BR102012002202A2

BR102012002202A2 - Métodos e sistemas de controle de aerogeradores melhorados

Info

Publication number: BR102012002202A2
Application number: BRBR102012002202-8A
Authority: BR
Inventors: Octavio Hernandez Mascarell
Original assignee: Gamesa Innovation & Tech Sl
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2015-08-11
Also published as: ES2401857A1; DK2481921T3; ES2681521T3; EP2481921B1; EP2481921A2; EP2481921A3; BR102012002202B1; US20120193918A1; CN102619685A; US8810055B2; IN2012DE00230A; CN102619685B; ES2401857B1

Abstract

Métodos e sistemas de controle de aerogeradores melhorados. Métodos e sistemas de controle de aerogeradores melhorados. Trata-se de métodos de operação de um aerogerador de velocidade variável com meios de controle do torque e do ângulo de passo das pás, que incluem etapas adicionais para proporcionar aos meios de controle do ângulo de passo das pás, no caso de uma rajada de vento, um incremento da referência do ângulo de passo das na quantidade necessária para evitar que o troque aerodinâmico acrescentado pela rajada de vento ultrapasse um limite pré-determinado. A invenção também se refere a um aerogerador compreendendo um sistema de controle disposto para realizar uma regulação adicional no caso de rajadas de vento segundo o dito método.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para: “MÉTODOS E SISTEMAS DE CONTROLE DE AEROGERADORES MELHORADOS”.

CAMPO DA INVENÇÃO A invenção refere-se a métodos e sistemas de controle de aerogeradores melhorados e, em particular, a métodos e sistemas de controle de aerogeradores melhorados para limitação sobre velocidades causadas por rajadas de vento.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Os efeitos prejudiciais das rajadas de vento nos aerogeradores são bem conhecidos no estado da arte. Se a velocidade do vento aumenta em um pequeno intervalo de tempo a velocidade do gerador pode exceder os seus limites permitidos porque o controlador do aerogerador não é capaz de gerar uma reação suficientemente rápida, e isto pode causar efeitos prejudiciais para no gerador e em outros componentes do aerogerador.

No caso de uma rajada de operação extrema que também produz cargas extremas nos principais componentes estruturais, tais como na raiz da pá e na extremidade inferior da torre, uma solução típica é parar o aerogerador. Neste sentido o WO 2004/077068 descreve a utilização de sistemas de radar ótico para a detecção de rajadas muito antes que a mudança de vento alcance a torre do aerogerador, de modo que as pás possam posicionar-se em bandeira utilizando os meios de orientação das pás.

Uma abordagem conhecida para lidar com as rajadas de vento é usar os meios de controle do torque do gerador para evitar problemas de excesso de velocidade. No entanto, esta técnica envolve riscos de provocar enormes cargas em vários componentes do aerogerador.

Outra abordagem descrita por exemplo na US 7,342,323 é baseada na medição da velocidade do vento a uma distância desejada do aerogerador e controlar o ângulo de passo das pás do aerogerador, usando a dita informação "avançada" da velocidade do vento. No entanto, a complexidade e a falta de robustez desta técnica implicam em problemas de confiabilidade. O WO 2007/138138, em nome da Requerente, descreve uma solução para uma rajada extrema de vento que mantém o aerogerador em operação e minimiza os momentos de flexão, realizando um aumento súbito do ângulo de passo das pás saturando a taxa mínima de variação do ângulo de passo das pás quando se detecta a rajada extrema de vento. Esta técnica é aplicável a um caso muito particular de rajada de vento. A presente invenção se concentra em encontrar uma solução para estes inconvenientes.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO É um objeto da presente invenção proporcionar métodos e sistemas de controle de aerogeradores confiáveis para limitação sobre velocidades causadas por rajadas de vento.

Outro objetivo da presente invenção é proporcionar métodos e sistemas de controle de aerogeradores para limitar as velocidades causadas por rajadas de vento, capazes de reagir rapidamente a elas sem medições avançadas da velocidade do vento e mantendo o aerogerador produzindo energia.

Em um aspecto, estes e outros objetivos são satisfeitos mediante um método de operação de um aerogerador de velocidade variável com meios de controle do torque e do ângulo de passo das pás, que incluem passos adicionais para proporcionar aos meios de controle do ângulo de passo das pás, no caso de uma rajada de vento, um incremento da referência do ângulo de passo das pás Aeref na quantidade necessária para evitar que o torque aerodinâmico adicionado pela rajada de vento exceda um limite pré-determinado e aumenta a velocidade do rotor e consequentemente a velocidade do gerador.

Em modalidades da presente invenção se proporciona/retira o dito incremento do ângulo de passo das pás A0ref aos/dos meios de controle do ângulo de passo das pás, dependendo do valor de um interruptor que indica a presença/ausência de uma rajada de vento dependendo de, pelo menos, os valores da aceleração do aerogerador A e a velocidade do gerador Ω. Portanto, o método inclui as etapas separadas para calcular o incremento da referência do ângulo de passo das pás ΑΘ^ necessário para contrariar o excesso de torque aerodinâmico devido a uma “possível” rajada de vento e para detectar a presença/ausência de uma rajada de vento de acordo com umas condições pré-definidas de aceleração do gerador e da velocidade do gerador (e incluindo uma condição adicional definida pelo usuário) de modo que o incremento da referência do ângulo de passo das pás A9ref calculado se aplica unicamente quando o dito interruptor está “ligado”. Isto permite por um lado uma reação rápida as rajadas de vento e por outro lado evita reações desnecessárias em certas condições de vento turbulento.

Em modalidades da presente invenção o dito incremento de referência do ângulo de passo das pás Aerefé determinado como uma função de, ao menos, o excesso de torque aerodinâmico Texc devido à rajada de vento (o produto da aceleração do gerador e o momento de inércia total) e a sensibilidade do torque ao ângulo de passo das pás Tsens (calculado a partir de uma tabela determinada obtida a partir de simulações estáticas, porque é uma variável dependente de muitas características físicas do aerogerador). Portanto, a ação de variação do ângulo de passo das pás para reagir às rajadas de vento se faz dependente não somente de uma variável dependente da rajada de vento (a aceleração do gerador), mas também de umas características físicas do aerogerador com as quais se consegue uma reação mais controlada para as rajadas de vento.

Em modalidades da presente invenção o dito incremento da referência do ângulo de passo das pás ΔΘΓβί é determinado também tendo em conta o incremento esperado da velocidade do gerador ΔΩ devido à rajada de vento e da proximidade da velocidade do gerador Ω a um valor limiar predeterminado. Portanto se usam variáveis adicionais para controlar a ação de variação do ângulo de passo das pás que pode levar o aerogerador próximos dos seu limites de funcionamento.

Num outro aspecto, os objetivos acima mencionados são satisfeitos com um aerogerador que compreende: uma torre e uma gôndola que aloja um gerador acionado por um rotor eólico formado por um cubo de rotor e uma ou mais pás; dispositivos de medição de pelo menos a velocidade do gerador Ω e o ângulo de passo Θ de cada pá; um sistema de controle ligado aos ditos dispositivos de medição e para, ao menos, e atuadores de controle do ângulo de passo das pás e do torque do motor, estando o sistema de controle disposto para realizar uma regulação do aerogerador de acordo com uma determinada curva de potência para velocidades de vento inferiores a velocidade de corte Vout\ estando o sistema de controle disposto também para realizar uma regulamentação adicional para rajadas de vento proporcionando aos meios de controle do ângulo de passo das pás um incremento de referência do ângulo passo das pás A9ref na quantidade necessária para evitar que o torque aerodinâmico adicionado por uma rajada de vento exceda um limite predeterminado, estando ativada a dita regulamentação adicional quando ocorrer uma rajada de vento que cumpra com algumas condições pré-definidas e seja desativada quando a dita rajada de vento termina.

Em modalidades da presente invenção, a disposição do sistema de controle para realizar a dita regulação adicional, compreende um módulo para a obtenção do dito incremento da referência do ângulo de passo das pás Â6ref e um interruptor Sw para ativação/desativação da dita regulação adicional que tem: um primeiro sub-módulo para calcular a aceleração do gerador A e a referência da aceleração do gerador Aref dependendo, respectivamente, da velocidade filtrada do gerador Ω e da referência da velocidade do gerador ΩΓβί usada pelos meios de controle do ângulo de passo das pás; um segundo sub-módulo para o cálculo do excesso de torque aerodinâmico Texc acrescentado pela rajada de vento e o incremento requerido da referência do ângulo de passo das pás A6req para superar o dito excesso dependendo ao menos do valor médio emédia do ângulo de passo das pás medido e da inércia do aerogerador; um terceiro sub-módulo para calcular o incremento esperado da velocidade do aerogerador ΔΩ assumindo que as pás variaram o seu ângulo de passo à velocidade máxima permitida; um quarto sub-módulo para o cálculo de um fator de ponderação G a ser aplicado ao incremento requerido da referência do ângulo de passo das pás A9req dependendo do incremento esperado velocidade do gerador ΔΩθ da proximidade da velocidade do gerador /2 para um valor limiar; um quinto sub-módulo para o cálculo do interruptor de ativação/desativação dependendo, ao menos, da velocidade do aerogerador Ω e da aceleração do gerador A; um sexto sub-módulo para o cálculo do incremento de referência do ângulo de passo das pás ΔΘΓβί para ser fornecido aos meios de controle do ângulo de passo.

Por tanto, a implementação da regulação adicional de acordo com a presente invenção é feita usando, por um lado, os sinais disponíveis no sistema de controle do aerogerador e, por outro lado, as variáveis dependentes dos ditos sinais de fácil obtenção e parâmetros de configuração relativos a características físicas relevantes do aerogerador. Isto permite uma implementação simples e robusta da referida regulação adicional.

Outras características e vantagens da presente invenção serão compreendidas a partir da seguinte descrição detalhada de uma modalidade ilustrativa e não ilustrativa do seu objeto em relação com os desenhos anexo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A Figura 1 é uma vista esquemática em secção transversal de um aerogerador. A Figura 2 mostra uma típica curva de produção de um aerogerador. A Figura 3 é um diagrama esquemático de blocos da regulação adicional de acordo com a presente invenção.

As Figuras 4-9 são diagramas esquemáticos de blocos de uma modalidade da regulação adicional de acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERENCIAIS

Um aerogerador convencional 11 compreende uma torre 13 suportando uma gôndola 21 que abriga um gerador 19 para converter a energia de rotação do rotor do aerogerador em energia elétrica. O rotor do aerogerador compreende um cubo de rotor 15 e, normalmente, três pás 17. O cubo do rotor 15 está ligado diretamente ou através de uma caixa de marchas ao gerador 19 do aerogerador para transferir o torque gerado pelo rotor 15 para o gerador 19 aumentando a velocidade do eixo, a fim de alcançar uma velocidade de rotação apropriada do rotor do gerador. A energia produzida por um aerogerador moderno é tipicamente controlada por meio de um sistema de controle para regular o ângulo de passo das pás do rotor e o torque motor do gerador. A velocidade de rotação do rotor e a produção de energia de um aerogerador podem ser assim controladas inicialmente.

Abaixo da velocidade de corte Vout o sistema de controle do aerogerador está disposto para regular a produção de energia de acordo com uma curva que define a relação funcional desejada entre potência e velocidade para alcançar uma produção ideal. Uma curva deste tipo é a curva 25 da Figura 2 que mostra que a produção de energia P aumenta desde uma mínima velocidade de vento Vmin até a velocidade nominal do vento Vn e, em seguida, permanece constante no valor de nominal de produção de energia a te a velocidade de corte do vento Vout onde diminui até 0.

Para a implementar essa regulação uma unidade de controle recebe dados de entrada, tais como a velocidade do vento V, a velocidade do gerador Ω, o ângulo de passo das pás Θ, a produção de energia P desde os bem conhecidos dispositivos de medição e envia dados de saída 9ref, Tref para, respectivamente, o sistema atuador do ângulo de passo das pás para alterara posição angular das pás 17 e uma unidade de comando do gerador para alterar a referência para a produção de energia.

De acordo com a presente invenção, o sistema de controle também está preparado para aplicar uma regulação adicional no caso de rajadas de vento (isto é, uma regulação que é ativada quando uma rajada de vento é detectada e que é desativada quando termina a rajada de vento), que aumenta a referência do ângulo de passo das pás 9ref proporcionada ao atuador do ângulo de passo das pás na quantidade necessária para evitar que o torque aerodinâmico, adicionado pela rajada de vento, exceda um limite predeterminado.

Como mostrado na Figura 3 as entradas básicas para a unidade de controle que implementam a dita regulação são as seguintes: a velocidade do gerador Ω, a velocidade filtrada do gerador Ω, a velocidade filtrada do gerador Ω m utilizada no controlador do ângulo de passo das pás, a referência da velocidade do gerador Ω^ gerado pelo dito controlador o ângulo de passo das pás e o valor médio 6médio do ângulo de passo das pás (um valor não filtrado do ângulo de passo das pás medidos). As saídas são o incremento da referência do ângulo de passo das pás A9ref a ser fornecido ao sistema atuador do ângulo de passo das pás e um interruptor Sw para ativar/desativar a regulação adicional do ângulo de passo das pás. A referida unidade de controle 31 compreende um módulo implementando um algoritmo apropriado para determinar o incremento da referência do ângulo de passo das pás Aêref na quantidade necessária para evitar que o torque aerodinâmico adicionado pela rajada de vento exceda um limite predeterminado.

Numa uma modalidade preferida, o referido algoritmo é implementado por meio dos sub-módulos mostrados nas Figuras 4 a 9.

No primeiro sub-módulo mostrado na Figura 4, a aceleração do gerador A é calculado no bloco 33, como a derivada da velocidade do gerador ΩΓιΙ. A referência de aceleração do gerador Aref é também calculada no bloco 35 como a derivada da referência da velocidade do gerador í2ref.

No segundo sub-módulo mostrado na Figura 5 se calcula o excesso do torque aerodinâmico Texc e o incremento requerido da referência do ângulo de passo das pás A9req para limitar o dito excesso. O excesso do torque aerodinâmico Texc é calculada (bloco 43) como o produto da aceleração do rotor Arot e o momento de inércia total P2. A aceleração do rotor Arot é calculada (bloco 41) a partir da aceleração do gerador A e da relação de multiplicação do conjunto propulsor P1. A sensibilidade do torque Tsens para o valor médio 9mécr,a dos ângulos de passo das pás medidos é calculada (bloco 47) a partir de um parâmetro de referência da sensibilidade P3 e de um fator adicional (bloco 45), dependendo da 0média que corrige a sensibilidade não linear da sensibilidade do torque para o ângulo de passo das pás. A partir do excesso do torque aerodinâmico Texc e da sensibilidade do torque Tsens é calculado o incremento exigido da referência do ângulo de passo das pás A9req (bloco 49). Este é, então, o incremento necessário do ângulo de passo das pás para manter o valor atual do torque aerodinâmico.

No terceiro módulo mostrado na Figura 6 se calculam os incrementos de excesso de velocidade AVrot, ΔΩ devidos à rajada de vento assumindo que as pás variaram o ângulo de passo das pás a velocidade máxima permitida P4. Esses incrementos são calculados (blocos 53, 55) a partir da aceleração do rotor Arot e a derivada da desaceleração imposta pela máxima velocidade permitida P4 cujo valor (bloco 51) é diretamente proporcional a sensibilidade do torque Tsens a máxima velocidade permitida P4 e inversamente proporcional para ao momento de inércia total do rotor P2.

No quarto sub-módulo mostrado na Figura 7 é calculado um fator de ponderação G do incremento requerido da referência do ângulo de passo das pás A9req dependendo do incremento do excesso de velocidade do gerador ΔΩ devido à rajada de vento e a proximidade da velocidade do gerador Ω a um limite de excesso de velocidade do gerador de parada P4 (blocos 61, 63, 65). O fator de ponderação G é tanto maior quanto maior seja o incremento esperado do excesso de velocidade no gerador ΔΩ. O fator de ponderação G também é tanto maior quanto mais próxima esteja a velocidade do gerador do limite de excesso do gerador de parada P4.

No quinto sub-módulo mostrado na Figura 8 é calculada (bloco 75) um interruptor para ativar/desativar o algoritmo a fim de limitar o seu acionamento. Neste sentido se tem em conta três condições. A primeira condição (bloco 71) é que a velocidade do gerador Ω seja maior do que um valor limiar P6 abaixo do valor da velocidade nominal do gerador P5 para habilitar o algoritmo. A segunda condição (bloco 73) é que a aceleração do gerador A seja maior do que um valor limiar P7 para evitar a habilitação do algoritmo em processos de arranque. A referência da aceleração do gerador Aref também se tem em consideração. A terceira condição é um parâmetro definido pelo usuário P8 para ativar/desativar o algoritmo.

Finalmente, no sexto sub-módulo mostrado na Figura 8 se calcula o incremento do ângulo de passo das pás A6ref (bloco 81) aplicando o fator de ponderação G, um fator de ponderação definido pelo usuário para o incremento requerido do ângulo de passo das pás.

Se o interruptor para ativar/desativar o algoritmo está ligado, então se proporciona o incremento do ângulo de passo das pás A0req ao controlador do ângulo de passo das pás (bloco 83).

As principais características diferenciais da regulação de rajadas de vento de acordo com a presente invenção no que diz respeito à técnica anterior são as seguintes: - Se utilizam apenas valores médios da velocidade do gerador Ω e do ângulo de passo das pás Θ que são sinais confiáveis e disponíveis na aerogerador. Não são usadas medições da velocidade do vento fornecidas pelo anemômetro do aerogerador ou por outros dispositivos situados colocados no aerogerador, ou fora dele, para medir a velocidade do vento, porque fornecem medições atrasadas ou pouco robustas. - Leva em conta a física do aerogerador, ou seja, a aerodinâmica e a mecânica do aerogerador. O torque aerodinâmico recebido pelo aerogerador depende da aerodinâmica do rotor. Do mesmo modo, a aceleração do aerogerador e, consequentemente, a velocidade excedente é inversamente proporcional à inércia do aerogerador. - Permite que os meios de controle possam reagir rapidamente às rajadas de vento e manter o aerogerador produzindo energia de um modo seguro.

Embora a presente invenção tenha sido completamente descrita em ligação com modalidades de realização preferidas, é evidente que as modificações podem ser introduzidas dentro do âmbito do mesmo, não considerando estas como limitadas por estas modalidades anteriores, mas sim pelo conteúdo das reivindicações que se seguem.

Claims

1- Método de operação de um aerogerador de velocidade variável com meios de controle de torque e do ângulo de passo das pás, caracterizado pelo fato de compreender etapas adicionais para fornecer aos meios de controle do ângulo de passo das pás, no caso de uma rajada de vento, um incremento da referência do ângulo de passo das pás A0ref na quantidade necessária para evitar que o torque aerodinâmico acrescentado pela rajada de vento exceda um limite predeterminado.

2- Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que fornece/retira o dito incremento de referência do ângulo de passo das pás A9ref para/de os meios de controle do ângulo de passo das pás, dependendo do valor de um interruptor que indica a presença/ausência de uma rajada de vento, dependendo de, ao menos, os valores da aceleração do gerador Ae a velocidade do gerador Ω.

3- Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o dito incremento de referência do ângulo de passo das pás A0ref é determinado como uma função de, ao menos, o excesso de torque aerodinâmica Texc devido à rajada de vento e da sensibilidade do torque para o ângulo de passo das pás Tsens.

4- Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o dito incremento de referência do ângulo de passo das pás Aeref também é determinado tendo em conta o incremento esperado da velocidade do gerador ΔΩ devido à rajada de vento e a proximidade da velocidade do gerador Ω a um valor limite predeterminado.

5- Aerogerador que compreende: - uma torre (13) e uma nacela (21) que aloja um gerador (19) acionador por um rotor eólico formado por um cubo do rotor (15) e uma ou mais pás (17); - dispositivos de medição de, ao menos, a velocidade do gerador Ω e o ângulo de passo <9 de cada pá; - um sistema de controle conectado aos ditos dispositivos de medição e a, ao menos, os atuadores de controle do ângulo de passo das pás e de torque, o sistema de controle estando organizado para realizar uma regulação do aerogerador de acordo com uma curva de potência pré-determinada (25) para velocidades de vento abaixo da velocidade de corte Vout\ caracterizado pelo fato de que o sistema de controle também é organizado para realizar uma regulação adicional para rajadas de ventos, proporcionando aos meios de controle do ângulo de passo das pás um incremento da referência do ângulo de passo das pás A9ref na quantidade necessária para evitar que o torque aerodinâmico adicionado pela rajada de vento exceda um limite pré-determinado, estando ativada a dita regulação adicional quando uma rajada de vento apresentando as condições pré-definidas ocorre e estando desativado quando a dita rajada de vento termina.

6- Aerogerador de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a disposição do sistema de controle para realizar a dita regulação adicional compreende um módulo (31) para obter o dito incremento da referência do ângulo de passo das pás A0refe um interuuptor Sw para ativar/desativar a dita regulação adicional, compreendedno o dito módulo: - um primeiro sub-módulo para calcular a aceleração do gerador A e a referência da aceleração do gerador Aref dependendo, respectivamente, da velocidade filtrada do gerador Ω e da referência da velocidade do gerador Oref usada pelos meios de controle do ângulo de passo das pás; - um segundo sub-módulo para o cálculo do excesso de torque aerodinâmico Texc acrescentado pela rajada de vento e o incremento requerido da referência do ângulo de passo das pás A6req para superar o dito excesso de acordo com, ao menos, o valor médio Omean do ângulo de passo das pás medido e da inércia do aerogerador; - um terçeiro sub-módulo para o cálcular o incremento esperado da velocidade do gerador ΔΩ assumindo que as pás variaram o seu ângulo de passo a velocidade máxima permitida; - um quarto sub-módulo para calcular um fator de ponderação G a ser aplicado ao incremento requerido de referência do ângulo de passo das pás A9req dependendo do incremento esperado da velocidade do gerador ΔΩ e da proximidade da velocidade do gerador Ω a um valor limite; - um quinto sub-módulo para calcular o interruptor de ativação/desativação dependendo, ao menos da velocidade do gerador Ω e da aceleração do gerador A\ - um sexto sub-módulo para calcular o incremento da referência do ângulo de passo das pás A9refa ser fornecido aos meios de controle do ângulo de passo.