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ES2582003T3 - Método y sistema para controlar una planta de generación eólica que comprende un número de generadores de turbina eólica - Google Patents

Método y sistema para controlar una planta de generación eólica que comprende un número de generadores de turbina eólica Download PDF

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ES2582003T3
ES2582003T3 ES09772363.9T ES09772363T ES2582003T3 ES 2582003 T3 ES2582003 T3 ES 2582003T3 ES 09772363 T ES09772363 T ES 09772363T ES 2582003 T3 ES2582003 T3 ES 2582003T3
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ES
Spain
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wind
variation
power plant
frequency
power
Prior art date
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Active
Application number
ES09772363.9T
Other languages
English (en)
Inventor
Jorge Martinez Garcia
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Vestas Wind Systems AS
Original Assignee
Vestas Wind Systems AS
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Filing date
Publication date
Application filed by Vestas Wind Systems AS filed Critical Vestas Wind Systems AS
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Active legal-status Critical Current
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Abstract

Método para controlar una planta de generación eólica (20) que comprende al menos un generador de turbina eólica (21a-21n), estando conectada la planta de generación eólica (20) a una red eléctrica (30) para suministrar potencia a la red eléctrica (30), comprendiendo el método: detectar una frecuencia de la red eléctrica (201); calcular una tasa de variación (202) en la frecuencia detectada de la red eléctrica (30); calcular una variación requerida de la potencia suministrada (203) por la planta de generación eólica (20) basándose en un valor de la inercia de la planta de generación eólica (20) y la tasa de variación de frecuencia calculada; estando el método caracterizado por que comprende: calcular una variación requerida de la potencia suministrada (204) por cada generador de turbina eólica (21a- 21n) de la planta de generación eólica (20) basándose en la variación requerida calculada de la potencia suministrada por la planta de generación eólica (20) y un nivel de potencia actual de cada generador de turbina eólica (21a-21n); controlar cada generador de turbina eólica para suministrar potencia a la red eléctrica basándose en la variación requerida calculada de la potencia suministrada por cada generador de turbina eólica.

Description

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DESCRIPCION
Metodo y sistema para controlar una planta de generacion eolica que comprende un numero de generadores de turbina eolica
Campo tecnico
La presente invencion se refiere a un metodo y sistema para controlar una planta de generacion eolica, o un grupo de plantas de generacion eolica, comprendiendo cada planta de generacion eolica un numero de generadores de turbina eolica, estando conectadas la planta o plantas de generacion eolica a una red electrica externa. Especialmente, la invencion se refiere a un metodo y a un sistema para controlar la potencia de salida real de dicha planta de generacion eolica o grupo de plantas de generacion eolica, para contribuir a la estabilizacion de la frecuencia en la red electrica.
Antecedentes de la invencion
Una planta de generacion eolica comprende un numero de generadores de turbina eolica (WTG, del ingles "Wind Turbine Generators"), cada uno de los cuales comprende una turbina conectada a un generador para convertir la energfa mecanica en la turbina a energfa electrica. La planta de generacion eolica esta conectada adicionalmente a una red de energfa electrica para proporcionar la energfa electrica generada por los WTG a la red electrica.
La red electrica debena tener parametros definidos, en particular una tension definida y una frecuencia definida, por ejemplo 50 Hz. La estabilidad de los parametros de la red electrica depende de una diversidad de variables que incluyen el equilibrio entre la potencia generada y la potencia consumida en la red en cada instante. Cualquier desequilibrio conduce a cambios en la frecuencia de la red. Cuando se genera mas potencia que la que se consume en la red, la frecuencia se incrementa. Cuando se consume mas potencia que la generada, la frecuencia disminuye. Es importante tener una frecuencia estable en la red, es decir, mantener las fluctuaciones de frecuencia tan pequenas como sea posible.
En una planta de generacion de accionamiento por viento, cada turbina eolica es accionada preferiblemente a velocidad variable, velocidad que se adapta a la velocidad del viento, por razones de rendimiento y debido a que en caso contrario hay un incremento en las tensiones sufridas por las partes mecanicas de la turbina. Dado que las turbinas son accionadas a velocidad variable, sus velocidades de rotacion individuales se desacoplan de la frecuencia de la red electrica. En consecuencia, hay alguna libertad entre la frecuencia de la red electrica y la velocidad de rotacion de las turbinas, lo que significa que la potencia suministrada por una planta de generacion eolica es independiente de la frecuencia actual de la red electrica.
Dado que, generalmente, el numero de plantas de generacion eolica en una red electrica se incrementa, hay una demanda creciente por parte de los operadores de la red para tener la capacidad de controlar la potencia suministrada por las plantas de generacion eolica de acuerdo con las variaciones de frecuencia en la red.
Los documentos EP 1467463 y US 2007/0085343 tratan sobre el control de la salida de potencia real de una planta de generacion eolica conectada a una red electrica para contribuir a la estabilizacion de la red electrica controlando la produccion de potencia real de la planta de generacion eolica dependiendo del valor de la frecuencia de la red. Es decir cuando la frecuencia en la red es alta, se controla la planta de generacion eolica para disminuir la potencia real proporcionada a la red, y viceversa. Especialmente el documento US 2007/0085343 explica el uso de la inercia de las turbinas eolicas para, a bajas frecuencias de red, tener la capacidad de suministrar mas potencia que la potencia nominal a la red durante un corto periodo. No obstante, dicha estabilizacion de frecuencia solo podna ser utilizable durante un breve momento. De ese modo, es importante controlar el uso de la inercia de modo que no se use demasiado tiempo, de modo que la velocidad de rotacion de las turbinas se haga demasiado lenta o incluso se detengan.
Existe la necesidad de unas formas alternativas de control de la produccion de potencia real de una planta de generacion eolica para tener la capacidad de contribuir a la estabilizacion de la frecuencia de la red electrica.
Sumario de la invencion
En vista de lo anterior, es un objeto de la presente invencion controlar la produccion de potencia real de una planta de generacion eolica para contribuir a la estabilizacion de frecuencia en una red electrica a la que se conecta la planta de generacion eolica.
Es otro objeto de la invencion proporcionar a los operadores de red herramientas y metodos utiles para la contribucion a la estabilizacion de la frecuencia de la red electrica.
Es otro objeto de la invencion hacer que una planta de generacion eolica imite el comportamiento de una planta de generacion smcrona.
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Es otro objeto mas de la invencion controlar la planta de generacion eolica para conseguir la amortiguacion de las variaciones de frecuencia en la red electrica.
De acuerdo con un primer aspecto, la presente invencion se realiza mediante un metodo para controlar una planta de generacion eolica que comprende al menos un generador de turbina eolica, estando conectada la planta de generacion eolica a una red electrica para suministrar potencia a la red electrica. El metodo comprende:
detectar una frecuencia de la red electrica;
calcular una tasa de variacion en la frecuencia detectada de la red electrica;
calcular una variacion requerida de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica basandose en un valor de la inercia de la planta de generacion eolica y la tasa de variacion de frecuencia calculada; calcular una variacion requerida de la potencia suministrada por cada generador de turbina eolica de la planta de generacion eolica basandose en la variacion requerida calculada de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica y un nivel de potencia actual de cada generador de turbina eolica.
Se usa entonces la variacion de potencia requerida calculada resultante para controlar cada generador de turbina eolica para suministrar potencia a la red.
Controlando la produccion de potencia de la planta de generacion eolica basandose en la tasa de variacion de frecuencia de la red electrica, puede conseguirse un comportamiento similar al comportamiento de una planta de generacion smcrona. Esto es ventajoso para un operador de la red electrica dado que una planta de generacion smcrona tiene un comportamiento natural que es ventajoso en lo que se refiere a la amortiguacion de variaciones de frecuencia en la red electrica.
De acuerdo con una realizacion de la invencion, la variacion requerida de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica se calcula adicionalmente usando un valor de la frecuencia detectada de la red electrica. Mediante el calculo de la variacion de potencia requerida usando un valor de frecuencia detectada de la red electrica, ademas del uso de la tasa de variacion de frecuencia y la inercia de la planta de generacion eolica, se consigue una variacion de potencia requerida que es proporcional a la potencia nominal de la planta de generacion eolica. Esta es una estimacion bastante buena de la potencia que puede suministrarse hacia la red electrica, mientras al mismo tiempo la estimacion es facil de calcular.
De acuerdo con otra realizacion de la invencion, la variacion requerida de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica se calcula adicionalmente basandose en una variable proporcional a la energfa que reside en las masas en rotacion de la planta de generacion eolica. Mediante calculo de la variacion de potencia requerida basandose en una variable proporcional a la energfa que reside en las masas de rotacion de la planta de generacion, ademas del uso de la tasa de variacion de frecuencia y de la inercia de la planta de generacion eolica, la variacion de potencia requerida esta bien adaptada a la energfa actual de la inercia: Con baja produccion de potencia, la variacion de la potencia sera baja, lo que es bueno para la planta de generacion eolica, dado que la banda de potencias de operacion es estrecha. Con una produccion de potencia alta, la variacion de potencia puede ser alta, lo que da mas posibilidades de control para que el operador de la red controle la frecuencia de la red.
De acuerdo con otra realizacion mas, el metodo comprende ademas detectar una velocidad del viento incidente en la planta de generacion eolica, y la variable proporcional a la energfa que reside en las masas en rotacion de la planta de generacion eolica es la velocidad del viento incidente detectada en la planta de generacion eolica. Mediante el uso de la velocidad del viento incidente, el calculo de la variacion de potencia requerida se actualizara o incluso anticipara dado que la velocidad del viento incidente puede usarse para predecir la energfa que reside en las masas en rotacion en los siguientes segundos. Tambien, la inercia equivalente emulada seguira la velocidad del viento de modo que si hay un viento ligero, se emula una planta de generacion smcrona pequena y si hay fuerte viento, se emula una planta de generacion smcrona grande.
De acuerdo con otra realizacion adicional, la variable proporcional a la energfa que reside en las masas en rotacion de la planta de generacion eolica es la potencia total actual suministrada por la planta de generacion eolica a la red electrica. Mediante el uso de la potencia total, se consigue un calculo no complicado que para la mayor parte de las aplicaciones produce un resultado satisfactorio.
De acuerdo con otra realizacion, el metodo comprende ademas las etapas de: si la frecuencia detectada esta por debajo de un valor mmimo de umbral, calcular la tasa de variacion de frecuencia mediante el uso del valor mmimo de umbral en lugar de la frecuencia detectada. De ese modo, se evita el riesgo de usar demasiada energfa desde las masas en rotacion que de como resultado una velocidad de rotacion demasiado baja.
De acuerdo con otra realizacion mas, el metodo comprende ademas las etapas de: comparar la tasa de variacion de frecuencia calculada con un valor de umbral, y controlar cada generador de turbina eolica de acuerdo con el metodo solamente si la tasa de variacion de frecuencia calculada excede el valor de umbral. De ese modo, el metodo de control de la invencion se limita a ser usado cuando los cambios de frecuencia en la red son suficientemente intensos, de modo que se ahorren recursos de datos.
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De acuerdo con otra realizacion, en la que la planta de generacion eolica comprende ademas un dispositivo de almacenamiento de ene^a, el metodo comprende ademas: calcular una variacion requerida de la potencia suministrada/absorbida del dispositivo de almacenamiento de energfa basandose en la variacion requerida calculada de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica; y controlar el dispositivo de almacenamiento de energfa de acuerdo con su variacion de potencia requerida. De ese modo, la planta de generacion eolica se convierte en un recurso muy flexible en lo que se refiere a la contribucion a la estabilizacion de la frecuencia en la red electrica, dado que o bien se usan solo los WTG, o bien se usa el dispositivo de almacenamiento de energfa para el suministro de potencia al mismo tiempo que los WTG, o solo se usa el dispositivo de almacenamiento de energfa para suministrar potencia a la red, o la absorcion de energfa desde la red y/o desde los WTG.
De acuerdo con un segundo aspecto, la presente invencion se realiza mediante un sistema para controlar una planta de generacion eolica que comprende al menos un generador de turbina eolica, en el que la planta de generacion eolica esta conectada a una red electrica. El sistema comprende:
Una unidad de deteccion para la detectar una frecuencia de la red electrica;
Un primer medio de calculo para calcular la tasa de variacion en la frecuencia detectada de la red electrica;
Un segundo medio de calculo para calcular una variacion requerida de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica basandose en un valor de la inercia de la planta de generacion eolica y la tasa de variacion de frecuencia calculada;
Un tercer medio de calculo para calcular una variacion requerida de la potencia suministrada por cada generador de turbina eolica de la planta de generacion eolica basandose en la variacion requerida calculada de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica y un nivel de potencia actual de cada generador de turbina eolica.
Una unidad de control para controlar cada generador de turbina eolica para el suministro de la potencia a la red de acuerdo con su variacion de potencia requerida calculada.
Disponiendo el sistema de control para controlar la produccion de potencia de la planta de generacion eolica basado en la tasa de variacion de frecuencia de la red electrica, puede conseguirse un comportamiento similar al comportamiento de una planta de generacion smcrona. Esto es ventajoso para un operador de la red electrica dado que una planta de generacion smcrona tiene un comportamiento natural que es ventajoso en lo que se refiere a la amortiguacion de las variaciones de frecuencia en la red electrica.
De acuerdo con una realizacion del segundo aspecto, el sistema comprende una primera seccion de calculo para calcular la tasa de variacion en la frecuencia detectada de la red electrica para variaciones positivas de frecuencia y una segunda seccion de calculo para calcular la tasa de variacion en la frecuencia detectada de la red electrica para variaciones negativas de frecuencia. De ese modo, las variaciones negativas y positivas de frecuencia podfan tratarse de modo diferente. Por ejemplo, para variaciones negativas de frecuencia, debena usarse asf un calculo de frecuencia minima separado. Tambien podnan implementarse facilmente valores de umbral independientes para variaciones de frecuencia tanto negativas como positivas.
En una realizacion preferida adicional del segundo aspecto de la invencion, el segundo medio de calculo se dispone para calcular una variacion requerida de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica basado en un valor de la inercia de la planta de generacion eolica, la tasa de variacion de frecuencia calculada y un valor de la frecuencia detectada de la red electrica.
En una realizacion preferida adicional mas del segundo aspecto, el sistema comprende ademas un detector para la deteccion de la velocidad del viento incidente en la planta de generacion eolica, y en el que la variable proporcional a la energfa que reside en las masas en rotacion de la planta de generacion eolica es la velocidad del viento incidente detectada por el detector.
En otra realizacion preferida del segundo aspecto de la invencion, la planta de generacion eolica comprende ademas un dispositivo de almacenamiento de energfa, y el tercer medio de calculo se dispone adicionalmente para calcular una variacion requerida de la potencia suministrada/absorbida por el dispositivo de almacenamiento de energfa basado en la variacion requerida calculada de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica, y una unidad de control para el control del dispositivo de almacenamiento de energfa de acuerdo con su variacion de potencia requerida.
De acuerdo con un tercer aspecto de la invencion, la presente invencion se realiza mediante un producto de programa informatico dispuesto para hacer que un ordenador de un sistema de control realice las etapas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de acuerdo con el primer aspecto de la invencion.
Surgiran otros objetivos, caractensticas y ventajas de la presente invencion a partir de la descripcion detallada a continuacion, a partir de las reivindicaciones adjuntas asf como de los dibujos.
En general, todos los terminos usados en las reivindicaciones han de interpretarse de acuerdo con su significado ordinario en el campo tecnico, a menos que explfcitamente se defina lo contrario en el presente documento. Todas
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las referencias a "un/una/el/la [elemento, dispositivo, componente, medio, etapa, etc.]" han de interpretarse abiertamente como referencias a al menos un caso de dicho elemento, dispositivo, componente, medio, etapa, etc., a menos que explfcitamente se establezca lo contrario. Como un ejemplo, la expresion "una planta de generacion eolica" deberia interpretarse como al menos una planta de generacion eolica, por ejemplo un grupo de plantas de generacion. Adicionalmente, las etapas de cualquier metodo divulgado en el presente documento no han de realizarse en el orden exacto divulgado, a menos que se establezca explfcitamente.
Breve descripcion de los dibujos
Lo anterior, asf como objetos, caracteristicas y ventajas adicionales de la presente invencion, se entenderan mejor a traves de la descripcion detallada a continuacion, ilustrativa y no limitativa, de realizaciones preferidas de la presente invencion, con referencia a los dibujos adjuntos, en donde los mismos numeros de referencia se usaran para elementos similares, en los que:
La Figura 1 ilustra un diagrama de bloques esquematico del sistema de generacion para el que se podria usar un sistema de control de acuerdo con la invencion;
la Figura 2 muestra un diagrama de flujo de un metodo para controlar una planta de generacion eolica de acuerdo con una realizacion de la invencion;
la Figura 3 es un diagrama de bloques esquematico del sistema para controlar una planta de generacion eolica de acuerdo con una realizacion de la invencion;
la Figura 4 es un diagrama de bloques esquematico de otra realizacion del sistema para controlar una planta de generacion eolica;
la Figura 5 muestra un diagrama de bloques esquematico de una unidad de calculo de velocidad equivalente de la planta de generacion eolica de acuerdo con la invencion.
Descripcion detallada de realizaciones preferidas
La Figura 1 muestra un sistema de generacion que tiene una planta de generacion eolica 20 que esta conectada a una red electrica externa 30. La red electrica comprende un numero de cargas y generadores, es decir, plantas de generacion. La planta de generacion eolica comprende un numero de generadores de turbina eolica, WTG, 21 a-n. En dicha red electrica es necesario conseguir un equilibrio entre la potencia generada y la potencia consumida en la red en cada instante. En caso contrario, la frecuencia de la red fluctuana, lo que afectana negativamente a las cargas y plantas de generacion conectadas. La Figura 1 comprende ademas un sistema de control 10 para controlar la produccion de potencia real de la planta de generacion eolica 20 de acuerdo con la invencion.
En plantas de generacion smcrona convencionales, tales como las plantas de generacion nuclear o plantas de generacion de combustibles fosiles, las turbinas trabajan a velocidades de rotacion que son proporcionales a la frecuencia de la red electrica a la que se conecta la planta, es decir, la velocidad de rotacion de las turbinas esta acoplada a la frecuencia de la red electrica. En dichas plantas, si cambia la frecuencia de la red, la velocidad de rotacion de las turbinas ha de seguir el cambio de la frecuencia. Por ejemplo si la frecuencia baja, la planta de generacion suministra mas potencia que su potencia nominal durante el cambio de frecuencia de la red, para ser capaz de seguir la frecuencia de la red. Es decir, se suministra la energfa procedente de la inercia del rotor para bajar la velocidad de rotacion. Dicho comportamiento forzado es beneficioso para la red electrica dado que se amortiguaran automaticamente los cambios rapidos en la frecuencia de la red electrica. Los cambios de frecuencia rapidos pueden ser especialmente vulnerables para la red electrica.
La invencion se basa en la idea de controlar la planta de generacion eolica 20 para emular el comportamiento natural de una planta de generacion smcrona de modo que la planta de generacion eolica reaccione a variaciones de frecuencia de la red electrica en una forma similar a como reaccionaria una planta de generacion smcrona ante variaciones de frecuencia en la red electrica.
En lo que sigue, se describen los antecedentes teoricos, en los que se basan los metodos y sistemas de la invencion.
La energfa almacenada en una masa en rotacion viene dada por:
E = J1^ (1)
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en la que J = inercia y w = velocidad de rotacion.
En consecuencia, la potencia almacenada en una masa rotacion viene dada por:
P = Jw — (2)
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Para una maquina smcrona, la velocidad de rotacion es proporcional a la frecuencia de la red electrica
u> = f(frecuencia de red) ~ k*f (3)
Combinando las formulas (2) y (3) anteriores, la potencia almacenada en una masa en rotacion de una maquina smcrona es
P = Jk,f — (4),
1 dt
donde f es la frecuencia de red.
Como se ha mencionado, dado que la velocidad de rotacion de una maquina smcrona es directamente proporcional a la frecuencia de la red, ha de seguir la frecuencia de la red, tomando energfa de su masa en rotacion con cambios de frecuencia negativos y dando energfa a su masa en rotacion con cambios de frecuencia positivos. En consecuencia, las variaciones de la energfa de rotacion despues de una perturbacion para una maquina smcrona seran aproximadamente las siguientes (despreciando perdidas y la energfa almacenada en el eje comprendido):
Ei-Ef= J(W -w2) = Jkf -ff2) (5),
en la que Ei = energfa a la frecuencia i y Ef = energfa a la frecuencia f.
La potencia suministrada por una maquina smcrona debido a estas perturbaciones de frecuencia depende asf de su velocidad de rotacion, tasa de cambio de frecuencia y masa.
Como se muestra en la formula (4), la potencia suministrada/absorbida por una masa en rotacion es proporcional a la tasa de variacion de la frecuencia de rotacion. De acuerdo con la invencion, una planta de generacion eolica se modeliza para comportarse como una maquina smcrona (inercia de rotacion de velocidad fija). En consecuencia, de acuerdo con la invencion, la planta de generacion eolica se controla para cambiar su produccion de potencia real proporcionalmente a la tasa de variacion de la frecuencia de la red electrica, es decir a como de rapido cambia la frecuencia, tasa de cambio de frecuencia.
La Figura 2 muestra un metodo de acuerdo con la invencion para controlar una planta de generacion eolica que esta conectada a una red electrica para suministrar potencia a la red electrica. El metodo comprende las siguientes etapas:
detectar 201 una frecuencia de la red electrica;
calcular 202 una tasa de variacion en la frecuencia detectada de la red electrica;
calcular 203 una variacion requerida de la potencia real suministrada por la planta de generacion eolica basandose en un valor de la inercia de la planta de generacion eolica y la tasa de variacion de frecuencia calculada;
calcular 204 una variacion requerida de la potencia suministrada por cada generador de turbina eolica de la planta de generacion eolica basandose en la variacion requerida calculada de la potencia real suministrada por la planta de generacion eolica y un nivel de potencia actual de cada generador de turbina eolica; controlar 205 cada generador de turbina eolica para suministrar potencia a la red de acuerdo con su variacion de potencia real requerida calculada.
La frecuencia detectada de acuerdo con la invencion es la frecuencia principal, o la frecuencia basica de la red electrica.
Podria disponerse un producto de programa informatico para llevar a cabo el metodo cuando se ejecuta en un ordenador. El programa informatico podna disponerse para llevar a cabo las etapas 201-204 o todas las etapas 201205.
La Figura 3 muestra una realizacion del sistema de control de acuerdo con la invencion para controlar la produccion de potencia de una planta de generacion eolica conectada a una red electrica.
El sistema comprende:
Una unidad de deteccion 301 para la detectar una frecuencia de la red electrica;
Un primer medio de calculo 302 para calcular la tasa de variacion en la frecuencia detectada de la red electrica; Un segundo medio de calculo 303 para calcular una variacion requerida de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica basandose en un valor de la inercia de la planta de generacion eolica y la tasa de variacion de frecuencia calculada;
Un tercer medio de calculo 304 para calcular una variacion requerida de la potencia suministrada por cada
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generador de turbina eolica de la planta de generacion eolica basandose en la variacion requerida calculada de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica y un nivel de potencia actual de cada generador de turbina eolica.
Una unidad de control 305 para controlar cada generador de turbina eolica para el suministro de la potencia a la red de acuerdo con su variacion de potencia requerida calculada.
La unidad de control 305 puede ser una unidad separada del resto del sistema de control. El primer medio de calculo puede comprender adicionalmente un filtro para el filtrado de las tasas de variacion de frecuencia que esten por debajo de un valor de umbral definido. El sistema puede comprender tambien un filtro para el filtrado de variaciones de frecuencia transitorias, es decir, variaciones de frecuencia que sean de corta duracion, por ejemplo mas cortas que un valor de umbral definido. Adicionalmente, el primer, segundo y tercer medios de calculo pueden disponerse en una y la misma unidad o en diferentes unidades.
La Figura 4 muestra una realizacion del sistema de control para controlar la produccion de potencia de una planta de generacion eolica de acuerdo con la invencion.
El sistema de control se dispone para detectar los valores de frecuencia de la red, o para recibir valores de frecuencia de la red detectados. El sistema de calculo comprende un filtro 401 para el bloqueo de pequenas variaciones de frecuencia, es decir se bloquean las variaciones de frecuencia que sean mas bajas que un valor predeterminado, o para reducir el cambio de la pendiente en la variacion de frecuencia.
El sistema de control comprende ademas una primera seccion 410 para el tratamiento de las variaciones positivas de frecuencia y una segunda seccion 420 para el tratamiento de las variaciones negativas de frecuencia, estando conectada cada seccion al filtro 401 para el bloqueo de pequenas variaciones de frecuencia. Mediante el uso de secciones separadas para el tratamiento de variaciones negativas y positivas de frecuencia, es posible usar ajustes independientes para variaciones negativas y positivas de frecuencia en los limitadores ffsicos 411, 421 y limitadores de rampa 414, 424.
La primera seccion 410 comprende un primer limitador ffsico 411 conectado al filtro 401. El limitador ffsico 411 se dispone para filtrar, o bloquear, frecuencias por encima de un cierto nivel fmax.
La primera seccion comprende ademas un primer medio de calculo 412 conectado al limitador ffsico 411 para calcular una tasa de variacion de frecuencia para los valores de frecuencia detectados mediante una derivacion de la frecuencia. La primera seccion 410 tiene adicionalmente un filtro de frecuencia 413 conectado al primer medio de calculo 412 para el bloqueo de variaciones negativas de frecuencia, y un filtro de rampa 414 conectado al filtro de frecuencia 413 para el bloqueo de variaciones de frecuencia que sean mas escalonadas que un valor de umbral predeterminado, es decir, en donde la frecuencia se cambia muy rapidamente. En una realizacion, el filtro de frecuencia 413 puede bloquear tambien variaciones positivas de frecuencia que sean mas bajas que un cierto valor de umbral.
En consecuencia, variaciones de frecuencia que sean mayores que un valor de umbral, sean positivas y no sean demasiado escalonadas en el tiempo proseguiran a la siguiente unidad, que es un segundo medio de calculo 415 para calcular una variacion requerida de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica. Usando la frecuencia detectada en la red electrica, se calcula una variacion de potencia real proporcional para la planta de generacion eolica en el segundo medio de calculo 415 basandose en una inercia total Jwf de la planta de generacion eolica y la tasa de variacion de frecuencia Af/At. En conexion con la figura 5, se describira una descripcion mas detallada de las diferentes realizaciones para el calculo de la variacion de potencia de la planta de generacion eolica. La primera seccion comprende ademas un segundo limitador 416 para la limitacion del nivel de senal de salida de la unidad de control.
La segunda seccion 420 para el tratamiento de variaciones negativas de frecuencia comprende un primer limitador ffsico 421 conectado al filtro 401 para el filtrado, o bloqueo, de frecuencias por encima de un cierto nivel fmax. La segunda seccion comprende ademas un primer medio de calculo 422 conectado al limitador ffsico 421 para calcular una tasa de variacion de frecuencia para la variacion de frecuencia detectada. La segunda seccion 420 tiene adicionalmente un filtro de frecuencia 423 conectado al primer medio del calculo 422 para el bloqueo de variaciones positivas de frecuencia, y un limitador de rampa 424 conectado el filtro de frecuencia 423 para el bloqueo de variaciones de frecuencia que sean mas escalonadas que un valor de umbral predeterminado, es decir, donde la frecuencia cambie muy rapidamente. El filtro de frecuencia 423 puede bloquear tambien variaciones negativas de frecuencia que sean mas bajas que un cierto valor de umbral.
Las variaciones de frecuencia que sean mayores que un valor de umbral, sean negativas y no sean demasiado escalonadas en el tiempo proseguiran a la siguiente unidad, que es el segundo medio de calculo 415 para calcular una variacion requerida de la potencia suministrada a la planta de generacion eolica. Usando los valores de frecuencia detectados en la red electrica, se calcula una variacion de potencia proporcional para la planta de generacion eolica en el segundo medio de calculo 415 basandose en una inercia total Jwf de la planta de generacion eolica y la tasa de variacion de frecuencia Af/At. En conexion con la figura 5, se describira una descripcion mas
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detallada de las diferentes realizaciones para el calculo de la variacion de potencia de la planta de generacion eolica. La segunda seccion comprende ademas un segundo limitador 416 para la limitacion del nivel de senal de salida de la unidad de control.
Para variaciones positivas de frecuencia, no hay problema en disminuir la potencia suministrada por la planta de generacion eolica. Aunque, para variaciones negativas de frecuencia, sera necesario incrementar la potencia suministrada por la planta de generacion eolica sobre la que esta actualmente recibiendo del viento. Dicha medida significana que la energfa cinetica de los rotores de los WTG en la planta de generacion eolica se usa durante un corto momento, disminuyendo de ese modo la velocidad de rotacion de los rotores. Para evitar disminuir demasiado la velocidad de rotacion de los rotores, es necesario definir cuanta energfa cinetica puede tomarse de los rotores de la planta de generacion eolica. Como una alternativa, tal como se describe adicionalmente a continuacion, la planta de generacion eolica puede tener un dispositivo de almacenamiento de energfa, y la potencia en exceso puede tomarse del dispositivo de almacenamiento de energfa en lugar de la energfa cinetica de los rotores, o la potencia en exceso puede tomarse tanto de la energfa cinetica de los rotores como de los dispositivos de almacenamiento de energfa.
Como se ha mencionado, la planta de generacion eolica se emula como una maquina smcrona teorica con una inercia dada, tanto calculada como la inercia total de los rotores de la planta de generacion eolica o calculada/seleccionada de acuerdo con cualquier otro criterio. Se define una velocidad de rotacion permitida minima Wmin para los WTG. Insertando u>mm en la formula (5), se calcula una frecuencia mas baja posible fmin de la red electrica que puede usarse para la maquina smcrona de acuerdo con lo siguiente:
2 2
f 2 = ^min - ,f2
’min . o i
k2
(6),
en la que el mdice i = valor inicial, antes de la perturbacion y el mdice mm = mmimo.
La frecuencia minima calculada se usa en el limitador ngido 421 de la segunda seccion, si es necesario. Esto se lleva a cabo de modo que si la frecuencia de la red electrica detectada es mas baja que fmin, se usa fmin en la parte siguiente del calculo en lugar de la frecuencia de la red electrica detectada.
La unidad de control comprende ademas un tercer medio de calculo 402 que se basa en la variacion de la potencia calculada para la planta de generacion eolica y el nivel de potencia actual para cada WTG individual, calcula el nivel AP para cada WTG individual. Uno o todos los medios de calculo pueden disponerse dentro de una unidad SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition). El calculo realizado en el tercer medio de calculo podna realizarse basandose en la inercia de cada WTG y la potencia actual suministrada por cada WTG.
Podnan implementarse dos estrategias diferentes para la emulacion de la inercia de una maquina smcrona. En una primera estrategia, la variacion de potencia de salida calculada de la maquina smcrona equivalente es proporcional a una potencia de diseno de la planta de generacion eolica, es decir una potencia nominal de la planta de generacion eolica. En ese caso, la inercia es proporcional a la frecuencia de la red, lo que significa que se realizara el siguiente calculo en el segundo medio de calculo 415:
AP = JWF * fm * k2*
Af At
(7),
en la que AP = variacion de potencia requerida de la planta de generacion eolica, Jwf = inercia total de la planta de generacion eolica, fm = frecuencia medida de la red y k2 es una constante.
En una segunda estrategia, la variacion de potencia de salida calculada de la maquina smcrona equivalente es proporcional a la potencia de salida actual de la planta de generacion eolica, entonces la variacion de la potencia de salida calculada dependera de la produccion de la planta de generacion eolica, y por lo tanto de la velocidad de rotacion. Se realizara el siguiente calculo en el segundo medio de calculo 415:
AP = Jwf * ^wf * k *
Af
At
(8),
en la que wwf = una velocidad de rotacion equivalente de la planta de generacion eolica.
Dicha estrategia puede ser mas adecuada para plantas de generacion eolica por las siguientes razones: si se produce menos potencia que la potencia nominal, la AP calculada se adapta en consecuencia; por otro lado, si se produce mas potencia que la potencia nominal, debena tomarse mas energfa cinetica para suministrarla a la red electrica. En esta segunda estrategia la variacion de la potencia de salida calculada se adaptara a la potencia producida por la planta de generacion eolica en cualquier momento.
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Las constantes k2 y/o ki pueden usarse tambien para incrementar o disminuir el valor de la ene^a Jwf de la planta de generacion eolica.
Como se ilustra mediante un interruptor 415a en la figura 4, puede ser posible seleccionar si se implementa la primera o la segunda estrategia.
Para implementar la segunda estrategia, se define una variable proporcional a la energfa que reside en las masas en rotacion de la planta de generacion eolica. De acuerdo con una realizacion, esta variable es la velocidad de rotacion equivalente de la planta de generacion eolica. En la figura 5, se describe una realizacion que comprende dos realizaciones alternativas diferentes para la definicion de la velocidad de rotacion equivalente de la planta de generacion eolica de dos variables diferentes como valores de entrada para el calculo de la velocidad equivalente de la planta de generacion eolica.
De acuerdo con la primera alternativa, se usan mediciones de la velocidad del viento incidente como valor de entrada a una primera unidad 502 de traduccion en la que la velocidad del viento incidente se traduce en una potencia producida total equivalente de la planta de generacion eolica. Para la medicion de la velocidad del viento, la planta de generacion eolica tiene preferiblemente un cierto numero de mastiles separados que comprenden sensores de viento. Las mediciones de viento se filtran en un primer filtro 501 antes de que se usen en la primera unidad de produccion 502. Adicionalmente, la potencia producida total equivalente de la planta de generacion eolica se usa como valor de entrada a una segunda unidad de traduccion 503 para la traduccion de la potencia producida total equivalente de la planta de generacion eolica en la velocidad equivalente actual de la planta de generacion eolica.
De acuerdo con la segunda alternativa, la potencia Pwf suministrada por la planta de generacion eolica a la red se mide en un punto de conexion comun de la planta de generacion eolica y se usa como valor de entrada en la segunda unidad de traduccion 503. La potencia medida puede filtrarse en un segundo filtro 505 antes de usarse como valor de entrada en la segunda unidad de traduccion. El segundo filtro puede controlarse por la informacion 506 del numero de turbinas que estan conectadas. Esta informacion se usa para calculos de la potencia para tener la potencia por unidad/turbina de modo que se calcule la wwf correcta.
Adicionalmente, en la realizacion de la figura 5 es posible conmutar entre dos alternativas mediante el uso de un interruptor logico 504. Aunque senan tambien posibles realizaciones de la invencion que incluyan solo una de las alternativas.
La inercia total de la planta de generacion eolica puede calcularse de diferentes maneras. De acuerdo con una realizacion de la invencion, la inercia total de la planta de generacion eolica se calcula mediante una suma de la inercia de cada turbina individual comprendida en la planta de generacion eolica.
N
^ JWTn n=1
Como se ha mencionado, la unidad de control comprende un tercer medio de calculo 402 que, basandose en la variacion requerida de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica y el nivel de potencia actual de cada generador de turbina eolica, calcula la variacion de potencia de cada WTG. De acuerdo con una realizacion de este tercer medio del calculo 402, el calculo de la variacion de potencia de los WTG individuales podna realizarse mediante una division normal teniendo en cuenta el numero de los WTG. De acuerdo con otra realizacion, la variacion de potencia de los WTG individuales se calculana teniendo en cuenta la velocidad de rotacion equivalente u>wf de la planta de generacion eolica y el uso de cada velocidad de rotacion individual u>i para calcular una ganancia para cada WTG (vease Ki en la figura 4, cuadro 402).
De acuerdo con una realizacion de la invencion, la planta de generacion eolica puede comprender tambien al menos un dispositivo de almacenamiento de energfa. En esta realizacion, el dispositivo de almacenamiento de energfa puede usarse para suministrar potencia a la red electrica cuando la variacion de potencia requerida calculada esta por encima de un cierto nivel de umbral fijado dependiendo de la inercia total de la planta de generacion eolica.
De modo similar, si la variacion de potencia requerida calculada sugiere que la potencia suministrada sea mucho mas baja, el dispositivo de almacenamiento de energfa podna usarse para absorber energfa suministrada por los WTG o incluso absorber energfa de la red electrica.
Como conclusion, el sistema de control de la planta de generacion eolica puede usar; solo los WTG, el dispositivo de almacenamiento de energfa al mismo tiempo que los WTG, o solo el dispositivo de almacenamiento.
Si se usa el dispositivo de almacenamiento, los lfmites del controlador debenan adaptarse a esta capacidad extra, usando preferiblemente la primera estrategia, definida en la formula (7) para controlar la planta de generacion.
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La invencion se ha descrito principalmente anteriormente con referencia a unas pocas realizaciones. Sin embargo, se apreciara claramente por un experto en la materia, que son posibles igualmente otras realizaciones distintas a las divulgadas anteriormente dentro del alcance de la invencion, tal como se define por las reivindicaciones de patente adjuntas.
Realizaciones generales:
A) Metodo como se ha descrito, en el que la variacion requerida de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica se calcula adicionalmente usando un valor de la frecuencia detectada de la red electrica.
B) Metodo como se ha descrito, que comprende ademas:
detectar una velocidad del viento incidente en la planta de generacion eolica,
y en el que la variable proporcional a la energfa que reside en las masas de rotacion de la planta de generacion eolica es la velocidad del viento incidente detectada.
C) Metodo como se ha descrito, en el que la planta de generacion eolica comprende ademas un dispositivo de almacenamiento de energfa, y en el que el metodo comprende ademas la etapa de:
calcular una variacion requerida de la potencia suministrada/absorbida por el dispositivo de almacenamiento de energfa basandose en la variacion requerida calculada de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica; y
control del dispositivo de almacenamiento de energfa de acuerdo con su variacion de potencia requerida.
D) Sistema como se ha descrito, en el que el segundo medio de calculo se dispone para calcular una variacion requerida de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica basandose en un valor de la inercia de la planta de generacion eolica, la tasa de variacion de frecuencia calculada y un valor de la frecuencia detectada de la red electrica.
E) Sistema como se ha descrito, que comprende ademas un detector para la deteccion de la velocidad del viento incidente en la planta de generacion eolica, y en el que la variable proporcional a la energfa que reside en las masas en rotacion de la planta de generacion eolica es la velocidad del viento incidente detectada por el detector.
F) Sistema como se ha descrito, en el que la planta de generacion eolica comprende ademas un dispositivo de almacenamiento de energfa, y en el que el tercer medio de calculo se dispone adicionalmente para calcular una variacion requerida de la potencia suministrada/absorbida por el dispositivo de almacenamiento de energfa basandose en la variacion requerida calculada de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica, y una unidad de control para el control del dispositivo de almacenamiento de energfa de acuerdo con su variacion de potencia requerida.

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    REIVINDICACIONES
    1. Metodo para controlar una planta de generacion eolica (20) que comprende al menos un generador de turbina eolica (21a-21n), estando conectada la planta de generacion eolica (20) a una red electrica (30) para suministrar potencia a la red electrica (30), comprendiendo el metodo:
    detectar una frecuencia de la red electrica (201);
    calcular una tasa de variacion (202) en la frecuencia detectada de la red electrica (30);
    calcular una variacion requerida de la potencia suministrada (203) por la planta de generacion eolica (20) basandose en un valor de la inercia de la planta de generacion eolica (20) y la tasa de variacion de frecuencia calculada;
    estando el metodo caracterizado por que comprende:
    calcular una variacion requerida de la potencia suministrada (204) por cada generador de turbina eolica (21a- 21n) de la planta de generacion eolica (20) basandose en la variacion requerida calculada de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica (20) y un nivel de potencia actual de cada generador de turbina eolica (21a-21n);
    controlar cada generador de turbina eolica para suministrar potencia a la red electrica basandose en la variacion requerida calculada de la potencia suministrada por cada generador de turbina eolica.
  2. 2. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la variacion requerida de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica (20) se calcula adicionalmente basandose en una variable proporcional a la energfa que reside en las masas en rotacion de la planta de generacion eolica (20).
  3. 3. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 2, en el que la variable proporcional a la energfa que reside en las masas en rotacion de la planta de generacion eolica (20) es la potencia total actual suministrada por la planta de generacion eolica (20) a la red electrica (30).
  4. 4. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 2, en el que la variable proporcional a la energfa que reside en las masas en rotacion de la planta de generacion eolica (30) es una velocidad de rotacion actual de cada generador de turbina eolica (21a-21n), comprendiendo adicionalmente el metodo:
    detectar la velocidad de rotacion actual de cada generador de turbina eolica (21a-21n).
  5. 5. Metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, que comprende ademas la etapa de:
    si la frecuencia detectada esta por debajo de un valor mmimo de umbral, calcular la tasa de variacion de frecuencia mediante el uso del valor mmimo de umbral en lugar de la frecuencia detectada.
  6. 6. Metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-5, que comprende ademas las etapas de:
    comparar la tasa de variacion de frecuencia calculada con un valor de umbral, y
    controlar cada generador de turbina eolica de acuerdo con el metodo solamente si la tasa de variacion de frecuencia calculada excede el valor de umbral.
  7. 7. Metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-6, que comprende ademas la etapa de controlar cada generador de turbina eolica (21a-21n) para suministrar potencia a la red (30) de acuerdo con su variacion de potencia requerida calculada.
  8. 8. Un sistema para controlar una planta de generacion eolica (20) que comprende al menos un generador de turbina eolica (21a-21n), estando la planta de generacion eolica (20) conectada a una red electrica (30), comprendiendo el sistema:
    una unidad de deteccion (301) para la detectar una frecuencia de la red electrica (20);
    un primer medio de calculo (302) para calcular la tasa de variacion en la frecuencia detectada de la red electrica (30);
    un segundo medio de calculo (303) para calcular una variacion requerida de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica (20) basandose en un valor de la inercia de la planta de generacion eolica (20) y la tasa de variacion de frecuencia calculada; estando el sistema caracterizado por que comprende: un tercer medio de calculo (304) para calcular una variacion requerida de la potencia suministrada por cada generador de turbina eolica (21a-21n) de la planta de generacion eolica (20) basandose en la variacion requerida calculada de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica (20) y un nivel de potencia actual de cada generador de turbina eolica (21a-21n),
    una unidad de control, para controlar cada generador de turbina eolica para el suministro de la potencia a la red electrica basado en la variacion requerida calculada de la potencia suministrada por cada generador de turbina eolica.
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  9. 9. Sistema de acuerdo con la reivindicacion 8, en el que el segundo medio de calculo (303) esta dispuesto para calcular una variacion requerida de la potencia suministrada por la planta de generacion eolica (20) basado en un valor de la inercia de la planta de generacion eolica (20), la tasa de variacion de frecuencia calculada y una variable proporcional a la energfa que reside en las masas en rotacion de la planta de generacion eolica (20).
  10. 10. Sistema de acuerdo con la reivindicacion 9, en el que la variable proporcional a la energfa que reside en las masas en rotacion de la planta de generacion eolica (20) es la potencia total actual suministrada por la planta de generacion eolica (20) a la red electrica (30).
  11. 11. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8-10, que comprende ademas una unidad de comparacion para comparar la tasa de variacion de frecuencia calculada con un valor de umbral y el filtrado de las tasas de variacion de frecuencia por debajo del valor de umbral.
  12. 12. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8-11, en el que el sistema comprende una primera seccion de calculo (410) para calcular la tasa de variacion en la frecuencia detectada de la red electrica (30) para variaciones positivas de frecuencia y una segunda seccion de calculo (420) para calcular la tasa de variacion en la frecuencia detectada de la red electrica (30) para variaciones negativas de frecuencias.
  13. 13. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8-12, que comprende ademas una unidad de control (305) para controlar cada generador de turbina eolica (21a-21n) para suministrar potencia a la red (30) de acuerdo con su variacion de potencia requerida calculada.
  14. 14. Un producto de programa informatico para llevar a cabo el metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-7 en el que dicho producto de programa informatico se ejecuta en un ordenador.
  15. 15. Un transportador de datos que comprende un producto de programa informatico para llevar a cabo el metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-7 cuando dicho producto de programa informatico se ejecuta en un ordenador.
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