BR102016005375B1

BR102016005375B1 - Método para operar uma turbina eólica e sistema para aumentar a produção de potência de uma turbina eólica

Info

Publication number: BR102016005375B1
Application number: BR102016005375-7A
Authority: BR
Inventors: Bernardo Adrian Movischoff
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2023-03-07
Also published as: BR102016005375A2; CN106089581A; ES2892527T3; CA2923294A1; EP3067556B1; US10473088B2; US20160265509A1; CA2923294C; DK3067556T3; EP3067556A1; CN106089581B

Abstract

MÉTODO PARA OPERAR UMA TURBINA EÓLICA E SISTEMA PARA AUMENTAR A PRODUÇÃO DE POTÊNCIA DE UMA TURBINA EÓLICA . A presente matéria é direcionada a um sistema e um método para operar uma turbina eólica a fim de aumentar a produção de potência através do uso de um controle de razão de velocidade de ponta variável. Em uma realização, o método inclui definir uma primeira região de operação associada a uma faixa de torque insaturada e uma segunda região de operação associada a uma faixa de torque saturada. Além disso, o método inclui monitorar uma saída de torque da turbina eólica. O método inclui também ajustar continuamente um ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta da turbina eólica a fim de operar a turbina eólica ao longo de um limite de restrição de torque da primeira e da segunda regiões de operação.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a turbinas eólicas e, mais particularmente, a um sistema e um método para controle de razão de velocidade de ponta variável de uma turbina eólica.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] A energia eólica é considerada uma das fontes de energia mais limpas e mais ecologicamente corretas disponíveis atualmente e as turbinas eólicas ganharam uma maior atenção nesse aspecto. Uma turbina eólica moderna inclui tipicamente uma torre, um gerador, uma caixa de engrenagens, uma nacela e um rotor. O rotor inclui tipicamente um cubo giratório que tem uma ou mais lâminas de rotor fixas no mesmo. Um mancal de inclinação é configurado tipicamente de forma de operação entre o cubo e uma raiz de lâmina da lâmina de rotor para permitir uma rotação sobre um eixo geométrico de inclinação. As lâminas de rotor capturam energia cinética do vento com o uso de princípios de folhas metálicas conhecidos. As lâminas de rotor transmitem a energia cinética na forma de energia giratória a fim de girar um eixo que acopla as lâminas de rotor a uma caixa de engrenagem, ou se uma caixa de engrenagem não for usada, diretamente ao gerador. Em seguida, o gerador converte, então, a energia mecânica em energia elétrica que pode ser posicionada em uma rede de utilidade.

[003] Uma pluralidade de turbinas eólicas é comumente usada em conjunto uma com a outra para gerar eletricidade e é comumente denominada como um “parque eólico”. Turbinas eólicas em um parque eólico incluem tipicamente seus próprios sensores meteorológicos que executam, por exemplo, temperatura, velocidade de vento, direção de vento, pressão barométrica e/ou medições de densidade de ar. Adicionalmente, uma torre ou um mastro meteorológicos separados (“mastro meteorológico”) que têm instrumentos meteorológicos de maior qualidade que podem fornecer medições mais precisas em um ponto no parque é comumente fornecida. A correlação de dados meteorológicos com a saída de potência permite a determinação empírica de uma “curva de potência” para as turbinas eólicas individuais.

[004] Por exemplo, a Figura 1 ilustra uma curva de potência de operação típica 100 para uma turbina eólica. Conforme mostrado, uma turbina eólica típica opera ao longo de uma linha de operação 102 a partir de um ponto “1” em que a velocidade de vento é zero através de pontos 2-3-4-5 (também conhecido como a região de velocidade de vento variável ou de joelho) para alcançar um nível de potência nominal 104 no ponto “5”. Após alcançar o nível de potência nominal 104, a velocidade de vento adicional não resulta em saída de potência de turbina adicional.

[005] Geralmente, é importante otimizar a operação da turbina eólica, o que inclui uma captura de energia de lâmina, para reduzir o custo da energia produzida. Para esta finalidade, cada turbina inclui um módulo de controle que tenta maximizar a saída de potência da turbina diante de condições de vento e rede variáveis enquanto satisfaz as restrições, tais como as classificações de subsistema e as cargas componentes. As cargas de turbina eólica são dependentes da velocidade de vento, da razão de velocidade de ponta (TSR) e/ou da configuração de inclinação da lâmina. A TSR, conforme é compreendido por técnicos no assunto, é a razão da velocidade tangencial da ponta da lâmina com a velocidade de vento real. As configurações de inclinação das lâminas (isto é, o ângulo de ataque da lâmina em formato de aerofólio), fornecem um dos parâmetros usados no controle de turbina eólica. Com base na saída de potência máxima determinada, o módulo de controle controla a operação de vários componentes de turbina, tal como o conversor de gerador/potência, o sistema de inclinação, os freios e o mecanismo de guinada para alcançar a eficácia de potência máxima.

[006] Por exemplo, os controladores de turbinas eólica são configurados para ajustar a velocidade giratória do cubo ao redor do qual as lâminas giram, isto é, a velocidade giratória, através do ajuste da inclinação da lâmina de uma forma que fornece transferência de energia aumentada ou diminuída a partir do vento, que se espera, consequentemente, que ajuste a velocidade de rotor. Dessa forma, turbinas eólicas são projetadas tipicamente para uma velocidade de vento nominal na qual o impulso máximo e a geração de potência máxima ocorrem.

[007] Em geral, o controlador do parque envia um comando de TSR fixo para cada uma das turbinas no parque eólico para controlar a velocidade de rotor. Conforme mostrado na Figura 2, existe uma relação entre a velocidade de rotor e o torque, conforme ilustrado pela curva de velocidade de torque 200. A curva de velocidade de torque 200 ilustra curvas de operação diferentes em que a curva 202 que se estende ao longo dos pontos 1-2-5-6 representa um projeto de demanda de torque baixo, enquanto a curva 204 que se estende ao longo dos pontos 1-3-4-5-6 representa um projeto de demanda de torque alto. Conforme mostrado, a curva de demanda de torque alto 202 alcançará uma velocidade de rotor nominal 206 no ponto “2” em que o corte de velocidade será observado antes de a tal turbina alcançar sua potência nominal no ponto “6”. A curva de demanda de torque alto 204, por outro lado, alcançará seu torque nominal no ponto “4” (isto é, o ponto de saturação de torque) e experimentará um corte de torque antes de alcançar sua potência nominal no ponto “5”. Dessa forma, algumas turbinas eólicas experimentam uma perda de potência na região de velocidade de vento variável devido à saturação de torque que ocorre antes da velocidade de rotor máxima.

[008] Consequentemente, sistemas e métodos melhorados para controlar as turbinas eólicas que tratam dos problemas mencionados anteriormente são desejados na técnica. Particularmente, sistemas e métodos para controlar as turbinas eólicas com o uso de controle de razão de velocidade de ponta variável seriam vantajosos.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[009] Os aspectos e as vantagens da invenção serão apresentados parcialmente na descrição a seguir, ou podem ficar óbvios a partir da descrição, ou podem ser aprendidos através da prática da invenção.

[010] Em uma realização, a presente invenção é direcionada a um método para operar uma turbina eólica a fim de aumentar a produção de potência de uma turbina eólica. O método inclui definir uma primeira região de operação associada a uma faixa de torque insaturada e uma segunda região de operação associada a uma faixa de torque saturada. Adicionalmente, a primeira e a segunda faixas de torque são diferentes. O método inclui também ajustar continuamente um ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta da turbina eólica a fim de operar a turbina eólica ao longo de um limite de restrição de torque da primeira e da segunda regiões de operação.

[011] Em uma realização, a etapa de ajustar continuamente o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta da turbina eólica inclui adicionalmente aumentar o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta quando a saída de torque da turbina eólica estiver dentro da segunda região de operação. De forma similar, a etapa de ajustar continuamente o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta da turbina eólica pode incluir também diminuir o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta quando a saída de torque da turbina eólica estiver dentro da primeira região de operação.

[012] Em outra realização, o método pode incluir também determinar o limite de restrição de torque da primeira e da segunda regiões de operação com base em quando a turbina eólica comuta os modos de operação. Por exemplo, em certas realizações, comutar modos de operação pode incluir inclinar uma ou mais lâminas de rotor da turbina eólica.

[013] Em realizações adicionais, a faixa de torque saturada ocorre quando um torque da turbina eólica alcança um torque nominal.

[014] Em realizações adicionais, a faixa de torque saturada pode incluir valores de torque menores que o limite de restrição de torque da turbina eólica, enquanto a faixa de torque insaturada pode incluir valores de torque iguais ou maiores que o limite de restrição de torque da turbina eólica. Em realizações adicionais, a etapa de ajustar continuamente o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta da turbina eólica ocorre em uma região de velocidade de vento variável de uma curva de potência da turbina eólica.

[015] Em outra realização, o método pode incluir também filtrar (por exemplo, através de um filtro ou de outro modo) o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta. Em realizações adicionais, a etapa de ajustar continuamente o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta da turbina eólica pode incluir usar um controle de modo de deslizamento.

[016] Em outra realização, a presente invenção pode ser direcionada a um sistema para aumentar a produção de potência de uma turbina eólica. O sistema inclui um ou mais sensores configurados para monitorar uma saída de torque da turbina eólica e um controlador acoplado de forma comunicativa a um processador. Além disso, o processador é configurado para executar uma ou mais operações. As operações incluem definir uma primeira região de operação associada a uma faixa de torque insaturada, definir uma segunda região de operação associada a uma faixa de torque saturada e ajustar continuamente um ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta da turbina eólica a fim de operar a turbina eólica ao longo de um limite de restrição de torque da primeira e da segunda regiões de operação, por exemplo, na região de velocidade de vento variável da curva de potência.

[017] Em ainda outra realização, a presente invenção é direcionada a um método para operar uma turbina eólica com base em uma razão de velocidade de ponta variável. O método inclui determinar, através de um processador, um ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta inicial para a turbina eólica. Outra etapa inclui monitorar, através de um ou mais sensores, uma saída de torque da turbina eólica. The método inclui também ajustar continuamente o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta da turbina eólica com base na saída de torque a fim de maximizar uma saída de potência da turbina eólica.

[018] Em uma realização, a etapa de monitorar a saída de torque da turbina eólica pode incluir monitorar a saída de torque durante uma primeira região de operação associada a uma faixa de torque insaturada e monitorar a saída de torque durante uma segunda região de operação associada a uma faixa de torque saturada. Dessa forma, em realizações adicionais, a etapa de ajustar continuamente o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta da turbina eólica com base na saída de torque pode incluir ajustar continuamente o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta a fim de operar a turbina eólica ao longo de um limite de restrição de torque da primeira e da segunda regiões de operação. Deve ser compreendido que o método pode incluir também qualquer uma das etapas e/ou recursos adicionais, conforme descrito no presente documento.

[019] Esses e outros recursos, aspectos e vantagens da presente invenção se tornarão mais bem compreendidos com referência à descrição a seguir e às reivindicações anexas. Os desenhos anexos que são incorporados neste relatório descritivo e constituem uma parte do mesmo ilustram realizações da invenção e, juntamente à descrição, servem para explicar os princípios da invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[020] Uma revelação completa e viabilizadora da presente invenção, que inclui o melhor modo da mesma, direcionada a um técnico no assunto, é apresentada no relatório descritivo, que faz referência às figuras anexas, nas quais: - a Figura 1 ilustra uma curva de potência de operação típica para uma turbina eólica; - a Figura 2 ilustra curvas de velocidade de torque que ilustram as curvas de operação diferentes entre a demanda de torque baixa e a demanda de torque alta; - a Figura 3 é uma vista em perspectiva de uma turbina eólica de acordo com uma realização da presente invenção; - a Figura 4 ilustra uma vista em perspectiva interna de uma nacela de uma turbina eólica de acordo com uma realização da presente invenção; - a Figura 5 ilustra um diagrama esquemático de uma realização de componentes adequados que podem ser incluídos dentro de um controlador de uma turbina eólica de acordo com a presente invenção; - a Figura 6 ilustra um fluxograma de uma realização de um método para aumentar a produção de potência de uma turbina eólica na região de velocidade de vento variável da curva de potência de acordo com a presente invenção; - a Figura 7 ilustra um gráfico de uma realização de torque (eixo geométrico y) versus a TSR (eixo geométrico x) de acordo com a presente invenção; - a Figura 8 ilustra múltiplos gráficos de velocidade de vento, modo e alvo de TSR versus o tempo de acordo com a presente invenção; - a Figura 9 ilustra um fluxograma de uma realização de um método para operar uma turbina eólica com base em uma razão de velocidade de ponta variável de acordo com a presente invenção; - a Figura 10 ilustra um gráfico de velocidade de vento e a TSR real versus o tempo, que ilustra particularmente vários benefícios de operar a turbina eólica com uma TSR variável, de acordo com a presente invenção; - a Figura 11 ilustra um gráfico de velocidade de vento e toque de gerador versus o tempo, que ilustra particularmente vários benefícios de operar a turbina eólica com um valor de torque de TSR variável, de acordo com a presente invenção; - a Figura 12 ilustra um gráfico de velocidade e potência de vento versus o tempo, que ilustra particularmente vários benefícios de operar a turbina eólica com um nível de potência de TSR variável, de acordo com a presente invenção; - a Figura 13 ilustra um gráfico de velocidade de vento e ângulo de inclinação versus o tempo, que ilustra particularmente vários benefícios de operar a turbina eólica com um ângulo de inclinação de TSR variável, de acordo com a presente invenção; e - a Figura 14 ilustra um gráfico de velocidade de vento e velocidade de gerador versus o tempo, que ilustra particularmente vários benefícios de operar a turbina eólica com uma velocidade de gerador de TSR variável, de acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[021] Agora, será feita referência detalhadamente às realizações da invenção, da qual um ou mais exemplos são ilustrados nos desenhos. Cada exemplo é fornecido a título de explicação da invenção, não como limitação da invenção. De fato, ficará evidente para técnicos no assunto que várias modificações e variações podem ser feitas na presente invenção sem se afastar do escopo da invenção. Por exemplo, os recursos ilustrados ou descritos como parte de uma realização podem ser usados com outra realização para gerar ainda outra realização. Portanto, a presente invenção é destinada a abranger tais modificações e variações, conforme incluídas no escopo das reivindicações anexas e seus equivalentes.

[022] Em geral, a presente invenção é direcionada a um sistema e método para operar uma turbina eólica a fim de aumentar a produção de potência através do uso de um controle de razão de velocidade de ponta variável. Tipicamente, um controlador de turbina eólica usa um alvo de razão de velocidade de ponta (TSR) fixo para computar a velocidade da turbina desejada. Em alguns casos, entretanto, uma turbina pode alcançar a saturação de torque antes da saturação de velocidade e, dessa forma, começar a inclinar para controlar a velocidade. Dessa forma, a turbina eólica pode perder potência na região de velocidade de vento variável da curva de potência. Adicionalmente, para alguns esquemas de controle de ativação, o controlador pode receber um alvo de TSR externo mais baixo que a TSR para operação normal. A TSR mais baixa leva a uma atividade de inclinação e perda de potência ainda mais precoce (e pode levar também a uma saturação de torque precoce inexistente anteriormente).

[023] Consequentemente, o controlador de turbina eólica da presente invenção é configurado para ignorar um alvo de TSR externo e manter o alvo de TSR normal quando se alcança essa área de saturação de torque. Além disso, o controlador da presente invenção trata quaisquer casos de atividade de inclinação precoce devido à saturação de torque antes da de velocidade quando se usa o alvo de TSR normal e fixo através da permissão que o alvo de TSR aumente para valores acima do normal quando a saturação de torque for alcançada. Por exemplo, em uma realização, o controlador define a primeira e a segunda regiões de operação em que cada região é associada a uma faixa saturada e insaturada de torque. Dessa forma, o controlador é configurado para operar a turbina eólica ao longo de um limite de restrição de torque da primeira e da segunda regiões de operação através do ajuste contínuo de um ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta da turbina eólica.

[024] As várias realizações do sistema e do método descritos no presente documento fornecem várias vantagens não presentes no estado da técnica. Por exemplo, conforme mencionado, a presente invenção fornece uma produção de potência melhorada na região de velocidade de vento variável da curva de potência. Dessa forma, parques eólicos e/ou turbinas eólicas operadas de acordo com a presente invenção fornecem um aumento geral na produção de energia anual (AEP) quando comparados a sistemas do estado da técnica.

[025] Agora, em referência aos desenhos, a Figura 3 ilustra uma vista em perspectiva de uma realização de uma turbina eólica 10. Conforme mostrado, a turbina eólica 10 inclui uma torre 12 que se estende a partir de uma superfície de sustentação 14, uma nacela 16 montada na torre 12 e um rotor 18 acoplado à nacela 16. O rotor 18 inclui um cubo giratório 20 e pelo menos uma lâmina de rotor 22 acoplada ao cubo 20 e que se estende para fora a partir do mesmo. Por exemplo, na realização ilustrada, o rotor 18 inclui três lâminas de rotor 22. Entretanto, em uma realização alternativa, o rotor 18 pode incluir mais ou menos que três lâminas de rotor 22. Cada lâmina de rotor 22 pode ser espaçada ao redor do cubo 20 para facilitar girar o rotor 18 para permitir que energia cinética seja transferida a partir do vento em energia mecânica utilizável e, subsequentemente, energia elétrica. Por exemplo, o cubo 20 pode ser acoplado de forma giratória a um gerador elétrico 24 (Figura 4) posicionado dentro da nacela 16 para permitir que energia elétrica seja produzida.

[026] Agora em referência à Figura 4, uma vista simplificada interna de uma realização da nacela 16 da turbina eólica 10 é ilustrada. Conforme mostrado, um gerador 24 pode estar disposto dentro da nacela 16. Em geral, o gerador 24 pode ser acoplado ao rotor 18 da turbina eólica 10 para gerar potência elétrica a partir da energia giratória gerada pelo rotor 18. Por exemplo, o rotor 18 pode incluir um eixo de rotor principal 40 acoplado ao cubo 20 para girar com o mesmo. O gerador 24 pode, então, ser acoplado ao eixo de rotor 40 de modo que a rotação do eixo de rotor 40 acione o gerador 24. Por exemplo, na realização ilustrada, o gerador 24 inclui um eixo de gerador 42 acoplado de modo giratório ao eixo de rotor 40 através de uma caixa de engrenagens 44. Entretanto, em outras realizações, deve-se compreender que o eixo de gerador 42 pode ser acoplado de modo giratório diretamente ao eixo de rotor 40. Alternativamente, o gerador 24 pode ser acoplado diretamente de modo giratório ao eixo de rotor 40 (frequentemente chamado de uma “turbina eólica de acionamento direto”). Deve-se compreender que o eixo de rotor 40 pode, em geral, ser sustentado dentro da nacela por um quadro de suporte ou por uma placa de apoio 46 posicionada no topo da torre de turbina eólica 12.

[027] Conforme mostrado nas Figuras 3 e 4, a turbina eólica 10 pode incluir também um sistema de controle de turbina ou um controlador de turbina 26 centralizados dentro da nacela 16. Por exemplo, conforme mostrado, o controlador de turbina 26 é disposto dentro de uma cabine de controle 52 montada em uma porção da nacela 16. Entretanto, deve ser compreendido que o controlador de turbina 26 pode ser disposto em qualquer local sobre ou na turbina eólica 10, em qualquer local na superfície de sustentação 14 ou, em geral, em qualquer local.

[028] O controlador de turbina 26 pode, em geral, ser configurado para controlar os vários modos de operação (por exemplo, sequências de inicialização ou desligamento) e/ou componentes da turbina eólica 10. Por exemplo, o controlador 26 pode ser configurado para controlar a inclinação de lâmina ou o ângulo de inclinação de cada uma das lâminas de rotor 22 (isto é, um ângulo que determina uma perspectiva das lâminas de rotor 22 em relação à direção 28 do vento) para controlar, por fim, a saída de potência da turbina eólica 10. Mais especificamente, o controlador 26 pode controlar o ângulo de inclinação das lâminas de rotor 22, tanto individualmente quanto simultaneamente, através da transmissão de sinais/comandos de controle adequados para as várias unidades de inclinação ou mecanismos de ajuste de inclinação 32 (Figura 4) da turbina eólica 10. Especificamente, as lâminas de rotor 22 podem ser montadas de modo giratório no cubo 20 por um ou mais mancais de inclinação (não ilustrados) de modo que o ângulo de inclinação possa ser ajustado através da rotação das lâminas de rotor 22 ao redor de seus eixos geométricos de inclinação 34 com o uso dos mecanismos de ajuste de inclinação 32. O controlador 26 pode ser também acoplado de forma comunicativa ao(s) mecanismo(s) de acionamento de guinada 38 da turbina eólica 10 para controlar e/ou alterar a direção de guinada da nacela 16 em relação à direção 28 (Figura 3) do vento.

[029] Além disso, o controlador de turbina 26 pode ser configurado para controlar o torque do gerador 24. Por exemplo, o controlador 26 pode ser configurado para transmitir os sinais/comandos de controle para o gerador 24 a fim de modular o fluxo magnético produzido dentro do gerador 24, ajustando, dessa forma, a demanda de torque no gerador 24. Deve ser entendido adicionalmente que o controlador 26 pode ser um controlador singular ou pode incluir vários componentes, tais como controladores de inclinação e/ou controladores de guinada, que se comunicam com um controlador central para controlar especificamente a inclinação e a guinada, conforme discutido.

[030] Agora em referência à Figura 5, existe um diagrama de blocos ilustrado de uma realização de componentes adequados que podem ser incluídos dentro do controlador de turbina 26 de acordo com os aspectos da presente invenção. Conforme mostrado, o controlador 26 pode incluir um ou mais processador(es) 60 que contêm um estimador de parâmetro de turbina eólica 68 e/ou dispositivo(s) de memória associado(s) 62 configurado(s) para executar uma variedade de funções implantadas por computador (por exemplo, executar os métodos, as etapas, os cálculos e similares revelados no presente documento). Adicionalmente, o controlador 26 pode incluir também um módulo de comunicações 64 para facilitar as comunicações entre o controlador 26 e os vários componentes da turbina eólica 10. Por exemplo, o módulo de comunicações 64 pode servir como uma interface para permitir que o controlador de turbina 26 transmita sinais de controle para cada mecanismo de ajuste de inclinação 32 para controlar o ângulo de inclinação e as lâminas de rotor 22. Além disso, o módulo de comunicações 64 pode incluir uma interface de sensor 66 (por exemplo, um ou conversores de analógico para digital) para permitir que sinais de entrada transmitidos a partir de, por exemplo, vários sensores 80, 82, 84, 86, 88 da turbina eólica 10, sejam convertidos em sinais que possam ser compreendidos e processados pelos processadores 60. Deve ser compreendido que os sensores 80, 82, 84, 86 e 88 podem ser comunicativamente acoplados ao módulo de comunicações 64 com o uso de quaisquer meios adequados. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 5, os sensores 80, 82, 84, 86, 88 são acoplados à interface do sensor 66 através de uma conexão com fio. Entretanto, em outras realizações, os sensores 80, 82, 84, 86, 88 podem ser acoplados à interface do sensor 66 através de uma conexão sem fio, tal como através do uso de qualquer protocolo de comunicações sem fio adequado conhecido na técnica.

[031] Em certas realizações, o estimador de parâmetro de turbina eólica 68 é configurado para receber os sinais a partir de um ou mais sensores 80, 82, 84, 86, 88 que s]ao representativos de várias condições de operação da turbina eólica 10. As condições de operação pode consistir em qualquer combinação dos seguintes: uma velocidade de vento, um ângulo de inclinação, uma velocidade de gerador, uma saída de potência, uma saída de torque, uma temperatura, uma pressão, uma razão de velocidade de ponta, uma densidade de ar, uma velocidade de rotor, um coeficiente de potência, um coeficiente de torque, um coeficiente de impulso, um impulso, uma resposta de impulso, um momento de flexão de lâmina, um momento de flexão de eixo, um momento de flexão de torre, uma resposta de velocidade ou similares. Além disso, o estimador de parâmetro de turbina eólica 68 pode ser considerado um software que usa as condições de operação para calcular, em tempo real, vários parâmetros da turbina eólica 10. Adicionalmente, o estimador de parâmetro de turbina eólica 68 pode incluir um firmware que inclui o software, que pode ser executado pelo processador 60.

[032] Consequentemente, em uma realização, o estimador de parâmetro de turbina eólica 68 é configurado para implantar um algoritmo de controle que tem uma série de equações para determinar vários parâmetros. Dessa forma, as equações são resolvidas com o uso de uma ou mais condições de operação, um ou mais mapas de execução aerodinâmicos, uma ou mais tabelas de consulta (LUTs) ou qualquer combinação dos mesmos. Em uma realização, por exemplo, os mapas de execução aerodinâmicos são tabela dimensionais ou não dimensionais que descrevem o carregamento e a execução de rotor (por exemplo, potência, impulso, torque ou um momento de flexão, ou similares) sob dadas condições (por exemplo, densidade, velocidade de vento, velocidade de rotor, ângulos de inclinação ou similares). Dessa forma, os mapas de execução aerodinâmicos podem incluir: um coeficiente de potência, um coeficiente de impulso, um coeficiente de torque, e/ou derivados parciais em relação ao ângulo de inclinação, à velocidade de rotor ou à razão de velocidade de ponta. Alternativamente, os mapas de execução aerodinâmicos podem ser potência, impulso e/ou valores de torque dimensionais em vez de coeficientes. Em várias realizações, as LUTs podem incluir: parâmetros de execução aerodinâmicos, carga de flexão de lâmina, carga de flexão de torre, carga de flexão de eixo ou qualquer outra carga componente de turbina.

[033] Conforme usado no presente documento, o termo “processador” se refere não apenas a circuitos integrados denominados na técnica como sendo incluídos em um computador, mas também se refere a um controlador, um microcontrolador, um microcomputador, um controlador de lógica programável (PLC), um circuito integrado específico de aplicação, uma unidade de processamento de gráficos (GPUs) e/ou outros circuitos programáveis agora conhecidos ou desenvolvidos posteriormente. Adicionalmente, o(s) dispositivo(s) de memória 62 pode(m) geralmente compreender elemento(s) de memória que inclui(em), porém sem limitação, o meio legível por computador (por exemplo, memória de acesso aleatório (RAM)), meio não volátil legível por computador (por exemplo, uma memória flash), um disco flexível, um disco compacto de memória de somente de leitura (CD-ROM), um disco óptico-magnético (MOD), um disco digital versátil (DVD) e/ou outros elementos de memória adequados. Tal(tais) dispositivo(s) de memória 62 podem, em geral, ser configurados para armazenar instruções legíveis por computador adequadas que, quando implantadas pelo(s) processador(es) 60, configurem o controlador 26 para executar várias funções conforme descrito no presente documento.

[034] Novamente em referência à Figura 4, os sensores 80, 82, 84, 86, 88, conforme descrito no presente documento, podem incluir sensores de lâmina 88, por exemplo, para medir um ângulo de inclinação de uma das lâminas de rotor 22; sensores de gerador 84 para monitorar o gerador 24 (por exemplo, torque, velocidade, aceleração e/ou a saída de potência); sensores de eixo 86, por exemplo, para medir a velocidade de rotor; sensores de torre 82; e/ou vários sensores de vento 80 para medir vários parâmetros de vento, tais como velocidade de vento, picos de vento, turbulência de vento, deslocamento de vento, mudanças na direção de vento, densidade de ar ou similares. Além disso, os sensores 80, 82, 84, 86, 88 podem ser localizados próximo ao solo das turbinas eólica 10, na nacela 16 ou em um mastro meteorológico da turbina eólica 10. Além disso, deve ser compreendido que qualquer outro número ou tipos de sensores podem ser usados e em qualquer local. Por exemplo, os sensores podem ser Unidades de Medição Inercial Micro (MIMUs), extensômetros, acelerômetros, sensores de pressão, sensores de ângulo de ataque, sensores de vibração, sensores de Detecção e Medição de Luz (LIDAR), sistemas de câmera, sistemas de fibra óptica, anemômetros, palhetas de vento, barômetros, sensores de Detecção de Medição Sônicos (SODAR), infralasers, radiômetros, tubos de Pitot, radiossondas, outros sensores ópticos e/ou quaisquer outros sensores adequados.

[035] Deve ser compreendido que, conforme usado no presente documento, o termo "monitorar" e variações do mesmo indicam que os vários sensores 80, 82, 84, 86, 88 podem ser configurados para fornecer uma medição direta dos parâmetros que são monitorados ou uma medição indireta de tais parâmetros. Dessa forma, os sensores 80, 82, 84, 86, 88 podem, por exemplo, ser usados para gerar sinais relacionados aos parâmetros que são monitorados, os quais podem ser usados pelo controlador 26 para determinar o parâmetro real.

[036] Agora em referência à Figura 6, um fluxograma de uma realização de um método 300 para melhorar a produção de potência de uma turbina eólica 10 é ilustrado. Conforme mostrado em 302, o método 300 inclui definir uma primeira região de operação associada a uma faixa de torque insaturada. Em 304, o método 300 inclui definir uma segunda região de operação associada a uma faixa de torque saturada. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 7, a faixa de torque insaturada da primeira região de operação 309 inclui valores de torque menores que um limite de restrição de torque 312 da turbina eólica 10, enquanto a faixa de torque saturada da segunda região de operação 310 inclui valores de torque iguais ou maiores que o limite de restrição de torque 312 da turbina eólica 10. Mais especificamente, o limite de restrição de torque 312 da Figura 7 ilustra uma superfície de modo de deslizamento genérico (por exemplo, s(x) = 0), em que os eixos são x1, x2, ... xn, em que x = [x1, x2, ... xn] é um vetor. Dessa forma, a segunda região de operação 310 inclui x valores para os quais o derivado de TSR, denominado TSR’, em relação ao tempo é maior que zero (isto é, TSR’>0) e a primeira região de operação 309 inclui x valores para os quais TSR’ é menor que zero (isto é, TSR’<0). Adicionalmente, as setas ao longo do limite de restrição de torque 312 indicam o movimento devido ao TSR’ escolhido, com a trajetória resultante 314 que representa o movimento real alcançado através da comutação dos valores de TSR’.

[037] Em 306, o método 300 inclui monitorar uma saída de torque da turbina eólica 10, por exemplo, através de um ou mais sensores 80, 82, 84, 86, 88. Além disso, em 308, o método 300 inclui ajustar continuamente um ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta da turbina eólica 10 a fim de operar a turbina eólica 10 ao longo de um limite de restrição de torque 312 da primeira e da segunda regiões de operação 309, 310. Mais especificamente, em certas realizações, o método 300 pode incluir aumentar o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta quando a saída de torque da turbina eólica 10 estiver dentro da segunda região de operação 310 (isto é, o torque é saturado) e diminuir o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta quando a saída de torque da turbina eólica 10 estiver dentro da primeira região de operação 309 (isto é, o torque é insaturado). Por exemplo, o limite de restrição de torque 312 pode ser escolhido com base em quando a turbina eólica 10 começa a inclinar uma ou mais das lâminas de rotor 22. Em realizações adicionais, o limite de restrição de torque 312 pode ser determinado através da medição do torque e da comparação do mesmo a um limite de torque máximo. Conforme usado no presente documento, o ponto de saturação de torque ocorre quando uma saída de torque da turbina eólica 10 alcança um torque nominal sem quaisquer outras condições (por exemplo, ponto 4 da Figura 2).

[038] Dessa forma, em certas realizações, o controlador 26 é configurado para operar a turbina eólica 10 de acordo com um ponto de ajusta de TSR mais baixo enquanto a saída de torque é insaturada. Similarmente, enquanto a saída de torque é saturada, o controlador 26 é configurado para usar um ponto de ajusta de TSR mais alto. Por exemplo, em certas realizações, o controlador 26 detecta se uma ou mais lâminas precisam ser movidas para uma posição embandeirada e, então, permite que a velocidade de gerador da turbina eólica 10 aumente através do aumento do alvo de TSR, o que aumenta o ponto de ajuste de potência. O controlador 26, então, mantém as lâminas 22 em uma inclinação precisa (em vez de inclinar como o mesmo iria sem o aumento de TSR). Nesse momento, o controlador 26 comuta modos e diminui a TSR a fim de reduzir o ponto de ajuste de potência. O controlador 26 detecta novamente que uma ou mais lâminas 22 precisam ser movidas para o estado embandeirado e continua a operar dessa forma através do movimento ao longo do limite de restrição de toque de saturação/insaturação ou a oscilação do mesmo 312.

[039] Por exemplo, conforme mostrado na Figura 8, múltiplos gráficos de uma realização de velocidade de vento, de comutação de modo e de alvo de TSR variável versus o tempo, respectivamente, são ilustrados. Conforme mostrado, o gráfico ilustra quando a turbina eólica 10 está detectando saturação (isto é, quando o controlador 26 comuta modo para um modo de inclinação e de volta a um modo de inclinação preciso). Mais especificamente, a linha 350 ilustra o alvo de TSR que o controlador 26 está tentando alcançar, que ilustra particularmente como o alvo vai para cima e para baixo conforme a turbina 10 é saturada/insaturada (isto é, modos de comutação). Além disso, a linha 352 ilustra a comutação de modo da turbina eólica 10 e a linha 354 ilustra a velocidade de vento, que pode ser medida através de um ou mais sensores ou calculada através do controlador 26.

[040] Em certas realizações, se a turbina eólica 10 já estiver operando em uma velocidade máxima de rotor ou de gerador em saturação de torque, um aumento na TSR terá pouco ou nenhum efeito. Em tais realizações, o controlador 26 é configurado para limitar o aumento na TSR como uma função da velocidade máxima e do torque máximo.

[041] Em realizações adicionais, o controlador 26 pode determinar o limite 312 da primeira e da segunda regiões de operação 309, 310 com base em quando a turbina eólica 10 comuta modos de operação. Por exemplo, em certas realizações, comutar modos de operação pode ser definido por inclinar uma ou mais lâminas de rotor 22 da turbina eólica 10. Dessa forma, em certas realizações, quando a turbina eólica 10 alcança o limite de restrição de torque 312 e começa a inclinar, o controlador 26 é configurado para ajustar continuamente o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta sempre que o modo muda.

[042] Dessa forma, o controlador 26 é configurado para operar a turbina eólica 10 através do deslizamento ao longo do limite de torque saturado 312. Mais especificamente, em certas realizações, o controlador 26 é configurado para operar a turbina eólica 10 através do uso do controle de modo de deslizamento. Conforme usado no presente documento, o controle de modo de deslizamento é a um método de controle não linear que altera a dinâmica do sistema da turbina eólica através da aplicação de um sistema de controle descontínuo que força o sistema a deslizar ao longo de uma seção transversal de do comportamento normal do sistema. Dessa forma, o controlador 26 é configurado para aumentar a TSR quando a turbina eólica 10 está operando acima do torque nominal e diminuir a TSR quando a turbina eólica 10 está operando abaixo do torque nominal.

[043] Agora em referência à Figura 9, um fluxograma de uma realização de um método 400 para operar a turbina eólica 10 com base em uma razão de velocidade de ponta variável é ilustrado. Conforme mostrado em 402, o método 400 inclui determinar, através do processador 60, um ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta inicial para a turbina eólica 10. Em 404, o método 400 inclui monitorar, através de um ou mais sensores 80, 82, 84, 86, 88, uma saída de torque da turbina eólica 10. Em 406, o método 400 inclui ajustar continuamente o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta da turbina eólica 10 com base na saída de torque a fim de maximizar uma saída de potência da turbina eólica 10.

[044] Agora, com referência às Figuras 10 a 14, vários gráficos que ilustram as vantagens de operar a turbina eólica com base no controle de TSR variável de acordo com a presente invenção são ilustrados. Mais especificamente, os gráficos ilustram a velocidade de vento versus o tempo plotados contra uma pluralidade de condições de operação de turbina eólica versus o tempo, denominada TSR (Figura 10), saída de torque (Figura 11), saída de potência (Figura 12), ângulo de inclinação (Figura 13) e velocidade de gerador (Figura 14). Conforme mostrado em geral nas Figuras 10 a 14, a linha 500 ilustra a velocidade de vento para a turbina eólica 10.

[045] Mais especificamente, conforme mostrado na Figura 10, para velocidades de vento baixas, a TSR variável 506 corresponde à TSR mais baixa 510. Além disso, para velocidades de vento altas, a TSR variável 506 corresponde à TSR mais alta508 com uma região de transição 502 em que a TSR aumenta (isto é, desliza) ao longo do limite de torque saturado. Conforme mostrado na Figura 11, para velocidades de vento mais baixas, o valor de torque de TSR variável 606 corresponde ao valor de torque de TSR mais baixo 610 (isto é, o torque satura precocemente). Para velocidades de vento altas, o valor de torque de TSR variável 606 corresponde ao valor de torque de TSR mais alto 608 com uma região de transição 602 em que o valor de torque de TSR está aumentando.

[046] Conforme mostrado na Figura 12, para velocidades de vento mais baixas, o nível de potência de TSR variável 706 corresponde tanto ao nível de potência de TSR mais baixo 710 quanto ao nível de potência de TSR mais alto 708. Para velocidades de vento altas, entretanto, o nível de potência de TSR variável 706 corresponde ao nível de potência de TSR mais alto 708 com uma região de transição 602, em que o nível de potência de TSR está aumentando. Além disso, conforme mostrado para velocidades de vento altas, o nível de potência de TSR variável é mais alto que o nível de potência de TSR mais baixo 710. Dessa forma, através do ajuste da TSR de acordo com a presente invenção, a produção de potência é melhorada na região de velocidade de vento variável da curva de potência.

[047] Em referência à Figura 13, para velocidades de vento baixas, o ângulo de inclinação variável 806 corresponde aos ângulos de inclinação de TSR mais baixo e mais alto 808, 810 e todos os ângulos estão em inclinação precisa. Para velocidades de vento altas, o ângulo de inclinação de TSR mais baixo 810 tem um ângulo de inclinação mais alto que é o que a presente invenção tenta evitar. Dessa forma, o ângulo de inclinação de TSR variável 806 corresponde ao ângulo de inclinação de TSR mais alto 808 durante velocidades de vento altas. Conforme mostrado na Figura 14, a velocidade de gerador de TSR variável 906 é ilustrada como comparada à velocidade de gerador de TSR mais baixa 910 e à velocidade de gerador de TSR mais alta 908.

[048] Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, o que inclui o melhor modo e, também, para permitir que qualquer técnico no assunto pratique a invenção, o que inclui fazer e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e executar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorram aos técnicos no assunto. Tais outros exemplos são destinados a estar dentro do escopo das reivindicações caso os mesmos incluam elementos estruturais que não difiram da linguagem literal das reivindicações ou caso os mesmos incluam elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais das linguagens literais das reivindicações. LISTA DE COMPONENTES

Claims

1. MÉTODO (300, 400) PARA OPERAR UMA TURBINA EÓLICA (10) a fim de aumentar a produção de potência, caracterizado por compreender: definir (302) uma primeira região de operação (309) associada a uma faixa de torque insaturada; definir (304) uma segunda região de operação (310) associada a uma faixa de torque saturada; monitorar (306) uma saída de torque da turbina eólica (10); e ajustar (308) continuamente um ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta da turbina eólica (10) com base na saída de torque em uma região de velocidade de vento variável de uma curva de potência da turbina eólica, a fim de operar a turbina eólica (10) ao longo de um limite de restrição de torque (312) da primeira e da segunda regiões de operação (309, 310), em que ajustar (308) continuamente o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta da turbina eólica (10) compreende adicionalmente diminuir o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta quando a saída de torque da turbina eólica (10) estiver dentro da primeira região de operação (309).

2. MÉTODO (300, 400), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ajustar (308) continuamente o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta da turbina eólica (10) compreende adicionalmente aumentar o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta quando a saída de torque da turbina eólica (10) estiver dentro da segunda região de operação (310).

3. MÉTODO (300, 400), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado por compreender adicionalmente determinar o limite de restrição de torque (312) da primeira e da segunda regiões de operação (309, 310) com base em quando a turbina eólica (10) comuta modos de operação.

4. MÉTODO (300, 400), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por comutar modos de operação compreende adicionalmente inclinar uma ou mais lâminas de rotor (22) da turbina eólica (10).

5. MÉTODO (300, 400), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pela faixa de torque saturada ocorrer quando a saída de torque da turbina eólica (10) alcança um torque nominal da turbina eólica (10).

6. MÉTODO (300, 400), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pela faixa de torque insaturada compreender valores de torque menores que o limite de restrição de torque (312) da turbina eólica (10).

7. MÉTODO (300, 400), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pela faixa de torque saturada compreender valores de torque iguais ou maiores que o limite de restrição de torque (312) da turbina eólica (10).

8. MÉTODO (300, 400), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por compreender adicionalmente filtrar o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta.

9. MÉTODO (300, 400), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por ajustar (308) continuamente o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta da turbina eólica (10) compreende adicionalmente usar um controle de modo de deslizamento.

10. SISTEMA PARA AUMENTAR A PRODUÇÃO DE POTÊNCIA DE UMA TURBINA EÓLICA (10), caracterizado por compreender: um ou mais sensores (80, 82, 84, 86, 88) configurados para monitorar uma saída de torque da turbina eólica (10); um controlador (26) acoplado de forma comunicativa a um processador (60), em que o processador (60) é configurado para executar uma ou mais operações, em que as operações compreendem: definir uma primeira região de operação (309) associada a uma faixa de torque insaturada; definir uma segunda região de operação (310) associada a uma faixa de torque saturada; ajustar continuamente um ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta da turbina eólica (10) com base na saída de torque em uma região de velocidade de vento variável de uma curva de potência da turbina eólica (10), a fim de operar a turbina eólica (10) ao longo de um limite de restrição de torque (312) da primeira e da segunda regiões de operação (309, 310), em que ajustar continuamente o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta da turbina eólica (10) compreende adicionalmente diminuir o ponto de ajuste da razão de velocidade de ponta quando a saída de torque da turbina eólica (10) estiver dentro da primeira região de operação (309).