ES2364206A1 - Sistema y método de control y regulación de velocidad para grupos hidráulicos tipo pelton, asi como centrales eólico hidráulicas que incorporan este sistema. - Google Patents
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Abstract
Sistema y método de control y regulación de velocidad para grupos hidráulicos tipo pelton, así como centrales eólico hidráulicas que incorporan este sistema.El sistema puede funcionar en modo operación con caudal nulo que comprende el cierre de los elementos de control de caudal o inyectores (6) que hacen nulo el caudal turbinado por el grupo hidráulico (1), o en operación en regulación de frecuencia en la que un descenso en la frecuencia de la red o en la derivada de la frecuencia o en la velocidad o en la derivada de la velocidad del grupo hidráulico o en una combinación de estos valores respecto a unos umbrales determina la apertura de los elementos de control de caudal o inyectores (6) de forma rápida para generación y suministro prácticamente instantáneo de potencia a la red (2).
Description
Sistema y método de control y regulación de
velocidad para grupos hidráulicos tipo Pelton, así como centrales
eólico hidráulicas que incorporan este sistema.
La presente invención es de aplicación para el
control y regulación de la velocidad de grupos hidráulicos tipo
Pelton, resultando válida para cualquier tipo de central hidráulica,
especialmente las que se encuentren en redes débiles.
En especial es de aplicación para centrales
eólico-hidráulicas de bombeo, y tiene por objeto el
control y regulación de la velocidad de turbinas, de forma que se
pueda incrementar la penetración de energía eólica en sistemas
eólico-hidráulicos con objeto de que el suministro
de potencia realizado por dichos sistemas sea más fiable y con un
mejor rendimiento.
El suministro de energía procedente de grupos
eólicos no tiene la fiabilidad suficiente debido a la naturaleza de
la fuente primaria de energía.
Por lo tanto en caso de instalación de grupos
eólicos en islas o en redes aisladas, el porcentaje de energía de
origen eólico no debe ser muy elevado con el fin de que en caso de
falta de viento continúe el suministro eléctrico. Por tanto se deben
tener grupos generadores de otra naturaleza distinta a la eólica en
reserva.
En el caso de centrales eólico hidráulicas,
idealmente se debe realizar el suministro con la máxima energía de
origen eólico, y complementar con las turbinas hidráulicas, de forma
tal que se pueda garantizar el suministro en caso de falta de
viento. Como consecuencia de la entrada en funcionamiento del grupo
hidráulico puede darse la situación de que si varían las condiciones
del viento no se aproveche toda la energía de origen eólico, y por
otro lado en caso de falta de viento se podría interrumpir el
servicio eléctrico por falta de generación.
En caso de una demanda de energía mayor que la
generación, la frecuencia del sistema y por lo tanto la velocidad de
los generadores conectados al mismo descienden.
Antes de un descenso inadmisible de la
frecuencia en el sistema y para evitar el colapso del mismo, la
práctica habitual es utilizar relés de frecuencia para provocar
desconexiones de algunos consumidores, de forma que nuevamente la
potencia generada sea igual a la demandada y la frecuencia retorne a
su valor asignado. De esta forma la calidad del servicio eléctrico
está dentro de los márgenes de frecuencia establecidos.
En el caso de centrales eólico hidráulicas de
bombeo existe la posibilidad de almacenar la energía de origen
eólico en forma de energía potencial del agua, mediante bombas. Esta
energía será posteriormente transformada en energía eléctrica por
medio de turbinas. Sin embargo en cada una de estas transformaciones
energéticas se producen pérdidas y el rendimiento global de la
instalación disminuye notablemente. Siendo por tanto el rendimiento
en este tipo de centrales mayor cuanto mayor sea la energía de
origen eólico que pasa a la red directamente.
La solicitud internacional de patente de
invención WO02084116 describe una planta de energía hidroeléctrica
que utiliza una pluralidad de aerogeneradores conectados a
generadores de aire comprimido para producir aire a presión. Dicho
aire a presión se utiliza para conducir agua a través de una turbina
para producir energía eléctrica. El agua se recicla y la planta
incluye un tanque de aire a presión de reserva para permitir que la
planta continúe operativa cuando los niveles de viento no son
suficientes para producir aire a alta presión. La planta se diseña
para funcionar de forma continua basada en energía eólica. Cuando el
viento cesa y la capacidad de reserva está agotada, se emplea
electricidad de un suministrador local y cuando se produce un exceso
de energía se puede aportar a la red del suministrador.
La presente invención permite optimizar el
funcionamiento de grupos hidráulicos tipo Pelton con aplicación
directa en el incremento de la penetración eólica en centrales
eólico-hidráulicas de bombeo para aumentar el
rendimiento global de la instalación.
El método que se propone permite la operación
del grupo acoplado a la red a velocidad asignada y sin caudal en la
turbina, de forma que el grupo está preparado para entregar potencia
de una forma rápida en caso de ser requerido.
El sistema consta de un regulador de velocidad,
un módulo de conmutación y un módulo de control.
El módulo de conmutación permite seleccionar la
señal de salida procedente del regulador de velocidad o una señal
que provoca que el caudal en la turbina sea nulo, y el módulo de
control realiza la selección del modo de funcionamiento.
La operación del grupo de acuerdo con este
método, consta de los siguientes modos:
\bullet Modo de Arranque
El regulador de velocidad modifica la velocidad
del grupo desde la velocidad nula hasta la velocidad asignada, para
lo cual regulará el caudal de agua necesario. Posteriormente se
realiza la conexión del grupo a la red.
\bullet Modo de operación con Caudal Nulo
Una vez acoplado el grupo a la red, el sistema
de control de velocidad cerrará el elemento de control de caudal o
inyectores de forma que el caudal sea nulo, pasando al modo de
operación con caudal nulo. En este momento el grupo queda
funcionando acoplado a la red.
El grupo está preparado para entregar potencia
eléctrica de una forma rápida en caso que sea requerido por el
sistema eléctrico de potencia. En esta situación el suministro
energético es realizado por otras fuentes de energía no almacenable,
como puede ser los grupos eólicos. Sin embargo en caso de falta de
esta energía no almacenable (falta de viento) y la consiguiente
falta de potencia eléctrica, la frecuencia del sistema descenderá y
consecuentemente la velocidad de los generadores. En este momento el
grupo hidráulico pasará al modo de regulación de frecuencia,
entregando potencia a la red.
\bullet Modo de operación en regulación de
frecuencia
Tras el descenso de la frecuencia del sistema
eléctrico que es equivalente a un descenso de la velocidad del
grupo, ya que una vez acoplado el grupo a la red, la frecuencia y la
velocidad son iguales en magnitudes unitarias, el sistema de control
de velocidad pasará de regular caudal nulo a regular la frecuencia
del sistema. Para ello y ante la carencia de potencia eléctrica en
el sistema, se abrirá el inyector o inyectores de la turbina y por
tanto el generador entregará potencia en el sistema eléctrico de
forma que la frecuencia del sistema subirá consecuentemente.
El paso a este modo de regulación puede
realizarse debido a que la frecuencia del sistema cae por debajo de
un determinado valor o bien porque la derivada de frecuencia sea
inferior a un valor predeterminado.
El paso se puede realizar de una forma idéntica
utilizando un descenso en la velocidad o en la derivada de la
velocidad del grupo.
Una vez se recupere el suministro de la fuente
de energía principal, en este caso la energía eólica, bajará la
carga en el grupo hidráulico, ya que se está regulando la
frecuencia. Una vez que la potencia sea suficientemente baja se
podrá pasar voluntariamente al modo de operación con caudal nulo, y
dejar el grupo de nuevo preparado para una nueva conmutación al modo
de regulación de frecuencia.
La conmutación del modo de operación de caudal
nulo a modo de operación en regulación de frecuencia depende por
tanto de que la frecuencia de la red o de que la velocidad del grupo
descienda por debajo de un valor predeterminado (es el mismo
fenómeno físico) o bien cuando la derivada de la frecuencia o la
derivada de la velocidad del grupo (mismo fenómeno físico) sea
inferior a un valor previamente programado. De este modo el sistema
de control se anticipa al problema de un descenso excesivo en la
frecuencia que pueda producir la actuación de los relés
deslastre.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como
parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde
con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
Figura 1.- Muestra una posible configuración del
sistema de control y regulación de velocidad en grupos hidráulicos
tipo Pelton.
Figura 2.- Muestra una representación temporal
de la evolución de ciertas variables de un grupo hidráulico
utilizando el método de operación propuesto, basado en la
conmutación por descenso de la frecuencia o de la velocidad del
grupo por debajo de un valor preestablecido.
Figura 3.- Muestra una representación
esquemática de una central eólico-hidráulica.
A continuación se describe un modo de
realización preferente del objeto de la invención.
La figura 1 muestra una posible configuración
del sistema de control y regulación de velocidad para grupos
hidráulicos (1) tipo Pelton asociados a un generador (20) para
suministrar potencia eléctrica a la red (2) donde se ha
representado:
- un sensor de velocidad (3) que facilita la
señal correspondiente a la velocidad del grupo hidráulico (1),
- un transformador de tensión (5) y un
transformador de intensidad (4) que proporcionan señales de tensión
e intensidad a partir de las cuales se calcula la potencia eléctrica
suministrada por el generador (20) a la red (2),
- un elemento de control de caudal o inyectores
(6) que regulan el caudal de agua turbinado por el grupo hidráulico
(1),
- un regulador de velocidad (7) que recibe la
señal del sensor de velocidad (3), las señales de tensión e
intensidad con las que calcula la potencia del generador (20), y que
envía una señal de regulación a los elementos de control de caudal o
inyectores (6) para controlar el caudal de agua turbinado por el
grupo hidráulico (1),
- un módulo de conmutación (8) asociado a la
salida del regulador de velocidad (7) que recibe la señal de
regulación del regulador de velocidad (7) y una señal fija de caudal
nulo (9) y dispone de un conmutador (10) que selecciona una de
dichas señales para su envío al elemento de control de caudal o
inyectores
(6),
(6),
- un módulo de control (11) de modos de
funcionamiento que incorpora un biestable (12) que selecciona entre
un modo de operación de caudal nulo o un modo de operación de
regulación de velocidad, en función de si algunas de las señales de
las siguientes variables: frecuencia de la red, derivada de la
frecuencia de red, velocidad angular o derivada de velocidad
angular, o de una combinación de las mismas, es inferior a unos
umbrales establecidos, encontrándose el biestable (12) relacionado
en su salida con el módulo de conmutación (8) para actuar sobre el
conmutador (10) definiendo uno u otro modo de operación.
El módulo de control (11) está relacionado con
un detector de conexión (13) que determina si el grupo hidráulico
(1) está conectado a la red (2).
El módulo de control (11) incorpora un primer
pulsador (14) manual o automático que permite la selección del modo
de operación con caudal nulo cuando el detector de conexión (13)
indica que el generador (20) está conectado a la red (2), así como
dispone de un primer módulo de activación (15) del modo de operación
con caudal nulo que recibe señal del primer pulsador (14) y del
detector de conexión (13) y que está conectado en su salida al
biestable (12).
El módulo de control (11) incorpora un segundo
pulsador (16) manual o automático y unos módulos de comparación de
señal (17) de: frecuencia, derivada de frecuencia, velocidad y/o
derivada de velocidad con los umbrales establecidos, que están
asociados al transformador de tensión (5) de los que recibe señales
correspondientes a estas variables y que están conectados a un
segundo módulo de activación (18) de modo de control de operación de
regulación de velocidad conectado en su salida al biestable
(12).
En la figura 2 se han representado las variables
del sistema: la velocidad (21) del grupo hidráulico (1), la tensión
en bornas (22) del generador (20), el caudal (23) en el grupo
hidráulico (1) y la potencia eléctrica (24) del generador (20), y en
ordenada los diferentes modos de funcionamiento a lo largo de la
evolución temporal: arranque (31), caudal nulo (32) y regulación de
frecuencia (33).
Igualmente dentro de la evolución temporal se
han señalado, el punto de arranque del grupo (26), el punto de
sincronización con la red (27), el punto de cierre de los inyectores
(28) que corresponde con el paso al modo de operación con caudal
nulo y por último el punto de paso al modo de regulación de
frecuencia (29) provocado por un descenso de la velocidad del grupo
(21) por debajo de un umbral de velocidad (30).
En la figura 3 se ha representado un esquema de
la central eólico-hidráulica que suministra
potencia eléctrica a la red que comprende:
- un parque eólico (40) que proporciona potencia
eléctrica a una línea de potencia (41) conectada a la red (2),
- un grupo hidráulico (1) de tipo Pelton sobre
el que actúa el agua almacenada en altura que proporciona potencia
eléctrica a la línea de potencia (41),
- una central de bombeo (50) que impulsa agua
para su almacenamiento en altura y que se alimenta de la línea de
potencia (41).
La central eólico-hidráulica
incorpora el sistema de control y regulación de velocidad para
grupos hidráulicos (1) descrito anteriormente.
La central eólico-hidráulica
funciona de acuerdo con un método de control y regulación de
suministro de potencia eléctrica a la red que comprende el
suministro simultáneo o alternativo de potencia eléctrica por parte
de un parque eólico (40) y/o de un grupo hidráulico (1), en el que
cuando la potencia suministrada por el parque eólico (40) es
suficiente para satisfacer la demanda de la red, el grupo hidráulico
(1) funciona en modo de operación con caudal nulo que comprende el
cierre de los elementos de control de caudal (6) que turbinan el
grupo hidráulico (1).
Por otra parte cuando se produce un descenso en
la frecuencia de la red o en la derivada de la frecuencia o en la
velocidad o en la derivada de la velocidad del grupo hidráulico (1)
o en una combinación de estos valores respecto a unos umbrales, se
produce la apertura de los elementos de control de caudal (6) de
forma rápida para generación y suministro prácticamente instantáneo
de potencia a la red (2) funcionando en modo de operación de
regulación de frecuencia.
Claims (7)
1. Sistema de control y regulación de velocidad
para grupos hidráulicos (1) tipo Pelton asociados a un generador
(20) para suministrar potencia eléctrica a la red (2) que
comprende:
- un sensor de velocidad (3) que facilita la
señal correspondiente a la velocidad del grupo hidráulico (1),
- un transformador de tensión (5) y un
transformador de intensidad (4) que proporcionan señales de tensión
e intensidad a partir de las cuales se calcula la potencia eléctrica
suministrada por el generador (20) a la red (2),
- un elemento de control de caudal (6) o
inyectores que proyectan el caudal de agua sobre el grupo hidráulico
(1),
caracterizado porque comprende
adicionalmente:
- un regulador de velocidad (7) que recibe la
señal del sensor de velocidad (3), las señales de tensión e
intensidad con las que calcula la potencia del generador (20), y que
envía una señal del caudal proyectado, y que envía una señal de
regulación a los elementos de control de caudal (6) para controlar
el caudal turbinado por el grupo hidráulico (1),
- un módulo de conmutación (8) asociado a la
salida del regulador de velocidad (7) que recibe la señal de
regulación del regulador de velocidad (7) y una señal fija de caudal
nulo (9) y dispone de un conmutador (10) que selecciona una de
dichas señales para su envío al elemento de control de caudal
(6),
- un módulo de control (11) de modos de
funcionamiento que incorpora un biestable (12) que selecciona entre
un modo de operación de caudal nulo o un modo de operación de
regulación de velocidad, en función de si algunas de las señales de
las siguientes variables: frecuencia de la red, derivada de la
frecuencia de red, velocidad angular o derivada de velocidad
angular, o de una combinación de las mismas, es inferior a unos
umbrales establecidos, encontrándose el biestable (12) relacionado
en su salida con el módulo de conmutación (8) para actuar sobre el
conmutador (10) definiendo uno u otro modo de operación.
2. Sistema de control y regulación de velocidad
para grupos hidráulicos tipo Pelton de acuerdo con la reivindicación
1 caracterizado porque el módulo de control (11) está
relacionado con un detector de conexión (13) que determina si el
grupo hidráulico (1) está conectado a la red (2).
3. Sistema de control y regulación de velocidad
para grupos hidráulicos tipo Pelton de acuerdo con la reivindicación
2 caracterizado porque el módulo de control (11) incorpora un
primer pulsador (14) manual o automático que permite la selección
del modo de operación con caudal nulo cuando el detector de conexión
(13) indica que el grupo hidráulico (1) está conectado a la red (2),
así como dispone de un primer módulo de activación (15) del modo de
operación con caudal nulo que recibe señal del primer pulsador (14)
y del detector de conexión (13) y que está conectado en su salida al
biestable (12).
4. Sistema de control y regulación de velocidad
para grupos hidráulicos tipo Pelton de acuerdo con la reivindicación
3 caracterizado porque el módulo de control (11) incorpora un
segundo pulsador (16) manual o automático y unos módulos de
comparación de señal (17) de: frecuencia, derivada de frecuencia,
velocidad y/o derivada de velocidad con los umbrales establecidos,
que están asociados al transformador de tensión (5) de los que
recibe señales correspondientes a estas variables y que están
conectados a un segundo módulo de activación (18) de modo de control
de operación de regulación de velocidad conectado en su salida al
biestable (12).
5. Método de control y regulación de velocidad
para grupos hidráulicos tipo Pelton caracterizado porque
comprende las fases de:
- operación de arranque, que comprende la
regulación en el arranque de la velocidad del grupo desde la
velocidad nula hasta una velocidad asignada y conexión del grupo
hidráulico a la red,
- operación con caudal nulo que comprende el
cierre de los elementos de control de caudal que hacen nulo el
caudal turbinado por el grupo hidráulico
- operación en regulación de frecuencia en la
que un descenso en la frecuencia de la red o en la derivada de la
frecuencia o en la velocidad o en la derivada de la velocidad del
grupo hidráulico o en una combinación de estos valores respecto a
unos umbrales determina la apertura de los elementos de control de
caudal de forma rápida para generación y suministro prácticamente
instantáneo de potencia a la red.
6. Central eólico-hidráulica que
suministra potencia eléctrica a la red (2) que comprende:
- un parque eólico (40) que proporciona potencia
eléctrica a una línea de potencia (41) conectada a la red (2),
- un grupo hidráulico (1) de tipo Pelton sobre
el que actúa el agua almacenada en altura que proporciona potencia
eléctrica a la línea de potencia (41),
- una central de bombeo (50) que impulsa agua
para su almacenamiento en altura y que se alimenta de la línea de
potencia (41),
caracterizada porque incorpora el sistema
de control y regulación de velocidad para grupos hidráulicos (1)
descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.
7. Método de control y regulación de suministro
de potencia eléctrica a la red en la central
eólico-hidráulica descrita en la reivindicación 6,
que comprende el suministro simultáneo o alternativo de potencia
eléctrica por parte de un parque eólico (40) y/o de un grupo
hidráulico (1), caracterizado porque:
cuando la potencia suministrada por el parque
eólico (40) es suficiente para satisfacer la demanda de la red (2),
el grupo hidráulico (1) funciona en modo de operación con caudal
nulo que comprende el cierre de los elementos de control de caudal
(6) que proyectan agua al grupo hidráulico (1),
así como cuando se produce un descenso en la
frecuencia de la red o en la derivada de la frecuencia o en la
velocidad o en la derivada de la velocidad del grupo hidráulico (1)
o en una combinación de estos valores respecto a unos umbrales, se
produce la apertura de los elementos de control de caudal (6) de
forma rápida para generación y suministro prácticamente instantáneo
de potencia a la red (2) funcionando en modo de operación de
regulación de frecuencia.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200801499A ES2364206B1 (es) | 2008-05-22 | 2008-05-22 | Sistema y método de control y regulación de velocidad para grupos hidráulicos tipo pelton, asi como centrales eólico hidráulicas que incorporan este sistema. |
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| ES200801499A ES2364206B1 (es) | 2008-05-22 | 2008-05-22 | Sistema y método de control y regulación de velocidad para grupos hidráulicos tipo pelton, asi como centrales eólico hidráulicas que incorporan este sistema. |
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| ES2364206A1 true ES2364206A1 (es) | 2011-08-29 |
| ES2364206B1 ES2364206B1 (es) | 2012-06-26 |
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2008
- 2008-05-22 ES ES200801499A patent/ES2364206B1/es not_active Expired - Fee Related
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| ES2364206B1 (es) | 2012-06-26 |
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|---|---|---|---|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2364206 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20120626 |
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| FD2A | Announcement of lapse in spain |
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