BR102015027075B1

BR102015027075B1 - Sistema de controle para uma turbina eólica, método para controlar desequilíbrio de rotor em uma turbina eólica e turbina eólica

Info

Publication number: BR102015027075B1
Application number: BR102015027075-5A
Authority: BR
Inventors: Monika Marwaha; Brandon Shane Gerber; Jignesh Govindlal Gandhi; Mark Edward Cardinal; Thomas Franklin Perley
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2015-10-26
Publication date: 2022-09-20
Also published as: DK3015705T3; US9567978B2; EP3015705A1; ES2756024T3; BR102015027075A2; US20160115941A1; EP3015705B1

Abstract

SISTEMA DE CONTROLE PARA UMA TURBINA EÓLICA, MÉTODO PARA CONTROLAR DESEQUILÍBRIO DE ROTOR EM UMA TURBINA EÓLICA E TURBINA EÓLICA. Trata-se de um sistema de controle para uma turbina eólica que inclui um sistema de detecção configurado para determinar ao menos um dentre uma carga de rotor, um cisalhamento do vento, uma velocidade do vento e um desequilíbrio de carga devido ao cisalhamento do vento. Um sistema de ajuste é configurado para ajustar um valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo com base em ao menos um dentre a carga de rotor, o cisalhamento do vento, a velocidade do vento e o desequilíbrio de carga. Um sistema de compensação é configurado para computar um comando de correção de momento de eixo com base no valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo emitido a partir do sistema de ajuste. Um sistema de angulação é configurado para ajustar uma angulação de ao menos uma lâmina da turbina eólica com base no comando de correção de ponto de regulagem de momento de eixo, ou um sistema de guinada é configurado para ajustar a posição de guinada de um rotor com base no comando de (...).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se geralmente a uma turbina eólica e mais especificamente a um sistema e método para ajustar a correção de ponto de regulagem de momento de eixo com base em condições ambientais que resultam no desequilíbrio de carga de turbina eólica.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Turbinas eólicas modernas operam em uma faixa ampla de condições de vento. Essas condições de vento podem ser divididas amplamente em duas categorias, velocidades nominais abaixo e velocidades nominais acima. Para produzir potência nessas condições de vento, as turbinas eólicas podem incluir sistemas de controle sofisticados tais como controladores de angulação e controladores de torque. Esses controladores compensam as alterações nas condições do vento e as alterações concomitantes na dinâmica de turbina eólica. Por exemplo, os controladores de angulação (ou sistemas de angulação) geralmente variam o ângulo de angulação de lâminas de rotor para compensar (ou se adaptar a) as alterações em condições de vento e dinâmica de turbina. Durante velocidades do vento nominais abaixo, a potência eólica pode ser inferior à saída de potência nominal da turbina eólica. Nessa situação, o controlador de angulação pode tentar maximizar a saída de potência angulando- se as lâminas de rotor substancialmente perpendiculares à direção do vento. Alternativamente, durante velocidades do vento nominais acima, a potência eólica pode ser maior do que a saída de potência nominal da turbina eólica. Portanto, neste caso, o controlador de angulação pode restringir conversão de energia eólica angulando-se as lâminas de rotor de tal modo que apenas uma parte da energia eólica vá de encontro às lâminas de rotor. Controlando-se o ângulo de angulação, o controlador/sistema de angulação controla desse modo a velocidade das lâminas de rotor e por sua vez a energia gerada pela turbina eólica.

[003] Juntamente com a manutenção da velocidade de rotor, os controladores de angulação também podem ser empregados para reduzir oscilações de torre. Oscilações ou vibrações de torre ocorrem devido a várias perturbações, tais como turbulência, amortecimento ineficiente, ou transição entre as duas condições de vento. Ademais, a torre pode vibrar ao longo de qualquer grau de liberdade. Por exemplo, a torre pode vibrar em uma direção dianteira-posterior (comumente denominada como inclinação para frente e para trás (nodding) da torre), em uma direção lado a lado (comumente denominada como inclinação lateral (naying) da torre), ou ao longo de seu eixo geométrico longitudinal (comumente denominada vibração de torção).

[004] A inclinação para frente e para trás da torre normalmente é causada por impulso aerodinâmico e rotação das lâminas de rotor. Cada vez que uma lâmina de rotor passa na frente da torre, o impulso do vento que vai de encontro à torre diminui. Tal variação contínua em força de vento pode induzir oscilações na torre. Ademais, se a velocidade de rotor for de tal modo que uma lâmina de rotor passe sobre a torre cada vez que a torre estiver em uma de suas posições extremas (dianteira ou traseira), as oscilações de torre podem ser amplificadas. Tipicamente, as oscilações na direção dianteira-posterior são automaticamente minimizadas devido ao amortecimento aerodinâmico. O amortecimento aerodinâmico se baseia do fato de que o topo da torre oscila constantemente na direção dianteira-posterior. Quando o topo da torre se move contra o vento (ou para frente), o impulso de rotor é aumentado. Esse aumento em impulso de rotor empurra a torre de volta a favor do vento. O empurrão a favor do vento por sua vez auxilia no amortecimento das oscilações de torre. Similarmente, quando o topo da torre se move a favor do vento, o impulso de rotor pode ser diminuído. Essa diminuição em impulso de rotor empurra a torra de volta contra o vento. O empurrão contra o vento também auxilia no amortecimento das oscilações de torre.

[005] Tipicamente, o controlador de angulação utiliza dois circuitos de controle separados para as duas funções, controlando a velocidade de rotor e reduzindo as oscilações de torre. Um circuito de controle de velocidade de rotor é empregado para determinar um ângulo de angulação para controlar a velocidade de rotor e um circuito de controle de amortecimento de torre é usado para computar um ângulo de angulação para reduzir as oscilações de torre. Frequentemente, esses circuitos de retroalimentação operam relativamente de modo independente uns dos outros. Por exemplo, o circuito de controle de velocidade de rotor pode determinar o ângulo de angulação com base em velocidade de rotor, velocidade do vento e ângulo de angulação atual. O circuito de controle de amortecimento de torre, por outro lado, pode determinar o ângulo de angulação com base em deflexão de torre, velocidade máxima de torre, aceleração máxima de torre, ângulo de angulação atual e velocidade do vento. Devido a essa independência, os circuitos de controle de velocidade de rotor disponíveis atualmente podem computar um ângulo de angulação para manter a velocidade de rotor que pode induzir desvantajosamente oscilações de torre em vez de reduzir as mesmas. Ademais, esses circuitos de controle de velocidade de rotor podem causar a amplificação de energia no rotor próximo a frequências de ressonância de torre. Tal amplificação pode aumentar as oscilações na torre e aumentar a carga de fadiga colocada na turbina eólica. Ao longo do tempo, tais cargas de fadiga podem reduzir a operabilidade de partes de turbina eólica e aumentar os custos associados com turbinas eólicas.

[006] A gravidade tende a flexionar o rotor para baixo. O cisalhamento do vento positivo tende a flexionar o rotor para cima e normalmente está presente (fadiga de ciclo elevado) e aumenta com velocidade do vento crescente. Em alguns pontos de operação, o cisalhamento do vento pode ser igual à força gravitacional, mas é oposto em direção e anula o momento de flexão de gravidade se não corrigido. O componente de impulso também ajuda a combater a carga de gravidade, uma vez que muitas turbinas eólicas têm um ângulo de inclinação de rotor na cabeça de máquina, o rotor naturalmente tenta recolher o rotor e esse momento de flexão também aumenta com a velocidade do vento. O momento de flexão é facilmente determinado devido à geometria do sistema e à estimação de impulso. O momento de flexão pode ser compensado quando a quantidade de carga de cisalhamento é identificada. Para condições “padrão” (cisalhamento do vento positivo), o momento devido ao cisalhamento do vento e impulso/inclinação é complementar e se opõe à gravidade. Há algumas condições de “cisalhamento negativo” acopladas à velocidade do vento correta de modo a alcançar uma carga aerodinâmica equilibrada, o momento de cisalhamento do vento de nariz para baixo é igual e oposto ao momento de impulso/inclinação de nariz para cima de modo que tudo que resta seja o momento devido à gravidade (provavelmente visto apenas raramente).

[007] O cisalhamento aplica forças às lâminas e ao cubo e o cisalhamento positivo essencialmente transfere forças de flexão ao cubo e ao eixo. O cisalhamento do vento aplica uma carga assimétrica através do rotor que resulta na transferência de um momento de flexão para o cubo/eixo. O cisalhamento positivo cria um momento de flexão de nariz para cima e se opõe à gravidade enquanto o cisalhamento negativo cria um momento de nariz para baixo e complementa a gravidade. Há um limite na quantidade de angulação que a turbina é capaz de fazer tanto para superar as forças de lâmina/cubo ou para compensar por gravidade. Quando o controlador de cisalhamento está em um limite, o mesmo também não é capaz de responder ao estado estável ou dinâmico adicional (alterações relativamente rápidas em cisalhamento). Ser capaz de ajustar para condições dinâmicas pode reduzir fadiga e outras tensões dinâmicas no eixo e no conjunto de lâmina/cubo. Uma vez que o sistema de angulação tem capacidades limitadas, ser capaz de equilibrar a quantidade de compensação que é feita tanto para a gravidade quanto para o cisalhamento mantém um equilíbrio entre a demanda de sistema de angulação e a fadiga de máquina e garante que a turbina eólica esteja sempre em operação dentro de uma zona alvo (até que o ambiente exija mais do que a máquina pode suportar) enquanto também constrói um equilíbrio entre a quantidade de largura de banda que é usada para as porções de compensação de estado estável versus dinâmico.

[008] Limitações de carga de desequilíbrio tais como condições ambientais incluindo cisalhamento, gravidade, turbulência, desalinhamentos de vento, etc., resultam em desequilíbrio de rotor induzido ambientalmente. Outras formas de desequilíbrio de rotor são autoinduzidas devido à variação de controle, fabricação e instalação.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[009] De acordo com uma realização descrita no presente documento, um sistema de controle para uma turbina eólica inclui um sistema de detecção configurado para determinar ao menos um dentre uma carga de rotor, um cisalhamento do vento, uma velocidade do vento e um desequilíbrio de carga devido ao cisalhamento do vento. Um sistema de ajuste é configurado para ajustar um valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo com base em ao menos um dentre a carga de rotor, o cisalhamento do vento, a velocidade do vento e o desequilíbrio de carga. Um sistema de compensação é configurado para computar um comando de correção de momento de eixo com base no valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo emitido do sistema de ajuste. Um sistema de angulação é configurado para ajustar uma angulação de ao menos uma lâmina da turbina eólica com base no comando de correção de ponto de regulagem de momento de eixo, ou um sistema de guinada é configurado para ajustar a posição de guinada de um rotor com base no comando de correção de ponto de regulagem de momento de eixo.

[010] De acordo com outra realização descrita no presente documento, um método para controlar O desequilíbrio de rotor em uma turbina eólica inclui as etapas de detectar ao menos um dentre uma carga de rotor, um cisalhamento do vento, uma velocidade do vento e um desequilíbrio de carga e selecionar um valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo com base e ao menos um dentre a carga de rotor, a velocidade do vento, o cisalhamento do vento e o desequilíbrio de carga. Etapas adicionais são usadas para computar um comando de correção de momento de eixo com base no valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo emitido da etapa de seleção; e controlar um sistema de angulação para ajustar uma carga de ao menos uma lâmina da turbina eólica com base no comando de correção de momento de eixo, ou controlar um sistema de guinada para ajustar uma posição de rotor com base no valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo.

[011] De acordo com outra realização descrita no presente documento, uma turbina eólica inclui uma torre configurada para suportar uma nacela e um rotor. O rotor tem ao menos uma lâmina de rotor. Um sistema de controle é programado para desenvolver as etapas de detectar ao menos um dentre uma carga de rotor, um cisalhamento do vento, uma velocidade do vento e um desequilíbrio de carga devido ao cisalhamento do vento e selecionar um valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo com base em ao menos um dentre a carga de rotor, o cisalhamento do vento, a velocidade do vento e o desequilíbrio de carga devido ao cisalhamento do vento. O sistema de controle também é programado para desempenhar as etapas de computar um comando de correção de momento de eixo com base no valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo emitido da etapa de seleção e controlar um sistema de angulação para ajustar a carga de ao menos uma lâmina da turbina eólica com base no comando de correção de momento de eixo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[012] Essas e outras características, aspectos e vantagens da presente invenção serão mais bem entendidos com a leitura da descrição detalhada a seguir com referência aos desenhos anexos, em que, caracteres iguais representam partes iguais por todos os desenhos, em que: a Figura 1 ilustra uma vista em perspectiva de uma turbina eólica, de acordo com aspectos da presente invenção; a Figura 2 é uma ilustração diagramática da turbina eólica da Figura 1 que retrata O carregamento de rotor, de acordo com aspectos da presente invenção; a Figura 3 é uma ilustração diagramática da turbina eólica da Figura 1 que retrata sensores de proximidade e um flange de eixo principal, de acordo com aspectos da presente invenção; a Figura 4 é um diagrama de blocos de um sistema de controle na turbina eólica da Figura 1, de acordo com aspectos da presente invenção; a Figura 5 é um fluxograma que ilustra um método para controlar o desequilíbrio de rotor na turbina eólica, de acordo com aspectos da presente invenção; a Figura 6 ilustra um sistema de equações usadas para ajustar o valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo, de acordo com um aspecto da presente invenção; e a Figura 7 ilustra um método para alterar o ponto de regulagem, de acordo com um aspecto da presente invenção.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[013] Conforme descrito em detalhes mais adiante neste documento, várias realizações de um método e sistema de controle de turbina eólica para ajustar o valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo em uma turbina eólica em operação são apresentadas. Empregando-se os métodos e as várias realizações do sistema de controle de turbina eólica descritas mais adiante neste documento, o valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo pode ser ajustado com base em ao menos um dentre o cisalhamento do vento, a velocidade do vento e o desequilíbrio de carga devido ao cisalhamento do vento. Além disso, o sistema de controle de turbina eólica pode ajudar na redução de desgaste e rasgo em componentes de controle de angulação, que por sua vez reduz o custo de energia.

[014] A angulação das lâminas de rotor é desejada para cargas inferiores e produção de energia anual superior (AEP). Entretanto, o controle de desequilíbrio de rotor é projetado para rastrear um valor fixo de ponto de regulagem de momento de eixo. Esse valor é ajustado uma vez e nunca se alterou. Em realidade, esse ponto de regulagem não é ideal para cada valor de cisalhamento do vento. À medida que o cisalhamento do vento varia, o sistema de controle de desequilíbrio de rotor pode angular demais ou ativar os sistemas de angulação mais do que os mesmos precisam ser ativados. Esse uso excessivo do sistema de angulação pode causar desgaste e rasgo prematuros dos componentes de sistema de angulação (por exemplo, motores de angulação, engrenagens de angulação, etc.). De acordo com aspectos da presente invenção, é fornecido um método e sistema aprimorado que varia o valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo com base em ao menos um dentre o cisalhamento do vento, a velocidade do vento e o desequilíbrio de carga devido ao cisalhamento do vento, assim o sistema de angulação não é ativado mais do que o necessário para um ambiente de cisalhamento do vento específico. Alterando-se a correção de ponto de regulagem de momento de eixo com base em valores de cisalhamento do vento específicos, a ativação de sistema de angulação será reduzida e a turbina eólica irá operar mais eficientemente.

[015] Voltando agora aos desenhos e em referência à Figura 1, uma vista em perspectiva parcial de uma turbina eólica 100, de acordo com aspectos da presente invenção, é ilustrada. A turbina eólica 100 é configurada para converter energia cinética do vento que passa através da turbina eólica 100 em energia elétrica. Particularmente, a turbina eólica 100 inclui uma pluralidade de partes mecânicas em movimento que auxiliam na conversão da energia cinética do vento em energia mecânica. A energia mecânica é, por sua vez, usada para gerar energia elétrica. Em uma configuração contemplada presentemente, a turbina eólica 100 inclui uma torre 102, configurada para suportar a nacela 106 e o rotor 108 e uma unidade de potência 104. A torre 102 opera para elevar a unidade de potência 104 a uma altura acima do nível do solo ou nível do mar em que o vento de movimento mais rápido passa através da turbina eólica 100. A altura da torre 102 pode ser selecionada com base em fatores e condições bem conhecidos na técnica.

[016] A unidade de potência 104 pode ser configurada para converter a energia cinética do vento em energia elétrica. A unidade de potência 104 pode incluir um ou mais subunidades tais como uma nacela 106 e um rotor 108. A nacela 106 aloja componentes para converter a energia mecânica do rotor 108 em energia elétrica. Especificamente, a nacela 106 aloja um gerador 110 que é usado para gerar a energia elétrica com base na energia mecânica fornecida pelo rotor 108. Além do gerador 110, a nacela 106 também pode alojar outros componentes, tais como, mas sem limitação, uma caixa de câmbio 112, um eixo de rotor 114, um acionador de guinada 120 e um sistema de controle 124.

[017] O eixo de rotor 114 é conectado a um cubo de rotor 116 e à caixa de câmbio 112, conforme retratado na Figura 1. O eixo de rotor 114 pode ser usado para acionar um eixo de velocidade elevada opcional (não mostrado na Figura 1) que é fechado dentro da caixa de câmbio 112 e pode acionar adicionalmente um gerador 110 que é montado em um quadro principal 118 para gerar a energia elétrica. Em uma realização, a caixa de câmbio 112 e o eixo de rotor 114 podem ser configurados para operar, controlar e/ou otimizar o desempenho da turbina eólica 100. Adicionalmente, o acionador de guinada 120 e um suporte de guinada 122 podem fornecer um sistema de controle de guinada para a turbina eólica 100. Em uma realização, o sistema de controle de guinada pode ser operado eletricamente e controlado pelo sistema de controle 124 com base nas informações recebidas de um anemômetro 126 montado na nacela 106.

[018] O rotor 108 é configurado para converter a energia cinética de vento que passa através da turbina eólica 100 em energia mecânica. Essa energia mecânica convertida é fornecida adicionalmente ao gerador 110 para gerar energia elétrica. Na configuração contemplada presentemente, o rotor 108 e acoplado de modo operacional ao eixo de rotor 114 por meio de um conjunto de mancais. O rotor 108 inclui o cubo de rotor 116 e uma pluralidade de lâminas (mostradas na Figura 2) que se projetam para fora a partir do cubo de rotor 116 em localizações distribuídas circunferencialmente acerca do mesmo. No exemplo retratado na Figura 1, o cubo de rotor 116 é mostrado como incluindo três lâminas. Entretanto, o número de lâminas pode variar. As lâminas são configuradas para interagir com um fluxo de ar de passagem para produzir a elevação que faz com que o cubo de rotor 116 gire acerca de um eixo geométrico longitudinal 128. Adicionalmente, girando-se o cubo de rotor 116, o eixo de rotor 114 acoplado ao cubo de rotor 116 também gira, fazendo com que o gerador 110 gere energia elétrica.

[019] De acordo com a realização da Figura 1, o sistema de controle 124 pode incluir um ou mais microcontroladores (não mostrados na Figura 1) que são usados para o monitoramento e o controle de sistema geral da turbina eólica 100. Em um exemplo, o monitoramento e o controle de sistema podem incluir a regulação de angulação e velocidade, o controle de eixo de velocidade elevada e de freio de guinada, o controle de motor de guinada e de bomba e o monitoramento de defeito. Adicionalmente, o sistema de controle 124 pode fornecer sinais de controle para um acionador de angulação 130 (ou sistema de angulação) para controlar uma angulação das lâminas. Em uma realização, a angulação das lâminas pode ser controlada individualmente pelo acionador de angulação 130. Por exemplo, cada lâmina pode ter um acionador de angulação 130 separado que varia ou altera a angulação da lâmina correspondente com base no sinal de controle recebido do sistema de controle 124.

[020] A turbina eólica 100 é projetada para gerar energia elétrica sobre uma faixa ampla de velocidades do vento. Entretanto, em uma faixa particular de velocidades do vento, por exemplo, 80% a 120% da velocidade do vento nominal, o rotor 108 pode ser submetido a carregamento de impulso aerodinâmico elevado do rotor. Em alguns casos, esse carregamento de impulso pode defletir a lâmina ou o rotor para o ponto que excede as margens de segurança estabelecidas para a certificação de turbina. Em algumas circunstâncias, uma lâmina pode atingir a torre 102 causando uma destruição da turbina eólica. Cargas de vento nas lâminas podem transferir cargas indesejadas para o rotor e mancais associados às mesmas e essas cargas podem causar desgaste e rasgo dos mancais de eixo de rotor.

[021] Para lidar com esses problemas, de acordo com aspectos da presente invenção, a turbina eólica 100 pode incluir o sistema de controle 124 que controla o momento de eixo físico do rotor de turbina eólica 108, que por sua vez aprimora o espaço livre de torre da turbina eólica 100 e reduz o desgaste causado por cargas de vendo desequilibradas (por exemplo, causadas por cisalhamento do vento). O espaço livre de torre pode ser denominado como um espaço livre fornecido para que as lâminas girem sem atingir a torre ou, mais especificamente, como uma distância mantida entre a torre e as lâminas giratórias para impedir que as lâminas giratórias atinjam a torre. O cisalhamento de vento pode fazer o rotor pender para trás e isso imprime forças indesejadas nos mancais de eixo de rotor. O sistema de angulação pode compensar o cisalhamento do vento, mas a angulação de cada lâmina precisa ser individual e constantemente ajustada. Isso pode causar desgaste e rasgo nos componentes de acionador de angulação.

[022] De acordo com uma realização, um sistema de detecção é configurado para determinar ao menos um dentre cargas de rotor, cisalhamento do vento, velocidade do vento e desequilíbrio de carga (que pode ser devido ao cisalhamento do vento). Um sistema de ajuste é configurado para ajustar um valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo com base em ao menos um dentre a carga de rotor, o cisalhamento do vento, a velocidade do vento e o desequilíbrio de carga. O sistema de ajuste é configurado para correlacionar ao menos um dentre a carga de rotor, o cisalhamento do vento, a velocidade do vento e o desequilíbrio de carga através de um sistema de equações ou uma tabela de pesquisa.

[023] De acordo com outra realização, um sistema de detecção é configurado para estimar dinamicamente o desequilíbrio de carga a partir de dados de aerodinâmica predeterminados do sistema e uma medição de desequilíbrio de carga para fornecer um valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo. Um sistema de compensação é configurado para computar um comando de correção de momento de eixo com base no valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo emitido do sistema de ajuste e o sistema de angulação é configurado para ajustar a carga de ao menos uma lâmina da turbina eólica com base no comando de correção de ponto de regulagem de momento de eixo.

[024] À medida que múltiplas velocidades do vento, tomadas em diferentes elevações, podem ser um indicador de cisalhamento do vento, de acordo com outra realização, o sistema de controle 124 ajusta um valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo do rotor 108 de acordo com valores de cisalhamento do vento ou múltiplos valores de velocidade do vento detectados (tomados ao longo de elevações diferentes). Como exemplos não limitadores apenas, um sistema de equações e/ou uma tabela de pesquisa podem incluir os seguintes valores: se o cisalhamento do vento for 0,1, então a correção de ponto de regulagem de momento de eixo é 900 kNm, se o cisalhamento do vento for 0,2, então o ponto de regulagem de momento de eixo é 750 kNm, se o cisalhamento do vento for 0,4, então o ponto de regulagem de momento de eixo é 650 kNm. O sistema de controle 124 pode correlacionar o valor de momento de eixo de referência pré-armazenado que corresponde a ao menos um dentre o cisalhamento do vento, velocidade do vento e desequilíbrio de carga detectados devido ao cisalhamento do vento.

[025] Adicionalmente, o sistema de controle 124 pode comparar o momento de eixo físico do rotor 108 com o valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo de referência ajustado para computar um comando de correção de momento de eixo para um sistema configurado para ajustar a carga de ao menos uma lâmina da turbina eólica, tais como uma angulação de lâmina, posição de flap, posição de micro guia, posição de spoiler ou posição de dispositivo de controle de fluxo ativo, com base no comando de correção de ponto de regulagem de momento de eixo. Os flaps, micro guias, spoiler e dispositivos de controle de fluxo ativos são indicados pelo numeral 230 na Figura 2. Em uma realização, o sistema de controle 124 também leva em conta a posição de rotor (azimute) de cada lâmina individual quando as computações são feitas. O comando de ângulo de angulação computado é enviado ao acionador de angulação (ou sistema de angulação) 130 para alterar a angulação (ou posição de flap, posição de micro guia, posição de spoiler ou posição de dispositivo de controle de fluxo ativo) de cada uma das lâminas. Particularmente, as lâminas são movidas ou giradas por um ângulo incluído no comando de ângulo de angulação para alterar as forças aerodinâmicas que agem nas lâminas giratórias, que por sua vez controla o momento de eixo físico do rotor 108. Além disso, essa alteração nas forças aerodinâmicas nas lâminas giratórias pode reduzir adicionalmente a magnitude e/ou a duração de carga de impulso aerodinâmico colocada no rotor 108. Reduzindo-se a carga de impulso aerodinâmico no rotor 108 e reduzindo a ativação de sistema de angulação, o desgaste e rasgo geral experimentado pelo sistema de angulação e componentes é reduzido.

[026] Em referência à Figura 2, uma ilustração diagramática da turbina eólica 100, de acordo com aspectos da presente invenção, é ilustrada. A Figura 2 ilustra lâminas de rotor 202, 204 acopladas ao cubo de rotor 116. As lâminas de rotor 202, 204 são giradas em suas posições iniciais ou na posição “sem carga” com um espaço livre de torre 206. O espaço livre de torre 206 pode ser denominado como distância entre a torre 102 e a lâmina que está em frente à torre 102. Adicionalmente, quando uma carga de impulso aerodinâmico ou cisalhamento do vento age no rotor 108, as lâminas 202, 204 do rotor 108 podem defletir no sentido da torre 102. A carga de impulso aerodinâmico no rotor 108 pode ser devido ao vento de velocidade elevada que passa através do rotor 108. Por exemplo, cargas de impulso aerodinâmico elevadas podem ocorrer quando a velocidade do vento está em uma faixa de cerca de 80% a cerca de 120% da velocidade do vento nominal. A carga de cisalhamento de vento no rotor 108 pode ser devido a um vento de velocidade elevada que passa através do topo do rotor 108 e ao vento de velocidade baixa que passa através do fundo do rotor 108. Neste caso, as lâminas de rotor estarão na posição indicada por 202 e 204.

[027] Em operação, a deflexão das lâminas 202, 204 pode imprimir cargas desequilibradas (isto é, desequilíbrio de carga) no rotor e/ou mancais de eixo principal. Para reduzir a fadiga causada pelo carregamento desequilibrado no rotor 108, o sistema de controle 124 pode ser usado para controlar o momento de eixo físico do rotor 108, que por sua vez aprimora o carregamento desequilibrado devido ao cisalhamento do vento. Particularmente, em resposta à deflexão do rotor 108 e/ou outros componentes da turbina eólica 100, o sistema de controle 124 pode alterar a angulação das lâminas de modo que o carregamento desequilibrado no rotor 108 seja reduzido. Mais especificamente, em uma realização, o sistema de controle 124 pode alterar a angulação das lâminas de modo que a lâmina 202 que está em frente à torre 102 seja angulada de modo que a lâmina de rotor seja mais perpendicular à direção do vento e a lâmina 204 é angulada de tal modo que apenas uma parte da energia eólica vá de encontro à lâmina de rotor. Essa ação diminui a carga de cisalhamento do vento no rotor 108. As angulações de cada uma das lâminas são alteradas em correspondência aos ângulos de angulação assimétricos determinados pelo sistema de controle 124. O aspecto de determinar os ângulos de angulação assimétricos será explicado em maiores detalhes com referência à Figura 4.

[028] A Figura 3 é uma ilustração diagramática de uma turbina eólica que retrata sensores de proximidade e um flange de eixo principal, de acordo com aspectos da presente invenção; A turbina eólica 100 inclui um flange de eixo principal 302 que é posicionado ao redor do eixo de rotor (ou eixo principal) 114 (mostrado na Figura 1). Particularmente, o flange de eixo principal 302 é disposto em uma porção do eixo de rotor 114 que é adjacente ao cubo de rotor 116 (mostrado na Figura 1). Além disso, para o flange de eixo principal 302, a turbina eólica 100 inclui um ou mais sensores de proximidade 304, 306, 308, 310 para medir o deslocamento do flange de eixo principal 302. Por exemplo, a deflexão do rotor 108 pode deslocar o flange de eixo principal 302 de uma posição de repouso ou “sem carga” predeterminada. Em uma realização, os um ou mais sensores de proximidade 304, 306, 308, 310 podem ser usados para medir o deslocamento do flange de eixo principal 302 em relação a um quadro de referência sem deflexão. O quadro de referência sem deflexão pode compreender, por exemplo, a placa de apoio ou o alojamento do mancal principal de eixo de velocidade baixa.

[029] Na realização da Figura 3, os quatro sensores de proximidade 304 a 310 são posicionados cerca de 90 graus à parte na superfície do flange de eixo principal 302. Os sensores de proximidade 304 a 310 podem gerar sinais em resposta a deflexão dos componentes de turbina eólica, tal como o rotor 108 e o flange de eixo principal 302. Em uma realização específica, os sinais são gerados quando a velocidade do vento está dentro de uma faixa predeterminada, por exemplo, 80% a 120% da velocidade do vento nominal, conforme a carga de impulso aerodinâmico pode agir através do rotor nessa faixa. Essa carga de impulso aerodinâmico pode defletir adicionalmente o rotor causando o deslocamento do flange de eixo principal. O cisalhamento de vento também pode agir para defletir o rotor causando o deslocamento. Os sensores de proximidade 304 a 310 são usados para medir o deslocamento do flange de eixo principal 302 e enviam os sinais gerados para indicar o deslocamento do flange de eixo principal 302 para o sistema de controle 124 para determinar o momento de eixo físico do rotor 108. Esses sinais também podem ser traduzidos em uma indicação de carga de rotor, cisalhamento do vento ou desequilíbrio de carga.

[030] Operacionalmente, o sistema de controle 124 pode primeiro determinar a posição “sem carga” durante um processo de inicialização. A posição “sem carga” pode ser determinada com o uso de computações de controlador de turbina dos sinais de sensor de flange de eixo principal durante uma operação lenta de rolamento de rotor. Esse processo pode ocorrer durante inicialização de sistema com todas as lâminas de rotor anguladas, por exemplo, a 65 graus. Adicionalmente, durante a operação da turbina eólica 100, o sistema de controle 124 pode determinar a carga nas lâminas que defletem o rotor 108 com o uso dos dados ou sinais dos sensores de proximidade 304 a 310. Em uma realização, esses sinais podem indicar o deslocamento do flange de eixo principal 302 que é devido à deflexão do rotor 108. Com esses dados ou informações, o sistema de controle 124 podem alterar a angulação das lâminas para reduzir a carga de impulso aerodinâmico nas lâminas.

[031] Uma pluralidade de sensores de lâmina 320 pode estar localizada em ou próximos a cada lâmina 202, 203, 204 e os sensores 320 são configurados para medir o deslocamento de lâmina, aceleração de lâmina e/ou a carga nas lâminas. Por exemplo, cargas de lâmina assimétricas podem indicar uma condição de desequilíbrio de carga. Um sensor de deslocamento pode ser um sensor de medição de proximidade ou distância. Um sensor de aceleração pode ser um acelerômetro e um sensor de carga pode incluir sensores de deslocamento, acelerômetros ou qualquer outro sensor adequado. O deslocamento de lâmina, aceleração de lâmina e/ou cargas de lâmina podem ser traduzidas em uma indicação de carga de rotor, cisalhamento do vento ou um desequilíbrio de carga e esses valores podem ser traduzidos em valores de correção de ponto de regulagem de momento de eixo e comandos de correção de momento de eixo que são usados para controlar o sistema de angulação.

[032] Em referência à Figura 4, é retratado um diagrama de blocos de um sistema de controle, de acordo com aspectos da presente invenção. Para facilidade de compreensão da presente invenção, o sistema de controle 400 é descrito com referência aos componentes da Figura 1. O sistema de controle 400 pode ser representativo do sistema de controle 124 da Figura 1. O sistema de controle 400 pode ser configurado para monitoramento e controle de sistema geral da turbina eólica 100. Em um exemplo, o monitoramento e controle de sistema podem incluir a regulação de angulação e velocidade das lâminas, a aplicação de eixo de velocidade elevada e freio de guinada, a aplicação de motor de guinada e de angulação e o monitoramento de defeito.

[033] O sistema de controle 400 pode ser usado para ajustar o valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo da turbina eólica 100. O sistema de controle 400 inclui um sistema de detecção 402, um sistema de ajuste 403, um sistema de compensação 404 e um sistema de acionamento de angulação 406 (ou sistema de angulação). O sistema de detecção 402 é configurado para determinar ao menos um dentre a carga de rotor, o cisalhamento do vento, a velocidade do vento e o desequilíbrio de carga. O valor de cisalhamento do vento pode ser determinado a partir de ao menos dois anemômetros 220, 221 espaçados verticalmente ao longo da turbina eólica. Um sistema de telemetria e detecção de luz (LIDAR) (ou um sistema de medição ultrassônico) 140 pode ser configurado para detectar múltiplas velocidades do vento em localizações espaçadas verticalmente ao longo da turbina eólica. Uma torre de medição 230 associada com um parque eólico, incluindo uma turbina eólica 100, pode incluir um ou mais detectores de velocidade do vento 231, 232 (por exemplo, anemômetros, um sistema de medição ultrassônico, etc.) para detectar o cisalhamento do vento. Por exemplo, o valor de cisalhamento do vento pode ser obtido a partir de velocidades do vento em múltiplas localizações espaçadas verticalmente ao longo da torre 230. O cisalhamento do vento também pode ser obtido a partir de dados emitidos de uma pluralidade de sensores de proximidade 304, 306, 308, 310 que são configurados para medir um deslocamento do flange de eixo principal 302.

[034] Um sistema de ajuste 403 é configurado para ajustar um valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo com base em ao menos um dentre a carga de rotor, o cisalhamento do vento, a velocidade do vento e o desequilíbrio de carga. Um momento de eixo de referência pode ser denominado como um valor de referência ou ponto de regulagem de momento de eixo para o momento de eixo físico do rotor 108. Além disso, esse momento de eixo de referência pode ser pré-armazenado anterior à operação da turbina eólica 100. Em uma realização, o ponto de regulagem de momento de eixo de referência pode ser selecionado e armazenado no sistema de controle 124 com base em uma taxa de velocidade do vento padrão da turbina eólica 100. O sistema de ajuste 403 pode ser configurado para referenciar uma tabela de pesquisa 405 que correlaciona valores de correção de ponto de regulagem de momento de eixo com ao menos um dentre a carga de rotor, o cisalhamento do vento, a velocidade do vento e/ou o desequilíbrio de carga. Como exemplos não limitadores apenas, a tabela de pesquisa 405 pode incluir os seguintes valores: se o cisalhamento do vento for 0,1, então a correção de ponto de regulagem de momento de eixo é 900 kNm, se o cisalhamento do vento for 0,2, então a correção de ponto de regulagem de momento de eixo é 750 kNm, se o cisalhamento do vento for 0,4, então a correção de ponto de regulagem de momento de eixo é 650 kNm.

[035] O sistema de compensação 404 é configurado para computar um comando de ângulo de angulação com base na correção de ponto de regulagem de momento de eixo emitida do sistema de ajuste 403. O sistema de acionamento de angulação 406 é configurado para alterar a angulação das lâminas de rotor 202, 203, 204 com base no comando de ângulo de angulação.

[036] Na configuração contemplada presentemente, a unidade de detecção 402 inclui um agendador 408 e um estimador 410. O estimador 410 pode ser configurado para determinar o impulso aerodinâmico e/ou cisalhamento do vento. Particularmente, como um exemplo não limitador, o estimador 410 recebe um sinal de potência 416 e um sinal de velocidade de gerador 418 do gerador 110. O sinal de potência 416 pode indicar uma potência máxima produzida pelo gerador 110. Similarmente, o sinal de velocidade de gerador 418 pode indicar uma velocidade giratória de um rotor de gerador disposto dentro do gerador 110. Depois disso, o estimador 410 utiliza o sinal de potência 416 recebido e o sinal de velocidade de gerador 418 para determinar o impulso aerodinâmico no rotor. Se desejado, um ângulo médio das lâminas acopladas ao cubo de rotor 116 pode ser usado além da potência produzida pelo gerador 110 e/ou a velocidade do gerador 110 para determinar o impulso aerodinâmico no rotor.

[037] Em outra realização, o estimador 410 utiliza o sinal de potência 416 recebido, o sinal de velocidade de gerador 418 e o ângulo médio das lâminas acopladas ao cubo de rotor 116 para determinar a velocidade do vento que passa através da turbina eólica 100. Por exemplo, se o vento de uma velocidade particular passa através do rotor 108, as lâminas que são posicionadas em um ângulo particular podem interagir com o fluxo de ar de passagem ou o vento para produzir uma elevação que faz com que o cubo de rotor 116 gire acerca de um eixo geométrico longitudinal 128. Esse movimento giratório do cubo de rotor 116 pode girar adicionalmente o rotor de gerador, o que por sua vez produz potência elétrica em uma saída do gerador 110. Desse modo, sabendo-se o ângulo de lâmina médio, a potência produzida pelo gerador 110 e a velocidade do rotor de gerador, o estimador 410 pode determinar a velocidade do vento que passa através da turbina eólica 100. Em outra realização, um ou mais sensores de velocidade do vento 414 podem ser uados para determinar ou prever a velocidade do vento e o cisalhamento do vento. Depois disso, o estimador 410 pode fornecer ao menos um dentre o cisalhamento do vento, a velocidade do vento e o desequilíbrio de carga devido ao cisalhamento do vento para o agendador 408.

[038] Como um exemplo, além de determinar o cisalhamento do vento, o impulso aerodinâmico e/ou a velocidade do vento, o estimador 410 também pode medir um deslocamento do flange de eixo principal 302. Para essa finalidade, o estimador 410 pode incluir um ou mais sensores de proximidade 412. Os sensores de proximidade 412 podem ser representativos dos sensores de proximidade 304 a 310 da Figura 3. Adicionalmente, esses sensores de proximidade 304 a 310 podem ser usados para medir um deslocamento do flange de eixo principal 302. Particularmente, o rotor 108 pode ser submetido ao carregamento de cisalhamento do vento elevado quando o vento em múltiplas velocidades passa através do rotor 108. Esse carregamento de cisalhamento do vento no rotor 108 pode defletir o rotor 108, que por sua vez desloca o flange de eixo principal 302 de uma posição inicial ou uma posição predeterminada. Em uma realização, o flange de eixo principal 302 pode se deslocar de um quadro fixo ou um quadro de referência. Adicionalmente, mediante a medição do deslocamento do flange de eixo principal 302, o estimador 410 pode enviar o deslocamento medido do flange de eixo principal 302 para o sistema de detecção 408 a fim de determinar o desequilíbrio de carga devido ao cisalhamento do vento.

[039] De acordo com aspectos da presente invenção, o agendador 408 recebe ao menos um dentre o cisalhamento do vento, a velocidade do vento e/ou o desequilíbrio de carga determinados devido ao cisalhamento do vento do estimador 410 e usa o cisalhamento do vento, a velocidade do vento e/ou o desequilíbrio de carga devido ao cisalhamento do vento para alterar ou ajustar o valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo. O agendador 408 pode primeiro verificar quanto a se o cisalhamento do vento determinado está acima de um valor predeterminado. Se sim, então o agendador 408 pode alterar ou ajustar o valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo que corresponde ao cisalhamento do vento, conforme armazenado na tabela de pesquisa 405.

[040] Em outra realização, o agendador 408 recebe o desequilíbrio de carga devido ao cisalhamento do vento do estimador 410 e usa isso para alterar o valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo. O agendador 408 pode primeiro verificar quanto a se o desequilíbrio de carga devido ao cisalhamento do vento está dentro de uma faixa predeterminada. Por exemplo, a faixa predeterminada pode ser 80% a 120% do ponto de regulagem de momento de eixo. Se o desequilíbrio de carga estiver dentro dessa faixa predeterminada, o agendador 408 altera ou ajusta o valor de ponto de regulagem de momento de eixo. Em uma realização, o agendador 408 pode usar a tabela de pesquisa 405 para alterar o valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo. Por exemplo, a tabela de pesquisa 405 pode incluir os valores de correção de ponto de regulagem de momento de eixo associados com seus valores de cargas de rotor, de velocidades do vento, de cisalhamento do vento, ou desequilíbrio de carga correspondentes. O sistema de ajuste 403 pode selecionar o valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo que é associado às cargas de rotor determinadas, às velocidades do vento, ao cisalhamento do vento, ou ao desequilíbrio de carga a partir da tabela de pesquisa 405. Depois disso, o sistema de ajuste 403 pode enviar o valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo alterado para o sistema de compensação 404.

[041] De acordo com aspectos da presente invenção, o sistema de compensação 404 é configurado para receber o valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo alterado do sistema de ajuste 403 e o deslocamento medido do flange de eixo principal a partir do estimador 410. O sistema de compensação 404 pode usar o deslocamento medido do flange de eixo principal 302 para determinar o momento de eixo físico do rotor de turbina eólica 108. O sistema de ajuste 403 pode ter uma tabela de pesquisa que inclui diferentes correções de ponto de regulagem de momento de eixo que são mapeadas para valores de deslocamento correspondentes do flange de eixo principal 302. O sistema de ajuste 403 pode usar essa tabela de pesquisa para determinar a correção de ponto de regulagem de momento de eixo que é associada ao valor de deslocamento medido do flange de eixo principal 302.

[042] Mediante a determinação do momento de eixo, o sistema de compensação 404 pode compreender esse ponto de regulagem de momento de eixo com o momento de eixo de referência alterado recebido do sistema de ajuste 403. Particularmente, o sistema de compensação 404 identifica uma diferença entre o momento de eixo e o ponto de regulagem de momento de eixo alterado. Se a diferença entre esses momentos de eixo estiver acima de um valor predefinido, o sistema de compensação 404 pode computar um comando de ângulo de angulação assimétrico que corresponde à diferença entre os dois momentos de eixo. O comando de ângulo de angulação pode incluir um ou mais ângulos de angulação assimétricos para cada uma das lâminas. Em uma realização, uma transformação de DQ de Parks, um cálculo de método de estimação de enviesamento e/ou outra técnica de controle é(são) usado(s) para calcular o ângulo de angulação ou incremento de angulação para cada lâmina de rotor para reduzir o carregamento de rotor geral assimétrico devido ao cisalhamento do vento.

[043] O comando de ângulo de angulação assimétrico é fornecido ao sistema de acionamento de angulação 406 para alterar a angulação das lâminas de rotor 202, 203, 204, ou ao sistema de guinada 407 para alterar a posição (ou direção) da nacela e do rotor (isto é, a cabeça de máquina). O sistema de acionamento de angulação 406 pode empregar um ou mais condutores de angulação 120 para alterar a angulação das lâminas. Esses ângulos de angulação assimétricos são fornecidos às lâminas de tal forma que o ajuste de ângulo de angulação médio das lâminas seja zero e seja dado pela seguinte relação: Lâmina 1 = A sen(θ) Lâmina 2 = A sen(θ-120) Lâmina 3 = A sen(θ+120), em que A é a amplitude do comando de cisalhamento de compensação e θ é a posição de azimute de rotor. Por exemplo, se o ângulo de angulação de uma das lâminas for incrementado por +1 grau, então o ângulo de angulação das duas lâminas é diminuído por -0,5 graus e -0,5 graus. O acionador de angulação 120 é usado para mover ou girar a lâmina correspondente por um ângulo associado com seu ângulo de angulação. Alterando-se a angulação das lâminas, o momento de eixo físico do rotor 108 é controlado. Alterando-se a angulação das lâminas, o movimento giratório das lâminas pode ser variado, que por sua vez altera as forças aerodinâmicas que agem no rotor 108, particularmente nas lâminas. Essa alteração nas forças aerodinâmicas no rotor 108 pode mitigar a carga de cisalhamento do vento no rotor 108. Reduzindo-se a carga de cisalhamento do vento e reduzindo a operação de sistema de angulação, a longevidade e a operação de turbina eólica geral podem ser aprimoradas. O sistema de controle aprimora operação e vida útil do sistema de angulação dos componentes de sistema de angulação (por exemplo, motores de acionamento de angulação, mancais de angulação, etc.).

[044] A Figura 5 ilustra um fluxograma para um método 500 para controlar o desequilíbrio de rotor na turbina eólica, de acordo com aspectos da presente invenção. O método é descrito com referência aos componentes das Figuras. 1 a 4. O método 500 começa na etapa de detecção 502, em que ao menos um dentre as cargas de rotor, o cisalhamento do vento, a velocidade do vento e/ou o desequilíbrio de carga é detectado. Na etapa de seleção 504, um valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo com base em ao menos um dentre as cargas de rotor, o cisalhamento do vento, a velocidade do vento ou o desequilíbrio de carga emitido da etapa 502 é selecionado. Um valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo pode ser selecionado com base em uma carga de rotor, desequilíbrio de carga ou valor de cisalhamento do vento e uma tabela de pesquisa é referenciada que correlaciona valores de correção de ponto de regulagem de momento de eixo a uma carga de rotor, a valores de desequilíbrio de carga ou de cisalhamento do vento. Alternativamente, a correção de ponto de regulagem de momento de eixo pode ser selecionada com base em carga de rotor, múltiplos valores de velocidade do vento, ou desequilíbrio de carga e uma tabela de pesquisa é referenciada que correlaciona a correção de ponto de regulagem de momento de eixo a esses valores. Em ambos os casos, a obtenção do valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo pode ser realizada referenciando-se a tabela de pesquisa 405 no sistema de ajuste 403. Na etapa de computação 506, o comando de ângulo de angulação é computado com base no valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo emitido da etapa de seleção 504. Na etapa de controle 508, a angulação de ao menos uma lâmina, se não todas as lâminas, é controlada ou alterada com base no comando de ângulo de angulação emitido a partir da etapa de computação 506.

[045] A etapa de detecção 502 pode incluir obter a saída a partir de ao menos dois anemômetros espaçados verticalmente ao longo da turbina eólica, ou obter a saída a partir de um sistema de LIDAR configurado para detectar múltiplas velocidades do vento em localizações espaçadas verticalmente ao longo da turbina eólica, ou obter a saída a partir de uma torre de medição associada a um parque eólico que inclui a turbina eólica, ou obter a saída a partir de um sistema de medição ultrassônico configurado pra detectar múltiplas velocidades do vento em localizações espaçadas verticalmente ao longo da turbina eólica. Alternativamente, o cisalhamento do vento pode ser detectado com dados obtidos a partir dos sensores de proximidade 304 a 310, à medida que cartas predefinidas podem ser mapeadas para valores de cisalhamento do vento predeterminados.

[046] O sistema de controle da turbina eólica 124, 400 pode ser programado pra desempenhar as etapas de detectar 502 a menos um dentre a carga de rotor, a velocidade do vento, o cisalhamento do vento e/ou o desequilíbrio de carga, selecionar 504 um valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo com base em ao menos um dentre a carga de rotor, o cisalhamento do vento, a velocidade do vento e/ou o desequilíbrio de carga, computar 506 um comando de ângulo de angulação com base em uma correção de ponto de regulagem de momento de eixo emitida da etapa de seleção e controlar 508 uma angulação de ao menos uma lâmina da turbina eólica com base no comando de ângulo de angulação com o sistema de angulação. O sistema de controle 124 pode ser configurado para se comunicar com ao menos dois anemômetros 220, 221 espaçados verticalmente ao longo da turbina eólica, ou para se comunicar com um sistema de telemetria e detecção de luz (LIDAR) 140 configurado para detectar múltiplas velocidades do vento em localizações espaçadas verticalmente ao longo da turbina eólica ou um sistema de medição ultrassônico. O sistema de controle também pode ser configurado para se comunicar com uma torre de medição 230 associada a um parque eólico que inclui a turbina eólica, onde a torre de medição inclui um detector de velocidade do vento 231, 232 para detectar o valor de cisalhamento do vento a partir de velocidades do vento em múltiplas localizações espaçadas verticalmente. Alternativamente, o sistema de controle pode ser configurado para se comunicar com um sistema de detecção 402 que é configurado para detectar o cisalhamento do vento com dados obtidos a partir de uma pluralidade de sensores de proximidade configurados para medir um deslocamento de um flange de eixo principal da turbina eólica, ou uma pluralidade de sensores de lâmina. O sistema de controle 400 é configurado para se comunicar com o sistema de ajuste 403 que é configurado para ajustar um valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo com base no valor de cisalhamento do vento e o sistema de ajuste 403 referência uma tabela de pesquisa 405 que correlaciona os valores de correção de ponto de regulagem de momento de eixo a valores de carga de rotor, de velocidade do vento, de cisalhamento do vento, ou de desequilíbrio de carga.

[047] A Figura 6 ilustra um sistema de equações usado para ajustar o valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo, de acordo com um aspecto da presente invenção. A carga de gravidade é conhecida e é constante. A carga de cisalhamento é igual à carga medida menos a carga de gravidade mais a carga de angulação e é dada pela seguinte equação. Carga de cisalhamento = carga medida - carga de gravidade + carga de compensação de regulador

[048] A saída de regulador de carga de cisalhamento precisa ser limitada a um valor que reside dentro das capacidades dos limites de sistema de angulação e de operação de lâmina. Angulação em excesso da lâmina pode conduzir a mesma para uma condição de bloqueio que poderia aumentar outras cargas ou adversamente impactar a captura de energia. O sistema de angulação tem limites sobre velocidades e acelerações máximas que também precisam ser reforçados. O limite de regulador (+reglimite) pode ser determinado pela seguinte equação.

[049] Em que o limite de angulação (+limiteangulação) em graus é determinado pelas capacidades do sistema de angulação e margens de bloqueio de lâmina e o termo de kNm/graus (dF/dθ) é o ganho da lâmina proveniente da geometria de lâmina expresso como uma derivada parcial da taxa de alteração em impulso por grau de angulação. O ganho de lâmina pode ser expresso como uma constante, derivada de uma pesquisa na tabela ou computada dinamicamente como uma função de ângulo de angulação.

[050] A invenção permite que alguém meça a quantidade de cisalhamento (ou cargas) no rotor quando o componente de gravidade é conhecido, detecte quando o sistema está em operação em capacidade máxima e fornece um meio para modificar o ponto de regulagem para retornar o regulador de cisalhamento para seus limites de operação. O ponto de regulagem (isto é, ponto de operação de estado estável do momento de flexão no eixo de rotor) pode ser movido para um nível de tal modo que os limites de fadiga de ciclo elevado dinâmico e de ciclo baixo estável possam ser ajustados com base em condições de vento. Na velocidade do vento acima, não é necessário calcular o cisalhamento do vento, já que as cargas na turbina eólica podem ser usadas para calcular o cisalhamento do vento (ou cargas de rotor ou desequilíbrios de carga). A carga de rotor ou o desequilíbrio de carga podem ser detectados e essa carga/desequilíbrio pode ser separada em seus respectivos componentes. Por exemplo, os componentes de carga de rotor podem incluir um ou mais dentre o desequilíbrio de gravidade e o desequilíbrio de aerodinâmica e os componentes de desequilíbrio de carga podem incluir um ou mais dentre o desequilíbrio de gravidade, o desequilíbrio de cisalhamento e o desequilíbrio de impulso. Além disso, o desequilíbrio de carga pode ser corrigido ajustando-se a angulação de cada uma das lâminas enquanto compensa os limites de operação e as alterações em forças de lâmina devido à geometria e aos ângulos de angulação. O desequilíbrio de carga também pode ser corrigido ajustando-se a posição de guinada da turbina eólica (isto é, o rotor e nacela) enquanto compensa os limites de operação, ou tanto a posição de guinada quanto os ângulos de angulação de lâmina podem ser ajustados. O ajuste da posição de guinada da nacela e do rotor (isto é, a cabeça de máquina) pode ser desempenhado para modificar o momento de inclinação para frente e para trás (e reduzir cargas ou desequilíbrios) especialmente quando o cisalhamento horizontal ou o fluxo para cima/fluxo para baixo está presente.

[051] A Figura 7 ilustra um método para alterar o ponto de regulagem, de acordo com um aspecto da presente invenção. O método 700 inclui uma etapa 702 de checagem do controle para verificar que o mesmo está no limite. Na etapa 704, as cargas de cisalhamento (ou cargas de rotor) são calculadas. Na etapa 706, se o controle estiver no limite, então o ponto de regulagem é reduzido para retirar o controle do limite. Na etapa 708, se as cargas de cisalhamento (ou cargas de rotor) forem elevadas, então o ponto de regulagem é movido para reduzir as cargas de rotor, que são tipicamente devido ao cisalhamento do vento.

[052] Esta descrição escrita usa exemplos para divulgar a invenção, incluindo o melhor modo, e também para permitir que qualquer técnico no assunto pratique a invenção, incluindo criar e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e desempenhar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações, e pode incluir outros exemplos que ocorram a técnicos no assunto. Tais outros exemplos se destinam a estar dentro do escopo das reivindicações caso os mesmos tenham elementos estruturais que não diferem da linguagem literal das reivindicações, ou caso os mesmos incluam elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais da linguagem literal das reivindicações. LISTA DE COMPONENTES 100 turbina eólica 102 torre 104 unidade de potência 106 nacela 108 rotor 110 gerador 112 caixa de câmbio 114 eixo de rotor 116 cubo 118 quadro principal 120 acionador de guinada 122 suporte de guinada 124 sistema de controle 126 anemômetro 128 eixo geométrico longitudinal 130 acionador de angulação 140 sistema de LIDAR 202 lâmina de rotor 203 lâmina de rotor 204 lâmina de rotor 206 espaço livre de torre 220 anemômetro 221 anemômetro 230 torre de medição 231 detector de velocidade de vento 232 detector de velocidade de vento 302 flange de eixo principal 304 sensor de proximidade 306 sensor de proximidade 308 sensor de proximidade 310 sensor de proximidade 400 sistema de controle 402 sistema de detecção 403 sistema de ajuste 404 sistema de compensação 405 tabela de pesquisa 406 sistema de acionamento de angulação 408 agendador 410 estimador 412 sensor de proximidades 414 sensores de velocidade de vento 416 sinal de potência 418 sinal de velocidade de gerador 500 método 502 etapa de detecção 504 etapa de seleção 506 etapa de computação 508 etapa de controle 700 método 702 etapa de método 704 etapa de método 706 etapa de método 708 etapa de método

Claims

1. SISTEMA DE CONTROLE (124) PARA UMA TURBINA EÓLICA (100), compreendendo pelo menos uma lâmina de rotor (202, 204, 206), compreendendo: um sistema de detecção (402) configurado para determinar ao menos um dentre uma carga de rotor, um cisalhamento do vento, uma velocidade do vento e um desequilíbrio de carga devido ao cisalhamento do vento; uma pluralidade de sensores de proximidade (304-310) configurada para medir um deslocamento de um flange de eixo principal (302); o sistema sendo caracterizado por uma pluralidade de sensores de lâmina (320) configurada para medir um deslocamento de ao menos uma lâmina (202, 204, 206);em que o deslocamento do flange de eixo principal (302) e da ao menos uma lâmina (202, 204, 206) é traduzido para uma indicação de ao menos um dentre a carga de rotor, o cisalhamento do vento, ou o desequilíbrio de carga; um sistema de ajuste (403) configurado para ajustar um valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo com base na indicação da carga de rotor, do cisalhamento do vento, da velocidade do vento ou do desequilíbrio de carga; um sistema de compensação (404) configurado para computar um comando de correção de momento de eixo com base no valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo emitido do sistema de ajuste (403); e um sistema de angulação (406) configurado para ajustar uma angulação de ao menos uma lâmina (202, 204, 206) da turbina eólica (100) com base no comando de correção de ponto de regulagem de momento de eixo, ou um sistema de guinada (120) configurado para ajustar a posição de guinada de um rotor (108) com base no comando de correção de ponto de regulagem de momento de eixo.

2. SISTEMA (124), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo sistema de detecção (402) compreender adicionalmente ao menos um dentre: ao menos dois anemômetros (220, 221) espaçados verticalmente ao longo da turbina eólica (100); um sistema de telemetria e detecção de luz (LIDAR) (140); um sistema de medição ultrassônico; ou uma torre de medição (230) associada a um parque eólico que inclui a turbina eólica (100), sendo que a torre de medição (230) inclui um detector de velocidade do vento (231, 232) para detectar o valor de cisalhamento do vento a partir de velocidades do vento em múltiplas localizações espaçadas verticalmente.

3. SISTEMA (124), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo sistema de ajuste (403) ser configurado para ajustar o valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo para estimar dinamicamente o desequilíbrio de carga devido ao cisalhamento do vento a partir de dados de aerodinâmica predeterminados e uma medição de desequilíbrio de carga para fornecer a correção de ponto de regulagem de momento de eixo.

4. SISTEMA (124), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo sistema de ajuste (403) ser configurado para ajustar o valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo correlacionando-se o valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo com ao menos um dentre o cisalhamento do vento, a velocidade do vento, ou o desequilíbrio de carga devido ao cisalhamento do vento através de um sistema de equações ou uma tabela de pesquisa (405).

5. SISTEMA (124), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo sistema de angulação (406) ser configurado para alterar a carga na ao menos uma lâmina (202, 2043, 206) ajustando-se ao menos um dentre: angulação de lâmina, posição de flap, posição de micro guia, posição de spoiler e posição de dispositivo de controle de fluxo ativo.

6. MÉTODO (500, 700) PARA CONTROLAR DESEQUILÍBRIO DE ROTOR EM UMA TURBINA EÓLICA (100), o método (500, 700) compreendendo: detectar (502) ao menos um dentre uma carga de rotor, um cisalhamento do vento, uma velocidade do vento e um desequilíbrio de carga; caracterizado por: medir um deslocamento de ao menos uma lâmina (202, 2043, 206) de uma turbina eólica (100) usando uma pluralidade de sensores de lâmina (320); medir um deslocamento de um flange de eixo principal (302) usando uma pluralidade de sensores de proximidade (304-310); traduzir o deslocamento do flange de eixo principal (302) e da ao menos uma lâmina (202, 204, 206) em uma indicação de ao menos um dentre a carga de rotor, o cisalhamento do vento, ou o desequilíbrio de carga; selecionar (504) um valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo com base na indicação da carga de rotor, da velocidade do vento, do cisalhamento do vento ou do desequilíbrio de carga; computar um comando de correção de momento de eixo com base no valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo emitido da etapa de seleção (504); e controlar um sistema de angulação (406) para ajustar uma carga de ao menos uma lâmina (202, 204, 206) da turbina eólica (100) com base no comando de correção de momento de eixo, ou controlar um sistema de guinada (120) para ajustar uma posição de rotor com base no valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo.

7. MÉTODO (500, 700), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pela etapa de detecção (502) compreender adicionalmente ao menos um dentre: obter uma saída a partir de ao menos dois anemômetros (220, 221) espaçados verticalmente ao longo da turbina eólica (100); obter uma saída a partir de um sistema de telemetria e detecção de luz (LIDAR) (140); obter uma saída a partir de um sistema de medição ultrassônico; ou obter uma saída a partir de uma torre de medição (230) associada a um parque eólico que inclui a turbina eólica (100), sendo que a torre de medição (230) inclui um detector de velocidade do vento (231, 232) para detectar o cisalhamento do vento a partir de velocidades do vento em múltiplas localizações espaçadas verticalmente.

8. MÉTODO (500, 700), de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 7, caracterizado pela etapa de seleção (504) compreender adicionalmente: selecionar o valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo com base na correlação de ao menos um dentre a carga de rotor, o cisalhamento do vento, a velocidade do vento, ou o desequilíbrio de carga através de um sistema de equações ou uma tabela de pesquisa (405).

9. MÉTODO (500, 700), de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pela etapa de seleção (504) compreender adicionalmente: selecionar um valor de correção de ponto de regulagem de momento de eixo com base na estimativa de modo dinâmico do desequilíbrio de carga a partir de dados de aerodinâmica predeterminados e uma medição de desequilíbrio de carga para fornecer o comando de correção de momento de eixo.

10. MÉTODO (500, 700), de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 9, caracterizado pelo desequilíbrio de carga ser corrigido ajustando-se a angulação da ao menos uma lâmina (202, 204, 206) enquanto compensa o termo de kNm/grau na seguinte equação:

em que +regiimite é limite regulador, +limiteanguiação é limite de angulação e dF/dθ kNm/grau é ganho da lâmina expresso como uma derivada parcial da taxa de alteração em impulso por grau de angulação.

11. TURBINA EÓLICA (100), caracterizada por compreender: uma torre (102) configurada para suportar uma nacela (106) e um rotor (108), sendo que o rotor (108) tem ao menos uma lâmina de rotor (202, 204, 206); um sistema de controle (124) programado para desempenhar as etapas definidas pelo método (500, 700), conforme definido por qualquer uma das reivindicações 6 a 10.