ES2320401A1

ES2320401A1 - Parque eolico.

Info

Publication number: ES2320401A1
Application number: ES200703055A
Authority: ES
Inventors: Oscar Alonso Sadaba; Ricardo Royo Garcia; Miguel Nuñez Polo
Original assignee: Acciona Windpower SA
Current assignee: Acciona Windpower SA
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2007-11-20
Publication date: 2009-05-21
Anticipated expiration: 2027-11-20
Also published as: US20100274399A1; US8355825B2; ES2320401B1; EP2233737B1; EP2233737A1; WO2009065985A1; EP2233737A4; ES2588310T3

Abstract

Parque eólico, del tipo de parques eólicos que se conforman por una pluralidad de aerogeneradores, que comprenden un rotor, un generador, una unidad de control y medios de conexión a la red informática del parque eólico del que forman parte, de forma que al menos, dos de los aerogeneradores que se integran en el parque pueden asumir una jerarquía de líder del parque eólico accediendo a los datos de operación del resto de aerogeneradores, calculando y enviando consignas al resto de aerogeneradores que integran dicho parque eólico y una jerarquía de súbdito del aerogenerador que ejerce de líder recibiendo y siguiendo las consignas procedentes del aerogenerador líder del parque eólico.

Description

Parque eólico.

Objeto de la invención

La siguiente invención, según se expresa en el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a un parque eólico, teniendo por objeto esencial dotar a, al menos, dos aerogeneradores de un sistema de control que permita un funcionamiento del parque eólico en el que se integran de forma que uno de los aerogeneradores ejerce de líder gobernando el comportamiento de los demás aerogeneradores.

Además, dichos aerogeneradores son capaces de funcionar de dos formas distintas, bien sea ejerciendo de líder para el resto de los aerogeneradores de manera que envía las consignas de generación a cada uno de ellos o bien ejerciendo de súbdito limitándose a obedecer las órdenes del aerogenerador líder del parque eólico en ese momento con el fin de lograr un correcto funcionamiento del mismo.

Campo de aplicación

En la presente memoria se describe un parque eólico, siendo de aplicación para el control de los aerogeneradores del parque de forma que, al menos, dos de los aerogeneradores pueden ejercer de líder, obteniendo un sistema de operación colectiva de dicho parque eólico.

Antecedentes de la invención

Actualmente, existen diferentes maneras de realizar el control de un parque eólico compuesto por un número variable de aerogeneradores.

Por un lado es posible realizar un control individual de los diferentes aerogeneradores, en cuyo caso, cada aerogenerador incorpora un controlador local que vigila los niveles de tensión, corriente, etc. en bornas del generador.

Sin embargo, dichas magnitudes no son controladas a nivel de parque, lo que puede originar que se incumplan los requisitos impuestos por la red.

En cualquier caso, esta solución puede resultar conveniente en parques eólicos con un reducido número de aerogeneradores, debido al elevado coste de un control central en subestación frente al coste total de la instalación.

Un ejemplo de dicho control, aplicado al caso particular del control de frecuencia, se describe en la patente EP 1 282 774. En ella se describe el control de una turbina que adapta la potencia activa que genera, en función de medidas de frecuencia realizadas en bornas del generador, con el fin de contribuir a restituir la frecuencia de la red ante desviaciones de ésta por encima o por debajo de los límites permitidos.

Por otro lado, es más extendido el uso de una unidad de control central que controla las magnitudes globales necesarias para garantizar la correcta integración en la red del parque eólico. Es habitual situar dicha unidad de control en las subestación eléctrica que alberga el transformador y resto de equipamiento necesario para la evacuación a la red eléctrica de la energía generada por el parque eólico.

Sin embargo, esta solución presenta también una serie de inconvenientes, de forma que, requiere equipos adicionales, pero además, en el caso de que éstos fallen, el control central queda inoperativo.

La solicitud de patente EP 1 467 463 es un buen ejemplo de este esquema de control y en ella se describe el modo de funcionamiento de un parque eólico, en el que una unidad de control central envía las consignas necesarias a cada aerogenerador del parque, en función de la frecuencia de la red.

Lo más común es que, además de dicho controlador central, cada aerogenerador incorpore su propio control para asegurar así la operación dentro de los límites del mismo, de manera que en la solicitud de patente EP 1 512 869 se describe un controlador central que calcula las consignas de potencia reactiva para cada aerogenerador en función de la tensión de parque y un control individual en cada aerogenerador origina la consigna particular de tensión en función de dicha reactiva demandada desde el control central.

En este caso, si se produce un fallo del control central, la consigna de reactiva puede resultar errónea de cara al control de tensión global al cambiar las condiciones de operación en la red. Sin embargo, incorpora la ventaja frente a la opción anterior de que, gracias a los controles individuales incorporados, se vigila que los niveles de tensión en bornas de cada aerogenerador, aunque no sean los óptimos para el control de tensión de parque, no excedan los límites permitidos.

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Descripción de la invención

En la presente memoria se describe un parque eólico, siendo del tipo de parques eólicos que se conforman por una pluralidad de aerogeneradores, comprendiendo dichos aerogeneradores un rotor, un generador, una unidad de control y medios de conexión a la red informática del parque eólico del que forman parte, de forma que, al menos, dos de los aerogeneradores que se integran en el parque pueden asumir:

\bullet: \vtcortauna una jerarquía de líder del parque eólico accediendo a los datos de operación del resto de aerogeneradores, calculando y enviando consignas al resto de aerogeneradores que integran dicho parque eólico, y;

\bullet: \vtcortauna una jerarquía de súbdito del aerogenerador que ejerce de líder recibiendo y siguiendo las consignas procedentes del aerogenerador líder del parque eólico.

A los aerogeneradores que pueden ejercer una jerarquía de líder se les asigna un puesto predeterminado en una lista jerárquica para su asignación como líder del parque eólico.

Un aerogenerador asume la jerarquía de líder si no están operativos los aerogeneradores anteriores de la citada lista jerárquica.

Además, el orden establecido para ejercer los aerogeneradores la jerarquía de líder es tal que ejerce de líder el aerogenerador operativo mas cercano a la subestación eléctrica del parque eólico.

Asimismo:

\bullet: \vtcortauna cuando un aerogenerador asume la jerarquía de líder, envía los datos de las variables actuales de las unidades de control al resto de aerogeneradores súbditos capaces de ejercer la jerarquía de líder;

\bullet: \vtcortauna cuando un aerogenerador asume la jerarquía de súbdito, mantiene una copia de los datos de las variables de las unidades de control recibidos del aerogenerador con la jerarquía de líder, y;

\bullet: \vtcortauna cuando un aerogenerador pasa de ejercer la jerarquía de súbdito a la jerarquía de líder inicia los algoritmos de control a partir de los valores de las variables del anterior líder.

De esta forma, la transición del liderato de un aerogenerador a otro se hace sin discontinuidades.

Cuando un aerogenerador asume la jerarquía de líder, accede a los datos de medidas realizadas en subestación.

Las consignas se calculan a partir de una consigna global recibida desde un control remoto o del operador del sistema.

Cuando un aerogenerador asume la jerarquía de líder, calcula consignas de potencia reactiva o factor de potencia para todos los aerogeneradores que integran el parque, enviando dichas consignas al resto de aerogeneradores a través de la red informática del parque eólico.

Las consignas se calculan teniendo en cuenta la capacidad de generación de reactiva por el convertidor de los aerogeneradores apagados.

Cuando un aerogenerador asume la jerarquía de líder, calcula consignas de tensión para todos los aerogeneradores que integran el parque, enviando dichas consignas al resto de aerogeneradores a través de la red informática del parque eólico.

Por otra parte, el aerogenerador con la jerarquía de líder, calcula las consignas de tensión a partir de la tensión medida en el punto de conexión de dicho aerogenerador líder a la red eléctrica del parque eólico.

Asimismo, cuando un aerogenerador asume la jerarquía de líder, calcula consignas de limitación de potencia activa para todos los aerogeneradores que integran el parque a partir del estado operativo de todos los aerogeneradores y de las medidas de frecuencia de red realizadas en uno o varios de ellos y las envía al resto de aerogeneradores a través de la red informática del parque eólico.

La limitación de potencia del parque se puede alcanzar reduciendo la potencia de cada uno de los aerogeneradores en distinta medida a partir de consignas individuales generadas por el aerogenerador que ejerce la jerarquía de líder.

Igualmente, la limitación de potencia del parque se alcanza realizando un apagado selectivo de aerogeneradores.

El apagado selectivo de los aerogeneradores se realiza con el objetivo de alargar la vida útil de los aerogeneradores que integran el parque eólico teniendo en cuenta el número de horas trabajadas.

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Dependiendo de cuál sea la variable a controlar, las medidas pueden proceder de subestación, del punto de conexión de la máquina que ejerce de líder, o bien de otros aerogeneradores. Así por ejemplo las medidas de subestación permiten cualquier tipo de control colectivo, (de factor de potencia, tensión, frecuencia, etc.), mientras que las medidas de los aerogeneradores son más adecuadas para controles colectivos de tensión o frecuencia.

El parque eólico descrito en la presente invención presenta ventajas respecto al arte previo. Por un lado se realiza un control colectivo del parque sin la necesidad de incorporar una unidad de control adicional, al realizarse dichas operaciones en los controladores locales de los que habitualmente disponen los aerogeneradores. Además, al estar esta opción de control integrada en varios de los aerogeneradores que forman el parque eólico, conlleva una redundancia que garantiza un control coordinado del parque en todo momento. Por otro lado se pueden realizar un control coordinado de potencia reactiva a partir de la tensión, o de potencia activa a partir de la frecuencia, sin necesidad de disponer de medios de medida adicionales a los que ya incorporan los aerogeneradores individuales. Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar, y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva, de un juego de planos, en cuyas figuras de forma ilustrativa y no limitativa, se representan los detalles más característicos de la invención.

Breve descripción de los diseños

Figura 1. Muestra una vista de un esquema de control individual en el que cada aerogenerador incorpora una unidad de control.

Figura 2. Muestra una vista de un esquema de control central en el que mediante una unidad de control central se gobierna todos los aerogeneradores del parque eólico.

Figura 3. Muestra una vista de un esquema de un parque eólico gobernado por una unidad de control central y disponiendo, además, cada aerogenerador de un control individual.

Figura 4. Muestra una vista de un esquema, de acuerdo con la invención, en el que todos los aerogeneradores están conexionados a través de la red informática del parque y uno de los aerogeneradores ejerce de líder controlando al resto de aerogeneradores que ejercen de súbditos.

Figura 5. Muestra una vista de un esquema de un parque eólico en el que el aerogenerador que ejercía de líder queda inoperativo y la jerarquía de líder es reasignada a otro aerogenerador.

Figura 6. Muestra una vista de un esquema de un parque eólico compuesto por varios aerogeneradores que pueden ejercer la jerarquía de líder.

Figura 7. Muestra una vista del diagrama del algoritmo incorporado en una base de datos de la unidad de control de un aerogenerador que puede ejercer la jerarquía de líder para la asignación de dicha jerarquía de líder.

Figura 8. Muestra una vista de un esquema genérico de un aerogenerador.

Descripción de una realización preferente

A la vista de las comentadas figuras y de acuerdo con la numeración adoptada podemos observar como en la figura 1 de los diseños se muestra un esquema convencional del control individual de los aerogeneradores de un parque eólico, de forma que cada aerogenerador 1, 2, ... n, incorpora una unidad de control local C1, C2, ..., Cn, y a partir de las medidas realizadas en el punto de conexión PC1, PC2, PCn, del aerogenerador regula la potencia activa, reactiva, etc., generando las órdenes necesarias para el convertidor de potencia, encargado de generar las corrientes para que el correspondiente aerogenerador 1, 2, ..., n, responda adecuadamente a las consignas de la unidad de control. En la misma figura se muestra el transformador 14 usualmente presente formando parte de la subestación eléctrica a través de la cual se vierte la energía producida a la red eléctrica.

En la figura 2 de los diseños se puede observar el esquema convencional de un parque eólico gobernado por una unidad de control central 16, de manera que, dicha unidad de control central 16, a partir de las medidas realizadas en el punto de conexión del parque PCC, calcula y envía consignas a cada uno de los aerogeneradores 1, 2, ..., n, a través de la red informática del parque 11. Usualmente dicha unidad de control central se localiza en la subestación eléctrica del parque eólico.

En la figura 3 de los diseños se representa el esquema convencional de un parque eólico gobernado por una unidad de control central 106 que incorpora asimismo controles locales C1, C2, ..., Cn, más rápidos, para asegurar el funcionamiento de los aerogeneradores 1, 2, ..., n, dentro de rango.

En la figura 4 se representa un parque eólico de acuerdo con la invención formado por varios aerogeneradores 1, 2, ...,n, conectado a la red eléctrica 15 a partir de un transformador elevador 14, de manera que uno de los aerogeneradores 10 será el líder del parque eólico y el resto aerogeneradores serán los súbditos que seguirán las órdenes del aerogenerador 10 líder.

Todos los aerogeneradores que integran el parque eólico estarán conectados a través de la red informática 11 del parque, de manera que el aerogenerador 10 líder tenga acceso a los datos de operación de cada uno del resto de aerogeneradores.

En una realización preferente, un equipo 12 de medida en el punto de conexión del parque PCC, estará conectado a dicha red informática, de forma que el aerogenerador líder 10 tenga acceso a los datos extraídos de dicho punto. Además, en una realización preferente, dicha red informática 11 podrá recibir consignas de una unidad de control remoto 13.

Por otra parte, cada aerogenerador 1,...,n, mostrado más en detalle en la figura 8 consta de un rotor 21, un generador 22, un convertidor 23, una unidad de control D2 y medios para conectarse a la red informática 11 del parque, a través de la cual recibirá las consignas del aerogenerador líder 10.

La unidad de control D2 será la encargada de procesar dichas consignas y generar las órdenes necesarias para el convertidor 23 de manera que se cumplan.

La unidad de control D2 del aerogenerador líder 10 tendrá acceso a los datos de operación del resto de aerogeneradores, y, asimismo, será capaz de generar las órdenes necesarias para el resto de aerogeneradores que enviará a través de la red informática 11 del parque eólico.

En una realización preferente, el aerogenerador líder 10 podrá recibir las consignas desde un control remoto 13 a través de la red informática y, en una realización preferente, tendrá acceso a medidas realizadas en el punto de conexión del parque a la red PCC por el equipo de medida 12. A partir de todos estos datos, el aerogenerador líder generará las consignas para cada uno de los aerogeneradores, que las recibirán a través de la red informática 11 del parque eólico, de manera que ejercerá un control colectivo para asegurar una correcta integración del parque en la red.

En la figura 5 de los diseños se muestra el caso en el que el aerogenerador 1 que anteriormente ejercía de líder y llevaba a cabo el control colectivo queda inoperativo. Ante este evento, otro aerogenerador 2 pasa a ejercer de líder, siendo su unidad de control la que coordinará el funcionamiento del resto de aerogeneradores, tal y como se ha explicado previamente, es decir ejerciendo de aerogenerador líder 10.

En una realización preferente, para la reasignación del papel de líder existe un orden preestablecido, de tal manera que a los aerogeneradores que pueden asumir dicho papel, se les asigna un puesto P en una lista, de acuerdo al orden preestablecido. En una realización preferente están ordenados de menor a mayor según la conveniencia de ocupar el liderato. De esta forma, la máquina que ocupe el puesto P = 1, si está operativa, ejercerá de líder.

En una realización preferente sólo una parte de los aerogeneradores que integran el parque eólico, poseen un sistema de control como el que se describe en la presente invención, pudiendo estar distribuidos entre las diferentes alineaciones del parque eólico.

De ese modo, cuando por razones de mantenimiento es preciso desconectar una alineación completa, siempre quedará en el resto del parque eólico algún aerogenerador operativo con la capacidad de ejercer de líder.

En la figura 6 se muestra una realización preferente de un parque eólico compuesto por tres alineaciones 100, 200, 300, ..., cada una de las cuales está formada por varios aerogeneradores.

En una realización preferente al menos uno de los aerogeneradores de cada alineación 100, 200, 300, ..., posee un sistema de control 101, 201, 301, ... como el que se describe en la presente invención, de manera que están preparados para ejercer de líderes del parque eólico.

En una realización preferente, el líder del parque eólico envía al resto de aerogeneradores capaces de adoptar dicho papel el estado de las variables de los controladores, de manera que todos ellos estén sincronizados. De esta forma, en el caso de que el aerogenerador líder no pueda seguir gobernando a los demás aerogeneradores, cuando otro aerogenerador adopte el mando, todas las unidades de control estarán adecuadamente preparadas y la transición del liderato de un aerogenerador a otro se hará sin discontinuidades, al iniciar el nuevo aerogenerador líder los algoritmos de control en el mismo estado operativo en que se encontraban en la anterior.

En una realización preferente, el puesto P que cada aerogenerador, susceptible de asumir el papel del líder, ocupa en la lista jerárquica de posibles líderes, puede ser establecido de manera que el primero de ellos sea ocupado por el aerogenerador más cercano al punto de conexión del parque PCC a la red, ya que cuenta con medidas de tensión en bornas del generador más parecidas a las de éste.

En este caso, el resto de aerogeneradores susceptibles de asumir la jerarquía de líder son ordenadas de menor a mayor por proximidad a dicho punto.

De esta forma, en el caso de no disponer de medidas en el punto de conexión proporcionadas por el equipo de medida 12, aquellas de las que dispone la unidad de control del aerogenerador servirán para realizar el control colectivo pudiendo ser corregidas a partir de modelos de la red de parque.

En la figura 6 se muestra una realización preferente, en la que los aerogeneradores susceptibles de ejercer el papel de líder 101, 201, 301, etc., son los aerogeneradores más cercanos al punto de conexión del parque PCC de cada alineación.

En una realización preferente el puesto P que se asigna a cada uno de los aerogeneradores con posibilidad de ejercer de líder es seleccionado por proximidad al punto de conexión del parque PCC.

La figura 7 de los diseños corresponde el diagrama del algoritmo incorporado en la unidad de control del aerogenerador que ocupa el puesto P cuyo fin es evaluar en cada instante, si el aerogenerador realiza o ha de realizar el control colectivo del parque.

En una realización preferente, el algoritmo es tal que, en el primer paso 1001 cada unidad de control se pregunta si es líder. Si es así, seguirá ejerciendo como tal 1005. Si no es así y no hay comunicación de éste 1002 su papel será el de súbdito 1006. Si no es líder y además no recibe comunicación de éste 1003, se pregunta cuál es el puesto del primer aerogenerador operativo "i". Si P>i, el rol del aerogenerador P será el de súbdito 1006. Sin embargo, si no es así, en ese instante la máquina P pasará a ejercer de líder y realizar el control colectivo 1005.

En una realización preferente, el aerogenerador que lidera el funcionamiento del parque, calcula y envía consignas de potencia reactiva, o factor de potencia, o tensión a todas las turbinas de las que integran el parque, a partir de medidas de tensión en bornas de su generador, o de las tomadas en el punto de conexión a las que tiene acceso.

Asimismo, en una realización preferente, estas consignas son calculadas a partir de órdenes globales recibidas desde un control remoto o del operador del sistema. Además, se tiene en cuenta la capacidad de generación de potencia reactiva a través del convertidor de las máquinas apagadas.

En una realización preferente, un aerogenerador, en el caso de ejercer de líder, calcula consignas de limitación de potencia activa a partir del estado operativo de todos los aerogeneradores y de las medidas de frecuencia de red realizadas en varias de ellas y las envía al resto de aerogeneradores que componen el parque eólico.

En una realización preferente, las consignas de potencia activa son calculadas por la unidad de control del aerogenerador líder a partir de medidas de frecuencia realizadas en el punto de conexión a la red a las que tiene acceso. La limitación de potencia activa puede realizarse mediante un apagado selectivo de aerogeneradores, teniendo en cuenta el número de horas trabajadas con el fin de alargar la vida útil de los mismos, o bien calculando consignas individuales para cada uno de ellos, a partir de los datos operativos de los que dispone la unidad de control del aerogenerador que ejerce de líder.

Claims

1. Parque eólico, siendo del tipo de parques eólicos que se conforman por una pluralidad de aerogeneradores, comprendiendo dichos aerogeneradores un rotor, un generador, una unidad de control y medios de conexión a la red informática del parque eólico del que forman parte, caracterizado porque, al menos, dos de los aerogeneradores que se integran en el parque pueden asumir:

\bullet: \vtcortauna una jerarquía de líder del parque eólico accediendo a los datos de operación del resto de aerogeneradores, calculando y enviando consignas al resto de aerogeneradores que integran dicho parque eólico y;

2. Parque eólico, según la reivindicación 1ª, caracterizado porque a los aerogeneradores que pueden ejercer una jerarquía de líder se les asigna un puesto predeterminado en una lista jerárquica para su asignación como líder del parque eólico.

3. Parque eólico, según la reivindicación 2ª, caracterizado porque un aerogenerador asume la jerarquía de líder si no están operativos los aerogeneradores anteriores de la citada lista jerárquica.

4. Parque eólico, según la reivindicación 2ª, caracterizado porque el orden preestablecido para ejercer los aerogeneradores la jerarquía de líder es tal que ejerce de líder el aerogenerador operativo más cercano a la subestación del parque eólico.

5. Parque eólico, según la reivindicación 1ª, caracterizado porque:

\bullet: \vtcortauna cuando un aerogenerador (10) asume la jerarquía de líder, envía los datos de las variables actuales de las unidades de control al resto de aerogeneradores súbditos capaces de ejercer la jerarquía de líder;

\bullet: \vtcortauna cuando un aerogenerador (10) asume la jerarquía de súbdito, mantiene una copia de los datos de las variables de las unidades de control recibidos del aerogenerador con la jerarquía de líder, y;

6. Parque eólico, según la reivindicación 1ª, caracterizado porque cuando un aerogenerador asume la jerarquía de líder, accede a los datos de medidas realizadas en subestación.

7. Parque eólico, según la reivindicación 1ª, caracterizado porque las consignas se calculan a partir de una consigna global recibida desde un control remoto (13) o del operador del sistema.

8. Parque eólico, según la reivindicación 1ª, caracterizado porque cuando un aerogenerador asume la jerarquía de líder, calcula consignas de potencia reactiva o factor de potencia para todos los aerogeneradores que integran el parque, enviando dichas consignas al resto de aerogeneradores a través de la red informática (11) del parque eólico.

9. Parque eólico, según la reivindicación 8ª caracterizado porque las consignas se calculan teniendo en cuenta la capacidad de generación de reactiva por el convertidor de los aerogeneradores apagados.

10. Parque eólico, según la reivindicación 1ª, caracterizado porque cuando un aerogenerador asume la jerarquía de líder, calcula consignas de tensión para todos los aerogeneradores que integran el parque, enviando dichas consignas al resto de aerogeneradores a través de la red informática (11) del parque eólico.

11. Parque eólico, según la reivindicación 8ª ó 10ª, caracterizado porque el aerogenerador con la jerarquía de líder calcula las consignas a partir de la tensión medida en el punto de conexión de dicho aerogenerador líder a la red eléctrica del parque eólico.

12. Parque eólico, según la reivindicación 1ª, caracterizado porque cuando un aerogenerador (10) asume la jerarquía de líder, calcula consignas de limitación de potencia activa para todos los aerogeneradores que integran el parque a partir del estado operativo de todos los aerogeneradores y de las medidas de frecuencia de red realizadas en uno o varios de ellos, y las envía al resto de aerogeneradores a través de la red informática del parque eólico.

13. Parque eólico, según la reivindicación 12ª, caracterizado porque la limitación de potencia del parque eólico se puede alcanzar reduciendo la potencia de cada uno de los aerogeneradores en distinta medida a partir de consignas individuales generadas por el aerogenerador que ejerce la jerarquía de líder.

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14. Parque eólico, según la reivindicación 13ª, caracterizado porque la limitación de potencia del parque se alcanza realizando un apagado selectivo de aerogeneradores.

15. Parque eólico, según la reivindicación 14ª, caracterizado porque el apagado selectivo de los aerogeneradores se realiza con el criterio de alargar la vida útil de los aerogeneradores que integran el parque eólico teniendo en cuenta el número de horas trabajadas.