WO2006003224A1 - Procedimiento y dispositivo para evitar la desconexión de un aprque de generación de energía eléctrica de la red - Google Patents

Procedimiento y dispositivo para evitar la desconexión de un aprque de generación de energía eléctrica de la red Download PDF

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José Ignacio LLORENTE
Manuel Visiers
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Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for preventing the disconnection of a power generation park from the network when a voltage gap of special application to wind turbine parks is produced therein.
  • patent DE 10206828 proposes a control system that detects this short circuit in the network, disconnecting from it the wind turbine park that, while still operating, has means to dissipate and accumulate the energy it produces until, after The short circuit can be reconnected to the network again.
  • Patent DE 10105892 proposes a system to detect this problem and the solution thereto, dissipating in excess heat produced energy.
  • Patent DE 19624809 proposes a filtering system in the alternating network itself to obtain a certain wave signal, by means of the variation of the rotational speed of the rotor of an electric machine.
  • the present invention proposes a method to prevent a park of electric power generation machines, such as wind turbines, connected to a network from being disconnected when a voltage gap occurs therein, which comprises the following steps: - Permanently monitor the network voltage; - When detecting a voltage gap in the network, divert a part of the active power produced by the park to a set of a capacity and dissipation resistors, keeping the park voltage in its value
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) nominal and regulating the voltage contributed to the network proportionally to the magnitude of the voltage gap.
  • the present invention proposes a device for carrying out the aforementioned procedure that integrates, as main elements, the following: a) A medium voltage bypass device; b) A low voltage protection device; c) An integrated set of a static dc / dc + dc / ac converter and a low voltage / medium voltage (BT / MT) series transformer; d) A set of dissipation capacity and resistors to absorb the active power not injected into the network; e) A circuit for detecting the voltage gap in the MV network; f) A control circuit of the set of mentioned elements that allows the set of the static converter and the transformer to generate the voltage necessary to maintain the park voltage at its nominal value and automatically regulate the voltage contributed to the network by the device in function of the magnitude of the voltage gap and for the whole of the capacity and dissipation resistors to store and dissipate the part of the active power generated by the park that is not injected into the network.
  • This device control circuit is connected to the control circuits
  • Figure 1 shows an assembly scheme with the elements that make up a device according to the present invention.
  • the method according to the invention comprises the following steps: a) Permanently monitor the voltage of the network; b) When detecting a voltage gap, generate an alternating voltage with the appropriate amplitude and phase, which, added to that of the network, maintains the park voltage in each of the 3 phases; c) Absorb part of the active power generated by the park, and divert it to a set of energy dissipation resistors, regulating in a controlled manner the energy to dissipate; d) Regulate the voltage contributed to the network, adapting its value to the voltage gap, as the value of the network voltage is restored.
  • the device consists of the following elements: a) A three-phase static bypass device (medium voltage bypass) with a control circuit 11 that performs the start and stop maneuver missions, bypass control, alarm action, communication with the outside via RS-232, alarm presentation, etc;
  • the device must be capable of being activated in less than 150 microseconds and deactivated in less than 1 millisecond; b) An automatic switch 2, functionally associated with the previous bypass device; c) A low voltage protection device with its associated circuits; d) Disconnectors 3 for maintenance operations; e) A 4 BT / MT transformer, with its primary connected in series in the MT circuit; f) A static inverter cc / ac 5, with a circuit 15 for its control with a DSP that controls the generation of voltage with amplitude and with phase
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) controllable, to restore the voltage gap and to regulate the contribution of active and reactive powers of both signs;
  • a control circuit 10 with a DSP that performs the functions of calculating the instantaneous value of the grid voltage, determination of the voltage gap, frequency of the network and angle of the network, for the detection of the voltage gap in the MT network 14, preferably capable of detecting the value of the amplitude and the phase of the voltage gap in a time less than 0.5 milliseconds by means of calculation algorithms implemented in the circuit microprocessor;
  • the resistors 8 do not dissipate energy.
  • the converter 5 starts and generates a voltage whose instantaneous value is given by: - »-» ⁇
  • Vi (V parquei - Vredi) x N
  • V park ⁇ instantaneous value of the nominal voltage of the park.
  • Vred ⁇ instantaneous value measured by the voltage sensor of the medium voltage network.
  • N transformation ratio.
  • the BT / MT 4 transformer generates the voltage necessary to maintain the park voltage at its nominal value.
  • the set DC / AC converter 5 and transformer 4 allows to absorb the active power supplied by the wind turbine park.
  • the DC / AC converter 5 automatically regulates the voltage that the transformer 4 injects into the network in each of the three phases, reducing the voltage contribution as the network recovers its voltage value, approaching the nominal value.
  • the DC / AC converter 5 can additionally inject reactive power into the network by means of the control of the voltage vector provided, which is regulated in module and in phase.
  • the DC / DC converter 6 injects the necessary active power into the dissipation resistors 8, with decreasing value, until the complete recovery of the network voltage occurs.
  • the converter cc / cc 6 controls the instantaneous intensity that circulates towards the resistors.
  • the dc / dc converter 6 controls the intensity curling that circulates through the capacity and reduces it by diverting the alternating intensity components to the resistors.
  • the voltage hollow detector circuit in the network 10 detects this restoration, so that the set of units passes to the stable regime.
  • the low voltage protection device ensures that in the event of a malfunction or failure of the inverter, there is no overvoltage on the low side of the transformer.

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  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
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Abstract

Procedimientos para evitar que un parque de máquinas de generación de energía eléctrica conectadas a una red se desconecte cuando se produzca en ella un hueco de tensión mediante el que, al detectar un hueco de tensión se regula la tension aportada a la red de manera proporcional a la magnitud del hueco de tensión, desviando la parte de la potencia activa producida por el parque y no inyectada en la red hacia equipos de almacenamiento y/o disipacion de energia, manteniendo la tension del parque en su valor nominal. La invención también comprende un dispositivo para llevar a cabo el procedimiento que integra un 'by-pass' (1), un transformador (4), un inversor estático (5), un convertidor estatico (6), un conjunto de una capacidad (7) y una resistencia de disipacion (8), un circuito de detencion del hueco de tensión y un circuito de control (20).

Description

PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA EVITAR LA DESCONEXIÓN DE UN PARQUE DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA DE LA RED
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un procedimiento y un dispositivo para evitar Ia desconexión de un parque de generación de energía eléctrica de Ia red cuando se produce en ella un hueco de tensión de especial aplicación a parques de aerogeneradores.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La conexión de los aerogeneradores a las redes de distribución eléctrica, así como Ia utilización de los mismos como medio de alimentación de máquinas eléctricas, plantea problemas particulares respecto a otras formas de fuentes de energía. Para estos problemas se han propuesto diversas soluciones.
Uno de estos problemas radica en que se produzca un cortocircuito en Ia red que provocaría que las características de acoplamiento del parque de aerogeneradores se vieran modificadas. A este respecto, Ia patente DE 10206828 propone un sistema de control que detecta este cortocircuito en Ia red, desconectando de Ia misma el parque de aerogeneradores que, sin dejar de funcionar, posee medios para disipar y acumular la energía que produce hasta que, pasado el cortocircuito, puede volverse a conectar nuevamente a red.
Otro problema consiste en un sobrevoltaje en Ia red que afectaría al parque de aerogeneradores. La patente DE 10105892 propone un sistema de detección de este problema y Ia solución al mismo, disipando en forma de calor el exceso de energía producida. La patente DE 19624809 propone un sistema de filtrado en la propia red de alterna para obtener una determinada señal de onda, mediante Ia variación de Ia velocidad de giro del rotor de una máquina eléctrica.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) - Z -
Por último, Ia patente US 5127085 limita o elimina las corrientes de avería de Ia red de alterna, que llegarían a tensionar los elementos internos de un alternador.
La técnica anterior no ha prestado, sin embargo, atención al problema planteado por los "huecos de tensión".
En Ia conexión a Ia red eléctrica de Ia salida de un parque de máquinas de generación eléctrica tales como aerogeneradores puede producirse un escalón brusco de tensión como consecuencia de defectos de Ia red. En esos casos, Ia actuación de las protecciones correspondientes ocasiona Ia desconexión de Ia parte defectuosa de Ia red lo que provoca un nuevo escalón de tensión en sentido contrario cuando se recupera el nivel de tensión existente antes del defecto. El conjunto de ambos escalones suele llamarse "hueco de tensión" que puede definirse por dos parámetros: Ia magnitud del escalón de tensión y Ia duración. Un "hueco de tensión" puede llegar a provocar Ia desconexión de un parque de aerogeneradores de Ia red con los consiguientes efectos perjudiciales para Ia gestión de Ia propia red. Los escalones de tensión, perjudican además el funcionamiento de los aerogeneradores porque modifican bruscamente el par resistente afectando a Ia vida de las multiplicadoras. Resulta pues deseable disponer de procedimientos y dispositivos que eviten estos efectos. La presente invención ofrece una solución a esa necesidad.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
En un primer aspecto, Ia presente invención propone un procedimiento para evitar que un parque de máquinas de generación de energía eléctrica, tales como aerogeneradores, conectados a una red se desconecte cuando se produzca en ella un hueco de tensión, que comprende los siguientes pasos: - Monitorizar permanentemente la tensión de Ia red; - Al detectar un hueco de tensión en la red, desviar una parte de Ia potencia activa producida por el parque hacia un conjunto de una capacidad y unas resistencias de disipación, manteniendo Ia tensión del parque en su valor
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) nominal y regulando Ia tensión aportada a Ia red de manera proporcional a Ia magnitud del hueco de tensión.
En un segundo aspecto, Ia presente invención propone un dispositivo para llevar a cabo el procedimiento mencionado que integra, como elementos principales, los siguientes: a) Un dispositivo de derivación en media tensión; b) Un dispositivo de protección en baja tensión; c) Un conjunto integrado de un convertidor estático cc/cc + cc/ca y un transformador serie baja tensión/media tensión (BT/MT); d) Un conjunto de capacidad y resistencias de disipación para absorber Ia potencia activa no inyectada en Ia red; e) Un circuito de detección del hueco de tensión en Ia red de MT; f) Un circuito de control del conjunto de elementos mencionados que permite que el conjunto del convertidor estático y el transformador genere Ia tensión necesaria para mantener Ia tensión del parque en su valor nominal y regule automáticamente Ia tensión aportada a Ia red por el dispositivo en función de Ia magnitud del hueco de tensión y para que el conjunto de Ia capacidad y las resistencias de disipación almacene y disipe Ia parte de Ia potencia activa generada por el parque que no se inyecta en Ia red. Este circuito de control del dispositivo está conectado a los circuitos de control de los elementos mencionados y a sensores que permiten detectar instantáneamente los parámetros relevantes.
Otras características y ventajas de Ia presente invención se desprenderán de Ia descripción detallada que sigue de una realización ilustrativa de su objeto en relación con el dibujo que se acompaña.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
En Ia Figura 1 se muestra un esquema de conjunto con los elementos que componen un dispositivo según la presente invención.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
En una realización preferente, el procedimiento según Ia invención comprende los siguientes pasos: a) Monitorizar permanentemente Ia tensión de Ia red; b) Al detectar un hueco de tensión, generar una tensión alterna con Ia amplitud y fase apropiadas, que sumada a Ia de Ia red, mantenga Ia tensión del parque en cada una de las 3 fases; c) Absorber parte de Ia potencia activa generada por el parque, y derivarla hacia un conjunto de resistencias de disipación de energía, regulando de forma controlada Ia energía a disipar; d) Regular Ia tensión aportada a Ia red, adecuando su valor al del hueco de tensión, a medida que se restituye el valor de Ia tensión de Ia red.
Por su parte, describiremos seguidamente, siguiendo Ia Figura 1 , una realización preferente de un dispositivo según Ia invención. El dispositivo consta de los siguiente elementos: a) Un dispositivo de derivación 1 ("by-pass") estático trifásico en media tensión con un circuito de control 11 que realiza las misiones de maniobra de arranque y parada, control de by-pass, actuación ante alarmas, comunicación con el exterior vía RS-232, presentación de alarmas, etc;
Preferentemente, el dispositivo debe ser capaz de activarse en un tiempo inferior a 150 microsegundos y de desactivarse en un tiempo inferior a 1 milisegundo; b) Un interruptor automático 2, asociado funcionalmente al dispositivo de derivación anterior; c) Un dispositivo de protección en baja tensión con sus circuitos asociados; d) Seccionadores 3 para operaciones de mantenimiento; e) Un transformador 4 BT/MT, con su primario conectado en serie en el circuito de MT; f) Un inversor estático cc/ca 5, con un circuito 15 para su control con un DSP que controla Ia generación de tensión con amplitud y con fase
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) controlables, para restituir el hueco de tensión y para regular la aportación de potencias activa y reactiva de ambos signos; g) Un convertidor estático cc/cc 6, con un circuito 16 para su control con un DSP que controla Ia tensión del bus de continua a través de Ia modificación de las bandas de tensión que permiten controlar el drenado de corriente continua hacia las resistencias de disipación; h) Un conjunto formado por una capacidad de almacenamiento de energía 7 y varias resistencias de disipación 8; i) Un circuito de control 10 con un DSP que realiza las funciones de cálculo del valor instantáneo de la tensión de red, determinación del hueco de tensión, frecuencia de Ia red y ángulo de Ia red, para Ia detección del hueco de tensión en Ia red de MT 14, capaz, preferentemente, de detectar el valor de Ia amplitud y Ia fase del hueco de tensión en un tiempo inferior a 0,5 milisegundos por medio de algoritmos de cálculo implementados en el microprocesador del circuito; j) Un circuito de control 20 del conjunto de las unidades anteriores, conectado a los controles electrónicos 10, 11 , 15, 16 asociados a cada una de estas unidades y que comprende los siguientes elementos:
- Sensores de tensión por fase para Ia medida de Ia tensión de red en el punto de salida del dispositivo;
- Sensores de tensión por fase para Ia medida de Ia tensión de red del parque 12;
- Sensores de intensidad por fase para Ia medida de Ia corriente inyectada por el parque en Ia red; - Circuito de adaptación y filtrado de las medidas de tensión y corriente alternas;
- Sensores de tensión continua y su circuito de adaptación asociado;
- Sistemas de control de las protecciones electrónicas de manera que en caso de avería se asegure Ia continuidad de operación del parque.
El funcionamiento del sistema anteriormente descrito se describe a continuación.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) En régimen estable de Ia tensión de red:
- El interruptor 2 está abierto.
- Los seccionadores 3 están cerrados.
- La derivación estática 1 está cerrada. - El dispositivo de protección está abierto.
- El conjunto convertidor cc/cc+cc/ca 5 y 6 está en "parada caliente".
- La capacidad 7 está cargada a su tensión nominal.
- Las resistencias 8 no disipan energía.
Cuando el circuito detector del hueco de tensión en Ia red 10, detecta un hueco de tensión, caracterizado por Ia desviación de Ia tensión instantánea en valor superior a un umbral ajustable y durante un tiempo también ajustable, que en esta realización es del orden de 0,5 milisegundos, arranca el dispositivo según Ia presente invención, produciéndose los sucesos que se desarrollan a continuación. En régimen transitorio "hueco de tensión":
- La derivación estática 1 se abre.
- El convertidor 5 arranca y genera una tensión cuyo valor instantáneo viene dado por: -» -» →
Vi = (V parquei - Vredi) x N
donde:
V parque¡ = valor instantáneo de Ia tensión nominal del parque. Vred¡ = valor instantáneo medido por el sensor de tensión de Ia red en media tensión. N = relación de transformación.
- El transformador BT/MT 4 genera Ia tensión necesaria para mantener Ia tensión del parque en su valor nominal. - El conjunto convertidor cc/ca 5 y transformador 4 permite absorber Ia potencia activa suministrada por el parque de aerogeneradores.
- La potencia activa produce una intensidad ce en Ia entrada del convertidor cc/ca 5, en el lado ce, Ia cual carga Ia capacidad 7.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) - El convertidor cc/cc 6, por medio del sensor de intensidad ce, detecta esta intensidad y pone en marcha el control del convertidor, que inyecta la potencia activa en las resistencias de disipación 8 de forma controlada. Este proceso transitorio continúa durante el "hueco de tensión" en Ia forma siguiente:
- El convertidor cc/ca 5 regula automáticamente Ia tensión que el transformador 4 inyecta en Ia red en cada una de las tres fases, reduciendo el aporte de tensión a medida que Ia red recupera su valor de tensión, acercándose al valor nominal.
- La potencia activa absorbida se reduce automáticamente de igual forma.
- El convertidor cc/ca 5 puede, adicionalmente, inyectar potencia reactiva en Ia red por medio del control del vector de tensión aportada, que se regula en módulo y en fase. - El convertidor cc/cc 6 inyecta en las resistencias de disipación 8 Ia potencia activa necesaria, con valor decreciente, hasta que se produce Ia recuperación completa de Ia tensión de Ia red.
- El convertidor cc/cc 6 controla Ia intensidad instantánea que circula hacia las resistencias. - El convertidor cc/cc 6 controla el rizado de intensidad que circula por Ia capacidad y Io reduce desviando las componentes alternas de intensidad a las resistencias.
Al recuperarse Ia red 14, el circuito detector del hueco de tensión en Ia red 10, detecta este restablecimiento, con Io que el conjunto de unidades pasa al régimen estable.
El dispositivo de protección en baja tensión asegura que en caso de mal funcionamiento o avería en el inversor, no se producen sobretensiones en el lado de baja del transformador.
En Ia realización preferente que acabamos de describir pueden introducirse aquellas modificaciones comprendidas dentro del alcance definido por las siguientes reivindicaciones.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26)

Claims

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para evitar que un parque de máquinas de generación de energía eléctrica conectadas a una red se desconecte cuando se produzca en ella un hueco de tensión, caracterizado porque comprende los siguientes pasos: a) Monitorizar permanentemente la tensión de Ia red; b) Al detectar un hueco de tensión en Ia red, regular Ia tensión aportada a Ia red de manera proporcional a Ia magnitud del hueco de tensión, desviando Ia parte de Ia potencia activa producida por el parque y no inyectada en Ia red hacia equipos de almacenamiento y/o disipación de energía, manteniendo Ia tensión del parque en su valor nominal, y, adicionalmente, regulando Ia potencia reactiva (inductiva o capacitiva) aportada a Ia red.
2. Procedimiento para evitar que un parque de máquinas de generación de energía eléctrica conectadas a una red se desconecte cuando se produzca en ella un hueco de tensión según Ia reivindicación 1 caracterizado porque el paso b) comprende los siguientes pasos: i. Al detectar un hueco de tensión, generar una tensión alterna con Ia amplitud y fase apropiadas, que sumada a la de Ia red, mantenga Ia tensión del parque en cada una de las 3 fases; ii. Absorber parte de Ia potencia activa generada por el parque, y derivarla hacia un conjunto de resistencias de disipación de energía, regulando de forma controlada la energía a disipar; iii. Regular Ia tensión aportada a Ia red adecuando su valor al del hueco de tensión, a medida que se restituye el valor de Ia tensión de Ia red; iv. Regular la potencia reactiva inyectada en Ia red, durante el hueco de tensión.
3. Procedimiento para evitar que un parque de máquinas de generación de energía eléctrica conectadas a una red se desconecte cuando se produzca
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) - J. Ü ,9 ' - en ella un hueco de tensión según la reivindicación 1 caracterizado porque dichas máquinas son aerogeneradores.
4. Dispositivo para evitar que un parque de máquinas de generación de energía eléctrica conectado a una red de MT (14) se desconecte cuando se produzca en ella un hueco de tensión caracterizado porque integra los siguientes elementos: a) Un dispositivo de derivación (1) estático trifásico en MT y, asociados con él un interruptor automático (2) y dos seccionadores (3); b) Un dispositivo de protección en baja tensión; c) Un transformador serie de BT/MT (4); d) Un inversor estático cc/ca (5); e) Un convertidor estático cc/cc (6); f) Un conjunto de una capacidad (7) y una resistencias de disipación (8); g) Un circuito de detección (10) del hueco de tensión en Ia red de MT; h) Un circuito de control (20) del conjunto de elementos mencionados conectado a los controles electrónicos (11 , 15, 16) de dichos elementos y a sensores de detección instantánea de la intensidad y Ia tensión en la red de MT (14), de Ia tensión en Ia salida del parque (12), de Ia intensidad de entrada al inversor cc/ca (5) y de Ia tensión de Ia capacidad
(7) que permite que el dispositivo regule automáticamente Ia tensión aportada a Ia red en función de la magnitud del hueco de tensión y desvíe hacia Ia capacidad (7) y Ia resistencia (8) Ia parte de Ia potencia activa generada por el parque que no se inyecta en Ia red (14), manteniendo Ia tensión del parque en su valor nominal, regulando adicionalmente Ia potencia reactiva (inductiva o capacitiva) aportada a Ia red, por medio del control del ángulo vectorial de Ia tensión aportada a Ia red.
5. Dispositivo para evitar que un parque de máquinas de generación de energía eléctrica conectado a una red de MT (14) se desconecte cuando se produzca en ella un hueco de tensión según Ia reivindicación 4,
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) - .1Q. - caracterizado porque el circuito de detección (10) es capaz de detectar el valor de Ia amplitud y Ia fase del hueco de tensión en un tiempo inferior a 0,5 milisegundos por medio de algoritmos de cálculo implementados en el microprocesador del circuito de control.
6. Dispositivo para evitar que un parque de máquinas de generación de energía eléctrica conectado a una red de MT (14) se desconecte cuando se produzca en ella un hueco de tensión según Ia reivindicación 4, caracterizado porque el dispositivo de derivación (1) es capaz capaz de activarse en un tiempo inferior a a 150 microsegundos y de desactivarse en un tiempo inferior 1 milísegundo.
7. Dispositivo para evitar que un parque de máquinas de generación de energía eléctrica conectado a una red de MT (14) se desconecte cuando se produzca en ella un hueco de tensión según Ia reivindicación 4, caracterizado porque dichas máquinas son aerogeneradores.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26)
PCT/ES2005/000367 2004-06-30 2005-06-28 Procedimiento y dispositivo para evitar la desconexión de un aprque de generación de energía eléctrica de la red WO2006003224A1 (es)

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