ES2388335T5 - Procedimiento para la operación y el control de un aerogenerador y método de suministro de potencia de control primario con aerogeneradores - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento para la operación y el control de un aerogenerador y método de suministro de potencia de control primario con aerogeneradores

La invención se refiere a métodos para operar al menos un aerogenerador que tiene un rotor, un generador eléctrico acoplado al rotor para suministrar energía eléctrica a una red de distribución de energía con la ayuda de un dispositivo de control.

La descripción se refiere además a un método para proporcionar potencia de control o potencia de control primario a una red de generación y distribución de energía eléctrica a la que están conectadas una pluralidad de centrales de energía, incluidos aerogeneradores, y cargas.

La descripción se refiere además a un método para controlar un aerogenerador que comprende al menos un tren motriz que comprende un rotor y un generador y un dispositivo de control, donde el aerogenerador tiene una velocidad de rotación mínima de diseño para alimentar a la red.

Por último, la invención también se refiere a aerogeneradores.

Los cambios en la potencia activa de un generador de energía, como suele ocurrir con los aerogeneradores, provocan cambios en la frecuencia de red en una red de distribución de energía si no se puede garantizar, mediante el control de otras centrales de energía, que se alimente a la red tanta energía como la que toman también las cargas conectadas. Debido a la creciente proporción de aerogeneradores en la red de distribución de energía, los costes de los operadores de red aumentan para equilibrar las fluctuaciones de la potencia alimentada causadas por la energía eólica.

Es conocido un método para operar un aerogenerador con un generador eléctrico accionado por un rotor para suministrar energía eléctrica a una red eléctrica (DE 10022974 A1). En este caso, la potencia suministrada por el generador a la red se regula o ajusta en función de la frecuencia de red de la red eléctrica, por lo que la potencia suministrada se reduce cuando aumenta la frecuencia de red. Sin embargo, en este caso no se trata de la provisión de potencia de control, y las medidas propuestas tampoco serían adecuadas aquí.

Del documento EP 0569556 B se conoce que, en caso de fluctuaciones de la velocidad del viento, la potencia de salida y la potencia eólica no tienen por qué coincidir. La potencia diferencial procede del cambio de velocidad del rotor en combinación con un cambio en la energía cinética del rotor.

En el documento DE 19756777 A1, la red debe recibir apoyo en caso de fallos mediante un cambio en el funcionamiento del aerogenerador. De este documento se desprende implícitamente que esto debe hacerse modificando el punto operativo, por ejemplo, cambiando el ángulo de la pala. Es decir, se lleva a cabo una intervención específica para lograr una modificación, en particular un aumento, de la potencia de salida.

El documento Primary Control with Wind Turbines del Dr. Fred Prillwitz, Dipl—Ing. Axel Holst, Prof. Dr. Harald Weber; publicado por el Instituto de Ingeniería de Energía Eléctrica de la Universidad de Rostock, apunta en una dirección similar. También en este caso, el aerogenerador funciona en un punto operativo que no extrae la máxima potencia de la energía eólica disponible. Cuando hay una demanda de energía de la red de suministro energético, se modifica el punto operativo, de manera que cambian el ángulo de las palas, la velocidad de rotación y la potencia de salida para convertir la mayor cantidad posible de energía eólica en energía eléctrica. Gracias a un control especialmente dinámico, los aerogeneradores que funcionan según este método pueden participar en el control primario.

A partir del documento WO 03/023224 A1 se conoce un aerogenerador con un dispositivo de control, mediante el cual se simula el comportamiento de los generadores síncronos convencionales en el caso de cambios de frecuencia de red utilizando la energía cinética del rotor eólico.

En el funcionamiento normal de una red sin aerogeneradores, la regulación no plantea problemas porque solo cambia la carga o la potencia consumida. Pero incluso en una red con centrales convencionales y con aerogeneradores hay que gestionar los procesos de control necesarios. La situación es muy distinta cuando se producen fallos imprevisibles en una red mixta con aerogeneradores, por ejemplo, un corte de suministro o una caída de tensión como consecuencia de un fallo a tierra o un cortocircuito. En este caso, los aerogeneradores, tal y como han funcionado hasta ahora, no pueden aportar potencia adicional, como sí pueden hacer las centrales convencionales, para reducir así la demanda de control primario del operador de la red. Sin embargo, sería posible hacer funcionar el aerogenerador con estrangulamiento, es decir, con una potencia inferior a la que el aerogenerador podría ofrecer si se ajustara de forma óptima a las condiciones de viento existentes. Sin embargo, esto tendría que hacerse teniendo constantemente en cuenta las condiciones cambiantes de la red, a nivel local y entre países, así como de acuerdo a las necesidades de los operadores de la red, pero también según las condiciones del viento, que no son para nada constantes ni tan siquiera suficientemente predecibles.

La potencia de control primaria, por ejemplo, en caso de fallo en la red, debe activarse rápidamente para poder contrarrestar la caída de frecuencia iniciada por un fallo antes de que la frecuencia haya descendido a un valor crítico. Sin embargo, además de una activación rápida, también hay que disponer de suficientes reservas de energía. En las centrales térmicas, la potencia de control primario se mantiene estrangulando las válvulas de entrada de la turbina, de manera que el operador de la red se asegura de que el estrangulamiento solo esté limitado en el tiempo y de que la potencia de control secundario disponible pueda sustituir a la potencia de control primario a tiempo. Este estrangulamiento no representa una pérdida en términos de energía, ya que se consume menos combustible, que queda disponible para otro momento posterior.

En el caso de un aerogenerador, también se podría disponer de una potencia de control “ estrangulando” el aerogenerador de forma que funcione con una potencia inferior a la que permitirían las condiciones del viento. Sin embargo, desde el punto de vista energético, esto significa que la energía eólica disponible no se utiliza cuando esto sea posible, es decir, el viento pasa por el aerogenerador sin utilizarse durante esta operación.

Este estrangulamiento de un aerogenerador es, por tanto, una medida muy costosa, ya que la parte no utilizada de la energía del viento no se almacena. En una turbina de gas, en cambio, la energía primaria se retiene en el modo de estrangulamiento y puede utilizarse posteriormente.

De hecho, las condiciones de estos sistemas mixtos de distribución de energía son tales que los aerogeneradores, con sus sistemas alimentados por convertidores, no contribuyen a la estabilidad de la red ni a la inercia de masa de la red cuando funcionan de forma convencional. Incluso si los aerogeneradores funcionaran con convertidores en la red con potencia constante, esto seguiría provocando un aumento de la demanda de control necesaria, que habría que compensar con centrales de energía convencionales con su potencia de control primaria.

La presente descripción está pensada para hacer funcionar una red con centrales de energía convencionales y aerogeneradores o un aerogenerador de forma que el aerogenerador proporcione potencia de control primaria y, en particular, se pretende utilizar el aerogenerador para proporcionar potencia de control.

Esto se consigue mediante las características indicadas en las reivindicaciones independientes.

Según la invención, se proporciona un método para operar al menos un aerogenerador que tiene un rotor y un generador eléctrico acoplado al rotor para la salida de energía eléctrica a una red de distribución de energía con la ayuda de un dispositivo de control que asegura el funcionamiento del aerogenerador en su rango de trabajo determinado mediante parámetros del ángulo de las palas, la potencia de salida y la velocidad del rotor, donde el dispositivo de control lleva a cabo las siguientes etapas:

a. Funcionamiento del aerogenerador en el rango de trabajo no estrangulado según la mejor curva característica utilizable del aerogenerador, donde por “ no estrangulado según la mejor curva característica utilizable” se entiende la máxima potencia activa de salida en las respectivas condiciones de viento;

b. Registrar los cambios de un parámetro de funcionamiento de la red de distribución eléctrica;

c. Modificar el funcionamiento del aerogenerador cuando se produzca un cambio imprevisto en el parámetro de funcionamiento de la red, de forma que se salga del rango de trabajo no estrangulado reduciendo la velocidad del rotor, alimentando así una potencia activa en la red de distribución de energía eléctrica superior en un exceso de potencia a la potencia activa de salida máxima correspondiente a las respectivas condiciones de viento, tomándose el exceso de potencia de la energía cinética del rotor;

d. Volver al funcionamiento en el rango de trabajo no estrangulado según la mejor curva característica utilizable del aerogenerador aumentando la velocidad del rotor cuando finaliza la alimentación del exceso de potencia;

donde se especifica una cantidad de energía de control para el dispositivo de control que debe mantenerse disponible, y que debe alimentarse mediante el exceso de potencia.

Un aerogenerador que puede funcionar de acuerdo con este método según la invención funciona en un determinado rango de trabajo. Aquí se encuentran los parámetros que pertenecen a las condiciones actuales de funcionamiento. Hablamos de un rango de trabajo y no de un punto operativo porque las condiciones externas de un aerogenerador están sujetas a fluctuaciones constantes y, por tanto, requieren el llamado control dinámico.

Si un parámetro de funcionamiento (por ejemplo, la frecuencia de red) cambia en un determinado valor predeterminado dentro de un cierto período de tiempo, este es, según la invención, un criterio para hacer funcionar el aerogenerador o varios aerogeneradores de tal manera que alimenten una potencia excesiva a la red, independientemente de si la energía eólica asociada o requerida está disponible en ese momento.

Simplemente a modo ilustrativo y no limitativo, se menciona aquí un aerogenerador con una potencia de 1,5 MW, para el que se puede alimentar adicionalmente aprox. el 11 % de la potencia nominal durante 10 s o aprox. el 100 % durante 1 s cuando se reduce la velocidad de rotación de 1800 rpm a 1600 rpm.

Según la descripción, dicho cambio en el funcionamiento de la red se detecta y se genera una señal a partir de él, que se utiliza para fines de control o regulación en el aerogenerador o los aerogeneradores.

Según la invención, los cambios en los parámetros de funcionamiento podrían detectarse en cualquier punto de la red, por lo que la señal derivada de ello también podría utilizarse a distancia, en particular en función de las condiciones y las características de la red y también con respecto a las características de cada uno de los aerogeneradores, a saber, para poder proporcionar más o menos potencia de control. Aquí, según la invención, se podría proceder de tal manera que un ordenador central de red calculara las señales de tal forma que los aerogeneradores individuales se utilizaran de forma diferente para alimentar potencia de control con el fin de operar de forma óptima la red en su conjunto. Según la descripción, se pretende una detección de valores límite mediante un sistema de sensores en un aerogenerador o una monitorización central del parque eólico o también una monitorización central de la red del operador de red o del proveedor de energía.

Según la descripción, se utiliza un parámetro de funcionamiento adecuado y su cambio temporal o velocidad de cambio; este será, preferiblemente, el cambio de frecuencia o velocidad de cambio de frecuencia, basado en valores límite adecuados, por ejemplo, 0,2 Hz en una red de 50 Hz y/o 0,05 Hz/s. En función de la estabilidad de la red, se requiere una banda muerta suficientemente grande para evitar que la señal de fallo se active con demasiada frecuencia, lo que provocaría una pérdida importante de rendimiento. El valor límite de 0,01 Hz/s, deseable para una red muy rígida, puede provocar, por ejemplo, una activación muy frecuente de la señal de fallo en una red débil.

La descripción también puede aplicarse a la amortiguación de las oscilaciones de frecuencia de red. Para ello, se emiten señales a los aerogeneradores individuales de forma correspondiente, que se emiten continuamente a los aerogeneradores individuales durante un periodo de tiempo más largo, pero de forma diferente entre sí. Para ello, pueden utilizarse herramientas de predicción capaces de predecir con suficiente precisión qué demanda de potencia de control primario será necesaria, en qué momento y en qué punto de la red.

Dependiendo del convertidor y del sistema de control utilizados en el aerogenerador, puede ser necesario diseñar el convertidor y el controlador con curvas características de velocidad de rotación/potencia diferentes de las habituales o mantener reservas adicionales para la alimentación de potencia con el fin de utilizar todo el potencial disponible mecánicamente de la energía de control. La “ distribución” de la potencia de control total que debe suministrar un parque eólico a las instalaciones individuales puede llevarse a cabo mediante un control de red central, que en este caso también puede ser, por ejemplo, solo un control de parque eólico. Alternativamente, cada instalación también puede generar selectivamente señales de control en su propia unidad de control que correspondan a su estado actual e individual.

Según la invención, se proporciona un algoritmo de control para este fin, que prevé el suministro de una cantidad predeterminable de energía de control como objetivo del controlador. Esta cantidad puede determinarse en función de la energía eólica alimentada a la red (desde la local de un aerogenerador hasta la de toda Europa) o también en función de las especificaciones del proveedor de energía y puede estar sujeta a cambios continuos. El aerogenerador (o parque eólico) también puede determinar individualmente la cantidad de energía eólica que debe suministrar con la ayuda de un algoritmo predefinido a partir de parámetros de funcionamiento (tensión de red, frecuencia de red, velocidad del viento, velocidad del rotor, etc.), si es necesario con la ayuda de métodos de predicción. En la práctica, en una realización que no forma parte de la invención, esto puede significar que un aerogenerador con una velocidad mínima del rotor de 10 rpm funcione a 14 rpm, por ejemplo, aunque el rendimiento energético óptimo sería de 12 rpm, porque la cantidad especificada de demanda de energía de control corresponde a una diferencia de velocidad de rotación de 10 a 14 rpm.

También según la descripción, se consigue un método para proporcionar potencia de control o potencia de control primaria para una red de generación y distribución de energía eléctrica a la que están conectadas un gran número de centrales de energía, incluidas aerogeneradores, y en el que la potencia de control se deriva de la energía cinética de las masas giratorias de los aerogeneradores.

Esencial para la presente invención es que se “ aprovecha una fuente de energía” para la energía primaria en situaciones particulares de una red, lo cual no ha recibido atención hasta ahora. Un aerogenerador que funcione según la invención puede proporcionar el exceso de potencia de salida aprovechando la energía cinética de sus masas en movimiento. Esto solo puede hacerse durante poco tiempo, ya que, de lo contrario, la velocidad de rotación bajaría demasiado y podría ocurrir que se desconectase el aerogenerador.

En los aerogeneradores alimentados por inversores, la potencia de salida no depende directamente de la velocidad de rotación. Dado que el sistema generador/inversor no está diseñado para la potencia nominal, sino que se prevén ciertas reservas para sobrecargas a corto plazo, es posible alimentar a la red un poco más de potencia durante un breve periodo de tiempo de lo que permiten las condiciones del viento. La energía se toma entonces de las masas en rotación (palas, buje, tren de transmisión, generador), es decir, según la inercia de la energía de rotación de acuerdo con la relación AE = ^1/2 0 (w i2 - W²2).

La reducción de velocidad de rotación depende, por tanto, de la energía que se alimente a la red. La reducción de velocidad de rotación admisible y, por lo tanto, la energía disponible que se puede alimentar, debe determinarse en función de la instalación y de las condiciones ambientales. Sin embargo, la forma en que se solicita la energía puede determinarse en función de las necesidades del operador de la red.

Así, la salida de energía puede ser proporcional a la desviación de la frecuencia de red, pero también se puede especificar un comportamiento D, por ejemplo, que alimente más en caso de cambios rápidos de frecuencia.

Por ejemplo, puede fijarse un umbral para compensar los fallos de la red, por ejemplo, si la frecuencia disminuye a un ritmo determinado o ha caído por debajo de un cierto límite, momento en el que el sistema reacciona.

La energía cinética almacenada en las masas giratorias de un aerogenerador es limitada. Sin embargo, la frecuencia es una magnitud de una red que puede medirse con un breve retardo en toda la red. Esto significa que incluso los aerogeneradores situados a varios cientos de kilómetros del lugar de la avería pueden contribuir a la regulación. Debido al gran número de aerogeneradores instalados, incluso una pequeña contribución por aerogenerador puede tener un efecto significativo en la red.

En los parques eólicos, la potencia de control puede asignarse a aerogeneradores individuales. Los aerogeneradores situados en la parte trasera desde el punto de vista de la dirección del viento pueden contribuir en mayor medida a la potencia de control, ya que suelen estar menos solicitados. La información sobre la velocidad del viento de los aerogeneradores situados más adelante puede utilizarse para aprovechar mejor los límites disponibles del sistema (banda de velocidad de rotación permitida en función de la velocidad del viento prevista a corto plazo). Tiene sentido utilizarlo en combinación con una predicción eólica para garantizar que haya viento suficiente en las siguientes 24 horas, por ejemplo, para que los rotores de todos los aerogeneradores puedan girar y proporcionar suficiente potencia de control.

Si es necesario, la velocidad de rotación de los aerogeneradores puede aumentarse con velocidades de viento bajas para estar siempre por encima de la velocidad de rotación mínima del rango de trabajo.

Las características particulares de los métodos según la invención son:

1. Reducción de la potencia de control en la red necesaria para compensar los fallos de la red

2. Reducción de los cambios de frecuencia en la red (o de la potencia de control necesaria para evitar los cambios de frecuencia)

3. Menor excitación de los cambios de frecuencia en la red por parte del aerogenerador

4. Pérdidas de rendimiento nulas o bajas cuando funciona como reserva de emergencia

5. Bajas pérdidas de rendimiento durante el uso continuo para amortiguar los cambios de frecuencia Resulta esencial para la realización de la presente invención que los aerogeneradores funcionen de manera que puedan responder a señales de control. Esto significa que el aerogenerador está preparado para esta operación y que el operador de la red puede confiar en la reacción de los aerogeneradores cuando se produce una señal de fallo para que se produzcan las interacciones correspondientes.

En la realización con una señal de fallo enviada desde un centro de control, la descripción también se basa en cierta cooperación entre el aerogenerador y los operadores de la red. El operador de la red debe registrar los fallos que se produzcan y transmitirlos a los operadores de los aerogeneradores en forma de señal de fallo.

Para la transmisión de esta señal de fallo, se tienen en cuenta todas las vías de transmisión posibles, ya sean por conducciones o no.

La invención puede utilizarse ventajosamente no solo para proporcionar una potencia de control para compensar los déficits de potencia activa tras fallos en la red, sino también cuando se trata de implementar la amortiguación de las oscilaciones de la frecuencia en las redes de distribución de energía eléctrica.

En una primera aproximación, el cambio en la frecuencia de red es una medida de la diferencia entre la potencia alimentada y la potencia suministrada. El tamaño de las variables de control necesarias depende de la inercia de las masas giratorias presentes en la red. Si se sustituyen generadores de gran inercia por generadores de baja inercia en una red de distribución de energía eléctrica, el sistema de control debe reaccionar más rápidamente para evitar un cambio en la frecuencia de red. Si no es posible una reacción rápida, será necesario permitir una mayor desviación de frecuencia o se deberá intentar reducir la desviación de frecuencia mediante una variable de ajuste superior. Sin embargo, esto suele tener el inconveniente de que se sobrepasa la frecuencia deseada y, por tanto, los tiempos de ajuste son más largos hasta que la frecuencia vuelve a estar en la banda de frecuencias deseada.

Para evitar una desviación permanente de la frecuencia de red, la regulación de dicha frecuencia es una de las tareas habituales de las centrales de energía: A una frecuencia superior a la nominal, la potencia alimentada a la red se reduce y a una frecuencia inferior a la nominal, la potencia alimentada a la red aumenta. La reducción o el aumento de la potencia eléctrica suele conseguirse regulando el suministro de energía o el combustible de la central.

El control de la frecuencia de red es uno de los requisitos centrales de las redes de distribución de energía eléctrica. Si la frecuencia de red se desvía de la frecuencia nominal más allá de un determinado umbral, las cargas y generadores se apagan o encienden paso a paso.

La energía de compensación necesaria para compensar las variaciones de frecuencia que se producen rápidamente como consecuencia de los cambios de carga, en particular, pero no únicamente, como resultado de una reducción de la potencia disponible de los generadores, debe estar disponible hasta que:

a) se recupere el déficit temporal de rendimiento que se haya producido o

b) la potencia de los generadores controlables más lentos pueda aumentarse.

Por lo general, es más fácil reducir la potencia alimentada a la red por los aerogeneradores que aumentarla. En el caso de una reducción temporal de la potencia alimentada por debajo de la potencia proporcionada por el viento o de la potencia máxima habitual, se produce un descenso del rendimiento mientras dure la reducción de potencia, sin que ello se vea compensado por un ahorro de energía primaria (como resulta posible, por ejemplo, con las centrales térmicas o hidroeléctricas).

Se conocen métodos para aumentar el rendimiento energético de un aerogenerador influyendo en la velocidad de rotación, con el fin de alcanzar lo antes posible el punto óptimo de trabajo de las palas del rotor.

El desacoplamiento de la potencia alimentada y la velocidad de rotación es un método habitual para controlar los aerogeneradores, por ejemplo,

a) para lograr una homogeneización de la potencia alimentada,

b) para lograr una reducción de las cargas, por ejemplo, para reducir las fluctuaciones del par durante el funcionamiento en un punto operativo de velocidad de rotación seleccionado para el control del paso de las palas, c) para alcanzar una potencia de alimentación constante o predeterminada; y

d) para almacenar una cantidad limitada de energía cinética en el rotor, especialmente durante el funcionamiento con alimentación constante, para lograr un mayor rendimiento energético o cargas reducidas.

Cambiar la velocidad de rotación de rotación de un aerogenerador es un procedimiento habitual, por ejemplo, para: a) aumentar el rendimiento energético mediante un mejor aprovechamiento aerodinámico de las palas, b) lograr una reducción de las cargas, entre otras cosas también para evitar la excitación de las oscilaciones de frecuencia natural,

c) lograr una reducción de las emisiones sonoras y

d) garantizar que un aerogenerador no abandone el rango de trabajo admisible incluso en caso de turbulencias graves.

Para aumentar la potencia respecto a un punto operativo dado, debe mantenerse en reserva una parte de la potencia disponible. Por ejemplo, en el caso de las centrales térmicas o hidroeléctricas, las pérdidas económicas suelen ser escasas o nulas.

A continuación, la invención se explica a modo de ejemplo a partir de los dibujos.

La Figura 1 muestra una curva característica de un aerogenerador

La Figura 2 muestra una representación del coeficiente de potencia de la pala del rotor de un aerogenerador en función del ángulo de la pala y de la velocidad periférica.

La Figura 3 muestra una representación temporal de las oscilaciones de la frecuencia de red como consecuencia de un fallo de carga.

Las condiciones aerodinámicas de un aerogenerador hacen que, para cada velocidad del viento, exista una velocidad de rotación óptima a la que debe funcionar el aerogenerador para obtener el máximo rendimiento. Esto se muestra en el ejemplo para velocidades del viento de 8 m/s, 10 m/s y 12 m/s de la Figura 1 como potencia en función de la velocidad de rotación. Si se conectan los máximos de estas curvas individuales, el resultado es la curva característica óptima para el funcionamiento de un aerogenerador (“ curva característica óptima” ) con una pala de rotor determinada. En la práctica, el rango de velocidades de rotación disponible está limitado (en el ejemplo proporcionado, a velocidades del generador de 1000 a 2000 rpm), de modo que en funcionamiento estacionario solo se seleccionan puntos operativos en la curva etiquetada como “ mejor curva característica utilizable” , que inicialmente sigue la curva característica óptima y aumenta desde la velocidad de rotación de 1780 rpm a velocidad de rotación fija hasta la potencia nominal.

Si la potencia de reserva se activa en el punto operativo AP1 (1780 rpm, 1050 kW), la velocidad de rotación del aerogenerador desciende al punto operativo AP2 (1580 rpm, 975 kW) a una velocidad del viento supuestamente constante de 10 m/s, ya que (durante un periodo limitado) se alimenta a la red más potencia de la que puede absorberse con el viento.

Al poner en práctica la invención (véase la Figura 1), hay que tener en cuenta que la energía utilizable almacenada en el aerogenerador es limitada (el aerogenerador no debe abandonar el límite inferior del rango de velocidades de rotación) y que una gran reducción de la velocidad de rotación implica un funcionamiento en un punto operativo peor. Al bajar en 200 rpm, el punto operativo pasa de AP1 a AP2. Allí, con las mismas condiciones de viento, se puede obtener aproximadamente un 5 % menos de potencia del viento con un ángulo de pala invariable. Bajar aún más la velocidad de rotación puede, en determinadas circunstancias, reducir significativamente la potencia de alimentación disponible durante un breve periodo de tiempo tras finalizar la alimentación de potencia adicional (en este ejemplo, después de 10 segundos).

Cambiando el ángulo de las palas en el nuevo punto operativo AP2 se puede optimizar el rendimiento energético. Independientemente de ello, los diseños modificados de las palas pueden lograr en el futuro un mayor rendimiento en puntos operativos alejados del punto nominal.

La energía almacenada en el rotor puede supervisarse continuamente. Por regla general, se tienen en cuenta la velocidad de rotación de la instalación, la velocidad del viento y la alimentación restante posible tras una reducción de la velocidad de rotación. Sin embargo, basta con supervisar únicamente la velocidad de rotación actual y, si hay una señal de fallo, alimentar con un exceso de potencia hasta que la velocidad del rotor haya descendido a la velocidad mínima permitida. Si existen especificaciones sobre la energía mínima de control que debe proporcionarse, la velocidad de rotación mínima del aerogenerador se especifica en consecuencia y, si las condiciones del viento lo permiten, también se respeta. En caso de que se solicite (por ejemplo, una reducción de la tensión de más del 10 % en 100 ms o un cambio rápido de frecuencia de más de 100 MHz en 1 s o una señal transmitida desde el exterior), se activa la energía de reserva. Se alimenta a la red una potencia por definir además de la energía disponible según la curva característica del aerogenerador.

El curso temporal exacto de la alimentación de la energía de reserva puede acordarse con el operador de la red: mucha energía durante poco tiempo, poca energía durante más tiempo, o el curso puede cambiar con el tiempo, por ejemplo, primero mucha energía, luego menos energía.

La cantidad de energía a alimentar puede especificarse directamente o definirse indirectamente (por ejemplo, a través de la duración o después de bajar a una velocidad de rotación determinada).

Tras alcanzar el final de la alimentación de energía adicional, el aerogenerador vuelve al punto operativo anterior. Por término medio, solo se alimenta a la red tanta energía como la que esté disponible en función del viento.

Se pueden considerar los siguientes casos especiales:

Si se solicita, la velocidad de rotación de la instalación puede aumentar en comparación con el punto operativo normal para proporcionar energía adicional ante un posible fallo.

Si las condiciones del viento lo permiten (por ejemplo, poca turbulencia), este aumento de la velocidad de rotación de la turbina también puede producirse por encima del punto operativo nominal del aerogenerador.

Para velocidades del viento superiores al viento nominal, se utiliza un método de dos etapas:

a) En un principio, la energía adicional se suministra inmediatamente cuando se solicita.

b) Al ajustar las palas en el punto operativo óptimo, se aumenta el consumo de energía del aerogenerador (si las condiciones del viento lo permiten) de modo que no se produzca una nueva caída de la velocidad de rotación de la instalación y se alcance de nuevo el punto operativo original.

Si un aerogenerador está situado en las proximidades (espaciales) de un cortocircuito, puede tener sentido utilizar inicialmente una parte (grande) de la corriente (o potencia) disponible del aerogenerador (como corriente reactiva o potencia reactiva) para soportar la tensión de la red (por ejemplo, hasta que la tensión de la red vuelva a alcanzar el 90 % de la tensión anterior). La energía de reserva solo se suministra una vez restablecida la tensión de red.

El método anterior es útil, por ejemplo, para salvar la pérdida a corto plazo de potencia alimentada tras un fallo (cortocircuito) en la red. Los aerogeneradores fabricados hasta la fecha se desconectan de la red tras un fallo de este tipo. En el tiempo que estos aerogeneradores necesitan para volver a conectarse a la red, una alimentación adicional de energía puede evitar, o al menos reducir, la caída de la frecuencia de red, de modo que pueda evitarse la aparición de una situación crítica en la red.

Si se alimenta a la red menos energía de la que consumen las cargas, la frecuencia de red disminuye. Como consecuencia de la pérdida de potencia de alimentación, por ejemplo, tras un cortocircuito en la red, puede producirse una caída notable de la frecuencia de red.

Incluso los aerogeneradores alejados del lugar de la avería pueden detectar el cambio de frecuencia y reaccionar ante él. Si la frecuencia de red disminuye más de 50 MHz en 1 segundo, por ejemplo, debe alimentarse energía adicional a la red.

Si la frecuencia de red vuelve a aumentar, se producen oscilaciones que pueden hacer necesaria una alimentación adicional de energía de reserva, es decir, una amortiguación de la oscilación.

Las fluctuaciones típicas de la frecuencia de red como resultado de las oscilaciones en toda la red (“ oscilaciones inter­ área” ) se sitúan actualmente entre 0,2 y 0,8 Hz en Europa (red UCTE). En el caso de la Figura 3 (0,22 Hz = duración del periodo 4,5 s), el aerogenerador debe por tanto alimentar potencia adicional a la red durante 2,25 segundos y reducir la potencia alimentada a la red durante 2,25 segundos para poder amortiguar la oscilación.

Si la velocidad de rotación del aerogenerador no debe cambiar, por ejemplo, en más de 50 rpm (a velocidad de rotación nominal), podría utilizarse, por ejemplo, el 5 % de la potencia instantánea para amortiguar las frecuencias naturales de la red.

Los conceptos convencionales del control de frecuencia utilizan el estrangulamiento (ajustando el ángulo de las palas en los aerogeneradores) para mantener las reservas de potencia disponibles para las tareas de control.

Utilizando la energía almacenada se puede lograr una reducción del esfuerzo de control con una reducción mínima del rendimiento. Con un control de frecuencia con un 2 % de la potencia nominal, por ejemplo, se puede volver a aumentar la potencia durante el funcionamiento por encima del viento nominal ajustando el ángulo de las palas (el aerogenerador ya está estrangulado para limitar la potencia). Aquí, por supuesto, deben respetarse los límites de diseño del aerogenerador (en función de las condiciones ambientales actuales, si procede). En condiciones de viento nominal, se puede alimentar más (con frecuencia decreciente) o menos (con frecuencia creciente) energía a la red durante un máximo de 30 segundos sin necesidad de operar con el aerogenerador estrangulado (y, por tanto, con importantes pérdidas de rendimiento).

Es sabido que la potencia de control disponible en una red y suministrada por centrales de energía convencionales solo puede activarse con un retardo de tiempo. Una especificación común es que el 50 % de la energía de control primario disponible debe activarse en 5 segundos y que toda la energía de control primario proporcionada debe estar disponible solo en 30 segundos. Aquí radica una ventaja de la invención, que permite cerrar esta brecha dentro de ciertos límites, ya que la activación de la energía de reserva de los aerogeneradores es posible en menos de 100 ms tras la detección de la caída de frecuencia.

Aunque la energía total disponible es limitada, resulta adecuada para cubrir el tiempo que transcurre hasta que:

a) las centrales convencionales proporcionan potencia de control adicional y

b) los aerogeneradores que se han desconectado de la red, por ejemplo debido a una caída de tensión, vuelven a alimentar energía.

Como puede observarse en la Figura 1, la activación de la energía de reserva, por ejemplo, a una velocidad del viento de 8 m/s, solo provoca una caída mínima de la potencia que puede alimentarse debido a la aerodinámica de las palas del rotor, aunque la velocidad de rotación disminuya en 200 rpm.

La situación es diferente a velocidades de viento elevadas. En este caso, un descenso de la velocidad de rotación de 200 rpm conduce a un peor punto operativo. La potencia que puede alimentarse a la red en este punto operativo (AP2) es sensiblemente inferior a la que puede alimentarse a velocidad de rotación nominal (AP1). Al principio, esto parece una desventaja del método, ya que, una vez finalizada la alimentación de energía de reserva, se puede alimentar menos energía que antes de la activación. Sin embargo, una observación más detallada muestra que la velocidad del viento varía según el tiempo y el lugar. Si en la red opera un número mayor de aerogeneradores, en el caso de una velocidad media del viento alta también habrá un número significativo de aerogeneradores en los que la velocidad del viento sea superior a la velocidad nominal del viento. Estos aerogeneradores ya funcionan con estrangulamiento, es decir, las condiciones del viento permitirían una alimentación superior a la que llevan a cabo los aerogeneradores. Estos aerogeneradores, si son capaces de alimentar temporalmente a la red una potencia superior a la nominal, no solo pueden limitar la caída de velocidad de rotación tras la activación de la energía de reserva modificando el ángulo de las palas, sino incluso regular la velocidad de rotación de vuelta a su valor original. Si el diseño del aerogenerador lo permite, pueden incluso alimentar un 10 % más de energía a la red durante periodos más largos (por ejemplo, durante 30-60 segundos en lugar de solo 5 s - 10 s). Esto les permite, por ejemplo, alimentar más energía hasta que los aerogeneradores, que funcionan en un punto operativo desfavorable una vez finalizada la inyección de energía de reserva, hayan vuelto a su punto operativo original.

Como ejemplo de diseño en caso de avería se utiliza un aerogenerador con una potencia nominal de 1,5 MW y un diámetro de rotor de 70 m:

La masa de inercia del aerogenerador es de aproximadamente 450 kgm2,

la velocidad de rotación nominal es de 1780 rpm y, por tanto, la energía cinética almacenada es de 7,6 MWs.

A la velocidad de rotación nominal, se dispone entonces de una energía de 760 kWs cuando la velocidad de rotación se reduce en 200 rpm. Así, por ejemplo, se puede alimentar adicionalmente hasta 163 kW de potencia (hasta el 11 % de la potencia nominal) durante 10 segundos o hasta el 22 % de la potencia nominal durante 5 segundos.

La Figura 2 muestra el coeficiente de potencia en función del ángulo de las palas y de la velocidad periférica, es decir, la relación entre la velocidad circunferencial de la punta de las palas y la velocidad del viento entrante. El coeficiente de potencia describe la parte de la energía que las palas del rotor pueden extraer del viento. Por tanto, hay que aspirar a valores más altos.

Debido a la disminución de la velocidad de rotación como resultado de la activación de la energía de reserva, el punto operativo de AP1 cambia en la dirección de AP2a. El factor de potencia se deteriora y, por tanto, disminuye la potencia que el aerogenerador puede generar a partir del viento. Sin embargo, cambiando el ángulo de la pala, el efecto puede reducirse si se busca el funcionamiento en el punto operativo AP2b. Hay que tener en cuenta que en el funcionamiento de un aerogenerador no existen puntos operativos verdaderamente estacionarios. En la realidad, las condiciones de funcionamiento (por ejemplo, la velocidad del viento) varían constantemente, por lo que el aerogenerador funciona en un rango de trabajo mediante un control dinámico. Así lo indica el curso irregular del ángulo de la pala en la Figura 2.

Si existen especificaciones sobre la energía mínima que debe proporcionarse, la velocidad de rotación mínima del aerogenerador se especifica en consecuencia y, si las condiciones del viento lo permiten, también se respeta.

Si la frecuencia de red disminuye más de 0,05 Hz en un segundo, se activa la energía de reserva. La potencia alimentada a la red por el aerogenerador aumenta un 10 % a corto plazo en comparación con la potencia actualmente disponible del viento según la curva característica del aerogenerador.

La energía de reserva se activa durante un máximo de 10 segundos. Si, mientras tanto, la frecuencia de red vuelve a aumentar hasta el valor de la frecuencia nominal, la alimentación de energía de reserva se interrumpe (prematuramente). Una vez finalizada la alimentación de energía adicional, el aerogenerador vuelve al punto operativo anterior. Por término medio, solo se alimenta a la red tanta energía como la que esté disponible en función del viento.

La Figura 3 muestra un ejemplo (fallo de carga el 16/12/1997 en España: 500 MW. Mediciones de oscilaciones inter­ área 0,22 Hz en Francia y Alemania) de una oscilación medida de la frecuencia de red de la red de suministro energético, tal como puede amortiguarse según la presente descripción. La curva inferior muestra la curva de potencia a lo largo del tiempo (escala de la derecha). Las curvas superiores muestran las frecuencias medidas en dos lugares (escala de la izquierda), a saber, en Cantegrit (Francia), es decir, cerca del lugar del fallo, y en Uchtelfangen (Alemania), es decir, más lejos del lugar del fallo. Las fluctuaciones típicas de la frecuencia de red como resultado de las oscilaciones en toda la red (“ oscilaciones inter-área” ) se sitúan actualmente entre 0,2 y 0,8 Hz en Europa (red UCTE). Estas oscilaciones no son muy pronunciadas en su amplitud y están en parte solo débilmente amortiguadas. Debido a su periodicidad, es posible que un sistema centralizado o descentralizado de supervisión de la red genere una señal de control sincronizada con la oscilación y en oposición de fase, que se utiliza para dirigirse al dispositivo de control para el suministro de energía cinética de control. En el caso anterior (0,22 Hz = duración del periodo 4,5 s), el aerogenerador debe por tanto alimentar potencia adicional a la red durante 2,25 s y reducir la potencia alimentada a la red durante 2,25 s para amortiguar la oscilación. Debido a su periodicidad, tiene sentido un umbral de respuesta del método de control significativamente más bajo cuando se selecciona un filtro adecuado que en el caso de un fallo de la red. Por ejemplo, puede ser útil generar una señal de control ya a partir de una amplitud de 0,001 Hz si la oscilación está presente durante un periodo de tiempo más largo (por ejemplo, más de 5-10 periodos).

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Método para operar al menos un aerogenerador que tiene un rotor y un generador eléctrico acoplado al rotor para el suministro de energía eléctrica a una red de distribución de energía con la ayuda de un dispositivo de control que asegura el funcionamiento del aerogenerador en su rango de trabajo determinado mediante parámetros del ángulo de las palas, la potencia de salida y la velocidad del rotor, donde el dispositivo de control lleva a cabo las siguientes etapas:

a. Funcionamiento del aerogenerador en el rango de trabajo no estrangulado según la mejor curva característica utilizable del aerogenerador, donde por “ no estrangulado según la mejor curva característica utilizable” se entiende la máxima potencia activa de salida en las respectivas condiciones de viento;

b. Detectar los cambios de un parámetro de funcionamiento de la red de distribución eléctrica; c. Modificar el funcionamiento del aerogenerador cuando se produzca un cambio imprevisto en el parámetro de funcionamiento de la red, de forma que abandone el rango de trabajo no estrangulado reduciendo la velocidad del rotor, alimentando así una potencia activa a la red de distribución de energía eléctrica que es superior en un exceso de potencia a la potencia activa de salida máxima correspondiente a las respectivas condiciones de viento, tomándose el exceso de potencia de la energía cinética del rotor;

d. Volver al funcionamiento en el rango de trabajo no estrangulado según la mejor curva característica utilizable del aerogenerador aumentando la velocidad del rotor cuando finaliza la alimentación del exceso de potencia;

donde se especifica una cantidad de energía de control para el dispositivo de control que debe mantenerse disponible, y que debe alimentarse mediante el exceso de potencia.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado por que se determina una velocidad de rotación mínima y el suministro del exceso de potencia finaliza automáticamente cuando se alcanza la velocidad de rotación mínima.

3. Método según la reivindicación 2, caracterizado por que el funcionamiento del aerogenerador se modifica como consecuencia de un valor límite o una señal de fallo y que el valor límite o la señal de fallo se genera localmente en el aerogenerador o a una distancia de él en la red de distribución de energía.

4. Método según al menos una de las reivindicaciones 1 a 3,

caracterizado por que una pluralidad de aerogeneradores se controla mediante una pluralidad de señales diferentes, donde estas señales pueden ser generadas por un control de red central.

5. Método según al menos una de las reivindicaciones 1 a 4,

caracterizado por que como parámetro de funcionamiento de la red se utiliza la frecuencia de red y/o la tensión de red y/o su velocidad de variación.

6. Método según al menos una de las reivindicaciones 3 a 5,

caracterizado por que la señal de fallo se genera con una caída de frecuencia en el intervalo inferior a 0,2 Hz y/o con una caída superior a aproximadamente 0,05 Hz en 1 s.

7. Método según al menos una de las reivindicaciones 1 a 6,

caracterizado por que la potencia de sobredimensionamiento se alimenta durante un periodo de tiempo predeterminado de aproximadamente 0,05 a 60 s, preferiblemente durante unos segundos.

8. Método según al menos una de las reivindicaciones 3 a 7,

caracterizado por que las señales se envían continuamente a los aerogeneradores basándose en mediciones y/o estadísticas y/o datos empíricos.

9. Método según al menos una de las reivindicaciones 1 a 8,

caracterizado por que el exceso de potencia se alimenta durante una duración predeterminada o hasta que se desciende a una velocidad de rotación específica.

10. Método para operar una pluralidad de aerogeneradores, caracterizado por que los aerogeneradores individuales se operan según una de las reivindicaciones 1 a 8.

11. Método según la reivindicación 10, caracterizado por que cuando se supera un valor límite predeterminado, se emiten continuamente a los aerogeneradores las correspondientes señales de valor límite y de fallo para amortiguar las oscilaciones o fluctuaciones suprarregionales de la frecuencia de red.

12. Método según una de las reivindicaciones 10 u 11, caracterizado por que se utilizan herramientas de predicción que extrapolan el suministro previsto de energía eólica para cada aerogenerador individual basándose en mediciones y/o estadísticas y/o datos empíricos.

13. Método según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado por que durante la reducción de la velocidad de rotación por alimentación del exceso de potencia, el ángulo de paso de las palas se reajusta de tal manera que permite el consumo óptimo de potencia del viento para las condiciones de viento y velocidad de rotación reinantes.

14. Método según al menos una de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizado por que se genera una señal de fallo con una caída de frecuencia en el intervalo entre 0,01 Hz y 0,2 Hz en 1 s, preferentemente a 0,05 Hz por s.

15. Aerogenerador con un rotor, un generador eléctrico acoplado al rotor y un convertidor para la salida de energía eléctrica a una red de distribución de energía mediante un dispositivo de control, donde el dispositivo de control está diseñado para:

a. Hacer funcionar el aerogenerador en el rango de trabajo no estrangulado según la mejor curva característica utilizable del aerogenerador, donde el rango de trabajo está determinado por parámetros para el ángulo de las palas, la potencia de salida y la velocidad del rotor, y donde por “ no estrangulado según la mejor curva característica utilizable” se entiende la máxima potencia de salida en las respectivas condiciones de viento;

b. Detectar los cambios en un parámetro de funcionamiento de la red de distribución de energía; c. Modificar el funcionamiento del aerogenerador cuando se produzca un cambio imprevisto en el parámetro de funcionamiento de la red, de forma que se abandone el rango de trabajo no estrangulado reduciendo la velocidad del rotor, alimentando así una potencia activa en la red de distribución de energía que es superior en un exceso de potencia a la potencia activa de salida máxima correspondiente a las respectivas condiciones de viento, tomándose el exceso de potencia de la energía cinética del rotor;

d. Volver al funcionamiento en el rango de trabajo no estrangulado según la mejor curva característica utilizable del aerogenerador aumentando la velocidad del rotor cuando finaliza la alimentación del exceso de potencia;

donde se especifica una cantidad de energía de control para el dispositivo de control que debe mantenerse disponible, y que debe alimentarse mediante el exceso de potencia.