ES2332164B1 - PROCEDURE AND DEVICE FOR REDUCTION OF VOLTAGE FLUCTUATIONS PRODUCED BY WIND PARKS FORMED BY ASYNCHRONOUS FIXED SPEED AEROGENERATORS. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento y dispositivo para la reducción de las fluctuaciones de tensión producidas por parques eólicos formados por aerogeneradores asíncronos de velocidad fija.Procedure and device for reducing voltage fluctuations produced by wind farms formed by asynchronous fixed speed wind turbines.
La presente invención se refiere a un procedimiento para la reducción de las fluctuaciones de tensión y el flicker producidos por los parques eólicos de generadores asíncronos de velocidad fija. El procedimiento consiste en la regulación de la velocidad de una o más turbinas de dicho parque hasta obtener, en cada una de éstas, una posición (fase) óptima del rotor, de tal forma que las fluctuaciones de la potencia que produzcan se resten a las fluctuaciones producidas por el resto de los aerogeneradores.The present invention relates to a procedure for reducing voltage fluctuations and the flicker produced by the wind farms of generators asynchronous fixed speed. The procedure consists of the speed regulation of one or more turbines of said park until, in each of these, an optimal position (phase) of the rotor, so that the power fluctuations that produce are subtracted from fluctuations produced by the rest of wind turbines
La presente invención se refiere también a un dispositivo capaz de proporcionar una señal de error al sistema de control de los aerogeneradores o del parque eólico para que éstos varíen su velocidad hasta que sus rotores se encuentren en la posición relativa adecuada para el fin que se persigue.The present invention also relates to a device capable of providing an error signal to the system control of wind turbines or wind farm so that they vary your speed until your rotors are in the relative position suitable for the purpose pursued.
Description
Procedimiento y dispositivo para la reducción de las fluctuaciones de tensión producidas por parques eólicos formados por aerogeneradores asíncronos de velocidad fija.Procedure and device for reducing voltage fluctuations produced by wind farms formed by asynchronous fixed speed wind turbines.
La invención se encuadra en el sector de la energía eólica, más concretamente en el de la calidad de la energía suministrada por los parques eólicos.The invention falls within the sector of wind energy, more specifically in the energy quality supplied by wind farms.
Uno de los problemas de calidad de suministro eléctrico provocados por los parques eólicos formados por aerogeneradores de velocidad fija, es decir, con generadores asíncronos de rotor en jaula de ardilla, es el flicker o parpadeo, debido a las variaciones del valor eficaz de la tensión de frecuencia entre los 0,5 y 25 Hz En los parques eólicos, estas variaciones de tensión son causadas por la inyección de una potencia variable a la red, lo que provoca una caída de tensión también variable en las impedancias y transformadores de las redes, ya que las variaciones de potencia se manifiestan fundamentalmente como variaciones en el valor eficaz de la corriente suministrada. Las causas por las cuales los aerogeneradores producen una potencia variable son de tipo estocástico (principalmente debidas a variaciones en la velocidad del viento) y determinista. En cuanto a las primeras, suelen producir variaciones de potencia de hasta alguna décima de hertzio, es decir, en la frontera de las frecuencias que producen flicker. En cuanto a las segundas, son de tipo periódico y debidas principalmente a los efectos sombra de torre y estratificación de la velocidad del viento. Se producen como consecuencia de la disminución del par motor suministrado por la turbina cada vez que una de sus palas pasa por delante de la torre del aerogenerador. En una turbina tripala la frecuencia de estas variaciones de potencia es 3p, siendo p la frecuencia de la turbina. En los aerogeneradores del orden del megavatio esta frecuencia 3p suele ser del orden de 1 a 2 Hz y las variaciones de potencia de hasta un 20% de la potencia media.One of the power supply quality problems caused by wind farms formed by fixed speed wind turbines, that is, with asynchronous squirrel cage rotor generators, is flicker or flicker, due to variations in the effective value of the voltage of frequency between 0.5 and 25 Hz In wind farms, these voltage variations are caused by the injection of a variable power to the grid, which causes a voltage drop also variable in the impedances and transformers of the networks, since power variations manifest themselves primarily as variations in the effective value of the current supplied. The reasons why wind turbines produce a variable power are stochastic (mainly due to variations in wind speed) and deterministic. As for the former, they usually produce power variations of up to a tenth of a hertz, that is, at the border of the frequencies that produce flicker. As for the latter, they are of the periodic type and due mainly to the shadow effects of the tower and stratification of the wind speed . They occur as a result of the decrease in the torque supplied by the turbine each time one of its blades passes in front of the wind turbine tower. In a three-phase turbine the frequency of these power variations is 3p , with p being the frequency of the turbine. In wind turbines of the order of megawatt this frequency 3p is usually of the order of 1 to 2 Hz and power variations of up to 20% of the average power.
En un parque eólico, las fluctuaciones de la potencia producidas por los distintos aerogeneradores que lo componen se combinan entre sí. En general, se considera que las fases de los rotores se encuentran en posiciones aleatorias y que la amplitud de la fluctuación resultante es proporcional a \sqrt{N}, siendo N el número de aerogeneradores del parque eólico. Algunos estudios ponen de manifiesto que las turbinas de un parque tienden a sincronizarse al cabo de un cierto tiempo (algunas horas) lo que trae consigo una superposición de las fluctuaciones y un aumento de la perturbación producida por el conjunto del parque.In a wind farm, the power fluctuations produced by the different wind turbines that compose it are combined with each other. In general, it is considered that the phases of the rotors are in random positions and that the amplitude of the resulting fluctuation is proportional to \ sqrt {N}, where N is the number of wind turbines in the wind farm. Some studies show that the turbines of a park tend to synchronize after a certain time (some hours), which leads to an overlap of fluctuations and an increase in the disturbance produced by the whole park.
En la actualidad no se tiene conocimiento de la existencia de procedimientos específicamente diseñados para reducir las fluctuaciones de tensión y, por lo tanto, el flicker producido por los parques eólicos formados por aerogeneradores asíncronos de velocidad fija.At present there is no knowledge of the existence of procedures specifically designed to reduce voltage fluctuations and therefore the flicker produced by wind farms formed by asynchronous wind turbines of fixed speed
La presente invención se refiere a un procedimiento para la reducción de las fluctuaciones de la potencia suministrada por el parque eólico a la red consistente en la regulación de la velocidad de una o más turbinas de dicho parque hasta obtener, en cada una de éstas, una posición (fase) óptima del rotor, de tal forma que las fluctuaciones de la potencia que produzca se resten a las fluctuaciones producidas por el resto de generadores. De este modo, los rotores de las turbinas del parque dejan de estar en posiciones aleatorias para estar, algunas de ellas, en posiciones tales que las fluctuaciones periódicas de la potencia que producen cancelen, con una elevada probabilidad, las producidas por el resto del parque. En general, bastará con controlar las fases de un número de turbinas menor que \sqrt{N}.The present invention relates to a procedure for reducing power fluctuations supplied by the wind farm to the network consisting of the speed regulation of one or more turbines of said park until, in each of these, an optimal position (phase) of the rotor, so that the power fluctuations that produce are subtracted from fluctuations produced by the rest of generators Thus, the rotors of the turbines of the park stop being in random positions to be, some of them, in positions such that the periodic fluctuations of the power they produce cancel, with a high probability, the produced by the rest of the park. In general, it will be enough with control the phases of a number of turbines less than \ sqrt {N}.
Casi todas las turbinas disponen de algún mecanismo que permite realizar el control de la potencia máxima y o el frenado aerodinámico de la misma. En algunas, las palas pueden rotar alrededor de su eje longitudinal, variando así el ángulo de ataque frente al viento y, en consecuencia, el par motor. En otras, las de paso de pala fijo, el control de la potencia máxima suministrada se realiza de forma automática, al estar diseñadas las palas de forma que entren en pérdida aerodinámica para velocidades del viento elevadas. En este caso son unos aerofrenos en la punta de las palas los que provocan el frenado cuando es necesario Cualquiera de estos sistemas, que no son objeto de esta invención, se puede utilizar para disminuir ligeramente la velocidad de rotación de la turbina atendiendo a una orden del sistema de control del aerogenerador o del parque y, de este modo, ajustar la fase o posición relativa del rotor con respecto a las otras turbinas del parque.Almost all turbines have some mechanism that allows to control the maximum power and or the aerodynamic braking of it. In some, the shovels can rotate around its longitudinal axis, thus varying the angle of attack against the wind and, consequently, the torque. In others, The fixed blade pitch, the maximum power control supplied is done automatically, as the paddles so that they enter aerodynamic loss for speeds of the high wind. In this case they are air brakes at the tip of the blades which cause the braking when necessary Any of these systems, which are not the subject of this invention, can be used to slightly decrease the speed of Turbine rotation according to a system order wind turbine or park control and thus adjust the relative phase or position of the rotor with respect to the other park turbines.
La presente invención se refiere también a un dispositivo, cuyo diagrama de bloques se muestra en la figura 1, en el interior del recuadro de trazo discontinuo, capaz de suministrar una señal de error de fase (1) cuando la posición del rotor de la turbina controlada no sea la óptima para reducir las fluctuaciones. Para el correcto funcionamiento de esta invención, esta señal de error se deberá enviar al ordenador encargado del control de potencia de la turbina (2). Este ordenador deberá estar debidamente programado para ordenar una ligera disminución de la velocidad de rotación de la turbina hasta que su fase sea la adecuada, momento en el cual la señal de error proporcionada por el dispositivo objeto de la invención se anula. Las señales de entrada al dispositivo son dos: a) la corriente suministrada por el generador (3) y b) la corriente suministrada por los otros aerogeneradores anteriores, es decir, más alejados del punto de evacuación de la energía producida por el parque, que es la denominada señal de referencia (4). De cada una de estas señales se obtiene, en primer lugar, su valor eficaz y, a partir de éste, mediante filtrado, la fluctuación de frecuencia 3p, donde p es, como se ha explicado anteriormente, la frecuencia de rotación de la turbina. Las señales así obtenidas se introducen en sendos módulos seguidores de fase, conocidos habitualmente como PLL (5), los cuales proporcionan a su salida sendas señales sinusoidales de amplitud fija y en fase con sus respectivas entradas y, por lo tanto, en fase también con las corrientes del generador (3) y la corriente proveniente del resto (4) cuya fluctuación se pretende anular. La señal de error de fase (1) deberá ser nula cuando las salidas de los PLL estén en oposición de fase entre sí y máxima cuando estén en fase. Una forma de obtener esta señal de error es sumando las salidas de los PLL (6), elevando al cuadrado el resultado (7) y, finalmente, alisar el resultado mediante un filtro paso bajo (8).The present invention also relates to a device, whose block diagram is shown in Figure 1, inside the dashed box, capable of delivering a phase error signal (1) when the turbine rotor position controlled is not optimal to reduce fluctuations. For the correct operation of this invention, this error signal must be sent to the computer in charge of the turbine power control (2). This computer must be properly programmed to order a slight decrease in the rotation speed of the turbine until its phase is adequate, at which time the error signal provided by the device object of the invention is canceled. The input signals to the device are two: a) the current supplied by the generator (3) and b) the current supplied by the other previous wind turbines, that is, further away from the point of evacuation of the energy produced by the park, which is the so-called reference signal (4). From each of these signals, its effective value is obtained first and, from this, by filtering, the frequency fluctuation 3p , where p is, as explained above, the frequency of rotation of the turbine. The signals thus obtained are introduced in individual phase-follower modules, commonly known as PLL (5), which provide their output with sinusoidal signals of fixed and in-phase amplitude with their respective inputs and, therefore, also in phase with the generator currents (3) and the current from the rest (4) whose fluctuation is intended to cancel. The phase error signal (1) must be null when the outputs of the PLLs are in phase opposition to each other and maximum when they are in phase. One way to obtain this error signal is to add the outputs of the PLL (6), square the result (7) and, finally, smooth the result by means of a low pass filter (8).
Opcionalmente puede utilizarse la tensión en bornes del propio generador como señal de referencia (4), en cuyo caso el funcionamiento del sistema es el mismo que el explicado anteriormente aunque, dependiendo de algunas características del parque eólico, el bloque sumador (6) deberá configurarse para obtener a su salida la suma o la diferencia de las señales que tiene a su entrada. En la figura 2 se muestra, a modo de ejemplo, un esquema simplificado de un parque eólico. Los generadores escogidos para compensar las fluctuaciones producidas por el resto se encuentran dibujados dentro de cuadros de línea discontinua (9), (10) y (11). El resto de los aerogeneradores girarán libremente. En uno de los generadores elegidos (11) se muestra también el lugar donde se miden las magnitudes eléctricas que se utilizan como entradas en el sistema de control de la fase del rotor representado en la Figura 1. La que se utiliza como referencia en este caso es la corriente que proviene del resto de aerogeneradores conectados a la misma derivación (4 y 12) y la otra es la corriente suministrada por el propio aerogenerador cuya posición se va a controlar (3 y 13).Optionally the voltage can be used in terminals of the generator itself as a reference signal (4), in which case the system operation is the same as explained previously though, depending on some characteristics of the wind farm, the summing block (6) must be configured to get the sum or difference of the signals at your output It has at its entrance. Figure 2 shows, by way of example, a Simplified scheme of a wind farm. The chosen generators to compensate for fluctuations produced by the rest, they are drawn within dashed line boxes (9), (10) and (11). The rest of the wind turbines will spin freely. In one of the chosen generators (11) also shows the place where you measure the electrical quantities that are used as entries in the rotor phase control system represented in Figure 1. The one used as a reference in this case is the current that comes from the rest of connected wind turbines to the same branch (4 and 12) and the other is the current supplied by the wind turbine itself whose position is going to control (3 and 13).
Claims (5)
- a)to)
- se reducen las fluctuaciones periódicas de la potencia total suministrada por el parque mediante un sistema que fuerza que las fluctuaciones periódicas de la potencia producidas por la mayor parte de los aerogeneradores que componen el parque eólico son compensadas parcialmente o anuladas por las producidas por el resto de los aerogeneradores,periodic fluctuations of the total power supplied by the park through a system that force than periodic fluctuations in power produced by most of the wind turbines that make up the park wind power are partially offset or canceled by those produced for the rest of the wind turbines,
- b)b)
- se eligen uno o más aerogeneradores del parque eólico para que, mediante la disminución, durante un cierto periodo de tiempo, de la velocidad de rotación de sus turbinas, éstas giren finalmente con una posición angular determinada de tal forma que las fluctuaciones de potencia de frecuencia 3p que producen anulan o disminuyen las fluctuaciones de potencia de la misma frecuencia producidas por los otros generadores del parque,one or more wind turbines in the park are chosen wind power so that, by decreasing, during a certain period of time, of the speed of rotation of its turbines, they finally turn with a certain angular position of such way that the 3p frequency power fluctuations that produce nullify or decrease the power fluctuations of the same frequency produced by the other generators of the Park,
- c)C)
- la regulación de la posición angular de cada una de las turbinas elegidas se obtiene procesando las formas de onda de dos magnitudes eléctricas que son, la primera de ellas, la correspondiente a la corriente suministrada por el aerogenerador y, la otra, una variable eléctrica de referencia que puede ser, o bien la corriente suministrada por otros generadores del parque en la misma línea o derivación interna que aquel, o bien la tensión en bornes del mismo.the regulation of the angular position of each of the turbines chosen are obtained by processing the waveforms of two electric quantities that are, the first one, the corresponding to the current supplied by the wind turbine and, the other, a reference electric variable that can be either the current supplied by other generators of the park in the same line or internal branch as that, or the tension in terminals of the same.
- a)to)
- se extraen la señal moduladora del valor eficaz de la magnitud eléctrica de referencia (corriente proveniente de otros aerogeneradores o tensión en el punto de conexión) y de la corriente suministrada por el aerogenerador en el que se implanta el sistema objeto de la invención, mediante un adecuado filtrado de los respectivos valores eficaces que deja pasar la componente de frecuencia 3p y atenúa el resto de las frecuencias,the modulating signal of the effective value of the electrical reference magnitude (current from other wind turbines or voltage at the connection point) and of the current supplied by the wind turbine in which it is implanted the system object of the invention, by a suitable filtering of the respective effective values that the component of 3p frequency and attenuates the rest of the frequencies,
- b)b)
- se emplean las señales moduladoras anteriores para obtener una señal de error que se utiliza para, a partir de ella y con los mecanismos adecuados a cada aerogenerador, controlar la posición angular del rotor de la turbina hasta que las fluctuaciones de potencia de frecuencia 3p que ésta produce tienen un desfase con respecto a las de la señal eléctrica de referencia tal que se reducen, en la mayor cuantía posible de acuerdo con la potencia que entrega la turbina, las fluctuaciones de la potencia contra las que se está actuando, es decir, las producidas por los otros aerogeneradores.the above modulating signals are used to get an error signal that is used for, from it and with the appropriate mechanisms for each wind turbine, control the angular position of the turbine rotor until the 3p frequency power fluctuations that it produces have a lag with respect to those of the reference electrical signal such that they are reduced, as much as possible according to the power delivered by the turbine, power fluctuations against those who are acting, that is, those produced by Other wind turbines
- a)to)
- medios para la detectar la fluctuación de frecuencia 3p (señal moduladora) del valor eficaz de las variables tensión o corriente que se utilizan como entradas,means for detecting frequency fluctuation 3p (modulating signal) of the effective value of the voltage variables or current used as inputs,
- b)b)
- medios para producir, a partir de estas fluctuaciones, sendas señales sinusoidales en fase con las anteriores y de amplitud fija,means to produce, from these fluctuations, sinusoidal signals in phase with the previous and fixed amplitude,
- c)C)
- medios para sumar o restar las sinusoides anterioresmeans to add or subtract sinusoids previous
- d)d)
- medios para elevar al cuadrado el resultado anterior,means to square the result previous,
- e)and)
- medios para filtrar la señal resultante anterior y aplicar la ganancia necesaria para enviar esta señal al ordenador u otro sistema encargado del control de la turbina para reducir la velocidad de rotación de la misma.means to filter the previous resulting signal and apply the gain necessary to send this signal to the computer or another turbine control system to reduce the rotation speed of it.
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| LARSSON, Ake. Flicker Emission of Wind Turbines During Continous Operation. IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 17, n. 1, Marzo de 2002. * |
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| THIRINGER et al. Flicker Contribution From Wind Turbine Installations. IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 19, n. 1, Marzo de 2004. * |
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