BRPI1103163A2

BRPI1103163A2 - método e sistemas para controlar uma entidade de produção de energia

Info

Publication number: BRPI1103163A2
Application number: BRPI1103163-8A
Authority: BR
Inventors: Björn Andresen; Egedal Per; Obradovic Dragan
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2012-11-06
Also published as: CN102290809A; JP2012005346A; CA2743201A1; KR20110137262A; US20110313591A1; EP2397689A1; NZ593210A

Abstract

MéTODO E SISTEMAS PARA CONTROLAR UMA ENTIDADE DE PRODUçãO DE ENERGIA. A invenção refere-se a um método para controlar uma entidade de produção de energia, o método compreendendo: gerar uma pluralidade de sinais de energia elétrica por uma pluralidade de entidades de produção de energia; medir uma pluralidade ile níveis de energia da pluralidade de sinais de energia; modificar a pluralidade de sinais de energia; suprir a pluralidade de sinais de energia modificados em um nodo comum; ajustar uma voltagem de operação de pelo menos uma entidade de produção de energia da pluralidade de entidades de produção de energia com base na pluralidade de níveis de energia medidos de modo que uma perda de energia dos sinais de energia causada pela modificação e/ou suprimento seja minimizada. Também um sistema para controlar uma entidade de produção de energia está descrita.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO E SISTEMAS PARA CONTROLAR UMA ENTIDADE DE PRODUÇÃO DE ENERGIA".

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a um método e sistema para con- trolar uma entidade de produção de energia. Especificamente, a presente invenção refere-se a um método e sistema para controlar uma entidade de produção de energia, em que uma voltagem de operação de pelo menos uma entidade de energia é ajustada.

ANTECEDENTES DA TÉCNICA

Uma instalação de produção de energia pode compreender uma pluralidade de entidades de produção de energia, tal como uma pluralidade de turbinas de vento. Os terminais de saída de energia da pluralidade de entidades de produção de energia podem estar conectados a um ponto de acoplamento comum (PCC) ao qual os sinais de energia individuais gerados por cada uma das entidades de produção de energia são supridos. Ainda, as entidades de produção de energia podem permitir o ajuste de suas voltagens de operação o qual define em qual nível de voltagem as entidades de produ- ção de energia individuais suprem a sua energia elétrica para o ponto de acoplamento comum.

Em uma instalação de produção de energia convencional as vol- tagens de operação das entidades de produção de energia individuais, tais como as turbinas de vento, são ajustadas para um mesmo ponto de ajuste de referência de voltagem. Por meio disto, a voltagem alvo desejada pode ser conseguida no ponto de acoplamento comum.

A US 6.628.103 B2 descreve um aparelho e método de controle de fator de potência, em que uma seção de controle de fator de potência controla uma corrente que flui através de uma bobina magnética de campo de um gerador de energia correspondente, por meio disto aumentando a voltagem do gerador de energia.

Pode existir uma necessidade para um método para controlar uma entidade de produção de energia o qual provê um controle aperfeiçoado da entidade de produção de energia especificamente com relação à eficiên- cia. Especificamente, pode existir uma necessidade para um método e um sistema para controlar uma entidade de produção de energia o qual seja a- perfeiçoado com relação ao ajuste de uma voltagem de operação da entida- de de produção de energia.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Esta necessidade pode ser atendida pelo assunto de acordo com as reivindicações independentes. Modalidades vantajosas da presente invenção estão descritas pelas reivindicações dependentes.

De acordo com uma modalidade um método para controlar uma entidade de produção de energia está provido, em que o método compreen- de gerar uma pluralidade de sinais de energia elétrica por uma pluralidade de entidades de produção de energia; medir uma pluralidade de níveis de energia da pluralidade de sinais de energia; modificar a pluralidade de sinais de energia; suprir a pluralidade de sinais de energia modificados em um no- do comum; ajustar uma voltagem de operação de pelo menos uma entidade de produção de energia da pluralidade de entidades de produção de energia com base na pluralidade de níveis de energia medidos de modo que a perda de energia dos sinais de energia causada pela modificação dos sinais de energia e/ou o suprimento dos sinais de energia modificados seja minimiza- da.

Cada uma da pluralidade de entidades de produção de energia pode compreender um transdutor eIetromecânico para converter a energia mecânica em energia elétrica. Especificamente, cada uma das entidades de produção de energia plurais pode compreender um gerador elétrico. A ener- gia elétrica pode ser gerada pelo gerador da energia mecânica, tal como a energia de vento, energia de onda, e/ou energia do sol.

A pluralidade de níveis de energia da pluralidade de sinais de energia gerados pela pluralidade de entidades de produção de energia pode ser medida por qualquer dispositivo de medição adequado o qual é respon- sivo à energia elétrica. Os níveis de energia podem, por exemplo, ser medi- dos pela medição de uma voltagem e uma corrente dos sinais de energia, em que a energia pode ser determinada como um produto da corrente e da voltagem medidas. Os níveis de energia podem ser medidos em uma saída dos geradores compreendidos nas entidades de produção de energia. Os níveis de energia medidos podem representar a energia elétrica originalmen- te gerada da pluralidade de entidades de produção de energia.

O sinal de energia elétrica gerado por um gerador de uma enti- dade de produção de energia pode compreender um sinal de energia alter- nada o qual varia com uma freqüência dependendo de um estado operacio- nal da entidade de produção de energia correspondente. Ainda, o nível de energia do sinal de energia elétrica pode depender do estado operacional da entidade de produção de energia. Especificamente, para uma turbina de vento, o nível de energia elétrica e a freqüência do sinal de energia elétrica gerados pela turbina de vento podem depender de condições de vento e de ajustes das lâminas de rotor da turbina de vento. Assim, turbinas de vento plurais podem gerar sinais de energia elétrica plurais que têm diferentes fre- qüências e que têm também diferentes níveis de energia de acordo com uma modalidade.

A modificação de um sinal de energia gerado pela entidade de produção de energia pode ocorrer entre a geração da energia elétrica origi- nal no gerador da entidade de produção de energia e o nodo comum para o qual o sinal de energia modificado de todas as entidades de produção de energia é suprido. A modificação pode compreender modificar a amplitude e/ou a fase de voltagem e/ou corrente dos sinais de energia elétrica gerados pela pluralidade de entidades de produção de energia. A modificação pode, por exemplo, compreender mudar uma freqüência do sinal de energia elétri- ca para uma freqüência a qual é ajustada por normas locais. A freqüência pode, por exemplo, ser de 50 Hz ou 60 Hz. A modificação da pluralidade de sinais de energia pode causar uma perda de energia. A modificação da plu- ralidade de sinais de energia pode compreender conduzir ou transmitir os níveis de energia através de uma pluralidade de impedâncias as quais mo- delam as influências elétricas de componentes elétricos dispostos entre cada gerador de uma entidade de produção de energia e o nodo comum. Assim, uma energia suprida para o nodo comum pode ser pela perda de energia menor do que uma soma de níveis de energia elétrica ge- rados na pluralidade de entidades de produção de energia, especificamente gerados nas saídas de geradores plurais das entidades de produção de e- nergia plurais.

O nodo comum pode ser um ponto de conexão elétrica no qual as entidades de produção de energia plurais são conectáveis, por exemplo, através de comutadores plurais os quais permitem conectar ou desconectar cada uma das entidades de produção de energia plurais no nodo comum. O suprimento da pluralidade de sinais de energia modificados no nodo comum pode pelo menos parcialmente também causar alguma perda de energia.

A perda de energia dos sinais de energia pode ser definida de acordo com uma modalidade como uma diferença de uma soma de sinais de energia gerados pela pluralidade de entidades de produção de energia e uma energia suprida para o nodo comum. Especificamente, a perda de e- nergia pode ser calculada levando em consideração as propriedades elétri- cas de componentes elétricos dispostos dentro do percurso elétrico de cada gerador para o nodo comum. Especificamente, as leis da eletricidade e as equações de Maxwell e/ou as leis de Kirchhoff podem ser aplicadas para derivar a perda de energia quando os níveis de energia da pluralidade de sinais de energia são conhecidos e quando a voltagem e/ou a corrente no nodo comum e/ou em outro nodo além do nodo comum são conhecidas.

A voltagem de operação de cada uma das entidades de produ- ção de energia pode ser entre 650 V e 740 V. Em outras modalidades, a vol- tagem de operação de cada uma das entidades de produção de energia po- de assumir outros valores. A modificação da pluralidade de sinais de energia pode envolver transformar os sinais de energia para uma voltagem mais alta tal como entre 30 kV - 40 kV. Em outras modalidades a modificação da plu- ralidade de sinais de energia pode envolver transformar os sinais de energia para uma voltagem mais alta tendo outro valor.

De acordo com uma modalidade, o ajuste da voltagem de ope- ração da pelo menos uma entidade de produção de energia é executado de modo que uma voltagem no nodo comum esteja dentro de um mínimo pre- determinado e um máximo predeterminado de uma voltagem de nodo alvo, especificamente em uma faixa de 0,5 a 1,5 vezes uma voltagem de nodo alvo predeterminada, adicionalmente especificamente em uma faixa de 0,9 a 1,1 vezes uma voltagem de nodo alvo predeterminada.

O mínimo predeterminado e o máximo predeterminado da volta- gem de nodo alvo podem depender das normas locais. De acordo com uma modalidade, a voltagem no nodo comum pode ser diferente em diferentes instâncias de tempo. Especificamente, para minimizar a perda de energia pode ser necessário ajustar a voltagem de operação de pelo menos uma entidade de produção de energia de modo que a voltagem do nodo comum varie com o tempo.

De acordo com uma modalidade, o método compreende ajustar a voltagem de operação de mais do que uma da pluralidade de entidades de produção de energia. De acordo com uma modalidade a voltagem de opera- ção de todas da pluralidade de entidades de produção de energia é ajustada de modo a minimizar a perda de energia.

Explorando que a voltagem no nodo comum pode variar a volta- gem de operação de pelo menos uma entidade de produção de energia po- de ser ajustada de modo que a perda de energia possa ser ainda adicional- mente reduzida.

De acordo com uma modalidade, o ajuste da(s) voltagem(ns) de operação de pelo menos uma entidade de produção de energia (ou mais do que uma entidade de produção de energia) é executado de modo que a(s) voltagem(ns) de operação ajustada(s) esteja(m) dentro de um mínimo prede- terminado e um máximo predeterminado de uma voltagem de operação alvo, especificamente dentro de uma faixa de 0,9 a 1,1 vezes uma voltagem de operação alvo predeterminada.

Por meio disto, o mínimo predeterminado e um máximo prede- terminado de uma voltagem de operação alvo para cada uma da pluralidade de entidades de produção de energia podem depender de normas locais. De acordo com uma modalidade, a voltagem de operação alvo predeterminada pode chegar a 650 V - 740 V, especificamente 690 V. De acordo com uma modalidade as voltagens de operação ajustadas em duas entidades de pro- dução de energia diferentes são diferentes por mais de 10%. De acordo com uma modalidade mais do que duas voltagens de operação ajustadas em mais do que duas entidades de produção de energia diferem por um fator maior do que 1,1. Explorando que as voltagens de operação podem ser dife- rentemente ajustadas em diferentes entidades de produção de energia a perda de energia pode ser mesmo adicionalmente reduzida. Por meio disto, a eficiência de uma instalação de produção de energia controlada pelo mé- todo de acordo com uma modalidade pode ser aperfeiçoada referente à sua eficiência.

De acordo com uma modalidade o ajuste da voltagem de opera- ção é executado de modo que pelo menos duas voltagens de operação ajus- tadas sejam diferentes. As voltagens de operação ajustadas diferentes são ajustadas em duas entidades de produção de energia diferentes. Especifi- camente, a voltagem de operação da entidade de produção de energia pode representar uma voltagem de terminal de turbina de vento de uma turbina de vento. O ajuste da voltagem de operação de duas entidades de produção de energia diferentes para um nível diferente pode levar a uma menor perda de energia do que ajustar a voltagem de operação das duas entidades de pro- dução de energia diferentes para um mesmo nível. De acordo com uma mo- dalidade pelo menos duas voltagens de operação ajustadas em duas enti- dades de produção de energia diferentes diferem por um fator de mais do que 1,1. Por meio disto, a eficiência da instalação de produção de energia controlada pelo método de acordo com uma modalidade pode mesmo ser adicionalmente aperfeiçoada.

De acordo com uma modalidade o ajuste da voltagem de opera- ção está adicionalmente baseado no estabelecimento de uma relação entre a perda de energia e a voltagem de operação. Especificamente a perda de energia pode ser calculada como uma soma de perdas de energia parciais que ocorrem no percurso elétrico entre os geradores das entidades de pro- dução de energia e o nodo comum. Cada perda de energia parcial pode ser modelada com base em uma ou mais impedâncias específicas e sobre uma corrente que corre através das impedâncias. As impedâncias podem especi- ficamente ser impedâncias complexas que causam um deslocamento de fase relativo entre a voltagem e a corrente aplicadas nas impedâncias. A corrente que corre através das impedâncias pode depender da voltagem operacional ajustada nas entidades de produção de energia plurais. Por meio disto, uma relação funcional (relação matemática) entre a perda de e- nergia e a(s) voltagem(ns) de operação pode ser estabelecida. De modo a determinar as voltagens de operação as quais devem ser ajustadas nas en- tidades de produção de energia plurais devem ser ajustadas nas entidades de produção de energia plurais um gradiente desta relação funcional com relação a todas as voltagens de operação aplicadas nas entidades de pro- dução de energia plurais pode ser derivado. O gradiente (que representa uma quantidade vetorial que tem um número de componentes que corres- ponde ao número de entidades de produção de energia) pode então ser a- justado para zero de modo a encontrar as voltagens de operação que levam a uma perda de energia mínima. Por meio disto, o ajuste da(s) voltagem(ns) de operação pode ser executado em um modo simples e confiável.

De acordo com uma modalidade a modificação da pluralidade de sinais de energia compreende converter a pluralidade de sinais de energia para uma freqüência predeterminada; transformar a pluralidade de sinais de energia convertidos para uma voltagem mais alta; e transmitir a pluralidade de sinais de energia transformados para o nodo comum.

A saída de energia emitida de cada gerador das entidades de produção de energia plurais pode ser um sinal alternado que tem uma fre- qüência variável dependendo de diversas condições ambientais. A conver- são da pluralidade de sinais de energia pode compreender converter os si- nais de energia alternados para uma corrente contínua (CC) e converter a corrente contínua para sinais alternados que têm uma freqüência predeter- minada, tal como 50 Hz ou 60 Hz. A freqüência predeterminada pode de- pender de normas locais. Ainda, a conversão da pluralidade de sinais de energia pode compreender mudar uma relação de fase entre a voltagem e a corrente dos sinais de energia, especificamente envolvendo mudar o ângulo de fase φ.

A transformação da pluralidade de sinais de energia convertidos para uma voltagem mais alta pode compreender transformar os sinais de energia convertidos de aproximadamente 690 V para uma faixa de voltagem entre 30 kV e 40 kV, especificamente 33 kV. A transformação da pluralidade de sinais de energia convertidos para uma voltagem mais alta pode envolver uma perda de energia na etapa de transmitir os sinais de energia transfor- mados para o nodo comum.

De acordo com uma modalidade o ajuste das voltagens de ope- ração está adicionalmente baseado na modelagem da modificação da plura- lidade de sinais de energia utilizando uma simulação, especificamente con- siderando um gradiente da perda de energia dos sinais de energia com rela- ção a pelo menos uma das voltagens de operação. A modelagem pode compreender estabelecer uma representação física matemática de compo- nentes elétricos compreendidos na instalação de produção de energia. As propriedades de componentes elétricos podem ser modeladas designando impedâncías (complexas). Especificamente a perda de energia pode ser descrita (por modelagem ou estabelecendo um modelo de simulação) como uma função matemática que depende (pelo menos) da(s) voltagem(ns) de operação. Especificamente, um gradiente da perda de energia dos sinais de energia com relação a pelo menos uma das voltagens de operação pode indicar uma direção ou um modo como as voltagens de operação devem ser ajustadas de modo a minimizar a perda de energia.

A conversão da pluralidade de sinais de energia pode ser mode- lada por uma impedância ZreaIor- a transformação da pluralidade de sinais de energia convertidos pode ser modelada como uma impedância Zturbina Tx e a transmissão da pluralidade de sinais de energia transformados pode ser mo- delada como uma impedância Znnha. Identificando e modelando as porções individuais da modificação da pluralidade de sinais de energia o ajuste da voltagem de operação da peio menos uma entidade de produção de energia pode ser ainda adicionalmente aperfeiçoado de modo que a perda de ener- gia seja minimizada.

Utilizando o modelo estabelecido uma simulação pode ser exe- cutada (por exemplo, com base em quantidades medidas) para predizer as voltagens e as correntes em diferentes pontos (nodos) dentro da instalação de produção de energia. Destes valores preditos a perda de energia pode ser derivável o que pode especificamente depender das voltagens de opera- ção da pluralidade de entidades de produção de energia. Por meio disto, pode ser permitido determinar estas voltagens de operação das entidades de produção de energia plurais que conduzem a uma perda de energia mí- nima da instalação de produção de energia.

De acordo com uma modalidade, o método para controlar uma entidade de produção de energia pode ainda compreender medir uma volta- gem no nodo comum, em que o ajuste da(s) voltagem(ns) de operação é adicionalmente baseado na voitagem de nodo comum medida.

O ajuste da(s) voltagem(s) de operação da pelo menos uma en- tidade de produção de energia pode compreender um processo iterativo o qual pode compreender determinar a(s) voitagem(s) de operação a serem ajustadas, ajustar a(s) voitagem(s) de operação, medir a voitagem no nodo comum (a qual pode ter mudado devido ao ajuste da(s) voítagem(s) de ope- ração), comparar a voitagem medida no nodo comum com um valor alvo predeterminado da voitagem de nodo comum, e corrigir o ajuste da(s) volta- gem(s) de operação de modo que uma diferença entre a voitagem medida no nodo comum e a voitagem alvo no nodo comum diminua. Assim, a voita- gem medida no nodo comum pode ser utilizada como um sinal de retorno para aperfeiçoar o ajuste da(s) voltagem(s) de operação de modo a minimi- zar a perda de energia.

De acordo com uma modalidade o ajuste da(s) voltagem(s) de operação está adicionalmente baseado em uma solução de minimização de perda de energia sob a limitação que a voitagem no nodo comum permane- ça dentro de um mínimo predeterminado e um máximo predeterminado de uma voitagem de nodo alvo, especificamente dentro de uma faixa de 0,9 a .1,1 vezes a voitagem de nodo alvo predeterminada. Pela modelagem da instalação de produção de energia este problema pode ser transferido para um problema de otimização matemática que tem uma limitação. Por meio disto o ótimo do ajuste da(s) voltagem(s) de operação na pelo menos uma entidade de produção de energia pode ser derivado em um modo fácil. Especificamente esta proposta pode não reque- rer medir a voltagem no nodo comum. Ao contrário dados os níveis de ener- gia medidos da pluralidade de sinais de energia gerados pela pluralidade de entidades de produção de energia a(s) voltagem(s) de operação de pelo menos uma entidade de produção de energia podem ser calculadas como a solução de minimização de perda de energia sob a limitação e esta(s) volta- gem(s) de operação derivada(s) pode(m) ser ajustada(s) na pelo menos uma entidade de produção de energia sem requerer medir a voltagem no nodo comum, especificamente sem requerer ter um retorno da voltagem medida no nodo comum. Por meio disto, a(s) voltagem(s) de operação ótima(s) po- de(m) ser derivada(s) "offline" em um modo de Ioop aberto.

De acordo com uma modalidade, um sistema para controlar uma entidade de produção de energia está provido, em que o sistema compreen- de um nodo comum no qual uma pluralidade de sinais de saída de energia modificados é suprida, a pluralidade de sinais de saída de energia modifica- dos sendo obtida pela modificação de uma pluralidade de sinais de energia elétrica gerados por uma pluralidade de entidades de produção de energia; um sistema de medição para determinar os níveis de energia da pluralidade de sinais de saída de energia; e uma unidade de controle adaptada para a- justar uma voltagem de operação de pelo menos uma da pluralidade de en- tidades de produção de energia de modo que uma perda de energia causa- da pela modificação dos sinais de energia elétrica e/ou pelo suprimento dos sinais de energia elétrica modificados para o nodo comum seja minimizada.

A pluralidade de entidades de produção de energia pode especi- ficamente compreender pelo menos uma turbina de vento. Cada uma da plu- ralidade de entidades de produção de energia pode compreender um trans- dutor eietromecánico para converter a energia mecânica em energia elétrica. Especificamente, cada uma da pluralidade de entidades de produção de e- nergia pode compreender um gerador elétrico, um conversor CA/CA para converter um sinal de energia elétrica emitido do gerador para um sinal de energia elétrica que tem uma freqüência predeterminada e que tem uma vol- tagem e/ou corrente predeterminadas, especificamente sendo um sinal de energia trifásico. Ainda, cada uma da pluralidade de entidades de produção de energia pode compreender um circuito de filtro para filtrar adicionalmente o sinal de energia CA emitido do conversor de modo a transformá-lo para um sinal que tem pelo menos aproximadamente uma forma senoidal com rela- ção ao tempo.

Ainda, cada uma da pluralidade de entidades de produção de energia pode compreender um transformador para transformar o sinal de energia filtrado emitido do circuito de filtro para uma voltagem mais alta, tal como uma voltagem entre 30 kV e 40 kV. Ainda, o sinal de energia transfor- mado pode ser transmitido para o nodo comum através de uma linha de transmissão.

Transferir o sinal de energia originalmente gerado pelo gerador das entidades de produção de energia para o nodo comum pode causar uma perda de energia a qual pode depender dos componentes elétricos no per- curso de transferência entre o gerador e o nodo comum. A perda de energia para cada entidade de produção de energia individual de seu gerador para o nodo comum pode especificamente depender da voltagem de operação da entidade de produção de energia. Especificamente, as entidades de produ- ção de energia podem compreender diferentes componentes elétricos entre os seus geradores e o nodo comum e podem também prover diferentes ní- veis de energia em seus geradores de modo que as perdas de energia indi- viduais das diferentes entidades de produção de energia podem ser diferen- tes.

A perda de energia (ou perda de energia total) pode ser repre- sentada por uma soma de perdas de energia individuais da pluralidade de entidades de produção de energia. Devido à unidade de controle a qual ajus- ta a(s) voltagem(ns) de operação de pelo menos uma pluralidade de entida- des de produção de energia (de acordo com uma modalidade as voltagens de operação de todas as entidades de produção de energia são ajustadas pela unidade de controle) a eficiência de uma instalação de produção de e- nergia que inclui as entidades de produção de energia pode ser aperfeiçoa- da.

De acordo com uma modalidade o sistema de medição compre- ende um sensor de voltagem para medir uma voltagem no nodo comum e/ou um sensor de energia para medir uma energia de uma soma da pluralidade de sinais de sinal de saída de energia. O sensor de energia pode ser um dispositivo para medir uma quantidade indicativa de uma energia da soma da pluralidade de sinais de saída de energia ou indicativa de uma soma de uma energia da pluralidade de sinais de saída de energia. Ao invés de medir a voltagem no nodo comum o sensor de voltagem pode estar adaptado para medir uma voltagem em um nodo diferente do nodo comum, tal como um nodo adicionalmente a jusante (especificamente além de um transformador de alta voltagem) do nodo comum. A voltagem medida no nodo comum e/ou a energia medida em cada turbina individual ou entidade de produção de energia ou a soma medida da energia emitida das entidades de produção de energia plurais pode ser utilizada para determinar a(s) voltagem(ns) de ope- ração a ser(em) ajustada(s) no pelo menos um da pluralidade de entidades de produção de energia de modo a minimizar a perda de energia. Por meio disto, o método de controle executado pela unidade de controle pode ser aperfeiçoado.

De acordo com uma modalidade uma instalação de energia elé- trica compreende um sistema para controlar uma entidade de produção de energia de acordo com uma modalidade como acima descrito; e uma plurali- dade de entidades de produção de energia adaptadas para gerar a plurali- dade de sinais de saída de energia. Comparada com uma instalação de e- nergia elétrica convencional a instalação de energia elétrica de acordo com uma modalidade pode ter uma eficiência aperfeiçoada.

De acordo com uma modalidade a unidade de controle está a- daptada para controlar a voltagem com base em um modelo da instalação de energia elétrica. Por meio disto, a eficiência da instalação de energia elé- trica é ainda adicionalmente aperfeiçoada.

Deve ser notado que as modalidades da invenção foram descri- tas com referência a diferentes assuntos. Especificamente, algumas modali- dades foram descritas com referência a reivindicações do tipo de método enquanto que outras modalidades foram descritas com referência a reivindi- cações do tipo de aparelho. No entanto, uma pessoa versada na técnica perceberá do acima e da descrição seguinte que, a menos que de outro mo- do notificado, além de qualquer combinação de características que perten- çam a um tipo de assunto também qualquer combinação entre as caracterís- ticas relativas a diferentes assuntos, especificamente entre as características das reivindicações do tipo de método e as características das reivindicações do tipo de aparelho está considerada como descrita com este documento.

Os aspectos acima definidos e aspectos adicionais da presente invenção são aparentes dos exemplos de modalidades a serem daqui em diante descritos e explicados com referência aos exemplos de modalidade. A invenção será daqui em diante descrita em mais detalhes com referência a exemplos de modalidades, mas aos quais a invenção não está limitada.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

As modalidades da invenção serão agora descritas com relação aos desenhos acompanhantes.

Figura 1 ilustra esquematicamente uma instalação de produção de energia de acordo com uma modalidade;

figura 2 ilustra esquematicamente um sistema para controlar uma entidade de produção de energia de acordo com uma modalidade;

figura 3 ilustra esquematicamente uma instalação de produção de energia de acordo com uma modalidade adicional;

figura 4 ilustra esquematicamente um método e um sistema para controlar uma entidade de produção de energia;

figura 5 ilustra esquematicamente um controle de voltagem de turbina; e

figura 6 ilustra esquematicamente uma estratégia de controle de voltagem de turbina de acordo com uma modalidade. DESCRIÇÃO DETALHADA

A ilustração no desenho é esquemática, deve ser notado que em diferentes figuras, entidades similares ou idênticas estão providas com os mesmos símbolos de referência ou com símbolos de referência, os quais são diferentes dos símbolos de referência correspondentes somente dentro do primeiro dígito.

A figura 1 ilustra esquematicamente uma instalação de produção de energia 100 de acordo com uma modalidade. A instalação de produção de energia 100 compreende geradores 101 plurais (especificamente turbinas de vento plurais) os quais emitem sinais de energia elétrica em suas saídas. A energia dos sinais de energia emitidos dos geradores 101 pode represen- tar como uma soma da saída de energia original da pluralidade de geradores 101. Os sinais de energia elétrica plurais emitidos dos geradores 101 são alimentados através de um número de componentes elétricos para um ponto de acoplamento comum (PCC) 103 através de percursos elétricos 105. Transferindo os sinais de energia elétrica dos geradores 101 para o nodo comum 103 uma perda de energia ocorre a qual pode depender de uma vol- tagem de operação VteriTiinai nos conversores AC/AC 107 para os quais os sinais de energia emitidos dos geradores 101 são providos.

A propriedade elétrica dos conversores 107 com relação à perda de energia é modelada pelas impedâncias ZreatOr. O percurso elétrico 105 ainda compreende um filtro para filtrar o sinal de energia convertido o qual é modelado como uma impedância Zfiitro_pWm.. Uma perda de energia adicional ocorre devido a um equipamento elétrico auxiliar na turbina o qual é modela- do como uma impedância Zauxiar- Ainda, o sinal de energia convertido, filtra- do é transformado através de um transformador 109 e então transmitido para o nodo comum 103, em que a transmissão é modelada como uma impedân- cia Ziinha ·

Além do nodo comum 103 um transformador principal 111 está disposto no percurso elétrico para transformar os sinais de energia combina- dos para uma alta voltagem para transmissão para a grade 113, em que a transmissão (possivelmente sobre longas distâncias) é modelada por uma impedância Zgrade.

Uma estação de medição 115 está adaptada para medir a volta- gem Vpcc e a corrente Ipcc no nodo 103 que representa o ponto de acopla- mento comum (PCC). Ainda, a estação de medição 115 está adaptada para medir uma perda de energia Pperda a qual é devido à modificação dos sinais de energia elétrica emitidos dos geradores 101 e supri-los para o nodo co- mum 103 através dos percursos elétricos 105.

A estação de medição 115 provê estes valores e/ou valores de- rivados destas quantidades medidas para um piloto de parque de alto de- sempenho (HPPP) 117. A unidade de controle 117 está adaptada para ajus- tar os níveis de energia de referência (Pref) e supri-los para as unidades de controle de turbina de vento 119. Ainda, a unidade de controle 117 está a- daptada para suprir os tempos de ajuste de voltagem de operação VreUwnto- de-ajuste para os conversores CA/CA 107. Especificamente, os pontos de ajus- te de voltagem de operação supridos para os diferentes conversores 107 podem ser diferentes de modo que a perda de energia da instalação de pro- dução de energia seja minimizada.

Especificamente, a unidade de controle 117 (HPPP) tem uma funcionalidade de despacho de voltagem ótima 118 onde um ponto de ajuste de referência individual é derivado para cada controlador de turbina de vento 119 e onde os pontos de ajuste de referência podem ser diferentes uns dos outros. O propósito da funcionalidade de despacho de voltagem ótima 118 de HPPP é reduzir a perda de energia total (perda de transmissão) no par- que eólico e, portanto, um algoritmo de otimização de energia é implementa- do na unidade de controle 117. Portanto, a unidade de controle 117 despa- cha as referências de energia e as referências de voltagem para o controla- dor 119 e o controlador de conversor dentro do conversor CA/CA 107. Estes dois valores de referência são utilizados para criar uma corrente complexa do conversor 107. A rede elétrica consiste em uma impedância Zreator para representar o reator de uniformização o qual está colocado na saída do con- versor 107. Uma impedância Zfiitro_pwm e ZauxjIiar é colocada no terminal de turbina de 690 Vea voltagem de terminai é alimentada de volta para o con- troiador de conversor para manter 690 V no terminal. Cada turbina tem o seu próprio transformador de turbina 109 onde a impedância de linha de trans- missão está conectada no lado de HV (alta voltagem). Todas as turbinas estão conectadas a um barramento (33 kV) que inclui o nodo comum 103. O barramento está conectado no transformador de grade 111 (transformador de park) o qual conecta na grade 113. As medições são coletadas pela esta- ção de medição 115 no nodo de PCC 103 e estes valores são utilizados co- mo retorno na configuração de Ioop fechado ilustrada na figura 1. O HPPP117 aplica o algoritmo de despacho de voltagem ótima para calcular as refe- rências de voltagem ótima Vref_p0nt0^e-ajuste-

A figura 2 ilustra esquematicamente um modelo de simulação de acordo com uma modalidade o qual pode ser utilizado na instalação de pro- dução de energia ilustrada na figura 1. Especificamente o modelo de simula- ção ilustrado na figura 2 pode ser utilizado no algoritmo de despacho de vol- tagem ótima 118 dentro da unidade de controle 117 ilustrada na figura 1 de acordo com uma modalidade. O modelo de simulação 221 compreende um algoritmo de despacho de voltagem implementado para reduzir a perda de energia em parques eólicos. O modelo de simulação da invenção compre- ende um modelo de parque eólico 223 com o propósito de simular uma e- nergia ativa e reativa em diferentes níveis e como a otimização de perda de energia está em foco, um algoritmo de despacho de voltagem está incluído no modelo. O modelo de simulação 221 está adaptado para

- otimização de energia em parques eólicos

- simulação de energia ativa e reativa em todos os níveis (fluxo em linha de transmissão, PCC, etc.)

- respostas em todos os níveis devidos a mudança de parâmetro (Kp, Ki, número de turbinas, etc.)

Em uma primeira etapa um modelo de um parque eólico é cons- truído. Este modelo é construído para ser capaz de simular e verificar dife- rentes cenários do parque eólico. O modelo de parque eólico 223 inclui:

- VCCS (fonte de corrente controlada por voltagem que simula a corrente de conversor) - Reator de conversor

- Filtro

- Auxiliar

- Wt / transformador de parque

- Linha de transmissão

- Grade

Estes são apenas componentes elétricos exemplares os quais podem ser considerados na construção do modelo de parque eólico. Estes componentes são modelados com relação às leis da eletricidade. A unidade de controle de WT controla a voltagem de terminal sobre a turbina compa- rando a Vter medida e a Vrefjxjnto..de-ajuste recebida do controlador de parque 117 ilustrado na figura 1 ou o controlador de parque 217 ilustrado na figura 2.

As linhas grossas na figura 2 indicam os sinais de vetor / matriz, enquanto que as linhas finas são valores escalares. Os sinais de vetor são indexados como segue

<formula>formula see original document page 18</formula>

Iconf_f é a saída de corrente (número complexo do conversor 107 na turbina de vento número 1. A mesma estrutura de índice é válida para os vetores Vter e Vref_ponto-de-ajuste - A perda em um parque eólico é dada pela dife- rença entre a soma de energia ativa gerada de cada turbina 101 e a energia ativa no nodo comum 103 (em PCC):

A equação para otimização é:

<formula>formula see original document page 18</formula>

Mais aindar a perda total da turbina 101 para o nodo comum 103 (PCC) é dada como as perdas individuais no reator de conversor, filtro de PWM1 auxiliar, transformador de turbina e linha de transmissão:

<formula>formula see original document page 19</formula>

A voltagem de terminal Vtefl a corrente de conversor Iconv e Iin são todas dependentes da voltagem no nodo comum 103 (PCC)1 enquanto que as impedâncias e as resistências são constantes.

Abaixo dois métodos estão descritos para derivar as voltagens de despacho Vref_ponto-de-ajuste as quais podem ser aplicadas na instalação de produção de energia 100 ilustrada na figura 1.

MÉTODO 1:

Pperda deve ser minimizado com relação à voltagem de despacho Vref_ponto-de-3juste, Onde

<formula>formula see original document page 19</formula>

O ponto de ajuste emitido do controlador de parque é um núme- ro real. A perda de energia ativa depende da magnitude do ponto de ajuste, portanto escalando Vrefjonto-de-ajuste multiplicando com uma matriz de ganho nos dará a possibilidade de minimizar a perda de energia ativa. A matriz po- de compreender um ganho sintonizável de número real controlado adapta- velmente ou com filtros de predição (isto é, algoritmo de Burg1 Levinson- Durbin1 Wiener).

MÉTODO 2:

Pperda deve ser minimizado com relação à voltagem de despacho Vref_ponto-de-ajuste> Onde

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A equação para otimização pode ser: <formula>formula see original document page 20</formula>

A figura 3 ilustra esquematicamente uma instalação de produção de energia 300 de acordo com outra modalidade. A construção da instalação de produção de energia 300 é similar à construção da instalação de produ- ção de energia 100 ilustrada na figura 1. No entanto, a unidade de controle 217 é diferente da unidade de controle 117 ilustrada na figura 1 especifica- mente com relação ao algoritmo como derivar e ajustar as voltagens de ope- ração Vref_ponto-de-ajijste·

A unidade de controle 217 compreende uma função de despa- cho de voltagem ótima a qual permite ajustar diferentes pontos de ajuste de referência para cada conversor 307 para cada gerador 301 (de turbina de vento). Por meio disto, o controle está baseado em otimização, especifica- mente minimização, da perda de energia. Em uma instalação de produção de energia convencional as diferenças entre as diferentes turbinas referentes à sua energia produzida e às propriedades e comprimentos de linha de transmissão para o nodo comum 303 (PCC) pode levar a perdas de energia desnecessárias se negligenciados. A unidade de controle 317 está adaptada para prover os ajustes de voltagem ótimos para a turbina de modo que a perda de energia total seja minimizada.

Em contraste com a modalidade 100 ilustrada na figura 1 a mo- dalidade 300 ilustrada na figura 3 está baseada em uma configuração de loop aberto da unidade de controle 317, assim não requerendo nenhum re- tomo de uma medição da voltagem no nodo comum 303 como era requerido na modalidade ilustrada na figura 1. Em contraste com a modalidade ilustra- da na figura 1 a unidade de controle 317 baseia-se em um modelo correto do parque eólico ou da instalação de produção de energia 300 inteira de modo a derivar os ajustes de voltagem ótimos Vref_ponto-de-ajuste a serem ajustados nos conversores 307. Assim, ao invés de retomar os valores medidos Vpcc, Ipcc no algoritmo de controle compreendido na unidade de controle 317 estes valores são utilizados para verificar, se os resultados da otimização de Ioop aberto realmente leva aos valores desejados no nodo comum 303. O KPPP (unidade de controle 317) aplica o algoritmo de despacho de voltagem de loop aberto ótimo para calcular as referências de voltagem ótima. O cálculo pode ser baseado em um modelo de rede de transmissão de parque eólico, as informações sobre a energia produzida pelas turbinas individuais, a defi- nição da função de custo (perdas de energia até o nodo comum 303) e a definição de valores de voltagem aceitáveis na turbina individual e no PCC (nodo comum 303). Abaixo detalhes sobre a simulação de uma função de despacho de loop aberto estão descritos.

O problema de otimização é de acordo com esta modalidade a minimização das perdas de transmissão sob a limitação que a magnitude das voltagens de terminal em cada turbina e a magnitude da voltagem no nodo comum 303 (PCC) estejam entre limites fornecidos, por exemplo, entre 0,9 e 1,1 de valores de base (valores nominais).

Com isto, este é um problema de otimização de limitação sobre a rede de conexão de parque eólico dada dentro de uma limitação de quali- dade onde N é o número de turbinas:

<formula>formula see original document page 21</formula>

Os parâmetros livres (xi ... xN) podem ou ser:

1. As voltagens de terminal de turbina Vter- Neste caso, os con- troladores de voltagem de turbina podem ser mantidos no modelo utilizado na otimização e estes determinam as correntes complexas necessárias no conversor Id. O controlador de parque ou unidade de controle 317 (HPPP) não está ativo (está removido do loop) durante a otimização.

2. A parte complexa das correntes de conversor Ig. Neste caso os controladores de voltagem de turbina são retirados do Ioop também e o modelo é diretamente alimentado com as correntes Id. Esta otimização é mais rápida "mais limpa", já que os parâmetros dos controladores de volta- gem de turbina não restringem a otimização. Uma vez que a Id ótima é obtí- da, as Vter correspondentes estão também automaticamente disponíveis pa- ra cada turbina individual.

Este problema de otimização é resolvido por um algoritmo de o- timização de limitação "ajustado ativo" iterativo o qual leva em conta a estru- tura do problema.

A implementação do algoritmo de despacho de voltagem ótima está apresenta na figura 4. O bloco de otimização compreende as seguintes equações as quais são utilizadas para a otimização:

- O modelo de circuito linear com uma dada matriz de admitância Υ, o vetor de correntes de nodo I e as voltagens U correspondentes (onde algumas entradas são fixas):

Y-U = I

- As correntes e o filtro e o auxiliar são definidos em cada turbina "k" individualmente através de energia aparente

<formula>formula see original document page 22</formula>

- A parte real da corrente de conversor Ici em cada turbina "k" é proporcional à energia produzida da turbina Pk:

<formula>formula see original document page 22</formula>

A função de custo, como acima apresentada, é a soma das per- das de energia reais sobre todas as turbinas no controlador, no filtro, no au- xiliar, no transformador e similares para o PCC (nodo comum 303).

As equações acima podem ser utilizadas para calcular analiti- camente as funções de gradiente locais utilizadas no algoritmo de otimiza- ção. Alternativamente, os gradientes podem ser numericamente estimados por execuções de modelo repetidas com valores de parâmetro ligeiramente mudados.

No regime de estado estável, a otimização aqui proposta pode não ser perturbada pela evolução de tempo do sistema. No caso de modelo dinâmico, a função de perda de energia pode ser otimizada sobre diversas etapas de tempo no futuro (intervalo de tempo fixo); neste caso a otimização poderia ser vista como uma aplicação de controle preditivo de modelo.

As figuras 5 e 6 mostram esquematicamente como a ld_setpoint pode ser injetada no controlador de corrente de acordo com uma modalida- de.

A otimização de Ioop aberto (ver a modalidade ilustrada na figura 3) pode prover as voltagens de terminal ótimas assim como as correntes de conversor complexas (todas estas estão disponíveis resolvendo as equa- ções de circuito). Com isto, o controlador de WTC 319 (o qual no caso pa- drão gera a corrente complexa) pode utilizar a corrente complexa ótima já disponível no modo de alimentação. Com isto, com este termo de alimenta- ção o controlador pode ser muito mais rápido do que sem este e o seu papel pode então ser somente para estabilizar o ponto de operação ótimo já provi- do.

Naturalmente, o controlador pode também fazer o seu trabalho sem este termo de alimentação, mas será mais lento.

Deve ser notado que o termo "compreendendo" não exclui ou- tras entidades ou etapas e "um" ou "uma" não exclui uma pluralidade. Tam- bém as entidades descritas em associações com diferentes modalidades podem ser combinadas. Deve também ser notado que os símbolos de refe- rência nas reivindicações não devem ser considerados como limitando o es- copo das reivindicações.

Claims

1. Método para controlar uma entidade de produção de energia, o método compreendendo: - gerar uma pluralidade de sinais de energia elétrica por uma pluralidade de entidades de produção de energia; - medir uma pluralidade de níveis de energia da pluralidade de sinais de energia; - modificar a pluralidade de sinais de energia; - suprir a pluralidade de sinais de energia modificados em um nodo comum; - ajustar uma voltagem de operação de pelo menos uma entida- de de produção de energia da pluralidade de entidades de produção de e- nergia com base na pluralidade de níveis de energia medidos de modo que uma perda de energia dos sinais de energia causada pela modificação e/ou suprimento seja minimizada.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, em que o ajuste da voltagem de operação é executado de modo que uma voltagem no nodo comum esteja dentro de um mínimo predeterminado e um máximo prede- terminado de uma voltagem de nodo alvo, especificamente em uma faixa de .0,9 a 1,1 vezes uma voltagem de nodo alvo predeterminada.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que o ajus- te da voltagem de operação é executado de modo que a voltagem de opera- ção ajustada esteja dentro de um mínimo predeterminado e um máximo pre- determinado de uma voltagem de operação alvo, especificamente em uma faixa de 0,9 a 1,1 vezes a voltagem de operação alvo predeterminada.

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a .3, em que o ajuste da voltagem de operação é executado de modo que pelo menos duas voltagens de operação ajustadas são diferentes.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a .4, em que o ajuste da voltagem de operação está adicionalmente baseado em estabelecer uma relação entre a perda de energia e a voltagem de ope- ração.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, em que a modificação da pluralidade de sinais de energia compreende: - converter a pluralidade de sinais de energia para uma freqüên- cia predeterminada; - transformar a pluralidade de sinais de energia convertidos para uma voltagem mais alta; e - transmitir a pluralidade de sinais de energia transformados para o nodo comum.

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, em que o ajuste das voltagens de operação está adicionalmente baseado na modelagem da modificação da pluralidade de sinais de energia utilizando uma simulação, especificamente considerando um gradiente da perda de energia dos sinais de energia com relação a pelo menos uma das voltagens de operação.

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, ainda compreendendo medir uma voltagem no nodo comum, em que o ajuste da voltagem de operação está adicionalmente baseado na voltagem de nodo comum medida.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, em que o ajuste da voltagem de operação está adicionalmente baseado em uma solução de minimização de perda de energia sob a limitação que a voltagem no nodo comum permaneça dentro de um mínimo predeterminado e um máximo predeterminado de uma voltagem de nodo alvo, especifica- mente dentro de uma faixa de 0,9 a 1,1 vezes a voltagem de nodo alvo e as voltagens de operação permaneçam dentro de um mínimo predeterminado e um máximo predeterminado de uma voltagem de operação alvo, especifica- mente dentro de 0,9 a 1,1 vezes uma voltagem de operação alvo.

10. Sistema para controlar uma entidade de produção de energi- a, o sistema compreendendo: - um nodo comum (103, 303) no qual uma pluralidade de sinais de saída de energia modificados é suprida, a pluralidade de sinais de saída de energia modificados sendo obtida pela modificação de uma pluralidade de sinais de energia elétrica gerados por uma pluralidade de entidades de produção de energia (101, 301); - um sistema de medição (115, 315) para determinar os níveis de energia da pluralidade de sinais de saída de energia; e - uma unidade de controle (117, 217) adaptada para ajustar uma voltagem de operação de pelo menos uma da pluralidade de entidades de produção de energia de modo que uma perda de energia causada pela mo- dificação dos sinais de energia elétrica e/ou pelo suprimento dos sinais de energia elétrica modificados para o nodo comum seja minimizada.

11. Sistema de acordo com a reivindicação 10, em que o siste- ma de medição compreende um sensor de voltagem para medir uma volta- gem no nodo comum e/ou um sensor de energia para medir uma energia de uma soma da pluralidade de sinais de sinal de saída de energia.

12. Instalação de energia elétrica, que compreende: - um sistema como definido na reivindicação 10 ou 11; e - uma pluralidade de entidades de produção de energia adapta- da para gerar a pluralidade de sinais de energia.

13. Instalação de energia elétrica de acordo com a reivindicação 12, em que a unidade de controle está adaptada para ajustar a voltagem de operação com base em um modelo da instalação de energia elétrica.