BR102013016115A2 - Método para reduzir as oscilações da torre, sistema de controle de passo e turbina eólica - Google Patents
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Abstract
Método para reduzir as oscilações da torre, sistema de controle de passo e turbina eólica. Trata-se de sistemas e métodos para reduzir as oscilações da torre 114 em uma turbina eólica 100. O método inclui obter uma velocidade do rotor. Além disso, o método inclui obter um ou mais parâmetros associados a uma torre 102 de uma turbina eólica 100. Adicionalmente, o método inclui determinar uma velocidade modificada do rotor com base em um ou mais parâmetros. Além disso, o método inclui determinar um primeiro ângulo de passo com base na velocidade modificada do rotor. Adicionalmente, o método inclui colocar em passo uma ou mais pás 106 da turbina eôlica 100 com base no primeiro ângulo de passo para reduzir as oscilações da torre 114.
Description
“MÉTODO PARA REDUZIR AS OSCILAÇÕES DA TORRE, SISTEMA DE CONTROLE DE PASSO E TURBINA EÓLICA” Antecedentes As realizações da presente revelação se referem a turbinas de vento, e, mais particularmente, à redução de oscilações da torre em turbinas de vento.
As turbinas de vento modernas operam em uma faixa larga de condições de vento. Essas condições de vento podem ser amplamente dividas em duas categorias - abaixo da velocidade nominal e acima da velocidade nominal. Para produzir potência nessas condições de vento, as turbinas de vento podem incluir sistemas de controle sofisticados tais como controladores de passo e controladores de torque. Essa quantidade de controladores para trocas nas condições de vento e trocas em anexo nas dinâmicas de turbina eólica. Por exemplo, os controladores de passo geralmente variam o ângulo de passo das pás do rotor para contar para as trocas de condições de vento e dinâmicas de turbina. Durante baixas velocidades nominais de vento, a potência de vento pode ser menor que a saída de potência nominal da turbina eólica. Nessa situação, o controlador de passo pode tentar maximizar a saída de potência colocando-se em passo as pás do rotor, substancialmente, perpendicular à direção do vento. Alternativamente, durante acima das velocidades nominais de vento, a potência de vento pode ser maior que a saída de potência nominal da turbina eólica. Portanto, nesse caso, o controlador de passo pode conter a conversão da energia do vento colocando-se em passo as pás do rotor de modo que somente uma parte da energia do vento colide com as pás do rotor. Controlando-se o ângulo de passo, o controlador de passo, então, controla a velocidade das pás do rotor e por sua vez a energia gerada pela turbina eólica.
Junto à manutenção da velocidade do rotor, os controladores de passo também podem ser empregados para reduzir as oscilações da torre. As oscilações ou vibrações da torre ocorrem devido a vários distúrbios, tais como turbulência, amortecimento ineficiente, ou transição entre as duas condições de vento. Além disso, a torre pode vibrar junto com qualquer grau de liberdade. Por exemplo, a torre pode vibrar em uma direção longitudinal (normalmente chamado de movimento de nutação da torre), em uma direção de lado a lado (normalmente chamado de movimento de negação da torre), ou ao longo de seu eixo geométrico longitudinal (normalmente chamado de vibração de torção). O movimento de nutação da torre normalmente é causado pela rotação e empuxo aerodinâmico das pás do rotor. Toda vez que uma pá de rotor passa em frente à torre, o empuxo da colisão do vento na torre diminui. Tal vibração contínua na força do vento pode induzir oscilações na torre. Além disso, se a velocidade do rotor for de modo que uma pá de rotor passe além da torre cada vez que a torre esteja em uma de suas posições extremas (para frente ou para trás), as oscilações da torre podem ser amplificadas. Tipicamente, as oscilações na direção longitudinal são automaticamente minimizadas devido ao amortecimento aerodinâmico. O amortecimento aerodinâmico depende do fato de que o topo da torre oscila constantemente na direção longitudinal. Quando o topo da torre se move contra o sentido do vento (ou para frente), o empuxo do rotor é aumentado. Esse aumento do empuxo do rotor empurra a torre de volta na direção do vento. O impulso a favor do vento por sua vez ajuda no amortecimento das oscilações da torre. Similarmente, quando o topo da torre se move a favor do vento, o empuxo do rotor pode ser diminuído. Esse decréscimo no empuxo do rotor empurra a torre de volta contra o sentido do vento. O impulso contra o sentido do vento também ajuda no amortecimento das oscilações da torre.
Ainda que o amortecimento aerodinâmico ajude na redução das oscilações consideravelmente, se a velocidade do rotor estiver sincronizada com as oscilações da torre, os resultados podem ser prejudiciais aos componentes da turbina eólica. Em tais ocorrências, a torre pode oscilar em uma alta taxa que causa estiramento mecânico e possível dano à torre. Além disso, tal sincronização pode amplificar a velocidade do rotor na frequência de ressonância da torre, danificando potencialmente, desse modo, os geradores e/ou transmissões conectados às pás do rotor. Como a amplificação das oscilações da torre é dependente da velocidade do rotor, que coloca em passo o rotor para ajustar sua velocidade, pode prevenir a amplificação das oscilações da torre. Consequentemente, colocando-se em passo as pás do rotor, o controlador de passo pode controlar a velocidade do rotor e prevenir a amplificação das oscilações da torre.
Tipicamente, o controlador de passo utiliza duas malhas de controle separadas para as duas funções - controlar a velocidade do rotor e reduzir as oscilações da torre. Uma malha de controle de velocidade do rotor é empregada para determinar um ângulo de passo para controlar a velocidade do rotor e uma malha de controle que amortece a torre é usada para computar um ângulo de passo para reduzir as oscilações da torre. Muitas vezes, essas malhas de retroalimentação operam relativamente de forma independente umas das outras. Por exemplo, a malha de controle de velocidade do rotor pode determinar o ângulo de passo com base na velocidade do rotor, velocidade do vento, e ângulo de passo atual. A malha de controle que amortece uma torre, por outro lado, pode determinar o ângulo de passo com base em deflexão da torre, velocidade máxima da torre, aceleração do topo da torre, ângulo de passo atual, e velocidade do vento. Por causa dessa independência, as malhas de controle de velocidade do rotor disponíveis atualmente podem computar um ângulo de passo para manter velocidade do rotor que pode induzir, de forma desvantajosa, a oscilações da torre ao invés de reduzi-la. Além disso, essas malhas de controle de velocidade do rotor podem causar amplificação de energia nas frequências de ressonância da torre perto do rotor. Tal amplificação pode aumentar oscilações na torre e aumentar a carga de fadiga colocada na turbina eólica. Com o tempo, tais cargas de fadiga podem reduzir vida das peças da turbina eólica e aumentar os custos associados às turbinas de vento.
Breve Descrição Dainvencão De acordo com aspectos da presente revelação, um método para reduzir as oscilações da torre em uma turbina eólica é apresentado. O método inclui obter uma velocidade do rotor. Além disso, o método inclui obter um ou mais parâmetros associados à torre da turbina eólica. Adicionalmente, o método inclui determinar uma velocidade modificada do rotor com base em um ou mais parâmetros. Além disso, o método inclui determinar um primeiro ângulo de passo com base na velocidade modificada do rotor. Adicionalmente, o método inclui colocar em passo uma ou mais pás da turbina eólica com base no primeiro ângulo de passo para reduzir as oscilações da torre.
De acordo com outro aspecto da presente revelação, um sistema de controle de passo é apresentado. O sistema de controle de passo inclui uma unidade de torre configurada para determinar um ou mais parâmetros associados a uma torre de uma turbina eólica. Adicionalmente, o sistema de controle de passo inclui uma unidade de desacoplamento configurada para determinar uma velocidade modificada do rotor com base em um ou mais parâmetros. Adicionalmente, o sistema de controle de passo inclui um controlador configurado para determinar um primeiro ângulo de passo com base na velocidade modificada do rotor.
De acordo ainda com outro aspecto da presente revelação, uma turbina eólica é apresentada. A turbina eólica inclui um rotor que tem uma ou mais pás do rotor e uma torre acoplada de forma operável ao rotor. Adicionalmente, a turbina eólica inclui um sistema de controle de passo para reduzir as oscilações da torre na turbina eólica. O sistema de controle de passo inclui uma unidade de rotor configurada para determinar uma velocidade do rotor, uma unidade de torre configurada para determinar pelo menos um dentre uma velocidade máxima da torre e um segundo ângulo de passo, uma unidade de desacoplamento configurada para determinar uma velocidade modificada do rotor com base em pelo menos um dentre a velocidade máxima da torre e o segundo ângulo de passo, e um controlador configurado para determinar um primeiro ângulo de passo com base na velocidade modificada do rotor.
Breve Descrição Dos Desenhos Essas e outras características, aspectos, e vantagens da presente revelação serão compreendido de forma mais satisfatórias quando a seguinte descrição detalhada for lida com referência nos desenhos em anexo nos quais caracteres similares representam peças similares por todos os desenhos, em que: A Figura 1 é uma representação diagramática das forças e movimentos experimentados por uma turbina eólica; A Figura 2 é uma representação diagramática de um sistema de controle de passo exemplificativo, de acordo com os aspectos da presente revelação; A Figura 3 é um gráfico que ilustra a amplificação de energia da velocidade do rotor de uma turbina eólica convencional em diferentes velocidades do vento; A Figura 4 é um gráfico que ilustra a amplificação de energia da velocidade do rotor de uma turbina eólica que emprega o sistema de controle de passo exemplificativo da Figura 2 em diferentes velocidades do vento, de acordo com os aspectos da presente revelação; A Figura 5 é uma representação diagramática de outro sistema de controle de passo exemplificativo, de acordo com os aspectos da presente revelação; A Figura 6 é um gráfico que ilustra a amplificação de energia da velocidade do rotor de uma turbina eólica convencional com uma unidade de amortecimento da torre em diferentes velocidades do vento; A Figura 7 é um gráfico que ilustra a amplificação de energia da velocidade do rotor de uma turbina eólica que emprega o sistema de controle de passo exemplificativo da Figura 5 em diferentes velocidades do vento, de acordo com os aspectos da presente revelação; A Figura 8 é um fluxograma que ilustra um método exemplificativo para reduzir as oscilações da torre em uma turbina eólica com o uso do sistema de controle de passo da Figura 2, de acordo com os aspectos da presente revelação; e A Figura 9 é um fluxograma que ilustra um método exemplificativo para reduzir as oscilações da torre em uma turbina eólica com uso do sistema de controle de passo da Figura 5, de acordo com os aspectos da presente revelação.
Descrição Detalhada Os seguintes termos, usados por toda essa revelação, podem ser definidos como segue: Dinâmicas da torre - refere-se à mecânica relacionada ao movimento de uma torre da turbina eólica sob a ação de várias forças tais como movimento do vento e do rotor.
Dinâmicas de rotor - refere-se à mecânica relacionada ao movimento do rotor sob a ação de várias forças tais como vento, movimento da torre, e inércia.
Oscilações da frente para trás - refere-se a oscilações da torre em uma direção paralela à direção do vento.
Velocidade de topo da torre - refere-se à velocidade das oscilações da torre experimentada na extremidade de topo de uma torre da turbina eólica.
Aceleração do topo da torre - refere-se à aceleração das oscilações da torre experimentada no topo da torre da turbina eólica.
Deflexão da torre - refere-se à troca de posição do topo da torre da turbina eólica em relação a uma posição de referência.
Ressonância da torre - refere-se à tendência de uma turbina eólica oscilar com amplitude máxima em frequências ressonantes da torre.
Primeira frequência de ressonância de modo - refere-se à frequência ressonante de um primeiro modo estrutural da torre da turbina eólica onde as dinâmicas de modo são caracterizadas por um sistema amortecedor de massa de mola de segunda ordem.
As realizações da presente revelação são relacionadas a um sistema e método exemplificativos para reduzir as oscilações da torre em uma turbina eólica. Mais particularmente, a presente revelação se refere uma malha de controle de velocidade do rotor exemplificativa que usa um sistema de controle de passo como um atuador. Além disso, a malha de controle de velocidade do rotor determina um ângulo de passo que reduz oscilações da torre. Para essa extremidade, a malha de controle de velocidade do rotor inclui uma unidade de desacoplamento soluciona a interdependência entre dinâmicas do rotor e dinâmicas da torre com o uso do modelo com base nos métodos para reduzir as oscilações induzidas na direção longitudinal da torre acima da velocidade nominal.
Além disso, as realizações da presente revelação são descritas com referência a uma turbina eólica de três pás com base terrestre. Será compreendido de forma mais satisfatória, no entanto, que tal referência seja meramente exemplificativa e que os sistemas e métodos aqui descritos possam da mesma forma ser implantados em turbinas de vento flutuantes, turbinas de vento em alto mar, turbinas de vento de 2 pás ou turbinas de vento de 4 pás sem se desviar do escopo da presente revelação. A Figura 1 é uma representação diagramática que ilustra forças e movimentos experimentados por uma turbina eólica 100. A turbina eólica 100 inclui uma torre 102, um rotor 104, uma ou mais pás do rotor 106, e uma nacela 108. A torre 102 pode ser acoplada ao aterramento, ao fundo do oceano, ou a uma fundação flutuante com o uso de qualquer meio de fixação conhecido, tal como aferrolhamento, cimentação, soldagem, e assim por diante.
Adicionalmente, na Figura 1 a referência numérica 110 geralmente representa o vento. O vento 110 pode ter uma velocidade média (u). Como o vento 110 sopra na direção indicada, um torque aerodinâmico (M) é colocado nas pás do rotor 106 que faz com que as pás do rotor 106 girem em uma direção que é, substancialmente, perpendicular à direção do vento. Esse movimento das pás do rotor 106 é representado na Figura 1 por uma velocidade do rotor angular (ωΓ) das pás giratórias 106. Adicionalmente, a nacela 108 pode incluir uma caixa de engrenagem (não mostrada) e um gerador (não mostrado). A caixa de engrenagem pode aumentar a velocidade das pás do rotor 106 e o gerador pode converter a rotação das pás do rotor 106 em eletricidade, convertendo, assim, a energia do vento 110 em eletricidade. Alternativamente, a nacela 108 pode incluir um sistema de transmissão direta (não mostrado). Em tais casos, a inclusão da caixa de engrenagem pode ser contornada.
Além disso, devido a um empuxo aerodinâmico (Fz) do vento 110 e a rotação das pás do rotor 106, a torre 102 pode oscilar em uma direção longitudinal. Referência numérica 114 geralmente representa as oscilações longitudinais. Será compreendido de forma mais satisfatória que, adicionalmente às oscilações longitudinais 114, a torre 102 também pode experimentar outras oscilações. As oscilações exemplificativas incluem oscilações de lado a lado, oscilações de torção, oscilações sinuosas, e similares. Essas oscilações não estão ilustradas na Figura 1. A turbina eólica 100 pode empregar um dispositivo de captação para detectar as oscilações longitudinais 114. Por exemplo, um detector de velocidade de oscilação (não mostrada) ou um detector de deflexão oscilação (não mostrados) podem ser empregados. Alternativamente, um medidor de aceleração 112 pode ser empregado na turbina eólica 100 para detectar a aceleração das oscilações longitudinais 114. Em algumas realizações, o medidor de aceleração 112 pode ser disposto dentro da nacela 108 ou no topo da torre 102. Em outras ocorrências, o medidor de aceleração 112 pode ser posicionado no centro da torre 102.
Além disso, para reduzir as oscilações longitudinais da torre 114 e para controlar a velocidade do rotor, a turbina eólica 100 pode incluir um sistema de controle de passo exemplificativo 116 que pode incluir uma malha de controle de velocidade do rotor (não mostrada). Em algumas realizações, o sistema de controle de passo 116 também pode incluir uma malha de controle que amortece uma torre (não mostrada). Dependendo da velocidade média ou efetiva do vento de entrada 110, o sistema de controle de passo exemplificativo 116 pode ser configurado para determinar o ângulo de passo das pás do rotor 106 par maximizar a potência de saída (dentro dos limites nominais) e/ou minimizar as oscilações da torre. Conforme percebido previamente, alguns dos controladores de passo previamente conhecidos pode tender a aumentar as oscilações da torre, ao invés de diminuí-los. Esse aumento nas oscilações da torre pode ser devido à falha dos controladores de passo convencionais para explicar a interdependência entre as dinâmicas do rotor e as dinâmicas da torre.
As dinâmicas da torre para a turbina eólica 100, em um exemplo, podem ser representadas por uma equação linear de segunda ordem: Xfa + nfaojfaXfa + Xfa = KFZ (ω7„ Θ, ve) (1) onde, xfa é a aceleração do topo da torre, ξ^α é a constante da velocidade de amortecimento da torre 102, mfa é o primeiro modo frequência ressonante da torre, Xfa é a velocidade máxima da torre, e Xfa é a deflexão da torre. Adicionalmente, K é o inverso de uma massa generalizada para o primeiro modo, fs é o empuxo aerodinâmico, wréa velocidade angular, Θ é o ângulo de passo, e vg é a velocidade efetiva do vento. A velocidade efetiva do vento (ve) se refere à velocidade efetiva do vento na altura do cubo da turbina eólica 100. Devido o vento 110 ser distribuído espacialmente e temporariamente, a velocidade do vento varia significativamente em pontos diferentes além da área varrida pelas pás do rotor 106, e portanto diferentes porções da turbina eólica 100 podem experimentar diferentes velocidades do vento. A velocidade efetiva do vento (¾) representa a diferença entre a velocidade média do vento (u) e a velocidade máxima da torre (xrct) conforme descrito na equação (2): ve-v-Xfa (2) O lado esquerdo da equação (1) indica que o movimento da torre 102 pode ser dependente da aceleração do topo da torre (ΛΓ/β), da velocidade máxima da torre (xfa), da deflexão da torre (Xfa), da frequência ressonante (ω/£Ζ), e da constante da velocidade de amortecimento (Çfa). Adicionalmente, o lado direito da equação (1) ilustra que o empuxo aerodinâmico (¾experimentado pela torre 102 pode ser uma função da velocidade angular (ωΓ), o ângulo de passo (é?) e a velocidade efetiva do vento (i/e). Adicionalmente, o empuxo aerodinâmico (i^)pode ser uma função da velocidade média do vento (u) e a velocidade máxima da torre (XfJ conforme esses parâmetros afetam a velocidade efetiva do vento (ue).
Além disso, as dinâmicas do rotor para a turbina eólica 100 também pode ser representado por uma equação linear de primeira ordem: /A= M3 (ωτ, Θ, xjs) — NTg (3) em que, /r é um momento de inércia do rotor 104, é a taxa de troca na velocidade do rotor angular, N é relação da caixa de engrenagem, e Tg é o torque de reação do gerador.
Será observado que ambas as dinâmicas do rotor e as dinâmicas da torre dependem da velocidade efetiva do vento (i^). Adicionalmente, será observado que a velocidade efetiva do vento (ue) é uma função da velocidade máxima da torre (x/(3). Portanto, é evidente, a partir das equações (1) e (3) que as dinâmicas da torre e as dinâmicas do rotor são dependentes uma das outras. De fato, essas dinâmicas estão relacionadas umas às outras devido à velocidade máxima da torre (Èfa), velocidade do rotor (eor), e ângulo de passo (θ').
Controladores de passo convencionais tipicamente assumem que as dinâmicas do rotor e as dinâmicas da torre são independentes. Consequentemente, esses controladores de passo geralmente ignoram a velocidade máxima da torre enquanto computa o ângulo de passo para controlar a velocidade do rotor e/ou amortecer as oscilações da torre. Além disso, devido a essa exclusão, controladores de passo convencionais podem fazer com que a instabilidade nas dinâmicas do rotor e amplificação de energia na velocidade do rotor nas frequências perto da ressonância da torre. Em uma modalidade, o sistema de controle de passo exemplificativo 116 pode ser configurado para empregar a velocidade máxima da torre na computação do ângulo de passo. Mais particularmente, o sistema de controle de passo exemplificativo 116 pode ser configurado para deduzir os efeitos da velocidade máxima da torre da velocidade do rotor. Incluindo-se a velocidade máxima da torre e compensando para esse valor na computação do ângulo de passo, o sistema de controle de passo exemplificativo 116 pode vantajosamente dissociar as dinâmicas do rotor e as dinâmicas da torre. A Figura 2 ilustra uma modalidade exemplificativa 200 do sistema de controle de passo 116 da Figura 1, de acordo com os aspectos da presente revelação. O sistema de controle de passo 200 da Figura 2 inclui uma malha de controle de velocidade do rotor. Adicionalmente, o sistema de controle de passo 200 pode incluir uma unidade de rotor 202, uma unidade de torre 204, e um controlador 206. Além disso, o sistema de controle de passo 200 também pode incluir uma unidade de desacoplamento 208. Em uma modalidade, o controlador 206 pode ser disposto em um circuito de retroalimentação da unidade de rotor 202 e a unidade de desacoplamento 208 pode ser disposta em uma saída da unidade de rotor 202 e a unidade de torre 204. A unidade de rotor 202 pode ser configurada para determinar uma velocidade do rotor (ωΓ). Em uma modalidade, a unidade de rotor 202 pode ser configurada para determinar a velocidade do rotor (ωΓ) medindo-se diretamente a velocidade angular do rotor 104 (vide Figura 1) com o uso de um dispositivo de captação tal como um velocímetro ou um medidor de velocidade angular. Alternativamente, a unidade de rotor 202 pode ser configurada para determinar a velocidade do rotor (ωΓ) determinando-se uma saída de potência da turbina eólica 100 (vide Figura 1) ou a velocidade de rotação de um gerador. Pode ser observado que esses valores são proporcionais à velocidade do rotor. Consequentemente, a determinação qualquer dentre esses parâmetros podem ajudar a unidade de rotor 202 na determinação da velocidade do rotor. Será compreendido de forma mais satisfatória que vários modelos e meios de medição podem ser empregados para determinar a velocidade do rotor e qualquer dentre esses modelos ou meios podem ser empregados para determinar a velocidade do rotor sem se desviar do escopo da presente revelação. A unidade de torre 204 pode ser configurada para determinar um ou mais parâmetros associados à torre 102. Esses parâmetros podem ser representativos das dinâmicas da torre. Por exemplo, em uma modalidade do sistema de controle de passo 200, a unidade de torre 204 pode ser configurada para determinar a velocidade máxima da torre (xfa). A velocidade máxima da torre (xfa) pode ser estimada com o uso da aceleração do topo da torre (xfa). Conforme observado previamente, o medidor de aceleração 112 (vide Figura 1) pode ser empregado para captar a aceleração do topo da torre e comunicar essa informação para a unidade de torre 204. A unidade de torre 204 pode ser configurada para desempenhar qualquer computação conhecida para determinar a velocidade máxima da torre (xfa). Por exemplo, a unidade de torre 204 pode ser configurada para determinar a velocidade máxima da torre (x/cz) desempenhando-se uma operação de integração na aceleração do topo da torre (X/a). Alternativamente, a unidade de torre 204 pode determinar a velocidade máxima da torre (xfa) a partir da torre aceleração (.Sf/a}com o uso de um modelo com base em avaliador tal como um Filtro de Kalman.
Em outras realizações, a velocidade máxima da torre (xfa) pode ser estimada por um sensor de deflexão que detecta um grau de deflexão da torre 102 sobre uma posição de repouso determinada. Medindo-se a deflexão em vários instantes, a velocidade máxima da torre (xrJ pode ser determinada. Em outra modalidade, a unidade de torre 204 pode ser configurada para desempenhar uma operação de diferenciação na deflexão da torre para determinar a velocidade máxima da torre (xfa). Em outra modalidade ainda, a velocidade máxima da torre (xfa.) pode ser captada diretamente por um sensor de velocidade. Será compreendido de forma mais satisfatória que a unidade de torre 204 pode desempenhar vários outras funções e operações sem se desviar do escopo da presente revelação. Por exemplo, a unidade de torre 204 pode manter e atualizar continuamente um modelo das dinâmicas da torre.
De acordo com aspectos da presente revelação, a unidade de desacoplamento 208 pode ser configurada para determinar uma velocidade modificada do rotor com base em parâmetros da torre 102. Para essa extremidade, a unidade de desacoplamento 208 pode incluir uma unidade de computação 210 e uma unidade de subtração 212. A unidade de computação 210 pode ser configurada para receber os parâmetros associados à torre 102. A título de exemplo, a unidade de computação 210 pode ser configurada para receber a velocidade máxima da torre da unidade de torre 204. Além disso, a unidade de computação 210 pode ser configurada para determinar um componente de velocidade do rotor com base na velocidade máxima da torre (daqui por diante chamado de o “primeiro componente de velocidade do rotor”). O primeiro componente de velocidade do rotor pode ser representativo do efeito da velocidade máxima da torre na velocidade do rotor. Para determinar o primeiro componente de velocidade do rotor, a unidade de computação 210 pode utilizar um modelo linear das dinâmicas do rotor. As dinâmicas do rotor podem ser representadas prela seguinte equação linear de primeira ordem: (4) ou aproximações do mesmo, onde é a derivada parcial do torque aerodinâmico em relação à velocidade do rotor, é a derivada parcial do torque aerodinâmico em relação ao ângulo de passo, e é a derivada parcial do torque aerodinâmico em relação à velocidade de vento média.
Adicionalmente, um modelo linear das dinâmicas do rotor pode ser representado pela seguinte equação: (5) ou aproximações do mesmo, onde S£irf é a taxa de troca do primeiro componente de velocidade do rotor e <5c5rf é o primeiro componente de velocidade do rotor.
Pode ser observado que todas as variáveis na equação (5), com exceção do primeiro componente de velocidade do rotor, podem ser detectadas e/ou armazenadas pela unidade de rotor 202 e/ou a unidade de torre 204. Os valores dessas variáveis podem ser comunicados à unidade de computação 210. A unidade de computação 210 pode ser configurada para computar o primeiro componente de velocidade do rotor com base nos valores dessas variáveis.
Além disso, em um exemplo, a unidade de computação 210 pode ser implantada as um ou mais filtros digitais. Em outro exemplo, a unidade de computação 210 pode ser implantada como um dispositivo de computação de propósito geral. O dispositivo de computação de propósito geral pode ser ativado de forma seletiva ou reconfigurado por um meio/unidade de desacoplamento. Por exemplo, o dispositivo de computação pode armazenar as dinâmicas do rotor e o modelo linearizado das dinâmicas do rotor in a meio de armazenamento legível por computador não transitório, de modo que, porém não limitado a, qualquer tipo de disco, memória, cartão magnético, cartão óptico, ou qualquer tipo de mídia apropriada para instruções eletrônicas de armazenamento. Adicionalmente, o dispositivo de computação pode armazenar instruções ou programas configurados para computar o primeiro componente de velocidade do rotor.
Conforme descrito previamente, a unidade de desacoplamento 208 pode incluir adicionalmente a unidade de subtração 212 que pode ser configurada para receber a velocidade do rotor (ωΓ) da unidade de rotor 202 e o primeiro componente de velocidade do rotor (£<Qrf) da unidade de computação 210. Além disso, a unidade de subtração 212 pode ser configurada para subtrair o primeiro componente de velocidade do rotor (Súrf) da velocidade do rotor (ωΓ) para obter uma velocidade modificada do rotor. A velocidade modificada do rotor pode ser representativa da velocidade do rotor que é desprovida dos efeitos da velocidade máxima da torre. O controlador 206 pode ser configurado para receber a velocidade modificada do rotor, processar esse valor, e gerar um valor de ângulo de passo (δθ) correspondente à velocidade modificada do rotor (daqui por diante chamado de um “primeiro ângulo de passo”). Para processar esse valor, em uma modalidade, o controlador 206 pode incluir a tabela de consulta (LUT) que inclui valores de ângulo de passo computados previamente correspondentes a várias velocidades de rotor. A velocidade modificada do rotor pode ser comparada com as velocidades de rotor armazenadas para determine um primeiro ângulo de passo correspondente. Alternativamente, o controlador 206 pode incluir uma velocidade do rotor limiar. Nesse caso, a velocidade modificada do rotor pode ser comparada a uma velocidade do rotor limiar. Adicionalmente, o controlador 206 pode ser configurado para gerar um sinal de erro que indica qualquer divergência da velocidade modificada do rotor da velocidade do rotor limiar. O controlador 206 pode incluir adicionalmente uma LUT para armazenar valores de ângulo de passo correspondente a vários valores de erros. Desempenhando-se uma consulta na tal tabela, o controlador 206 pode ser configurado para determinar um primeiro ângulo de passo apropriado. Em outras realizações do controlador 206, o primeiro ângulo de passo pode ser computado em tempo real utilizando-se um ou mais modelos de turbina eólica conhecidos que podem ser armazenados em uma LUT associada.
Em alguns casos, a colocação em passo independente das pás do rotor 106 pode, adicionalmente, reduzir as oscilações e aumentar a eficiência da turbina eólica 100. Em tais ocorrências, o controlador 206 pode ser configurado para determinar, independentemente, os primeiros ângulos de passo para cada pá de rotor 106. As técnicas pára tais computações podem incluir, receber velocidades de rotor modificadas que corresponde a cada pá de rotor 106 separadamente ou receber uma velocidade modificada do rotor simples. Em caso de velocidades de rotor modificadas individuais, o controlador 206 pode ser configurado para desempenhar uma consulta simples na LUT para determinar os primeiros ângulos de passo individuais. De outra maneira, o controlador 206 pode ser configurado para utilizar um ou mais modelos de turbina eólica para determinar os primeiros ângulos de passo individuais. Por exemplo, durante a fase de projeto da turbina, vários cálculos podem ser realizados para determinar um modelo para definir a velocidade do rotor atingida em vários ângulos de passo individuais e velocidades do vento. Os resultados de tais computações podem ser armazenador no controlador 206. Subsequentemente, durante a operação, o controlador 206 pode ser configurado para desempenhar uma consulta para determinar os primeiros ângulos de passo individuais que podem ser utilizados para atingir a velocidade modificada do rotor. Alternativamente, o controlador 206 pode ser configurado para fornecer a velocidade modificada do rotor, ângulos de passo prévios, e velocidade do vento atual ao modelo para determinar os primeiros ângulos de passo individuais. Será compreendido de forma mais satisfatória que vários controladores de ângulo de passo atualmente são empregados nas turbinas de vento e que qualquer dentre esses controladores de passo podem ser utilizados para implantar o controlador 206 sem se desviar do escopo da presente revelação. O controlador 206 pode ser qualquer um dentre os controladores conhecidos na técnica, de modo que um controlador proporcional, a controlador integral proporcional, a controlador derivativo integral proporcional, a regulador quadrático linear, ou a regulador de Gaussiano quadrático linear sem se desviar do escopo da presente revelação.
Em algumas realizações, a unidade de rotor 202 pode incluir um atuador de passo 214 para colocar em passo as pás do rotor 106 com base no primeiro ângulo de passo determinado pelo controlador 206. Conforme descrito previamente, o controlador 206 pode ser configurado para gerar e transmitir substancialmente os primeiros ângulos de passo similares para as pás na turbina eólica 100 ao atuador de passo 214. Alternativamente, o controlador 206 pode transmitir primeiros ângulos de passo independentes ao atuador de passo 214. O atuador de passo 214, por sua vez, pode incluir qualquer mecanismo de atuação para ajustar o ângulo de passo das pás do rotor 106. Por exemplo, o atuador de passo 214 pode ser um sistema hidráulico que recebe valores de ângulo de passo na forma de sinais de tensão e coloca em passo as pás do rotor 106 ativando a cilindro de passo (não mostrado) em uma taxa variável. Alternativamente, o atuador de passo 214 pode ser um sistema elétrico, eletrônico, ou eletromecânico sem se desviar do escopo da presente revelação.
Pode ser observado que a Figura 2 ilustra a unidade de desacoplamento 208 e o controlador 206 as unidades de hardware separadas. No entanto, será compreendido que em algumas realizações, o controlador 206 pode ser projetado com o um controlador de múltiplas saídas e múltiplas entradas (MIMO) que inclui a funcionalidade da unidade de desacoplamento 208 e/ou o rotor e unidade de torres 202 e 204. Em realizações onde o controlador 206 inclui a unidade de desacoplamento 208, a velocidade máxima da torre e a velocidade do rotor pode ser fornecida diretamente ao controlador 206. O controlador 206, por sua vez, pode incluir a unidade de computação 210 e a unidade de subtração 212 para computar o primeiro componente de velocidade do rotor e subtrair esse valor da velocidade do rotor detectada, respectivamente. Com base na subtração, o controlador 206 pode determinar a velocidade modificada do rotor.
As Figuras. 3 e 4 são gráficos 300, 400 que ilustram esquematicamente amplificação de energia simulada da velocidade do rotor de uma turbina eólica, em várias velocidades do vento. Adicionalmente, esses gráficos 300, 400 ilustram a amplificação de energia da velocidade do rotor com o ouso do ângulo de passo como um atuador. Mais particularmente, o gráfico 300 ilustra o efeito de um sistema de controle de passo convencional (sem a unidade de desacoplamento) na amplificação de energia na velocidade do rotor de uma turbina eólica convencional em diferentes velocidades do vento e frequências. O gráfico 400 ilustra o efeito do sistema de controle de passo exemplificativo 200 da Figura 2 na amplificação de energia na velocidade do rotor da turbina eólica 100 em diferentes velocidades do vento e frequências. O gráfico 300 ilustra que existe amplificação de energia significante na frequência de ressonância da torre (geralmente indicada pela referência numérica 302). Em essência, tal amplificação ocorre por causa de controladores de passo convencionais não satisfazerem a velocidade máxima da torre embora determine o ângulo de passo para controlar a velocidade do rotor.
Para contornar as deficiências dos controladores de passo convencionais, a unidade de desacoplamento exemplificativa 208 da Figura 2 pode ser configurada para prevenir a amplificação de energia e reduzir as oscilações longitudinais 114 (vide Figura 1) em frequências de ressonância da torre. Em particular, a unidade de desacoplamento 208 pode ser configurada para determinar um componente de velocidade do rotor que resulta das oscilações da torre. Adicionalmente, a unidade de desacoplamento 208 pode ser configurada para deduzir esse componente da velocidade do rotor. Consequentemente, os efeitos das oscilações da torre na velocidade do rotor podem ser substancialmente minimizados. Consequentemente, a velocidade do vento e ângulo de passo podem ser somente fatores que afetam a velocidade modificada do rotor. O gráfico 400 ilustra essa afirmação. Será observado que a amplificação de energia da Figura 3 não está presente na Figura 4. Portanto, a introdução da unidade de desacoplamento exemplificativa 208 no sistema de controle de passo 200 ajuda a minimizar a amplificação de energia e oscilações da torre subsequentes. A Figura 5 é uma representação diagramática de outra modalidade exemplificativa 500 do sistema de controle de passo 116 da Figura 1. Nessa modalidade, o sistema de controle de passo 500 inclui uma malha de controle de velocidade do rotor e uma malha de controle que amortece uma torre. Consequentemente, o sistema de controle de passo 500 inclui uma unidade de rotor 502, uma unidade de torre 504, e um controlador 506. Essas unidades funcionam substancialmente similares às unidades nomeadas similarmente descritas com referência a Figura 2. Além disso, o sistema de controle de passo 500 pode incluir uma unidade de amortecimento da torre 508, uma unidade de desacoplamento 510, e um circuito de adição 512. A unidade de amortecimento da torre 508 pode ser acoplada entre uma saída da unidade de torre 504 e uma entrada da unidade de rotor 502. Também, a unidade de desacoplamento 510 pode ser acoplada a uma saída da unidade de rotor 502, unidade de torre 504, e a unidade de amortecimento da torre 508. Adicionalmente, o circuito de adição 512 pode ser acoplado entre uma saída do controlador 506 e a unidade de amortecimento da torre 508, e uma entrada da unidade de rotor 502. A unidade de amortecimento da torre 508 pode ser configurada para reduzir as oscilações na torre 102 da Figura 1. Conforme observado previamente com referência a Figura 1, essas oscilações são tipicamente causadas por distúrbios no vento 110, operação das pás do rotor 106, ou qualquer outro fatores. Durante a operação da turbina eólica 100, uma ação de levantar uma de arrastar nas pás do rotor 106. The ações de arrastar as um empuxo na direção da parte frontal para a parte posterior da torre 102, induzindo desse modo as oscilações longitudinais 114. Além disso, a magnitude do empuxo varia dependendo da velocidade do vento e do ângulo de passo. Consequentemente, controlando-se o ângulo de passo, o empuxo na direção da parte frontal para a parte posterior pode ser ajustada, que por sua vez regula as oscilações longitudinais 114.
Continuando com referência à Figura 5, de acordo com alguns aspectos da presente revelação, a unidade de amortecimento da torre 508 pode ser configurada para calcular um ângulo de passo para gerar um empuxo desejado nas pás do rotor 106. Em um exemplo, o empuxo desejado pode ser representativo do empuxo que pode ser aplicado nas pás do rotor 106 para minimizar substancialmente ou cancelar as oscilações da torre 102. Adicionalmente, a unidade de amortecimento da torre 508 pode determinar o ângulo de passo com base na aceleração do topo da torre detectada. Subsequentemente, o circuito de adição 512 pode ajudar o ângulo de passo para amortecimento (daqui por diante chamado de o “segundo ângulo de passo”) com o primeiro ângulo de passo para gerar um ângulo de passo combinado. O ângulo de passo combinado pode ser empregado para colocar em passo as pás do rotor 106.
Apesar das reduções nas oscilações causadas pelo empuxo aerodinâmico (Fz), amortecedores de torre convencionais podem introduzir amplificação de energia no rotor na ressonância da torre. Essa amplificação pode ocorrer por causa dos controladores de passo convencionais ignorarem os efeitos do segundo ângulo de passo no primeiro ângulo de passo enquanto computa o primeiro ângulo de passo. De acordo com aspectos da presente revelação, as realizações do sistema de controle de passo 500 satisfazem os efeitos do segundo ângulo de passo no primeiro ângulo de passo. Em particular, o sistema de controle de passo 500 pode ser configurado para deduzir esses efeitos junto com os efeitos da velocidade máxima da torre da velocidade do rotor para determinar uma velocidade modificada do rotor. Minimizando-se e/ou removendo-se os efeitos do segundo ângulo de passo e a velocidade máxima da torre da velocidade do rotor, as realizações do sistema de controle de passo 500 ajudam na redução ou eliminação das possibilidades de amplificação de energia em frequências de ressonância da torre no rotor 104 (vide Figura 1).
Para obter velocidade modificada do rotor, a unidade de desacoplamento 510 pode ser configurada para determinar componentes de velocidade do rotor com base em um ou mais parâmetros associados à torre 102, tais como a velocidade máxima da torre e o segundo ângulo de passo.
Mais particularmente, a unidade de desacoplamento 510 pode ser configurada para determinar um componente de velocidade do rotor devido ao segundo ângulo de passo (daqui por diante chamado de o “segundo componente de velocidade do rotor”) adicionalmente ao primeiro componente de velocidade do rotor. Consequentemente, a unidade de desacoplamento 510 pode ser configurada para receber â velocidade máxima da torre da unidade de torre 504 e o segundo ângulo de passo da unidade de amortecimento da torre 508. Em uma modalidade, a unidade de desacoplamento 510 pode incluir uma unidade de computação 514 e uma unidade de subtração 516. A unidade de computação 514 pode ser configurada para determinar o primeiro componente de velocidade do rotor e o segundo componente de velocidade do rotor com o uso de um modelo linearizado das dinâmicas do rotor, em um exemplo. Consequentemente, nessa modalidade, o modelo linearizado pode incluir o segundo ângulo de passo adicionalmente para a velocidade máxima da torre. O modelo linearizado das dinâmicas do rotor pode ser representado pela seguinte equação: (6) ou aproximações do mesmo, onde, ôúSrc é uma combinação do primeiro componente de velocidade do rotor e o segundo componente de velocidade do rotor, õ<j3rc é a taxa de troca da combinação dos primeiro e segundo componentes de velocidade do rotor, e δθ^.Γ é o segundo ângulo de passo. A unidade de computação 514 pode estar configurada para recuperar o segundo ângulo de passo e a velocidade máxima da torre da unidade de amortecimento da torre 508 e da unidade de torre 504, respectivamente. Com base nesses valores, a unidade de computação 514 pode estar configurada para determinar uma combinação do primeiro e segundo componentes da velocidade do rotor devido a oscilações da torre e amortecimento de torre. Para determinar a velocidade modificada do rotor, a unidade de subtração 516 pode estar configurada para deduzir a combinação do primeiro e segundo componentes de velocidade do rotor da velocidade do rotor.
De acordo com uma modalidade, a unidade de desacoplamento 510 pode ser implantada como um ou mais filtros digitais ou um dispositivo de computação - uma para determinar o primeiro componente de velocidade do rotor e o outro para determinar o segundo componente de velocidade do rotor. Alternativamente, a unidade de desacoplamento 510 pode ser implantada como um único filtro digital ou dispositivo de computação que pode estar configurado para determinar o primeiro e o segundo componentes de velocidade do rotor simultaneamente.
As outras unidades, como o controlador 506 e a unidade de rotor 502, podem funcionar de maneira que é substancialmente similar à operação de suas contrapartes conforme descrito com referência à Figura 2. Por exemplo, a unidade de rotor 502 pode estar configurada para comunicar a velocidade do rotor detectada para a unidade de subtração 516. Similarmente, o controlador 506 pode estar configurado para determinar o primeiro ângulo de passo e fornecer esse valor para o circuito de adição 512. Além disso, o circuito de adição 512, por sua vez, pode estar configurado para receber o primeiro ângulo de passo e o segundo ângulo de passo e combinar esses dois valores para determinar um ângulo de passo combinado. Esse ângulo de passo combinado pode ser comunicado para um atuador de passo 518. Adicionalmente, o atuador de passo 518 pode estar configurado para colocar em passo as pás do rotor de acordo com o ângulo de passo comunicado.
As Figuras 6 e 7 são gráficos 600, 700 que ilustram esquematicamente amplificação de energia simulada da velocidade do rotor de uma turbina eólica. Adicionalmente, esses gráficos 600, 700 ilustram amplificação de energia com o uso de ângulo de passo como um atuador. Mais particularmente, a Figura 6 ilustra o efeito de um controlador de passo convencional (com um malha de amortecimento de torre) na amplificação de energia na velocidade do rotor em diferentes velocidades do vento e frequências. A Figura 7 ilustra o efeito do sistema de controle de passo exemplificativo 500 da Figura 5 na amplificação de energia na velocidade do rotor em diferentes velocidades do vento e frequências. O gráfico 600 ilustra a existência de uma amplificação de energia significativa na frequência de ressonância da torre, geralmente representada pela referência numérica 602. Pode ser observado que a amplificação de energia, nesse caso, não é tão aguda como na Figura 3 devido à inclusão de uma malha de amortecimento de torre nesse controlador de passo convencional. O gráfico 700 ilustra que o pico da amplificação de energia indicado na Figura 6 é significativamente reduzido implantando-se a unidade de desacoplamento 510 do sistema de controle de passo 500. Portanto, introduzindo-se a unidade de desacoplamento 510, a amplificação de energia em frequências de ressonância da torre pode ser evitada e excessivas oscilações da torre devido à amplificação de amplitude podem ser contornadas. A Figura 8 é um fluxograma 800 que ilustra um método exemplificativo para reduzir as oscilações em uma turbina eólica. O método será descrito com referência às Figuras 1-2. O método inicia na etapa 802 onde uma velocidade do rotor de uma turbina eólica, como a turbina eólica 100, é determinada. Em uma modalidade, a unidade de rotor 202 pode estar configurada para determinar a velocidade do rotor medindo-se diretamente a velocidade do rotor com o uso de um sensor, como um anemômetro, um velocímetro, um medidor de velocidade rotacional, e assim em diante. Alternativamente, a unidade de rotor 202 pode estar configurada para determinar a velocidade do rotor mediante medição de uma potência de saída ou velocidade de gerador da turbina eólica 100. Nesse caso, a velocidade do rotor pode ser estimada como a velocidade que gera a potência de saída ou velocidade de gerador correspondente.
Subsequentemente, na etapa 804, um ou mais parâmetros associados a uma torre, como a torre 102, podem ser determinados. Mais partícularmente, uma velocidade máxima da torre pode ser determinada. Em uma modalidade, a unidade de torre 204 pode estar configurada para determinar a velocidade máxima da torre com base em uma aceleração do topo da torre. O medidor de aceleração 112 acoplado à turbina eólica 100 pode ser empregado para determinar a aceleração das deflexões da torre. Com base nesse valor detectado, a unidade de torre 204 pode computar a velocidade máxima da torre. A título de exemplo, a unidade de torre 204 pode desempenhar uma operação de integração na aceleração do topo da torre para determinar a velocidade máxima da torre. Alternativamente, a torre velocidade pode ser determinada a partir de medições disponíveis como aceleração de torre com o uso de um avaliador com base em modelo como um filtro de Kalman. Em outras realizações, um sensor de velocidade ou um sensor de deflexão pode ser instalado na turbina eólica 100 para medir a velocidade máxima da torre ou a deflexão da torre, respectivamente. No caso de a deflexão da torre ser detectada, a unidade de torre 204 pode estar configurada para desempenhar uma operação de diferenciação na deflexão da torre para determinar a velocidade máxima da torre. Além disso, um ou mais dos sensores podem ser acoplados à unidade de torre 204 de tal modo que o valor de parâmetro medido possa ser diretamente fornecido à unidade de torre 204.
Além disso, nas etapas 806 e 808, uma velocidade modificada do rotor pode ser computada. Para essa finalidade, o primeiro componente de velocidade do rotor pode ser computado, conforme indicado pela etapa 806. A unidade de computação 210 pode estar configurada para utilizar um modelo linearizado das dinâmicas do rotor conforme representado pela equação (5) para determinar a velocidade modificada do rotor. Substituindo-se a velocidade máxima da torre e outros valores variáveis na equação (5), a unidade de computação 210 pode determinar o primeiro componente de velocidade do rotor.
Na etapa 808, o primeiro componente de velocidade do rotor pode ser subtraído da velocidade do rotor obtida na etapa 802 para determinar a velocidade modificada do rotor. Em uma modalidade, a unidade de subtração 212 pode estar configurada para desempenhar essa operação. A unidade de subtração 212 pode ser um dispositivo de computação digital ou um dispositivo de hardware elétrico sem se desviar do escopo da presente revelação. No caso de um dispositivo de hardware, a unidade de computação 210 pode estar configurada para emitir um sinal elétrico que corresponde ao primeiro componente de velocidade do rotor. Similarmente, a unidade de rotor 202 pode converter a velocidade do rotor em um sinal elétrico. Esses sinais (isto é, o primeiro componente de velocidade do rotor e a velocidade do rotor) podem ser, então, subtraídos na unidade de subtração 212. No caso de um dispositivo de computação digital, os valores digitais para a velocidade do rotor e o primeiro componente de velocidade do rotor podem ser fornecidos para a unidade de subtração 212 onde os mesmos podem ser subtraídos para determinar a velocidade modificada do rotor.
Subsequentemente, na etapa 810, um primeiro ângulo de passo pode ser gerado com base na velocidade modificada do rotor. A unidade de subtração 212 pode estar configurada para comunicar a velocidade modificada do rotor para o controlador 206. O controlador 206, por sua vez, pode estar configurado para determinar o primeiro ângulo de passo correspondente. Conforme descrito previamente, o controlador 206 pode estar configurado para desempenhar essa operação utilizando-qualquer uma das inúmeras tecnologias conhecidas. Por exemplo, o controlador 206 pode incluir uma LUT pré-preenchida que inclui valores de ângulo de passo que correspondem a várias velocidades de rotor. Alternativamente, o controlador 206 pode estar configurado para armazenar uma velocidade do rotor limiar determinada, como uma velocidade do rotor que gera saída de potência nominal. O controlador 206 pode comparar, subsequentemente, a velocidade modificada do rotor à velocidade do rotor limiar para gerar um sinal de erro. Além disso, o controlador 206 também pode incluir uma LUT que armazena ângulos de passo que correspondem a vários sinais de erro. Consequentemente, o controlador 206 pode estar configurado para comparar o sinal de erro gerado aos sinais de erro na LUT para determinar um primeiro ângulo de passo apropriado. Além disso, em algumas turbinas eólicas, o controlador 206 pode estar configurado para gerar primeiros valores de ângulo de passo para as pás do rotor 106 individualmente de modo que cada pá de rotor 106 possa ser colocada em passo em um ângulo diferente. Em outras realizações, o controlador 206 pode gerar um primeiro ângulo de passo para todas as pás do rotor 106.
Após a determinação do primeiro ângulo de passo, uma ou mais pás do rotor 106 podem ser colocadas em passo com base em um primeiro ângulo de passo correspondente, conforme indicado pela etapa 812. Para essa finalidade, o controlador 206 pode transmitir o primeiro ângulo de passo para o atuador de passo 214. O atuador de passo 214 pode, por sua vez, estar configurado para utilizar qualquer meio de atuação conhecido para alterar o ângulo de passo das pás. Alguns exemplos de meio de atuação de passo podem incluir meios hidráulicos, meios elétricos, meios eletrônicos e meios eletromecânicos. A Figura 9 é um fluxograma 900 que ilustra outro método exemplificativo para reduzir as oscilações em uma turbina eólica. Esse método é descrito com referência às Figuras 1 e 5. Similar ao método anteriormente descrito, esse método inicia na etapa 902 determinando-se a velocidade do rotor. Subsequentemente, na etapa 904, um ou mais parâmetros associados à torre 102 podem ser obtidos. Os parâmetros podem incluir velocidade máxima da torre e um segundo ângulo de passo. Em um exemplo, a velocidade máxima da torre pode ser determinada na etapa 906 e o segundo ângulo de passo pode ser determinado na etapa 908. Para essa finalidade, o sistema de controle de passo 500 pode incluir a unidade de amortecimento da torre 508. A unidade de amortecimento da torre 508 pode estar configurada para determinar o segundo ângulo de passo com base em um modelo linear de dinâmicas da torre e na velocidade máxima da torre. Conforme descrito previamente com referência à Figura 5, a unidade de amortecimento da torre 508 pode estar configurada para determinar o empuxo necessário para reduzir as oscilações e determinar o segundo ângulo de passo que pode ajudar na geração do empuxo desejado.
Visto que o segundo ângulo de passo está computado, uma velocidade modificada do rotor pode ser determinada na etapa 910. Para computar a velocidade modificada do rotor, pode ser desejável obter o primeiro e o segundo componentes de velocidade do rotor. Consequentemente, o primeiro e o segundo componentes de velocidade do rotor são computados, conforme indicado pela etapa 912. Em uma modalidade, para essa computação, a unidade de computação 514 pode estar configurada para utilizar o modelo linearizado de dinâmicas do rotor fornecido pela equação (6). Com o uso dessa equação, a unidade de computação 514 pode estar configurada para determinar uma combinação do primeiro e do segundo componentes de velocidade do rotor (Sr£.). Nesse modelo, a unidade de computação 514 pode estar configurada para empregar os valores da velocidade máxima da torre e do segundo ângulo de passo para determinar o primeiro e o segundo componentes de velocidade do rotor. Subsequentemente, na etapa 914, o primeiro e o segundo componentes de velocidade do rotor são subtraídos da velocidade do rotor obtida na etapa 902 para determinar a velocidade modificada do rotor. Em uma modalidade, a combinação do primeiro e do segundo componentes de velocidade do rotor (aJrc) pode ser subtraída da velocidade do rotor para determinar a velocidade modificada do rotor.
Além disso, na etapa 916, um primeiro ângulo de passo pode ser gerado com base na velocidade modificada do rotor. Mais particularmente, a velocidade modificada do rotor pode ser comunicada para o controlador 206 e o controlador 206 pode estar configurado para gerar o primeiro ângulo de passo. O primeiro ângulo de passo e o segundo ângulo de passo podem ser combinados no circuito de adição 512 para gerar um ângulo de passo combinado, conforme indicado pela etapa 918. Esse ângulo de passo combinado pode ser transmitido para o atuador de passo 214. Na etapa 920, o atuador de passo 518 pode estar configurado para colocar em passo as pás do rotor 106 (individualmente ou em conjunto) para obter uma velocidade do rotor desejada e para reduzir oscilações da torre.
Será compreendido de modo mais satisfatório que os métodos das Figuras 8 e 9 podem ser repetidos de modo contínuo, periódico ou em intervalos de tempo determinados para manter a velocidade do rotor desejada e/ou minimizar oscilações da torre. No caso de turbulência elevada ou velocidades muito elevadas, esses métodos podem não ser suficientes para manter a velocidade do rotor e/ou as oscilações da torre dentro dos limiares. Em tais casos, o sistema de controle de passo 116 também pode estar configurado para desligar ou encerrar a turbina eólica 100 até que acabem as condições de turbulência. Tal medição pode ser tomada para evitar dano à turbina eólica 100.
Além disso, embora os sistemas e métodos descritos acima no presente documento desacoplem o rotor e dinâmicas da torre a fim de reduzir oscilações da frente para trás da torre e manter velocidade efetiva do rotor, esses sistemas também podem ser utilizados para desacoplar outras dinâmicas de turbina eólica. Por exemplo, a unidade de desacoplamento 208 e/ou 510 pode ser utilizada em um sistema de controle de passo para desacoplar pá-aba de rotor e vibrações longitudinais da torre. Similarmente, a unidade de desacoplamento 208 e/ou 510 pode ser utilizada em um controlador de torque para desacoplar a pá-borda e dinâmicas de sistema de transmissão.
Adicionalmente, os exemplos, demonstrações e etapas de processo precedentes, como aquelas que podem ser desempenhadas pelo sistema, podem ser implantado por código adequado em um sistema à base de processador, como um computador para propósito geral ou de propósito especial. Também deveria ser constatado que diferentes implantações da presente técnica podem desempenhar parte ou a totalidade das etapas descritas no presente documento em diferentes ordens ou substancialmente ao mesmo tempo, ou seja, em paralelo. Além disso, as funções podem ser implantadas em uma variedade de linguagens de programação, incluindo, porém não se limitado a C++ ou Java. Tal código pode ser armazenado ou adaptado para armazenamento em um ou mais meios legíveis em máquina tangíveis, como em chips repositórios de dados, discos rígidos locais ou remotos, discos ópticos (ou seja, CDs ou DVDs), memória, ou outros meios, que podem ser acessados por um sistema à base de processador para executar o código armazenado. Notar que o meio tangível pode compreender papel ou qualquer outro meio adequado mediante o qual as instruções são impressas. Por exemplo, as instruções podem ser eletronicamente capturadas através de varredura óptica do papel ou outro meio, então, compiladas, interpretadas ou, de outra forma, processadas de maneira adequada se necessário, e, então, armazenadas em um repositório de dados ou memória.
Além disso, as várias tabelas de consulta podem ser incorporadas a qualquer sistema repositório de dados. Por exemplo, essas tabelas de consulta podem ser implantadas em uma memória apenas para leitura, memória de acesso aleatório, memória rápida, base de dados relacionais, ou qualquer outra forma de memória sem se desviar do escopo da presente revelação. Adicionalmente, essas tabelas de consulta podem ser armazenadas em um único repositório de dados ou em repositórios de dados individuais.
As malhas de velocidade do rotor convencionais ignoram tipicamente parâmetros como a velocidade máxima da torre (xfa) eo ângulo de passo calculado pela malha de amortecimento de torre (9twr) enquanto determinam o ângulo de passo para controlar a velocidade do rotor. Tal negligência pode induzir amplificação de energia no rotor a frequências de ressonância da torre. A amplificação de energia repentina pode ser prejudicial para o rotor, sistema de transmissão e gerador. Além disso, a análise linear revela que a interdependência entre as dinâmicas do rotor e as dinâmicas da torre resulta em dinâmicas do rotor instáveis. A malha de velocidade do rotor exemplificativa do sistema de controle de passo da presente revelação reduz/elimina de modo eficaz os efeitos das dinâmicas da torre nas dinâmicas do rotor e, portanto, reduz a amplificação de energia no rotor na ressonância da torre. Além disso, o sistema de controle de passo exemplificativo pode ser empregado para estabilizar dinâmicas do rotor. Adicionalmente, as cargas de fadiga experimentadas pelas turbinas eólicas também podem ser reduzidas de tal modo que as cargas de fadiga se encontrem dentro de limites operacionais desejados. Por exemplo, os sistemas e métodos aqui descritos podem reduzir fatiga de torre em aproximadamente 17%.
Enquanto apenas determinadas características da invenção foram ilustradas e descritas no presente documento, muitas modificações e mudanças irão ocorrer para o versado na técnica. Portanto, deve-se compreender que as reivindicações anexadas se destinam a cobrir tais modificações e mudanças visto que se situam dentro o espírito verdadeiro da presente revelação.
Reivindicações:
Claims (11)
1. MÉTODO PARA REDUZIR AS OSCILAÇÕES DA TORRE 114, em uma turbina eólica 100, em que o método compreende: determinar uma velocidade do rotor; obter um ou mais parâmetros associados a uma torre 102 da turbina eólica 100; determinar uma velocidade modificada do rotor com base em um ou mais parâmetros; determinar um primeiro ângulo de passo com base na velocidade modificada do rotor; e colocar em passo uma ou mais pás 106 da turbina eólica 100 com base no primeiro ângulo de passo para reduzir as oscilações da torre 114.
2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, em que obter um ou mais parâmetros associados à torre 102 compreende: determinar uma velocidade máxima da torre em uma direção longitudinal; e/ou determinar um segundo ângulo de passo.
3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 2, em que determinar a velocidade modificada do rotor compreende: determinar um primeiro componente de velocidade do rotor com base na velocidade máxima da torre utilizando-se um modelo linear de dinâmicas do rotor, em que o modelo linear é representado por: ou aproximações do mesmo, onde, Jr é um momento de inércia de um rotor 104, δωτ/ é o primeiro componente de velocidade do rotor, δωτ/ é uma taxa de troca do primeiro componente de velocidade do rotor e 8Xfa é a velocidade máxima da torre; e subtrair o primeiro componente de velocidade do rotor da velocidade do rotor para obter a velocidade modificada do rotor.
4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 2, em que colocar em passo uma ou mais pás 106 compreende: combinar o primeiro ângulo de passo e o segundo ângulo de passo para obter um ângulo de passo combinado; e colocar em passo uma ou mais pás da turbina eólica com base no ângulo de passo combinado para reduzir as oscilações da torre 114.
5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, em que determinar a velocidade modificada do rotor compreende: determinar o primeiro componente de velocidade do rotor com base na velocidade máxima da torre e um segundo componente de velocidade do rotor com base no segundo ângulo de passo utilizando-se um modelo linear de dinâmicas do rotor, em que o modelo linear é representado por: ou aproximações do mesmo, onde Jré o momento de inércia de um rotor, Scorc é uma combinação do primeiro componente de velocidade do rotor e o segundo componente de velocidade do rotor, Sàrc é taxa de troca da combinação do primeiro componente de velocidade do rotor e o segundo componente de velocidade do rotor, õxfa é a velocidade máxima da torre, e Ô6twr é o segundo ângulo de passo; e subtrair o primeiro componente de velocidade do rotor e o segundo componente de velocidade do rotor da velocidade do rotor para obter a velocidade modificada do rotor.
6. SISTEMA DE CONTROLE DE PASSO 116, que compreende: uma unidade de rotor 202 configurada para determinar uma velocidade do rotor; uma unidade de torre 204 configurada para determinar um ou mais parâmetros associados a uma torre de uma turbina eólica; uma unidade de desacoplamento 208 configurada para determinar a velocidade modificada do rotor com base em um ou mais parâmetros; e um controlador 206 configurado para determinar um primeiro ângulo de passo com base na velocidade modificada do rotor.
7. SISTEMA DE CONTROLE DE PASSO 116, de acordo com a reivindicação 6, em que um ou mais parâmetros compreendem uma velocidade máxima da torre e/ou um segundo ângulo de passo.
8. SISTEMA DE CONTROLE DE PASSO 116, de acordo com a reivindicação 7, em que a unidade de desacoplamento 208 compreende adicionalmente: uma unidade de computação 210 configurada para determinar o primeiro componente de velocidade do rotor com base na velocidade máxima da torre; e uma unidade de subtração 212 configurada para subtrair o primeiro componente de velocidade do rotor da velocidade do rotor para gerar a velocidade modificada do rotor.
9. SISTEMA DE CONTROLE DE PASSO 116, de acordo com a reivindicação 7, que compreende adicionalmente: uma unidade de amortecimento da torre 508 configurada para determinar o segundo ângulo de passo; e um circuito de adição 512 configurado para combinar o primeiro ângulo de passo e o segundo ângulo de passo para gerar um ângulo de passo combinado.
10. SISTEMA DE CONTROLE DE PASSO 116, de acordo com a reivindicação 9, em que a unidade de desacoplamento 510 compreende adicionalmente uma unidade de computação 514 configurada para: receber a velocidade máxima da torre da unidade de rotor 502; receber o segundo ângulo de passo da unidade de amortecimento da torre 504; determinar o primeiro componente de velocidade do rotor com base na velocidade máxima da torre; determinar um segundo componente de velocidade do rotor com base no segundo ângulo de passo; e uma unidade de subtração 516 configurada para subtrair o primeiro componente de velocidade do rotor e o segundo componente de velocidade do rotor da velocidade do rotor para determinar o valor da velocidade modificada do rotor.
11. TURBINA EÓLICA 100, que compreende: um rotor 104 que compreende uma ou mais pás do rotor 106; uma torre 102 acoplada deforma operável ao rotor 104; um sistema de controle de passo 116 configurado para reduzir as oscilações da torre 114 na turbina eólica 100, o sistema de controle de passo 116 que compreende: uma unidade de rotor 502 configurada para determinar a velocidade do rotor; uma unidade de torre 504 configurada para determinar pelo menos um dentre uma velocidade máxima da torre e um segundo ângulo de passo; uma unidade de desacoplamento 510 configurada para determinar uma velocidade modificada do rotor com base em pelo menos um dentre a velocidade máxima da torre e o segundo ângulo de passo, a unidade de desacoplamento que compreende: uma unidade de computação 514 para determinar pelo menos um dentre o primeiro componente de velocidade do rotor e um segundo componente de velocidade do rotor com base em pelo menos um dentre a velocidade máxima da torre e o segundo ângulo de passo, respectivamente; e uma unidade de subtração 516 configurada para deduzir pelo menos um dentre o primeiro componente de velocidade do rotor e o segundo componente de velocidade do rotor da velocidade do rotor para obter uma velocidade modificada do rotor; e um controlador 506 configurado para determinar um primeiro ângulo de passo com base na velocidade modificada do rotor.
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