ES2370181T3 - Planta eléctrica y método para controlar dicha planta. - Google Patents

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Abstract

Una planta para la producción de energía eléctrica que comprende: - una planta principal (3) que comprende al menos una unidad principal de generación (7) para producir energía eléctrica primaria (EP) a una primera frecuencia (f1) para una red de distribución eléctrica (2) conectada a la planta (1); y - una planta complementaria (4), que comprende al menos una unidad del motor de combustión interna (9) para producir energía eléctrica complementaria (EC) a una segunda frecuencia variable (f2); - un circuito (5) conectado a la planta complementaria (4), para convertir la energía eléctrica complementaria (EC) a la segunda frecuencia (f2) en energía eléctrica complementaria (EC) a la primera frecuencia (f1) y suministrar la energía eléctrica complementaria (EC) a la primera frecuencia (f1) a la red de distribución eléctrica (2); siendo la planta caracterizada porque comprende un dispositivo de control (6) configurado para: - mantener la energía eléctrica primaria (EP) constante en un primer modo de operación y variar la energía eléctrica primaria (EP) en un segundo modo de operación entre un valor mínimo preestablecido y un valor máximo preestablecido de acuerdo a la diferencia entre la frecuencia de la red (fR) y una frecuencia nominal de la red (fN); - suministrar una fracción controlada de energía eléctrica complementaria (EC) a la primera frecuencia (f1) a la red de distribución eléctrica (2), si la frecuencia de la red (fR) es diferente de la frecuencia nominal (fN); siendo la fracción controlada de la energía eléctrica complementaria (EC) determinada con base en la diferencia entre la frecuencia de la red (fR) y la frecuencia nominal (fN); en donde el suministro de una fracción controlada de energía eléctrica complementaria (EC) comprende: - suministrar una fracción nominal de energía eléctrica complementaria (EC) si la energía eléctrica primaria (EP) está comprendida en un rango preestablecido definido por un primer límite, inferior que el valor máximo preestablecido, y por medio de un segundo límite, superior que el valor mínimo preestablecido; - incrementar la fracción de energía eléctrica complementaria (EC) con respecto a la fracción nominal de energía eléctrica complementaria (EC), si la energía eléctrica primaria (EP) es igual a o superior al primer límite y si la frecuencia de la red (fR) es inferior a la frecuencia nominal (fN); y - reducir la fracción de energía eléctrica complementaria (EC) con respecto a la fracción nominal de energía eléctrica complementaria (EC), si la energía eléctrica primaria (EP) es igual o inferior al segundo límite y si la frecuencia de la red (fR) es superior a la frecuencia nominal (fN).

Description

Planta eléctrica y método para controlar dicha planta
La presente invención se relaciona con una planta para la producción de energía eléctrica y con un método para controlar dicha planta.
En el estado del arte se conocen plantas para la producción de energía eléctrica que cuentan con: una planta principal, que comprende al menos una unidad principal de generación para la producción de energía eléctrica a una primera frecuencia para una red de distribución eléctrica conectada a la planta; y una planta complementaria, que comprende al menos una unidad de motor de combustión interna para la producción de energía eléctrica a la primera frecuencia para la red de distribución eléctrica.
Las plantas de este tipo son particularmente útiles en situaciones transitorias en las cuales se requiere una variación rápida y significativa de la energía producida por la planta para contrarrestar una variación de la frecuencia de la red de distribución eléctrica.
Sin embargo, las plantas de este tipo experimentan de ciertos inconvenientes.
En particular, la planta complementaria es forzada a producir energía a la misma frecuencia que aquella de la energía producida por la planta principal. Esto evita que la unidad del motor de combustión interna de la planta complementaria opere a una r.p.m. variable con evidentes desventajas desde el punto de vista de la eficiencia de la unidad del motor de combustión interna.
Ejemplos de este tipo de planta son divulgados en los documentos US 61314124 y US2005/200133.
Un objetivo de la presente invención es el de proveer una planta para la producción de energía eléctrica que esté libre de los inconvenientes presentados por las plantas conocidas en el arte. De acuerdo con dicho propósito, la presente invención se relaciona con una planta para la producción de energía eléctrica de acuerdo con la reivindicación 1.
Un objetivo adicional de la presente invención es la de proveer un método para controlar una planta para la producción de energía eléctrica que sea eficiente y confiable. De acuerdo con dicho propósito, la presente invención se relaciona con un método para controlar una planta para la producción de energía eléctrica de acuerdo con la reivindicación 15.
Otras características y ventajas de la presente invención serán claras a partir de la consiguiente descripción de un ejemplo no limitante de una modalidad de la misma, con referencia a la figura anexa, que es una representación esquemática de la planta para la producción de energía eléctrica de acuerdo con la presente invención.
En la Figura 1, designado por medio del número de referencia 1 está una planta para la producción de energía eléctrica conectada a una red de distribución eléctrica 2.
La planta 1 comprende una planta principal 3, una planta complementaria 4, un circuito de conexión 5 y un dispositivo de control 6.
La planta principal 3 comprende al menos una unidad principal de generación 7 diseñada para producir energía eléctrica primaria EP a una primera frecuencia f1 para la alimentación de la red de distribución eléctrica 2. La unidad principal de generación 7 se acopla a un generador eléctrico (no ilustrado para simplicidad en la figura anexa) y puede ser alimentada con gas y/o gasóleo, o con carbón, de acuerdo con el tipo de planta principal 3 utilizada.
La planta principal 3 puede ser, en realidad, una planta del tipo de turbina de gas de un solo ciclo, que comprende al menos una turbina de gas alimentada con gas y/o gasóleo, una planta de tipo turbina de gas de ciclo combinado, que comprende al menos una turbina de gas alimentada con gas y/o con gasóleo, una turbina de vapor y una caldera de recuperación, o con una planta de un tipo convencional, que comprende una caldera alimentada con carbón o con gasóleo y una turbina de vapor.
La planta principal 3 comprende una pluralidad de dispositivos auxiliares 8 (bombas, válvulas, etc.), que son alimentadas eléctricamente y están diseñadas para respaldar a la unidad principal de generación 7 durante la operación. En particular, los dispositivos auxiliares 8 están divididos en dispositivos auxiliares de frecuencia variable 8a y dispositivos auxiliares de frecuencia fija 8b. Los dispositivos auxiliares de frecuencia variable 8a son dispositivos que pueden operar una r.p.m. variable, tales como, por ejemplo, bombas, compresores, ventiladores, etc.
La planta complementaria 4 comprende al menos una unidad del motor de combustión interna 9 acoplada aun generador eléctrico 10 para producir energía eléctrica complementaria EC a una segunda frecuencia variable f2.
En el ejemplo no limitante de la figura anexa, la planta complementaria 4 comprende dos unidades del motor de combustión interna 9 acopladas a dos generadores eléctricos respectivos 10.
La energía eléctrica complementaria EC a la segunda frecuencia f2 producida por la planta complementaria 4 es suministrada a la red de distribución eléctrica 2 y/o a los dispositivos auxiliares 8 por medio de un circuito 5.
En particular, la unidad del motor de combustión interna 9 puede ser un motor alterno de ciclo diesel alimentado con combustible biodiesel o con gasóleo, o con un motor de combustión, o con una turbina.
El circuito 5 conecta a la planta complementaria 4 con la planta principal 3 y con la red de distribución eléctrica 2 e incluye una porción CC 11, una pluralidad de bifurcaciones principales 12 en comunicación con la red de distribución eléctrica 2, una pluralidad de bifurcaciones principales 13 en comunicación con los respectivos dispositivos auxiliares de frecuencia variable 8a, y dos bifurcaciones complementarias 14 en comunicación con la planta complementaria 4.
La porción CC 11 comprende un colector CC 15, que está conectada a las bifurcaciones principales 12, a las bifurcaciones principales 13, y a las bifurcaciones complementarias 14.
En particular, dispuestos a lo largo de cada bifurcación principal 12 están un convertidor CC/CA 16 y un interruptor estático principal 17. En particular, el interruptor estático principal 17 está dispuesto entre el convertidor CC/CA 16 y el colector CC 15. El convertidor CC/CA 16 realiza la conversión de la energía eléctrica complementaria EC de la corriente CC que lo atraviesa en energía eléctrica complementaria EC a la frecuencia f1.
Dispuestos a lo largo de cada bifurcación principal 13 están un convertidor CC/CA 19 y un interruptor estático principal 20. En particular, el interruptor estático principal 20 está dispuesto entre el convertidor CC/CA 19 y el colector CC 15. El convertidor CC/CA 19 realiza la conversión de la energía eléctrica complementaria EC de la corriente CC que lo atraviesa en energía eléctrica a una frecuencia dada fD1… fDn, a la cual el respectivo dispositivo auxiliar de frecuencia variable 8a opera en una forma óptima.
Dispuestos a lo largo de cada bifurcación complementaria 14 están un convertidor CA/CC 22 y un interruptor estático complementario 23. En particular, el interruptor estático complementario 23 está dispuesto entre el convertidor CA/CC 22 y el colector CC 15.
El circuito 5 comprende además un colector CA 25 a lo largo de la bifurcación principal 12, que está dispuesto entre el convertidor CC/CA 16 y la red de distribución eléctrica 2 y está conectado, por medio de bifurcaciones para suministro de CA 27, a los respectivos dispositivos auxiliares de frecuencia fija 8b y, preferiblemente, por medio de bifurcaciones de derivación 28, a los respectivos dispositivos auxiliares de frecuencia variable 8a. Las bifurcaciones de derivación 28 son opcionales y proporcionan el suministro de los dispositivos auxiliares de frecuencia variable 8a en los casos excepcionales en los cuales se evita el suministro de los dispositivos auxiliares de frecuencia variable 8a por medio de las bifurcaciones principales 13.
El circuito 5 comprende además una pluralidad de transformadores 30 y una pluralidad de interruptores 31.
Tanto los transformadores 30 como los interruptores 31 están dispuestos a lo largo de las porciones de corriente CA de las bifurcaciones principales 12, a lo largo de las bifurcaciones de suministro CA 27 y a lo largo de las bifurcaciones de derivación 28.
El dispositivo de control 6 ejecuta un procedimiento de control destinado a ajustar la cantidad de energía emitida por la planta 1 con base en la diferencia entre la frecuencia de la red fR detectada y una frecuencia nominal fN, generalmente predefinida e igual a 50 ó 60 Hz de acuerdo con el tipo de red a la cual está conectada la planta 1.
En particular el procedimiento de control comprende las siguientes etapas:
producir energía eléctrica primaria EP a la primera frecuencia f1 para la red de distribución eléctrica 2 conectada a la planta 1; producir energía eléctrica complementaria EC a la segunda frecuencia variable f2; convertir la energía eléctrica complementaria EC a la segunda frecuencia f2 en energía eléctrica complementaria EC a la primera frecuencia f1; y suministrar una fracción controlada de energía eléctrica complementaria EC a la primera frecuencia f1 a la red de distribución eléctrica 2 si la frecuencia de la red fR es diferente de una frecuencia nominal fN; siendo la fracción En particular, la etapa de producir energía eléctrica primaria EP prevé el mantenimiento de la energía eléctrica primaria EP constante en un primer modo de operación y la variación de la energía eléctrica primaria EP en un segundo modo de operación.
En el primer modo de operación, la etapa de suministrar una fracción controlada de energía eléctrica complementaria EC sustancialmente prevé:
suministrar una fracción nominal de energía eléctrica complementaria EC si la frecuencia de la red fR es igual a la frecuencia nominal fN; incrementar la fracción de energía eléctrica complementaria EC con respecto a la fracción nominal de energía eléctrica complementaria EC si la frecuencia de la red fR es inferior a la frecuencia nominal fN; y reducir la fracción de energía eléctrica complementaria EC con respecto a la fracción nominal fN de energía eléctrica complementaria EC si la frecuencia de la red fR es superior a la frecuencia nominal fN.
En el segundo modo de operación, la etapa de producir energía eléctrica primaria controlada EP prevé la variación de la energía eléctrica primaria EP entre un valor mínimo preestablecido y un valor máximo preestablecido de acuerdo con la diferencia entre la frecuencia de la red fR y la frecuencia nominal fN, mientras que la etapa de suministrar una fracción controlada de energía eléctrica complementaria EC sustancialmente prevé:
suministrar una fracción nominal de energía eléctrica complementaria EC si la energía eléctrica primaria EP está comprendida en un rango preestablecido definido por un primer límite, inferior que el valor máximo preestablecido, y por medio de un segundo límite, superior que el valor mínimo preestablecido; incrementar la fracción de energía eléctrica complementaria EC con respecto a la fracción nominal de energía eléctrica complementaria EC, si la energía eléctrica primaria EP es igual a o superior al primer límite y si la frecuencia de la red fR es inferior a la frecuencia nominal fN; y reducir la fracción de energía eléctrica complementaria EC con respecto a la fracción nominal de energía eléctrica complementaria EC, si la energía eléctrica primaria EP es igual o inferior al segundo límite y si la frecuencia de la red fR es superior a la frecuencia nominal fN.
El dispositivo de control 6 está configurado además para manejar la pluralidad de interruptores 31, dispuestos a lo largo de las bifurcaciones principales 17 y 20, a lo largo de las bifurcaciones de suministro 27, y a lo largo de las bifurcaciones de derivación 28.
En uso, la planta complementaria 4 está preferiblemente siempre activa y produce energía complementaria EC a la segunda frecuencia variable f2, que, de acuerdo con la configuración asumida por los interruptores estáticos principales 17 y 20 y por los interruptores 31, puede ser distribuida en parte a los dispositivos auxiliares de frecuencia variable 8a, y/o en parte a la red de distribución 2, y/o en parte a los dispositivos auxiliares de frecuencia fija 8b.
La planta complementaria 4 puede ser usada convenientemente también en las etapas de arranque de la planta 1 en situaciones de falta de disponibilidad de la red de distribución eléctrica 2. Durante dichas etapas, en realidad, la energía eléctrica complementaria EC producida por la planta complementaria 4 puede ser utilizada para alimentar los dispositivos auxiliares 8 de la planta principal 3.
Finalmente, es evidente que pueden hacerse modificaciones y variaciones a la planta y al método descrito aquí, sin por ello apartarse del alcance de las reivindicaciones anexas.

Claims (16)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Una planta para la producción de energía eléctrica que comprende:
    -
    una planta principal (3) que comprende al menos una unidad principal de generación (7) para producir energía eléctrica primaria (EP) a una primera frecuencia (f1) para una red de distribución eléctrica (2) conectada a la planta (1); y -una planta complementaria (4), que comprende al menos una unidad del motor de combustión interna (9) para producir energía eléctrica complementaria (EC) a una segunda frecuencia variable (f2); -un circuito (5) conectado a la planta complementaria (4), para convertir la energía eléctrica complementaria (EC) a la segunda frecuencia (f2) en energía eléctrica complementaria (EC) a la primera frecuencia (f1) y suministrar la energía eléctrica complementaria (EC) a la primera frecuencia (f1) a la red de distribución eléctrica (2);
    siendo la planta caracterizada porque comprende un dispositivo de control (6) configurado para:
    -
    mantener la energía eléctrica primaria (EP) constante en un primer modo de operación y variar la energía eléctrica primaria (EP) en un segundo modo de operación entre un valor mínimo preestablecido y un valor máximo preestablecido de acuerdo a la diferencia entre la frecuencia de la red (fR) y una frecuencia nominal de la red (fN); -suministrar una fracción controlada de energía eléctrica complementaria (EC) a la primera frecuencia (f1) a la red de distribución eléctrica (2), si la frecuencia de la red (fR) es diferente de la frecuencia nominal (fN); siendo la fracción controlada de la energía eléctrica complementaria (EC) determinada con base en la diferencia entre la frecuencia de la red (fR) y la frecuencia nominal (fN); en donde el suministro de una fracción controlada de energía eléctrica complementaria (EC) comprende:
    •
    suministrar una fracción nominal de energía eléctrica complementaria (EC) si la energía eléctrica primaria (EP) está comprendida en un rango preestablecido definido por un primer límite, inferior que el valor máximo preestablecido, y por medio de un segundo límite, superior que el valor mínimo preestablecido;
    •
    incrementar la fracción de energía eléctrica complementaria (EC) con respecto a la fracción nominal de energía eléctrica complementaria (EC), si la energía eléctrica primaria (EP) es igual a o superior al primer límite y si la frecuencia de la red (fR) es inferior a la frecuencia nominal (fN); y
    •
    reducir la fracción de energía eléctrica complementaria (EC) con respecto a la fracción nominal de energía eléctrica complementaria (EC), si la energía eléctrica primaria (EP) es igual o inferior al segundo límite y si la frecuencia de la red (fR) es superior a la frecuencia nominal (fN).
  2. 2.
    La planta de acuerdo a la Reivindicación 1, caracterizada porque la planta principal (3) comprende una pluralidad de dispositivos auxiliares (8a; 8b) para ayudar a la producción de energía eléctrica primaria (EP) a la primera frecuencia (f1); estando el circuito (5) conectado a al menos uno de los dispositivo auxiliares (8) de la planta principal (3).
  3. 3.
    La planta de acuerdo ya sea a la Reivindicación 1 o a la Reivindicación 2, caracterizada porque el circuito (5) comprende una porción de CC (11).
  4. 4.
    La planta de acuerdo a la Reivindicación 3, caracterizada porque la porción de CC (11) comprende un colector de CC (15), que está conectado a al menos una primera bifurcación principal (12) en comunicación con la red de distribución eléctrica (2) y dispuesto a lo largo de la cual está un primer convertidor CC/CA (16) y con al menos una primera bifurcación complementaria (14) en comunicación con la planta complementaria (4) y dispuesta a lo largo de la cual está un primer convertidor CA/CC (22).
  5. 5.
    La planta de acuerdo a la Reivindicación 4, caracterizada porque el circuito (5) comprende un primer interruptor estático principal (17) dispuesto a lo largo de la primera bifurcación principal (12) entre el primer convertidor CC/CA
    (16) y el colector de CC (15).
  6. 6.
    La planta de acuerdo a la Reivindicación 4 o a la Reivindicación 5, caracterizada porque el circuito (5) comprende un primer interruptor estático complementario (23) dispuesto a lo largo de la primera bifurcación complementaria (14) entre el primer convertidor CA/CC (22) y el colector de CC (15).
  7. 7.
    La planta de acuerdo con cualquiera de las Reivindicaciones 2 a 6, caracterizada porque la pluralidad de dispositivos auxiliares (8a; 8b) comprende dispositivos auxiliares que pueden operar a una frecuencia variable (8a) y dispositivos auxiliares que pueden operar a una frecuencia fija (8b).
  8. 8.
    La planta de acuerdo a la Reivindicación 7, caracterizada porque el colector de CC (15) está conectado a al menos una segunda bifurcación principal (13) en comunicación con un respectivo dispositivo auxiliar de frecuencia variable (8a) de la planta principal (3) y dispuesto a lo largo del cual está un segundo convertidor CC/CA (19).
  9. 9.
    La planta de acuerdo a la Reivindicación 8, caracterizada porque el circuito (5) comprende la menos un segundo interruptor estático principal (20) dispuesto a lo largo de la respectiva segunda bifurcación principal (13) entre el segundo convertidor CC/CA (19) y el colector de CC (15).
  10. 10.
    La planta de acuerdo con cualquiera de las Reivindicaciones 4 a 9, caracterizada porque el colector de CC (15) está conectado a al menos una segunda bifurcación complementaria (14) en comunicación con la planta complementaria (4) y dispuesta a lo largo de la cual está un segundo convertidor CA/CC (22).
  11. 11.
    La planta de acuerdo a la Reivindicación 10, caracterizada porque el circuito (5) comprende al menos un segundo interruptor estático complementario (23) dispuesto a lo largo de la respectiva segunda bifurcación complementaria (13) entre el segundo convertidor CA/CC (22) y el colector de CC (15).
  12. 12.
    La planta de acuerdo a cualquiera de las Reivindicaciones 7 a 11, caracterizada porque el circuito (5) comprende un colector de CA (25) a lo largo de la primera bifurcación principal (12), que está dispuesto entre el convertidor CC/CA (16) y la red de distribución eléctrica (2).
  13. 13.
    La planta de acuerdo a la Reivindicación 12, caracterizada porque el colector de CA (25) está conectado a al menos un respectivo dispositivo auxiliar a una frecuencia fija (8b).
  14. 14.
    La planta de acuerdo a la Reivindicación 12 o a la Reivindicación 13, caracterizada porque el colector de CA
    (25) está conectado a al menos un dispositivo auxiliar de frecuencia variable (8b) conectado al colector de CC (15).
  15. 15. Un método para controlar una planta (1) para la producción de energía eléctrica; comprendiendo el método las etapas de:
    -producir energía eléctrica primaria (EP) a una primera frecuencia (f1) para una red de distribución eléctrica (2) conectada a la planta (1); -producir energía eléctrica complementaria (EC) a una segunda frecuencia variable (f2); -detectar una frecuencia de red (fR) de la red de distribución eléctrica (2); -convertir la energía eléctrica complementaria (EC) a la segunda frecuencia (f2) en energía eléctrica complementaria (EC) a la primera frecuencia (f1); -suministrar una fracción controlada de energía eléctrica complementaria (EC) a la primera frecuencia (f1) a la red de distribución eléctrica (2), si la frecuencia de la red (fR) es diferente de una frecuencia nominal (fN); la etapa de suministrar una fracción controlada de energía eléctrica complementaria (EC) comprende la etapa de determinar la fracción controlada de energía eléctrica complementaria (EC) con base en la diferencia entre la frecuencia de la red (fR) y la frecuencia nominal (fN);
    siendo el método caracterizado porque:
    -
    la etapa de producir energía eléctrica primaria (EP) comprende el mantenimiento de la energía eléctrica primaria (EP) constante en un primer modo de operación y variar la energía eléctrica primaria (EP) en un segundo modo de operación; la etapa de variar la energía eléctrica primaria (EP) comprende la etapa de variar la energía eléctrica primaria (EP) entre un valor mínimo preestablecido y un valor máximo preestablecido de acuerdo a la diferencia entre la frecuencia de la red (fR) y la frecuencia nominal (fN); -la etapa de suministrar una fracción controlada de energía eléctrica complementaria (EC) que comprende:
    •
    suministrar una fracción nominal de energía eléctrica complementaria (EC) si la energía eléctrica primaria (EP) está comprendida en un rango preestablecido definido por un primer límite, inferior al valor máximo preestablecido, y por medio de un segundo límite, superior al valor mínimo preestablecido;
    •
    incrementar la fracción de energía eléctrica complementaria (EC) con respecto a la fracción nominal de energía eléctrica complementaria (EC), si la energía eléctrica primaria (EP) es igual a o superior al primer límite y si la frecuencia de la red (fR) es inferior a la frecuencia nominal (fN); y
    •
    reducir la fracción de energía eléctrica complementaria (EC) con respecto a la fracción nominal de energía eléctrica complementaria (EC), si la energía eléctrica primaria (EP) es igual o inferior al segundo límite y si la frecuencia de la red (fR) es superior a la frecuencia nominal (fN).
  16. 16. El método de acuerdo a la Reivindicación 1, en donde la unidad del motor de combustión interna (9) es alimentada con combustible biodiesel.
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