BR112022011501B1 - Controlador do passo da lâmina para uma turbina eólica - Google Patents

Abstract

CONTROLADOR DO PASSO DA LÂMINA PARA UMA TURBINA EÓLICA. Um controlador do passo da lâmina para uma turbina eólica compreende um sistema de controle nominal e uma alça de retroalimentação de torre. A alça de retroalimentação de torre compreende um sistema de filtração. O sistema de filtração é arranjado para controlar o passo da lâmina da turbina eólica de modo a prover rigidez eficaz adicional para a turbina eólica em resposta ao movimento da turbina eólica que esteja acima de uma frequência de filtro do sistema de filtração.

Description

[0001] A presente invenção se refere ao campo de controle do passo da lâmina do rotor para turbina eólica. Mais especificamente, a mesma se refere ao controle do passo da lâmina do rotor para turbinas de vento em alto-mar com fundação fixa.

[0002] Um diagrama esquemático mostrando um exemplo de uma turbina de vento em alto-mar com fundação fixa é mostrada na Fig. 1. Como mostrado nesta figura, uma turbina eólica em alto-mar com fundação fixa 1 tipicamente compreende uma torre alongada 5, com uma nacela 4 e um rotor 2 fixado à extremidade superior da torre 5. O gerador e o seu sistema eletrônico associado estão usualmente localizados na nacela 4. O rotor 2 compreende uma pluralidade lâminas (por exemplo duas ou três) 3. A turbina eólica 1 é fixada, por intermédio da fundação 6 que é conectada à extremidade inferior da torre 5, ao leito marinho 7 em uma localização em alto-mar.

[0003] Neste contexto, deve ser entendido que “alto-mar” (offshore) simplesmente significa que a fundação da turbina eólica é circundada por água. Isto seria, e tipicamente é, água do mar, por exemplo.

[0004] É conhecido para controlar o passo das lâminas do rotor de modo a desempenho o desempenho em turbinas eólicas. Por exemplo, o passo da lâmina pode ser controlado para aperfeiçoar potência de saída (power output). Entretanto, o passo da lâmina também pode ser controlado por outras razões, tais como para reduzir vibrações.

[0005] Os métodos de usar coletivo do passo da lâmina (isto é, controlar todas as lâminas do rotor juntas pela mesma quantidade) para aumentar a atenuação aerodinâmica dos modos de rigidez à flexão das turbinas eólicas em alto-mar com fundação fixa são bem conhecidos na indústria da energia eólica. A atenuação aerodinâmica aumentada resulta em dano por fadiga reduzido tanto da torre quanto da(s) fundação(ões) para as turbinas eólicas de alto-mar com fundação fixa. Tais métodos de controle são debatidos em Van der Hooft, 2003 e Bossanyi, 2003 (ver a lista de referências abaixo). Entretanto, estes métodos são apenas eficientes em uma faixa de frequência estreita em torno da primeira frequência modal de avanço-recuo.

[0006] Mais recentemente, também é conhecido usar controle do passo da lâmina coletivo para aumentar a rigidez, assim como a atenuação aerodinâmica, dos modos de vibração de avanço-recuo de turbinas eólicas em alto-mar com fundação fixa. Um tal método é debatido em Smilden, 2018.

[0007] Este método está fundamentado em um controlador do passo da lâmina compreendendo uma malha de retroalimentação de torre consistindo em um estimador de estado e um modelo de referência, que ambos usam modelos de baixa fidelidade do sistema de turbina eólica, com o propósito de dividir ou separar os movimentos induzidos pelo vento e onda, e prover rigidez com base na parte induzida pela onda do movimento e prover atenuação com base na velocidade global da torre.

[0008] As vantagens principais da rigidez aumentada são que a primeira frequência de flexão é adicionalmente movida para fora das frequências de excitação de onda e que a mesma alcança uma faixa de frequência mais ampla de eficácia do que de prover apenas atenuação aumentada. Isto é acreditado ser de maior importância para turbinas eólicas em alto-mar grandes (6 a 10 MW e além, por exemplo) onde cargas de onda frequentemente dominam em termos de utilização de fadiga. A melhoria maior comparada aos controladores provendo atenuação aumentada apenas foi verificada em estados de alto-mar.

[0009] O método de controle divulgado em Smilden, 2018 mostra desempenho excelente com respeito à fadiga. Entretanto, o mesmo é um sistema de controle relativamente complexo, com diversos modelos de baixa fidelidade implementados em um estimador de estado e um modelo de referência. Este método também é dependente de uma medição da velocidade média do vento, que pode ser desafiador para a obtenção de precisão suficiente.

[0010] Assim, há uma necessidade quanto a um método de controle melhorado do passo da lâmina para turbinas de vento em alto-mar com fundação fixa.

[0011] De acordo com um primeiro aspecto da invenção, é provido um controlador do passo da lâmina para uma turbina eólica, o controlador do passo da lâmina compreendendo um sistema de controle nominal e uma malha de retroalimentação de torre, em que a malha de retroalimentação de torre compreende um sistema de filtração e a malha de retroalimentação de torre é arranjada para controlar passo da lâmina de turbina eólica de modo a prover rigidez eficaz adicional para a turbina eólica em resposta ao movimento da turbina eólica acima de uma frequência de filtro do sistema de filtração.

[0012] Assim, a invenção provê um controlador do passo da lâmina que ajusta o passo da lâmina de modo a prover rigidez eficaz para a turbina eólica em resposta ao movimento da turbina eólica acima de uma frequência de filtro do sistema de filtração. Prover rigidez eficaz adicional para a turbina eólica em resposta, por exemplo, a todo o movimento dinâmico medido da torre acima de uma frequência de filtro, significa que tal atenuação pode ser aplicada em resposta ao movimento induzido tanto pelas ondas quanto pelo vento.

[0013] O termo “rigidez eficaz” se refere ao fato de que a rigidez mecânica da torre de turbina eólica é naturalmente inalterada, mas ajustando-se o passo da lâmina, as propriedades de rigidez dinâmica da turbina eólica são alteradas tal que a turbina eólica eficazmente atua como se fosse mais rígida.

[0014] Uma turbina eólica oscilará de acordo com a seguinte equação para movimento harmônico atenuado:

[0015] massa x aceleração + constante de atenuação x velocidade + constante de rigidez x deslocamento = 0

[0016] Ajustar o passo da lâmina pode ajustar a constante de atenuação e/ou a constante de rigidez nesta equação.

[0017] Usar um sistema de filtração possibilita que a rigidez eficaz da turbina eólica seja aumentada apenas em resposta ao movimento da turbina eólica que esteja acima de uma frequência de filtro do sistema de filtração, em um modo relativamente simples. Em outras palavras, este mecanismo de prover rigidez aumentada pode ser aplicado seletivamente em resposta apenas ao movimento da turbina eólica que esteja acima de uma certa frequência. Por exemplo, em algumas modalidades a frequência de filtro pode ser (ou estar em torno) de 2π/25 rad/s. A frequência de filtro está preferivelmente acima da faixa de frequência de onda, que está usualmente em torno de 0,2 a 0,05 Hz.

[0018] Um objetivo pelo menos das modalidades preferidas da invenção é prover um controle simplificado do esquema coletivo do passo da lâmina para aumentar a atenuação e rigidez dos modos de rigidez à flexão, por exemplo, para turbinas de vento em alto-mar com fundação fixa.

[0019] A presente invenção provê uma simplificação excelente em relação ao sistema apresentado em Smilden, 2018. Os inventores obtiveram isto pela percepção de que a provisão de rigidez eficaz adicional a uma turbina eólica pode ser obtida com filtração simples, por exemplo, das medições/estimativas disponíveis de posição e/ou velocidade (como descrito em mais detalhes abaixo), ao invés de com o estimador de estado (e sua modelagem complexa associada), modelo de referência e medição da velocidade média do vento como requerido no sistema de Smilden, 2018. Assim, diferente do sistema de Smilden, 2018, a presente invenção não (necessariamente) requer o uso ou presença de um estimador de estado, modelo de referência e medição de vento médio.

[0020] O uso de um sistema de filtração simples, como na presente invenção, pode garantir que não haja nenhum erro de estado constante na malha de controle de velocidade do rotor (como obtido pelo uso de estimador de estado e modelos de referência no sistema de Smilden, 2018). Além disso, a presente invenção pode prover rigidez eficaz para todo movimento dinâmico da turbina eólica acima da frequência de filtro do sistema de filtração e preferivelmente também dentro da largura de banda de um atuador de passo de lâmina. Ao contrário disto, o sistema de Smilden, 2018 proveu rigidez apenas para a parte induzida por onda dos movimentos dinâmicos.

[0021] Visto que a malha de retroalimentação de torre pode operar para prover rigidez eficaz adicional para todos os movimentos dinâmicos medidos da torre acima de uma frequência de filtro do sistema de filtração e abaixo da largura de banda do mecanismo do passo da lâmina, isto pode excluir qualquer influência devido, por exemplo, a um torre de turbina eólica inclinando devido a um vento constante ou mudanças suaves no vento (frequência zero ou baixa) mas pode atuar sobre o movimento causado pela frequência relativamente alta das ondas atingindo a torre.

[0022] A malha de retroalimentação de torre está preferivelmente arranjada para controlar o passo da lâmina da turbina eólica de modo a prover rigidez eficaz adicional e atenuação para a turbina eólica em resposta ao movimento induzido tanto pelas ondas quanto pelo vento da turbina eólica.

[0023] Assim, este controlador pode ser particularmente útil onde haja movimento induzido tanto pelas ondas quanto pelo vento da turbina eólica. Como tal, a turbina eólica é preferivelmente uma turbina eólica em alto-mar.

[0024] A turbina eólica pode ser uma turbina eólica de fundação fixa.

[0025] A malha de retroalimentação de torre é preferivelmente arranjada para controlar o passo da lâmina da turbina eólica para reduzir ou minimizar as oscilações da torre.

[0026] Ao contrário disto, o sistema de controle nominal é preferivelmente arranjado para controlar o passo da lâmina da turbina eólica de modo a otimizar a produção de potência.

[0027] O sistema de filtração pode compreender um ou mais filtros, por exemplo como descrito abaixo. Em alguns casos, o sistema de filtração pode compreender dois ou três filtros. O um ou mais filtros podem compreender um ou mais de um filtro passa- alta, um filtro passa-baixa e um filtro notch. Estes são descritos em mais detalhes abaixo.

[0028] O sistema de filtração preferivelmente compreende um filtro passa-alta. Este pode ser usado para filtrar o movimento da turbina eólica que esteja abaixo de uma frequência de filtro do filtro passa-alta. A frequência de filtro do sistema de filtração aludido acima pode assim (e preferivelmente o faz) corresponder com a frequência de filtro de um filtro passa-alta.

[0029] A malha de retroalimentação de torre é preferivelmente arranjada para controlar o passo da lâmina da turbina eólica de modo a prover rigidez eficaz adicional e atenuação para a turbina eólica em resposta ao movimento da turbina eólica que esteja dentro de uma largura de banda de um atuador de passo de lâmina. Uma constante de tempo para o atuador de passo de lâmina pode variar com o modelo e tamanho da turbina. Entretanto, uma faixa típica estaria em torno de 0,2 a 2 segundos.

[0030] A posição e/ou medições ou estimativas da velocidade da turbina eólica são preferivelmente providas como entrada para o sistema de filtração. Em alguns casos, as medições ou estimativas tanto de posição quanto de velocidade podem ser providas como entrada. Em outros casos, apenas um tipo, por exemplo medições ou estimativas de posição, podem ser provido como entrada. Por exemplo, pode não ser requerido ou desejável filtrar as medições ou estimativas de velocidade. Isto é porque o efeito de atenuação associado com a medição de velocidade em princípio reagiria com todas as movimentações dentro da largura de banda do atuador de passo de lâmina visto que o mesmo não contém um valor estático. Visto que não há tipicamente nenhum componente de estado constante (ou um insignificante) no sinal de velocidade, um filtro passa-alta pode não ser requerido. É preferível, mas não necessário, usar um filtro passa-baixa para filtrar ruído de alta frequência.

[0031] As medições ou estimativas de posição e/ou velocidade podem ser providas a partir de medições diretas ou elas poderiam ser calculadas com base nas medições de posição, velocidade e/ou aceleração.

[0032] As medições ou estimativas de posição e/ou velocidade podem ser providas a partir de um ou mais sensores (de movimento) localizados na turbina eólica, e preferivelmente localizados em uma torre, deck ou fundação de plataforma da turbina eólica. Preferivelmente, o um ou mais sensores estão localizados na ou próximos de uma linha d’água na turbina eólica.

[0033] Pode ser vantajoso localizar tais sensores de movimento próximos ou na linha d’água (por exemplo como oposto a estar mais próximo a/na nacela). Isto é porque os sensores podem depois capturar melhor o movimento induzido pelas ondas e capturar menos ruído induzido pelo vento tal como o efeito de frequência de passagem da lâmina. O deck da plataforma de uma turbina eólica em alto-mar pode ser uma localização prático e vantajosa para tais sensores de movimento. Tal seleção de localização de sensor pode depois evitar vantajosamente a necessidade para prover filtragem da frequência de passagem da lâmina (que é descrita mais abaixo).

[0034] O sistema de filtração é preferivelmente arranjado para posição filtrada de saída e/ou medições de velocidade da turbina eólica. Tais medições podem ser depois usadas (por exemplo, na malha de retroalimentação de torre) para determinar um passo de ajuste da lâmina.

[0035] Em alguns casos, onde as medições tanto de posição quanto de velocidade filtradas são produzidas a partir do sistema de filtração, o sistema de filtração é arranjado para filtrar as medições da posição e velocidade da turbina eólica diferentemente, por exemplo com filtros diferentes.

[0036] O sistema de filtração é preferivelmente arranjado para filtra movimento estático e/ou quase-estático (por exemplo muito lento). Isto pode ser causado pelas mudanças constantes e/ou lentas no vento, por exemplo, resultando em movimento de baixa frequência induzido pelo vento.

[0037] A filtragem de tal movimento estático e/ou quase-estático pode ser realizada com um filtro passa-alta tal como um filtro passa-alta de Butterworth de segunda ordem. Isto usaria uma transformada de Laplace tal como

[0038] onde hfa é a função da transformada de Laplace, <afa é a frequência de filtro passa-alta em rad/s e s é a variável de Laplace.

[0039] Em algumas modalidades, o sistema de filtração é arranjado para filtrar o movimento em uma frequência de passagem da lâmina. Por exemplo, para uma turbina eólica de três lâminas, o sistema de filtração pode ser arranjado para a filtragem de movimento na frequência 3P. Similarmente, para uma turbina eólica de duas lâminas, o sistema de filtração pode ser arranjado para filtrar o movimento na frequência 2P. A frequência 3P estaria na faixa de 0,2 a 0,6 Hz e/ou a frequência 2P estaria na faixa de 0,15 a 0,5 Hz, por exemplo.

[0040] Como descrito acima, o sistema de filtração pode compreender um filtro notch. Por exemplo, o filtro notch pode ser usado para filtrar o movimento em uma frequência de passagem da lâmina. Como tal, o filtro notch pode ter uma frequência de filtro notch correspondendo à frequência de passagem da lâmina. A frequência de passagem da lâmina potencialmente mudaria com a velocidade do rotor. Entretanto, na prática, a funcionalidade da turbina eólica desta invenção tipicamente será ativada apenas acima da velocidade do vento nominal da turbina eólica onde a velocidade do rotor (e consequentemente a frequência de passagem da lâmina) é (quase) constante.

[0041] O sistema de filtração pode ser arranjado para filtrar o ruído tal como ruído ou respostas de alta frequência. Isto seria realizado com um filtro passa-baixa, por exemplo (preferivelmente com uma frequência de filtro suficientemente alta tal como 0,5 Hz). O filtro passa-baixa seria um filtro passa-baixa de Butterworth de segunda ordem.

[0042] A malha de retroalimentação de torre preferivelmente compreende adicionalmente um controlador de retroalimentação. O controlador de retroalimentação é preferivelmente arranjado para receber uma saída do sistema de filtração e para produzir um sinal para o sistema de controle nominal. Por exemplo, o controlador de retroalimentação é preferivelmente arranjado para determinar e produzir um sinal de referência do passo da lâmina (ajuste do passo da lâmina) a partir das medições de saída (por exemplo, medições de posição e/ou velocidade filtradas da turbina eólica) a partir do sistema de filtração. O sinal de referência do passo da lâmina pode ser um ajuste (por exemplo um ajuste angular) que é adicionado a um sinal de referência do passo nominal da lâmina provido a partir de um controlador básico no sistema de controle nominal.

[0043] A saída do sinal de referência do passo da lâmina βTFC do controlador de retroalimentação pode ser expressa como:

[0044] ondeKxP é um ganho proporcional, KxD é um ganho derivado.A Fβ(ω, β) pode ser implementado como uma estimativa da derivada do ângulo de passo para a força de empuxo aerodinâmico:

[0045] onde ω é a velocidade do rotor e β é o passo do ângulo da lâmina. FβA.( ω, β) seria tipicamente implementado como um valor constante ou um valor de escalonamento de ganho como uma função do ângulo do passo da lâmina e/ou velocidade medida do rotor.

[0046] xf1 é a medição/estimativa da posição filtrada x e xf2 é a medição/estimativa da posição filtrada x, onde a direção x com respeito à turbina eólica é como indicada na Fig. 1.

[0047] De acordo com um aspecto adicional da invenção, é provido um método de controlar o passo da lâmina de uma turbina eólica, o método compreendendo usar um controlador do passo da lâmina com um sistema de filtração para controlar o passo da lâmina de modo a prover rigidez eficaz adicional para a turbina eólica em resposta ao movimento da turbina eólica acima de uma frequência de filtro do sistema de filtração.

[0048] O método preferivelmente compreende usar um controlador do passo da lâmina como descrito acima (com qualquer um de seus traços opcionais ou preferidos).

[0049] O método pode compreender controlar o passo da lâmina da turbina eólica de modo a prover rigidez eficaz adicional para a turbina eólica em resposta ao movimento induzido tanto pelas ondas quanto pelo vento da turbina eólica.

[0050] O método pode compreender controlar o passo da lâmina da turbina eólica de modo a prover rigidez eficaz adicional para a turbina eólica em resposta ao movimento da turbina eólica dentro de uma largura de banda de um atuador de passo de lâmina.

[0051] O método preferivelmente compreende usar o sistema de filtração para filtrar as medições e/ou estimativas da posição e/ou velocidade da turbina eólica.

[0052] O método pode compreender: filtrar as medições e/ou estimativas de posição e velocidade da turbina eólica diferentemente; filtrar o movimento estático e/ou quase-estático; e/ou filtrar o movimento em uma frequência de passagem da lâmina.

[0053] O método preferivelmente compreende determinar um sinal de referência do passo da lâmina das medições e/ou estimativas de posição e/ou velocidade da turbina eólica.

[0054] De acordo com um aspecto adicional da invenção, é provida uma turbina eólica compreendendo um controlador do passo da lâmina como descrito acima.

[0055] A turbina eólica preferivelmente compreende um ou mais sensores de movimento sensores como descritos acima.

[0056] De acordo com um aspecto adicional da invenção, é provido um controlador de retroalimentação da torre para um controlador do passo da lâmina para uma turbina eólica, em que o controlador de retroalimentação da torre compreende um sistema de filtração e o sistema de filtração é arranjado para controlar o passo da lâmina da turbina eólica de modo a prover rigidez eficaz adicional para a turbina eólica em resposta ao movimento da turbina eólica acima de uma frequência de filtro do sistema de filtração. O controlador de retroalimentação da torre, e preferivelmente também o seu sistema de filtração, é preferivelmente como descrito acima.

[0057] As modalidades preferidas da invenção serão agora descritas apenas por via de exemplo e com referência aos desenhos anexos, em que:

[0058] A Fig. 1 é um diagrama esquemático de uma turbina de vento em alto-mar com fundação fixa;

[0059] A Fig. 2 é um diagrama esquemático de um sistema de controle de lâmina conhecido;

[0060] A Fig. 3 é um diagrama esquemático de uma modalidade de um sistema de controle de lâmina de acordo com a invenção;

[0061] A Fig. 4 é um gráfico comparando sinais não filtrados e sinais filtrados de acordo com uma modalidade da invenção;

[0062] A Fig. 5 é uma plotagem de comparação com tempo de vida do acúmulo de dano de fadiga na fundação da turbina eólica; e

[0063] As Figs. 6a-d são plotagens mostrando os resultados de uma simulação ilustrando a eficácia de um controlador do passo da lâmina de acordo com a invenção comparada com o controle de atenuação convencional.

[0064] A presente invenção se refere a um controlador do passo da lâmina 20 para uma turbina eólica em alto-mar com fundação fixa 1, como ilustrado esquematicamente nas Figs. 3 e 1, respectivamente.

[0065] De modo a melhor entender o controlador do passo da lâmina 20 da presente invenção, é útil considerar primeiro um controlador do passo da lâmina da técnica anterior 10, como ilustrado esquematicamente na Fig. 2.

[0066] O controlador do passo da lâmina 10, que é descrito em mais detalhes em Smilden, 2018, consiste em duas partes: um sistema de controle nominal 11 e uma malha de retroalimentação de torre 12.

[0067] O sistema de controle nominal 11 compreende um controlador básico 13 que recebe sinais a partir de e envia sinais para uma turbina eólica em alto-mar 14. O controlador básico 13 do sistema de controle nominal 11 ajusta o passo da lâmina da turbina eólica de modo a otimizar a produção de potência.

[0068] O sistema de controle nominal 11 é combinado com uma malha de retroalimentação de torre 12, que ajusta o passo da lâmina da turbina eólica para reduzir ou minimizar as movimentações da torre.

[0069] A malha de retroalimentação de torre 12 recebe medições (sinais) diretamente da turbina eólica em alto-mar 14. O objetivo principal da malha de retroalimentação da torre 12 é reduzir as cargas de fadiga induzidas pelas ondas na torre 5. O controle de passo coletivo derivado proporcional é utilizado para prover a torre 5 com atenuação e rigidez adicionais na direção longitudinal. A ação proporcional sobre o deslocamento da torre com uma entrada de referência zero introduziria um erro de estado constante da velocidade do rotor. Portanto, um modelo de referência 16 é utilizado para produzir uma trajetória de referência não zero representando o deslocamento da torre induzida pelo vento. De fato, a malha de retroalimentação de torre 12 provê rigidez apenas contra os deslocamentos de torre induzidos pela onda em uma faixa de frequência a respeito das frequências das variações de vento turbulento significantes. Tipicamente, informação acerca dos deslocamentos de torre não está disponível com as medições de turbina eólica padrão. Além disso, o modelo de referência requer informação acerca da velocidade do vento eficaz ampla do rotor, que não pode ser medida diretamente. Como tal, um estimador de estado 15 é requerido na malha de retroalimentação de torre 12 para determinar (ou estimar) estas variáveis. Um filtro Kalman prolongado com o tempo separado é formulado para calcular as estimativas de estado requeridas.

[0070] Um controlador de retroalimentação 17 recebe as saídas do estimador de estado 15 e modelo de referência 16, e alimenta isto de volta para a turbina eólica 14 em combinação com a saída do controlador básico 13.

[0071] Assim, a malha de retroalimentação de torre 12 opera em um tal modo que a rigidez é apenas aumentada em resposta ao movimento induzido pelas ondas (como oposto ao movimento induzido pelo vento). Isto é porque haverá normalmente um grau de deslocamento de torre induzido pelo vento - isto é a torre inclinará no vento (e permanece inclinada em algum grau contanto que o vento não mude). O estimador de estado 15 serve para estimar as movimentações de torre e o modelo de referência 16 provê um valor de deslocamento de torre (que não é ou não pode ser diretamente medido) que pode ser subtraído de modo que o deslocamento induzido pelo vento normal não cause um erro. Simplesmente, a malha de retroalimentação de torre 12 determina que os movimentos da turbina eólica sejam relativos a uma posição de inclinação real (causada pelo vento) ao invés de relativa a uma posição vertical (que a torre pode necessariamente não estar nela).

[0072] Entretanto, este controlador 10 é relativamente complexo e tem várias desvantagens como mencionado acima.

[0073] O controlador do passo da lâmina 20 da presente invenção, como ilustrado na Fig. 3, provê um controlador do passo da lâmina simplificado e melhorado comparado com aquele ilustrado na Fig. 2.

[0074] No controlador do passo da lâmina 20, o sistema de controle nominal 11 é inalterado a partir daquele da Fig. 2. Entretanto, uma nova malha de retroalimentação de torre 22 é provida, ao invés da malha de retroalimentação da torre 12 do controlador 10.

[0075] A malha de retroalimentação de torre 22 contém um sistema de filtração 25 ao invés do estimador de estado 15 e modelo de referência 16. O sistema de filtração 25 compreende um filtro passa-alta e opera para prover rigidez eficaz adicional para a turbina eólica em resposta a todos os movimentos dinâmicos medidos da torre acima da frequência de filtro do filtro passa-alta que está dentro da largura de banda do atuador de passo de lâmina, isto é, em resposta ao movimento induzido tanto pelas ondas quanto pelo vento. Ao contrário disto, a malha de retroalimentação de torre 12 provê rigidez apenas para a parte induzida por onda das movimentações dinâmicas da torre 5.

[0076] Conforme o sistema de filtração 25 opera para prover rigidez eficaz adicional para todo movimento dinâmico medido da torre acima da frequência de filtro do filtro passa-alta que estiver dentro da largura de banda do atuador de passo de lâmina, isto excluirá qualquer influência devido à inclinação da torre 5 devido a um vento constante ou mudanças suaves no vento (frequência zero ou baixa) mas atuará sobre o movimento causado pela frequência relativamente alta das ondas atingindo a torre 5.

[0077] A malha de retroalimentação de torre 22 contém um controlador de retroalimentação 17’. A estrutura deste controlador de retroalimentação 17’ é a mesma como aquele do controlador de retroalimentação 17 da Fig. 2. Seus parâmetros também seriam os mesmos. Entretanto, tipicamente, seus parâmetros não são os mesmos como (quando) para o controlador de retroalimentação 17’ os sensores de movimento estão localizados mais próximos da linha d’água do que para o controlador de retroalimentação 17.

[0078] O controlador de retroalimentação 17’ emite um sinal βTFC, que é um sinal de referência adicional do passo da lâmina que é adicionada ao passo nominal do sinal de referência da lâmina uBa partir do controlador básico 13.

[0079] A emissão de βTFC do controlador de retroalimentação 17 pode ser expresso como:

[0080] onde KxP é o ganho proporcional, e KxDé o ganho derivado. FβA(ω, β) é implementado como uma estimativa do derivado do ângulo do passo para força de empuxo aerodinâmico

[0081] onde w é a velocidade do rotor e β é o passo do ângulo da lâmina.

[0082] Além disso:

[0083] xf1 a medição/estimativa da posição filtrada x, que se relacionaria com um movimento de translação (sobretensão) ou angular (passo) na direção da nacela. Seria medida diretamente ou seria calculada com base na posição, medição da velocidade e/ou aceleração.

[0084] xf2 é a medição/estimativa velocidade filtrada x, que estaria relacionada com uma velocidade de translação ou velocidade angular na direção da nacela. Seria medido diretamente ou seria calculado com base na medição de posição, velocidade e/ou aceleração.

[0085] A direção x com respeito à turbina eólica é como indicado na Fig. 1.

[0086] A filtração é provida pelo sistema de filtração 25. Filtração diferente seria usada nas medições de posição e velocidade e filtração pode não ser requerida em todas as medições de xf2•

[0087] A filtração aplicada às medições x e x tipicamente seria:

[0088] Filtrar o movimento estático e quasi-estático (que tipicamente será movimento induzido pelo vento de baixa frequência). Isto seria obtido com um filtro passa-alta de Butterworth de segunda ordem com transformada de Laplace:

[0089] onde hfa é a função de transformada de Laplace, ω fa é a frequência de filtro passa-alta em rad/s e s é a variável de Laplace.

[0090] A filtragem da frequência 3P correspondendo à frequência de passagem da lâmina de uma turbina eólica de três lâminas (frequência 2P para uma turbina eólica de duas lâminas). Isto seria obtido com um filtro notch de segunda ordem da forma

[0091] onde hfb is é a função da transformada de Laplace e s é a variável de Laplace. ω fb é a frequência de filtro notch em rad/s são a atenuação relativa no nominador e denominador, respectivamente.

[0092] Os filtro passa-baixa convencionais (com uma frequência de filtro suficientemente alta) de ruído/resposta de frequência alta possível seria requerido, por exemplo usando-se um filtro passa-baixa de Butterworth de segunda ordem.

[0093] Os sensores de movimento (não mostrados) são providos na turbina eólica 1 para medir a posição % e a velocidade /. Estes sensores são vantajosamente localizados próxima ou na linha d’água 8 (por exemplo como oposto a estar mais próximo da/na nacela 4) de modo a melhor capturar movimento induzido pelas ondas e menos ruído induzido pelo vento tal como o efeito da frequência de passagem da lâmina. O deck da plataforma (não mostrada) de uma turbina eólica em alto-mar 1 seria uma localização prática e vantajosa para tais sensores de movimento.

[0094] Tal seleção de localização de sensor pode depois vantajosamente não requer a filtragem da frequência3P (ou 2P), e uma configuração controlada possível da equação (1) seria:

[0095] onde a frequência de filtro de alta passagem de hfa(s) seria selecionada como, por exemplo:

[0096] A Fig. 4 é um gráfico de dados simulados mostrando o deslocamento da torre plotado contra o tempo para um sinal não filtrado / (linha superior, azul) e um sinal filtrado Xfi(linha mais baixa, vermelha). O sinal não filtrado contém excitação de frequência de onda assim como excitação de frequência de onda estático e quasi- estático. O sinal filtrado está fundamentado com base na equação (5) acima com

[0097] Como pode ser observado, o sinal filtrado mostra um deslocamento médio centralizado em torno de zero ao passo que o sinal não filtrado mostra um aumento de deslocamento com o tempo.

[0098] O controlador do passo da lâmina 20 tem uma implementação significantemente mais simples comparada com o controlador da técnica anterior 10 da Fig. 2, embora forneça resultados muito similar.

[0099] A tabela abaixo apresenta uma comparação de tempo de vida de um controlador “Básico” (isto é o sistema de controle nominal 11) com o controlador do passo da lâmina 10 da Fig. 2 (rotulado como “Avançado” na tabela) e o controlador do passo da lâmina 20 da presente invenção e mostrada na Fig. 3 (rotulada como “Simplificado” na tabela). Onze parâmetros de comparação de desempenho de controlador diferentes são comparados.

[0101] Todos os parâmetros de comparação de desempenho mostram que o controlador simplificado (controlador do passo da lâmina 20 da presente invenção) produz desempenho similar como o controlador avançado (controlador do passo da lâmina da técnica anterior 10 da Fig. 2). Os resultados sombreados em azul (as primeiras cinco colunas de resultado) são os efeitos desejados de controle de retroalimentação da torre. Os resultados sombreados em vermelho (a sexta, sétima, e nona colunas de resultado) são efeitos indesejáveis de controle de retroalimentação da torre.

[0102] Os parâmetros de comparação de desempenho do controlador que são avaliados são definidos como segue:

[0103] A Fig. 5 apresenta uma comparação do tempo de vida do acúmulo de dano de fadiga na fundação da turbina eólica com o controlador do passo da lâmina 20 da presente invenção (rotulado como “controlador simplificado proposto”) comparado com o controlador do passo da lâmina da técnica anterior 10 da Fig. 2 (rotulado como “Controlador avançado”) e o sistema de controle nominal 11 (rotulado como “Controle básico w/o [sem] redução de carga”). Como pode ser observado, o controlador do passo da lâmina 20 da presente invenção provê desempenho similar em termos de redução de fadiga como o controlador do passo da lâmina da técnica anterior 10 da Fig. 2.

[0104] Os resultados de uma simulação ilustrando a eficácia do controlador do passo da lâmina 20 da presente invenção comparada ao controle de atenuação convencional são apresentados nas Figs. 6a-d. Nestes gráficos, a linha preta representa o controlador do passo da lâmina 20 da presente invenção (rotulado como “Atenuação proposta + controlador de rigidez), a linha azul representa um controlador de atenuação convencional da técnica anterior (rotulado como “Controlador de atenuação convencional”), e a linha vermelha representa usar apenas o sistema de controle nominal 11 (rotulado como “Controlador básico w/o [sem] redução de carga”).

[0105] A Fig. 6(a) é uma plotagem da densidade de potência (power density) medida em m2/Hz como uma função da frequência, mostrando densidade espectral de potência do deslocamento do topo da torre.

[0106] A Fig. 6(b) é uma plotagem da densidade de potência medida em grau2/Hz como uma função da frequência, mostrando densidade espectral de potência do ângulo de passo das lâminas.

[0107] A Fig. 6(c) é uma plotagem do deslocamento do topo da torre como uma função do tempo.

[0108] A Fig. 6(d) é uma plotagem do ângulo do passo coletivo da lâmina como uma função do tempo.

[0109] A partir destas pilotagens, pode ser observado que tanto o movimento da torre quanto a atividade do passo das lâminas são significantemente aumentados em uma faixa de frequência em torno de 0,1 Hz com o controlador de atenuação convencional da técnica anterior. Entretanto, o controlador do passo da lâmina 20 da presente invenção (controlador de atenuação+rigidez proposto) elimina este comportamento indesejável.

[0110] O controlador do passo da lâmina 20 da presente invenção (controlador de atenuação+rigidez) também proveria rigidez adicional para os mecanismos de excitação outros além das ondas, se sua frequência de excitação estiver acima da frequência de filtro passa-alta selecionado e dentro da largura de banda do atuador de passo de lâmina (e fora da área de frequência de filtro notch se este for aplicado). [0111] Referências: 1. Van der Hooft E, Schaak P, Van Engelen T. Wind turbine control algorithms. DOWEC project-DOWEC-F1W1-EH-03-094/0,Task-3 report 2003. (Van der Hooft, 2003) 2. Bossanyi E. Wind turbine control for load reduction. Wind Energy 2003; 6(3):229-244. (Bossanyi, 2003) 3. Smilden E, Bachynski EE, S0rensen AJ, Amdahl J. Wave disturbance rejection for monopile offshore wind turbines.Wind Energy 2018. https://doi.org/10.1002/we.2273 . (Smilden, 2018).

Claims (22)

1. Controlador do passo da lâmina (20) para uma turbina eólica (1), o controlador do passo da lâmina (20) compreende um sistema de controle nominal (11) e uma malha de retroalimentação de torre (22), caracterizado pelo fato de que a malha de retroalimentação de torre (22) compreende um sistema de filtração (25), e a malha de retroalimentação de torre (22) é arranjada para controlar o passo da lâmina da turbina eólica de modo a prover rigidez eficaz adicional para a turbina eólica (1) em resposta ao movimento da turbina eólica acima de uma frequência de filtro do sistema de filtração (25).

2. Controlador do passo da lâmina (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de filtração (25) compreende um ou mais de um filtro passa-alta, um filtro passa-baixa e um filtro notch.

3. Controlador do passo da lâmina (20), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a frequência de filtro do sistema de filtração (25) é a frequência de filtro do filtro passa-alta.

4. Controlador do passo da lâmina (20), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a malha de retroalimentação de torre (22) é arranjada para controlar o passo da lâmina da turbina eólica de modo a prover rigidez eficaz adicional para a turbina eólica (1) em resposta ao movimento da turbina eólica (1) induzido tanto pelas ondas quanto pelo vento.

5. Controlador do passo da lâmina (20), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a malha de retroalimentação de torre (22) é arranjada para controlar o passo da lâmina da turbina eólica de modo a prover rigidez eficaz adicional para a turbina eólica (1) em resposta ao movimento da turbina eólica (1) dentro de uma largura de banda de um atuador de passo de lâmina.

6. Controlador do passo da lâmina (20), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que as medições e/ou estimativas de posição e/ou velocidade da turbina eólica (1) são providas como entrada para o sistema de filtração (25).

7. Controlador do passo da lâmina (20), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que as medições e/ou estimativas de posição e/ou velocidade são providas a partir de um ou mais sensores localizados em uma torre (5) ou fundação (6) da turbina eólica (1).

8. Controlador do passo da lâmina (20), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o um ou mais sensores estão localizados na ou próximos de uma linha d’água na turbina eólica (1).

9. Controlador do passo da lâmina (20), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o sistema de filtração (25) é arranjado para produzir medições e/ou estimativas filtradas de posição e/ou velocidade da turbina eólica (1).

10. Controlador do passo da lâmina (20), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o sistema de filtração (25) é arranjado para filtrar medições e/ou estimativas de posição e velocidade da turbina eólica (1) diferentemente.

11. Controlador do passo da lâmina (20), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o sistema de filtração (25) é arranjado para filtrar o movimento estático e/ou quase-estático.

12. Controlador do passo da lâmina (20), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que o sistema de filtração (25) é arranjado para filtrar o movimento em uma frequência de passagem da lâmina.

13. Controlador do passo da lâmina (20), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que a malha de retroalimentação de torre (22) compreende adicionalmente um controlador de retroalimentação (17’).

14. Controlador do passo da lâmina (20), de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o controlador de retroalimentação (17’) é arranjado para determinar um sinal de referência do passo da lâmina das medições e/ou estimativas filtradas de posição e/ou velocidade da produção da turbina eólica (1) a partir do sistema de filtração (25).

15. Método de controlar passo da lâmina de uma turbina eólica (1), caracterizado pelo fato de que o método compreende usar um controlador do passo da lâmina (20) com um sistema de filtração (25) para controlar o passo da lâmina de modo a prover rigidez eficaz adicional para a turbina eólica (1) em resposta ao movimento da turbina eólica (1) acima de uma frequência de filtro do sistema de filtração (25).

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o método compreende controlar o passo da lâmina da turbina eólica de modo a prover rigidez eficaz adicional para a turbina eólica (1) em resposta ao movimento da turbina eólica (1) induzido tanto pelas ondas quanto pelo vento.

17. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 15 ou 16, caracterizado pelo fato de que o método compreende controlar o passo da lâmina da turbina eólica de modo a prover rigidez eficaz adicional para a turbina eólica (1) em resposta ao movimento da turbina eólica (1) dentro de uma largura de banda de um atuador de passo de lâmina.

18. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 15, 16 ou 17, caracterizado pelo fato de que o método compreende usar o sistema de filtração (25) para filtrar medições e/ou estimativas de posição e/ou velocidade da turbina eólica (1).

19. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 15 a 18, caracterizado pelo fato de que o método compreende: filtrar as medições e/ou estimativas de posição e velocidade da turbina eólica (1) diferentemente; filtrar movimento estático e/ou quase-estático; e/ou filtrar movimento em uma frequência de passagem da lâmina.

20. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 15 a 19, caracterizado pelo fato de que o método compreende determinar um sinal de referência do passo da lâmina a partir das medições e/ou estimativas de posição e/ou velocidade filtradas da turbina eólica (1).

21. Turbina eólica (1) caracterizada pelo fato de que compreende um controlador do passo da lâmina (20) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 14.

22. Controlador de retroalimentação da torre (17’) para um controlador do passo da lâmina (20) para uma turbina eólica (1), caracterizado pelo fato de que compreende um sistema de filtração (25) e o sistema de filtração (25) é arranjado para controlar o passo da lâmina da turbina eólica de modo a prover rigidez eficaz adicional para a turbina eólica (1) em resposta ao movimento da turbina eólica (1) acima de uma frequência de filtro do sistema de filtração (25).