BR112012026350B1

BR112012026350B1 - Método de monitorização de um aerogerador de velocidade variável e aerogerador de velocidade variável

Info

Publication number: BR112012026350B1
Application number: BR112012026350-1A
Authority: BR
Inventors: Javier Teres Teres; Roberto Gutierrez Ardanaz; Millan ESTEBAN CORNEJO
Original assignee: Gamesa Innovation & Technology. S.L.
Priority date: 2010-04-13
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2021-10-05
Also published as: WO2011128470A2; ES2899983T3; ES2381094B1; BR112012026350A8; US8677810B2; ES2381094A1; EP2559892B1; BR112012026350A2; WO2011128470A3; EP2559892A2; US20130025352A1; CN102859184B; EP2559892A4; DK2559892T3; CN102859184A

Abstract

métodos de monitorização de aerogeradores. métodos de motorização de aerogeradores (11) de velocidade variável que compreendem meios de controle para uma regulação ''pich'' seguindo uma curva de potência vs. velocidade do gerador (21) em função da velocidade do vento expressada por uma função de transferência (tf) aplicada à velocidade do vento medida por um sensor de vento localizado em uma localização em que o fluxo do vento está distorcido que compreendem os seguintes passos: a) proporcionar uma função de proporção ótima (f1) entre uma variável (v) dependente da velocidade do vento e uma variável (p) dependente do rendimento do aerogerador; b) medir continuamente essas variáveis (v,p) e obter uma função de relação (f2) entre elas; c) obter continuamente um parâmetro (d) indicativo das diferenças entre essas funções (f1, f2); d) gerar uma mensagem de aviso quando o valor desse parâmetro (d) é maior do que um valor predeterminado.

Description

[001] A invenção se refere a métodos de monitorização de aerogeradores e, mais em particular, a métodos de monitorização da Função de Transferência da velocidade do vento.

ANTECEDENTES

[002] Os aerogeradores são dispositivos que convertem energia mecânica em energia elétrica. Um aerogerador típico inclui uma nacela montada sobre uma torre que alberga um trem de potência para transmitir a rotação de um rotor a um gerador elétrico e outras componentes como os motores de orientação mediante os que se roda o aerogerador, vários controladores e um travão. O rotor suporta várias pás que se prolongam radialmente para capturar a energia cinética do vento e provocam um movimento rotatório do trem de potência. As pás do rotor têm uma forma aerodinâmica de forma que quando o vento passa através da superfície da pá é criada uma força ascensional que provoca a rotação de um eixo ao que está ligado - diretamente ou através de um dispositivo de multiplicação - um gerador elétrico localizado dentro da nacela. A quantidade de energia produzida pelos aerogeradores depende da superfície de varrimento do rotor de pás que recebe a ação do vento e, consequentemente, o aumento do comprimento das palas implica normalmente um aumento da produção de energia do aerogerador.

[003] Sob métodos de controle conhecidos a energia produzida por um aerogerador é aumentada com a velocidade do vento até atingir um nível nominal preestabelecido e a partir daí se mantém constante. Em aerogeradores regulamentados por “pitch”, isto é feito regulamentando o ângulo de passo das pás de forma que se otimize a captura de energia independentemente da velocidade do vento.

[004] A velocidade do vento é então um parâmetro de controle importante para a operação de aerogeradores de velocidade variável. Em muitos dos aerogeradores já instalados, a velocidade do vento utilizada pelo sistema de controle do aerogerador é a velocidade de vento calculada aplicando uma Função de Transferência (doravante TF) à velocidade do vento medida por um anemómetro localizado na nacela do aerogerador.

[005] A TF define-se como a função que expressa a velocidade da corrente livre do vento como uma função da velocidade do vento medida pelo sensor de vento utilizado pelo sistema de controle do aerogerador. Esta função está destinada à correção do efeito do rotor do gerador e a distorção de fluxo em torno do aerogerador. A TF depende das características do aerogerador, da localização do sensor de vento e do modelo, e das características do vento no local do aerogerador.

[006] Como o fluxo de vento em torno da nacela resulta perturbado pelo rotor do aerogerador e a nacela, é muito importante aplicar uma TF apropriada para corrigir a distorção do fluxo.

[007] Para obter a TF apropriada deve medir-se a velocidade do vento livre frente do rotor do aerogerador (utilizando um anemómetro de caçoleta ou um anemómetro sónico instalado em um mastro meteorológico, ou um sensor de vento remoto, ou outros meios, incluído uma calibração local se é necessário) e a velocidade do vento medida pelo anemómetro do aerogerador. A função de correlação obtida, após a correspondente análise dos dados e a rejeição dos dados inválidos, é a que se deve aplicar aos dados proporcionados pelo anemómetro do aerogerador para obter velocidade real do vento frente do rotor do aerogerador.

[008] Um método conhecido para obter uma TF apropriada para um aerogerador sem medir a velocidade do vento livre frente do aerogerador é o método de calibração de anemómetro descrito em US 2008/0307853 que compreende os passos de obter pares de medições da velocidade do vento e de uma variável do aerogerador consoante a velocidade do vento, comparar esses pares de medições com pares da velocidade do vento e da variável do aerogerador consoante a velocidade do vento obtidos de uma curva esperada dessa variável do aerogerador para determinar uma diferença entre o valor medido da velocidade do vento e o valor esperado da velocidade do vento para uma variável dada do aerogerador e ajustar uma função de calibração desse anemómetro com base nessa determinada diferença.

[009] Embora se conheça a importância de utilizar uma TF apropriada para otimizar a produção de energia, entre os métodos conhecidos para avaliar diferentes aspetos do funcionamento dos aerogeradores não se encontra nenhum método específico para monitorizar a TF aplicada a um aerogerador.

[0010] Esta invenção está dirigida à solução desse problema utilizando métodos de controle conhecidos de forma que se possa implementar nos aerogeradores que já estão instalados.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0011] É um objeto da presente invenção proporcionar um método de monitorização do desempenho de um aerogerador controlado por “pitch”.

[0012] É outro objeto da presente invenção proporcionar um método de monitorização da TF aplicada a um aerogerador controlado por “pitch”. Estes e outros objetos conseguem-se proporcionando um método de monitorização de um aerogerador de velocidade variável que compreende meios de controle para uma regulação por “pitch” rastreando uma curva de potência vs. velocidade do gerador em função da velocidade do vento expressada por uma TF aplicada à velocidade do vento medida por um sensor de vento localizado em uma localização em que o fluxo do vento está perturbado, que compreende os seguintes passos: a) Proporcionar uma função de relação ótima Fi entre uma variável V dependente da velocidade do vento e uma variável P dependente do desempenho do aerogerador. b) Medir continuamente essa variável V dependente da velocidade do vento e essa variável P dependente do desempenho do aerogerador e obter uma função de relação F2 entre elas. c) Obter continuamente um parâmetro D indicativo das diferenças entre essas funções de relação F1, F2. d) Gerar uma mensagem de aviso quando o valor desse parâmetro D é maior do que um valor predeterminado.

[0013] Em uma modalidade preferente, nesse passo b) essa função de relação F2 obtém-se utilizando valores médios dessas variáveis V, P em períodos de pelo menos 10 minutos. Consegue-se assim um método que assegura que os dados utilizados para obter essa função de relação F2 não estão influenciados pelas flutuações temporárias.

[0014] Em outra modalidade preferente, nesse passo c) esse parâmetro D obtém-se para as diferenças entre essas funções de relação F1, F2 em um intervalo predeterminado de valores e uma dessas variáveis V, P. Consegue-se assim um método aplicável apenas a um intervalo selecionado de uma dessas variáveis onde se deve esperar uma melhor detecção dessas diferenças.

[0015] Em outra modalidade preferente, essa variável V dependente da velocidade do vento é o ângulo de passo da pá e essa variável P consoante o desempenho do aerogerador é a velocidade do gerador. Consegue-se assim um método que usa um par de variáveis particularmente relevantes para mostrar as diferenças entre essas funções de relação F1, F2 porque, em particular, existe um intervalo significativo de velocidades de vento em que o ângulo de passo de pá deve permanecer constante (em médias estatísticas de 10 minutos) em condições ótimas de produção permitindo portanto uma fácil detecção de desvios quando se utiliza uma TF inapropriada ou quando o aerogerador tem outro problema.

[0016] Em outra modalidade preferente, a TF implementada nos meios de controle é uma TFv pré-validada. Consegue-se assim um método apropriado para detectar problemas diferentes à utilização de uma TF inapropriada no aerogerador.

[0017] Outras características e vantagens da presente invenção desprender-se-ão da descrição detalhada que é acompanhada por uma modalidade ilustrativa e não limitativa do seu objeto em relação com as figuras que se acompanham.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0018] A Figura 1 apresenta esquematicamente as componentes principais de um aerogerador.

[0019] A Figura 2 apresenta uma curva Potência vs. Velocidade do gerador conhecido na especialidade que se utiliza para controlar aerogeradores de velocidade variável.

[0020] A Figura 3 apresenta uma curva típica Potência vs. Velocidade do vento.

[0021] A Figura 4 apresenta uma função de relação ótima F1 entre o ângulo de passo de pá e a velocidade do gerador no aerogerador que está a ser monitorizado.

[0022] A Figura 5 apresenta uma função de relação F2 entre o ângulo de passo de pá e a velocidade do gerador obtida no aerogerador que está a ser monitorizado.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS

[0023] Um aerogerador 11 convencional compreende uma torre 13 suportando uma nacela 21 que alberga um gerador 19 para converter a energia rotacional do rotor do aerogerador em energia elétrica. O rotor do aerogerador compreende um tambor de rotor 15 e, normalmente, três pás 17. O tambor do rotor 15 está ligado ou quer diretamente ou através de uma multiplicadora ao gerador 19 do aerogerador para transferir o par gerado pelo rotor 15 ao gerador 19 aumentando a velocidade do eixo para atingir uma velocidade rotacional apropriada do rotor do gerador.

[0024] A energia produzida por um aerogerador moderno está controlada normalmente através de um sistema de controle para regular o ângulo de passo das pás do rotor e o par motor do gerador. A velocidade rotacional do rotor e a produção de energia de um aerogerador podem ser controladas inicialmente, isto é, antes de uma transferência de energia a uma rede de distribuição elétrica através de um conversor. Nesta descrição referimo-nos a um ângulo de passo de pá comum para todas as pás do rotor mas o perito na especialidade apreciará facilmente que esta invenção também é aplicável a aerogeradores com meios individuais para controlar o ângulo de passo de cada pá do rotor.

[0025] O objetivo básico dos métodos de operação de um aerogerador de velocidade variável é atingir uma operação com a produção aerodinamicamente ideal o maior tempo possível.

[0026] Como é sabido, a energia cinética associada com uma corrente de vento depende da área varrida por essa corrente, da sua densidade e do cubo da velocidade do vento e considera-se que os aerogeradores podem extrair até 59% dessa energia. Por isso, é representada a capacidade de cada aerogerador para se aproximar a esse limite pelo denominado coeficiente de potência Cp que está determinado por suas características aerodinâmicas, particularmente pela relação X de sua velocidade na ponta que se define como a relação entre a velocidade tangencial da ponta da pá e a velocidade do vento incidente. Se se pode manter essa relação no máximo coeficiente de potência Cp do aerogerador de forma que a velocidade do rotor continue à velocidade do vento pode-se conseguir um aerogerador muito eficiente.

[0027] A estratégia de controle seguida geralmente nos aerogeradores de velocidade variável está baseada em ajustar eletricamente o par do gerador para alcançar a máxima produção o que se realiza utilizando um controlador que recebe sinais indicado a velocidade do gerador e a potência produzida pelo gerador e que proporciona um sinal de referência do par ao conversor para obter a potência solicitada.

[0028] Consequentemente, o controlador do aerogerador utiliza uma curva que define a relação funcional desejável entre potência e velocidade para atingir a produção ideal.

[0029] Para uma melhor compreensão da presente invenção, faz- se seguidamente uma breve descrição de uma típica curva potência vs. velocidade 21 mostrada na Figura 2.

[0030] Esta curva compreende uma primeira zona sub-nominal 23 em que a velocidade do vento atinge o nível mínimo para começar a operação do aerogerador. Nesta zona, o controle do aerogerador é muito limitado já que o aerogerador não pode capturar a máxima energia. A segunda zona sub-nominal corresponde a baixas velocidades do vento em que a velocidade do gerador aumenta e o aerogerador funciona com um ótimo coeficiente de potência Cp. A terceira zona sub-nominal 27 corresponde a velocidades médias do vento em que se mantém constante a velocidade do gerador mi enquanto a potência é aumentada até a potência nominal. Nesta zona o ângulo de passo das pás é fixo e a velocidade do gerador é controlada através do par. Na zona nominal 29, tem lugar a operação do aerogerador a plena carga sob o controle do ângulo de passo das pás para evitar sobrecargas.

[0031] Em condições ideais, a curva de potência média será a curva 31 da Figura 3 mas se a TF não proporcionar um valor correto de velocidade da corrente livre do vento existirão perdas de energia relativamente à produção ideal de energia.

[0032] A TF aplicada inicialmente a um aerogerador é normalmente uma TF obtida em uma posição do aerogerador diferente da posição de trabalho do aerogerador. A TF depende, entre outras variáveis, das condições do vento (intensidade da turbulência, componente vertical do vento) e de características topográficas da localização do aerogerador. Como estas variáveis podem variar de uma posição do aerogerador a outra posição do aerogerador inclusive a uma distância de poucos metros entre elas, pode acontecer que a TF aplicada inicialmente a um aerogerador não seja a mais apropriada para a sua localização com a consequência de que o desempenho do gerador estará abaixo do seu nível ótimo.

[0033] A ideia básica desta invenção é proporcionar um método de monitorização da TF baseado na relação entre uma variável V dependente da velocidade do vento e uma variável P dependente do desempenho do aerogerador P. Quando a TF não estima corretamente a velocidade do vento frente ao rotor a relação entre essas variáveis V, P não é a ótima. Assim se pode monitorizar se o aerogerador está trabalhando ou não com uma TF apropriada comparando os valores esperados dessas variáveis V, P com os valores medidos dessas variáveis V, P no aerogerador.

[0034] Variáveis V apropriadas são as seguintes: velocidade do vento, ângulo de passo da pá ou qualquer outra variável relacionada com a velocidade do vento medida pelo sensor de vento.

[0035] Variáveis P apropriadas são as seguintes: velocidade do gerador, energia produzida, par, velocidade do rotor ou qualquer outra variável relacionada com o desempenho do aerogerador.

[0036] Em uma modalidade preferente encontrou-se que o par ângulo de passo de pá como variável V consoante a velocidade do vento e velocidade do gerador como variável P consoante o desempenho do gerador é particularmente apropriado para detectar desvios da TF.

[0037] O primeiro passo de um método de monitorização segundo uma modalidade preferente da presente invenção é assim proporcionar uma função de relação ótima F1 (isto é, uma relação com uma TF apropriada) entre o ângulo de passo da pá e a velocidade do gerador, como a função F1 ilustrada na Figura 4.

[0038] Essa função F1 obtém-se como a função entre essa variável resultante de um comportamento teórico do aerogerador. Como se pode advertir facilmente a função F1 da Figura 4 e a curva potência vs. velocidade do gerador 21 da Figura 3 apresentam vistas diferentes do comportamento teórico do aerogerador.

[0039] No segundo passo do método de monitorização segundo a presente invenção, os valores do ângulo de passo de pá e da velocidade do gerador se medem continuamente e se obtém a função de relação F2 entre eles como a função F2 da Figura 5 (que ilustra uma relação com uma TF inapropriada).

[0040] Os valores do ângulo de passo da pá e da velocidade do gerador devem medir-se tão frequentemente como possível, tipicamente 1 Hz e calculam-se uns valores médios, por exemplo os valores médios de 10 minutos. Estes valores médios das duas variáveis ângulo de passo de pá e velocidade do gerador utilizam-se para obter a função F2.

[0041] No âmbito da presente invenção, as funções mencionadas anteriormente F1 e F2 devem entender-se em sentido amplo incluindo por exemplo conjuntos de pares de valores de ângulo de passo de pá e velocidade do gerador e funções matemáticas obtidas mediante uma análise de regressão desses dados.

[0042] No terceiro passo de um método de monitorização segundo a presente invenção, obtém-se continuamente um parâmetro D indicativo das diferenças entre essas funções F1, F2 utilizando ferramentas matemáticas convencionais e dados filtrados após eliminar valores não significativos.

[0043] Esse parâmetro D pode ser obtido como um valor médio para um período predeterminado (por exemplo uma hora ou um dia) que também é útil para análises de tendências.

[0044] Esse parâmetro D também pode ser obtido para um intervalo predeterminado de valores, por exemplo em referência às Figuras 4 e 5, só para pares de valores em que a velocidade do gerador estiver compreendida entre G3-G5 onde se deve esperar uma clara diferença entre F1 e F2 quando o aerogerador está utilizando uma TF inapropriada. Essa diferença pode apreciar-se graficamente comparando as Figuras 4 e 5. O valor esperado para o ângulo de passo de pá tem um valor constante P2 enquanto seu valor real, quando o aerogerador utiliza uma TF inapropriada, é maior de P3.

[0045] No quarto passo de um método de monitorização segundo a presente invenção cria-se uma mensagem de aviso quando o valor desse parâmetro D é maior do que um valor predeterminado que deve ser estabelecido para cada modelo de aerogerador.

[0046] Após a detecção de uma diferença relevante entre essas funções F1, F2 a TF deve ser corrigida para maximizar a produção do aerogerador segundo algum dos métodos conhecidos que se mencionaram nos Antecedentes.

[0047] Pode acontecer que executando o método de monitorização desta invenção utilizando uma TFv validada existam ainda diferenças relevantes entre essas funções F1, F2 devido a motivos como desalinhamentos do aerogerador ou problemas mecânicos. Desta forma, pode usar-se o método segundo a presente invenção para detectar esses problemas.

[0048] Como entenderá facilmente o perito na especialidade, este método pode ser implementado no SCADA do aerogerador para monitorizar o desempenho do aerogerador e enviar mensagens de aviso para advertir que o aerogerador não está trabalhando em ótimas condições. A detecção destes problemas pode evitar uma diminuição significativa do desempenho energético do aerogerador.

[0049] Embora a presente invenção se tenha descrito inteiramente em conexão com modalidades preferidas, é evidente que se podem introduzir as modificações dentro do seu âmbito, não considerando este como limitado pelas anteriores modalidades, mas sim pelo conteúdo das concretizações seguintes.

Claims

1. Método de monitorização de um aerogerador (11) de velocidade variável que compreende meios de controle para uma regulação por ângulo de passo rastreando uma curva de potência vs velocidade do gerador (21) em função da velocidade do vento expressada por uma função de transferência (TF) aplicada à velocidade do vento medida por um sensor de vento colocado em uma localização em que o fluxo do vento está perturbado, caracterizado pelo fato de que compreende os seguintes passos a) proporcionar uma função de relação ótima (F1) entre uma variável (V) dependente da velocidade do vento e uma variável (P) dependente do desempenho do aerogerador; b) medir continuamente a dita variável (V) dependente da velocidade do vento e a dita variável (P) dependente do desempenho do aerogerador e obter uma função de relação (F2) entre elas; c) obter continuamente um parâmetro (D) indicativo das diferenças entre as ditas funções de relação (F1, F2); d) gerar uma mensagem de aviso quando o valor do dito parâmetro (D) for maior do que um valor predeterminado.

2. Método de monitorização de um aerogerador (11) de velocidade variável de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, no dito passo b), a dita função de relação (F2) é obtida utilizando valores médios das ditas variáveis (V, P) em períodos de pelo menos 10 minutos.

3. Método de monitorização de um aerogerador (11) de velocidade variável de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que, no dito passo c), o dito parâmetro (D) é obtido para as diferenças entre as ditas funções de relação (F1, F2) em um intervalo predeterminado de valores de uma das ditas variáveis (V, P).

4. Método de monitorização de um aerogerador (11) de velocidade variável de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a dita variável (V) dependente da velocidade do vento é o ângulo de passo de pá e a dita variável (P) dependente do desempenho do aerogerador é a velocidade do gerador.

5. Método de monitorização de um aerogerador (11) de velocidade variável de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a função de transferência (TF) implementada nos meios de controle do aerogerador é uma função de transferência pré-validada (TFv).

6. Aerogerador (11) de velocidade variável, caracterizado por ser monitorizado por um método de monitorização, tal como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5.