ES2947812T3 - Control de una planta energética con al menos una turbina eólica - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a un método para controlar la generación de energía de una central eléctrica que comprende unidades generadoras de energía que incluyen una turbina eólica. Al menos una unidad de potencia funciona en un modo no controlado con un punto de ajuste de potencia no reducido, y al menos otra unidad de potencia funciona en un modo controlado con un punto de ajuste de potencia reducido. Las capacidades positivas se determinan como la diferencia entre la potencia disponible y la producción de potencia reducida. La capacidad positiva total se determina como la suma de las capacidades positivas. La proporción de las unidades de potencia destinadas a operar en el modo no controlado se determina en función de la capacidad positiva total. Dependiendo de la diferencia entre la proporción determinada y una proporción real, se cambia el estado de modo no controlado a modo controlado, o viceversa, de una o más de las unidades de potencia. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Control de una planta energética con al menos una turbina eólica
Campo de la invención
La invención se refiere al control de plantas energéticas, particularmente plantas energéticas que tienen una o más turbinas eólicas y a la determinación y envío de puntos de ajuste de energía a las unidades de generación de energía de la planta energética.
Antecedentes de la invención
En algunas situaciones, se solicita a una planta energética que genere energía según una determinada referencia de energía que puede reducirse por debajo del nivel de energía que la planta energética es realmente capaz de generar. La reducción del nivel de energía puede lograrse restringiendo la producción de energía de todas las unidades de generación de energía por igual, o restringiendo solo algunos de los elementos de generación de energía y haciendo funcionar los elementos de generación de energía restantes no restringidos.
Métodos para determinar cuáles de las unidades de generación de energía deben restringirse y cuáles no deben restringirse y particularmente cuando una unidad de generación de energía debe cambiar de estado de restringido a no restringido, y viceversa, pueden conducir a cambios no deseados y no deterministas en unidades de generación de energía que se hacen funcionar en modos restringidos y en las que se hacen funcionar en modos no restringidos. Si el número de turbinas eólicas restringidas y, por lo tanto controlables, varía de manera no ideal y no determinista, las propiedades dinámicas tales como las capacidades de incremento de las turbinas eólicas restringidas pueden cambiar de manera inapropiada.
Por consiguiente, existe la necesidad de una manera más determinista de determinar qué turbinas eólicas deben restringirse y cuáles no deben restringirse.
El documento WO2018/006920A1 da a conocer una planta de energía eólica que tiene una pluralidad de generadores de turbina eólica. La planta de energía eólica suministra energía a una red de distribución según una referencia de energía activa de tal manera que, tras un cambio en la referencia de energía activa, el punto de ajuste de energía activa para cada generador de turbina eólica se cambia mediante un factor de ponderación. El factor de ponderación para un aumento de la referencia de energía activa depende de una relación entre una energía activa disponible de cada generador de turbina eólica y una energía activa disponible de la planta de energía eólica, y en donde el factor de ponderación para una disminución de la referencia de energía activa depende de una relación entre una energía activa producida de cada generador de turbina eólica y una salida de energía activa agregada de la planta de energía eólica. La invención también se refiere a un método para controlar una planta de energía eólica. Un segundo ejemplo de control de la energía de un parque eólico se da en el documento US2011/118892A1.
Mientras que el documento WO2018/006920A1 se refiere a la determinación y el envío de puntos de ajuste de energía que dependen de variaciones en la referencia de planta energética, los inventores de la presente invención han apreciado que una solución mejorada es beneficiosa, y, por consiguiente, han ideado la presente invención.
Sumario de la invención
Un objeto de la invención es mejorar el control de plantas energéticas para aliviar uno o más de los problemas mencionados anteriormente, y por lo tanto proporcionar un método para determinar qué unidades de generación de energía deben hacerse funcionar en modos restringidos más deterministas.
En un primer aspecto de la invención, se proporciona un método para controlar la generación de energía de una planta energética donde la planta energética comprende al menos tres unidades de generación de energía que incluyen al menos una turbina eólica, donde la planta energética está conectada a una red de energía eléctrica para suministrar energía desde las unidades de generación de energía a la red de energía eléctrica, y donde las unidades de generación de energía pueden controlarse para producir energía dependiendo de puntos de ajuste de energía individuales, el método comprende:
- hacer funcionar las unidades de generación de energía de modo que,
- al menos una unidad de generación de energía se hace funcionar en un modo no controlado con un punto de ajuste de energía no restringido, y de modo que
- al menos otra unidad de generación de energía se hace funcionar en un modo controlado con un punto de ajuste de energía restringido,
- determinar una o más capacidades positivas de unidades de generación de energía controladas como la diferencia
entre la energía disponible y la producción de energía restringida de unidades de generación de energía individuales, donde la energía disponible es la energía máxima que puede producirse por una de las unidades de generación de energía,
- determinar una capacidad positiva total como la suma de las capacidades positivas,
- determinar una proporción de las unidades de generación de energía destinadas a funcionar en el modo no controlado, donde la proporción es un número real que indica la razón de unidades de generación de energía controladas y no controladas, y donde la proporción se determina en función de la capacidad positiva total, y
- dependiendo de la diferencia entre la proporción determinada y una proporción real, cambiar el estado del modo no controlado al modo controlado, o viceversa, de una o más de las unidades de generación de energía.
En el presente documento, la energía disponible se define como la salida de energía posible máxima de una turbina eólica en las condiciones de viento dadas. Por lo tanto, la energía disponible estará cerca de la salida de energía según la curva de energía optimizada de una turbina específica. La curva de energía usada en el presente documento se entiende como la curva de energía optimizada por coeficiente de energía (Cp) para la turbina específica. En otras palabras, la curva de energía representa la salida de energía máxima de una turbina en funcionamiento normal en función de la velocidad del viento.
Ventajosamente, determinando la proporción de las unidades de generación de energía destinadas a funcionar en el modo no controlado o de manera equivalente, la proporción de las unidades de generación de energía destinadas a funcionar en el modo controlado, en función de la capacidad de energía, se obtiene una proporción ideal. La proporción ideal proporciona una proporción determinista de unidades de generación de energía no controladas frente a controladas. Esta proporción ideal puede usarse como base para establecer el modo controlado o no controlado de las unidades de generación de energía individuales.
En un ejemplo, al menos una de las unidades de generación de energía que están controladas o no controladas es una turbina eólica. En otro ejemplo, la al menos una de la unidad de generación de energía que se controla es una turbina eólica y la al menos una turbina eólica que no se controla es otra turbina eólica.
Según una realización, el método comprende además determinar una o más capacidades positivas de las unidades de generación de energía no controladas como la diferencia entre la energía disponible y la producción de energía de unidades de generación de energía individuales, donde la energía disponible es la energía máxima que puede producirse por una de las unidades de generación de energía. Ventajosamente, a pesar de que las unidades de generación de energía no controladas pueden contribuir con un valor cero de la capacidad positiva, con respecto a la implementación del método, puede ser más sencillo calcular las capacidades positivas para todas las unidades de generación de energía. En la práctica, la diferencia entre la energía disponible y la producción de energía (es decir, la producción de energía real de una unidad de generación de energía dada) puede no ser exactamente cero, pero puede ser sustancialmente cero debido a limitaciones prácticas de mediciones y capacidades de control.
Según una realización, el método comprende la determinación de una o más capacidades negativas de las unidades de generación de energía controladas como la diferencia entre la producción de energía restringida y un límite de producción de energía mínimo de las unidades de generación de energía individuales, donde el límite de producción de energía mínimo es la energía mínima que puede producirse por una de las unidades de generación de energía,
- determinar una capacidad negativa total como la suma de las capacidades negativas, y
- determinar la proporción de las unidades de generación de energía destinadas a funcionar en el modo no controlado, donde la proporción se determina en función de la capacidad positiva total y la capacidad negativa total.
Ventajosamente, incluyendo la capacidad negativa total la proporción determinada, es decir, razón de unidades no controladas con respecto a controladas, tiene en cuenta la necesidad de aumentar el número de unidades controladas a medida que disminuye la capacidad negativa total. Por lo tanto, a pesar de que las unidades deben trasladarse al grupo de unidades no controladas debido a la pobre capacidad positiva, el número ideal se reduce a medida que se reduce la capacidad negativa.
Según una realización, el método comprende además determinar una o más capacidades negativas de las unidades de generación de energía no controladas como la diferencia entre la producción de energía y el límite de producción de energía mínimo de unidades de generación de energía individuales, donde el límite de producción de energía mínimo es la energía mínima que puede producirse por una de las unidades de generación de energía. Ventajosamente, la inclusión de las capacidades negativas de las unidades de generación de energía no controladas proporciona una medida de la capacidad de disminuir la producción de energía, por ejemplo, para cumplir con los requisitos del operador de red.
Según una realización, la una o más unidades de generación de energía se seleccionan para exponerse al cambio de
estado dependiendo de un estado de funcionamiento, el nivel de la capacidad positiva o el nivel de las capacidades negativas. Ventajosamente, aquellas unidades de generación de energía que menos contribuyen a la proporción determinada, por ejemplo, unidades con baja capacidad positiva, baja capacidad negativa o unidades que tienen fallos pueden seleccionarse para trasladarse al grupo de unidades no controladas.
Según una realización, el cambio de estado del modo no controlado al modo controlado, o viceversa, para una o más unidades de generación de energía está restringido según un número máximo de unidades de generación de energía que pueden cambiar de estado dentro de un período de tiempo predeterminado. Ventajosamente, para mantener la estabilidad en el control de las unidades de generación de energía la velocidad de traslado de unidades del grupo controlado al grupo no controlado, o viceversa, puede estar limitada según números de unidad predeterminados por período de tiempo.
Según una realización, una tasa de cambio de la función para una variación dada de la capacidad positiva total y/o la capacidad negativa total es ajustable para proporcionar cambios variables de la proporción para la variación dada de la capacidad positiva total y/o la capacidad negativa total.
La tasa de cambio ajustable o agresividad, es decir, ajuste de la función, permite un equilibrio entre la precisión del control de energía y la reducción de la fluctuación de los puntos de ajuste de energía con respecto a unidades individuales.
Otras ventajas de la capacidad de ajuste se refieren a:
- La tasa de incremento de las unidades. Unidades en el grupo de unidades controladas que tienen una tasa de incremento lenta intentarán compensar a las unidades en la agrupación no controlada, por lo tanto, el número máximo de unidades en la agrupación no controlada puede ser necesario que sea menor para plantas energéticas con unidades de tasa de incremento lenta.
- Requisitos de precisión de producción. Plantas energéticas que requieren una precisión particularmente alta para cumplir con una referencia dada pueden usar un algoritmo ajustado más agresivamente para cumplir con dicha precisión, sin embargo, en algunos casos esto podría causar más desgaste en las unidades. Por lo tanto, las plantas energéticas deben ajustarse de la manera menos agresiva posible mientras aún se permite que cumplan con su precisión requerida.
- La fluctuación de energía disponible. Plantas energéticas que contienen unidades que tienen tendencia a tasas de cambio rápidas de energía disponible (por ejemplo, turbinas eólicas de viento fuerte) necesitarán un número máximo de unidades menor en la agrupación no controlada en comparación con plantas energéticas que contienen unidades de generación de energía con una tasa de cambio más lenta de energía disponible (por ejemplo, paneles fotovoltaicos o turbinas eólicas de viento débil).
- Requisitos de tiempo de reducción de carga. Una planta energética puede tener un requisito de reducir energía a un determinado nivel dentro de un determinado tiempo. Tales plantas energéticas pueden poner una mayor ponderación en el mantenimiento de la capacidad de energía negativa, de modo que todas las unidades puedan disminuir si surge la necesidad. Otras plantas pueden priorizar la capacidad de energía positiva para que puedan aumentar la producción más rápido.
Según una realización, el método comprende cambiar el estado del modo no controlado al modo controlado de un número de unidades de generación de energía no controladas, y al mismo tiempo, cambiar el estado del modo controlado al modo no controlado del mismo número de unidades de generación de energía controladas.
Ventajosamente, el intercambio de unidades de generación de energía puede garantizar que no solo se hagan funcionar unidades particulares en el modo de control, sino que sustancialmente todas las unidades de generación de energía contribuyen a proporcionar capacidades de energía positiva o negativa. Como ventaja adicional, el intercambio permite el uso de unidades de generación de energía para el grupo de control que son las más adecuadas en un momento dado.
Según una realización, al menos una del número de las unidades de generación de energía se selecciona para cambiar de estado del modo controlado al modo no controlado dependiendo de un estado de funcionamiento, el nivel de la capacidad positiva o el nivel de la capacidad negativa.
Ventajosamente, aquellas unidades de generación de energía que menos contribuyen a mejorar la capacidad del parque, por ejemplo, unidades con baja capacidad positiva, baja capacidad negativa o unidades que tienen fallos, pueden seleccionarse para intercambiarse con una unidad de generación de energía del grupo no controlado que proporciona un mejor rendimiento si se traslada al grupo controlado.
Según una realización, las unidades de generación de energía controladas y no controladas que se expondrán a un cambio de estado se seleccionan dependiendo de un criterio para mantener, o mantener sustancialmente, la capacidad
positiva total.
Ventajosamente, manteniendo la capacidad positiva mediante el intercambio de unidades de generación de energía no afecta significativamente a la proporción ideal de unidades no controladas/controladas.
Según una realización, el cambio de estado de las unidades de generación de energía controladas y no controladas comprende determinar las capacidades positivas potenciales de unidades de generación de energía individuales de una o más de las unidades de generación de energía no controladas en una situación en la que se harían funcionar como unidades de generación de energía controladas.
Ventajosamente, teniendo en cuenta la capacidad positiva potencial, solo aquellas unidades de generación de energía que proporcionan capacidades de energía adecuadas cuando se trasladan al grupo de control se intercambiarían con unidades de generación de energía controladas.
Según una realización, el cambio de estado solo es posible después de un período de tiempo predeterminado desde el cambio de estado más resentido. Esto garantiza ventajosamente que la frecuencia de intercambio esté limitada.
Según una realización, la planta energética está conectada a una red de energía eléctrica para suministrar energía desde las unidades de generación de energía a la red de energía eléctrica según una referencia de planta energética, donde la referencia de planta energética se establece por debajo de una capacidad de parque disponible que hace que la al menos otra unidad de generación de energía funcione en el modo controlado con un punto de ajuste de energía restringido.
Según una realización, la al menos una unidad de generación de energía que se hace funcionar en el modo no controlado y la al menos otra unidad de generación de energía que se hace funcionar en el modo controlado son turbinas eólicas.
Un segundo aspecto de la invención se refiere a un controlador central para controlar la producción de energía de una planta energética que comprende al menos tres unidades de generación de energía que incluyen al menos una turbina eólica, donde la planta energética está conectada a una red de energía eléctrica para suministrar energía desde las unidades de generación de energía a la red de energía eléctrica, y donde en el controlador central está dispuesto para enviar puntos de ajuste de energía individuales a las unidades de generación de energía, y donde el controlador central está dispuesto para realizar el método según el primer aspecto.
Un tercer aspecto se refiere a una planta energética que comprende al menos tres unidades de generación de energía que incluyen al menos una turbina eólica y el controlador central según el segundo aspecto.
Un cuarto aspecto se refiere a un producto de programa informático que comprende código de software adaptado para controlar una planta energética cuando se ejecuta en un sistema de procesamiento de datos, estando adaptado el producto de programa informático para realizar el método según el primer aspecto.
En general, los diversos aspectos y realizaciones de la invención pueden combinarse y acoplarse de cualquier manera posible dentro del alcance de la invención. Estos y otros aspectos, características y/o ventajas de la invención serán evidentes a partir de y se aclararán con referencia a las realizaciones descritas a continuación en el presente documento.
Breve descripción de los dibujos
Se describirán realizaciones de la invención, solo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos, en los que
la figura 1 ilustra una planta energética,
la figura 2 ilustra una curva de producción de energía típica para la producción de energía de una turbina eólica en función de la velocidad del viento,
la figura 3 ilustra curvas relacionadas con la energía para turbinas eólicas ubicadas en la planta energética, y
la figura 4 ilustra un gráfico para la determinación determinista del número de turbinas eólicas para estar en el modo no controlado.
Descripción de las realizaciones
La figura 1 muestra una planta energética 100 que comprende una pluralidad de unidades de generación de energía 101 tales como turbinas eólicas. En general, las unidades de generación de energía 101 pueden consistir en diferentes tipos de unidades de generación de energía, por ejemplo, diferentes tipos de unidades de generación de energía renovable tales como las unidades de energía solar 103 (por ejemplo, paneles solares fotovoltaicos) y turbinas
eólicas. Los diferentes tipos de unidades de generación de energía 101 también pueden incluir unidades de producción de energía fósil, por ejemplo, motores diésel. Según una realización, al menos una de las unidades de producción de energía 101 de la planta energética 100 es una turbina eólica. La planta energética 100 puede comprender al menos tres unidades de generación de energía 101 del mismo tipo o de tipos diferentes, es decir, una mezcla, de diferentes tipos de unidades de generación de energía. Por ejemplo, la planta energética 100 puede consistir solo en turbinas eólicas 102 y en este caso al menos tres turbinas eólicas 102. En otro ejemplo, la planta energética 100 comprende al menos dos turbinas eólicas 102 y al menos otras dos unidades de generación de energía 101.
La planta energética puede conectarse con una red de energía eléctrica (no mostrada) para suministrar energía desde las unidades de generación de energía 101 a la red de energía eléctrica.
La planta energética 100 está controlada por un controlador central 110. El controlador central 110 está dispuesto para controlar la generación de energía desde las unidades de generación de energía 101 según una referencia de planta energética Pplant_ref que define la energía deseada que se suministrará a la red desde la planta energética 100. Además, el controlador central está dispuesto para enviar puntos de ajuste de energía Pajuste a las unidades de generación de energía, es decir, puntos de ajuste de energía individuales para cada unidad de generación de energía 101. Los puntos de ajuste de energía Pajuste pueden determinarse por el controlador central 110 dependiendo de la referencia de planta energética Pplant_ref de modo que la suma de puntos de ajuste de energía Pajuste corresponde a la referencia de planta energética Pplant_ref.
La turbina 101 eólica puede comprender una torre y un rotor con al menos una pala de rotor, tal como tres palas. El rotor está conectado a una góndola que está montada en la parte superior de la torre y que está adaptada para accionar un generador situado dentro de la góndola. El rotor puede hacerse rotar por la acción del viento. La energía rotacional inducida por el viento de las palas de rotor se transfiere a través de un árbol al generador. Por lo tanto, la turbina eólica es capaz de convertir energía cinética del viento en energía mecánica por medio de las palas de rotor y, posteriormente, en energía eléctrica por medio del generador. El generador puede incluir un convertidor de energía para convertir la energía de CA de generador en una energía de CC y un inversor de energía para convertir la energía de CC en una energía de CA que va a inyectarse en la red de energía eléctrica.
El generador de la turbina eólica 102, u otra unidad de generación de energía 101, puede controlarse para producir energía correspondiente al punto de ajuste de energía Pajuste proporcionado por el controlador central 110. Para turbinas eólicas, la energía de salida puede ajustarse según el punto de ajuste de energía ajustando el paso de las palas de rotor o controlando el convertidor de energía para ajustar la producción de energía. Existen posibilidades de ajuste similares para otras unidades de generación de energía 101.
La figura 2 ilustra una curva de producción de energía típica para la producción de energía de una turbina eólica 102 en función de la velocidad del viento v. Para velocidades del viento por debajo de la velocidad del viento nominal v_nominal, la producción de energía aumenta en función del aumento de la velocidad del viento. Normalmente, el punto de ajuste de energía se establece en función de la velocidad del viento y el ángulo de paso óptimo para optimizar la producción de energía hasta v_nominal. Este intervalo inferior de velocidades del viento se denomina como la región de carga parcial. Para velocidades del viento por encima de la velocidad del viento nominal v_nominal y por debajo de la velocidad del viento de corte v_corte, la producción de energía normalmente se limita a una producción de energía máxima Pnominal. Este intervalo superior de velocidades del viento se denomina como la región de carga completa. Para velocidades del viento por encima de la velocidad del viento de corte, v_corte, la turbina eólica se apaga o la producción de energía máxima está limitada según un punto de ajuste de energía determinado a partir de la curva de energía 201.
Para velocidades del viento por encima de v_nominal, la energía disponible del viento, es decir, la energía eólica disponible, puede ser mayor o menor que la producción de energía dictada por la curva de energía como se ilustra por la alta energía disponible 202 y la baja energía disponible 203. A cualquier velocidad del viento, la energía disponible para una turbina eólica 102 dada se define como la salida de energía posible máxima de una turbina eólica en las condiciones de viento dadas. Por lo tanto, la energía disponible estará cerca de la producción de energía según la curva de energía optimizada 201 de una turbina específica.
Pueden definirse curvas de producción de energía similares para otros tipos para las unidades de generación de energía 101 y, por lo tanto, la definición de energía disponible se aplica igualmente para otros tipos de unidades de generación de energía 101.
Durante el funcionamiento de carga completa, la referencia de planta energética Pplant_ref puede establecerse en Pparquecap, es decir, la capacidad de producción de energía nominal de la planta energética 100, o en un valor correspondiente a la energía disponible de la planta energética, es decir, la producción de energía máxima en condiciones de parque dadas.
En otras situaciones, durante el funcionamiento de carga completa u otros modos de funcionamiento de las unidades de generación de energía 201, la referencia de planta energética Pplant_ref puede establecerse en un valor por debajo de Pparquecap o por debajo de la energía disponible de la planta energética, por ejemplo, para regular la producción
de energía de modo que la energía total inyectada en la red de energía coincida con la demanda de energía de la red.
En este caso, todas las unidades de producción de energía 101 podrían estar dotadas de puntos de ajuste de energía Pajuste de modo que la suma de las producciones de energía coincida con la referencia de energía Pplant_ref. Sin embargo, si la referencia de energía Pplant_ref está solo ligeramente por debajo de Pparquecap o la energía disponible de la planta energética, por ejemplo, reducida un 5 % en relación con la Pparquecap o la energía disponible de la planta energética 100, las unidades de producción de energía 101 se harán funcionar con puntos de ajuste de energía Pajuste cercanos a la energía nominal Pnominal o la energía disponible de la unidad de generación de energía respectiva 101. Controlar, por ejemplo, una turbina eólica 102 para producir energía cercana a la energía disponible puede causar cargas adicionales de la turbina eólica, por ejemplo, debido a fluctuaciones de la velocidad del viento.
Un punto de ajuste de energía reducido por debajo de la energía disponible se denomina punto de ajuste de energía restringido.
De manera similar, un punto de ajuste de energía que no se reduce por debajo de la energía disponible, por ejemplo, un punto de ajuste de energía establecido según la curva de energía 201, se denomina punto de ajuste de energía no restringido.
En lugar de restringir todas las unidades de generación de energía 101, puede restringirse una fracción o grupo de las unidades de generación de energía 101. Los puntos de ajuste restringidos Pajuste pueden determinarse por el controlador de planta energética 110 de modo que la suma de puntos de ajuste restringidos Pajuste junto con la energía disponible de las unidades de generación de energía no restringidas cumple con la producción deseada según la referencia de planta energética Pref.
Una unidad de generación de energía 101 que se hace funcionar con un punto de ajuste de energía restringido Pajuste_restr se controla para suministrar el punto de ajuste de energía restringido Pajuste y se denomina unidad de generación de energía controlada 101, es decir, una unidad de generación de energía que se hace funcionar en un modo controlado con un punto de ajuste de energía restringido.
Una unidad de generación de energía 101 que se hace funcionar con un punto de ajuste de energía no restringido Pajuste_no_restr se controla para generar energía según la energía disponible, normalmente solo hasta el punto de ajuste de energía no restringido Pajuste_no_restr. Por consiguiente, la energía generada depende de la energía disponible, por ejemplo, las condiciones del viento. Tales unidades de generación de energía se hacen funcionar en un modo no controlado con un punto de ajuste de energía no restringido.
La figura 3 en conexión con la figura 4 ilustra el principio de una realización de la invención.
La figura 3 muestra diversas curvas relacionadas con la energía para turbinas eólicas ubicadas en la planta energética 100 y la referencia de energía Pplant_ref para la planta energética 100. Se observa que se aplican curvas similares relacionadas con la energía para otros tipos de unidades de generación de energía. Por lo tanto, incluso aunque la figura 3 y la figura 4 se explican con referencia a turbinas eólicas, el método se aplica igualmente a otros generadores de energía en la planta energética 100.
Como se ha definido anteriormente, Pdisp es la salida de energía posible máxima de una turbina eólica en las condiciones de viento dadas. En este ejemplo, por debajo del punto A, Pdisp se determina por la energía eólica disponible, y por encima del punto A, donde la energía eólica disponible está por encima de Pnominal, Pdisp se limita al punto de ajuste de energía nominal Pnominal.
Pdisp puede ser diferente para diferentes ubicaciones de las turbinas eólicas 102 de la planta energética 100. En este caso se supone, que Pdisp es lo suficientemente alta como para permitir que la turbina eólica se haga funcionar a carga completa, es decir, cuando la velocidad del viento es mayor que la velocidad del viento nominal v_nominal para la turbina eólica.
Pplant_ref es la referencia de energía para la producción de energía de toda la planta energética 100. Pnominal es la energía máxima que se permite que produzca una turbina eólica dada bajo funcionamiento de carga completa normal.
Pmín_WTG es la energía mínima que una única turbina eólica 102 o unidad de generación de energía 101 puede producir en un estado de funcionamiento. Por consiguiente, el punto de ajuste de energía a una turbina eólica o unidad de generación de energía dada no puede ser menor que Pmín_WTG.
En t1, la referencia de parque Pplant_ref se reduce de una referencia de energía correspondiente a la capacidad de producción nominal de la planta energética 100. Por ejemplo, la reducción puede ser del 5% en relación con la capacidad de producción nominal de la planta energética 100.
En principio, el punto de ajuste de energía para la producción de energía de todas las turbinas eólicas individuales de la planta energética 100 podría reducirse en el mismo 5% para cumplir con la reducción deseada de Plant_ref. Sin
embargo, controlar una turbina eólica en un modo restringido cerca de su energía disponible Pdisp puede causar desgaste y puede dificultar la regulación de energía de una turbina eólica a un nivel de energía fijo. Por otro lado, restringir una turbina eólica muy por debajo de su energía disponible Pdisp puede no ser un problema o puede ser un problema menor.
No obstante, puede ser deseable un número mínimo de turbinas eólicas en el grupo controlado. Por otro lado, suficientes turbinas deben estar en el grupo controlado para compensar las fluctuaciones de energía generadas por las turbinas eólicas no controladas. Además, deben estar disponibles turbinas eólicas controladas suficientes para garantizar que la planta energética 100 cumpla con los requisitos externos, tales como los requisitos de tasa de incremento planteados por el operador de red y/o el código de red.
En su lugar, un grupo de las turbinas eólicas de la planta energética 100 se establece en un modo no controlado donde se hacen funcionar para producir la energía disponible Pdisp en plena carga, carga parcial o posible en un intervalo de velocidades del viento por encima de v_corte. Por ejemplo, en plena carga, pueden hacerse funcionar para producir la energía disponible Pdisp, es decir, la energía nominal o la energía máxima disponible por debajo de la energía nominal.
Otro grupo de las turbinas eólicas de la planta energética 100 se establece en un modo de control donde se controlan según el punto de ajuste de energía restringido Pajuste_restr proporcionado por el controlador de parque. Las turbinas eólicas en el modo de control se restringen, según el punto de ajuste de energía restringido Pajuste_restr, para la producción de energía restringida 301 por debajo de la energía disponible Pdisp. La producción de energía restringida 301 es, en principio, igual al punto de ajuste de energía restringida Pajuste_restr, pero son inevitables desviaciones con respecto al punto de ajuste. Dado que solo se restringe una fracción de las turbinas eólicas de la planta energética 100, es decir, se hacen funcionar en el modo de control, el punto de ajuste de energía restringido Pajuste_restr es menor que la disminución del 5% mencionada anteriormente en relación con la energía nominal. Por lo tanto, se evitan los problemas mencionados anteriormente con el funcionamiento de una fracción sustancial de las turbinas eólicas en el modo controlado.
Los valores de los puntos de ajuste de energía restringidos Pajuste_restr se determinan por el controlador central de planta energética 110, por ejemplo, de modo que la suma de puntos de ajuste de energía restringidos Pajuste_restr y la producción de energía de las turbinas eólicas no restringidas 102 cumple con la producción de energía total deseada según Pplant_ref.
En respuesta a la reducción de Pplant_ref en t1, el punto de ajuste de energía restringido Pajuste_restr se establecerá en un valor que está relativamente más reducido que la reducción de Pplant_ref. El controlador de parque puede volver a determinar los nuevos puntos de ajuste de energía restringidos para las turbinas eólicas seleccionadas para estar en el modo de control para cumplir con la producción del parque total según Pplant_ref.
Pueden determinarse las turbinas eólicas seleccionadas para estar en el modo de control o el modo no controlado según reglas predeterminadas, por ejemplo, de modo que se selecciona una fracción predeterminada de las turbinas eólicas en el parque para que se establezca en el modo de control, por ejemplo, dependiendo de la reducción en la referencia de parque Pplant_ref. Alternativamente, las turbinas eólicas pueden seleccionarse para el funcionamiento en modo no controlado dependiendo de los datos de turbina eólica individuales, tales como las tasas de incremento de energía, datos de funcionamiento históricos, tales como registros de alarmas, cargas acumuladas, vida útil de WTG restante, etc. Por ejemplo, para cumplir con las tasas de incremento de energía establecidas por el operador de red, las turbinas eólicas pueden seleccionarse según sus tasas de incremento disponibles individuales para que se satisfaga el requisito de tasa de incremento de energía del operador. Las tasas de incremento de energía pueden especificar requisitos para la tasa de cambio mínima de energía generada en caso de cambios solicitados en la referencia de energía Pplant_ref.
A medida que cambia la referencia de energía de parque Pplant_ref, u otras condiciones de la planta energética 100 tales como condiciones de viento y estado de funcionamiento, por ejemplo, fallos de turbinas eólicas individuales, cambia el número de turbinas eólicas en el modo de control que puede ser necesario cambiar. Esto puede conducir a cambios innecesarios y no deterministas en el número de turbinas eólicas en el modo de control.
La figura 4 muestra un gráfico para la determinación determinista del número de turbinas eólicas que van a estar en el modo no controlado, y por consiguiente en el modo de control, en función de la capacidad de energía positiva total Pcap_pos o la capacidad de energía negativa total Pcap_neg. La capacidad de energía positiva Cap+ de una sola unidad de generación de energía se define en la figura 3 como la diferencia Pdisp - Pajuste_restr o la diferencia entre Pdisp y la producción de energía restringida 301. La capacidad de energía negativa Cap- se define en la figura 3 como la diferencia Pajuste_restr - Pmín_WTG.
La capacidad positiva total Pcap_pos se da como la suma de las capacidades positivas Cap+. Las capacidades positivas Cap+ pueden determinarse únicamente para las unidades de generación de energía controladas, alternativamente tanto para las unidades de generación de energía no controladas como controladas. Normalmente, la capacidad positiva Cap+ para una unidad no controlada será cero ya que no están restringidas y están funcionando
a energía disponible completa.
De manera similar, la capacidad negativa total Pcap_neg se da como la suma de las capacidades negativas Capdeterminadas únicamente para las unidades de generación de energía controladas, alternativamente tanto para las unidades de generación de energía no controladas como controladas.
La proporción, la razón o porcentaje NCp de las turbinas eólicas que deben estar en el modo no controlado puede definirse como la razón de 1) turbinas eólicas que deben estar en el modo de control y 2) turbinas eólicas que deben estar en el modo no controlado.
NCp puede darse como F1:NCp = NCp1, alternativamente como la función F2:NCp = NCp1 NCp2. El término NCp1 se da como función de Pcap_pos, mientras que el término NCp2 se da como función de Pcap_neg como se ilustra en la figura 4.
Como ejemplo, NCp1 puede darse por NCp1 = NCp_máx exp(-kx) y NCp2 puede darse como -0,2 exp(-ky), donde NCp_máx es el porcentaje máximo de unidades de generación de energía controladas 101, k es un factor de agresividad, x es la capacidad positiva total Pcap_pos e y es la capacidad negativa total Pcap_neg.
Se define la función F1 o F2, por ejemplo, empíricamente, de modo que la proporción determinada NCp proporciona una proporción ideal o al menos optimizada entre unidades controladas y no controladas.
Según NCp1, a medida que disminuye Pcap_pos, es decir, a medida que Pajuste_restr se aproxima a Pdisp, más turbinas eólicas deben establecerse en el modo de control, someterse a la restricción del límite NCp_máx de la proporción de control frente a sin control. Por ejemplo, un máximo para la razón NCp se establece en NCp_máx = 0,5. A medida que Pajuste_restr se distancia de Pdisp, pueden trasladarse más turbinas eólicas del grupo de turbinas eólicas controladas al grupo de turbinas eólicas no controladas.
Con el fin de evitar el funcionamiento de turbinas eólicas controladas cerca de Pmín_WTG, a medida que Pcap_neg disminuye (o equivalentemente a medida que Pcap_pos aumenta hacia Pdisp-Pmín_WTG) deben establecerse menos turbinas eólicas en el modo de control para aumentar Pajuste_restr.
Por consiguiente, la suma de NCp1 y NCp2 da un número de turbinas eólicas en el modo de control que pueden controlarse con un punto de ajuste restringido Pajuste_restr que no está demasiado cerca de Pdisp o Pmín_WTG. Por lo tanto, según NCp2, a medida que disminuye Pcap_neg, es decir, a medida que Pajuste_restr se aproxima a Pmín_WTG, más turbinas eólicas deben establecerse en el modo no controlado, es decir, el número de turbinas eólicas controladas debe disminuirse para aumentar Pajuste_restr. A medida que Pajuste_restr se distancia de Pmín_WTG, pueden trasladarse más turbinas eólicas del grupo de turbinas eólicas no controladas al grupo de turbinas eólicas controladas.
Las funciones NCp1 y NCp2 pueden configurarse como funciones ajustables, por ejemplo, en términos de un parámetro de agresividad ajustable k, para proporcionar un método para modificar la agresividad del controlador, y encontrar un equilibrio entre la precisión del control de energía y la reducción de la fluctuación de puntos de ajuste de energía cambiantes, incluyendo los puntos de ajuste para el funcionamiento restringido y de carga completa, a turbinas eólicas individuales.
Por lo tanto, la agresividad o equivalentemente la tasa de cambio de la función de proporción F1, F2 para una variación dada de la capacidad positiva total y/o la capacidad negativa total es ajustable para proporcionar cambios variables de la proporción NCp para la variación dada de la capacidad positiva total y/o la capacidad negativa total.
Poco después de t1, pero antes de t2, el número ideal de turbinas eólicas en el modo no controlado (alternativamente en el modo controlado) se determina según la función NCp(Pcap_pos) = NCp1 o NCp(Pcap_pos, Pcap_neg) = NCp1 NCP2. Cualquier cambio en el número de turbinas eólicas no controladas se efectúa trasladando gradualmente turbinas eólicas entre los grupos de turbinas eólicas controladas y no controladas, es decir, conmutando el estado entre controlado y no controlado, hasta que se acerca a la proporción ideal dada por NCp. En este caso, el cambio puede causar una disminución en el número de turbinas eólicas restringidas, es decir, una disminución de las turbinas eólicas controladas. La disminución en el número de turbinas eólicas restringidas, en este ejemplo, conduce a una disminución del punto de ajuste de energía restringido Pajuste_restr. Dado que la disminución en el número de turbinas eólicas controladas se introduce gradualmente, el cambio en el punto de ajuste de energía restringido Pajuste_restr se cambia de manera similar gradualmente, como se ilustra por la pendiente de la curva Pajuste_restr entre t1 y t2.
En general, cambios en el número de turbinas eólicas no controladas dado por la función NCp pueden limitarse según una limitación de tasa de cambio que limita el número de cambios del modo controlado al no controlado, o viceversa, durante un período de tiempo dado.
En t3, se solicita una reducción adicional en la producción de energía de la planta energética 100 según el cambio en Pplant_ref. La reducción en Pplant_ref provoca un cambio, en este caso una reducción, en el punto de ajuste de
energía restringido Pajuste_restr para las turbinas eólicas en el modo de control. El cambio se efectúa en t4. El cambio no necesariamente produce un cambio en la proporción de NCp.
En t5 se requiere una disminución adicional en el punto de ajuste de energía restringido Pajuste_restr, por ejemplo, debido a un aumento en la producción de energía de las turbinas eólicas no controladas. En t6, la reducción adicional se efectúa haciendo que cada una de las turbinas eólicas controladas funcione con una referencia de energía cercana al mínimo Pmín_WTG. A continuación, se realiza un nuevo cálculo de NCp, se determina un aumento en el número de turbinas eólicas en el modo de control (debido al impacto del término NCp2 que reduce NCp). El aumento en el número de turbinas eólicas controladas provoca un aumento deseado en el punto de ajuste de energía restringido Pajuste_restr enviado a este grupo de turbinas eólicas controladas. El cambio en el número de turbinas eólicas controladas y su referencia de energía se efectúa en t7.
Si la diferencia entre la proporción determinada NCp y la proporción real (es decir, la proporción determinada como la razón del número real de unidades controladas con respecto a unidades no controladas) es menor que un valor predeterminado, el método puede determinar que no debe efectuarse ningún cambio entre modos controlado y no controlado. Por ejemplo, si la proporción determinada NCp indica que menos de una unidad de generación de energía o menos, entonces una unidad generadora de media energía debería cambiar el estado de control, no puede efectuarse ningún cambio del modo de control.
Un posible cambio del modo de control puede estar sujeto a la restricción de que la diferencia entre la proporción determinada NCp y la proporción potencial resultante del cambio de estado potencial si está reducida.
La determinación de cuál de una o más de las unidades de generación de energía deben exponerse al cambio de estado del modo controlado/no controlado puede basarse en un estado de funcionamiento o el nivel de la capacidad positiva o negativa Cap+, Cap- de una unidad de generación de energía dada.
Por ejemplo, una turbina eólica puede hacerse funcionar de manera no controlada debido a un fallo que implica que no puede funcionar en un modo restringido o debido a un fallo de comunicación que implica que el funcionamiento restringido no es posible. Claramente, tales turbinas eólicas no deberían cambiar de estado a un modo controlado.
Una turbina eólica de viento débil que da como resultado una producción menor que Pmín_WTG, lo que significa que no puede controlarse, podría cambiar ventajosamente el estado a no controlado.
Una turbina eólica con una producción cercana a Pmín_WTG puede cambiar ventajosamente el estado a no controlado.
Una turbina eólica que se hace funcionar no controlada, pero que tendría una capacidad positiva baja Cap+ si su estado se cambiase a controlado, también es menos atractivo trasladarla al grupo de unidades controladas, si la proporción NCp requiere un cambio de este tipo.
Una turbina eólica que se hace funcionar controlada y que tiene una capacidad positiva baja Cap+ puede ser más atractivo trasladarla al grupo no controlado que una turbina eólica que se hace funcionar controlada con una capacidad positiva alta Cap+.
Pueden definirse otras reglas distintas para la selección de unidades de generación de energía 101, por ejemplo, en función de las capacidades positivas y negativas.
Con el fin de evitar un reemplazo repentino de turbinas eólicas del grupo controlado al grupo no controlado, o viceversa, el número de unidades de generación de energía que pueden exponerse a un cambio del estado de control puede limitarse según un número máximo dentro de un período de tiempo dado.
En algunas situaciones, puede ser beneficioso intercambiar unidades de generación de energía entre los grupos de unidades controladas y unidades no controladas. Por ejemplo, con el fin de obtener una distribución uniforme del tiempo de funcionamiento de las unidades de generación de energía en el modo controlado, el intercambio puede realizarse para hacer funcionar unidades en el modo de control alternativamente.
En otras situaciones, puede ser beneficioso intercambiar una unidad que funciona en el modo controlado con una capacidad positiva baja con una unidad que funciona en el modo no controlado si la unidad no controlada tendrá una capacidad positiva mayor después de haberse trasladado al grupo controlado.
De manera similar, puede ser beneficioso intercambiar una unidad que funciona en el modo controlado con una capacidad negativa baja con una unidad que funciona en el modo no controlado si la unidad no controlada tendrá una capacidad positiva o negativa más adecuada después de haberse trasladado al grupo controlado.
Por lo tanto, el intercambio de la unidad de generación de energía 101 puede basarse en una determinación de capacidades positivas y/o negativas potenciales de unidades de generación de energía individuales de una o más de
las unidades de generación de energía no controladas en una situación potencial en la que funcionarían como unidades de generación de energía controladas. Por lo tanto, en un ejemplo, solo cuando una unidad no controlada 101 proporcionase una capacidad positiva o negativa más atractiva Cap+/Cap- en comparación con la capacidad positiva o negativa presente Cap+/Cap- de la unidad controlada potencial 101, se determina que se realice un intercambio.
El intercambio de unidades de generación de energía se realiza cambiando el estado del modo no controlado al modo controlado de un número de las unidades de generación de energía no controladas, y al mismo tiempo, cambiando el estado del modo controlado al modo no controlado del mismo número de unidades de generación de energía controladas.
Las unidades de generación de energía que van a intercambiarse pueden seleccionarse en función de un estado de funcionamiento, el nivel de las capacidades positivas o el nivel de las capacidades negativas. Por lo tanto, las unidades 101 pueden seleccionarse basándose en los mismos criterios que para seleccionar unidades 101 que van a trasladarse entre los grupos de unidades controladas y no controladas con el fin de acercarse a la proporción ideal NCp.
Durante el cambio de estado de las unidades de generación de energía 101 en conexión con el intercambio, la capacidad positiva total Pcap_pos y/o la capacidad negativa total Pcap_neg no deberían cambiar o al menos no deberían cambiar significativamente.
Con el fin de restringir la frecuencia de intercambio de unidades de generación de energía 101, el intercambio de una o más unidades puede limitarse a un número máximo durante un período de tiempo dado.
Aunque la presente invención se ha descrito en relación con las realizaciones especificadas, no debe interpretarse como que se limite de ninguna manera a los ejemplos presentados. El alcance de la presente invención debe interpretarse a la luz del conjunto de reivindicaciones adjuntas. En el contexto de las reivindicaciones, los términos “que comprende” o “comprende” no excluyen otros posibles elementos o etapas. Además, la mención de referencias tales como “un” o “una”, etc. no debe interpretarse como excluyente de una pluralidad. El uso de signos de referencia en las reivindicaciones con respecto a elementos indicados en las figuras tampoco se interpretará como limitante del alcance de la invención. Además, características individuales mencionadas en diferentes reivindicaciones, posiblemente pueden combinarse ventajosamente, y la mención de estas características en diferentes reivindicaciones no excluye que una combinación de características no sea posible y ventajosa.
Claims (15)
1. Método para controlar la generación de energía de una planta energética (100) que comprende al menos tres unidades de generación de energía (101) que incluyen al menos una turbina eólica (102), donde la planta energética está conectada a una red de energía eléctrica para suministrar energía desde las unidades de generación de energía a la red de energía eléctrica, y donde las unidades de generación de energía (101) pueden controlarse para producir energía dependiendo de puntos de ajuste de energía individuales, el método comprende:
- hacer funcionar las unidades de generación de energía (101) de modo que,
- al menos una unidad de generación de energía se hace funcionar en un modo no controlado con un punto de ajuste de energía no restringido, y de modo que
- al menos otra unidad de generación de energía se hace funcionar en un modo controlado con un punto de ajuste de energía restringido,
- determinar una o más capacidades positivas (Cap+) de las unidades de generación de energía controladas como la diferencia entre la energía disponible (Pdisp) y la producción de energía restringida (301) de unidades de generación de energía individuales, donde la energía disponible es la energía máxima que puede producirse por una de las unidades de generación de energía,
- determinar una capacidad positiva total (Pcap_pos) como la suma de las capacidades positivas (Cap+),
- determinar una proporción (NCp) de las unidades de generación de energía destinadas a funcionar en el modo no controlado, donde la proporción es un número real que indica la razón de unidades de generación de energía controladas y no controladas, y donde la proporción se determina como una función (F1, F2) de la capacidad positiva total, y
- dependiendo de la diferencia entre la proporción determinada (NCp) y una proporción real, cambiar el estado de modo no controlado a modo controlado, o viceversa, de una o más de las unidades de generación de energía.
2. Método según la reivindicación 1, donde el método comprende además determinar una o más capacidades positivas (Cap+) de las unidades de generación de energía no controladas como la diferencia entre la energía disponible (Pdisp) y la producción de energía de unidades de generación de energía individuales, donde la energía disponible es la energía máxima que puede producirse por una de las unidades de generación de energía.
3. Método según la reivindicación 1, que comprende determinar una o más capacidades negativas (Cap-) de las unidades de generación de energía controladas como la diferencia entre la producción de energía restringida (301) y un límite de producción de energía mínimo (Pmín_WTG) de unidades de generación de energía individuales, donde el límite de producción de energía mínimo es la energía mínima que puede producirse por una de las unidades de generación de energía,
- determinar una capacidad negativa total (Pcap_neg) como la suma de las capacidades negativas (Cap-), y
- determinar la proporción (NCp) de las unidades de generación de energía destinadas a funcionar en el modo no controlado, donde la proporción se determina como una función (F2) de la capacidad positiva total y la capacidad negativa total.
4. Método según la reivindicación 3, donde el método comprende además determinar una o más capacidades negativas (Cap-) de las unidades de generación de energía no controladas como la diferencia entre la producción de energía y el límite de producción de energía mínimo (Pmín_WTG) de unidades de generación de energía individuales, donde el límite de producción de energía mínimo es la energía mínima que puede producirse por una de las unidades de generación de energía.
5. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde se seleccionan la una o más unidades de generación de energía que van a exponerse al cambio del estado controlado o no controlado dependiendo de un estado de funcionamiento, el nivel de la capacidad positiva (Cap+) o el nivel de las capacidades negativas (Cap-).
6. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el cambio del estado de modo no controlado a modo controlado, o viceversa, para una o más unidades de generación de energía está restringido según un número máximo de unidades de generación de energía que pueden cambiar de estado dentro de un período de tiempo predeterminado.
7. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde una tasa de cambio de la función (F1, F2) para una variación dada de la capacidad positiva total y/o la capacidad negativa total es ajustable para proporcionar cambios variables de la proporción (NCp) para la variación dada de la capacidad positiva total y/o la capacidad negativa total.
8. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el método comprende cambiar el estado del modo no controlado al modo controlado de un número de las unidades de generación de energía no controladas, y al mismo tiempo, cambiar el estado del modo controlado al modo no controlado del mismo número de unidades de generación de energía controladas.
9. Método según la reivindicación 8, donde al menos una del número de las unidades de generación de energía se selecciona para cambiar el estado del modo controlado al modo no controlado dependiendo del estado de funcionamiento, el nivel de la capacidad positiva (Cap+) o el nivel de la capacidad negativa (Cap-).
10. Método según las reivindicaciones 8-9, donde las unidades de generación de energía controladas y no controladas que van a exponerse al cambio de estado se seleccionan dependiendo de un criterio para mantener, o mantener sustancialmente, la capacidad positiva total.
11. Método según cualquiera de las reivindicaciones 8-10, donde el cambio de estado de las unidades de generación de energía controladas y no controladas comprende determinar capacidades positivas potenciales (Cap+) de unidades de generación de energía individuales de una o más de las unidades de generación de energía no controladas en una situación en la que se harían funcionar como unidades de generación de energía controladas.
12. Método según cualquiera de las reivindicaciones 8-11, donde el cambio de estado solo es posible después de un período de tiempo predeterminado desde el cambio de estado más resentido.
13. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la planta energética está conectada a una red de energía eléctrica para suministrar energía desde las unidades de generación de energía a la red de energía eléctrica según una referencia de planta energética (Pplant_ref), y donde la referencia de planta energética se establece por debajo de una capacidad de parque disponible que hace que la al menos otra unidad de generación de energía se haga funcionar en el modo controlado con el punto de ajuste de energía restringido (Pajuste_restr).
14. Controlador central (110) para controlar la producción de energía de una planta energética (100) que comprende al menos tres unidades de generación de energía (101) que incluyen al menos una turbina eólica (102), donde la planta energética está conectada a una red de energía eléctrica para suministrar energía desde las unidades de generación de energía a la red de energía eléctrica, y donde el controlador central está dispuesto para enviar puntos de ajuste de energía individuales a las unidades de generación de energía, y donde el controlador central está dispuesto para realizar el método según las reivindicaciones 1-13.
15. Producto de programa informático que comprende código de software adaptado para controlar una planta energética (100) cuando se ejecuta en un sistema de procesamiento de datos, estando adaptado el producto de programa informático para realizar el método según cualquiera de las reivindicaciones 1-13.
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