BRPI0604701B1

BRPI0604701B1 - Dispositivo para detectar as condições de efeito ilha em uma grade de energia e estação de geração

Info

Publication number: BRPI0604701B1
Application number: BRPI0604701-7A
Authority: BR
Inventors: Allen Walling Reigh; Langel Andre
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2018-07-10
Also published as: DK1780861T3; BRPI0604701A; CN1956286A; CN1956286B; ES2507096T3; US7376491B2; EP1780861A3; CA2563479A1; US20070093978A1; AU2006233205A1; EP1780861A2; CA2563479C; AU2006233205B2; EP1780861B1

Abstract

detecção de efeito ilha em grades de energia. um método para detectar uma condição de efeito ilha em uma grade elétrica apresentando uma tensão na linha de energia inclui monitorar um sinal detectável (306) diferente da tensão na linha de energia na estação de geração (310) de energia, sobrepor o sinal detectável na tensão da linha de energia em um ponto da grade (308) fora da estação de geração de energia, e chavear a estação de geração de energia de um modo de operação ligado à grade para um modo de operação em efeito ilha quando o sinal, ao qual o detector (312) responde, é determinado como estando ausente.

Description

(54) Título: DISPOSITIVO PARA DETECTAR AS CONDIÇÕES DE EFEITO ILHA EM UMA GRADE DE ENERGIA E ESTAÇÃO DE GERAÇÃO (51) Int.CI.: H02H 7/04; H02J 3/38 (30) Prioridade Unionista: 26/10/2005 US 11/259,673 (73) Titular(es): GENERAL ELECTRIC COMPANY (72) Inventor(es): REIGH ALLEN WALLING; ANDRE LANGEL

1/10 “DISPOSITIVO PARA DETECTAR AS CONDIÇÕES DE EFEITO ILHA EM UMA GRADE DE ENERGIA E ESTAÇÃO DE GERAÇÃO”

Campo da Invenção [001] Esta invenção se refere, em geral, à geração de energia, e mais especificamente, aos métodos e aos dispositivos para a detecção do efeito ilha de uma instalação de geração de energia elétrica ligada a uma grade. Os métodos e os dispositivos são particularmente aplicáveis nos parques eólicos, mas não são necessariamente limitados a estas.

Antecedentes da Invenção [002] Um circuito aberto, tal como o causado pela abertura de uma chave, por um interruptor do circuito, ou por um fusível, na conexão radial entre um parque eólico e uma rede de energia elétrica, pode deixar a parque eólico isolada da grade. Este isolamento é chamado de “operação em ilha”, ou sob “efeito ilha” e é proibido em diversos códigos de grades. De forma similar, a abertura de um interruptor de circuito ou de uma chave na subestação do parque eólico, do que resulta no isolamento de um circuito coletor em relação à subestação, isola ou cria o efeito ilha em relação à turbina eólica deste coletor em relação à subestação e a grade. Apesar do parque eólico estar isolada da grade, esta ainda pode estar ligada aos consumidores que se encontram fora do parque eólico. Este efeito ilha pode resultar em um estresse severo no equipamento, incluindo altas tensões e pode ser perigoso para o pessoal de manutenção. Evitar o estresse severo no equipamento pode necessitar de uma detecção muito rápida da condição de efeito ilha.

[003] A patente americana US 6.810.339 B2 descreve alguns métodos conhecidos para eliminar o problema do efeito ilha. Estes incluem métodos passivos tais como sub ou sobre tensão, e sub ou sobre frequência dos disparadores de corte do equipamento conversor se a tensão ou a frequência excede um certo limite predeterminado. Esquemas adicionais empregam

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2/10 derivações das “frequências instáveis” ou das “frequências ativas”, ou alterações na potência útil real ou reativa de um conversor. É descrito um método dito como sendo superior a estes, no qual um conversor detecta uma mudança na frequência, para cima ou para baixo, e causa um deslocamento acelerado da frequência na mesma direção, de modo a disparar rapidamente um limitador de sobre ou de sub frequência.

[004] A patente americana US 6.815.932 B2 descreve um método para controlar um sistema gerador ligado a um sistema de energia elétrica de tal forma a evitar um efeito ilha não intencional do gerador. O método emprega uma combinação entre os limites das características de frequência e a técnica de desestabilização ativa do ângulo de fase para desestabilizar bem ou de forma casada os efeitos ilha casados.

[005] Apesar de tudo, a detecção confiável do efeito ilha a partir da observação passiva de alterações da tensão, corrente, frequência e/ou ângulo de fase tem se mostrado difícil. Estes métodos de detecção são em geral incapazes de uma detecção muito rápida, são susceptíveis de operações falsas causadas por eventos na grade, e podem ser confundidos por meio do equilíbrio ou de um quase equilíbrio entre a energia gerada pelo parque eólico e entre a demanda de energia dentro da área da grade que está isolada com o parque eólico. A detecção através do monitoramento da situação das chaves é complicada, e necessita de um sistema de comunicação muito caro. Em geral, a situação dos diversos dispositivos de chaveamento é necessária, junto a uma lógica para levar em conta os vários caminhos de interconexão.

Descrição da Invenção [006] Em um aspecto da presente invenção, é fornecido um método para detectar uma condição de efeito ilha em uma grade elétrica apresentando uma tensão na linha de energia. O método inclui monitorar um sinal detectável diferente da tensão na linha de energia na estação de geração

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3/10 de energia, sobrepor o sinal detectável na tensão da linha de energia em um ponto da grade fora da estação de geração de energia, e chavear a estação de geração de energia de um modo de operação ligado à grade para um modo de operação em efeito ilha quando o sinal, ao qual o detector responde, é determinado como estando ausente.

[007] Em outro aspecto da presente invenção, é fornecido um dispositivo para detectar as condições de efeito ilha em uma grade de energia apresentando uma tensão na linha de energia. O dispositivo inclui um detector configurado para monitorar um sinal detectável diferente da tensão na linha de energia na estação de geração de energia, um gerador de sinal configurado de modo a sobrepor o sinal detectável à tensão na linha de energia em um ponto da grade fora do monitoramento da estação de geração, e uma chave configurada de modo a chavear a unidade de geração do modo de operação conectado na grade para o modo de operação em efeito ilha quando o sinal ao qual o detector responde é determinado como estando ausente.

[008] Em ainda outro aspecto da apresente invenção, é fornecida uma estação de geração de energia a qual inclui ao menos uma unidade de geração eletricamente ligada a uma grade de energia, um detector, que age em resposta a um sinal, eletricamente ligado da grade de energia para a unidade de geração, e uma chave que age em resposta ao detector para chavear a unidade de geração desde um modo de operação conectado à grade para um modo de operação em efeito ilha quando o sinal ao qual o detector responde é determinado como estando ausente.

[009] Poderá ser percebido que as configurações da presente invenção fornecem uma detecção fácil e rápida de uma condição de efeito ilha dos geradores, incluindo os geradores a turbina eólica individuais nos parques eólicos.

Breve Descrição dos Desenhos [010] A figura 1 é um desenho ilustrando uma configuração de

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4/10 exemplo de uma turbina eólica.

[011] A figura 2 é uma vista em perspectiva parcialmente seccionada de uma nacela da configuração de exemplo da turbina eólica mostrada na figura 1.

[012] A figura 3 é um diagrama de blocos de uma configuração de um sistema ante efeito ilha instalado na estação de geração.

[013] A figura 4 é um diagrama esquemático e parcial de uma configuração de um acoplamento fase terra de um transformador de um gerador de sinal (ou de um receptor de sinal) apropriado para a configuração ilustrada na figura 3. Apesar de que os exemplos das figuras 4, 5 e 6 mostram o acoplamento à somente uma fase (ou a uma combinação de fases), o sinal também pode estar ligado a duas ou mais fases (p. ex., todas as três fases em um sistema trifásico).

[014] A figura 5 é um diagrama esquemático e parcial de um acoplamento fase a fase de um transformador de um gerador de sinal (ou de um receptor de sinal) apropriado para a configuração ilustrada na figura 3.

[015] A figura 6 é um diagrama esquemático e parcial de um acoplamento capacitivo de fase a terra de um gerador de sinal (ou de um receptor de sinal) apropriado para a configuração ilustrada na figura 3.

Descrição de Realizações da Invenção [016] Em algumas configurações da presente invenção, o isolamento, ou o efeito ilha, da estação geradora em relação à grade de energia elétrica é detectado empregando um sinal sobreposto à tensão de frequência da energia em um ponto apropriado. No caso de a estação geradora ser um parque eólico, este sinal é continuamente (ou quase continuamente) monitorado em cada turbina eólica. A ausência do sinal monitorado implica que a turbina eólica está eletricamente isolada do ponto de injeção do sinal, o que pode ser interpretado como uma evidencia do efeito ilha. O gerador a turbina eólica pode ser desacoplado em resposta, ou pode ser mudado o modo de controle do

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5/10 gerador, de um modo apropriado para a operação ligada na grade (p. ex., controle da fonte de corrente) para um modo de operação (com o controle da fonte de tensão em frequência fixa) apropriado ao isolamento (isto é, em efeito ilha).

[017] A frequência e as características do sinal injetado são escolhidas de tal forma que a detecção do efeito ilha pode ser feita de forma rápida, confiável e segura, sem interferir com a qualidade da energia ou com outros sistemas de comunicação. Em várias configurações, esta difere suficientemente das tensões e/ou das correntes transientes e harmônicas geradas dentro do parque eólico, de modo a evitar uma falsa detecção de uma condição conectada quando o efeito ilha tenha ocorrido. A segurança é favorecida através da injeção de duas frequências, de forma simultânea, sendo que nenhuma destas é um múltiplo inteiro da frequência da energia.

[018] Em algumas configurações da presente invenção, o sinal é monitorado no nível de baixa tensão ao qual a turbina eólica está ligada. Sinal poderia normalmente ser ligado tanto no barramento do coletor de média tensão quanto no sistema de transmissão de alta tensão. Em tais configurações, o sistema é configurado de tal modo que o sinal se propaga através dos transformadores de alta tensão e de média tensão, sem uma atenuação excessiva. Em algumas configurações, o sinal é monitorado no lado da média tensão do transformador elevador da turbina eólica, empregando acopladores capacitivos ou transformadores de tensão.

[019] Em algumas configurações e com referência à figura 1, uma turbina eólica 100 compreende uma nacela 102 que aloja o gerador (não mostrado na figura 1). A nacela 102 é montada no topo de uma torre 104 alta, somente uma parte da qual é mostrada na figura 1. A turbina eólica 100 também compreende um rotor 106 o qual inclui uma ou mais pás de hélice 108 do rotor, ligadas a um cubo 110 giratório. Apesar de que a turbina eólica 100 da figura 1

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6/10 inclui três pás de hélice 108 do rotor, não existem limites específicos em relação ao número de pás de hélice 108 do rotor necessárias pela presente invenção.

[020] Em algumas configurações e com referência à figura 2, os vários componentes estão alojados na nacela 102, do topo da torre 104, da turbina eólica 100. A altura da torre 104 é selecionada com base em fatores e em condições conhecidas na arte. Em algumas configurações, um ou mais microcontroladores dentro do painel 112 compreendem um sistema de controle usado para monitorar a totalidade do sistema e para o seu controle. Arquiteturas de controle distribuídas ou centralizadas alternativas podem ser usadas em algumas configurações.

[021] Em algumas configurações, um comando do passo das pás 114 é previsto de modo a controlar o passo das pás de hélice 108 (não mostradas na figura 2), que guia o cubo 110 como resultado do vento. Em algumas configurações, os passos das pás de hélice 108 são controlados de forma individualizada por meio de comandos 114 do passo das pás de hélice. O cubo 110 e as pás de hélice 108, em conjunto, compreendem o rotor 106 da turbina eólica.

[022] O trem de comando da turbina eólica inclui um eixo rotor principal 116 (também referido como o “eixo de baixa velocidade”) ligado ao cubo 110 através de um mancal principal 130 e (em algumas configurações), em uma extremidade oposta do eixo 116 a uma caixa de redução 118. A caixa de redução 118 guia o eixo de alta velocidade do gerador 120. Em outras configurações, o eixo rotor principal 116 é acoplado diretamente ao gerador 120. O eixo de alta velocidade (não identificado na figura 2) é usado para guiar o gerador 120, o qual está montado no quadro ou estrutura principal 132. Em algumas configurações, o torque do rotor é transmitido através de um acoplamento 122. Em certas configurações da presente invenção, o gerador 120 é um gerador guiado com imã permanente.

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7/10 [023] O comando do direcionador 124 e a plataforma do direcionador 126 fornecem um sistema de orientação do direcionador para a turbina eólica 100. Uma sonda meteorológica 128 fornece as informações para o sistema de controle da turbina (o qual pode estar localizado no painel de controle 112). Estas informações podem incluir a direção e/ou a velocidade do vento. Em algumas configurações, o sistema direcionador está montado em uma flange disposta no topo da torre 104.

[024] Com referência à figura 3, algumas configurações da presente invenção fornecem um dispositivo 300 para detectar as condições de isolamento, ou de efeito ilha, em uma grade de energia 302 que apresenta uma tensão na linha de energia. O dispositivo 300 inclui um gerador de sinal 304 configurado de modo a sobrepor um sinal detectável 306, diferente da tensão da linha de energia, sobre a tensão da linha de energia no ponto 308 da grade localizado fora da estação de geração 310 (O ponto no qual o sinal detectável 306 é sobreposto pode, por exemplo, ser uma estação geradora diferente da estação geradora 310, ou pode estar em qualquer outro ponto apropriado da grade). Também incluído no dispositivo 300 está um detector ou monitor 312, o qual é configurado de modo a monitorar o sinal detectável 306 na estação geradora 310. Em adição, é fornecida uma chave 314, a qual é configurada de modo a desacoplar a estação geradora 310, ou uma parte desta (tal como uma única turbina eólica 100 ou uma pluralidade de turbinas eólicas 100) quando o detector 312 determina que o sinal detectável sob monitoramento está ausente. De forma mais em geral, o modo de controle da estação geradora 310 é deslocado de um modo apropriado para uma operação conectada na grade (p. ex., controle da fonte de corrente) para um modo apropriado para uma operação isolada (isto é, em efeito ilha) (p. ex., com o controle da fonte de tensão com uma frequência fixada).

[025] Em algumas configurações, o sinal detectável 306 difere das

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8/10 tensões e/ou correntes transientes ou harmônicas que podem ser geradas pela estação geradora 310 ou que, de qualquer forma, estejam presentes na grade de energia 302. O sinal detectável 306 compreende uma, ou em algumas configurações, ao menos duas frequências simultâneas que não são um inteiro múltiplo da frequência da tensão da linha de alimentação. Em algumas configurações, o detector ou monitor 312 é ainda configurado de modo a monitorar o sinal detectável 306 ao nível da baixa tensão no qual o gerador de sinal 304 está ligado. Além disto, em várias configurações da presente invenção, o gerador de sinal 304 é ainda configurado de modo a injetar o sinal detectável ou no barramento do coletor de média tensão ou no sistema de transmissão 318 de alta tensão.

[026] A estação geradora 310 pode ser, mas não necessariamente precisa ser, um parque eólico compreendendo uma pluralidade de turbinas 100, as quais geram a energia elétrica, e o detector 312 pode ainda ser configurado de modo a monitorar o sinal detectável 306 ao nível de baixa tensão no qual está ligada uma turbina eólica 100 do parque eólico. Em algumas configurações, o detector 312 ainda compreende ou um acoplador capacitivo 322 ou um transformador de tensão 324 (ou ambos) eletricamente ligado no lado da média tensão 316 do transformador elevador 326 da turbina eólica. Exemplos dos acoplamentos por transformador 324 e capacitivo 322 são mostrados nas figuras 4, 5 e 6 para um sistema trifásico. Tipos de acoplamento essencialmente similares podem ser usados para injetar um sinal a partir de um transmissor. Além disto, e em algumas configurações, a estação geradora 310 pode ser um gerador simples, tal como uma única turbina eólica 100, uma única unidade geradora elétrica de outro tipo, ou uma pluralidade de unidades geradoras das quais, todas, uma parte destas, ou nenhuma destas é uma turbina eólica. Assim, a estação geradora 310 pode ser, em várias configurações, um gerador único ou uma unidade geradora, ou uma pluralidade de geradores ou de unidades

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9/10 geradores (as quais podem estar dispersas), e o tipo de gerador ou de unidade geradora (ou de geradores ou de unidades geradoras) não necessita ser de turbinas eólicas, e também não necessitam ser idênticas umas às outras. Assim, as configurações da presente invenção também são aplicáveis, de forma mais genérica, aos “parques de energia”, e não são restritas a tipos particulares de parques de energia, tais como os parques eólicos ou os parques solares.

[027] Em algumas configurações da presente invenção e com referência às figuras 1, 2 e 3, é fornecida uma estação geradora, tal como uma turbina eólica 100. A estação geradora (p. ex., a turbina eólica 100) está eletricamente ligada a uma grade de energia 302, e é dotada de um detector 312 que age em resposta a um sinal 306 eletricamente ligado de uma grade de energia 302 para um gerador, e uma chave 314 que age em reposta a um detector 312 de modo a desacoplar (desligar) o gerador a turbina eólica 120 quando o sinal 306, ao qual o detector responde, é determinado como estando ausente. O sinal 306, em algumas configurações, difere das tensões e/ou das correntes transientes e harmônicas geradas, e pode compreender uma frequência, ou ao menos duas frequências simultâneas as quais não são múltiplos inteiros da frequência da tensão na linha de alimentação.

[028] Um método para detectar as condições de isolamento, ou de efeito ilha, em uma grade de energia elétrica 302, apresentando uma tensão da linha de alimentação, inclui a sobreposição de um sinal detectável 306, diferente da tensão na linha de alimentação, na tensão da linha de alimentação em um ponto 308 da grade fora da estação geradora 310, monitorar o sinal detectável 306 na estação de geração 310, e desacoplar a estação de geração 310, ou uma parte desta (p. ex., uma turbina eólica 100) quando o sinal detectável monitorado é determinado como estando ausente. Em algumas configurações, o sinal detectável 306 difere das tensões e/ou das correntes transientes e harmônicas, e/ou compreende uma, ou em algumas configurações, ao menos duas

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10/10 frequências simultâneas as quais não são múltiplos inteiros da frequência da tensão na linha de energia. A monitoração do sinal detectável 306, em algumas configurações, ainda compreende monitorar o sinal detectável 306 ao nível da baixa tensão no qual o gerador 310 está ligado. A sobreposição do sinal detectável 306 ainda compreende, em algumas configurações, injetar um sinal detectável 306 ou no barramento do coletor 316 de média tensão ou no sistema de transmissão 318 de alta tensão. A estação de geração 310 é, em algumas configurações, um parque eólico compreendendo uma pluralidade de turbinas eólicas 100. A monitoração do sinal detectável pode compreender utilizar um entre ou ambos entre um acoplador capacitivo 322 ou um transformador de tensão 324 de modo a monitorar o lado de média tensão 316 de um transformador elevador 326 de uma turbina eólica.

[029] Poderá assim ser apreciado que a detecção confiável do efeito ilha é fornecida através de várias configurações da presente invenção. Os métodos de detecção e as configurações dos dispositivos da presente invenção fornecem uma detecção muito rápida a qual evita uma operação falsa causada por eventos na grade, e que não é confundida com o equilíbrio, ou com um quase equilíbrio, entre a energia gerada por (por exemplo) um parque eólico e a demanda de energia dentro da área da grade que está isolada pelo parque eólico. A detecção através do monitoramento da situação da chave não é necessária, como também não o é um caro sistema de comunicação.

[030] Apesar da invenção ter sido descrita em termos de várias formas específicas de realização, os peritos na arte irão perceber que a invenção pode ser realizada na prática com modificações, mas dentro do espírito e escopo das reivindicações.

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1/2

Claims

Reivindicações

1. DISPOSITIVO (300) PARA DETECTAR AS CONDIÇÕES DE EFEITO ILHA EM UMA GRADE DE ENERGIA (302) apresentando uma tensão na linha de energia, o dispositivo (300) compreendendo:

um detector (312) configurado para monitorar um sinal detectável (306) diferente da tensão na linha de energia na estação de geração de energia (310), em que a estação de geração de energia (310) compreende pelo menos uma turbina eólica (100), pelo menos um acoplador capacitivo (322) e um transformador de tensão (324);

um gerador de sinal (304) configurado de modo a sobrepor o sinal detectável à tensão na linha de energia em um ponto da grade (308) fora do monitoramento da estação de geração;

a estação de geração de energia (310) compreende uma chave (314) configurada de modo a chavear a estação de geração do modo de operação conectado na grade para o modo de operação em efeito ilha quando o sinal detectável (306) é determinado como estando ausente, o dispositivo (300) sendo caracterizado pelo fato de que o sinal detectável (306) compreende ao menos duas frequências simultâneas que são diferentes de múltiplos inteiros da frequência da tensão na linha de energia.
2. DISPOSITIVO (300), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sinal detectável (306) é diferente das tensões, correntes, ou ambas transientes e harmônicas geradas.
3. DISPOSITIVO (300), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de que o detector (312) é ainda configurado de modo a monitorar o sinal detectável (306) ao nível da baixa tensão na qual o gerador de sinal (304) está ligado.
4. DISPOSITIVO (300), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o gerador de sinal (304) é ainda configurado de

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2/2 modo a injetar o sinal detectável (306) ou no barramento do coletor (316) de média tensão ou no sistema de transmissão (318) de alta tensão.
5. DISPOSITIVO (300), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a estação geradora (310) é um parque eólico compreendendo uma pluralidade de turbinas eólicas (100).
6. DISPOSITIVO (300), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o detector (312) ainda compreende um entre o acoplamento capacitivo (322) ou o transformador de tensão (324) eletricamente acoplado no lado da média tensão de um transformador elevador da turbina eólica (326).
7. ESTAÇÃO DE GERAÇÃO (310) compreendendo: um dispositivo (300) conforme definido na reivindicação 1; sendo caracterizada pelo fato de que o sinal detectável (306) compreende ao menos duas frequências simultâneas que são diferentes de múltiplos inteiros da frequência da tensão na linha de energia.
8. ESTAÇÃO DE GERAÇÃO (310), de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o sinal detectável (306) é diferente das tensões, correntes, ou ambas transientes e harmônicas geradas.

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