PT2411669E

PT2411669E - Processo de funcionamento de uma turbina eólica

Info

Publication number: PT2411669E
Application number: PT107103160T
Authority: PT
Inventors: Alfred Beekmann; Wolfgangde Boer
Original assignee: Wobben Properties Gmbh
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2013-09-17
Also published as: CA2754643C; EP2411669B1; US20160169199A1; DE102009014012B4; PL2411669T3; AU2010227613B2; CN102388219B; NZ595162A; RU2011142739A; WO2010108910A2; EP2411669B2; KR101622755B1; DK2411669T3; EP2411669A2; DK2411669T4; SI2411669T1; AR075929A1; ES2425917T3; US20120104756A1; CA2754643A1

Description

1

DESCRIÇÃO "PROCESSO DE FUNCIONAMENTO DE UMA TURBINA EÓLICA" A invenção diz respeito a um processo de funcionamento de uma turbina eólica e a uma turbina eólica para execução do processo.

Como estado atual da técnica fique a indicação de "Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems", Siegfried Heier, 1998, em especial as páginas 263 e seguintes, bem como os pedidos de patente US 7,345,373 e WO 01/86143. O estado atual da técnica mais próximo encontra-se no documento WO 01/86143.

Este documento ensina a redução da potência de uma turbina eólica, quando a frequência de rede, da rede que é alimentada pela potência elétrica gerada pela turbina eólica, ultrapassa um determinado valor acima da frequência desejável.

Em redes da Europa Central, a frequência desejável encontra-se regularmente em 50Hz, em redes Norte-americanas, contudo, em 60Hz.

Simultaneamente, as oscilações de rede são, então, muito reduzidas, dependendo de quanto a potência gerada é equilibrada pelos produtores de energia elétrica em relação à potência consumida por aqueles que se encontram ligados à rede elétrica e consomem a energia para seus propósitos de cunho elétrico. Se, por exemplo, a potência oferecida pelos geradores se encontra acima da potência usada pelos consumidores ligados à rede, então a frequência de rede aumenta; porém, a frequência também pode descer abaixo do valor desejável, por exemplo, de 50Hz, quando, por sua vez, a potência oferecida é inferior ao consumo daqueles ligados à rede elétrica. A gestão de rede, ou seja, a gestão dos produtores e 2 dos grandes consumidores de energia elétrica, é uma tarefa regular levada a cabo pelos operadores de rede. A diferente gestão de rede pode prever mecanismos de regulação muito dispares, como, por exemplo, o ligar automático de determinados geradores (no caso de centrais a gás, por exemplo), o ligar automático de determinados grandes consumidores, ou a introdução de estações de transferência de energia por bombagem, etc. Num funcionamento normal, a gestão de redes de grandes redes de alimentação consegue sempre manter a frequência de rede ao nível da frequência desejável, sendo permitidos pequenos desvios. Estes desvios mínimos não deveriam por norma ultrapassar a área dos 6 1&. Naturalmente que é possível adicionar à gestão de rede a ligação de várias outras redes à rede principal, para alimentar a rede com potência adicional ou retirá-la da mesma, para a distribuir por outras redes.

Em relação a turbinas eólicas, já o documento WO 01/086143 ensina - como acima indicado - a reduzir a potência para abaixo da potência atualmente disponível, quando um determinado valor de frequência de rede se encontra, por exemplo a 3 sa acima do valor desejável da frequência de rede (por exemplo, acima de 50Hz). O documento ensina ainda, que quando a frequência continua a subir, a potência continua a ser linearmente reduzida, dependendo da continuada subida da frequência de rede. O requerimento de patente alemão DE 10 2005 052 001 AI diz respeito a um processo de funcionamento de uma turbina eólica. Nele é sugerida a redução da potência ativa transferida da turbina eólica para a rede, quando o valor de frequência de rede é ultrapassado em dependência de uma frequência de rede momentânea. O requerimento de patente norte-americano US 2007/0085343 AI diz respeito a um processo de funcionamento de uma turbina eólica, um rotor e um gerador elétrico, que se encontra acoplado ao rotor, 3 para alimentar com potência eléctrica uma rede de distribuição de energia. A turbina elétrica é controlada em dependência de uma alteração no parâmetro de funcionamento do sistema, sendo que durante um determinado espaço de tempo o sistema é alimentado com uma potência mais elevada do que num estado de funcionamento estacionário. A presente invenção propõe-se a melhorar o funcionamento de uma turbina eólica em relação ao atual estado da técnica, e a melhorar todo o apoio de rede da turbina eólica em relação à rede. 0 propósito é resolvido através de um processo segundo a presente invenção com uma caracteristica de acordo com a reivindicação 1. Um continuado desenvolvimento vantajoso é descrito nas demais reivindicações.

Segundo a presente invenção, a partir de agora a turbina eólica já não desligada, quando determinado valor de frequência é inferior ao valor desejável da frequência de rede, mas sim continua em funcionamento através de um aumento de potência, o que significa que a potência é a curto prazo e dentro de pouco tempo superior à potência de alimentação anterior. Para tal é, por exemplo, utilizada a energia de rotação guardada em momentos de inércia do sistema de rotor/sistema do gerador, o que significa que de todo o sistema do rotor/gerador é a curto prazo retirada mais potência, de forma que, imediatamente após a frequência de rede se encontrar abaixo do valor desejável, é disponibilizada uma potência superior a curto prazo. Isto acontece também, quando anteriormente a turbina eólica alimentava com potência nominal, entregando, portanto, a sua medida máxima, ou seja, a potência que consegue retirar do vento. 0 montante pelo qual a potência é aumentada a curto prazo encontra-se na área de até 10 a 30% da potência nominal, de preferência na área dos cerca de 20% da potência nominal. 4 0 valor de frequência predeterminado pode, por exemplo, ser estabelecido através da indicação de uma frequência de banda morta. Assim que a frequência de rede se encontrar abaixo dessa frequência de banda morta, dá-se o aumento da potência atual da turbina eólica, assim como da potência entregue pela turbina eólica para a alimentação da rede. Neste caso, a frequência de banda morta encontra-se próxima do valor de frequência predeterminado, abaixo da frequência desejável da rede. 0 valor de frequência predeterminado é preferencialmente superior em 1 o<>f 2 oó ou 3 oó do que a frequência de rede desejável. Se a frequência de rede desejável é de 50 Hz, é abrangida uma frequência abaixo do limiar de 49, 95, 49, 90 ou 49, 85 Hz.

Em alternativa ou complementaridade pode igualmente contemplar-se uma alteração de frequência relativa, ou seja, uma queda relativa de frequência, também conhecida por df/dt ou gradiente de frequência. Se o montante de tal alteração de frequência de rede por espaço de tempo é demasiado alto, portanto, se a frequência baixa de uma forma rápida de mais, a actual potência de alimentação de rede pode ser aumentada a curto prazo para apoio da rede. A abrangência de uma tal alteração de frequência por espaço de tempo, portanto o df/dt possibilita, se necessário, uma compreensão mais rápida da queda de frequência de rede e, como tal, um reconhecimento mais rápido da necessidade de apoio de rede. A abrangência de um valor de frequência absoluto, ou do estado abaixo do limiar de um valor de frequência absoluto predeterminado, como também da alteração por espaço de tempo podem ser combinadas. Desta forma, por exemplo, uma rápida queda de frequência de rede poderá ser avaliada como sendo menos critica, quando o valor absoluto da frequência de rede se encontrar acima da frequência nominal.

Se em adição ou em alternativa é compreendido um 5 gradiente de frequência, acaba por revelar-se vantajoso o aumento de potência a partir de um gradiente de 0,1 Hz/s. Vantajoso para a introdução de um aumento de potência revelou-se um montante de alteração, ou seja um gradiente entre os 0,2 - 7 Hz/s, em especial entre os 0,5 - 2 Hz/s. Assim, por exemplo, 0,2 Hz/s, 0,5 Hz/s, 1 Hz/s, 2 Hz/s e 5 Hz/s são valores favoráveis. Deve-se ter em conta que a abrangência ou compreensão de um gradiente de frequência de, por exemplo, 1 Hz/s por norma não prevê uma medida além do espaço de tempo de um segundo. Os espaços de tempo de medição de 20 ms e inferiores, em especial de 10 ms, são os mais apropriados. Também os espaços de tempo de medição mais pequenos, como 5 ms ou inferior, são valores preferenciais. Além disso, tanto o espaço de tempo de medida, como o montante de alteração de base, ou o gradiente de frequência de base pode depender da frequência de rede desejável. Os valores acima mencionados e os espaços de tempo de medição respetivamente previstos são relativos a 50 Hz de frequência desejável. No caso de uma frequência desejável de 60 Hz pode ser previsto, se necessário, um gradiente superior e/ou um espaço de tempo de medição mais curto.

Fique ainda a indicação de que o aumento de frequência a curto prazo também pode ser utilizado para estabilizar ou nivelar a frequência de rede, ou para atenuar oscilações de rede. Particularmente o atenuar de oscilações de frequência pode ter vantajosamente em conta o gradiente de frequência. É preferencial que o aumento de potência de curto prazo se realize sob a utilização da energia de rotação do sistema de rotor-gerador armazenada no momento de inércia. Isto, portanto, diz respeito à retirada de energia cinética, que tanto se encontra armazenada no rotor giratório de uma ou mais pás, como também no cursor giratório do gerador. A retirada de uma potência superior pode ser alcançada principalmente através do aumento da corrente magnetizante 6 e, dessa feita, através do aumento do contratempo de gerador do cursor. Em especial os geradores sem engrenagem com cursores de elevados diâmetros e, assim sendo, de grandes massas e respetivamente com prolongados momentos de inércia podem armazenar uma grande quantidade de energia cinética. É preferencial que a frequência da potência de alimentação corresponda sempre à frequência de rede atual. Se há uma queda na frequência de rede, pode executar-se um aumento de potência, diminuindo, contudo, a frequência de alimentação, embora adaptada à frequência atual.

Sugere-se, de preferência, um processo que se caracteriza pelo facto de que o aumento da potência se realize acima da potência atual, quer dizer também acima da potência nominal, se anteriormente a alimentação era feita com potência nominal. Desta feita, em caso de queda critica de frequência, também nas turbinas eólicas em funcionamento nominal se procedeu a um aumento de potência. Isto levou ao reconhecimento de que uma potência nominal, a qual pode representar regularmente uma potência máxima para o funcionamento continuo, pode ser ultrapassada sem provocar danos na turbina eólica, para um apoio a curto prazo da rede.

De acordo com uma forma de realização sugere-se que o processo se caracterize pelo facto de, dentro de um espaço de tempo de 10 a 1000 ms, em especial de 20 a 500 ms, de preferência de 50 a 100 ms após queda abaixo do limiar de um valor de frequência predeterminado da frequência de rede, ou após queda abaixo do limiar de um montante de alteração predeterminado, se dê o aumento de potência e/ou que a alimentação passe a ser feita com uma potência acima da potência anteriormente ligada, durante mais um espaço de tempo de pelo menos 0,5 sec, preferencialmente de pelo menos 1 sec até o máximo de 30 sec, preferencialmente no máximo de cerca de 3 a 6, 8, 10, 12 ou 15 sec. 7

Fundamentalmente deve haver um tempo de reação breve, de, por exemplo, 10 ms, valor a ser tido como ideal para a realização de um aumento de potência. Em particular, o tempo de 10 ms corresponde numa frequência de rede de 50 Hz a uma meia onda ou alternância. Um maior tempo de resposta de até 1 sec é desejável, para evitar uma reação exagerada ou instabilidade do sistema. Em especial, valores de 50 a 100 ms revelaram-se um compromisso vantajoso. 0 aumento de potência é fundamentalmente necessário por um curto espaço de tempo. Esse espaço de tempo dura habitualmente pelo menos 0,5 sec, mas de preferência 1 sec e chega aos 3, 6, 8, 10, 12, 15 e ao máximo de 30 sec. Quando é necessário um aumento de potência que dure manifestamente mais do que 10 sec, já não se está perante uma medida de apoio momentânea, mas, em geral, perante uma potência aumentada requerida. Uma área efetiva para o aumento de potência resultou de 3 a 6, 8, 10, 12 ou 15 sec.

De preferência prevê-se um processo de controlo de um parque eólico, em que cada turbina eólica é controlada segundo um processo desta invenção. Em particular, cada turbina eólica encontra-se preparada para em caso de uma quebra de frequência entregar uma maior potência à rede. No processo, um parque eólico abrange no mínimo duas turbinas eólicas, mas em regra manifestamente mais turbinas eólicas, como 10 turbinas eólicas, 50 turbinas eólicas ou ainda mais. Entre as turbinas eólicas de um parque eólico entenda-se, porém, apenas aquelas, que estão ligadas ao processo descrito.

De preferência, o aumento da potência de todas as turbinas eólicas a alimentar a rede dá-se por unidade e/ou de forma central. Assim evita-se que diferentes turbinas de um parque eólico comuniquem em tempos diferentes e possivelmente constituam um impedimento umas às outras. Adicionalmente, os parques eólicos podem estar submetidos a certas condições como valores de limite para a ligação de rede, quando o parque eólico alimenta com a potência de todas as turbinas eólicas um ponto de acesso de rede. Assim podem existir, por exemplo, limites máximos para a potência de alimentação por parte da ligação de acesso, mas por vezes também na utilização de um transformador central. Um controlo central pode ter em conta tais condições de fronteira. Uma unidade de controlo das turbinas eólicas -desde que possível em diferentes turbinas eólicas de um mesmo parque eólico - pode constituir um grande suporte. Assim, pelo menos uma parcela da unidade de controlo pode ser levada a cabo, por exemplo em relação ao comando necessário e/ou ao período de tempo de aumento de potência. Se, nesse caso, todas ou a maioria das turbinas eólicas de um parque estiverem em funcionamento nominal e se o aumento de potência de todas as turbinas for limitado devido a um limite máximo de potência do parque eólico, o controlo ou comando pode executar-se de forma que apenas uma parte das turbinas eólicas contribuam para um aumento de potência, e posteriormente uma outra parte. Além disso, o esforço de controlo e de regulação pode ser reduzido através da recorrência a uma unidade de controlo central que, por exemplo, para determinado aumento de potência, apenas entregue a cada turbina no parque eólico o respectivo valor de potência desejável. as

Sugere-se ainda uma turbina eólica preparada para entrar em ação segundo o processo aqui dado. Sugere-se ainda um parque eólico, que abrange múltiplas turbinas eólicas descritas nesta invenção e introduza de preferência um processo de controlo central e/ou no aumento de potência para a rede utilize pelo menos parte das turbinas eólicas controladas pela unidade de controlo central. Um controlo central do aumento de potência para a rede a partir de todas as turbinas eólicas pode ser levado a cabo por uma unidade de controlo em separado e/ou uma turbina eólica pode funcionar como mestra, orientando-se todas 9 restantes turbinas por ela. Fundamentalmente é possível a divisão de um parque eólico em unidades de controlo por secções do parque, juntando, por exemplo, respectivamente turbinas de tipo semelhante. ido, porque no aumento carga, tal se dar. É rotação, em depende da ou seja, da invenção é

Para o aumento da entrega de potência não se toma apenas em conta a utilização da energia de rotação do momento de inércia. Como suporte, ou em exclusivo, pode-se igualmente alterar o ângulo de arfagem das pás do rotor -uma alteração do ângulo de pitch -, para aumentar a energia retirada do vento. Isto acontece em especial quando a turbina eólica funciona sob carga nominal, portanto, entrega já potência nominal, em especial se as pás do rotor já foram trabalhadas em pitch para regulação da velocidade de rotação nominal. Após um aumento de potência, a velocidade de rotação do rotor pode ter diminuído, porque foi retirada energia cinética. Particularment de potência em caso de um funcionamento en redução pode ser inferior ou nem sequer espectável haver uma redução na velocidade de rotação, especial na área de carga parcial, o que quantidade e da duração do aumento de potência, ou seja, da potência adicional entregue. Em seguida, a descrita de forma mais detalhada, com base nas respetivas figuras:

Fig. 1 mostra de forma esquemática uma nacela parcialmente aberta de uma turbina eólica, também esquemática, com perspetiva sobre meão e partes do gerador;

Fig. 2 mostra de forma esquemática uma sinopse com acoplamento de rotor-gerador sem engrenagem com medição de frequência;

Fig. 3 mostra exemplo de um comportamento de potência/frequência de uma turbina eólica;

Fig. 4 mostra forma de execução alternativa à Fig. 3;

Fig. 5 dá exemplo de decursos de potência para um 10 aumento de potência constante;

Fig. 6 dá exemplo de decursos de potência em um aumento de potência dependente da velocidade de rotação; Fig. 7 dá um exemplo de uma medição de uma frequência, em caso de um aumento de potência dependente da velocidade de rotação;

Fig. 8 mostra uma medição de uma potência com aumento de potência constante, e

Fig. 9 mostra possíveis decursos de valores de potência, à volta da qual deve ser executado um aumento de potência, dependendo da frequência e para os diferentes valores máximos do aumento de potência reguláveis.

De seguida, os mesmos signos de referência podem, contudo, designar elementos semelhantes, mas não parecidos. De seguida, a título de complementaridade, é descrita uma turbina eólica com gerador sincrónico e de conceito sem engrenagem, com um operador de volume.

Fig. 1 mostra de forma esquemática uma nacela 1 de uma turbina eólica sem engrenagem. 0 meão 2 é reconhecível pela cobertura parcialmente aberta apresentada (prato de centrifugação) . No meão encontram-se três pás de rotor 4, em que as pás do rotor 4 apenas se encontram representadas na sua área junto ao meão. 0 meão 2 com as pás do rotor 4 forma um rotor aerodinâmico 7. 0 meão 2 está mecanicamente ligado ao rotor 6 do gerador, que também pode ser designado por cursor 6, de seguida designado por cursor 6. 0 cursor 6 encontra-se de forma giratória do lado oposto do estator 8. O cursor 6 é alimentado durante a sua rotação em relação ao estator 8, habitualmente com uma corrente contínua, para criar um campo magnético e construir um momento ou contratempo do gerador, que pode ser regulado e também alterado por essa intensidade magnetizante. Se assim o cursor 6 recebe intensidade elétrica, a sua rotação produz em relação ao estator 8 um campo eléctrico no 11 estator 8 e, assim sendo, uma corrente eléctrica alternada. A corrente alternada produzida no gerador 10, constituído essencialmente pelo cursor 6 e o estator 8, é regulada como mostrado na Fig. 2 através de um retificador 12 em corrente contínua. A corrente retificada, ou seja, a tensão elétrica retificada é então transformada num sistema de 3 fases na frequência desejada através de um inversor 14. O assim produzido sistema de corrente e tensão trifásico é altamente transformado, em especial a nível da tensão, através de um transformador 16 para ser introduzido numa rede eléctrica em circuito 18. Teoricamente, o transformador é dispensável, ou substituível por um indutor. Habitualmente, as exigências de tensão na rede elétrica 18 são de tal forma, que é necessária uma alta transformação por meio de um transformador.

Para controlo é utilizado um controlo primário 20, que também pode ser designada por unidade de main-control e que constitui a unidade de regulação e de controlo principal da turbina eólica. O controlo primário 20 recebe a sua informação através da frequência de rede da unidade de medição de rede subordinada 22, entre outros. O controlo principal controla o inversor 14 e o retificador 12. Fundamentalmente poderia também ser utilizado um retificador sem controlo. Além disso, o controlo primário 20 controla ainda um conversor direto de corrente contínua 24 para alimentar com corrente magnetizante o cursor 6, que é parte do gerador 10. O controlo primário 20 modifica a alimentação em caso de um valor pré-determinado de frequência de rede se encontrar abaixo do limiar, ou seja, modifica o ponto de funcionamento do gerador. Uma vez que o gerador trabalha por variável de rotação por minuto, a alimentação dá-se para a rede como descrito, através de um regulador de volume, que é essencialmente constituído pelo retificador 12 e o inversor 14.

Em funcionamento, a tensão de rede e a frequência de 12 rede são permanentemente medidas de forma trifásica pela unidade de medição de rede 22. Da medição resulta - no caso de uma frequência de rede 50 Hz - a cada 3,3 ms um valor novo para uma das 3 tensões de fase. A frequência de rede é assim compreendida consoante cada alternância de tensão, filtrada e comparada com valores de limite pré-estabelecidos. Para um sistema de 60Hz estaria disponível para cada 2,7 ms, ou seja, para cada retorno a zero, um valor para uma das 3 tensões de fase.

Fig. 3 mostra um exemplo esquemático de uma resposta ou percurso de frequência, assim como de áreas de frequência ao longo do tempo de percurso, apresentando-se também uma respetiva resposta ou percurso de potência.

Da Fig. 3 é reconhecível que o controlo primário distingue entre três áreas de funcionamento em relação à frequência, sendo estas a área de banda morta 30, a área de banda de controlo 32 e a área de sub-frequência 34. A área de banda morta constitui a área de frequência entre a frequência nominal fn0rm ou fN e a subsequente frequência de banda morta fdeadband· A frequência nominal encontra-se habitualmente pré-determinada, como 50 Hz para a rede de interligação europeia ou 60 Hz no espaço norte-americano, por exemplo. A frequência de banda morta fdeadband pode ser regulada, sendo que a área de banda morta, pelo menos em relação a este valor mínimo, é regulável. Na área de banda morta não está prevista qualquer aumento de potência. A área de banda de controlo 32 estende-se entre a frequência de banda morta fdeadband e a subsequente frequência de banda de controlo fControiband· A área de banda de controlo pode ser respectivamente regulada, dada a frequência de banda morta fdeadband e a frequência de banda de controlo fcontroiband· Na área da banda de controlo, quer dizer, quando a frequência efectiva/real aceita valores na área de controlo, pode ocorrer um aumento na potência ativa em dependência do desvio de frequência, em especial da 13 frequência efectiva em relação à frequência de banda morta por um aumento de potência Pmcrease · Neste caso prevê-se um aumento da potência ativa proporcionalmente dependente do desvio de frequência. Assim sendo, também o aumento da potência ativa Pincrease é uma medida alterável da área da banda de controlo. Pode, assim, ocorrer um aumento da potência ativa dependente do desvio de frequência por uma potência adicional Pincrease de 0% até a um valor pré- determinado Wert Píncrease_set ♦ O aumento máximo da potência ativa é possível de pré-determinar ou de regular anteriormente por via de Pincrease_set, em que Pincrease_set pode ser aumentado de 0% a P±ncrease_max em passos ou fases de 1 %. A área de sub-frequência 34 estende-se a partir da frequência de banda de controlo fControiband para cima. Se a frequência efetiva se encontrar abaixo da frequência de banda de controlo fControibancu então dá-se na área de sub-frequência um aumento máximo de potência pré-determinado e regulado. 0 aumento de potência Pincrease adopta, assim, o valor máximo, que, por exemplo, pode ser de 10% em relação à potência nominal.

Fig. 3 representa a negrito um exemplo do decurso da frequência efetiva. Primeiro a frequência apresenta o valor da frequência nominal Fnorm, até que decai no ponto temporal t0. 0 decurso da frequência efetiva está assinalado com o signo de referência 36. Além disso, encontra-se representado um decurso exemplificativo de uma potência a regular, assinalado com o signo de referência 38. Deve-se ter em atenção que, para o controlo aqui descrito a título exemplif icativo, a potência tem de ser no mínimo 4% da potência nominal, para poder executar no mínimo o aumento máximo de potência desejado.

No ponto temporal t0 a frequência efetiva decai 36, mas encontra-se, antes de mais, na área de banda morta 30, de forma que não ocorre qualquer aumento de potência. A frequência efetiva, que é no mínimo 4% da potência nominal, 14 permanece, para já, constante. No ponto de tempo ti a frequência efetiva 36 alcança a frequência de banda morta fdeadband e fica abaixo da mesma. No exemplo dado, a potência 38 aumenta linearmente com a continuada queda de frequência 36. Isto significa que o aumento de potência Pincrease» o respetivo aumento em relação ao valor de partida PA, é aqui proporcional à diferença entre a frequência efetiva 36 e a frequência de banda morta fdeadband· 0 fator de proporcionalidade está aqui regulado de forma que o aumento de potência PinCrease alcance o seu valor máximo de 10% da potência nominal Pn, quando a frequência alcançar a frequência de banda de controlo fControiband· Isto é o caso no ponto temporal t2. O aumento de potência PinCrease pode, assim, ser indicado fundamentalmente para a área de banda de COntrOlO, como I Pincrease Pincrease_set X Pn X (fdeadband f) (fdeadband — fcontroiband) f desde que outros condicionalismos como as máximas de tempo para o aumento de potência sejam mantidos.

Se a frequência 36 continua a descer abaixo da frequência de banda de controlo f controiband/· a potência 38 não pode continuar a ser aumentada, permanecendo, para já, num valor máximo a partir do tempo t2, o que é igual ao valor de partida plus o valor máximo de Pincrease/· o que significa + 10% da potência nominal. Se a frequência volta a subir e ultrapassa no ponto t3 o valor da frequência de banda de controlo f controibandi então também o aumento de potência é diminuido, até a frequência 36 no ponto t4 ultrapassar a frequência de banda morta fdeadband· Neste ponto temporal t4, a potência voltou a alcançar o valor de partida PA e não torna a descer.

Deve-se salientar que a Fig. 3 mostra um decurso idealizado, não tendo sido tomados em conta as dinâmicas de norma. Além disso, no exemplo dado - por oposição à representação esquemática - o tempo máximo para o qual a potência é aumentada não deveria exceder 8 sec. Justamente 15 em aumentos de potência menores pode, contudo, ser ponderado um aumento desse tempo, se necessário. Deve-se ter em conta que a queda linear da frequência, assim como o aumento linear da frequência, foi escolhido para uma melhor visualização do esquema de regras e que não condiz obrigatoriamente com o comportamento habitualmente expectável de uma frequência de rede de alimentação.

Fig. 3 mostra num diagrama o decurso da frequência de rede e a respetiva reação da alimentação de potência por parte de uma turbina eólica.

De resto é reconhecível que a um dado ponto no tempo tl a frequência de rede cai, abaixo de um determinado valor de frequência abaixo da frequência desejável de cerca 50Hz. Quando um valor de frequência cai, por exemplo, para 1 % abaixo do valor desejável (e continua a descer), é praticamente de forma instantânea, a prazo extremamente curto, portanto, e rapidamente, dentro de poucos ms, por exemplo, de 50 a lOOms, ou de 500 a 1000 ms, que a potência da turbina eólica aumenta acima do seu valor atual, por exemplo 20% da potência atual ou até 30% acima da potência nominal. O exemplo da Fig. 3 parte do princípio de um aumento de 10% da potência nominal. Em caso extremo, quando a potência está a ser 4% da potência nominal e é aumentada 10% da potência nominal, poeria dar-se - pelo menos teoricamente - um aumento de potência 2,5 vezes superior à potência atual. Isto é justificável pelo facto de também nas entregas menores de potência já existir um número de rotações por minuto relativamente alto e, desta forma, já se encontrar bastante energia de rotação armazenada. Assim, pode, por exemplo, a uma potência nominal de 4%, ser atingida uma rotação de cerca de 50% da rotação nominal.

Quando muitas turbinas eólicas se comportam como anteriormente descrito, num curto espaço de tempo é disponibilizada uma grande quantidade de potência extra, resultando numa rápida inbalance entre produtor e 16 consumidor, tendo ainda como resultado o aumento rápido da frequência nominal que, a curto prazo, voltará a exceder o seu valor desejável.

No exemplo apresentado, o aumento de potência apenas ocorre durante cerca de 2 a 10 sec, de preferência até cerca de 3 sec, dependendo do comportamento da frequência.

Se, por exemplo, a frequência volta a subir muito rapidamente, assim o aumento da alimentação com potência pode ser reduzido ou terminado de novo, enquanto a alimentação aumentada demora mais tempo, quando a alimentação da sub-freqência com potência se mantém durante um maior espaço de tempo.

Fig. 4 mostra o aumento de alimentação de potência, também para o caso de oscilações de potência, por exemplo por o vento também oscilar. Fig. 4 diz ainda respeito a um decurso que pode ser um comportamento perfeitamente real e expectável.

A frequência 36 apresenta, antes de mais, uma frequência nominal, ou seja 50 Hz. No ponto t0* a frequência 36 cai então rapidamente e depressa fica abaixo da frequência de banda morta fdeadband· Na Fig. 4 a frequência fica abaixo do valor de frequência de banda morta, mas tal apenas é compreendido depois de ser inferior à frequência de banda morta escolhida, após um tempo de análise Atdetect»· sendo que esse tempo de verificação seja no máximo de 20 ms. A sub-frequência foi então compreendida, segundo a Fig. 4, no tempo ti* e a potência 38 é aumentada logo de seguida. Até ao aumento máximo de potência de Pincrease de 10% da potência nominal acima da potência ainda dominante no ponto ti* decorre um tempo de aumento Atincrease de ^800 ms. Na queda abaixo da frequência de banda morta escolhida fdeadband»· o controlo primário atinge, através de controlo interno, um aumento de potência Pincrease no máximo de 10% da potência nominal da turbina eólica, a partir do gerador, por um tempo pré-determinado e regulado tmax. O 17 tempo de reconhecimento da sub-frequência é menor a 2 0 ms. A quantidade de potência adicional Pincrease é proporcionalmente dependente do aumento de potência máximo permitido e pré-determinado, tal como do desvio de frequência. A potência é - desde que seja considerável devido ao desvio de frequência - aumentada com um gradiente fixo de cerca de 250 kW/s. Desta forma, no caso aqui apresentado, busca-se um aumento de potência no valor máximo de 10% da potência nominal da turbina eólica em <800 ms. O aumento de potência Pincrease dica disponível durante um tempo máximo de 8 sec. Após o máximo de 8 sec, a potência ativa da turbina eólica no exemplo dado é novamente colocado no ponto de normal de funcionamento, com cerca de 250 kW/s.

Visto do ponto temporal ti*, após cerca de 800 ms até ao ponto t2* é novamente alcançado o aumento máximo de potência. A potência, agora regulada, elevada ao máximo é mantida até ao ponto temporal t3*, para depois, até ao ponto t4*, voltar lentamente para o valor de partida ou, dependendo do vento, ir caindo para um novo valor. O tempo de ti* a t4*, também designado por tmaxp-increase/· é, para o exemplo dado, no máximo de 8 sec. Deve-se ter em conta, que também a Fig. 4 é uma representação esquemática, não permitindo a leitura de valores exatos, incluindo as indicações temporais.

Note-se que a frequência 36, durante o aumento de potência, em especial após o ponto temporal t2*, recomeça a subir, o que também tem a ver com o aumento de potência, ou seja, com a potência adicional a alimentar a rede. Tal depende principalmente da respetiva rede e respetiva turbina eólica, em especial depende do facto de haver ou não mais turbinas eólicas a efetuarem uma alimentação de rede com potência. De resto, a frequência sobe no exemplo dado dentro da área do aumento de potência, mas não para a frequência nominal. Mesmo assim, o aumento de potência é 18 reduzida e terminada, devido ao tempo máximo alcançado.

Para o aumento de alimentação com potência, a turbina eólica, segundo a invenção, utiliza a energia de rotação armazenada no sistema rotativo do rotor/gerador no momento de inércia. Isto significa que, através do gasto adicional de potência acima dos valores previstos para as caracteristicas de potência da turbina eólica, todo o sistema de rotor/gerador continua a girar mas com menos energia de rotação, girando de forma mas lenta após a alimentação com mais potência, uma vez que ao sistema inteiro foi retirada mais potência do que aquela causada pelo vento. 0 comportamento da turbina eólica segundo a invenção leva sobretudo a uma gestão bem sucedida dos casos críticos de sub-frequência, ou seja, ao colmatar desses casos através de turbinas eólicas, para que, mesmo no espaço de tempo crítico de, por exemplo, 1 bis 8 sec, em especial de 1 a 3 sec após início de uma sub-frequência, sejam introduzidas demais acções de gestão de rede que depois da turbina eólica, ou das turbinas eólicas (ou de todo um parque eólico) terem contribuído com a sua potência adicional possam alimentar e apoiar a rede com sucesso. A disponibilidade técnica para o aumento de potência P increase em caso de uma sub-f requência de rede é fundamentalmente dada a partir de uma potência momentânea Pactuai de 4% da potência nominal. É, então, possível um aumento de potência PinCrease de 10% sobre a potência nominal. De seguida é representada na Fig. 5 a 8 fundamentalmente um aumento de potência de 200 kW para uma turbina eólica exemplificativa. Aqui 200 kW constituem 10% da potência nominal. Fundamentalmente pode-se escolher entre duas opções para o comportamento do aumento de potência durante o apoio à frequência: entre um aumento de potência dependente da frequência, como mostra a Fig. 5, e entre um aumento de potência dependente da frequência e do número de 19 rotações, como mostra a Fig. 6.

Uma forma de execução, que também pode ser observada através da Fig. 4 e cujos valores também se encontram indicados na Fig. 4, pode ser explicada como de seguida se fará.

Em alterações de frequência até abaixo da banda morta, regula-se o aumento de potência requerido com um gradiente fixo de cerca de 250 kW/s. Um aumento de potência PinCrease de até 10% da potência nominal da turbina eólica (TE) é alcançado após cerca de 800 ms. Em pequenas alterações de frequência dentro da banda de controlo e dentro da área de potência abaixo dos 500kW, o gradiente de potência é ligeiramente reduzido pelo seu comportamento dependente do gerador. O aumento de potência Pincrease está disponível durante um tempo máximo de 6,4s. Após o máximo de 7 s, a potência atual da TE (turbina eólica) é recolocada no ponto normal de funcionamento, com 250 kW/s. O tempo de restabelecimento depende das condições do vento e pelo número de rotações da turbina que se regula/liga durante o tempo de disponibilização. A transferência até à alimentação com potência no funcionamento normal está concluída dentro de cerca de ls.

Na Fig. 5 é, para a mesma altura, representada uma potência desejável Porder»· para o caso de não haver qualquer aumento de potência. A curva serve igualmente o propósito de uma comparação. No ponto temporal tB na Fig. 5 é verificada uma sub-frequência e um aumento de potência de 200 kW, a título de exemplo. Esta curva de potência basicamente representada em ângulo é designada por PinCrease· Esta potência Pincrease sobe no ponto tB para o valor aumentado em 200 kW e mantêm esse valor constante até ao tempo de conclusão tE, caindo depois para o valor da curva de potência desejável Porder. A curva da potência normal Porder caiu entretanto, sem que tal tivesse influência sobre a curva Pincrease· O tempo entre o tempo de partida tB e o 20 tempo de conclusão tE é de cerca de 8 sec. Além disso, encontra-se ainda representada uma curva de potência Pactuai que corresponde ao valor efectivamente alcançado através da alimentação com potência. De acordo com a Fig. 5, o aumento de potência Pincrease sobre o tempo de disponibilização pré-determinado tmax é proporcional à frequência de rede. Isto corresponde a um gasto de potência independente do número de rotações regulado do rotor da turbina eólica.

Em relação à Fig. 5 deve-se acrescentar ainda o seguinte: durante o apoio à frequência, a potência da turbina eólica depende apenas da frequência de rede. Sobre o tempo de disponibilização tmax pré-determinado resulta ainda o necessário aumento de potência Pincrease proporcional ao desvio de frequência. A entrega total de potência atual Pactuai é, portanto, a soma da potência de acordo com a linha de reconhecimento de potência-rotação por minuto na altura da ativação da emulação de inércia e do aumento da potência Pincrease· A entrega total de potência atual é delimitada pela potência aparente máxima da turbina eólica. No diagrama relativo à potência nas imagens 7 a 10 encontram-se representados os limites da configuração da turbina eólica.

No aumento de potência dependente da frequência e do número de rotações, como na Fig. 6, o aumento de potência alcançado é sobre o tempo de disponibilização pré-determinado proporcional à frequência de rede e varia ainda em dependência do número de rotações regulado do rotor. Dependendo da velocidade do vento e do número de rotações regulado do rotor, o aumento de potência é dado em adaptação ao número de rotações. A nomenclatura da Fig. 6 corresponde à da Fig. 5, e no ponto temporal tB é compreendida uma sub-frequência, à qual se segue um aumento de potência em cerca de 200 kW. No continuado decorrer até ao tempo de conclusão tE, o número de rotações é reduzido e com ele também a potência desejável, sem ter em 21 consideração um aumento de potência de Porder· 0 aumento de potência PinCrease mantém um valor de 200 kW acima da respetiva potência desejável P0rder actual. No ponto temporal tE, o aumento de potência é concluído e a potência Pactuai para o valor de potência desejável Porder·

Em relação à Fig. 6 cabe ainda acrescentar o seguinte: a potência da turbina eólica continua a ser controlada em dependência da velocidade do vento durante o apoio à frequência com a linha de reconhecimento de potência-número de rotações. A entrega total de potência atual Pactuai sobre o regulado tempo de disponibilização tmax é, portanto, a soma da atual potência dependente do número de rotações P e do aumento de potência requerido PinCrease proporcional ao desvio de frequência.

Fig. 7 e 8 medições correspondentes a Fig. 6 e 5, ou seja, desenhos do valor de potência desejável Pref e do valor efetivamente regulado do valor de potência Pactuai· O valor de potência desejável Pret diz aqui respeito à potência desejável, tendo em consideração o aumento de potência. Os decursos de potência representados na Fig. 7 correspondem aqui a um aumento de potência dependente da frequência e do número de rotações, semelhante ao representado na Fig. 6. Os decursos de potência representados na Fig. 8 correspondem a um aumento de frequência apenas dependente da frequência, semelhante ao representado na Fig. 5. Deve-se ter em conta que Fig. 5 a 8 apenas representam respetivamente decursos próprios.

Fig. 9 mostra a título de exemplo diferentes aumentos de potência de Pincrease possíveis, dependendo do valor escolhido para o PinCrease_set · As três curvas exemplif icativas estão assinaladas com Pincrease' λ P " e P increase increase. A potência adicional Pincrease é proporcionalmente dependente do desvio de frequência medido e que se encontra abaixo da frequência de banda morta. O aumento de potência é linearmente aumentada a partir da frequência de banda 22 morta -deadband/- de 0% ao aumento de potência regulado

Pincrease_set, ao alcançar a frequência de banda de controlo fdeadband· O aumento de frequência pré-determinado PinCrease_set pode ainda ser dado, se requerido assim pela alimentação de rede, em passos ou fases de 1 % da potência nominal até ao aumento máximo de potência permissível Pincrease max· O PinCrease Set também não é ultrapassado em desvios de frequência maiores. Alterações de frequência durante o tempo de disponibilização obtêm adaptações imediatas em termos de aumento de potência. A relação Pincrease / Ρνθππ em % pode ser representada, dependente da frequência efetiva ou frequência medida fmeSs e dependente do valor Pincrease_set indicado em %, na seguinte fórmula, em que ftotband tem o mesmo significado que fdeadband: (Pincrnase/PNenn) [%] — ((ftotband"^messV(ftotband"fcontrolband))xPincrease set [%]

Na tabela 1 encontram-se indicados valores caracteristicos ou áreas de regulação para uma turbina eólica exemplificativa. Fundamentalmente, a frequência de banda morta pode ser designada por fTotband ou por fdeadband e a frequência de banda de controlo por ÍRegeiband ou por f controiband · O aumento de potência pode ser designado por

Pincrease ou por Pextra e a potência nominal por PN ou por Pnenn· Na linha "aumento máximo de potência" pode-se optar entre a utilização de Pextra = constante ou Pextra = variável, dependendo da utilização de um aumento de potência dependente da frequência ou de um aumento de potência dependente da frequência e do número de rotações.

Tabela 1

Medição da frequência Espaçamento de frequência 0,01 Hz Frequência máxima de desvio 0,004 Hz Tempo de reconhecimento da frequência t = 0,02 s Área de medição de frequência 40 - 70 Hz 23 Área de frequência Rede de 50 Hz Rede de 60 Hz Frequência máxima f max = 57 HZ f max = 67 HZ Frequência nominal fnenn — 50 HZ fnenn — 60 Hz Frequência minima fmin = 43 HZ ^min — 53 Hz Emulação de inércia em sub-frequência Tempo máximo de fornecimento do aumento 8s Tempo de deteção 0,02 s Rede de 50 Hz Rede de 60 Hz Frequência de banda morta f deadband 49 - 50 Hz 59 - 60 Hz Frequência de banda de COntrolO fcontrotband 47 - 50 Hz 57 - 60 Hz Aumento de potência Aumento de potência Pincrease set 0 - 10% em relação a ΡΝθηη Aumento máximo de potência P, £ increase max 10% em relação a PNenn Possibilid. de regulação em passos de 1% em relação a PNenn Potência nominal Potência adicional Aumento máximo de potência de 0% a 4% Pnenn P « 0 extra de 4% a 100% P -1- nenn P — extra const P < 10% P eXtra nom de 4% a 100% P -1- nenn P — L extra variável P < 10% P extra nom Gradiente da alteração de potência dP/dt «250 kW/s Potência normal potência adicional Tempo de reconhecimento 0,02 s Tempo de elevação [para 200 kW] «0,8 s Tempo de queda ou tempo de estabelecimento cf. supra < 1,0 s Tempo de espera até próximo aumento > 2 x duração máxima do aumento 24

REFERENCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO A 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 • US 7345373 B [0002] • WO 0186143 A [0002] [0003] • WO 01086143 A [0009] • DE 102005052001 AI [0011] • US 20070085343 AI [0012]

Literatura não relacionada com patentes, citada na descrição • Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems, 1998 [0002]

Claims

1 REIVINDICAÇÕES red. e d tens ão e em que l do valo J, o roto "i.JÍQcl pá, 1. Processo de funcionamento de uma turbina eólica, em que a turbina eólica, se encontra ligada a uma rede de alimentação elétrica (18) e, em funcionamento, quando há. vento, portanto, acima da velocidade inicial e abaixo da velocidade critica, alimenta a rede de alimentação (18) com energia elétrica., da forma requerida pela alimentação (18), ou seja, dependendo da tensão e frequência necessárias à rede de alimentação, e em que, durante o funcionamento da turbina eólica acima do nominal ou abaixo da velocidade critica do vento, iuntamer ite com o rotor (7) da turb ina eólica se ligado um gerado r (10) , o qual é aci ..onado pelo 7 \ r% • / f ír' roduzindo-s e, a ssim, energ ia elétrica, mdo a turbina e ólica meio s (22) par :a medir a .a domj inante na rede de alimenta ção elétrica, L d O S 0 estes meios (22) de medição da frequência : da r< 3de eiétric :a lig 9 0. O S a um e ;qui pamento de (20) , para contr o lar o fun .cionamen to da turbina (7) da turbina eólica gira, exibindo pe em que encontr rotor apresentam eólica, caracterizado por a potência entregue pelo gerador (10) da turbina elétrica à rede (18) ser elevada a curto prazo e, em pouco tempo, acima da potência atual da turbina eólica, quando a frequência de rede da rede elétrica (18) se encontra num valor de frequência pré-determinado abaixo da frequência desejável da rede e/ou quando a frequência de rede cai com um gradiente de frequência, ou seja, com uma alteração por espaço de tempo, cujo montante ultrapassa um valor de alteração pré-determinado, em que - numa área de banda morta (30), ou seja, numa área de frequência da frequência de rede (36) entre a frequência de rede desejável e a frequência inferior de banda morta a potência não é alterada, - numa área de banda de controlo (32), ou seja, numa área 2 de frequência da frequência de rede entre a frequência de banda morta e a frequência inferior de banda de controlo a potência dependente de um desvio de frequência da frequência de rede é aumentada pela frequência de banda morta, e em que - numa área de sub-frequência (34), ou seja, numa área de frequência da frequência de rede, a partir da frequência de banda de controlo para cima, a potência (38) é aumentada de forma constante em um aumento máximo regulado.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1,caracterizado por o valor de frequência pré-determinado ser superior a lis, de preferência superior a 2is, mais preferencialmente superior a 3oS da frequência de rede desejável, e/ou o montante de alteração pré-determinado ser superior a 0,1 Hz/s, se encontrar em especial na área de 0,2 - 7 Hz/s, preferencialmente na área de 0,5 - 2 Hz/s.

3. Processo de acordo com uma das reivindicações acima dadas, caracterizado por o aumento de potência a curto prazo se dar sob aproveitamento da energia de rotação armazenada no momento de inércia no sistema do rotor/gerador (6, 7, 8).

4. Processo de acordo com uma das reivindicações acima dadas,caracterizado por a frequência da potência de alimentação (38) corresponder sempre à frequência de rede atual, ou seja, de a potência de alimentação (38) tomar uma frequência abaixo da frequência de rede, quando a frequência de rede é inferior ao valor desejável para a frequência de rede, por exemplo 50 ou 60Hz.

5. Processo de acordo com uma das reivindicações acima dadas, caracterizado por o aumento de potência (38) se dar acima da potência atual, ou seja, também acima da potência 3 nominal, quando anteriormente a alimentação era feita com potência nominal.

6. Processo de acordo com uma das reivindicações acima dadas, caracterizado por, dentro de um espaço de tempo de 10 a 1000 ms, em especial de 20 a 500 ms, preferencialmente de 50 a 100 ms após o valor de frequência pré-determinado da frequência de rede se encontrar abaixo do limiar, ou seja, após se encontrar abaixo do montante de alteração pré-determinado, ocorra o aumento de potência e/ou que com uma potência aumentada, ou seja, uma potência que se encontra acima da potência anteriormente pré-determinada, se proceda à alimentação da rede durante mais um espaço de tempo de pelo menos 0,5 sec, preferencialmente de pelo menos 1 sec até o máximo de 30 sec, de preferência até o máximo de cerca de 3 a 6, 8, 10, 12 ou 15 sec.

7. Processo de controlo de um parque eólico com pelo menos duas turbinas eólicas, no qual cada turbina eólica é controlada de acordo com um processo segundo uma das reivindicações acima dadas, caracterizado por a elevação da potência de todas as turbinas eólicas a alimentar a rede (18) ser controlado em forma de unidade e/ou de forma central.

8. Turbina eólica com meios técnicos de controlo, concebidos para a execução de um processo de acordo com uma das reivindicações acima dadas.

9. Parque eólico, em que o parque eólico abrange várias turbina eólicas de acordo com a reivindicação 8 e/ou apresenta meios técnicos de controlo, concebidos para a execução de um processo de acordo com a reivindicação 7.