BR102015012585B1 - Método implantado por meio legível por computador para gerenciar cargas em uma turbina eólica e sistema de gerenciamento de potência de turbina eólica - Google Patents

Abstract

MÉTODO IMPLANTADO POR COMPUTADOR, SISTEMA DE GERENCIAMENTO DE CARGA E UMA OU MAIS MÍDIAS DE ARMAZENAMENTO LEGÍVEIS POR COMPUTADOR Trata-se de um método e de um sistema para gerenciar cargas em uma turbina eólica. O método implantado por computador é implantado com o uso de um processador acoplado a um dispositivo de memória. O método inclui determinar um primeiro momento de uma carga de vento que atua em torno de um primeiro eixo geométrico de um rotor da turbina eólica, determinar um segundo momento de uma carga de vento que atua ao redor de um segundo eixo geométrico de um rotor da turbina eólica, e determinar um momento resultante do primeiro momento e do segundo momento. O método também inclui gerar um sinal de erro que indica uma diferença entre o momento resultante e um sinal de limiar de nível de momento predeterminado e gerar, através do processador, um primeiro sinal de ativação sobre uma faixa do sinal de erro gerado entre um primeiro nível de sinal de ativação zero e um primeiro nível de sinal de ativação completa.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a turbinas eólicas e, mais particularmente, a um sistema e a um método para controlar turbinas eólicas.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Em sistemas de controle de turbina eólica, o controle de passo cíclico, também conhecido como Controle de Desequilíbrio de Rotor (RIC), é usado para mitigar cargas de desequilíbrio de rotor em um eixo geométrico de guinada e em um eixo geométrico de nutação que surgem devido à amostragem de um campo eólico não homogêneo pelas pás de turbina eólica. O passo cíclico das pás nas frequências estática (0P), rotacional (1P) e múltiplas (por exemplo, 2P) facilita reduzir a energia nas frequências 0P, 1P e 2P nas cargas de desequilíbrio no eixo geométrico de guinada e no eixo geométrico de nutação. A ativação desse RIC é condicionada em uma saída de potência de corrente da turbina eólica, que está correlacionada às cargas de desequilíbrio esperadas no eixo geométrico de guinada e no eixo geométrico de nutação em cada nível de saída de potência possível. À medida que a saída de potência transita de um valor baixo, por exemplo, cerca de 65% de potência nominal a um valor maior, por exemplo, aproximadamente 80% de potência nominal, o RIC transita de ativação zero para ativação completa. Esse esquema de ativação assume uma determinada relação monotônica entre as cargas de desequilíbrio de rotor e a saída de potência da turbina. No entanto, há algumas ocasiões em que essa relação não é preservada e a turbina pode apresentar altas cargas de desequilíbrio de rotor mesmo em saídas de baixa potência. Essas situações podem ser condições de alto cortante de vento, desalinhamento de vento em velocidades de vento baixa/média e extrema turbulência. Em tais ocasiões, embora o subsistema de RIC possa auxiliar a mitigar as cargas de desequilíbrio de rotor, o mesmo permanece desativado devido à saída de baixa potência. Uma possível abordagem para aliviar tal situação é diminuir o limiar na potência para ativar o subsistema de RIC. No entanto, isso impõe penalidades na produção de energia anual (AEP) mediante o passo das pás quando não é necessário e mediante a adição do ciclo de trabalho de controle de passo.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[003] Em uma realização, um método implantado por meio legível por computador para gerenciar cargas em uma turbina eólica é implantado com o uso de um processador acoplado a um dispositivo de memória, sendo que o método inclui determinar um primeiro momento de uma carga de vento que atua ao redor de um primeiro eixo geométrico de um rotor da turbina eólica, determinar um segundo momento de uma carga de vento que atua ao redor de um segundo eixo geométrico do rotor da turbina eólica e determinar um momento resultante do primeiro momento e do segundo momento. O método também inclui gerar um sinal de erro que indica uma diferença entre o momento resultante e um sinal de limiar de nível de momento predeterminado e gerar, através do processador, um primeiro sinal de ativação sobre uma faixa do sinal de erro gerado entre um primeiro nível de sinal de ativação zero e um primeiro nível de sinal de ativação completa.

[004] Em outra realização, um sistema de gerenciamento de carga de turbina inclui um primeiro sensor configurado para gerar um primeiro sinal de carga em relação a uma carga em um rotor da turbina em um primeiro eixo geométrico, um segundo sensor configurado para gerar um segundo sinal de carga em relação a uma carga no rotor da turbina em um segundo eixo geométrico, sendo que o segundo eixo geométrico é perpendicular ao primeiro eixo geométrico, e um processador acoplado de maneira comunicativa a um dispositivo de memória. O processador é programado para determinar um primeiro momento de uma carga de vento que atua ao redor de um eixo geométrico de guinada do rotor da turbina eólica com o uso do primeiro sensor, para determinar um segundo momento de uma carga de vento que atua ao redor de um eixo geométrico de nutação do rotor da turbina eólica como uso do segundo sensor e para determinar um momento resultante do primeiro momento e do segundo momento. O processador é programado adicionalmente para gerar um sinal de erro que indica uma diferença entre o momento resultante e um sinal de limiar de nível de momento predeterminado e para gerar um primeiro sinal de ativação sobre uma faixa do sinal de erro gerado entre um primeiro nível de sinal de ativação zero e um primeiro nível de sinal de ativação completa.

[005] Ainda em outra realização, uma ou mais mídias de armazenamento legíveis por computador não transitória têm instruções executáveis por meio legível por computador incorporadas nas mesmas que, quando executadas por pelo menos um processador, fazem com que o processador determine um primeiro momento de uma carga de vento que atua ao redor de um eixo geométrico de guinada de um rotor da turbina eólica com o uso de um primeiro sensor, determinar um segundo momento de uma carga de vento que atua ao redor de um eixo geométrico de nutação do rotor da turbina eólica com o uso de um segundo sensor e determinar um momento resultante do primeiro momento e do segundo momento. Adicionalmente, as instruções fazem com que o pelo menos um processador gere um sinal de erro que indica uma diferença entre o momento resultante e um sinal de limiar de nível de momento predeterminado e gere um primeiro sinal de ativação sobre uma faixa do sinal de erro gerado entre um primeiro nível de sinal de ativação zero e um primeiro nível de sinal de ativação completa.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[006] Esses e outros recursos, aspectos e vantagens da presente invenção serão mais bem entendidos quando a descrição detalhada a seguir é lida com referência aos desenhos anexos nos quais caracteres semelhantes representem partes semelhantes ao longo dos desenhos, em que: - a Figura 1 é um diagrama de blocos de um sistema de geração de potência que inclui um gerador de potência; - a Figura 2 é uma vista em perspectiva de uma turbina eólica que pode ser usada no sistema de geração de potência mostrado na Figura 1; - a Figura 3 é uma vista em perspectiva parcialmente em recorte de uma porção da turbina eólica mostrada na Figura 2; - a Figura 4 é um diagrama de blocos de um dispositivo de computação que pode ser usado para monitorar e/ou para controlar a operação da turbina eólica mostrada nas Figuras 2 e 3; - a Figura 5 é um fluxograma de um método implantado por meio legível por computador para gerenciar cargas na turbina eólica mostrada na Figura 2; e - a Figura 6 é um fluxograma de dados de um subsistema de ativação de controle de desequilíbrio de rotor (RIC) que pode ser usado com a turbina eólica mostrada na Figura 2.

[007] A menos que seja indicado de outro modo, os desenhos fornecidos no presente documento devem ilustrar os recursos de realizações da invenção. Acredita-se que esses recursos sejam aplicáveis em uma ampla variedade de sistemas que compreende um ou mais realizações da invenção. Como tais, os desenhos não devem incluir todos os recursos convencionais conhecidos por técnicos no assunto como exigidos para a prática das realizações reveladas no presente documento.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[008] No relatório descritivo e nas reivindicações, referência será feita a vários termos, que devem ser definidos como tendo os dignificados a seguir.

[009] As formas no singular “uma”, “um”, “o” e “a” incluem referências no plural a menos que o contexto declare claramente o contrário.

[010] “Opcional” ou “opcionalmente” significa que o evento ou circunstância descrito subsequentemente podem ou não ocorrer e que a descrição inclui situações em que o evento ocorre e situações em que o mesmo não ocorre.

[011] A linguagem próxima, conforme usado no presente documento por todo o relatório descritivo e as reivindicações, pode ser aplicada para modificar qualquer representação quantitativa que pode variar de modo permissível sem resultar em uma mudança na função básica à qual a mesma se relaciona. Consequentemente, um valor modificado por um termo ou termos, tais como, “cerca de”, “aproximadamente” e “substancialmente”, não devem ser limitados ao valor preciso especificado. Em pelo menos algumas situações, a linguagem próxima pode corresponder à precisão de um instrumento para medir o valor. No presente contexto e ao longo do relatório descritivo e das reivindicações, as limitações de faixa podem ser combinadas e/ou alternadas, tais faixas são identificadas e incluem todas as subfaixas contidas nas mesmas a menos que o contexto ou a linguagem indique o contrário.

[012] Conforme usado no presente documento, os termos “processador” e “computador” e termos relacionados, por exemplo, “dispositivo de processamento” e “dispositivo de computação”, não se limitam apenas aos circuitos integrados denominados na técnica como computador, porém, se referem amplamente a um microcontrolador, um microcomputador, um controlador lógico programável (PLC), um circuito integrado de aplicação específica e outros circuitos programáveis e esses termos são usados alternativamente no presente documento. Nas realizações descritas no presente documento, a memória pode incluir, porém sem limitação, uma mídia legível por computador, tal como, uma memória de acesso aleatório (RAM) e uma mídia não volátil legível por computador, tal como, uma memória flash. Alternativamente, um disquete, um disco compacto com memória somente de leitura (CD-ROM), um disco magnético óptico (MOD) e/ou um disco versátil digital (DVD) também podem ser usados. Além disso, nas realizações descritas no presente documento, canais de entrada adicionais podem ser, porém sem limitação, periféricos de computador associados a uma interface operadora, tal como, um mouse ou um teclado. Alternativamente, também podem ser usados outros periféricos de computador que podem incluir, por exemplo, porém sem limitação, um digitalizador. Adicionalmente, na realização, canais de saída adicionais podem incluir, porém sem limitação, um monitor de interface operadora.

[013] Além disso, conforme usado no presente documento, os termos “software” e “firmware” são permutáveis e incluem qualquer programa de computador armazenando em memória para execução através de computadores pessoais, estações de trabalho, clientes e servidores servers.

[014] Conforme usado no presente documento, o termo “mídias legíveis por computador não transitórias” destina-se a ser representativo de qualquer dispositivo com base em computador tangível implantado em qualquer método ou tecnologia para armazenamento a curto prazo e a longo prazo de informações, tais como, instruções executáveis por meio legível por computador, estrutura de dados, módulos de programa e submódulos ou outros dados e qualquer dispositivo. Portanto, os métodos descritos no presente documento podem ser codificados como instruções executáveis incorporadas em uma mídia legível por computador tangível não transitória, incluindo, sem limitação, um dispositivo de armazenamento e/ou um dispositivo de memória. Tais instruções, quando executadas por um processador, fazem com que o processador realiza pelo menos uma parte dos métodos descritos no presente documento. Ademais, conforme usado no presente documento, o termo “mídias legíveis por computador não transitórias” inclui todas as mídias legíveis por computador tangíveis, incluindo, sem limitação, dispositivos de armazenamento de computador não transitórios, incluindo, sem limitação, mídias voláteis e não voláteis e mídias removíveis e não removíveis, tais como, um firmware, armazenamento físico e virtual, CD-ROMs, DVDs e muitas outras fontes digitais, tais como, uma rede ou a Internet, assim como um meio que está para ser desenvolvido, sendo que a única exceção é um sinal de propagação transitório.

[015] Adicionalmente, conforme usado no presente documento, o termo “em tempo real” se refere a pelo menos um dentre o tempo de ocorrência dos eventos associados, o tempo de medição time e de coleta de dados predeterminados, o tempo para processar os dados e o tempo de uma resposta de sistema a eventos e o ambiente. Nas realizações descritas no presente documento, essas atividades e eventos ocorrem de maneira substancialmente instantânea.

[016] Conforme descrito acima, o controle de desequilíbrio de rotor (RIC) (atuação de passo cíclico) é usado para mitigar as cargas de desequilíbrio de rotor em um eixo geométrico de guinada e em um eixo geométrico de nutação que surgem devido à amostragem de um campo eólico não homogêneo pelas pás de turbina eólica. As realizações da presente invenção descrevem o aumento da condição de ativação de nível de potência de RIC com uma condição de ativação com base em carga desequilibrada para ativar o ciclo de controle de RIC. As cargas medidas usadas são recebidas dos sensores de proximidade. Tal configuração fornece vantagens técnicas através de sistemas atuais, a saber, a ativação de RIC com o uso de cargas medidas garante que o RIC esteja ativo quando o mesmo é exigido em vez de uma ativação que tem base em uma variável substituta, tal como, turbina eólica saída de potência, o que pode nem sempre ser um substituto processo para as cargas, as quais o subsistema de RIC destina-se a mitigar. Uma configuração de ativação de cargas medidas também possibilita que o gerenciamento de cargas facilite a redução de impacto sob aumento em ciclo de trabalho de passo ou em perda de produção de energia anual (AEP) devido ao controle de subsistema de RIC hiperativo quando não exigido. A configuração de ativação de cargas medidas também facilita a redução de cargas de desequilíbrio de rotor durante as condições de fechamento durante um extremo desalinhamento de guinada, um extremo cortante de vento e uma extrema turbulência de vento, o que irá resultar na redução de cargas de acionamento de projeto no flange de cubo e em cargas em topo de torre.

[017] A Figura 1 é um diagrama de blocos de um sistema de geração de potência 10 que inclui um gerador de potência 12. O gerador de potência 12 inclui uma ou mais unidades de geração de potência 14. As unidades de geração de potência 14 podem incluir, por exemplo, turbinas eólicas, células solares, células de combustível, geradores geotérmicos, geradores de força hidráulica e/ou outros dispositivos que geram potência a partir de fontes de energia renovável e/ou não renovável. Embora três unidades de geração de potência 14 sejam mostradas na realização, em outras realizações, o gerador de potência 12 pode incluir qualquer número de unidades de geração de potência 14, incluindo apenas uma unidade de geração de potência 14.

[018] Na realização, o gerador de potência 12 é acoplado a um conversor de potência 16 que é configurado para converter uma saída de potência de corrente contínua (CC) substancialmente a partir do gerador de potência 12 em uma potência de corrente alternada (CC). A potência de CC é transmitida a uma rede de distribuição elétrica 18, ou “rede elétrica”. O conversor de potência 16, na realização, ajusta uma amplitude da tensão e/ou da corrente da potência de CC convertida a uma amplitude adequada para a rede de distribuição elétrica 18 e fornece potência de CC em uma frequência e uma fase que são substancialmente iguais à frequência e à fase de rede de distribuição elétrica 18. Ademais, na realização, o conversor de potência 16 é configurado para fornecer potência de CC trifásica à rede de distribuição elétrica 18. Alternativamente, o conversor de potência 16 pode fornecer potência de CC monofásica ou qualquer número de fases de potência de CC à rede de distribuição elétrica 18. Adicionalmente, em algumas realizações, o sistema de geração de potência 10 pode incluir mais que um conversor de potência 16. Por exemplo, em algumas realizações, cada unidade de geração de potência 14 pode ser acoplada a um conversor de potência separado 16.

[019] Na realização, as unidades de geração de potência 14 incluem uma ou mais turbinas eólicas 20 (mostradas na Figura 2) acopladas para facilitar a operação de um sistema de geração de potência 10 em uma saída de potência desejada. Cada turbina eólica 20 é configurada para gerar substancialmente potência de corrente contínua. As turbinas eólicas 20 são acopladas ao conversor de potência 16 ou ao conversor de potência sistema 16, que converte a potência de CC em potência de CC que é transmitida à rede de distribuição elétrica 18. Os métodos e os sistemas serão descritos adicionalmente no presente documento com referência a tal sistema de geração de potência com base em turbina eólica. No entanto, os métodos e os sistemas descritos no presente documento são aplicáveis a qualquer tipo de sistema de geração elétrica.

[020] A Figura 2 é uma vista em perspectiva da turbina eólica 20 (por exemplo, uma turbina eólica com eixo geométrico horizontal que inclui um rotor 24 configurado para girar ao redor de um longitudinal eixo geométrico horizontal 26) que pode ser usada no sistema de geração de potência 10. A Figura 3 é uma vista em perspectiva parcialmente em recorte de uma porção da turbina eólica 20. A turbina eólica 20 descrita e mostrada no presente documento é um gerador de turbina eólica para gerar potência elétrica a partir de energia eólica. Ademais, a turbina eólica 20 descrita e ilustrada no presente documento inclui uma configuração de eixo geométrico horizontal. No entanto, em algumas realizações, a turbina eólica 20 pode incluir, além da configuração de eixo geométrico horizontal, ou como uma alternativa à mesma, uma configuração de eixo geométrico vertical (não mostrada). A turbina eólica 20 pode ser acoplada a uma rede de distribuição elétrica 18 (mostrada na Figura 1), para receber a potência elétrica a partir da mesma para acionar uma operação da turbina eólica 20 e/ou de seus componentes associados e/ou para abastecer potência elétrica gerada pela turbina eólica 20 à mesma. Embora apenas uma turbina eólica 20 seja mostrada nas Figuras 2 e 3, em algumas realizações, uma pluralidade de turbinas eólicas 20 pode ser agrupada, às vezes denominada de "parque eólico”.

[021] A turbina eólica 20 inclui um corpo ou uma nacela 22 e um rotor (designado em geral por 24) acoplado à nacela 22 para rotação em relação à nacela 22 ao redor de um eixo geométrico de guinada de rotação 52. Um momento de guinada, Mguinada atua ao redor de um eixo geométrico de guinada de rotação 52 de modo a estar propenso para girar a nacela 22 para frente e para trás ao redor de um eixo geométrico de guinada de rotação 52. Um momento de nutação, Mnutação atua ao redor de um eixo geométrico de nutação 54 de modo a estar propenso a girar a nacela 22 ou um cubo 30 ao redor de um eixo geométrico de nutação 54, por exemplo, em casos de um gradiente de vento vertical que exerce uma força desigual nas pás 32 durante um arco superior da rotação das mesmas, em comparação a um arco inferior da rotação das mesmas ao redor de um eixo geométrico 26. Um ou mais sensores de proximidades 56 estão posicionados dentre da nacela 22 para medir o momento de nutação Mnutação e um ou mais sensores de proximidades 58 estão posicionados dentro da nacela 22 para medir o momento de guinada Mguinada. Na realização, a nacela 22 é montada em uma torre 28. No entanto, em algumas realizações, além da nacela montada na torre 22, ou como uma alternativa à mesma, a nacela 22 pode ser posicionada adjacente ao solo (não mostrado) e/ou a uma superfície de água (não mostrada). A altura da torre 28 pode ser qualquer altura adequada que possibilita que a turbina eólica 20 funcione conforme descrito no presente documento. O rotor 24 inclui um cubo 30 e uma pluralidade de pás 32 (às vezes, denominadas de "aerofólios") que se estendem de maneira radialmente para fora a partir do cubo 30 para converter energia eólica em energia rotacional. Embora seja descrito e ilustrado no presente documento que o rotor 24 as tem três pás 32, o rotor 24 pode ter qualquer número de pás 32. As pás 32 podem ter, cada uma, qualquer comprimento que permite que uma turbina eólica 20 funcione conforme descrito no presente documento. Por exemplo, em algumas realizações, uma ou mais pás de rotor 32 tem comprimento de cera de um metro e meio, embora, em algumas realizações uma ou mais pás de rotor 32 tenham comprimento de cerca de cinquenta metros. Outros exemplos de comprimentos de pá incluem dez metros ou menos, creca de vinte metros, cerca de trinta e sete metros e cerca de metros. Ainda outros exemplos incluem pás de rotor com comprimento entre cerca de cinquenta e cerca de cem metros e pás de rotor com comprimento maior que cem metros.

[022] A turbina eólica 20 inclui um gerador elétrico 34 acoplado a um rotor 24 para gerar potência elétrica a partir da energia rotacional gerada pelo rotor 24. O gerador 34 pode ser qualquer tipo adequado de gerador elétrico, tal como, porém sem limitação, um gerador de indução com rotor enrolado, um gerador de indução duplamente alimentado (DFIG, também denominado de gerador assíncrono de dupla alimentação), um gerador assíncrono de imã permanente (PM), um gerador síncrono excitado eletricamente e um gerador de relutância variável. O Gerador 34 inclui um estator de gerador (não mostrado na Figura 2 ou 3) e um rotor de gerador (não mostrado na Figura 2 ou 3) com um vão de ar incluído entre os mesmos. O rotor 24 inclui uma haste de rotor 36 acoplada ao cubo de rotor 30 para rotação com o mesmo. O gerador 34 é acoplado à haste de rotor 36 de modo que a rotação da haste de rotor 36 acione a rotação do rotor de gerador e, portanto, a operação do gerador 34. Na realização, o gerador 34 inclui uma haste de gerador 38 acoplada ao mesmo e acoplada à haste de rotor 36 de modo que a rotação da haste de rotor 36 acione a rotação do rotor de gerador. Em outras realizações, o rotor de gerador é acoplado diretamente à haste de rotor 36, às vezes denominada de "turbina eólica de acionamento direto”. Na realização, a haste de gerador 38 é acoplada à haste de rotor 36 através de uma caixa de engrenagens 40, embora, em outras realizações, a haste de gerador 38 seja acoplada diretamente à haste de rotor 36.

[023] O torque de rotor 24 aciona o rotor de gerador para gerar uma potência elétrica de CC de frequência variável a partir da rotação do rotor 24. O gerador 34 tem um torque de vão de ar entre o rotor de gerador e o estator de gerador que se opõe ao torque de rotor 24. Um conjunto de conversão de potência 42 é acoplado ao gerador 34 para converter a CC de frequência variável em uma CC de frequência fixa para a entrega a uma carga elétrica (não mostrada), tal como, porém sem limitação, uma rede de distribuição elétrica 18 (mostrada na Figura 1), acoplada a um gerador 34. O conjunto de conversão de potência 42 pode incluir um único conversor de frequência ou uma pluralidade de conversores de frequência configurados para converter a eletricidade gerada pelo gerador 34 em eletricidade adequada para entrega à rede de potência elétrica. O conjunto de conversão de potência 42 também pode ser denominado, no presente documento, de conversor de potência. O conjunto de conversão de potência 42 pode estar localizado em qualquer ponto dentro da turbina eólica 20 ou remoto à mesma. Por exemplo, o conjunto de conversão de potência 42 pode estar localizado dentro de uma base (não mostrado) da torre 28.

[024] Na realização, uma turbina eólica 20 inclui pelo menos um controlador de sistema 44 acoplado a pelo menos um componente da turbina eólica 20 para controlar, em geral, a operação de turbina eólica 20 e/ou para controlar a operação dos componentes da mesma. Por exemplo, o controlador de sistema 44 pode ser configurado para controlar a operação do conjunto de conversão de potência 42, um freio a disco 46, um sistema de controle de guinada 48 e/ou um sistema de controle de passo de pá variável 50. O freio a disco 46 freia rotação do rotor 24 a fim de, por exemplo, desacelerar a rotação do rotor 24, frear o rotor 24 contra o torque completo do vendo e/ou reduzir a geração de potência elétrica do gerador elétrico 34. O sistema de controle de guinada 48 roda a nacela 22 ao redor de um eixo geométrico de guinada de rotação 52 para mudar uma guinada do rotor 24 e, mais especificamente, para mudar uma direção à qual o rotor 24 está voltado para, por exemplo, ajustar um ângulo entre a direção à qual o rotor 24 está voltado e uma direção de vento. Outros sensores 60 estão acoplados de maneira comunicativa ao controlador de sistema para uso na comunicação de tais valores de parâmetros que são captados por outros sensores 60. Por exemplo, outros sensores incluem sensores de medição de parâmetro elétrico, tais como, um sensor de nível de saída de potência 62 configurado para captar uma saída de potência real e reativa do gerador 34.

[025] Adicionalmente, o sistema de controle de passo de pá variável 50 controla, incluindo mudança, porém sem limitação, um ângulo de passo de pás 32 (mostrado nas Figuras 2 a 3) em relação a uma direção de vento. O sistema de controle de passo 50 pode ser acoplado ao controlador de sistema 44 para o controle através do mesmo. O sistema de controle de passo 50 é acoplado ao cubo 30 e às pás 32 para mudar o ângulo de passo de pás 32 através da rotação das pás 32 em relação ao cubo 30. O sistema de controle de passo 50 pode incluir qualquer estrutura, configuração, disposição, meio e/ou componentes adequados, sejam esses descritos e/ou mostrados no presente documento, por exemplo, motores elétricos, cilindros hidráulicos, molas e/ou servomecanismos. Ademais, o sistema de controle de passo 50 pode ser acionado por qualquer meio adequado, seja esse descrito e/ou mostrado no presente documento, tal como, porém, sem limitação, fluido hidráulico, potência elétrica, potência eletroquímica e/ou potência mecânica, tal como, porém sem limitação, força da mola.

[026] A Figura 4 é um diagrama de blocos de um dispositivo de computação 400 que pode ser usado para monitorar e/ou para controlar a operação da turbina eólica 20 (mostrada nas Figuras 2 e 3). O dispositivo de computação 400 inclui um dispositivo de memória 402 e um processador 404 acoplado de maneira operacional ao dispositivo de memória 402 para executar as instruções. Conforme usado no presente documento, o termo “processador” inclui qualquer circuito programável adequado, tal como, sem limitação, um ou mais sistemas e microcontroladores, microprocessadores, uma unidade de processamento central de propósito geral (CPU), circuitos com conjunto reduzido de instruções (RISC), circuitos integrados de aplicação específica (ASIC), circuitos lógicos programáveis (PLC), matrizes de porta programável campo (FPGA) e/ou qualquer outro circuito com capacidade para executar as funções descritas no presente documento. Os exemplos acima são exemplificativos apenas, portanto, não destinam a limitar, de qualquer maneira, a definição e/ou o significado do termo “processador”.

[027] O processador 404 pode incluir uma ou mais unidades de processamento (por exemplo, e uma configuração com múltiplos núcleos). Em algumas realizações, as instruções executáveis estão armazenadas no dispositivo de memória 402. O dispositivo de computação 400 é configurável para realizar uma ou mais operações descritas no presente documento programando-se o processador 404. Por exemplo, o processador 404 pode ser programado através da codificação de uma operação como uma ou mais instruções executáveis e do fornecimento de instruções executáveis em um dispositivo de memória 402.

[028] Além disso, na realização, o dispositivo de memória 402 é pelo menos um dispositivo acoplado ao processador 404 que possibilita o armazenamento e a recuperação de informações, tais como, instruções executáveis por meio legível por computador e dados, incluindo, sem limitação, dados operacionais, parâmetros, pontos de definição, valores de limiar e/ou quaisquer outros dados que possibilitam que o dispositivo de computação 400 funcione conforme descrito no presente documento. O dispositivo de memória 402 pode incluir uma ou mais mídias legíveis por computador, não transitórias tangíveis, tais como, porém sem limitação, memória de acesso aleatório (RAM), memória de acesso aleatório dinâmica (DRAM), memória de acesso aleatório estática (SRAM), um disco em estado sólido, um disco rígido, memória de apenas leitura (ROM), ROM programável regravável (EPROM), ROM programável regravável eletricamente (EEPROM) e/ou memória RAM (NVRAM) não volátil. Os tipos de memória acima são apenas exemplificativos, portanto, não limitam os tipos de memória que podem ser usadas para armazenamento de um programa de computador.

[029] O dispositivo de memória 402 pode ser configurado para armazenar medições operacionais incluindo, sem limitação, leituras de tensão e de corrente de rede de potência elétrica de utilidade, leituras de tensão e de corrente de subestação, leituras de tensão e de corrente localizadas por toda a turbina eólica 20, incluindo um sistema de potência elétrica auxiliar 405 e um sistema de geração de potência elétrico 407 e/ou qualquer outro tipo de dados. Em algumas realizações, o processador 404 remove ou “purga” os dados do dispositivo de memória 402 com base na idade dos dados. Por exemplo, o processador 404 pode sobrescrever dados gravados e armazenados previamente associados a um tempo e/ou evento subsequente. Além disso, ou alternativamente, um processador 404 pode remover os dados que excedem um intervalo de tempo predeterminado. Adicionalmente, o dispositivo de memória 402 inclui, sem limitação, dados, algoritmos e comandos suficientes para facilitar o controle centralizado e distribuído do sistema de proteção e controle 409 da rede de distribuição elétrica 18.

[030] Em algumas realizações, o dispositivo de computação 400 inclui uma interface de apresentação 406 acoplada ao processador 404. A Interface de apresentação 406 apresenta informações, tais como, uma interface de usuário e/ou um alarme, a um usuário 408. Em uma realização, a interface de apresentação 406 inclui um adaptador de exibição (não mostrado) que é acoplado a um dispositivo de exibição (não mostrado), tal como, um tubo de raio catódico (CRT), um visor de cristal líquido (LCD), um visor de LED orgânico (OLED) e/ou um visor de “tinta elétrica”. Em algumas realizações, a interface de apresentação 406 inclui um ou mais dispositivos de exibição. Além disso, ou alternativamente, uma interface de apresentação 406 inclui um dispositivo de saída de áudio (não mostrado) (por exemplo, um adaptador de áudio e/ou um alto-falante) e/ou uma impressora (não mostrado). Em algumas realizações, a interface de apresentação 406 apresenta um alarme associado a uma máquina síncrona (não mostrada na Figura 1), tal como, através do uso de uma interface de máquina humana (HMI) (não mostrada).

[031] Em algumas realizações, o dispositivo de computação 400 inclui uma interface de entrada de usuário 410. Na realização, a interface de entrada de usuário 410 está acoplada a um processador 404 e recebe a entrada do usuário 408. A interface de entrada de usuário 410 pode incluir, por exemplo, um teclado, um dispositivo de apontamento, um mouse, uma canela estilo, um painel sensível ao toque (por exemplo, uma superfície sensível ao toque ou um visor sensível ao toque) e/ou uma interface de entrada de áudio (por exemplo, incluindo um microfone). Um único componente, tal como, um visor sensível ao toque, pode funcionar tanto como um dispositivo de exibição de interface de apresentação 406 quanto uma interface de entrada de usuário 410.

[032] Uma interface de comunicação 412 é acoplada ao processador 404 e é configurada para ser acoplada em comunicação a um ou mais outros dispositivos, tais como, um sensor ou outro dispositivo de computação 400 e para realizar operações de entrada e de saída em relação a tais dispositivos. Por exemplo, a interface de comunicação 412 pode incluir, sem limitação, um adaptador de rede cabeado, um adaptador de rede sem fio, um adaptador de telecomunicações móvel, um adaptador de comunicação em série e/ou um adaptador paralelo de comunicação. A interface de comunicação 412 pode receber os dados de um ou mais dispositivos remotos e/ou transmitir aos mesmos. Por exemplo, uma interface de comunicação 412 de um dispositivo de computação 400 pode transmitir um alarme à interface de comunicação 412 de outro dispositivo de computação 400.

[033] A interface de apresentação 406 e/ou a interface de comunicação 412 podem fornecer informações adequadas para uso com os métodos descritos no presente documento (por exemplo, ao usuário 408 ou outro dispositivo). Consequentemente, a interface de apresentação 406 e a interface de comunicação 412 podem ser denominadas de dispositivos de saída. De modo semelhante, a interface de entrada de usuário 410 e a interface de comunicação 412 têm capacidade para receber informações adequadas para uso com os métodos descritos no presente documento e podem ser denominadas de dispositivos de entrada.

[034] A Figura 5 é um fluxograma de um método implantado por meio legível por computador 500 para gerenciar cargas na turbina eólica 20 mostrada na Figura 2. A Figura 6 é um fluxograma de dados de um subsistema de ativação de controle de desequilíbrio de rotor (RIC) 600 que pode ser usado com a turbina eólica 20 (mostrada na Figura 2). Na realização, o método 500 é implantado com o uso do processador 404 mostrado na Figura 4 acoplado ao dispositivo de memória 402 mostrado na Figura 4. O método 500 inclui determinar 502 um momento de nutação (Mnutação) 604 de uma carga de vento que atua ao redor de um eixo geométrico de nutação 54 do rotor 24 da turbina eólica 20, determinar 504 um momento de guinada (Mguinada) 606 de uma carga de vento que atua ao redor de um eixo geométrico de guinada de rotação 52 do rotor 24 de turbina eólica 20 e determinar 506 um sinal vetorial resultante de momento 603 de Mnutação 604 e de Mguinada 606. O método 500 inclui adicionalmente gerar 508 um sinal de erro de cargas 610 que indica uma diferença entre sinal vetorial resultante de momento 603 e um sinal de limiar de nível de momento predeterminado 608 e gerar 510 um primeiro sinal de ativação 614 sobre uma faixa de sinal de erro de cargas 610 entre um primeiro nível de sinal de ativação zero 615 e um primeiro nível de sinal de ativação completa 616. O método 500 inclui adicionalmente gerar um sinal de carga de vento com o uso de uma carga elétrica da turbina eólica.

[035] Na realização, o subsistema de ativação d RIC 600 é configurado para gerar um sinal de ativação de RIC 601 que é aplicado a um subsistema de RIC 602 para controlar uma quantidade pela qual o subsistema de RIC 602 controla um passo das pás 32 de turbina eólica 20. O subsistema de ativação d RIC 600 é configurado para receber um sinal vetorial resultante de momento (V(M_nutaçãoA2+M_guinadaA2 )) 603 em relação aos valores de corrente de um momento de nutação (Mnutação) 604 e um momento de guinada (Mguinada) 606. O momento de nutação (Mnutação) 604 e o momento de guinada (Mguinada) 606 são sinais derivados dos sensores de proximidade posicionados próximos ao rotor 24. O sinal vetorial resultante de momento 603 é comparado ao sinal de limiar de nível de momento 608 na junção de soma 609 a fim de gerar um sinal de erro de cargas 610, que é inserido em um bloco de função de erro de cargas 612 de sinal de erro de cargas 610 em relação a um valor delta de erro, que é um valor selecionável usado para estabelecer um coeficiente angular de bloco de função de erro de cargas 612. O bloco de função de erro de cargas 612 gera um primeiro sinal de ativação 614 que varia entre, por exemplo, um primeiro nível de sinal de ativação zero 615 que não ativa o subsistema de RIC 602 a um primeiro nível de sinal de ativação completa 616 que ativa o subsistema de RIC 602 por completo, em que o segundo valor é maior que o primeiro valor. Na realização, o primeiro sinal de ativação 614 varia entre um nível zero e um nível um, que é incorporado como uma tensão, corrente ou um sinal de frequência ou uma como porcentagem do mesmo. Entre o primeiro valor e o segundo valor, o subsistema de RIC 602 pode estar parcialmente ativo, o que significa que o subsistema de RIC 602 está limita a controlar o passo em menos que sua capacidade total.

[036] De modo semelhante, o sensor de nível de potência 62 fornece um sinal de nível de potência 617 indicativo de um nível de saída de potência elétrica de turbina eólica 20. O sinal de nível de potência 617 é usado como um substituto para carga de vento medida em uma turbina eólica 20. O sinal de nível de potência 617 é recebido e comparado a um sinal de limiar de nível de potência 618 a fim de gerar um sinal de erro de potência 620, que é inserido em um bloco de função de erro de potência 622. O bloco de função de erro potência 622 gera um segundo sinal de ativação 624 que é uma função de sinal de erro de potência 620 dividida por um valor delta de potência, que é selecionável por um usuário. O bloco de função de erro potência 622 gera um segundo sinal de ativação 624 que varia entre, por exemplo, um primeiro valor que não ativa o subsistema de RIC 602 a um segundo valor que ativa o RIC por completo, em que o segundo valor é maior que o primeiro valor. Na realização, um segundo sinal de ativação 624 varia entre um nível zero 626 e um nível um 628, que é incorporado como uma tensão, corrente ou um sinal de frequência u uma porcentagem do mesmo. O primeiro e o segundo sinais de ativação 614 e 624 são inseridos em um bloco de função máxima 630 configurado para selecionar um sinal maior 632 dentre o primeiro e o segundo sinais de ativação 614 e 624 a ser aplicado ao subsistema de RIC 602. Uma seleção de RIC manual 634 é também fornecida para controlar a ativação de subsistema de RIC 602 manualmente. Um sinal de ativação de RIC 601 é aplicado ao subsistema de RIC 602.

[037] Em várias realizações, o bloco de função de erro de cargas 612 e o bloco de função de erro de potência 622 são operados independentemente ou na ausência do outro. Por exemplo, caso seja usado somente o bloco de função de erro de cargas 612 para fornecer o sinal de ativação de RIC, o bloco de função máxima 630 não seria necessário e o primeiro sinal de ativação 614 funcionaria essencialmente como um sinal de ativação de RIC 601. De modo semelhante, caso seja usado somente o bloco de função de erro de potência 622 para fornecer um sinal de ativação de RIC, o bloco de função máxima 630 não seria necessário e o segundo sinal de ativação 624 funcionara essencialmente como um sinal de ativação de RIC 601.

[038] As realizações descritas acima de um método e de um sistema para ativar um subsistema de controle de desequilíbrio de rotor (RIC) fornecem um meio confiável e com custo reduzido para ativar o subsistema de RIC com o uso de cargas medidas apresentadas pelo rotor de turbina. As realizações descritas no presente documento usam um sistema de ativação de RIC com base em carga medida para facilitar uma operação precisa em tempo real do subsistema de RIC durante períodos quando a carga elétrica no gerador de turbina não é um substituto preciso para as cargas de momento no rotor de turbina. Especificamente, as realizações descritas no presente documento usam sensores de proximidade montados ao redor da turbina eólica para gerar indicação de sinais de cargas reais apresentadas pela turbina eólica em tempo real. Portanto, as realizações descritas no presente documento aprimoram substancialmente a precisão de ativação de RIC sem operar o subsistema de RIC quando o mesmo não é necessário, desse modo, reduzindo os custos de operação e de manutenção.

[039] Um efeito técnico dos métodos, sistemas e aparelho descritos no presente documento inclui pelo menos um dentre: (a) determinar um primeiro momento de uma carga de vento que atua ao redor de um primeiro eixo geométrico de um rotor da turbina eólica, (b) determinar um segundo momento de uma carga de vento que atua ao redor de um segundo eixo geométrico de um rotor da turbina eólica, (c) determinar, através do processador, um momento resultante do primeiro momento e o segundo momento, (d) gerar, através do processador, um sinal de erro que indica uma diferença entre o sinal de momento resultante e um sinal de limiar de nível de momento predeterminado; e (e) gerar, através do processador, um primeiro sinal de ativação sobre uma faixa do sinal de erro gerado entre um primeiro nível de sinal de ativação zero e um primeiro nível de sinal de ativação completa.

[040] As realizações de métodos, sistemas e aparelho para ativar um subsistema de controle de desequilíbrio de rotor de turbina eólica não se limitam às realizações descritas no presente documento, de preferência, os componentes de sistemas e/ou as etapas dos métodos podem ser utilizados independente e separadamente de outros componentes e/ou etapas descritos no presente documento. Por exemplo, os métodos também podem ser usados em combinação com outros sistemas que exigem sistemas de ativação alternativa e os métodos associados e não se limitam às práticas com apenas o monitoramento de turbina eólica e com sistemas e métodos de controle conforme descrito no presente documento. Preferencialmente, a realização pode ser implantada e utilizada em combinação com muitas outras aplicações, equipamentos e sistemas que podem se beneficiar dos métodos de ativação alternativos de sistemas de controle.

[041] Embora específicos recursos de várias realizações da invenção possam ser mostrados em alguns desenhos e não em outros, isso é para propósitos de conveniência apenas. Em conformidade com os princípios da invenção, qualquer recurso de um desenho pode ser referenciado e/ou reivindicado em combinação com qualquer recurso de qualquer outro desenho.

[042] Algumas realizações envolvem o uso de um ou mais dispositivos de computação eletrônicos. Tais dispositivos incluem tipicamente um processador ou controlador, tal como, uma unidade de processamento de central de propósito geral (CPU), uma unidade de processamento gráfico (GPU), um microcontrolador, um processador de conjunto reduzido de instruções computador (RISC), um circuito integrado de aplicação específica (ASIC), um circuito de lógico programável (PLC) e/ou qualquer outro circuito ou processador com capacidade para executar as funções descritas no presente documento. Os métodos descritos no presente documento podem ser codificados como instruções executáveis incorporadas em uma mídia legível por computador, incluindo, sem limitação, um dispositivo de armazenamento e/ou um dispositivo de memória. Tais instruções, quando executadas por um processador, fazem com que o processador realize pelo menos uma parte dos métodos descritos no presente documento. Os exemplos acima são apenas e, desse modo, não se destinam a limitar, de qualquer maneira, a definição e/ou o significado do termo processador. A presente descrição escrita usa exemplos para revelar as realizações, incluindo o melhor modo e, também, para possibilitar que um técnico no assunto pratique as realizações, incluindo produzir e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e realizar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e podem incluir outros exemplos que ocorram para um técnico no assunto. Esses outros exemplos destinam-se a serem abrangidos pelo escopo das reivindicações, caso os mesmos tenham elementos estruturais que não se diferem da linguagem literal das reivindicações, ou caso mesmos incluam elementos estruturais equivalentes com diferenças não substanciais da linguagem literal das reivindicações.LISTA DE PARTES

Claims (11)

1. MÉTODO IMPLANTADO POR MEIO LEGÍVEL POR COMPUTADOR (800) PARA GERENCIAR CARGAS EM UMA TURBINA EÓLICA (20), sendo que o método é implantado com o uso de um processador (404) acoplado a um dispositivo de memória (402), o método sendo caracterizado por compreender: - determinar (502, 504) pelo menos um dentre um primeiro momento de uma carga de vento que atua ao redor de um primeiro eixo geométrico de um rotor da turbina eólica e um segundo momento da carga de vento que atua ao redor de um segundo eixo geométrico do rotor da turbina eólica; - determinar (506), através do processador (404), um momento resultante do pelo menos um dentre o primeiro momento e o segundo momento; - gerar (508), através do processador (404), um sinal de erro que indica uma diferença entre o momento resultante e um sinal de limiar de nível de momento predeterminado; - gerar (510), através do processador (404), um primeiro sinal de ativação sobre uma faixa do sinal de erro gerado entre um primeiro nível de sinal de ativação zero e um primeiro nível de sinal de ativação completa; - gerar um sinal de erro de potência que indica uma diferença entre a carga elétrica da turbina eólica (20) e um sinal de limiar de nível de potência predeterminado; - gerar um segundo sinal de ativação sobre uma faixa do sinal de erro de potência gerado entre um segundo nível de sinal de ativação zero e um segundo nível de sinal de ativação completa; e - ativar um circuito de controle de desequilíbrio de rotor (24) com o uso de pelo menos um dentre o primeiro sinal de ativação e o segundo sinal de ativação.

2. MÉTODO (500), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por determinar um momento que atua ao redor de um primeiro eixo geométrico de um rotor (24) da turbina eólica (20) compreende determinar um momento que atua ao redor de um eixo geométrico de guinada do rotor (24).

3. MÉTODO (500), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por determinar um momento que atua ao redor de um eixo geométrico de guinada do rotor (24) compreende medir uma força que atua sobre o rotor no eixo geométrico de guinada como o uso de um sensor de proximidade.

4. MÉTODO (500), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por determinar um momento que atua ao redor de um segundo eixo geométrico de um rotor (24) da turbina eólica (20) compreende determinar um momento que atua ao redor de um eixo geométrico de nutação do rotor.

5. MÉTODO (500), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por determinar um momento que atua ao redor de um eixo geométrico de nutação do rotor (24) compreende medir uma força que atua sobre rotor no eixo geométrico de nutação com o uso de um sensor de proximidade.

6. MÉTODO (500), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por compreender adicionalmente gerar um sinal de carga de vento com o uso de uma carga elétrica da turbina eólica (20).

7. MÉTODO (500), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por gerar um segundo sinal de ativação sobre uma faixa do sinal de erro de potência gerado entre um segundo nível de sinal de ativação zero e um segundo nível de sinal de ativação completa compreende gerar um segundo sinal de ativação sobre uma faixa do sinal de erro de potência gerado entre um segundo nível de sinal de ativação zero com base em um primeiro valor de carga de turbina nominal e em um segundo nível de sinal de ativação completa com base em um segundo valor de carga de turbina nominal, em que o segundo valor de carga de turbina nominal é maior que o primeiro valor de carga de turbina nominal.

8. MÉTODO (500), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por ativar um circuito de controle de desequilíbrio de rotor com o uso de pelo menos um dentre o primeiro sinal de ativação e o segundo sinal de ativação compreende ativar o circuito de controle de desequilíbrio de rotor com o uso de um sinal maior dentre o pelo menos um dentre o primeiro sinal de ativação e o segundo sinal de ativação.

9. SISTEMA DE GERENCIAMENTO DE POTÊNCIA (10) DE TURBINA EÓLICA (20), caracterizado por compreender: - um primeiro sensor (56) configurado para gerar pelo menos um dentre um primeiro sinal de carga em relação a uma carga em um rotor (24) da turbina eólica (20) em um primeiro eixo geométrico e para gerar um segundo sinal de carga em relação a uma carga em um rotor da turbina eólica em um segundo eixo geométrico, sendo que o segundo eixo geométrico é perpendicular ao primeiro eixo geométrico; e - um processador (404) acoplado de maneira comunicativa a um dispositivo de memória (402), sendo que o processador é programado para: - determinar um momento resultante do pelo menos um dentre o primeiro sinal de carga em relação a uma carga em um rotor (24) da turbina eólica (20) e o segundo sinal de carga; - gerar um sinal de erro que indica uma diferença entre o momento resultante e um sinal de limiar de nível de momento predeterminado; - gerar um primeiro sinal de ativação sobre uma faixa do sinal de erro gerado entre um primeiro nível de sinal de ativação zero e um primeiro nível de sinal de ativação completa, - gerar um sinal de erro de potência que indica uma diferença entre a carga elétrica da turbina eólica e um sinal de limiar de nível de potência predeterminado; - gerar um segundo sinal de ativação sobre uma faixa do sinal de erro de potência gerado entre um segundo nível de sinal de ativação zero e um segundo nível de sinal de ativação completa; e - ativar um circuito de controle de desequilíbrio de rotor com o uso de pelo menos um dentre o primeiro sinal de ativação e o segundo sinal de ativação.

10. SISTEMA (10), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo processador (404) ser programado adicionalmente para: - determinar um primeiro momento de uma carga de vento que atua ao redor de um eixo geométrico de guinada de um rotor da turbina eólica com o uso do primeiro sensor; - determinar um segundo momento de uma carga de vento que atua ao redor de um eixo geométrico de nutação de um rotor da turbina eólica com o uso do segundo sensor; e - determinar o momento resultante do pelo menos um dentre o primeiro momento e o segundo momento.

11. SISTEMA (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 10, caracterizado pelo processador (404) ser programado adicionalmente para receber uma indicação de carga elétrica da turbina eólica.

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