PT1665494E - Processo para operar ou regular uma central de energia eólica, bem como, processo para disponibilizar uma potência de regulação primária com centrais de energia eólica - Google Patents

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DESCRIÇÃO "PROCESSO PARA OPERAR OU REGULAR UMA CENTRAL DE ENERGIA EÓLICA, BEM COMO, PROCESSO PARA DISPONIBILIZAR UMA POTÊNCIA DE REGULAÇÃO PRIMÁRIA COM CENTRAIS DE ENERGIA EÓLICA" A invenção refere-se a um processo para operar pelo menos uma central de energia eólica com um rotor, um gerador elétrico acoplado ao rotor para fornecer potência elétrica a uma rede de distribuição de energia com a ajuda de um dispositivo de regulação. A invenção refere-se ainda a um processo para disponibilizar uma potência de regulação ou potência de regulação primária a uma rede elétrica de produção e distribuição de energia, à qual está ligada uma série de centrais elétricas, entre as quais centrais de energia eólica e consumidores. A invenção refere-se ainda a um processo para regular uma central de energia eólica, que possui pelo menos um conjunto propulsor, que engloba um rotor e um gerador, e um dispositivo de regulação, em que a central de energia eólica apresenta uma rotação mínima para a alimentação a partir da rede, que é condicionada pelo tipo de construção.

Por fim, a invenção refere-se também a centrais de energia eólica.

As alterações do fornecimento da potência ativa de um fornecedor de energia, como é habitual nas centrais de energia eólica, levam a alterações da frequência de rede numa rede de distribuição energética, quando não é 2 possível garantir, com a regulação de outras centrais elétricas, que a rede receberá tanta energia como a que é retirada pelos consumidores ligados. 0 crescente aumento de centrais de energia eólica na rede de distribuição energética faz aumentar os custos para os operadores da rede devido à regulação das oscilações da potência de alimentação causadas pela força do vento. É conhecido (DE 100 22 974 Al) um processo para operar uma central de energia eólica com um gerador elétrico acionável por um rotor para fornecer potência elétrica a uma rede elétrica. Aqui, a potência fornecida pelo gerador à rede é regulada ou ajustada em função da frequência de rede da rede elétrica, sendo que com uma subida da frequência de rede se regula para baixo a potência fornecida. Não se trata aqui, porém, da disponibilização da potência de regulação e as medidas propostas também seriam aqui inadequadas. O documento EP 0 569 556 B já demonstrou que no caso de oscilações da velocidade do vento, a potência de fornecimento e a potência do vento não têm de coincidir. A potência da diferença vem da alteração da rotação do rotor associada a uma alteração da energia cinética do rotor.

Em DE 197 56 777 Al pretende-se que a rede, no caso de avarias, seja suportada com a ajuda de uma alteração de serviço da central de energia eólica. Deste documento fica implicitamente claro que isto tem de acontecer através de uma alteração do ponto de serviço, como por ex. uma alteração do ângulo da folha. Faz-se, pois, uma intervenção objetiva para obter uma potência de fornecimento alterada e sobretudo aumentada. 3 0 documento "Primárregelung mit Windkraftanlagen" do Dr. Fred Prillwitz, Eng° Axel Holst, Prof. Dr. Harald Weber tem uma orientação idêntica; publicada pelo instituto da Técnica de Energia Elétrica na Universidade de Rostock. Também aqui a central de energia eólica é operada num ponto de serviço que não extrai a máxima potência da energia eólica disponível. Em caso de necessidade de potência da rede de alimentação energia, o ponto de serviço é alterado, em que se altera o ângulo da pá, a velocidade de rotação o fornecimento de potência, para transformar a máxima potência possível do vento em potência elétrica. Através de uma regulação particularmente dinâmica, as centrais de energia eólica que funcionam segundo este processo podem participar na regulação primária.

No funcionamento normal de uma rede sem centrais de energia eólica, a regulação não é problemática porque altera-se unicamente a carga ou a potência retirada. Mas mesmo numa rede com convencionais e com centrais de energia eólica é necessário dominar os necessários procedimentos de regulação. A situação é visivelmente diferente quando surgem avarias imprevisíveis numa rede mista com centrais de energia eólica, ou seja, no caso de uma falha de potência ou uma queda de tensão como consequência de um defeito à terra ou curto-circuito. As centrais de energia eólica, do modo que têm sido operadas até agora, não podem neste caso dispor de nenhuma potência adicional, como o podem fazer as convencionais centrais elétricas, para assim reduzir a necessidade de regulação primária do operador de rede. Porém, podíamos operar a central de energia eólica com a capacidade normal 4 reduzida, ou seja com uma potência abaixo daquela que a central de enerqia eólica poderia fornecer, se estivesse perfeitamente ajustada às condições existentes do vento. Isto teria, porém, de ser efetuado tendo sempre em conta as condições da rede em constante alteração, localmente nacionalmente, bem como as necessidades dos operadores de rede, mas também as respetivas condições do vento, que agora são tudo menos constantes e nem sempre previsíveis com a exatidão necessária. A potência da regulação primária, por exemplo no caso de uma avaria na rede, tem de ser rapidamente ativada para poder reagir à subida de frequência introduzida pela avaria antes de a frequência ter descido para um valor critico. Para além da rápida ativação, tem de ser mantida uma suficiente reserva de potência. Nas centrais térmicas a reserva da potência de regulação primária é realizada por um estrangulamento das válvulas de entrada da turbina, em que o operador da rede tem de se certificar que o estrangulamento está limitado apenas temporalmente e que a potência de regulação secundária existente substitui atempadamente a potência de regulação primária. Um estrangulamento destes não representa, a nivel energético, nenhuma perda pois é consumido menos combustível, que estará disponível mais tarde.

Numa central de energia eólica também se poderia disponibilizar uma reserva de regulação através de um "estrangulamento" deste tipo da central de energia eólica, de modo a operar a central de energia eólica com uma potência mais baixa do que a que as condições do vento poderiam permitir. Isto significa porém num ponto de vista energético, que a energia eólica disponível não seria 5 utilizada se isso fosse possível, ou seja, neste funcionamento o vento passa pela central de energia eólica sem ser aproveitado.

Este estrangulamento de uma central de energia eólica é, pois, uma medida muito dispendiosa, uma vez que a parte não utilizada da energia do vento simplesmente não é guardada. Em contrapartida, numa turbina a gás, no funcionamento com estrangulamento, é retida energia primária que pode ser utilizada mais tarde.

Realmente as condições neste tipo de sistemas de distribuição de energia misturados são tais que as centrais de energia eólica, com os seus sistemas alimentados por conversor, não contribuem para a estabilidade da rede e para a inércia, quando o modo de funcionamento é o convencional. Mesmo se as centrais de energia eólica fossem operadas com conversores na rede com uma potência constante, isto aumentaria ainda a necessidade de regulação, o que teria de ser compensada com convencionais centrais elétricas com a sua potência de regulação primária. A presente invenção pretende que uma rede com centrais elétricas convencionais e centrais de energia eólica ou uma central de energia eólica seja operada de modo a que a central de energia eólica disponibilize potência de regulação primária, e pretende sobretudo que a central de energia eólica seja usada para disponibilizar potência de regulação.

Isto é conseguido pelas características indicadas pelas peças identificadas da reivindicação.

Um processo para operar pelo menos uma central de energia eólica de acordo com a invenção refere-se a uma 6 central de energia eólica com pelo menos um rotor com pás do rotor, um gerador alimentado numa rede de distribuição de energia e um dispositivo de regulação, que regula a alimentação da potência de acordo com as condições de funcionamento, e caracteriza-se pelo facto de o dispositivo de regulação aumentar significativamente durante um tempo o fornecimento de potência para a rede, dependendo das alterações de um parâmetro da rede, na medida em que se usa adicionalmente uma parte da energia cinética das peças rotativas (do conjunto de componentes de acionamento) para a alimentação. A velocidade de rotação, a potência e o ângulo da pá das pás do rotor também entram como parâmetros desses. Uma central de energia eólica, que pode funcionar segundo este processo em conformidade com a invenção, é operada numa determinada área de trabalho. É neste âmbito que se entendem os parâmetros pertencentes às condições de funcionamento atuais, como por exemplo a velocidade de rotação, a potência e o ângulo da pá. Fala-se de uma área de trabalho e não de um ponto de trabalho porque as condições exteriores para uma central de energia eólica estão sempre sujeitas a oscilações permanentes e, assim, fazem com que seja necessária uma chamada regulação dinâmica.

Se um parâmetro de funcionamento se alterar (p. ex. a frequência de rede) em um determinado valor predefinido dentro de um determinado intervalo de tempo, isto é - de acordo com a invenção - um critério para operar a central de energia eólica ou várias centrais de energia eólica de modo a que ela(s) alimente (m) a rede com uma potência excessiva, nomeadamente independentemente se neste momento 7 a respetiva ou necessária energia eólica está sequer disponível.

Somente a título exemplificativo e sem querer impor quaisquer delimitações, apresenta-se aqui uma central de energia eólica com 1,5 MW de potência, na qual, com uma descida da velocidade de rotação de 1800 rpm para 1600 rpm durante aprox. 10 s, pode haver uma alimentação adicional de 11 % da potência nominal, ou durante aprox. 1 s pode haver uma alimentação adicional de aprox. 100 %.

Segundo a invenção, este tipo de alteração do funcionamento é detetado e, a partir daqui, é emitido um sinal que é utilizado na ou nas centrais de energia eólica para efeitos de controlo ou regulação.

As alterações dos parâmetros de funcionamento poderiam ser detetadas, em conformidade com a invenção, em qualquer ponto da rede, sendo que o sinal daí deduzido também pode ser utilizado distalmente, nomeadamente em função das condições e características da rede e também relativamente às propriedades de cada uma das centrais de energia eólica, nomeadamente disponibilizando mais ou menos potência de regulação. Aqui podia-se proceder, em conformidade com a invenção, no sentido de um computador central da rede calcular os sinais de modo a usar cada uma das centrais de energia eólica diferentemente para alimentar a potência de regulação, para operar a rede globalmente da melhor maneira possível. Pensa-se aqui, de acordo com a invenção, numa deteção de valores limite através de um sistema de sensores numa central de energia eólica ou num controlo central do parque eólico ou também num controlo central da rede do operador da rede ou fornecedor de energia.

De acordo com a invenção, usa-se um parâmetro de funcionamento adequado e a sua alteração temporal ou velocidade de alteração, que será preferencialmente a alteração da frequência ou velocidade de alteração da frequência, em que são estabelecidos valores limites adequados, p. ex. 0,2 Hz numa rede 50 Hz e/ou 0,05 Hz/s. Em função da estabilidade da rede, é necessária uma área morta suficientemente grande, para evitar que o sinal de avaria seja demasiadas vezes disparado, o que resultaria numa perda significativa do rendimento. O valor limite de 0,01 Hz/s que se pretende para uma rede muito rígida pode, p. ex. numa rede fraca, levar a uma ativação muito frequente do sinal de perturbação. A invenção pode também ser aplicada para atenuar oscilações da frequência da rede. Para isso, são respetivamente emitidos sinais a cada uma das centrais de energia eólica, que são fornecidos às centrais de energia eólica de modo contínuo e por um período de tempo prolongado, mas diferentes uns dos outros. Nesse sentido, são utilizadas ferramentas de prognóstico que conseguem prever com suficiente precisão qual será a necessidade de potência de regulação primária, em que momento e em que ponto da rede será necessária.

Dependendo do sistema de conversor e regulação utilizado na central de energia eólica pode ser necessário, para aproveitamento de todo o potencial mecânico existente na energia de regulação, interpretar o conversor e o regulador com outras curvas características da velocidade de rotação/potência do que era habitual ou também fazer uma reserva adicional para a alimentação da potência. A "distribuição" da potência de regulação que é, 9 no total disponibilizada por um parque eólico para as centrais individuais pode ser realizada por um controlo de rede central, que neste caso p. ex. também apenas um controlo de parque eólico. Em alternativa, cada central também pode criar seletivamente sinais de controlo na sua própria unidade reguladora, que correspondem ais seu atual estado individual da central.

De acordo com a invenção, está previsto para isto um algoritmo de regulação, que prevê, como objetivo de regulação, a disponibilização de uma quantidade predefinivel de energia de regulação. Esta quantidade pode ser determina em função da energia eólica alimentada na rede (desde localmente numa central de energia eólica até ao nivel europeu) ou também em função das indicações do fornecedor de energia, e está continuamente sujeita a alterações . A central de energia eólica (ou o parque eólico) também pode determinar individualmente a quantidade de energia eólica por disponibilizar com a ajuda de um algoritmo predefinido dos parâmetros de serviço (tensão de rede, frequência de rede, velocidade do vento, velocidade de rotação do rotor, etc.), usando se necessário processos de prognóstico. Isto pode querer dizer na prática que uma central de energia eólica com uma velocidade de rotação minima de 10 rpm é operada, por exemplo, com 14 rpm, apesar de a produção energética otimizada ser 12 rpm, porque a quantidade predefinida de energia de regulação necessária corresponde a uma diferença da velocidade de rotação de 10 a 14 rpm. É também conseguido, conforme a invenção, um processo para disponibilizar potência de regulação ou potência de regulação primária para uma rede elétrica de produção e 10 distribuição de energia, ao qual está ligada uma série de centrais elétricas, entre as quais centrais de energia eólica, e no qual a potência de regulação é obtida a partir da energia cinética das massas rotativas de centrais de energia eólica.

Para a presente invenção é essencial que, para a potência primária, em situações especiais de uma rede, "tenha sido instalada uma fonte de energia" que até agora não era considerada. Uma central de energia eólica operada conforme a invenção pode produzir a potência excessivamente fornecida nomeadamente pelo facto de usar a energia cinética das suas massas movimentadas. Isto só pode ser feito temporariamente, pois senão a velocidade de rotação podia descer demais e teria de ser recear a desconexão da central de energia eólica.

Em centrais de energia eólica alimentadas com conversor, a potência fornecida não depende diretamente da velocidade de rotação. Uma vez que a interpretação do gerador/sistema do conversor não é feita para a potência nominal, estando antes previstas certas reservas para sobrecargas temporárias, é possível alimentar temporariamente um pouco mais de potência para a rede do que as condições do vento o podiam permitir. A energia é depois retirada das massas rotativas (pás, cubo, conjunto propulsor, gerador), ou seja de acordo com a inércia da energia de rotaçao segundo a relaçao ΔΕ = θ(ωι - (x>2 ) . A descida da velocidade de rotação depende, assim, da energia que é alimentada para a rede. A descida da velocidade de rotação permitida e, consequentemente, a energia disponível que pode ser alimentada, tem de ser determinada através das condições da central e do 11 ambiente. De que forma a energia é usada pode, porém, ser determinado em função das necessidades do operador de rede.

Pode, assim, ser fornecida energia proporcionalmente ao desvio da frequência de rede, mas também pode ser determinado p. ex. um comportamento D que alimenta mais, no caso de alterações rápidas da frequência.

Para regular as avarias de frequência pode ser p. ex. definido um limite, por exemplo quando a frequência reduz com uma certa velocidade ou quando ficou abaixo de um certo limite, a partir do qual começa a reagir. A energia cinética guardada nas massas rotativas de uma central de energia eólica é limitada. A frequência é, porém, uma grandeza de uma rede, que pode ser medida em toda a rede com pouco atraso. Deste modo, mesmo as centrais de energia eólica que estão várias centenas de quilómetros afastadas de uma fonte de avaria, podem contribuir para a regulação. Devido à grande quantidade de centrais de energia eólica instaladas, mesmo um pequeno contributo prestado por cada central de energia eólica pode ter, no total, um efeito significativo na rede.

Nos parques eólicos pode atribuir-se uma potência de regulação individualmente a centrais de energia eólica. As centrais de energia eólica localizadas atrás, visto a partir da direção do vento, podem contribuir mais para a potência de regulação, uma vez que por norma são menos sobrecarregadas. As informações sobre a velocidade do vento das centrais de energia eólica localizadas mais à frente podem ser utilizadas para poder aproveitar melhor os limites disponíveis do sistema (faixa da velocidade de rotação permitida em função da velocidade do vento 12 prevista para breve). É útil uma utilização combinada com um prognóstico do vento para garantir que p. ex. nas próximas 24 horas haja vento suficiente para os rotores de todas as centrais de energia eólica rodarem e possam reservar uma suficiente potência de regulação.

Se necessário, pode aumentar-se a velocidade de rotação das centrais de energia eólica com velocidades do vento mais baixas, para ficar sempre acima da velocidade de rotação minima da área de trabalho.

As caracteristicas especiais dos processos de acordo com a invenção são: 1. Redução da reserva de regulação na rede para regular os erros da rede 2. Redução de alterações de frequência na rede (ou da potência de regulação necessária para evitar alterações de frequência) 3. Menor estimulo de alterações de frequência na rede pela central de energia eólica 4. Nenhumas ou poucas perdas de rendimento durante o funcionamento como reserva de emergência 5. Baixas perdas de rendimento durante a aplicação permanente para atenuar alterações de frequência

Para a realização da presente invenção é essencial que as centrais de energia eólica possam ser operadas de modo a poderem reagir aos sinais de controlo. Isto significa que a central de energia eólica está preparada para este funcionamento e que o operador de rede pode confiar na reação das centrais de energia eólica aquando 13 da ocorrência de um sinal de avaria, para as respetivas interações poderem entrar em ação.

Na versão com um sinal de avaria enviado pela central, a invenção baseia-se também numa certa cooperação das centrais de energia eólica e operador de rede. 0 operador de rede tem de captar as avarias que ocorrem e encaminhá-las, em forma do sinal de avaria, para o operador da central de energia eólica.

Para transmitir este sinal de avaria podem ponderar-se todas as possíveis vias de transmissão, sejam com fios ou sem fios. A invenção não só pode ser agora vantajosamente utilizada, para disponibilizar uma reserva de regulação para compensar os déficits da potência ativa em erros na rede, como também quando se trata de atenuar oscilações da frequência em redes elétricas de distribuição de energia.

Numa primeira aproximação, a alteração da frequência de rede é uma medida para a diferença da potência alimentada por fornecer. A grandeza das necessárias grandezas de regulação depende da inércia das massas rotativas existentes na rede. Se, numa rede elétrica de distribuição de energia, os geradores com elevada inércia forem substituídos por uns com baixa inércia, o sistema de regulação tem de reagira mais rapidamente, de modo a impedir uma alteração da frequência da rede. Se não for possível uma reação rápida, tem de ser permitido um desvio de frequência maior ou tenta-se reduzir o desvio de frequência através de uma grandeza de regulação superior. Porém, isto tem frequentemente a desvantagem de uma sobre-oscilação e, por conseguinte, maiores tempos de regulação 14 até a frequência voltar para a faixa de frequência pretendida.

Para evitar um permanente desvio da frequência de rede, a regulação da frequência de rede faz parte das tarefas habituais de centrais elétricas: Numa frequência acima da frequência nominal, a potência alimentada para a rede é reduzida, e numa frequência abaixo da frequência nominal a potência alimentada aumenta. A redução ou o aumento da potência elétrica é habitualmente realizado por uma regulação da admissão de energia ou do combustível na central elétrica. A regulação da frequência de rede é um dos requisitos centrais que se colocam às redes elétricas da distribuição da energia. Se a frequência de rede se desviar da frequência nominal para além de um certo limite, desligam-se gradualmente os consumidores e geradores.

As alterações de frequência que resultam rapidamente, para a compensação, de alterações de carga, mas sobretudo não apenas na sequência de uma redução da potência disponibilizada dos geradores , requerem energia de regulação que tem de ser disponibilizada até a) o resultante déficit de potência temporário ter sido compensado ou b) a potência de geradores reguláveis mais lentos ter podido ser aumentado.

Uma redução da potência alimentada de centrais de energia eólica é normalmente mais fácil de conseguir do que um aumento da potência alimentada. No caso de uma 15 redução temporária da potência alimentada sob a potência disponibilizada pelo vento ou a potência máxima habitual, há um retrocesso do rendimento pelo tempo da redução da potência, sem se verificar uma poupança de energia primária - como é p. ex. possível nas centrais térmicas ou hidroelétricas.

Conhecem-se processos para aumentar a produção de energia de uma central de energia eólica através da influência da velocidade de rotação, para alcançar o mais rapidamente possível o ponto de trabalho otimizado das pás do rotor.

Para regular as centrais de energia eólica é habitual o desacoplamento da potência alimentada e da velocidade de rotação, p. ex. a) para obter uma moderação da comparação da potência de alimentação, b) para obter uma redução de cargas, p. ex. para reduzir as oscilações do binário na operação com um ponto de trabalho da velocidade de rotação selecionado para a regulação do ângulo da pá, c) para obter uma potência de alimentação constante ou predefinida, e d) para, sobretudo numa operação com alimentação constante num perímetro limitado, acumular energia cinética no rotor, para obter uma produção de energia mais elevada ou cargas reduzidas. 16 A alteraçao da velocidade de rotação de uma central de energia eólica é um processo habitual, p. ex. para a) aumentar a produção de energia através de uma melhor aproveitamento aerodinâmico das pás, b) obter uma redução de cargas, entre outros, também para evitar o estimulo de oscilações de frequência própria, c) obter uma redução de emissões sonoras e para d) assegurar que uma central de energia eólica não saia da área de serviço permitida mesmo no caso de fortes turbulências.

Para aumentar a potência relativamente ao ponto de trabalho indicado, é necessário reservar uma parte da potência disponível. Isto faz com que, p. ex. nas centrais térmicas ou hidroelétricas, não se verifique nenhuma ou muito poucas perdas financeiras.

Passamos a explicar a título de exemplo a invenção por meio dos desenhos. A Figura 1 mostra uma curva característica de uma central de energia eólica. A Figura 2 é uma representação do coeficiente de potência da pá do rotor de uma central de energia eólica em função do ângulo da pá e da razão de velocidades na pá. 17 A Figura 3 é uma representação temporal das oscilações da frequência de rede na sequência de uma falha de carga.

As condições aerodinâmicas numa central de energia eólica fazem com que haja para cada velocidade do vento uma rotação otimizada, com a qual a central de energia eólica devia ser operada para obter o máximo rendimento. No exemplo para velocidades do vento de 8 m/s, 10 m/s e 12 m/s na Figura 1, isto é representado como potência em função da velocidade de rotação. Se unir os máximos destas curvas individuais, obtém-se a curva caracteristica otimizada para a operação de uma central de energia eólica ("curva caracteristica otimizada") com pá de rotor definida. Na prática, a faixa da velocidade de rotação disponivel está limitada (no exemplo indicada, a velocidades de rotação do gerador entre 1000 e 2000 rpm) , de modo a que na operação fixa sejam apenas selecionados pontos de trabalho na curva caracteristica legendada com "melhor curva caracteristica útil", que começa por seguir a curva caracteristica otimizada e sobe, a partir da velocidade de rotação de 1780 rpm com rotação fixa até à potência nominal.

Se, no ponto de trabalho designado por AP1 (1780 rpm, 1050 kW) , ocorrer uma ativação da potência de reserva, a velocidade de rotação da central de energia eólica desce, a uma velocidade do vento constante de 10 m/s, para o ponto de trabalho AP2 (1580 rpm, 975 kW) , uma vez que (limitado) é alimentada mais potência para a rede do que pode ser assumida pelo vento. 18

Na realização da invenção (ver a Figura 1) note-se que a energia útil acumulada na central de energia eólica está limitada (a central de energia eólica não pode sair do limite inferior da faixa da velocidade de rotação), e que uma forte redução da velocidade de rotação causa uma operação num pior ponto de trabalho. Numa descida por voltados 200 rpm, o ponto de trabalho desloca-se de AP1 para AP2. Ai é possível, com as mesmas condições do vento e com um ângulo de pá inalterado, obter aproximadamente menos 5% de potência do vento. Uma redução mais acentuada da velocidade de rotação pode reduzir temporariamente, em certas circunstâncias, em muito a potência de alimentação disponível após conclusão da alimentação de energia adicional (neste exemplo após 10 segundos).

Através de uma alteração do ângulo da pá no novo ponto de trabalho AP2 é possível otimizar a produção de energia. Independentemente disso, através de esboços de pá modificados, pode obter-se futuramente um rendimento maior no caso de pontos de trabalho longe do ponto nominal. A energia acumulada no rotor pode ser continuamente controlada. São normalmente observadas a velocidade de rotação da central, a velocidade do vento e a alimentação possível que permanece após a redução da velocidade de rotação. É, porém, suficiente controlar somente a velocidade de rotação atual e, na presença de um sinal de perturbação, alimentar sobrepotência até a velocidade de rotação do rotor cair para a velocidade de rotação mínima permitida. Se houver indicações para uma energia de regulação mínima a disponibilizar, a velocidade de rotação mínima da central de energia eólica é correspondentemente indicada e também mantida desde que as condições do vento 19 assim o permitam. A pedido (p. ex. descida de tensão em mais de 10% dentro de 100 ms ou rápida alteração de frequência de mais de 100 mHz em 1 s ou um sinal externamente transmitido), a energia de reserva é ativada. Uma potência a definir é alimentada para a rede, para além da energia disponível conforme a curva característica da central de energia eólica. A evolução temporal exata da alimentação da energia de reserva pode ocorrer conforme acordado com o operador de rede: pouco tempo muita energia, mais tempo pouca energia ou a evolução pode alterar-se temporalmente, p. ex. primeiro muita e depois menos energia. A quantidade de energia a alimentar pode ser diretamente indicada ou indiretamente definida (z. ex. pelo tempo de duração ou depois de descer para uma determinada velocidade de rotação).

Uma vez chegado ao fim da alimentação de energia adicional, a central de energia eólica regressa ao ponto de trabalho antigo. No meio, só é alimentada a quantidade máxima de energia que é disponibilizada pelo vento.

Podem ser considerados os seguintes casos especiais: A pedido, pode ocorrer um aumento da velocidade de rotação da central relativamente ao ponto de operação normal, para poder disponibilizar energia adicional para um erro possível.

Se as condições do vento o permitirem (p. ex. pouca turbulência), este aumento da velocidade de rotação da central também pode ocorrer para além do ponto de trabalho nominal da central de energia eólica.

No caso de velocidades de vento acima do vento nominal, é utilizado um processo de 2 níveis 20 a) a pedido, ocorre primeiro imediatamente uma alimentação de energia adicional b) através da regulação das pás para o ponto de trabalho otimizado, a potência absorvida da central de energia eólica (desde que as condições do vento o permitam) é aumentada de modo a não se verificar mais nenhuma descida da velocidade de rotação da central, e o ponto de trabalho original é novamente iniciado.

Se uma central de energia eólica se encontrar na proximidade (física) de um curto-circuito, pode ser conveniente usar primeiro uma (grande) parte da corrente (ou da potência) disponível da central de energia eólica (como corrente reativa ou potência reativa) para apoiar a tensão de rede (p. ex. até a tensão de rede voltar a atingir 90% da tensão anterior). A alimentação da potência de reserva ocorre primeiramente só depois da restauração da tensão de rede. O processo acima mencionado é também útil p. ex. para contornar uma breve falha da potência de alimentação após um erro (curto-circuito) na rede. As centrais de energia eólica do modelo anterior separam-se da rede após um erro deste tipo. Durante o tempo que estas centrais de energia precisam para voltar a ligar à rede, uma alimentação adicional de energia pode impedir ou pelo reduzir a descida da frequência de rede, de modo a evitar a formação de uma situação crítica na rede.

Se for alimentada menos potência na rede do que lhe é retirada pelos consumidores, a frequência de rede desce. Na sequência da falha de potência alimentada, p. ex. após 21 um curto-circuito na rede, pode ocorrer uma descida notável da frequência da rede.

Mesmo as centrais de energia eólica longe de um local de erros podem detetar a alteração de frequência e reagir a isso. Se a frequência de rede descer p. ex. em mais de 50 mHz no espaço de 1 segundo, devia ser alimentada potência adicional para a rede.

Se a frequência de rede voltar a subir, surgem oscilações que requerem eventualmente uma alimentação adicional da energia de reserva, ou seja, uma atenuação da oscilação.

As oscilações típicas da frequência de rede na sequência de oscilações abrangentes à rede ("Inter Area Oscillations") situam-se atualmente na Europa (rede UCTE) entre 0,2 e 0,8 Hz. No caso apresentado na Figura 3 (0,22 Hz = duração de períodos 4,5 s), a central de energia eólica tem de alimentar, pois, durante 2,25 segundos potência adicional para a rede e reduzir durante 2,25 segundos alimentação de potência para a rede, para poder atenuar a oscilação.

Se pretender alterar a velocidade de rotação da central de energia eólica (na velocidade de rotação nominal) p. ex. em não mais do que 50 rpm, podia p. ex. usar-se 5% da potência momentânea para uma atenuação das frequências de energia da rede.

Os convencionais conceitos da regulação da frequência usam um estrangulamento (por regulação do ângulo da pá nas centrais de energia eólica), para preparar reservas de potência para tarefas de regulação. O aproveitamento da energia acumulada permite reduzir o custo de regulação com uma redução mínima do rendimento. 22

Numa regulação de frequência com 2% da potência nominal pode, p. ex. na operação acima do vento nominal, aumentar-se novamente a potência através de uma adaptação do ângulo da pá (a central de energia eólica já está estrangulada, para limitar a potência). Devem naturalmente observar-se aqui os limites de conceção da central de energia eólica (se necessário em função das condições atuais do ambiente) . Sob o vento nominal, pode alimentar-se a rede até 30 segundos com mais energia (com frequência decrescente) ou com menos energia (com frequência crescente), sem ser necessária uma operação com central de energia estrangulada (e consequentemente significativas perdas de rendimento).

Sabe-se que a potência de regulação disponível numa rede e disponibilizada por convencionais centrais elétricas só pode ser ativada com um retardamento temporal. Uma indicação habitual é que se pretende ativar no espaço de 5 segundos 50% da energia de regulação primária disponível e só 30 segundos depois é que a energia de regulação primária total disponibilizada tem de estar disponível. Isto é uma vantagem da invenção, que permite fechar esta lacuna em determinados limites, porque a ativação da energia de reserva das centrais de energia eólica é possível em menos de 100 ms após deteção da queda de frequência.

Apesar de a energia total disponível estar limitada, ela está é adequada a contornar o tempo até a) as convencionais centrais elétricas disponibilizarem potência de regulação adicional e 23 b) as centrais de energia eólica, que p. ex. se separaram da rede devido a uma queda de tensão, voltarem a alimentar potência.

Como se pode ver na Figura 1, a ativação da energia de reserva p. ex. numa central de energia eólica de 8 m/s, mesmo numa descida da velocidade de rotação em 20 0 rpm, causa apenas uma descida mínima da potência, que pode ser alimentada devido à aerodinâmica das pás do rotor. A situação já é outra com elevadas velocidades do vento. Aqui, uma descida da velocidade de rotação em 200 rpm causa um pior ponto de trabalho. A potência que pode ser alimentada para a rede neste ponto de trabalho (AP2) fica visivelmente abaixo da potência que pode ser alimentada à velocidade de rotação nominal (AP1). Isto atua primeiramente como uma desvantagem do processo, uma vez que concluída a alimentação da energia de reserva pode ser alimentada menos potência do que antes da ativação. Numa observação mais precisa vê-se, porém, que a velocidade de rotação do vento pode ser temporal e localmente diferente. Se for operada uma maior quantidade de centrais de energia eólica na rede, no caso de uma velocidade do vento elevada no meio haverá também uma quantidade significativa de centrais de energia eólica, nas quais a velocidade do vento está acima da velocidade nominal do vento. Estas centrais de energia eólica são operadas já estranguladas, ou seja, as condições do vento permitiriam uma maior alimentação do que é alimentado pelas centrais de energia eólica. Estas centrais de energia eólica podem, desde que estejam em condições, alimentar limitadamente mais do que potência nominal para a rede, não só limitar a descida da velocidade de rotação após a ativação da energia de reserva através de uma alteração do ângulo da pá, mas também até repor a velocidade de rotação no seu valor original. Desde que a conceção da central de energia eólica o permitir, elas até podem durante mais tempo (p. ex. por 30-60 segundos em vez de apenas por 5 s - 10 s) alimentar mais 10% de potência para a rede. Deste modo, elas podem p. ex. alimentar mais energia até as centrais de energia eólica, que são operadas após conclusão da alimentação da energia de reserva num ponto de trabalho desfavorável, terem voltado a arrancar o seu ponto de trabalho original.

Como exemplo de uma conceção no caso de erro, baseia-se numa central de energia de eólica com 1,5 MW de potência nominal e 70 m de diâmetro de rotor: A inércia da central de energia eólica é de aprox. 450 kgm2, a velocidade de rotação nominal é 1780 rpm e, consequentemente, resulta numa energia cinética acumulada de 7,6 MWs.

Numa rotação de velocidade nominal, com uma redução da velocidade de rotação em 200 rpm, a energia disponível é de 760 kWs. Deste modo, é possível alimentar adicionalmente p. ex. por 10 segundos até 163 kW de potência (até 11 % da potência nominal) ou por 5 segundos até 22% da potência nominal. A Figura 2 apresenta o coeficiente de potência como função do ângulo de pá e da razão de velocidades na pá, ou seja, a relação da velocidade periférica da ponta da pá para a velocidade do vento que chega. O coeficiente de potência descreve a parte da energia que as pás do rotor 25 podem ser extrair do vento. Devem ambicionar-se valores mais elevados.

Com a descida da velocidade de rotação na sequência da ativação da energia de reserva, o ponto de trabalho AP1 altera-se na direção AP2a. 0 fator de potência piora-se e, por conseguinte, desce a potência que a central de energia eólica pode extrair do vento. Porém, o efeito pode ser reduzido através de uma alteração do ângulo da pá, na medida em se estimula uma operação no ponto de trabalho AP 2 b. Note-se que não há verdadeiros pontos de trabalho fixos na operação de uma central de energia eólica. Na realidade, as condições de operação variam (p. ex. a velocidade do vento) constantemente, de modo a poder deslocar a central de energia eólica para uma área de trabalho através de uma regulação dinâmica. Isto é indiciado pela evolução incerta do ângulo da pá na Figura 2 .

Se houver indicações para uma energia mínima a disponibilizar, a velocidade de rotação mínima da central de energia eólica é correspondentemente indicada e também mantida desde que as condições do vento assim o permitam.

Se a frequência de rede descer no espaço de um segundo em mais de 0,05 Hz, a energia de reserva é ativada. A potência alimentada para a rede pela central de energia eólica é temporariamente aumentada em 10% relativamente à potência atualmente disponibilizada pelo vento conforme a curva característica da central de energia eólica. A ativação da energia de reserva ocorre no máximo por 10 segundos. Se entretanto a frequência de rede voltar a subir para o valor da frequência nominal, termina a 26 alimentação da energia de reserva (prematuramente). Uma vez chegado ao fim da alimentação de energia adicional, a central de energia eólica regressa ao ponto de trabalho antigo. No meio, só é alimentada a quantidade máxima de energia que é disponibilizada pelo vento. A Figura 3 mostra um exemplo (falha de carga no 16.12.1997 em Espanha: 500 MW. medições das oscilações inter-área 0,22 Hz em França e Alemanha) para uma oscilação medida da frequência de rede da rede de alimentação de energia, tal como é atenuada conforme a presente invenção. A curva inferior mostra a evolução temporal da potência (escala à direita). As curvas superiores mostram as frequências medidas em dois locais (escala à esquerda), nomeadamente em Cantegrit (França), ou seja, na proximidade do local da avaria, e em Uchtelfangen (Alemanha), ou seja mais afastado do local da avaria. As oscilações típicas da frequência de rede na sequência de oscilações abrangentes à rede ("Inter Area Oscillations") situam-se atualmente na Europa (rede UCTE) entre 0,2 e 0,8 Hz. Esta oscilações são pouco pronunciadas na sua amplitude e são parcialmente apenas ligeiramente atenuadas. Através da sua periodicidade, um controlo de rede centralizado ou descentralizado consegue criar um sinal de regulação em oposição e sincronizado com a oscilação, sinal esse que se dirige ao dispositivo de controlo para disponibilizar energia de regulação cinética. No caso acima apresentado (0,22 Hz = duração de períodos 4,5 s), a central de energia eólica tem de alimentar, pois, durante 2,25 segundos potência adicional para a rede e reduzir durante 2,25 segundos a alimentação de potência para a rede, para poder atenuar a oscilação. 27

Através da sua periodicidade, selecionando um filtro adequado, é cabível um limite de arranque visivelmente mais baixo do processo de regulação, do que acontece no caso de uma avaria de rede. Pode, assim, fazer sentido, logo a partir de uma amplitude de 0,001 Hz, criar um sinal de ajuste quando a oscilação está presente por um período mais prolongado (p. ex. superior a 5 -10 períodos). 28

REFERÊNCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO Ά presente listagem de referências citadas pela requerente é apresentada meramente por razões de conveniência para o leitor. Não faz parte da patente de invenção europeia. Embora se tenha tomado todo o cuidado durante a compilação das referências, não é possível excluir a existência de erros ou omissões, pelos quais o EPO não assume nenhuma responsabilidade.

Patentes de invenção citadas na descrição

• DE 10022974 Al [0006] · DE 19756777 AI

[0008] • EP 0569556 B [0007]

Claims (17)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Processo para operar pelo menos uma central de energia eólica com um rotor e um gerador elétrico acoplado ao rotor para fornecer potência elétrica numa rede de distribuição de energia com a ajuda de um dispositivo de regulação, que garante a operação da central de energia eólica em cuja área de trabalho determinada por parâmetros para o ângulo da pá, potência ativa de fornecimento e velocidade de rotação do rotor, em que os seguintes passos são realizados pelo dispositivo de regulação: a. Operar a central de energia eólica na área de trabalho não estrangulada conforme a melhor característica útil da central de energia eólica, em que por não estrangulado se entende, conforme a melhor característica útil, a máxima potência ativa de fornecimento com as respetivas condições do vento; b. Detetar alterações de um parâmetro de serviço de rede da rede de distribuição da energia; c. Alterar a operação da central de energia eólica, quando ocorre uma alteração não previsível do parâmetro de serviço da rede, permitindo que a área de trabalho não estrangulada seja abandonada pela descida da velocidade de rotação do rotor, alimentando uma potência ativa para a rede de distribuição da energia, que é maior em uma potência excessiva do que a máxima potência ativa de fornecimento correspondente às respetivas condições do vento, em que é extraída a potência excessiva da energia cinética do rotor; 2 d. Regressar à operação na área de trabalho não estrangulada de acordo com a melhor característica útil da central de energia eólica, subindo a velocidade de rotação do rotor quando tiver terminado a alimentação da potência excessiva.

2. Processo segundo a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de ser determinada uma velocidade de rotação mínima e de o fornecimento da potência excessiva ser automaticamente concluído ao atingir a velocidade de rotação mínima.

3. Processo segundo a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de a operação da central de energia eólica ser alterada na sequência de um sinal de valor limite ou de avaria e de o sinal de valor limite ou de avaria ser produzido localmente na central de energia eólica ou distante desta na rede de distribuição da energia .

4. Processo segundo pelo menos uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo facto de uma série de centrais de energia eólica ser ativada por uma série de diferentes sinais, em que estes sinais podem ser produzidos por um controlo de rede central.

5. Processo segundo pelo menos uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado pelo facto de se usar como parâmetro de serviço de rede a frequência de rede e/ou a tensão de rede e/ou a sua velocidade de alteração. 3

6. Processo segundo pelo menos uma das reivindicações de 3 a 5, caracterizado pelo facto de o sinal de avaria ser produzido em 1 s numa queda de frequência na faixa abaixo de 0,2 Hz e/ou numa descida acima de aprox. 0,05 Hz .

7. Processo segundo pelo menos uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo facto de a potência excessiva ser alimentada por um intervalo de tempo predefinido de aprox. 0,05 até 60 s, preferencialmente por alguns segundos.

8. Processo segundo pelo menos uma das reivindicações de 3 a 7, caracterizado pelo facto de os sinais serem transmitidos continuamente às centrais de energia eólica com base em medições e/ou dados estatísticos e/ou empíricos.

9. Processo segundo pelo menos uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizado pelo facto de a alimentação da potência excessiva ocorrer por um período de tempo predefinido ou até à descida para uma determinada velocidade de rotação.

10. Processo segundo pelo menos uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizado pelo facto de ser fornecido ao dispositivo de regulação uma quantidade de energia de regulação disponibilizada, que deve ser alimentada por meio da potência excessiva. 4

11. Processo para operar uma série de centrais de energia eólica, caracterizado pelo facto de as diversas centrais de energia eólica serem operadas conforme uma das reivindicações de 1 a 8.

12. Processo segundo a reivindicação 11, caracterizado pelo facto de, ao exceder um valor limite predefinido, serem continuamente fornecidos respetivos sinais de valor limite e de avaria às centrais de energia eólica , para atenuar oscilações ou flutuações de frequência de rede para além regiões .

13. Processo segundo uma das reivindicações de 11 ou 12, caracterizado pelo facto de serem usadas ferramentas de prognóstico, que extrapolam a proposta esperada de energia eólica para cada uma central de energia eólica, com base em medições e/ou dados estatísticos e/ou empíricos.

14. Processo segundo uma das reivindicações de 1 a 13, caracterizado pelo facto de, na redução da velocidade de rotação através da alimentação da potência excessiva, o ângulo de regulação da pá é regulado de modo a permitir, para as presentes condições do vento e da velocidade de rotação, a melhor extração de potência a partir do vento.

15. Processo segundo pelo menos uma das reivindicações de 11 a 14, caracterizado pelo facto de ser produzido um sinal de avaria numa queda de frequência entre 0,01 Hz e 0,2 Hz em 1 s, preferencialmente a 0,05 Hz por s . 5

16. Central de energia eólica com um rotor, um gerador elétrico acoplado ao rotor e um conversor para fornecer potência elétrica numa rede de distribuição de energia com a ajuda de um dispositivo de regulação, em que o dispositivo de regulação é constituído para: a. operar a central de energia eólica na área de trabalho não estrangulada conforme a melhor característica útil da central de energia eólica, em que a área de trabalho é determinada por parâmetros para o ângulo da pá, potência ativa de fornecimento e velocidade de rotação do rotor, e em que por não estrangulado se entende, conforme a melhor característica útil, a máxima potência ativa de fornecimento nas respetivas condições do vento; b. detetar alterações de um parâmetro de serviço de rede da rede de distribuição de energia; c. alterar a operação da central de energia eólica, quando ocorre uma alteração não previsível do parâmetro de serviço da rede, de modo a que a área de trabalho não estrangulada seja abandonada pela descida da velocidade de rotação do rotor, alimentando uma potência ativa para a rede de distribuição da energia, que é maior em uma potência excessiva do que a máxima potência ativa de fornecimento correspondente às respetivas condições do vento, em que é extraída a potência excessiva da energia cinética do rotor; d. regressar à operação na área de trabalho não estrangulada de acordo com a melhor característica 6 útil da central de energia eólica, subindo a velocidade de rotação do rotor quando tiver terminado a alimentação da potência excessiva.

17. Central de energia eólica segundo a reivindicação 16, caracterizada pelo facto de o dispositivo de regulação ser ainda constituído para operar conforme uma das reivindicações de 2 a 15.