência a ser alimentada.

Na figura 5 encontram-se representadas, como exemplo para um parque eólico, duas instalações 2 de energia eólica. A cada uma destas instalações 2 de energia eólica, que simbolicamente podem também representar, evidentemente, uma multiplicidade de instalações de energia eólica, está associado um dispositivo 10 de regulação. O dispositivo 10 de regulação deteta a tensão em pontos 22, 27 previamente definidos na rede 6, 7 e transmite-a ao dispositivo 10 de regulação respetivamente associado, através de condutores 25, 26.

As zonas 6, 7 parciais da rede podem estar ligadas uma à outra ou separadas uma da outra, através de uma unidade 23 de comutação. Paralelamente a esta unidade 23 de comutação está prevista uma unidade 24 de comutação que permite ligar um ao outro os dois dispositivos 10 de regulação ou separá-los um do outro, correspondendo ao estado da comutação da unidade 23 de comutação.

Se as duas zonas 6, 7 parciais da rede estiverem assim ligadas uma à outra, também ambos os dois dispositivos 10 de regulação se ligam um ao outro, de modo que toda a rede é vista como uma unidade e é alimentada através de todo o parque eólico como uma unidade, sendo o parque eólico, por sua vez, regulado de modo uniforme em função da tensão no ponto 22, 27 de deteção.

Se as duas zonas 6, 7 parciais forem separadas através da unidade 23 de comutação, então também os dispositivos 10 de regulação se separam um do outro, de modo que uma parte do parque eólico é monitorizada pela unidade 10 de regulação a partir de um ponto 22 de deteção, através de um condutor 25 e pode, correspondentemente, ser regulada a parte associada do parque eólico, enquanto a outra zona parcial da rede 7 é monitorizada pela unidade 10 de regulação que regula, correspondentemente, a outra parte do parque eólico, a partir de um ponto 27 de deteção, através de um condutor 26, para estabilizar a tensão na zona parcial da rede 7.

Evidentemente que esta divisão não tem de restringir-se a duas zonas parciais. Esta divisão pode ser anulada até uma associação de uma instalação individual a uma zona parcial da rede.

Para o caso de a regulação acima descrita, em particular no caso da deteção de dados, apresentar uma tolerância diferente daquela da unidade de comutação (transformadores reguláveis) já existente na rede, pode acontecer, em certas circunstâncias, que as duas unidades influenciem a regulação acima descrita, por um lado e o dispositivo de comutação, por outro lado, de modo que surge uma espécie de efeito de "pingue-pongue", sendo que, por exemplo, o transformador regulável comuta e, assim, altera a tensão na rede, de modo que estabelece a regulação descrita de acordo com a invenção. Através desta regulação estabelecida é alterada, por sua vez, a tensão na rede, de modo que, por sua vez, liga agora o transformador regulável e assim sucessivamente.

Para contrariar este efeito indesejado de "pingue-pongue", pode estar previsto, numa outra forma de realização da invenção, definir como sinal inicial para a unidade de regulação de acordo com a invenção, o resultado de medição da unidade de comutação (por exemplo, do transformador regulável). Isto, em certas circunstâncias, no entanto, contém de facto a desvantagem de uma menor exatidão do resultado de medição, mas elimina o risco de uma influência mútua continua dos componentes e atua ainda assim no sentido do objetivo proposto. 0 desfasamento descrito no presente pedido é o ângulo entre a corrente e a tensão da potência elétrica alimentada do gerador da instalação de energia eólica. Se o desfasamento for 0o, então é alimentada apenas potência ativa. Se o desfasamento for ^0°, a par da potência ativa é alimentada também uma percentagem da potência reativa, sendo que, com uma alteração do desfasamento não tem de resultar necessariamente também um aumento ou uma diminuição da potência aparente, mas também a potência aparente pode manter-se na totalidade constante, no entanto, alteram-se então os valores das proporções entre a potência reativa e a potência ativa, correspondendo à regulação do desfasamento.

Como descrito anteriormente, um objetivo da invenção é reduzir ou pelo menos não aumentar significativamente oscilações indesejadas da tensão num ponto previamente definido na rede, com o iniciar do funcionamento da instalação de energia eólica. Para este efeito está previsto, de acordo com a invenção, que o desfasamento da potência elétrica a ser alimentada pela instalação de energia eólica (ou do parque eólico) possa ser variado de um modo adequado, para compensar as oscilações da tensão.

Um dispositivo já existente em regra em instalações de energia eólica também na rede, nomeadamente um chamado transformador regulável (não representado) serve, basicamente, para o mesmo objetivo. Através da capacidade do transformador regulável, através de processos de comutação, de alterar a relação de transformação, é possível igualmente ser influenciada a tensão na rede - ou pelo menos no lado secundário do transformador. No entanto, isto é apenas possível em níveis que correspondem aos níveis de regulação do transformador regulável.

Para isso um transformador regulável deste tipo dispõe, em regra, da capacidade de determinar a tensão da rede. Logo que esta tensão ultrapasse agora por excesso ou por defeito os valores limites previamente definidos, é desencadeado um processo de comutação do transformador regulável e assim a tensão da rede é reconduzida de novo a uma gama de tolerância previamente definida.

Também a instalação de energia eólica de acordo com a invenção ou o seu conversor retificador monitoriza a tensão na rede e tenta, através de medidas adequadas, manter esta tensão dentro de uma gama de tolerância previamente indicada. Visto que estas gamas de tolerância não são exatamente congruentes, pode surgir uma situação em que a instalação de energia eólica e o transformador regulável trabalham um contra o outro, visto que o transformador regulável sobe e desce a tensão alternadamente e a instalação de energia eólica está empenhada em aumentá-la ou descê-la alternadamente, em sentido contrário. É facilmente concebível que possa surgir assim uma deterioração inaceitável da estabilidade da tensão na rede.

Para evitar o efeito acima descrito, a invenção propõe, por isso, por um lado, que a tensão - que é transmitida como grandeza de medição à instalação de energia eólica - seja determinada num outro ponto que não o ponto de alimentação e/ou, por outro lado, que a unidade de regulação possa efetuar direta ou indiretamente a operação de um dispositivo de comutação na rede. Este outro ponto pode também ser, evidentemente, o transformador regulável, de modo que o conversor retificador pode ser controlado com os mesmos valores de tensão que o transformador regulável. Assim, podem evitar-se, por um lado, a atuação contraditória do transformador regulável e o comando do conversor retificador através de tolerâncias divergentes. Mas, por outro lado, a instalação de energia eólica, através de correspondente alimentação de potência reativa, pode desencadear deliberadamente um processo de comutação no transformador regulável (operação indireta) ou através da conduta de regulação causar (diretamente) um processo de comutação deste tipo.

Do ponto de vista do operador da rede também pode ser desejável que a instalação de energia eólica produza potência reativa, que deve ser transmitida para o outro lado do transformador regulável. Visto que a alimentação da potência reativa, no entanto, leva sempre a uma alteração da tensão na rede, desencadear-se-ia deste modo uma operação indireta do transformador regulável e é precisamente isso que não é desejável nesta situação e, por conseguinte, contraproducente. A solução de acordo com a invenção reside então precisamente no facto de suprimir este processo de comutação do transformador regulável, nomeadamente a regulação para cima e para baixo. Com esta supressão da graduação entende-se a "não comutação" do comutador para poder transferir, deste modo, a potência reativa desejada para o outro lado do transformador regulável.

Lisboa, 20 de março de 2018

REIVINDICAÇÕES

Processo para a operação de uma instalação de energia eólica, com um gerador elétrico acionável por um rotor, para a cedência de potência elétrica a uma rede elétrica, em particular aos consumidores a ela ligados, em que a rede apresenta uma potência de rede que oscila, caracterizado por, para a redução de oscilações indesejáveis da potência de rede num ponto pré-definido na rede, o desfasamento cp da potência elétrica disponibilizada pela instalação de energia eólica ser alterado em função de pelo menos uma tensão detetada na rede e por o desfasamento φ ser definido pelo ângulo entre a corrente e a tensão da potência alimentada na rede.

Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o desfasamento φ ser alterado de maneira que a tensão permaneça, no essencial, inalterada, pelo menos num ponto pré-definido na rede.

Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a tensão ser detetada pelo menos num ponto (22, 27) pré-definido na rede.

Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a tensão ser detetada num outro ponto (22, 27) que não o ponto de alimentação.

Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por os valores a serem ajustados

Claims

para o desfasamento φ serem derivados a partir de valores nominais pré-definidos. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a regulação poder influenciar direta ou indiretamente a operação de um dispositivo de comutação na rede. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por as deteções de tensão e regulações correspondentes para zonas parciais da rede (6, 7) serem realizadas em separado, por meio do desfasamento φ. Instalação de energia eólica, caracterizada por um dispositivo (10) para a realização do processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores. Parque eólico com pelo menos duas instalações de energia eólica, caracterizado por um dispositivo (10) para a realização do processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores e um respetivo dispositivo (22, 27) de deteção de tensão para cada parte do parque eólico regulável separadamente. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por o desfasamento ser alterado de modo capacitivo ou indutivo em função de pelo menos uma tensão detetada na rede, até que a tensão assuma um valor nominal pré-definido. Lisboa, 20 de março de 2018