BR112012009619B1 - Método de operação de uma turbina eólica de velocidade variável e turbina eólica de velocidade variável - Google Patents
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Abstract
métodos de controle de turbina eólica para melhorar a produção de energia. método de operação de uma turbina eólica de velocidade variável (11) que tem meios de controle para a sua regulação que rastreiam uma curva de potência vs. velocidade de gerador (31) compreendendo uma zona nominal (39) onde é mantida constante a um valor nominal, uma primeira zona sub-nominal (35) onde tanto a velocidade de gerador como a potência são permitidas que aumentem/diminuam em linha com a velocidade do vento e uma terceira zona-nominal (37) entre a segunda zona sub-nominal (35) e a zona nominal (39) que compreende um primeiro segmento vertical (41) a uma velocidade de gerador nr2 mais alta que a velocidade nominal de gerador nr1 e um segundo segmento vertical (43) à velocidade nominal de gerador nr1 conectado com a zona nominal (39), cada um de ambos os segmentos (41, 43) sendo seguidos em função de mudanças da velocidade do vento para otimizar a produção de energia.
Description
[0001] A invenção se refere a métodos de controle de turbine eólica de velocidade variável e, em particular, a métodos de controle de turbina eólica de velocidade variável para melhorar a produção de energia.
[0002] Turbinas eólicas são dispositivos que convertem energia mecânica a energia elétrica. Uma turbina eólica típica inclui uma nacela montada em um alojamento de torre um sistema de direção para transmitir a rotação de um rotor a um gerador elétrico e outros componentes tais como um mecanismo de orientação que gira a turbina eólica, diversos controladores e um freio. O rotor suporta um número de pás que se estendem radialmente a partir do mesmo para capturar a energia cinética do vento e provocando o movimento rotacional do sistema de direção. As pás do rotor têm uma forma aerodinâmica tal que quando um vento sopra através da superfície da pá, um empuxo é gerado causando a rotação de um eixo que é conectado, diretamente ou através de uma disposição de engrenagem, ao gerador elétrico localizado dentro da nacela. A quantidade de energia produzida pelas turbinas eólicas é dependente da superfície que varre a pá do rotor que recebe a ação do vento e consequentemente aumentando o comprimento das pás leva normalmente a um aumento da produção de potência da turbina eólica.
[0003] Sob conhecidos métodos de controle e sistemas a potência produzida por uma turbina eólica aumenta com a velocidade do vento até que uma produção de potência nominal calculada é alcançada e então é mantida constante. Isto é feito regulando a ação de passagem de engrenagem das pás de modo que o ângulo de passo da pá do rotor é mudado a um ângulo menor de ataque com a finalidade de reduzir a captura de potência e a um ângulo maior de ataque para aumentar a captura de potência. Portanto, a velocidade de gerador, e consequentemente, a produção de potência pode ser mantida relativamente constante com velocidades de vento crescentes.
[0004] Como é bem conhecido a limitação da velocidade rotacional de turbinas eólicas implica uma limitação das cargas da turbina eólica e também uma limitação da energia eólica capturada com respeito à energia eólica disponível. Então, a indústria de energia eólica está demandando permanentemente métodos melhorados de controle de turbina eólica para otimizar sua eficiência.
[0005] Existem diversos métodos conhecidos que tratam de dita demanda. Um deles é revelado no documento US 2007/0154311: um método para torque e controle de passo de acordo com a velocidade rotacional para distribuir uma maior produção.
[0006] Esta invenção trata da atenção da mesma demanda de evitar os inconvenientes da técnica anterior conhecida.
[0007] É um objeto da presente invenção proporcionar turbinas eólicas controladas pelos métodos de controle que permitem a optimização da produção de energia.
[0008] É outro objeto da presente invenção proporcionar métodos de controle de turbina eólica adaptados para otimizar a produção de energia nas zonas de curva de potência ao redor da velocidade nominal de gerador.
[0009] Em um aspecto, estes e outros objetos são conseguidos proporcionando um método de controlar a operação de uma turbina eólica de velocidade variável, que rastreiam uma curva de potência vs. velocidade de gerador compreendendo uma zona nominal onde a potência é mantida constante a um valor nominal, uma primeira zona subnominal onde a velocidade de gerador é mantida constante no seu valor de acoplamento, uma segunda zona subnominal onde tanto a velocidade de gerador como a potência são permitidas que aumentem/diminuam em linha com a velocidade do vento e uma terceira zona subnominal entre a segunda zona subnominal e a zona nominal compreendendo um primeiro segmento vertical a uma velocidade de gerador nr2 mais alta que a velocidade nominal de gerador nr1 e um segundo segmento vertical à velocidade nominal de gerador nr1 conectando com a zona nominal, cada um de ambos os segmentos sendo seguidos em função das mudanças da velocidade do vento para otimizar a produção de energia.
[00010] Em uma modalidade preferida, a velocidade de gerador nr2 está compreendida em uma faixa de 85 % - 95 % da velocidade de gerador máxima nout. Pela presente invenção é conseguido um método de controle que otimiza a produção de energia mantendo uma margem de segurança entre a velocidade operacional de gerador e a velocidade de autoproteção do conversor.
[00011] Em outra modalidade preferida dito primeiro segmento vertical e o dito segundo segmento vertical têm, respectivamente, pontos superior e inferior C, E nos dois valores pré-determinados de potência P1, P2 definindo os caminhos C-D; E-F a serem seguidos entre os mesmos. Pela presente invenção é conseguido um método de controle que otimiza a produção de energia minimizando as desvantagens associadas ao uso dos ditos primeiro e segundo segmentos verticais.
[00012] Em outra modalidade preferida, o dito valor de potência P1 está compreendido em uma faixa de 85 % - 95 % do valor de potência nominal. Pela presente invenção é conseguido um método de controle que otimiza a produção de energia minimizando as desvantagens associadas a altos torques e altas velocidades angulares.
[00013] Em outra modalidade preferida, o dito valor de potência P2 está compreendida em uma faixa de 110 %Pi - 90 %P1, sendo Pi o valor da potência no ponto de interseção I entre a segunda zona subnominal e uma linha vertical na velocidade nominal de gerador nr1. Pela presente invenção é conseguido um método de controle que otimiza a produção de energia minimizando os inconvenientes associados a carregamento de fatiga.
[00014] Em outro aspecto os objetos mencionados anteriormente são conseguidos proporcionando uma turbina eólica de velocidade variável controlada pelo método mencionado anteriormente. Em uma modalidade preferida, o gerador de turbina eólica é um gerador de indução duplamente alimentado. Pela presente invenção é conseguida uma maneira de melhorar a produção de energia de muitas turbinas eólicas já instaladas.
[00015] Outras características e vantagens da presente invenção serão entendidas a partir da seguinte descrição detalhada em relação com os desenhos anexos.
[00016] A Figura 1 mostra esquematicamente os componentes principais de uma turbina eólica.
[00017] A Figura 2 mostra uma Curva de potência vs. velocidade de gerador técnica anterior usada para controlar uma turbina eólica de velocidade variável.
[00018] A Figura 3 mostra uma curva de potência vs. velocidade de gerador para controlar uma turbina eólica de velocidade variável de acordo com a presente invenção.
[00019] As Figuras 4-5 mostram Curvas de potência vs. velocidade de gerador de acordo com a presente invenção e com a técnica anterior usada em uma simulação para inclinações de vento uma ascendente e uma descendente.
[00020] As Figuras 6-7 mostram a curvas de velocidade de gerador vs. Velocidade do vento resultante em dita simulação.
[00021] As Figuras 8-9 mostram a curvas de potência vs. Velocidade do vento resultante em dita simulação.
[00022] A Figura 10 mostra curvas de potência média estimada aplicando o método de acordo com esta invenção e com dito método da técnica anterior.
[00023] Uma turbina eólica típica 11 compreende uma torre 13 que suporta uma nacela 18 que aloja um gerador 19 para a conversão da energia rotacional do rotor da turbina eólica em energia elétrica. O rotor da turbina eólica compreende um eixo da roda do rotor 15 e, tipicamente, três pás 17. O eixo da roda do rotor 15 é conectado diretamente ou através de um caixa de engrenagem ao gerador 19 da turbina eólica para transferir o torque gerado pelo rotor 15 ao gerador 19 e aumentar a velocidade do eixo com a finalidade de conseguir uma velocidade rotacional adequada do rotor do gerador.
[00024] A produção de potência a partir de uma turbina eólica moderna é tipicamente controlada por meio de um sistema de controle para regular o ângulo de passo das pás do rotor e o torque do gerador. A velocidade rotacional do rotor e a produção de potência da turbina eólica pode pela presente invenção ser inicialmente controlada, por exemplo, antes de uma transferência a uma rede elétrica através de um conversor.
[00025] O objetivo básico dos métodos de operação de turbinas eólicas de velocidade variável é conseguir uma operação na produção aerodinâmica ideal para tanto tempo quanto possível.
[00026] Como é conhecido, a energia cinética associada a uma corrente de vento depende da área varrida por essa corrente, de sua densidade e do cubo da velocidade do vento e é considerado que turbinas eólicas podem extrair até 59 % desta energia. Consequentemente, os inventores representam a capacidade de cada turbina eólica de se aproximar a este pelo denominado coeficiente de potência Cp que é determinado por suas características aerodinâmicas, particularmente pela sua razão de ponta-velocidade À que é definida como a relação entre a velocidade tangencial da ponta da pá e a velocidade do vento incidente. Se pode manter esta razão ao coeficiente de potência máximo Cp da turbina eólica de modo que a velocidade do rotor segue a velocidade do vento pode alcançar uma turbina eólica extremamente eficiente.
[00027] A estratégia de controle geralmente usada em turbinas eólicas de velocidade variável é baseada em ajustar eletricamente o torque do gerador para conseguir a produção máxima e isto é levado a cabo usando um controlador que recebe sinais que indicam a velocidade do gerador e a potência produzida pelo gerador e que proporciona um sinal de referência de torque ao conversor para obter a potência requerida.
[00028] Consequentemente, o controlador de turbina eólica usa uma curva que defines a relação funcional desejada entre a potência e a velocidade para conseguir uma produção ideal.
[00029] Para um melhor entendimento da presente invenção uma breve descrição de uma curva de potência vs. velocidade da técnica anterior 21 típica, mostrada na Figura 2, a seguir.
[00030] Esta curva compreende uma primeira zona subnominal 23 onde a velocidade do vento chega ao nível mínimo para iniciar a operação da turbina eólica. Nesta zona, o controle da turbina eólica é limitado uma vez que a turbina eólica pode não capturar a máxima energia. A segunda zona subnominal 25 corresponde a velocidades de vento na faixa de 4-8 m/s, onde a velocidade de gerador aumenta e a turbina está funcionando com coeficiente de potência Cp ótimo. A terceira zona subnominal 27 corresponde a velocidades de vento na faixa de 8-13 m/s onde a velocidade de gerador é mantida constante na velocidade nominal de gerador nr1 enquanto a potência aumenta até a potência nominal. Dentro desta zona o ângulo de passo é fixo e a velocidade de gerador é controlada via torque. À zona nominal 29 a operação da turbina eólica em carga total na potência nominal ocorre sob controle de passo para evitar sobrecargas.
[00031] A principal diferença entre a curva de potência 31 de acordo com a presente invenção, mostrada na Figura 3, e a curva de potência da técnica anterior 21 se refere à terceira zona subnominal 37 que compreende um primeiro segmento vertical 41, a uma velocidade de gerador nr2 mais alta que a velocidade nominal de gerador nr1, e um segundo segmento vertical 43 à velocidade nominal de gerador nr1 conectando com a zona nominal 39, com pontos correspondentes C; E nos ditos segmentos verticais 41, 43 nos dois valores pré-determinados de potência P1, P2 definindo os caminhos C->D; E->F para mudar as referências de velocidade de gerador entre os mesmos em função das mudanças da velocidade do vento que permite otimizar a produção de energia.
[00032] O objetivo para aumentar a velocidade rotacional e potência acima do valor da velocidade nominal na zona subnominal 37 é seguir a estratégia de produção ótima, isto é, manter os valores de À e ângulo de passo constante e igual aos que fazem o Cp máximo. Naquelas condições, a curva de potência tem a seguinte expressão em P P = K„„,Q3 condições quase estacionárias: opt .
[00033] Consequentemente, a evolução da operação da turbina eólica na dita zona subnominal 37 será a seguinte: - O primeiro segmento vertical de 41 começa no ponto B a uma velocidade de gerador nr2 mais alta que a velocidade nominal de gerador nr1. Portanto, quando a turbina eólica está operando em um ponto A na primeira zona subnominal 35, próxima à velocidade nominal de gerador nr1, a referência de velocidade de gerador é fixa ao valor nr2.- Se a velocidade do vento aumentar o ponto operacional é movido desde A a B. Portanto, ao invés de seguir um segmento vertical à velocidade nominal de gerador nr1 como na técnica anterior, a operação da turbina eólica continua evoluindo na estratégia de produção ótima.- Se a velocidade do vento continuar a aumentar, o ponto estabelecido operacional é movido desde B em direção a C ao longo do dito primeiro segmento vertical 41. Uma vez que a potência produzida alcance o limite superior predeterminado P1 a referência de velocidade de gerador é mudada ao segundo segmento vertical 43 assim o ponto estabelecido operacional é movido para D.- Uma vez que o estado operacional da turbina estiver em D, se a velocidade do vento continuar a aumentar o ponto operacional é movido para a zona nominal 39 ao longo do segundo segmento vertical 43. De outro modo, se a velocidade do vento diminuir o ponto operacional é movido ao longo do segundo segmento vertical em direção a 43 ponto E, no limite inferior P2.- Se o ponto operacional for em E e a velocidade do vento diminuir, a potência produzida irá debaixo do limite inferior P2, então a referência de velocidade de gerador é movida para o ponto F no primeiro segmento vertical 41.- Uma vez que o ponto operacional estiver em F, se a velocidade do vento aumentar evoluirá em direção a C e se a velocidade do vento diminuir evoluirá em direção a B ao longo do primeiro segmento vertical 41 em ambos os casos. - Se o ponto operacional estiver em B e a velocidade do vento diminuir evoluirá em direção a A na segunda zona subnominal 35.
[00034] O método considerado nesta invenção é implementado usando os meios disponíveis nos sistemas de controle de turbinas eólicas de velocidade variável. Estes sistemas de controle compreendem por um lado dispositivos para medição das variáveis relevantes tais como a aceleração da torre, velocidade do vento, velocidade de gerador ou a potência produzida em cada instante e por outro lado meios de processamento que permitem configurar as referências operacionais para a turbina eólica tal como o torque demandado pelo gerador.
[00035] As Figuras 4 e 5 mostram as curvas de Potência vs. Velocidade de gerador 31’, 31’’ resultando de uma simulação em um ambiente correspondente a uma máquina elétrica duplamente alimentada com um gerador que tem um par de polos para, respectivamente, uma rampa de velocidade do vento desde 4 m/s até 21 m/s durante 1000 s e uma rampa de velocidade do vento desde 21 m/s até 4 m/s aplicando o método de acordo com esta invenção e a curva 21 aplicando o método da técnica anterior mencionado anteriormente.
[00036] A velocidade de gerador valor nominal neste caso é nr1 = 1680 rpm. O valor de nr2 foi determinado deixando uma margem de segurança com respeito à velocidade de autoproteção do conversor (a velocidade de gerador máxima) nout = 1900 rpm neste caso, considerando as variações da velocidade de gerador que ocorrem enquanto está sendo controlada. Um valor de nr2 =1750 rpm foi usado, isto é, deixando uma margem de 7,89 % com respeito à velocidade de gerador máxima. Na determinação do valor de nr2 considerações de ruído aerodinâmico podem também ser levadas em conta como o ruído tem uma íntima relação com a velocidade da ponta da pá. - O valor de P1 foi determinado deixando uma margem de segurança com respeito à potência nominal (2000 kW neste caso) de modo que altos níveis de carga que poderiam entrar a partir de uma combinação de alto torque e alta velocidade angular são evitados. Um valor de P1 = 1800 kW foi usado, isto é, deixando uma margem de 10 % com respeito à potência nominal.- O valor de P2 foi determinado como um valor entre o valor de P1 (1800 Kw) e uma potência Pi de 1000 Kw no ponto de interseção I da primeira zona subnominal 35 e uma linha vertical na velocidade nominal de gerador nr1 da curva de potência 31 deixando uma margem adequada entre os mesmos para terem um bom equil entre que tem um alto número de transições (que afeta a carga de fatiga dos componentes) e a maximização de produção de energia. As ditas margens são definidas considerando a dinâmica do sistema de direção e o controlador. Um valor de P2 = 1300 Kw foi usado deixando uma margem de 27,78 % com respeito a P1 e uma margem de 30 % com respeito a Pi.
[00037] As Figuras 6 e 7 mostram a curvas de Velocidade de gerador vs. Velocidade do Vento 43’, 43’’ resultando da simulação mencionada anteriormente aplicando o método de acordo com esta invenção e a curva 41 aplicando o método da técnica anterior mencionado anteriormente.
[00038] As Figuras 8 e 9 mostram a curvas de Potência vs. Velocidade do vento 53’, 53’’ resultando da simulação mencionada anteriormente aplicando o método de acordo com esta invenção e a curva 51 aplicando o método da técnica anterior mencionado anteriormente.
[00039] A Figura 10 mostra respectivamente a curva de potência média 65 que pode ser construída considerando o efeito de uma aplicação do método de acordo com esta invenção, a curva 63 aplicando o método da técnica anterior mencionado anteriormente e a curva de potência delta 61.
[00040] Como foi mencionado antes os parâmetros nr2, P1, P2 são determinados levando em conta diversas características da turbina eólica e particularmente a tipologia do gerador.
[00041] De acordo com os estudos e simulações realizadas pelo depositante pode ser considerado que para pelo menos muitas das turbinas eólicas já instaladas os valores dos ditos parâmetros estão compreendidos nas seguintes faixas:- A velocidade de gerador nr2 está compreendida em uma faixa de 85 % - 95 % da velocidade de gerador máxima nout .- P1 está compreendida em uma faixa de 80 % - 90 % do valor de potência nominal.- P2 está compreendida em uma faixa entre 110 %Pi e 90 %P1.
[00042] Embora a presente invenção tenha sido completamente descrita em relação com as modalidades preferidas, é evidente que modificações podem ser introduzidas dentro do escopo da mesma, não considerando esta como limitada por estas modalidades.
Claims (5)
1. Método de operação de uma turbina eólica de velocidade variável (11) que tem meios de controle para a sua regulação que rastreiam uma curva de potência vs. velocidade de gerador (31) compreendendo uma zona nominal (39) onde a potência é mantida constante a um valor nominal, uma primeira zona subnominal (33) onde a velocidade de gerador é mantida constante no seu valor de acoplamento, uma segunda zona subnominal (35) onde tanto a velocidade de gerador como a potência são permitidas que aumentem/diminuam em linha com a velocidade do vento e uma terceira zona subnominal (37) entre a segunda zona subnominal (35) e a zona nominal (39), a terceira zona subnominal (37) compreender um primeiro segmento vertical (41) a uma velocidade de gerador nr2 mais alta que a velocidade nominal de gerador nr1 e um segundo segmento vertical (43) à velocidade nominal de gerador nr1 conectando com a zona nominal (39),caracterizado pelo fato de que o primeiro segmento vertical (41) e o segundo segmento vertical (43) estão conectados por um caminho superior horizontal (C-D) em um primeiro ponto (C) e um segundo ponto (D) e um caminho inferior horizontal (E-F) em um terceiro ponto (E) e quarto ponto (F), o primeiro segmento vertical (41) e o segundo segmento vertical (43) são seguidos em função das mudanças da velocidade do vento para otimização da produção de energia, o primeiro segmento vertical (41) tem um ponto superior (C) e o segundo segmento vertical (43) tem um ponto inferior (E) em dois valores predeterminados de potência P1, P2 definindo os caminhos horizontais (C-D; E-F) a serem seguidos entre os mesmos e de modo que P2 é inferior do que o valor predeterminado de potência P1.
2. Método de operação de uma turbina eólica de velocidade variável (11) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita velocidade de gerador nr2 está compreendida em uma faixa de 85 % - 95 % da velocidade de gerador máxima nout.
3. Método de operação de uma turbina eólica de velocidade variável (11) de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o dito valor de potência P1 está compreendido em uma faixa de 85 % - 95 % do valor de potência nominal.
4. Método de operação de uma turbina eólica de velocidade variável (11) de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que o dito valor de potência P2 está compreendido em uma faixa de 110 %Pi - 90 %P1, sendo Pi o valor da potência no ponto de interseção I entre a segunda zona subnominal (35) e uma linha vertical na velocidade nominal de gerador nr1.
5. Turbina eólica de velocidade variável (11), controlada por um método como definido em qualquer das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que o gerador de turbina eólica é um gerador de indução duplamente alimentado.
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