BR112013016316B1

BR112013016316B1 - Sistema e método para controlar uma operação de uma turbina eólica

Info

Publication number: BR112013016316B1
Application number: BR112013016316-0A
Authority: BR
Inventors: Wei Zhu
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2021-03-23
Also published as: US9377007B2; DK2659135T3; CA2821572A1; EP2659135A1; EP2659135B1; EP2659135A4; ES2578192T3; CA2821572C; US20130272878A1; BR112013016316A2; WO2012088640A1

Abstract

sistema e método para controlar uma operação de uma turbina eólica. o assunto descrito no presente documento refere-se, em geral, à operação de uma turbina eólica e, mais particularmente, á operação de um componente de turbina eólica com base em uma carga útil associada ao componente. o sistema compreende um dispositivo de controle (120) que é configurado para acionar um componente da turbina eólica (130). o sistema também inclui um controlador de turbina eólica (205) que é acoplado em comunicação com o dispositivo de controle (120) e configurado para determinar uma carga útil associada ao componente da turbina eólica (130) com base, pelo menos em parte, em um ou mais acionamentos do componente da turbina eólica (130) pelo dispositivo de controle (120) dentro de um período de tempo. o controlador de turbina eólica (205) também é configurado para calcular um valor limiar de operação co base, pelo menos em parte, na carga útil calculada e para operar o componente da turbina eólica (130) pelo dispositivo de controle (120) com base no valor limiar de operação calculado.

Description

SISTEMA E MÉTODO PARA CONTROLAR UMA OPERAÇÃO DE UMA TURBINA EÓLICA

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se, em geral, à operação de uma turbina eólica e, mais particularmente, à operação de um componente de turbina eólica com base em uma carga útil associada ao componente.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] As turbinas eólicas utilizam energia eólica para gerar ou produzir potência elétrica. As turbinas eólicas conhecidas incluem um sistema de controle para a operação de uma turbina eólica de modo seguro e eficiente. Parâmetros de controle, tais como valores limiares de operação, são usados para definir o comportamento da turbina eólica. Por exemplo, um controlador de uma turbina eólica pode ser programado para garantir que a velocidade rotacional do rotor permaneça abaixo de um valor limiar da velocidade máxima de rotor, tal como através do ajuste de um passo da pá de rotor.

[003] Tais ajustes podem exigir trabalho dos componentes de turbina eólica, submetendo esses componentes à degradação física eventual. Adicionalmente, alguns componentes da turbina eólica podem ser usados com uma frequência maior do que a frequência com a qual outros componentes são usados, resultando em taxas de desgaste relativamente altas para os componentes frequentemente usados.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[004] Em uma realização, é fornecido um sistema para controlar uma operação de uma turbina eólica. O sistema inclui um dispositivo de controle que é configurado para acionar um componente de turbina eólica. O sistema também inclui um controlador de turbina eólica que é acoplado em comunicação com o dispositivo de controle e configurado para determinar uma carga útil associada ao componente de turbina eólica com base pelo menos em parte em um ou mais acionamentos do componente de turbina eólica pelo dispositivo de controle dentro de um período de tempo. O controlador de turbina eólica é também configurado para calcular um valor limiar de operação com base pelo menos em parte na carga útil determinada e para operar o componente de turbina eólica pelo dispositivo de controle com base no valor limiar de operação calculado.

[005] Em outra realização, é fornecido um dispositivo para controlar uma operação de uma turbina eólica. O dispositivo inclui uma interface de controle de turbina eólica, uma memória e um processador que é acoplado à interface de controle para turbina eólica e a memória. A interface de controle para turbina eólica é configurada para acionar o componente de turbina eólica através de um dispositivo de controle. A memória é configurada para armazenar um ou mais acionamentos do componente de turbina eólica através da interface de controle para turbina eólica. O processador é programado para determinar uma carga útil associada ao componente de turbina eólica com base pelo menos em parte nos acionamentos do componente de turbina eólica dentro de um período de tempo. O processador é também programado para calcular um valor limiar de operação com base pelo menos em parte na carga útil determinada e para acionar o componente de turbina eólica através da interface de controle para turbina eólica com base pelo menos em parte no valor limiar de operação calculado.

[006] Em ainda outra realização, é fornecido um método para controlar uma operação de uma turbina eólica. O método inclui operar um componente de turbina eólica em uma primeira vez com base em um primeiro valor limiar de operação. O primeiro valor limiar de operação tem como base, pelo menos em parte, um ou mais acionamentos do componente de turbina eólica dentro de um primeiro período de tempo. Uma carga útil é determinada através do dispositivo de computação com base pelo menos em parte em um ou mais acionamentos do componente de turbina eólica dentro de um segundo período de tempo subsequente ao primeiro período de tempo. Um segundo valor limiar de operação é calculado pelo dispositivo de computação com base pelo menos em parte na carga útil. Em uma segunda vez subsequente à primeira vez, o componente de turbina eólica é operado com base no segundo valor limiar de operação.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[007] A Figura 1 é uma vista em perspectiva de uma turbina eólica.

[008] A Figura 2 é um diagrama de bloco que mostra um dispositivo de computação.

[009] A Figura 3 é um fluxograma de um método para calcular um valor limiar de operação associado ao componente de turbina eólica mostrado na Figura 2.

[0010] A Figura 4 é um fluxograma de um método para controlar a turbina eólica mostrada na Figura 1 com base em um valor limiar de operação calculado.

[0011] A Figura 5 é um gráfico que realiza plotagem de uma função para determinar um valor limiar de operação com base em uma carga útil.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[0012] As realizações descritas no presente documento facilitam a operação de uma turbina eólica com base em uma ou mais cargas úteis (por exemplo, ciclos de trabalho) associadas a um componente de turbina eólica. Em realizações, à medida que um primeiro componente é usado para alcançar um resultado desejado (por exemplo, redução da velocidade de rotor ou redução do torque em um eixo de acionamento), uma carga útil determinada do primeiro componente aumenta, e um valor limiar de operação associado ao primeiro componente pode ser ajustado com base nessa carga útil aumentada. Um segundo componente pode ser associado a um valor limiar de operação que é maior que o valor limiar de operação original associado ao primeiro componente, mas menor que o valor limiar de operação ajustado. O segundo componente pode, portanto, ser usado no lugar do primeiro componente para alcançar o mesmo resultado desejado. Assim, as realizações fornecidas no presente documento facilitam o equilíbrio de cargas úteis entre componentes de turbina eólica.

[0013] Conforme descrito no presente documento, uma turbina eólica pode ser controlada com base em uma ou mais condições de operação. As condições de operação incluem, sem limitação, condições mecânicas (por exemplo, uma velocidade de rotor e/ou uma saída de força) e condições meteorológicas. Uma condição meteorológica pode incluir, por exemplo, uma temperatura de ar ambiente, uma densidade de ar ambiente, um nível de umidade, uma pressão de ar, uma velocidade do vento, e/ou uma direção do vento. Algumas condições de operação podem indicar e/ou representar, direta ou indiretamente, uma carga estrutural (por exemplo, torque) em uma turbina eólica. Por exemplo, uma carga estrutural pode ser indiretamente representada por uma velocidade do vento, uma velocidade de rotor, e/ou uma saída de força, embora o uso de qualquer condição de operação que representa um elemento ambiental (por exemplo, uma direção relativa do vento) e/ou uma carga estrutural seja considerada.

[0014] As condições de operação podem ser codificadas ou, de outro modo, transportadas por sinais eletrônicos. Em algumas realizações, um sensor transmite um sinal que transporta uma condição de operação. Um dispositivo que recebe o sinal proveniente do sensor pode ser configurado para obter ou extrair a condição de operação do sinal.

[0015] Em algumas realizações, um parâmetro de controle, tal como um valor limiar de operação, é usado para controlar uma turbina eólica. Um valor limiar de operação pode incluir, sem limitação, uma velocidade de vento de operação máxima, uma velocidade de rotor máxima, e/ou um torque máximo no eixo de acionamento. Os valores limiares de operação podem ser associados aos componentes de turbina eólica, tais como um mecanismo de passo da pá e/ou um freio de rotor. Por exemplo, se uma velocidade máxima de rotor for associada a um mecanismo de passo do rotor, a velocidade atual de rotor pode ser contínua ou periodicamente monitorada. Se a velocidade atual de rotor exceder a velocidade máxima de rotor, um dispositivo de controle pode acionar o mecanismo de passo da pá para reduzir a velocidade de rotor.

[0016] Um efeito técnico dos métodos, sistema, e aparelho descritos no presente documento inclui pelo menos um de: (a) determinar uma carga útil associada a um componente de turbina eólica com base pelo menos em parte em um ou mais acionamentos do componente de turbina eólica dentro de um período de tempo; (b) calcular um valor limiar de operação com base pelo menos em parte na carga útil determinada; e (c) operar o componente de turbina eólica com base no valor limiar de operação calculado.

[0017] A Figura 1 é uma vista em perspectiva de uma turbina eólica 100. A turbina eólica 100 inclui uma nacela 102 que aloja um gerador (não mostrado na Figura 1). A Nacela 102 é montada em uma torre 104 (somente uma porção da torre 104 é mostrada na Figura 1). A torre 104 pode ter qualquer altura adequada que facilite a operação da turbina eólica 100 conforme descrito no presente documento. Na realização, a turbina eólica 100 também inclui um rotor 106 que inclui três pás de rotor 108 acopladas a um cubo giratório 110. Alternativamente, a turbina eólica 100 pode incluir qualquer número de pás de rotor 108 que possibilite a operação da turbina eólica 100 conforme descrito no presente documento. Na realização, a turbina eólica 100 inclui uma caixa de transmissão (não mostrada) que é acoplada, de modo giratório, ao rotor 106 e ao gerador. A turbina eólica 100 pode incluir um ou mais dispositivos de controle 120, sensores 125, e/ou componentes de turbina eólica 130 (mostrados na Figura 2).

[0018] A Figura 2 é um diagrama de bloco que mostra um dispositivo de computação 205 para controlar a operação da turbina eólica 100. O dispositivo de computação 205 pode também ser referido como um controlador de turbina eólica. O controlador de turbina eólica 205 é posicionado no interior da turbina eólica 100. Por exemplo, o controlador de turbina eólica 205 pode ser posicionado sobre ou no interior da nacela 102 ou sobre ou no interior da torre 104.

[0019] O controlador de turbina eólica 205 inclui uma memória 210 configurada para armazenar instruções executáveis por computador, valores limiares de operação, e/ou uma ou mais condições de operação, tais como condições meteorológicas. As condições meteorológicas podem incluir, sem limitação, uma temperatura de ar ambiente, uma densidade de ar ambiente, um nível de umidade, uma pressão de ar, uma velocidade do vento, e/ou uma direção do vento. A memória 210 pode ser adicionalmente configurada para armazenar funções para uso no cálculo de valores limiares de operação com base em cargas úteis associadas a um ou mais componentes de turbina eólica 130, opcionalmente sob a forma de uma ou mais instruções executáveis por computador.

[0020] O controlador de turbina eólica 205 também inclui um processador 215 acoplado à memória 210 e programado para executar instruções executáveis por computador. Por exemplo, uma ou mais operações descritas no presente documento podem ser codificadas como instruções executáveis por computador, sendo que o processador 215 é programado para executar de modo a realizar tais operações.

[0021] O controlador de turbina eólica 205 inclui adicionalmente uma interface de controle de turbina eólica 220 que é configurada para controlar um ou mais componentes de turbina eólica 130. Em uma realização, a turbina eólica 100 inclui um primeiro componente de turbina eólica 135 e um segundo componente de turbina eólica 140. Em algumas realizações, a interface de controle de turbina eólica 220 é configurada para ser acoplada, de modo operável a um ou mais dispositivos de controle 120.

[0022] Os dispositivos de controle 120 acionam os componentes de turbina eólica 130 incluindo, sem limitação, um mecanismo de guinada, um mecanismo de passo da pá, um conversor de potência, um transistor bipolar de porta isolada (IGBT), um freio de rotor, um calefator, um resfriador, um motor, um solenóide, e/ou um servomecanismo. Por exemplo, o dispositivo de controle 120 pode incluir um interruptor, um contator, um relé, uma fonte de alimentação, e/ou qualquer outro dispositivo que controle o acionamento de um componente de turbina eólica 130. Em algumas realizações, o dispositivo de controle 120 aciona um componente de turbina eólica 130 para ajustar uma configuração física da turbina eólica 100, tal como um ângulo ou passo de pá de rotor 108 e/ou uma orientação da nacela 102 ou rotor 106 em relação à torre 104 (mostrado na Figura 1). Em realizações, o controlador de turbina eólica 205 monitora o acionamento dos componentes de turbina eólica 130 pelos dispositivos de controle 120. Em algumas realizações, um dispositivo de controle 120 é integrado a um componente de turbina eólica 130. Por exemplo, um mecanismo de guinada pode incluir componentes de acionamento (por exemplo, um motor e engrenagens) e um ou mais dispositivos de controle 120 para operar os componentes de acionamento.

[0023] Em algumas realizações, a turbina eólica 100 inclui um ou mais sensores 125. Os sensores 125 captam ou detectam uma ou mais condições de operação. Por exemplo, o sensor 125 pode ser um acelerômetro, um sensor de vibração (por exemplo, indicando vibração mecânica de um ou mais componentes de turbina eólica 130), um sensor de saída de força, um sensor de passo da pá, um sensor de velocidade de rotor, um sensor de índice de engrenagem, um sensor de torque, um sensor de temperatura de turbina, um sensor de temperatura da caixa de transmissão, um sensor de voltagem, um sensor atual, e/ou um sensor meteorológico. Os sensores meteorológicos incluem, sem limitação, um sensor de temperatura de ar ambiente, uma velocidade de vento e/ou sensor de direção do vento (por exemplo, um anemômetro), um sensor de densidade de ar ambiente, um sensor de pressão atmosférica, um sensor de umidade e/ou qualquer sensor adequado para fornecer um sinal indicando uma condição meteorológica.

[0024] Cada sensor 125 é localizado em relação à turbina eólica 100 de acordo com a sua função. Por exemplo, referindo-se também à Figura 1, um sensor de temperatura de ar pode ser posicionado em uma superfície externa da nacela 102 ou torre 104, de modo que o sensor de temperatura de ar seja exposto ao ar ambiente que circunda a turbina eólica 100. Adicionalmente, um dispositivo de controle 120 pode incluir um ou mais sensores 125. Por exemplo, um dispositivo de controle 120 acoplado a um mecanismo de passo de pá pode indicar um passo atual de uma ou mais pás de rotor 108. De modo similar, um dispositivo de controle 120 acoplado a um mecanismo de guinada pode indicar uma orientação atual da nacela 102 ou rotor 106 relativa à torre 104. Cada sensor 125 gera e transmite um sinal que corresponde a uma ou mais condições detectadas. Além disso, cada sensor 125 pode transmitir um sinal continuamente, periodicamente ou somente uma vez, por exemplo, embora outras temporizações de sinal também sejam consideradas.

[0025] Em uma realização, o controlador de turbina eólica 205 recebe um ou mais sinais provenientes do sensor 125 através de uma interface de sensor 225, que é configurada para ser acoplada em comunicação com o sensor 125. O controlador de turbina eólica 205 processa o sinal(s) através do processador 215 para determinar uma ou mais condições de operação, incluindo, sem limitação, condições meteorológicas. Em algumas realizações, o processador 215 é programado (por exemplo, com instruções executáveis em memória 210) para dar uma amostra de um sinal produzido pelo sensor 125. Por exemplo, o processador 215 pode receber um sinal contínuo do sensor 125 e, em resposta, produzir um valor de condição de operação com base no sinal contínuo periodicamente (por exemplo, um a cada cinco segundos). Em algumas realizações, o processador 215 normaliza um sinal recebido do sensor 125. Por exemplo, um sensor de temperatura pode produzir um sinal analógico com um parâmetro (por exemplo, voltagem) que é diretamente proporcional a uma temperatura medida. O processador 215 pode ser programado para converter o sinal analógico a um valor de temperatura.

[0026] O processador 215 pode ser programado para originar uma condição de operação com base em sinais recebidos de múltiplos sensores 125. Por exemplo, a turbina eólica 100 pode incluir múltiplos sensores de temperatura de ar e o processador 215 pode calcular uma temperatura de ar média com base nos valores de temperatura de cada sensor de temperatura de ar. Em outro exemplo, o processador 215 pode determinar uma direção relativa do vento (também referida como uma direção de vento delta) com base em uma direção de vento absoluta (por exemplo, expressada em relação a uma direção cardinal) indicado por um anemômetro e uma orientação da nacela atual indicada por um mecanismo de guinada. Em algumas realizações, o controlador 205 armazena um ou mais sinais e/ou condições de operação na memória 210.

[0027] Em uma realização, o processador 215 é programado para calcular um ou mais valores limiares de operação que são, cada um, associados a um componente de turbina eólica 130, conforme descrito com mais detalhes abaixo com referência à Figura 3. Adicionalmente, o processador 215 e/ou interface de controle da turbina eólica 220 pode controlar uma operação da turbina eólica 100 com base nos valores limiares de operação calculados e condições de operação indicadas pelos sensores 125, conforme descrito com mais detalhes abaixo com referência à Figura 4.

[0028] Em algumas realizações, o controlador de turbina eólica 205 inclui uma interface de comunicação 230. A interface de comunicação 230 é configurada para ser acoplada em comunicação com um ou mais dispositivos remotos, tal como outro controlador de turbina eólica 205 ou outro dispositivo de computação. A interface de comunicação 230 pode ser configurada para transmitir uma condição de operação, uma carga útil, e/ou um valor limiar de operação para um dispositivo remoto. Além disso, ou alternativamente, a interface de comunicação 230 pode ser configurada para receber uma condição de operação (por exemplo, uma direção do vento e/ou uma temperatura de ar ambiente) e/ou um parâmetro de controle (por exemplo, um valor limiar de operação) de um dispositivo remoto e controlar uma operação da turbina eólica 100 com base pelo menos em parte na condição de operação recebida e/ou parâmetro de controle.

[0029] Várias conexões estão disponíveis entre a interface de controle da turbina eólica 220 e os dispositivos de controle 120 e entre a interface de sensor 225 e sensores 125. Tais conexões podem incluir, sem limitação, um condutor elétrico, uma conexão em série de baixo nível, tal como Padrão Recomendado (RS) 232 ou RS-485, uma conexão de dados em série de alto nível, tal como Barramento Serial universal (USB), uma conexão de dados paralelos, tal como IEEE 1284 ou IEEE 488, um canal de comunicação sem fio de curto alcance (por exemplo, uma rede de área pessoal), e/ou uma conexão (por exemplo, turbina eólica externa inacessível 100) de rede privada, tanto por fio quanto sem fio.

[0030] A Figura 3 é um fluxograma de um método 300 para calcular um valor limiar de operação associado a um componente de turbina eólica 130. A Figura 4 é um fluxograma de um método 350 para controlar uma turbina eólica, tal como a turbina eólica 100 (mostrada na Figura 1), com base em um valor limiar de operação calculado. Referindo-se às Figuras 2 a 4, uma ou mais operações dos métodos 300 e 350 podem ser realizadas por um dispositivo de computação, tal como o controlador de turbina eólica 205.

[0031] Referindo-se às Figuras 2 e 3, o método 300 inclui detectar 305 um ou mais acionamentos de um componente de turbina eólica 130. Por exemplo, os acionamentos podem ser detectados 305 através do monitoramento de dispositivos de controle 120 pela interface de controle da turbina eólica 220 e/ou através da gravação de acionamentos dos componentes de turbina eólica 130 iniciados pela interface de controle da turbina eólica 220. Os acionamentos dos componentes de turbina eólica 130 podem ser armazenados na memória 210. Em algumas realizações, detectar 305 um acionamento do componente de turbina eólica 130 inclui detectar 305 um nível de acionamento, tal como o tempo decorrido do acionamento, a intensidade do acionamento, e/ou o deslocamento (por exemplo, linear e/ou angular) do componente de turbina eólica 130 alcançado pelo acionamento. A intensidade do acionamento pode incluir, sem limitação, a velocidade e/ou aceleração do componente de turbina eólica 130, a quantidade de força aplicada ao componente de turbina eólica 130, e/ou a energia usada pelo acionamento. Por exemplo, o acionamento de um mecanismo de guinada pode ser associado a um deslocamento angular (por exemplo, dez graus) que representa a rotação da nacela 102 relativa à torre 104. De modo similar, um acionamento de um calefator pode ser associado à energia (por exemplo, dois quilowatts horas) abastecida ao calefator durante o acionamento.

[0032] Uma carga útil é determinada (por exemplo, calculada) 310 com base nos acionamentos detectados. Em realizações, a carga útil tem como base acionamentos do componente de turbina eólica 130 dentro de um período de tempo (por exemplo, as 48 horas precedentes, as 24 horas precedentes, ou as 12 horas precedentes). Por exemplo, a carga útil pode ser positivamente correlacionada com (por exemplo, igual a ou proporcional a) a quantidade de acionamentos do componente de turbina eólica 130 dentro do período de tempo. Além disso, ou alternativamente, a carga útil pode ser baseada em um nível agregado de acionamento (por exemplo, um tempo decorrido, um deslocamento ou uma intensidade) de componente de turbina eólica 130 dentro do período de tempo. Por exemplo, o nível de acionamento associado com cada acionamento no período de tempo pode ser somado para calcular o nível agregado de acionamento. A carga útil pode ser positivamente correlacionada com (por exemplo, igual a ou proporcional a) o nível agregado de acionamento.

[0033] Em algumas realizações, a carga útil é determinada 310 com base nos acionamentos do componente de turbina eólica 130 e um limite de acionamento predeterminado. O limite de acionamento pode ser baseado em características do modelo do componente de turbina eólica 130, condições de operação esperadas da turbina eólica 100 (por exemplo, temperatura de ar ambiente), e/ou qualquer outro fator que afete tensão ou desgaste associado ao componente de turbina eólica 130. Em algumas realizações, os acionamentos do componente de turbina eólica 130 podem afetar a carga útil somente quando os acionamentos detectados excederem o limite de acionamento.

[0034] A equação 1 é uma função para determinar 310 a carga útil de um componente de turbina eólica 130, tal como um mecanismo de guinada.
Φ = max(0,Φ1 -Φ0) (Eq. 1)

[0035] Na Equação 1, a carga útil é representada por uma carga útil delta (Φ), que é baseada na quantidade de acionamentos nas 24 horas precedentes (Φ1). Um limite de acionamento predeterminado (Φ0) é subtraído de Φ1. Quando Φ1 excede Φ0, Φ é igual à diferença entre os dois valores. De outra forma, Φ é zero.

[0036] Um valor limiar de operação associado ao componente de turbina eólica 130 é calculado 315 com base, pelo menos em parte, na carga útil. A Equação 2 é uma função para calcular uma condição de operação delta (direção do vento delta, Θ1) com base na carga útil delta (Φ) determinada com o uso da Equação 1.

[0037] A condição de operação delta pode ser usada diretamente como um valor limiar de operação ou pode ser combinada com outro valor, tal como um valor limiar padrão, para determinar o valor limiar de operação. A Equação 3 é uma função para calcular um valor limiar de operação (θ) com base na condição de operação delta (Θ1) e um valor limiar padrão (Θ0).
θ = θ0 + θ1 (Eq. 3)

[0038] A Figura 5 é um gráfico 400 que realiza plotagem da Equação 3, com um limite de acionamento (Φ0) de 10 acionamentos e um valor limiar padrão (θ0) de 7,5°. No gráfico 400, um eixo x 405 representa acionamentos (Φ1) de um componente de turbina eólica 130 (mostrado na Figura 2), e um eixo y 410 representa um valor limiar de operação (θ). Mais especificamente, o eixo x 405 representa a quantidade de acionamentos do componente de turbina eólica 130 detectada 305 (mostrado na Figura 3), e o eixo y 410 representa uma direção relativa do vento máxima, acima da qual o componente de turbina eólica 130 deve ser acionado (por exemplo, para orientar o rotor 106, mostrado na Figura 1, em direção ao vento).

[0039] Uma primeira linha 415 representa o valor de θ, conforme determinado pela Equação 3. Conforme mostrado pela primeira linha 415, até que o limite de acionamento (Φο=10) seja alcançado, a quantidade de acionamentos detectados (Φ1) não tem efeito em θ, e θ é igual ao valor limiar padrão (θ0=7,5). Quando Φ1 excede Φ0, θ é igual à soma de θ0 e Θ1, em que θ1 é determinado pela Equação 2. Assim, a primeira linha 415 representa uma função contínua que relaciona um valor limiar de operação a uma carga útil determinada.

[0040] Conforme mostrado pelo gráfico 400, o valor limiar de operação pode ser positivamente correlacionado com a carga útil, de modo que um aumento nos resultados da carga útil em um aumento correspondente no valor limiar de operação. De modo similar, à medida que a carga útil determinada diminui (por exemplo, conforme o tempo decorre sem acionamento do mecanismo de guinada), o valor limiar de operação também é reduzido. Em tal realização, o acionamento de um componente de turbina eólica 130 pode ser entendido para fornecer retroinformação que é usada na determinação de quando acionar o componente de turbina eólica 130 novamente no futuro.

[0041] O método 300 pode ser realizado repetidamente (por exemplo, continuamente, periodicamente, e/ou mediante solicitação) para determinar 310 uma primeira carga útil, uma segunda carga útil, etc., e para calcular 315 um primeiro valor limiar de operação, um segundo valor limiar de operação, etc., sucessivamente. Cada vez que o método 300 é executado, a carga útil e valor limiar de operação são baseados nos acionamentos do componente de turbina eólica 130 dentro do período de tempo relevante. À medida que o tempo avança novos acionamentos aparecem dentro do período de tempo, e acionamentos antigos eventualmente caem fora do período de tempo e são desconsiderados. Assim, o valor limiar de operação associado ao componente de turbina eólica 130 é ajustado ao longo do tempo com base na atuação do componente de turbina eólica 130. Adicionalmente, o método 300 pode ser realizado para qualquer número de componentes de turbina eólica 130 na turbina eólica 100, de modo que uma pluralidade de componentes de turbina eólica 130 sejam associados com cargas úteis determinadas de modo dinâmico e valores limiares de operação.

[0042] A Figura 4 é um fluxograma de um método 350 para controlar uma turbina eólica, tal como a turbina eólica 100 (mostrada na Figura 1). Em tais realizações, o método 350 pode ser realizado simultaneamente com o método 300 (mostrado na Figura 3). Além disso, ou alternativamente, o método 300 pode ser incorporado ao método 350, de modo que um valor limiar de operação atual seja disponível para o método 350.

[0043] O método 350 inclui determinar 355 uma condição de operação atual. Referindo-se às Figuras 2 e 4, em algumas realizações, determinar 355 a condição de operação atual inclui receber uma condição de operação, tal como uma condição meteorológica (por exemplo, uma velocidade do vento e/ou direção do vento), de um sensor 125. Uma pluralidade de tais condições de operação pode ser a média ao longo um período de tempo (por exemplo, trinta segundos, sessenta segundos ou três minutos).

[0044] A condição de operação atual é comparada 360 a um valor limiar de operação, tal como um valor limiar de operação calculado 315 pelo método 300 (mostrado na Figura 3). Em algumas realizações, múltiplos componentes de turbina eólica 130 são associados a valores limiares de operação que correspondem à condição de operação. Por exemplo, tanto um mecanismo de passo da pá quanto um conversor de potência podem ser associados a valores limiares de operação que correspondem ao torque do eixo de acionamento. A condição de operação atual (por exemplo, o torque do eixo de acionamento atual) é comparada 360 a cada valor limiar de operação.

[0045] Quando a condição de operação atual viola o valor limiar de operação, o componente de turbina eólica 130 associado ao valor limiar de operação é acionado 365 pela interface de controle 220 e/ou um dispositivo de controle 120. Em realizações, um valor limiar de operação é expresso como um valor mínimo ou um valor máximo. Uma condição de operação é considerada violar um valor limiar de operação mínimo quando a condição de operação é menor que o valor limiar de operação mínimo. De maneira contrária, uma condição de operação é considerada violar um valor limiar de operação máximo quando a condição de operação é maior que o valor limiar de operação máximo. Por exemplo, se o torque do eixo de acionamento atual exceder um torque de eixo de acionamento máximo associado a um mecanismo de passo de pá, o mecanismo de passo de pá pode ser acionado 365 para reduzir o passo das pás de rotor 108 (mostrado na Figura 1), de modo que o torque do eixo de acionamento seja reduzido. De modo similar, se o torque de eixo de acionamento atual exceder um torque do eixo de acionamento máximo associado a um conversor de potência, o conversor de potência pode ser acionado 365 para reduzir o torque do eixo de acionamento. Por exemplo, em um gerador de indução duplamente alimentado (DFIG), a força do campo magnético no gerador pode ser reduzida para reduzir o torque do eixo de acionamento.

[0046] Exemplos em particular são descritos acima em relação aos valores limiares de operação que representam valores aceitáveis máximos. Além disso, ou alternativamente, os valores limiares de operação associados com alguns componentes de turbina eólica 130 podem representar valores aceitáveis mínimos. Por exemplo, um calefator, tal como um calefator de lubrificação, pode ser associado a uma temperatura de lubrificação mínima. Quando a temperatura de lubrificação atual é menor que a temperatura de lubrificação mínima, o calefator de lubrificação pode ser acionado 365 para elevar a temperatura de lubrificação.

[0047] Em algumas realizações, o método 350 é executado em relação a uma pluralidade de componentes de turbina eólica 130 e/ou uma pluralidade de valores limiares de operação. Referindo-se às Figuras 2 a 5, a primeira linha 415 representa um valor limiar de operação associado ao primeiro componente de turbina eólica 135 (por exemplo, um mecanismo de guinada). O gráfico 400 inclui uma segunda linha 420 que representa um valor limiar de operação associado ao segundo componente de turbina eólica 140. Conforme mostrado na Figura 5, a segunda linha 420 representa um valor limiar de operação calculado de modo dinâmico. Alternativamente, o valor limiar de operação associado ao segundo componente de turbina eólica 140 pode ser estático. Um valor limiar de operação estático pode ser representado por uma linha horizontal (não mostrada) no gráfico 400.

[0048] Em tal realização, uma direção de vento relativa atual pode ser determinada 355. Se a direção do vento relativa atual for maior que a direção do vento relativa máxima representada pela primeira linha 415, o primeiro componente de turbina eólica 135 é acionado 365. Se a direção do vento relativa atual for maior que a direção do vento relativa máxima representada pela segunda linha 420, o segundo componente de turbina eólica 140 é acionado 365.

[0049] Conforme ilustrado pelo gráfico 400, o acionamento 365 dos componentes de turbina eólica 130 pode ser dependente da carga útil associada com cada componente de turbina eólica 130. Por exemplo, quando o primeiro componente de turbina eólica 135 é associado a dez acionamentos, o valor limiar de operação associado ao primeiro componente de turbina eólica é igual a 7,5°, conforme indicado por um primeiro ponto 425. O valor limiar de operação mais baixo associado ao segundo componente de turbina eólica é 9°, que é maior que o valor limiar de operação do primeiro componente de turbina eólica 135 no primeiro ponto 425. Assim, à medida que uma condição de operação atual (por exemplo, direção do vento relativa) aumenta próximo a 7,5°, o primeiro componente de turbina eólica 135 é acionado 365, que pode reduzir a condição de operação atual para abaixo do valor limiar de operação de 7,5° no primeiro ponto 425.

[0050] O acionamento 365 do primeiro componente de turbina eólica 135 é detectado 305 e afeta a carga útil determinada 310 para o primeiro componente de turbina eólica 135. Mais especificamente, o primeiro componente de turbina eólica 135 é agora associado a onze acionamentos e um valor limiar de operação de aproximadamente 9,8°, conforme indicado por um segundo ponto 430. Se o segundo componente de turbina eólica 140 for associado a treze ou menos acionamentos, indicados por um terceiro ponto 435, um valor limiar de operação de 9° é associado ao segundo componente de turbina eólica 140. Esse valor limiar de operação é menor que o valor limiar de operação do primeiro componente de turbina eólica 135 no segundo ponto 430. Assim, conforme a condição de operação atual aumenta próximo de 9° em um tempo posterior, o segundo componente de turbina eólica 140 é acionado. Baseando-se os acionamentos 365 do primeiro componente de turbina eólica 135 e do segundo componente de turbina eólica 140 em cargas úteis determinadas correspondentes facilita o equilíbrio da carga útil entre o primeiro componente de turbina eólica 135 e o segundo componente de turbina eólica 140, de modo que não seja exposto à tensão e/ou desgaste excessivos.

[0051] As realizações descritas no presente documento possibilitam a operação de um ou mais componentes de turbina eólica com base em um histórico de acionamento recente associados a cada componente de turbina eólica. Assim, as frequências com as quais os componentes de turbina eólica são acionados podem ser distribuídas em partes relativamente iguais, facilitando a redução da probabilidade de desgaste excessivo de qualquer componente individual.

[0052] Os métodos descritos no presente documento podem ser incorporados como instruções executáveis realizadas em um meio de leitura para computador, incluindo uma memória de um dispositivo de computação tal como um controlador de turbina eólica. Tais instruções, quando executadas por um processador, levam o processador a realizar pelo menos uma porção dos métodos descritos no presente documento.

[0053] Os métodos e sistemas descritos no presente documento não são limitados às realizações específicas descritas no presente documento. Por exemplo, os componentes de cada sistema e/ou etapas de cada método podem ser usadas e/ou praticadas independentemente e separadamente de outros componentes e/ou etapas descritas no presente documento. Além disso, cada componente e/ou etapa pode também ser usada e/ou praticada com outros aparelhos e métodos.

[0054] Algumas realizações envolvem o uso de um ou mais dispositivos eletrônicos ou de computação. Tais dispositivos tipicamente incluem um processador ou controlador, tal como uma unidade central de processamento de propósito geral (CPU), uma unidade de processamento gráfico (GPU), um microcontrolador, um processador de computador com um conjunto reduzido de instruções (RISC), um circuito integrado específico de aplicação (ASIC), um circuito lógico programável (PLC), e/ou qualquer outro circuito ou processador que tenha a capacidade de executar as funções descritas no presente documento. Os métodos descritos no presente documento podem ser codificados como instruções executáveis realizadas em um meio de leitura por computador, incluindo, sem limitação, um dispositivo de armazenamento e/ou um dispositivo de memória. Tais instruções, quando executadas por um processador, levam o processador a realizar pelo menos uma porção dos métodos descritos no presente documento. Os exemplos acima são exemplificativos somente, e dessa maneira não têm a intenção de limitar de qualquer maneira a definição e/ou significado do termo processador.

[0055] Essa descrição por escrito usa exemplos para revelar a invenção, incluindo o melhor modo e, também, para possibilitar qualquer pessoa versada na técnica pratique a invenção, incluindo fazer e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e realizar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorrem aos técnicos no assunto. Tais outros exemplos têm a intenção de estarem dentro do escopo das reivindicações se os mesmos tiverem elementos estruturais que não difiram da linguagem literal das reivindicações, ou se os mesmos incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais da linguagem literal das reivindicações.

Claims

SISTEMA PARA CONTROLAR UMA OPERAÇÃO DE UMA TURBINA EÓLICA (100), caracterizado por compreender:
um dispositivo de controle (120) de turbina eólica configurado para acionar um componente de turbina eólica (130); e
um controlador de turbina eólica (205) comunicativamente acoplado ao dispositivo de controle (120) e configurado para:
determinar uma carga útil associada ao componente de turbina eólica (130) com base, pelo menos em parte, em um ou mais acionamentos do componente de turbina eólica (130) pelo dispositivo de controle (120) dentro de um período de tempo;
calcular um valor limiar de operação com base, pelo menos em parte, na carga útil determinada; em que o valor limiar de operação calculado e a carga útil determinada tem uma relação ao menos parcialmente definida pelo limiar de operação proporcional a (1 - e- (carga útil)) / (1 + e- (carga útil)); e
operar o componente de turbina eólica (130) pelo dispositivo de controle (120) com base no valor limiar de operação calculado.
SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo controlador de turbina eólica (205) determinar a carga útil com base, pelo menos em parte, em uma quantidade de acionamentos pelo dispositivo de controle (120) de turbina eólica.
SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo controlador de turbina eólica (205) determinar a carga útil com base, pelo menos em parte, em um tempo decorrido de acionamento pelo dispositivo de controle (120).
SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo valor limiar estar associado a uma condição de operação, sendo que o sistema compreende, adicionalmente, um sensor (125) configurado para indicar a condição de operação, em que o controlador de turbina eólica (205) é configurado para acionar o componente de turbina eólica (130) através do dispositivo de controle (120) quando a condição de operação viola o valor limiar calculado.
SISTEMA, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo controlador de turbina eólica (205) ser configurado para acionar o componente de turbina eólica (130) pelo dispositivo de controle (120) quando uma condição meteorológica indicada pelo sensor (125) viola o valor limiar de operação calculado.
SISTEMA, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo valor limiar de operação ser um primeiro valor limiar de operação com base em uma primeira carga útil, e o controlador de turbina eólica (205) ser adicionalmente configurado para:
determinar uma segunda carga útil com base, pelo menos em parte, no acionamento do componente de turbina eólica (130) pelo controlador de turbina eólica (205); e,
calcular um segundo valor limiar de operação com base, pelo menos em parte, na segunda carga útil.
SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dispositivo de controle (120) ser um primeiro dispositivo de controle configurado para acionar um primeiro componente de turbina eólica (130), sendo que o dispositivo de controle (120) é associado a um primeiro valor limiar de operação, sendo que o sistema compreende, adicionalmente, um segundo dispositivo de controle comunicativamente acoplado com o controlador de turbina eólica (205) e configurado para acionar um segundo componente de turbina eólica, em que o controlador de turbina eólica (205) é configurado, adicionalmente, para:
determinar uma carga útil associada ao segundo componente de turbina eólica com base, pelo menos em parte, em um ou mais acionamentos do segundo componente de turbina eólica pelo segundo dispositivo de controle dentro de um período de tempo;
calcular um segundo valor limiar de operação com base, pelo menos em parte, na carga útil associada ao segundo componente de turbina eólica; e
operar o componente de turbina eólica (130) pelo segundo dispositivo de controle com base no segundo valor limiar de operação.
SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dispositivo de controle (120) ser configurado para acionar um componente de turbina eólica (130) através do acionamento de pelo menos um dentre um mecanismo de guinada, um mecanismo de passo de pá e um conversor de potência.
MÉTODO PARA CONTROLAR UMA OPERAÇÃO DE UMA TURBINA EÓLICA (100), sendo o método caracterizado por compreender:
operar um componente de turbina eólica (130) em um primeiro momento com base em um primeiro valor limiar de operação, em que o primeiro valor limiar de operação é baseado, pelo menos em parte, em um ou mais acionamentos do componente de turbina eólica (130) dentro de um primeiro período de tempo;
determinar, através de um dispositivo de computação, uma carga útil com base, pelo menos em parte, em um ou mais acionamentos do componente de turbina eólica (130) dentro de um segundo período de tempo subsequente ao primeiro período de tempo;
calcular, através do dispositivo de computação, um segundo valor limiar de operação com base, pelo menos em parte, na carga útil;
em que o valor limiar de operação calculado e a carga útil determinada tem uma relação ao menos parcialmente definida pelo limiar de operação proporcional a (1 - e- (carga útil)) / (1 + e- (carga útil)); e
operar o componente de turbina eólica (130) em um segundo momento subsequente ao primeiro momento com base no segundo valor limiar de operação.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo componente de turbina eólica (130) ser um primeiro componente de turbina eólica, sendo que o método compreende, adicionalmente:
determinar um terceiro valor limiar de operação que seja associado a um segundo componente de turbina eólica, em que o terceiro valor limiar de operação é maior que o primeiro valor limiar de operação e menor que o segundo valor limiar de operação;
acionar o primeiro componente de turbina eólica quando uma condição de operação for maior que o primeiro valor limiar de operação no primeiro momento; e,
acionar o segundo componente de turbina eólica quando a condição de operação for maior que o terceiro valor limiar de operação no segundo momento.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo segundo valor limiar de operação ser baseado em uma primeira carga útil que está associada a um primeiro componente de turbina eólica, sendo que o método compreende, adicionalmente:
determinar, através do dispositivo de computação, uma segunda carga útil associada a um segundo componente de turbina eólica;
calcular, através do dispositivo de computação, um terceiro valor limiar de operação com base, pelo menos em parte, na segunda carga útil; e,
operar o segundo componente de turbina eólica com base no terceiro valor limiar de operação.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por determinar a carga útil compreende determinar uma carga útil que seja positivamente correlacionada a uma quantidade de acionamentos do componente de turbina eólica (130) dentro do segundo período de tempo.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por determinar a carga útil compreende determinar uma carga útil que seja positivamente correlacionada a um nível agregado de acionamento dentro do segundo período de tempo.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por compreender, adicionalmente, determinar uma condição meteorológica, em que operar o componente de turbina eólica (130) com base no segundo valor limiar de operação compreende acionar o componente de turbina eólica (130) quando a condição meteorológica for maior que o segundo valor limiar de operação.