BRPI0923827B1

BRPI0923827B1 - Controlador de passo da pá para uma estrutura de turbina eólica flutuante, método para controlar o passo da pá de uma estrutura de turbina eólica flutuante, e, instalação de turbina eólica flutuante

Info

Publication number: BRPI0923827B1
Application number: BRPI0923827-1A
Authority: BR
Inventors: Bjørn SKAARE; Finn Gunnar Nielsen
Original assignee: Hywind As
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2021-09-08
Also published as: CA2748685A1; US20110316277A1; KR101660553B1; GB2466649B; EP2370694A2; GB2466649A; GB0823683D0; JP2012514154A; JP5499047B2; PT2370694E; CN102308084A; CA2748685C; KR20120018284A; WO2010076557A3; CN102308084B; BRPI0923827A2; EP2370694B1; WO2010076557A2; US8487464B2; ES2535962T3

Abstract

controlador de passo de pá para uma estrutura de turbina eólica flutuante, método para controlar o passo da pá de uma estrutura de turbina eólica flutuante, e, instalação de turbina eólica flutuante a presente invenção refere-se a um controlador de passo da pá para uma estrutura de turbina eólica flutuante, onde a estrutura de turbina eólica flutuante compreende uma estrutura de suporte suportando um rotor tendo uma pluralidade de pás. o controlador compreende meio de controle de passo da pá padrão e meio de amortecimento ativo. o meio de controle de passo da pá padrão é arranjado para controlar um passo da pá utilizando uma função de transferência entre um erro de velocidade do rotor e o passo da pá. o meio de amortecimento ativo é arranjado para controlar, adicionalmente, o passo da pá com base em uma velocidade de um ponto sobre a estrutura de turbina eólica, convertendo a velocidade de um ponto sobre a estrutura de turbina eólica em um erro de velocidade do rotor e usando a mesma função de transferência usada no meio de controle de passo da pá padrão para converter o erro de velocidade do rotor em uma correção para o passo da pá.

Description

[0001] A presente invenção refere-se ao campo de controle de passo da pá de rotor para instalações de turbina eólica. Mais especificamente, refere-se ao controle de passo da pá de rotor para instalações de turbina eólica flutuantes.

[0002] Uma instalação de turbina eólica é formada, geralmente por uma estrutura de suporte compreendendo uma torre alongada, com uma nacele e um rotor acoplados à extremidade superior da estrutura de suporte. O gerador e sua eletrônica associada ficam localizados, geralmente, na nacele.

[0003] Turbinas eólicas de base fixa, fixadas em terra ou no leito do mar, são bem estabelecidas.

[0004] No entanto, recentemente, tem havido um desejo de se desenvolver turbinas eólicas flutuantes e várias estruturas têm sido propostas. Um exemplo é a instalação de turbina eólica onde uma estrutura convencional de turbina eólica é montada sobre uma base flutuante, como uma plataforma ou estrutura em forma de jangada. Outra proposta é uma estrutura tipo “bóia de vergôntea”. Esta estrutura é formada por uma estrutura de suporte alongado flutuante com um rotor montado no topo. A estrutura de suporte poderia ser uma estrutura unitária ou uma subestrutura alongada, com uma torre padrão montada sobre a mesma.

[0005] Instalações de turbina eólica flutuantes podem ser amarradas ao leito do mar através de um ou mais cabos de amarração com âncoras, ou acopladas ao leito do mar com uma ou mais pernas articuladas, por exemplo, de modo a mantê-las em seus locais de instalação desejados.

[0006] Em turbinas eólicas convencionais, o passo das pás do rotor é controlado com base na velocidade do rotor de modo a regular a produção de energia. Quando operando com ventos abaixo de uma determinada velocidade de vento (referida como a velocidade de vento nominal de uma turbina eólica), o passo da pá é mantido aproximadamente constante a um ângulo que proveja a potência máxima. Ao contrário, quando estiver operando acima da velocidade de vento nominal, o passo da pá é ajustado para produzir uma potência constante e evitar saídas de energia excessivamente altas que possam danificar o gerador e/ou seus componentes eletrônicos associados. Esta potência constante é referida como a potência nominal da turbina eólica.

[0007] Quando operando abaixo da velocidade de vento nominal, uma vez que o passo da pá é mantido aproximadamente constante, o empuxo atuando sobre o rotor aumenta com a velocidade do vento (o empuxo sendo aproximadamente proporcional ao quadrado da velocidade do vento).

[0008] Ao contrário, quando operando acima da velocidade de vento nominal o passo das pás é ajustado de modo que o empuxo sobre o rotor diminua com o aumento da velocidade do vento, de modo a produzir uma potência constante. À medida que a velocidade do vento aumenta, o passo da pá é aumentado, ou seja, torna-se mais paralelo à direção do vento, de modo a reduzir o empuxo.

[0009] Na prática, turbinas eólicas operam em condições tanto acima, quanto abaixo de sua velocidade de vento nominal.

[0010] De modo a produzir a potência máxima quando operando abaixo da velocidade de vento nominal, o passo da pá é ajustado de modo a produzir uma relação de velocidade de ponta ótima. A relação de velocidade de ponta é definida como a velocidade na qual as pontas externas das pás do rotor estão se movendo dividida pela velocidade do vento e é dada por:

onde é a frequência angular do rotor (em radianos por segundo), R é o raio do rotor e u é a velocidade do vento. Uma relação de velocidade de ponta ótima para a potência máxima é de cerca de 8 a 10 e, na maior parte das turbinas eólicas, isso dará, na prática, um coeficiente de potência Cp de cerca de 0,45 (0,59 sendo o máximo teórico), onde a potência P é definida como:

onde p é a densidade do ar, A é a área varrida pelas pás do rotor e Cp é o coeficiente de potência que é determinado por e o passo da pá .

[0011] Como mencionado acima, de modo a produzir uma potência constante quando operando acima da velocidade de vento nominal, o passo da pá é ajustado de modo a produzir uma velocidade de rotor constante e, desse modo, uma potência constante. Um problema associado ao ajuste do passo da pá desta maneira é que ele pode provocar amortecimento negativo, ou seja, à medida que a velocidade relativa entre a turbina e o vento aumenta, a força de empuxo se reduz. Isto pode aumentar a amplitude das oscilações ou vibrações da turbina eólica. Amortecimento negativo provoca uma redução na eficiência global ou potência da turbina eólica e, além disso, pode criar movimentos excessivos que provocam tensões estruturais que podem danificar ou enfraquecer a estrutura de turbina eólica e que pode provocar instabilidade em turbinas eólicas flutuantes. Amortecimento negativo pode ser um problema particular para turbinas de alta potência (por exemplo, > 2MW).

[0012] Amortecimento negativo em turbinas eólicas de base fixa surge devido ao fato da turbina poder vibrar para frente e para trás devido a excitações de vibrações de flexão natural da torre. À medida que a turbina eólica se move em direção ao vento, a velocidade relativa do vento atuando sobre a turbina eólica aumenta, o que tende a aumentar o torque ou a velocidade do rotor. Usando-se o controle de passo descrito acima para potência constante, em resposta a um aumento do torque ou da velocidade do rotor, o ângulo de passo da pá é ajustado para reduzir o torque atuando sobre o rotor e, como resultado, reduzir o empuxo e, desse modo, manter a potência constante. No entanto, à medida que o empuxo é reduzido, a força de amortecimento atuando sobre as vibrações da turbina eólica também é reduzida e pode se tornar negativa. Em outras palavras, as vibrações podem ser exacerbadas aumentando sua amplitude. Isso resulta, então, em outra mudança na velocidade relativa do vento e em outro ajuste para o passo da pá, tornando as vibrações ainda maiores. O oposto se aplica quando a turbina eólica está se afastando do vento, resultando em outra exacerbação das vibrações.

[0013] O problema de amortecimento negativo está ilustrado na Fig. 1, que mostra a força de empuxo em função da velocidade do vento para uma turbina de 2,3MW usando o controle de passo de pá padrão descrito acima. A força de empuxo para velocidades de vento acima de 12ms-1 diminui com o aumento da velocidade do vento e, consequentemente, amortecimento negativo pode ser introduzido no sistema nesta faixa de velocidade de vento.

[0014] Em turbinas eólicas de base fixa, o amortecimento negativo pode ser evitado ou minimizado através da redução da largura de banda do controlador de passo da pá para ficar abaixo da frequência natural do modo de flexão de primeira ordem da torre. Em outras palavras, o controlador não ajusta o passo da pá para movimentos da torre com frequências acima da frequência natural do modo de flexão de primeira ordem da torre.

[0015] No entanto, uma turbina eólica flutuante também tem outros modos de oscilação, além dos modos de flexão, o que torna o problema de lidar com o amortecimento negativo em turbinas eólicas flutuantes muito mais complexo. Além disso, o sistema da técnica anterior explicado acima não lida com os modos mais significativos de oscilação em uma instalação de turbina eólica flutuante.

[0016] A Fig. 2 mostra um espectro de potência típico para as oscilações de uma instalação de turbina eólica flutuante típica do tipo tendo um projeto do tipo “bóia de vergôntea” alongada. A escala sobre o eixo vertical é proporcional à amplitude das oscilações, que é proporcional à raiz quadrada da potência das oscilações. A escala sobre o eixo horizontal é a frequência das oscilações em Hz. A primeira linha na legenda representa as oscilações presentes quando o controle de passo padrão (ou seja, com base na velocidade do rotor) é usado. A segunda linha representa as oscilações presentes quando o controle de vibração para amortecimento ativo de vibrações de modo de flexão da estrutura de suporte é usado (isso é descrito abaixo). A terceira linha representa as oscilações presentes quando o controle de passo, de acordo com a presente invenção, é usado (isso será discutido mais tarde).

[0017] O espectro de potência tem quatro picos principais. Apenas o quarto pico também está presente no espectro de potência para uma turbina eólica de base fixa. Os três primeiros picos são vistos apenas em turbinas eólicas flutuantes.

[0018] O primeiro pico ocorre a frequências ao redor de 0,008Hz e corresponde às oscilações de corpo rígido da estrutura de suporte [fGI] provocadas pelo movimento de onda da turbina eólica flutuante combinadas com os efeitos restauradores dos cabos de amarração. Nessas oscilações a torre se move para frente e para trás na horizontal, mas permanece em uma posição essencialmente vertical. O tamanho deste pico (ou seja, o tamanho ou a energia nestas oscilações) não é muito afetado por diferentes abordagens ao controle de passo. Geralmente a magnitude dessas oscilações não é crítica, uma vez que as oscilações são muito lentas. Por conseguinte, essas oscilações não sofrem muito de amortecimento negativo. Além disso, essas oscilações não resultam em grandes tensões estruturais sobre a torre. Consequentemente, esses movimentos são aceitos pelos projetistas e não é necessário tentar evitar ou minimizar o amortecimento negativo de movimentações de torre nestas frequências.

[0019] O segundo pico ocorre a frequências de, aproximadamente, 0,03 a 0,04Hz e corresponde às oscilações de passo de corpo rígido da estrutura de suporte (ou seja, o “balanço” para frente e para trás da estrutura de suporte). Quando o passo da pá é controlado de modo a produzir uma potência constante, o tamanho deste pico (ou seja, o tamanho ou a energia nestas oscilações) aumenta drasticamente devido ao efeito do amortecimento negativo descrito anteriormente, resultando em grandes tensões estruturais sobre a torre, bem como, oscilações na potência. Por conseguinte, é desejável evitar ou minimizar o amortecimento negativo dessas oscilações.

[0020] O terceiro pico, bastante amplo, ocorre a frequências de cerca de 0,05 a 0,15Hz. Isto corresponde ao movimento induzido por onda do corpo rígido (onda juntamente com passo, mas, principalmente, passo) da turbina eólica flutuante. O tamanho deste pico pode ser minimizado, modificando-se a geometria e a distribuição de peso da turbina eólica flutuante, mas, geralmente, não é desejável fazer nada em relação ao amortecimento dos movimentos da torre nestas frequências, uma vez que essas oscilações não são ressonantes e, desse modo, não são muito sensíveis ao nível de amortecimento. Tentativas de amortecer este movimento resultarão normalmente em forças de turbina grandes sem qualquer impacto significativo sobre a resposta de movimento.

[0021] O quarto pico ocorre a frequências de, aproximadamente, 0,3 a 0,5Hz. Como mencionado acima, essas oscilações estão presentes tanto nas turbinas eólicas flutuantes quanto nas de base fixa e correspondem às vibrações de flexão estrutural da estrutura de suporte.

[0022] Como mencionado acima, de modo a evitar ou minimizar o amortecimento negativo das vibrações de flexão estrutural, a largura de banda do controlador de passo da pá pode ser reduzida de modo que ele não ajuste o passo da pá para movimentos que ocorram nestas frequências (ou seja, 0,3-0,5Hz).

[0023] No entanto, em uma turbina eólica flutuante, embora esta abordagem ainda possa ser aplicada para resolver vibrações de flexão, se a largura de banda do controlador de passo da pá for reduzida ainda mais de modo que o controlador não ajuste o passo da pá para movimentos que ocorrem em frequências acima daquelas das oscilações de corpo rígido da torre no passo (ou seja, 0,03-0,04Hz), isso reduziria, significativamente, a largura de banda do controlador e poderia resultar em desempenho inaceitável em relação às propriedades principais da turbina eólica, como a produção de energia, velocidade do rotor e força de empuxo do rotor. Por conseguinte, de modo a evitar ou reduzir o amortecimento negativo em uma instalação de turbina eólica flutuante, não é praticável simplesmente reduzir a largura de banda do controlador desta maneira.

[0024] A maior parte das turbinas eólicas multi-megawatt modernas usa um controlador proporcional-integral (PI) para controlar o passo da pá para produzir uma velocidade de rotor constante quando operando acima da velocidade de vento nominal da turbina. O controlador PI é um controlador de retroalimentação que controla o passo da pá e, desse modo, a velocidade do rotor (ou seja, a frequência rotacional do rotor) com base em uma soma ponderada do erro (a diferença entre a velocidade de saída do rotor e a velocidade desejada do rotor) e a integral desse valor. Quando o sistema de controle de passo da pá está operando acima da potência nominal, o torque do gerador é controlado, tipicamente, para produzir um torque constante ou uma potência constante. A descrição a seguir se aplica ao controle de potência constante. No entanto, uma abordagem similar se aplica a um gerador com controle de torque constante de gerador à potência nominal.

[0025] Para o controle de potência constante, o torque do gerador, Mgen, é dado como:

onde P0 é a potência nominal para a turbina e é a velocidade do rotor em radianos por segundo.

[0026] A equação (3) pode ser linearizada ao redor da velocidade nominal do rotor 0 para dar:

[0027] O torque aerodinâmico do rotor de turbina eólica, Maero, pode ser linearizado ao redor do ângulo de passo real 0 e a velocidade nominal do rotor 0 para dar:

onde é assumido que variações na velocidade do rotor ao redor da velocidade nominal de rotor 0 são desprezíveis em comparação com as variações no ângulo de passo da pá ao redor do ângulo real de passo da pá 0.

[0028] Em seguida, a partir de segunda lei de Newton, a equação de movimento para o rotor é dada como:

onde I é o momento de inércia para o rotor e o gerador, que é dado por:

[0029] onde n é a relação de engrenagem entre o rotor e o gerador, e é o passo da pá, que é dado por:

onde 0 é o passo corrente da pá e é determinado pelo controlador PI como:

onde:

e

onde Kp é o ganho proporcional e Ki é o ganho integral do controlador PI e é o erro de frequência rotacional ( Ω Ωref ).

[0030] Isso leva à seguinte equação de movimento para a velocidade de rotor para o sistema dinâmico de circuito fechado:

onde

e

[0031] Aqui, P é a potência e

[0032] O sistema dinâmico na equação (13) pode ser estabilizado pela seleção de valores apropriados para os parâmetros de controle Kp e Ki.

[0033] A frequência natural WO, amortecimento relativo Ç, e frequência de ressonância amortecida wd, do sistema de circuito fechado são dados por:

e

respectivamente.

[0034] Geralmente, os projetistas de sistema de controle para turbinas eólicas de fundação fixa tentam manter a frequência de ressonância amortecida d abaixo da frequência de flexão de primeira ordem da torre, de modo a evitar ressonância. Os valores típicos são = 0,7 e d <% = 0,6 rad s-1.

[0035] Os sistemas de controle de algumas turbinas eólicas de base fixa também incluem um controlador de vibração para prover amortecimento positivo ativo das vibrações de modo de flexão de primeira ordem da estrutura de suporte. Um exemplo de um sistema deste tipo é apresentado na GB 2.117.933. Nestes sistemas, amortecimento positivo é provido para anular, pelo menos parcialmente, qualquer amortecimento negativo presente, resultando em amortecimento líquido próximo, ou aproximadamente, zero destas vibrações. Alternativamente, o amortecimento positivo pode ser grande o suficiente para que, além de anular qualquer amortecimento negativo, ele também proveja mais amortecimento positivo, resultando em um amortecimento líquido positivo destas vibrações.

[0036] O controlador de vibração provê uma correção para o passo da pá com base em medições de velocidade da estrutura de turbina eólica de modo a amortecer as vibrações de flexão. A correção para o passo da pá é provida para movimentos de turbina eólica com frequências que correspondem àquelas do modo de flexão de primeira ordem. A velocidade da turbina eólica pode ser medida com um sensor, como um acelerômetro com compensação para a aceleração da gravidade, por exemplo. A velocidade medida pode ser a velocidade horizontal da nacele, por exemplo, ou sua velocidade de passo (ou seja, a velocidade absoluta da nacele ou de um ponto sobre a torre devido ao movimento no passo).

[0037] Um exemplo de um sistema de controle com um controlador de vibração com amortecimento ativo para uma turbina eólica de base fixa é mostrado na Fig. 3. A linha superior na Fig. 3 é a parte de controlador de vibração ativa do sistema de controle que utiliza medições da velocidade da torre para evitar ou minimizar amortecimento negativo, como descrito acima. O resto do sistema é o controlador padrão, que provê controle de passo da pá padrão com base na velocidade do rotor.

[0038] Na Fig. 3 , vnacele é a velocidade da nacele, hc(s) é a função de transferência entre o sinal de erro de velocidade do rotor ref e o sinal de referência de passo da pá ref, hp(s) é a função de transferência entre o sinal de referência de passo da pá ref e a velocidade do rotor de turbina eólica r, e Kd é o ganho do controlador de vibração.

[0039] Em geral, uma função de transferência provê uma relação entre as transformadas de Laplace da saída e da entrada de um componente de sistema em função de uma variável s (onde s é, normalmente, relacionada a uma frequência espacial ou temporal, como uma frequência angular).

[0040] A função de transferência hc(s) pode ser provida por meio de um controlador PI e, neste caso pode ser expressa como a seguir:

onde Ki e Kp são os ganhos integral e proporcional do controlador PI, respectivamente, como descrito acima, e tem as seguintes fórmulas:

e

onde o termo

é negativo e varia com o passo real da pá 0.

[0041] Os valores dos parâmetros do controlador são determinados por calibração convencional do sistema de controle para a largura de banda desejada.

[0042] O bloco de processamento de sinal na Fig. 3 consistirá tipicamente de alguma filtragem adequada para a remoção de determinadas componentes de frequência.

[0043] Para o resto do sistema, a função de transferência de circuito fechado h0(s) é definida como:

e a expressão para a frequência rotacional do rotor é dada como:

[0044] Uma medida da capacidade do sistema de controle para acompanhar o sinal de referência é dada como:

e o erro entre o sinal de referência desejado e o da medição é dado

[0045] Considerando as equações (24) e (25) no domínio de frequência (ou seja, onde s = j) dá:

e inserindo as equações (24) e (25) na equação (23) dá:

[0046] De modo que o controlador possa seguir satisfatoriamente o sinal de referência de passo da pá, os parâmetros da função de transferência de controlador hc(s) devem ser calibrados de modo que |h0(j)| >> 1 dentro da largura de banda desejada do sistema de controle. Por conseguinte, resulta das equações (28) e (30), que N(s) terá um valor absoluto baixo dentro da largura de banda do sistema de controle, de modo que N(s) suprimirá a resposta de hp(s)Kdvnacele com frequências dentro da largura de banda do sistema. Em outras palavras, para frequências dentro da largura de banda da parte de controlador padrão do sistema de controle de passo da pá, o amortecimento ativo é suprimido, e para vibrações com frequências acima ou próximo à largura de banda da parte de controlador padrão, N(s) terá um valor absoluto ao redor de 1 e estas vibrações serão amortecidas ativamente.

[0047] Como observado acima, em turbinas eólicas de base fixa, os parâmetros de controle do controlador de passo da pá são calibrados de modo que a largura de banda da parte padrão do controlador fique abaixo da frequência natural do primeiro modo de flexão da torre, de modo a evitar ou minimizar o amortecimento negativo das vibrações de flexão estrutural. Além disso, uma parte de controle de vibração, como a mostrada na Fig. 3, pode ser provida para prover amortecimento positivo ativo para vibrações com frequências do primeiro modo de flexão, uma vez que essas vibrações têm uma frequência que não é suprimida por esta parte do controlador.

[0048] Além disso, como mencionado acima, as turbinas eólicas flutuantes também podem ter vibrações de flexão estrutural com frequências naturais por volta de 0,3-1Hz. No entanto, elas também têm oscilações de corpo rígido com frequências ao redor de 0,03-0,04Hz.

[0049] Se o sistema de controle na Fig. 3 fosse usado em uma turbina eólica flutuante e os parâmetros do controlador de passo da pá calibrados de acordo com a frequência do primeiro modo de flexão estrutural da torre, a contribuição de amortecimento ativo N(s)hp(s)Kdvnacele proveria amortecimento positivo das vibrações de flexão estrutural de alta frequência devido ao fato do valor absoluto de N(s), conforme a equação (29), seria por volta de 1 com muito pouco retardo de fase para frequências fora da largura de banda da parte padrão do sistema de controle. No entanto, a contribuição para o amortecimento ativo das oscilações de corpo de rígido de baixa frequência no passo com frequências ao redor de 0,03-0,04Hz seria pobre. Estas frequências estariam dentro da largura de banda da parte de controlador padrão do sistema de controle e o valor absoluto de N(s) seria baixo, de acordo com a equação (25) e, por conseguinte, qualquer amortecimento ativo dessas vibrações de baixa frequência seria suprimido. Além disso, essas frequências estariam dentro da largura de banda do controlador padrão de modo que as oscilações de corpo rígido de baixa frequência da estrutura de suporte no passo sofreriam de amortecimento negativo.

[0050] À primeira vista, parece possível aplicar uma abordagem similar à utilizada em instalações de turbinas eólicas de base fixa de modo a superar o amortecimento negativo das oscilações de corpo rígido no passo em instalações de turbinas eólicas flutuantes. Desse modo, os parâmetros de controlador seriam calibrados de acordo com as oscilações de corpo rígido de modo que o amortecimento negativo de ambas, as vibrações, estruturais de flexão e oscilações de corpo rígido da estrutura, poderia ser evitado ou minimizado (devido ao fato de que esses movimentos estariam fora da largura de banda da parte padrão do controlador). Além disso, a parte de controlador de vibração do controlador na Fig. 3 poderia, então, prover amortecimento positivo adicional para ambas, as oscilações de corpo rígido e as vibrações de flexão estrutural , uma vez que o valor absoluto de N(s), conforme a equação (29), seria ao redor de 1 com muito pouco retardo de fase para estas frequências.

[0051] No entanto, se o controlador da Figura. 3 fosse calibrado desta maneira, resultaria em um controlador de passo da pá muito lento que não reagiria a mudanças na velocidade do vento com períodos de menos de 30 segundos (ou seja, com frequências de mais de 0,03Hz). Isso poderia resultar em desempenho inaceitável em relação aos parâmetros principais da turbina eólica, como variações na produção de energia, torque de eixo, velocidade do rotor, força de empuxo do rotor etc. Este seria, em particular, o caso para uma instalação de turbina eólica flutuante, uma vez que a estrutura de suporte flutuante também se moveria em resposta às forças da onda. Por conseguinte, de modo a se alcançar um desempenho de turbina eólica aceitável em uma turbina eólica flutuante, não é suficiente, simplesmente, calibrar a parte padrão do controlador na Fig. 3 para atuar apenas sobre as frequências mais baixas. Em vez disso, é necessário um novo controlador que seja capaz tanto de suprimir amortecimento negativo, quanto de prover amortecimento ativo das oscilações de corpo rígido sem, também, comprometer o desempenho da turbina eólica.

[0052] Na presente invenção já desenvolveram um controlador de passo da pá para uma estrutura de turbina eólica flutuante formada por uma estrutura de suporte compreendendo uma torre suportando um rotor tendo uma pluralidade de pás, o controlador compreendendo meios padrões de controle de passo da pá e meios de amortecimento ativo. Este controlador está descrito no WO 2007/053031.

[0053] A presente invenção refere-se a um controlador de passo da pá para uma estrutura de turbina eólica flutuante compreendendo uma estrutura de suporte suportando um rotor tendo uma pluralidade de pás, o controlador compreendendo meio de controle de passo da pá padrão; e meio de amortecimento ativo; onde o meio de controle de passo da pá padrão é arranjado para controlar um passo da pá utilizando uma função de transferência entre um erro de velocidade do rotor e o passo da pá, e o meio de amortecimento ativo arranjado para controlar adicionalmente o passo da pá com base em uma velocidade de um ponto sobre a estrutura de turbina eólica; onde o meio de amortecimento ativo é arranjado para converter a velocidade de um ponto sobre a estrutura de turbina eólica em um erro de velocidade do rotor e a mesma função de transferência usada no meio de controle de passo da pá padrão é utilizada no meio de amortecimento ativo, de modo a converter o erro de velocidade do rotor em uma correção para o passo da pá.

[0054] Neste controlador de passo da pá, uma vez que a mesma função de transferência entre o erro de velocidade do rotor e o passo da pá é usada duas vezes, tanto no meio de controle de passo da pá padrão, quanto no meio de amortecimento ativo, os parâmetros do controlador podem ser calibrados de acordo com o primeiro modo de flexão estrutural da torre (ou seja, a largura de banda do controlador não precisa ser reduzida), mas a contribuição de amortecimento ativo não será suprimida para as oscilações de corpo rígido de baixa frequência [fG2]. Desta maneira, o amortecimento negativo sem as oscilações de corpo rígido de baixa frequência pode ser minimizado ou evitado, amortecimento positivo dessas oscilações também é provido, e a turbina eólica ainda pode prover um desempenho aceitável em relação aos seus parâmetros principais, como variações na produção de energia, torque de eixo, velocidade do rotor, a força de empuxo do rotor etc.

[0055] O termo “erro de velocidade do rotor” significa a diferença entre uma velocidade do rotor desejada e uma real.

[0056] O termo “meio de controle padrão” significa o meio de controle padrão descrito anteriormente, onde o passo da pá é ajustado com base na velocidade do rotor.

[0057] A velocidade de um ponto sobre a estrutura da turbina eólica pode ser a velocidade de passo ou a velocidade horizontal deste ponto, por exemplo, e o ponto pôde ser localizado sobre a torre ou na nacele, por exemplo. A velocidade de um ponto sobre a estrutura da turbina eólica pode ser medida diretamente, inferida, calculada ou estimada por qualquer meio adequado. A invenção não requer que um ponto específico, em particular, seja usado; apenas é necessário conhecer a velocidade de um ponto em algum lugar sobre a estrutura da turbina eólica. De preferência, o ponto fica localizado sobre uma nacele da estrutura da turbina eólica.

[0058] Os valores desejados dos parâmetros do controlador podem depender de uma série de fatores, incluindo as propriedades estruturais de uma dada instalação de turbina eólica. De modo a calibrar os parâmetros do controlador, um valor inicial dos mesmos pode ser baseado em um conhecimento teórico ou prático da frequência natural de flexão da estrutura de suporte, juntamente com as equações (16) - (18). Baseado em uma resposta continuamente monitorada da turbina eólica, os ganhos do controlador nas equações (20) e (21) podem ser mudados modificando-se gradualmente a frequência natural 0 e o amortecimento relativo .

[0059] De preferência, o controlador é arranjado de tal forma que seus parâmetros possam ser mudados por operação remota. Isso assegura que os parâmetros do controlador sejam fáceis de mudar.

[0060] Em um modo de realização preferido da invenção, o meio de amortecimento ativo compreende um filtro passa-baixa para filtrar mudanças na velocidade de um ponto sobre a estrutura com frequências acima da frequência natural das oscilações de corpo rígido livres, devido ao passo. O filtro passa-baixa pode filtrar mudanças na velocidade de um ponto sobre a estrutura com frequências acima de cerca de 0,04 ou 0,05Hz, por exemplo. De preferência, este filtro é um filtro agudo, como um filtro passa-baixa Butterworth de segunda ou terceira ordem. Esses filtros asseguram que apenas oscilações com as frequências desejadas sejam amortecidas ativamente e não produzem muita variação na velocidade do rotor.

[0061] De preferência, o meio de amortecimento ativo compreende meio de ganho de amortecimento ativo que converte a velocidade de um ponto sobre a estrutura da turbina eólica em uma velocidade de rotor desejada.

[0062] De preferência, o meio de ganho de amortecimento ativo é arranjado para reduzir ou impedir amortecimento negativo das oscilações de corpo rígido da estrutura de turbinas eólicas no passo. Além disso, de preferência, o meio de ganho de amortecimento ativo é arranjado para prover amortecimento positivo líquido de oscilações de corpo rígido da estrutura de turbina eólica no passo.

[0063] De preferência a função de transferência que é usada em ambos, o meio de amortecimento ativo e o meio de controle de passo da pá padrão, é implementada por meio de um controlador proporcional-integral (PI). Em um modo de realização preferido são providos dois controladores PI, um no meio de amortecimento ativo e um no meio de controle de passo da pá padrão. Alternativamente, é provido um único controlador PI usado por ambos, o meio de amortecimento ativo e o meio de controle de passo da pá padrão. Este modo de realização alternativo com apenas um controlador PI usado por ambos, o meio de amortecimento ativo e o meio de controle de passo da pá padrão, provê um controlador com uma estrutura ligeiramente mais simples.

[0064] O passo da pá das pás do rotor pode ser ajustado em conjunto (ou seja, pela mesma quantidade) para todas as pás do rotor. Isso provê uma maneira relativamente simples de ajustar os passos da pá.

[0065] Alternativamente, o passo da pá pode ser ajustado separadamente para cada pá de rotor. Em tal sistema, as pás podem ser ajustadas separadamente para levar em conta fatores como o perfil de corte do vento e a variação da velocidade do vento com a altura, por exemplo.

[0066] Além disso, a presente invenção refere-se a um método para controlar o passo da pá de uma estrutura de turbina eólica flutuante compreendendo uma estrutura de suporte suportando um rotor tendo uma pluralidade de pás, o método compreendendo: ajustar um passo da pá na base da saída de um função de transferência entre um erro de velocidade do rotor e o passo da pá, e ajustar, adicionalmente, o passo da pá com base em uma velocidade de um ponto sobre a estrutura de turbina eólica, onde a velocidade de um ponto sobre a estrutura de turbina eólica é convertida em um erro de velocidade do rotor que é, em seguida, convertido em um passo da pá usando a mesma função de transferência.

[0067] Como será evidente para alguém experiente na técnica, a função de transferência ou o controlador proporcional-integral será, normalmente, provido na forma de software. Desse modo, o controlador compreende um processador para executar este software. Os processadores podem ser, por exemplo, microprocessadores.

[0068] A invenção também se refere a uma estrutura de turbina eólica compreendendo: uma estrutura de suporte suportando um rotor tendo uma pluralidade de pás; e um controlador compreendendo: meio de controle de passo da pá padrão; e meios de amortecimento ativo; onde o meio de controle de passo da pá padrão é arranjado para controlar um passo da pá utilizando uma função de transferência entre um erro de velocidade do rotor e o passo da pá, e o meio de amortecimento ativo é arranjado para controlar, adicionalmente, o passo da pá com base em uma velocidade de um ponto sobre a estrutura de turbina eólica; onde o meio de amortecimento ativo é arranjado para converter a velocidade de um ponto sobre a estrutura em um erro de velocidade do rotor e a mesma função de transferência usada no meio de controle de passo da pá padrão é usada no meio de amortecimento ativo, de modo a converter o erro de velocidade do rotor em uma correção para o passo da pá.

[0069] A presente invenção também se refere a um produto de software compreendendo instruções que, quando executadas por um processador, fazem com que o processador controle o passo da pá de uma estrutura de turbina eólica flutuante compreendendo uma estrutura de suporte suportando um rotor tendo uma pluralidade de pás, ajustando um passo da pá na base da saída de uma função de transferência entre um erro de velocidade do rotor e o passo da pá e ajustando, adicionalmente, o passo da pá, com base em uma velocidade de um ponto sobre a estrutura de turbina eólica, onde a velocidade de um ponto sobre a estrutura de turbina eólica é convertido em um erro de velocidade do rotor, que, em seguida, é convertido em um passo da pá usando a mesma função de transferência.

[0070] De preferência, o produto de software é um portador de dados físicos.

[0071] A presente invenção também se refere a um método de fabricação de um produto de software na forma de um portador físico, compreendendo armazenamento nas instruções portadoras de dados, que, quando executadas por um processador, fazem com que o processador controle o passo da pá de uma estrutura de turbina eólica flutuante compreendendo uma estrutura de suporte suportando um rotor tendo uma pluralidade de pás, ajustando um passo da pá na base da saída de uma função de transferência entre um erro de velocidade do rotor e o passo da pá, e ajustando, adicionalmente, o passo da pá com base em uma velocidade de um ponto sobre a estrutura de turbina eólica, onde a velocidade de um ponto sobre a estrutura de turbina eólica é convertida em um erro de velocidade do rotor, que é, em seguida, convertido em um passo da pá usando a mesma função de transferência.

[0072] A invenção foi descrita em termos de funções de transferência. No entanto, deve ser apreciado que ela se estende a qualquer meio, função ou processo que possa ser empregado para determinar uma correção para o passo da pá a partir de um erro de velocidade do rotor.

[0073] Como mencionado acima, o meio de amortecimento ativo do controlador pode compreender um filtro passa-baixa para filtrar mudanças na velocidade de um ponto sobre a estrutura com frequências acima da frequência natural das oscilações de corpo rígido devido ao fato do passo onde o filtro é um filtro passa-baixa Butterworth de segunda ou terceira ordem. Esses filtros asseguram que apenas oscilações com as frequências desejadas sejam amortecidas ativamente e não produzem muita variação na velocidade do rotor. Não foi uma etapa óbvia para os inventores da presente invenção perceber que filtros Butterworth de segunda e terceira ordem são particularmente bem adequados para esta aplicação e, desse modo, a presente invenção também se refere a um controlador de passo da pá para uma estrutura de turbina eólica flutuante compreendendo um estrutura de suporte suportando um rotor tendo uma pluralidade de pás, o controlador compreendendo meio de controle padrão de passo de pá; e meio de amortecimento ativo; onde o meio de controle de passo da pá padrão é arranjado para controlar um passo da pá utilizando uma função de transferência entre um erro de velocidade do rotor e o passo da pá, e o meio de amortecimento ativo é arranjado para controlar, adicionalmente, o passo da pá com base em uma velocidade de um ponto sobre a estrutura de turbina eólica; onde o meio de amortecimento ativo compreende um filtro Butterworth passa-baixa de segunda ou terceira ordem para filtrar mudanças na velocidade horizontal de um ponto sobre a estrutura de turbina eólica com frequências acima da frequência natural das oscilações de corpo rígido livres, devido ao passo.

[0074] Modos de realização preferidos da invenção serão descritos agora apenas a título de exemplo e com referência às figuras anexas, nas quais: a Fig. 1 é um gráfico da força de empuxo do rotor em função da velocidade do vento para uma turbina eólica flutuante de 2,3MW usando um sistema de controle de passo da pá convencional; a Fig. 2 é um espectro de potência típico de oscilações em uma instalação de turbina eólica flutuante; a Fig. 3 é um diagrama esquemático de um sistema de controle de passo da pá com controle de vibração para uma turbina eólica de base fixa; a Fig. 4 é um diagrama esquemático de um sistema de controle de passo da pá com amortecimento ativo para uma turbina eólica flutuante; as Figs. 5(a) e (b) são diagramas esquemáticos de dois sistemas de controle de passo da pá alternativos de uma turbina eólica flutuante; a Fig. 6 mostra um gráfico de uma simulação no domínio de tempo de movimento do topo da torre em comparação com um controlador convencional, um controlador para turbinas de base fixa com controle de vibração, um controlador de amortecimento ativo para turbinas flutuantes e ondas, apenas; a Fig. 7 mostra um gráfico de uma simulação de resposta de frequência para movimento do topo da torre em comparação um controlador convencional, um controlador para turbina de base fixa com controle de vibração, um controlador de amortecimento ativo para turbinas flutuantes e ondas, apenas; a Fig. 8 é uma tabela que mostra alguns dados principais para o movimento da nacele; a Fig. 9 mostra um gráfico de uma simulação de resposta de frequência para momento de flexão da torre (17m acima do nível do mar) em comparação com um controlador convencional, um controlador para turbina de base fixa com controle de vibração, um controlador de amortecimento ativo para turbinas flutuantes e ondas, apenas; a Fig. 10 é uma tabela que mostra alguns dados principais para momentos de flexão da torre (17m acima do nível do mar); a Fig. 11 é um gráfico de uma simulação no domínio de tempo da força de empuxo do rotor em comparação com um controlador convencional, um controlador para uma turbina de base fixa com controle de vibração, um controlador de amortecimento ativo para turbinas flutuantes e ondas, apenas; a Fig. 12 é uma tabela que mostra alguns dados principais para a força de empuxo do rotor; a Fig. 13 é um gráfico de velocidade do rotor versus tempo em comparação com um controlador convencional, um controlador para uma turbina de base fixa com controle de vibração e um controlador para uma turbina eólica flutuante; a Fig. 14 é uma tabela que mostra alguns dados principais para a velocidade do rotor; a Fig. 15 é um gráfico de produções de energia versus tempo em comparação com um controlador convencional, um controlador para uma turbina de base fixa com controle de vibração e um controlador para uma turbina eólica flutuante; e a Fig. 16 é uma tabela que mostra alguns dados principais para a produção de energia. a Fig. 4 mostra um diagrama esquemático de um sistema de controle de passo da pá com amortecimento ativo para uma instalação de turbina eólica flutuante.

[0075] Em comparação com a Fig. 3, que mostra um sistema de controle de passo da pá envolvendo controle de vibração para amortecer ativamente vibrações de flexão em uma turbina eólica de base fixa, o sistema de controle de passo da pá para uma turbina eólica flutuante mostrado na Fig. 4 usa a função de transferência hc(s) duas vezes.

[0076] A frequência angular do rotor r na Fig. 4 pode ser expressa como:

[0077] Se os parâmetros de controle forem calibrados de acordo com o primeiro modo de flexão estrutural da torre, a contribuição de amortecimento ativo M(s)Kdvnacele proverá amortecimento ativo das oscilações de corpo rígido de baixa frequência da estrutura, devido ao fato de que, de acordo com a equação ( 26), o valor absoluto de M(s) terá um valor absoluto por volta de 1 e muito pouco retardo de fase para frequências dentro da largura de banda da parte padrão do sistema de controle. No entanto, a contribuição de amortecimento de M(s) Kdvnacele será pobre para as vibrações de modo de flexão estrutural, uma vez que essas vibrações têm frequências que estão fora da largura de banda do sistema de controle e, de acordo com a equação (27), M(s) suprimirá estas contribuições. No entanto, uma vez que as vibrações de modo estrutural são normalmente consideravelmente menores que as oscilações de corpo rígido, como mostrado na Fig. 2, nem sempre é necessário prover amortecimento positivo das vibrações de modo de flexão estrutural. Alternativamente, o controlador mostrado na Fig. 4 poderia ser modificado para incluir, também, a parte de amortecimento ativo do controlador mostrado na Fig. 3 (que não usa a função de transferência hc(s)), de modo a prover amortecimento ativo, também, das vibrações de modo de flexão estrutural.

[0078] A principal diferença entre o controlador mostrado na Fig. 3 para turbinas eólicas de base fixa e aquele mostrado na Fig. 4 para turbinas eólicas flutuantes é a inclusão da função de transferência de controlador hc(s) no meio de amortecimento ativo para a turbina eólica flutuante.

[0079] Comparando-se a Fig. 3 com a Fig. 4, os blocos de processamento de sinal nessas figuras também são diferentes, devido ao efeito das estruturas de controle diferentes e devido às diferentes frequências que devem ser atendidas.

[0080] O bloco de processamento de sinal no controlador de amortecimento ativo para uma turbina flutuante mostrado na Fig. 4 usa um filtro passa-baixa agudo, com uma frequência de filtro suficientemente abaixo da faixa de frequência de onda (0,05 a 0,2Hz) e suficientemente acima da frequência natural da torre no passo (0,030,04Hz), de modo a evitar o amortecimento de movimento induzido por onda, o que levaria a um desempenho ruim em relação aos parâmetros principais da turbina eólica. Em outras palavras, a frequência de filtro é por volta de 0,04-0,05Hz.

[0081] Ao contrário, o bloco de processamento de sinal no controlador de vibração para uma turbina eólica de base fixa, mostrado na Fig. 3, não pode ter um filtro passa-baixa deste tipo, uma vez que ele também filtraria a parte do sinal usada pelo controlador de vibração, ou seja, o movimento da torre ao redor do primeiro modo de flexão da torre que tem uma frequência maior do que a das ondas. No entanto, é aceitável que o controlador de vibração em uma turbina eólica de base fixa não tenha este filtro passa-baixa devido ao fato dele não ter que considerar os movimentos induzidos por onda.

[0082] O valor do ganho de amortecimento ativo Kd mostrado nas Figs. 3 e 4 será, normalmente, diferente para os dois casos (base fixa e flutuante), e o valor exato que é usado para este parâmetro é encontrado por calibragem do controlador convencional.

[0083] Um modo de realização de um controlador de passo da pá da presente invenção é mostrado na Fig. 5 (a).

[0084] Na Fig. 5 (a), a caixa superior contém o meio de amortecimento ativo, que considera uma medição da velocidade da nacele, como sua velocidade de passo, como sua entrada e compreende o bloco de processamento de sinal e filtro passa- baixa, um ganho de amortecimento ativo e um controlador PI.

[0085] O filtro passa-baixa é um filtro agudo que passa movimentos com uma frequência correspondente à frequência natural das oscilações de corpo rígido livres da torre no passo (por volta de 0,03 a 0,04Hz) e para movimentos com uma frequência correspondente à frequência de movimentos induzidos por onda (aproximadamente, 0,05-0,2Hz. Filtros passa-baixa Butterworth de segunda ou terceira ordem são opções adequadas para isso.

[0086] O ganho de amortecimento ativo converte a medição da velocidade horizontal da nacele em um erro de velocidade do rotor.

[0087] O controlador PI converte o erro de velocidade do rotor em um ajuste para o passo da pá na base da função de transferência hc(s).

[0088] Um modo de realização alternativo, mas equivalente, de um controlador de passo da pá para turbinas eólicas flutuantes é mostrado na Fig. 5 (b). A única diferença entre os modos de realização mostrados nas Figs. 5 (a) e (b) é que na Fig. 5 (b) apenas um controlador PI é utilizado, mas, como suas entradas vêm tanto da parte padrão do controlador, quanto da parte de amortecimento ativo, o resultado é o mesmo como se dois controladores PI tivessem sido usados, como no modo de realização mostrado na Fig. 5 (a).

[0089] As Figs. 6 a 16 mostram alguns resultados de simulação que ilustram o efeito dos controladores a seguir, quando usados em uma turbina eólica flutuante: - um controlador de passo da pá padrão sem amortecimento ativo; - um controlador com controle de vibração para amortecimento ativo de vibrações de modo de flexão estrutural para turbinas eólicas de base fixa; e - um controlador com controle de amortecimento ativo de oscilações de corpo rígido para turbinas eólicas flutuantes.

[0090] Estes casos também são comparados ao caso em que nenhum vento está atuando sobre a turbina e qualquer movimento é devido apenas a forças de onda (apenas ondas).

[0091] As simulações foram executadas com as condições de operação seguintes: uma velocidade de vento de 17ms-1, uma intensidade de turbulência de 10%, uma altura de onda significativa de 5m, e um período de pico característico do espectro de onda de 12s. A intensidade da turbulência do vento é definida como a relação entre o desvio padrão e o valor médio da velocidade do vento.

[0092] O meio de amortecimento ativo para a turbina eólica flutuante continha um filtro Butterworth de terceira ordem, com uma frequência de filtro passa-baixa de 0,05Hz, um ganho de amortecimento ativo de Kd = 0,2, e um controlador PI contendo a função de transferência hc(s). O meio de controle de vibração para turbinas eólicas de base fixa continha um filtro Butterworth e um ganho de amortecimento ativo de Kd = 0,5. Todos os três controladores usaram o mesmo controlador PI no circuito de controle fechado, projetado para prover potência constante. Os valores de WO e Ç foram 0,6159 rads-1 e 0,7, respectivamente, o que deu Kp = 2,8615 e Ki = 1,7004 em passo da pá zero.

[0093] Em um bom controlador, é desejável que haja pequenos desvios-padrão nos parâmetros principais de turbinas eólicas, como a velocidade do rotor, a produção de energia e a força de empuxo do rotor, e os valores médios da velocidade do rotor e da produção de energia deverão coincidir com seus valores nominais. Para a velocidade do rotor também é importante que o valor máximo fique abaixo de um limite dado que, se ultrapassado, faria com que a turbina fosse desligada. A velocidade máxima permitida do rotor é de cerca de 2,1rads-1 para a turbina de 2,3MW utilizada nestas simulações.

[0094] A Fig. 6 mostra o tamanho do movimento do topo da torre de turbina eólica em função do tempo para cada um dos casos listados acima. Como mostrado na Fig. 8, o valor médio do movimento do topo da torre é comparável para cada um dos três controladores. O valor médio é controlado principalmente pelo empuxo médio do vento sobre a turbina. No entanto, o desvio padrão desta amplitude é consideravelmente menor quando é utilizado o controlador para uma turbina eólica flutuante com amortecimento ativo.

[0095] A Fig. 7 mostra um espectro proporcional ao quadrado da amplitude do movimento, do movimento do topo da torre plotado em função da frequência. Como esperado, o tamanho do movimento do topo da torre com frequências correspondentes àquelas das oscilações de corpo rígido livres da turbina eólica flutuante no passo (a frequências por volta de 0,03 a 0,04Hz) é consideravelmente menor quando amortecimento ativo é incluído no controlador do que quando um controlador convencional, sem amortecimento ativo, é utilizado. É observado, também, que, como desejado, os movimentos na faixa das frequências de onda não são afetados pelo controlador.

[0096] A Fig. 9 mostra o momento de flexão da torre, 17m acima do nível do mar, em função da frequência para cada um dos quatro casos listados acima. O tamanho do momento de flexão sobre a torre para movimentos a frequências correspondentes às oscilações de corpo rígido da turbina eólica flutuante no passo, quando um controlador para uma turbina eólica flutuante é utilizado, é consideravelmente menor do que quando um controlador convencional, ou um controlador para uma turbina eólica de base fixa é utilizado, onde nenhum amortecimento ativo é provido para as oscilações de corpo rígido da turbina eólica flutuante no passo. As médias e desvios- padrão estão dados na Fig. 10. O desvio padrão é consideravelmente menor quando o controlador de uma turbina eólica flutuante é utilizado do que quando um controlador convencional ou um controlador para uma turbina eólica de base fixa com amortecimento ativo é utilizado.

[0097] A Fig. 11 mostra a força de empuxo do rotor em função do momento em que cada um dos três controladores listados acima é utilizado. As médias e desvios- padrão estão dados na Fig. 12. O desvio padrão da força de empuxo do rotor é ligeiramente maior quando um controlador para uma turbina eólica flutuante é usado.

[0098] A Fig. 13 mostra a velocidade do rotor em função do momento em que cada um dos três controladores listados acima é utilizado. As médias e desvios- padrão estão dados na Fig. 14. O desvio padrão da velocidade do rotor é ligeiramente maior quando um controlador de uma turbina eólica flutuante é usado. Além disso, observa-se que a velocidade máxima desejável do rotor não foi ultrapassada em qualquer caso.

[0099] A Fig. 15 mostra a produção de energia em função do momento em que cada um dos três controladores listados acima é utilizado. As médias e desvios- padrão estão dados na Fig. 16. O desvio padrão da produção de energia é ligeiramente maior quando um controlador de uma turbina eólica flutuante é usado.

[00100] Além de tudo, os seguintes pontos podem ser observados dos resultados da simulação: - o desempenho em relação à velocidade do rotor, à produção de energia e à força de empuxo do rotor, é um pouco melhor quando um controlador convencional é usado do que quando um controlador de vibração é usado em uma turbina eólica flutuante; - o controlador de amortecimento ativo para turbinas eólicas flutuantes (ou seja, para controle de movimento de corpo rígido) oferece desempenho consideravelmente melhor em relação aos movimentos da torre e aos momentos de flexão da torre do que os outros controladores; - as características de movimento de uma turbina eólica flutuante usando um controlador de amortecimento ativo para turbinas eólicas flutuantes é muito similar ao caso apenas com ondas; e - o desempenho do controlador de vibração para turbinas eólicas de fundação fixa é muito similar ao do controlador convencional, o que coincide com a análise teórica apresentada acima.

[00101] Deve-se notar que, embora a presente invenção tenha sido descrita utilizando-se funções de transferência, qualquer outra representação matemática adequada dos sistemas envolvidos poderia ser usada. Além disso, embora funções de transferência, geralmente, só sejam válidas para sistemas lineares, alguém experiente na técnica entenderá que um sistema não linear (como aqueles aos quais a presente invenção se refere) pode ser representado por uma função de transferência com valores lineares ao redor de um ponto de operação particular.

Claims

1. Controlador de passo da pá para uma estrutura de turbina eólica flutuante compreendendo uma estrutura de suporte suportando um rotor tendo uma pluralidade de pás, compreendendo: um meio de controle de passo da pá padrão; e, um meio de amortecimento ativo; o meio de controle de passo da pá padrão é arranjado para controlar um passo da pá utilizando uma função de transferência entre um erro de velocidade do rotor e o passo da pá; e, caracterizado pelo fato de que o meio de amortecimento ativo é arranjado para controlar, adicionalmente, o passo da pá com base em uma velocidade de um ponto sobre a estrutura de turbina eólica, convertendo a velocidade de um ponto sobre a estrutura de turbina eólica em um erro de velocidade do rotor e usando a mesma função de transferência usado no meio de controle de passo da pá padrão para converter o erro de velocidade do rotor em uma correção para o passo da pá.

2. Controlador de passo da pá de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os parâmetros do controlador podem ser mudados por operação remota.

3. Controlador de passo da pá de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que: o meio de amortecimento ativo compreender um filtro passa-baixa, cujo filtro passa-baixa é arranjado para filtrar mudanças na velocidade de um ponto sobre a estrutura de turbina eólica com frequências acima da frequência natural das oscilações de corpo rígido da estrutura de turbina eólica no passo.

4. Controlador de passo da pá de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o filtro passa-baixa é arranjado para filtrar mudanças na velocidade de um ponto sobre a estrutura de turbina eólica com frequências acima de 0,05Hz, preferencialmente acima de 0,04Hz.

5. Controlador de passo da pá de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que o filtro passa-baixa é selecionado dentre um filtro agudo e/ou um filtro passa-baixa Butterworth de segunda ou terceira ordem.

6. Controlador de passo da pá de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o meio de amortecimento ativo compreende um meio de ganho de amortecimento ativo que converte a velocidade de um ponto sobre a estrutura de turbina eólica em um erro de velocidade do rotor, sendo o meio de ganho de amortecimento ativo arranjado para reduzir ou evitar amortecimento negativo das oscilações de corpo rígido da estrutura de turbina eólica no passo e/ou arranjado para prover amortecimento positivo líquido de oscilações de corpo rígido da estrutura de turbina eólica no passo.

7. Controlador de passo da pá de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a função de transferência usada tanto no meio de amortecimento ativo como no meio de controle de passo da pá padrão é implementada na forma de um controlador proporcional-integral.

8. Controlador de passo da pá de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o controlador proporcional-integral compreende: dois controladores, um no meio de amortecimento ativo e um no meio de controle de passo da pá padrão; ou, um controlador proporcional-integral arranjado para ser usado por ambos, o meio de amortecimento ativo e o meio de controle de passo da pá padrão.

9. Controlador de passo da pá de acordo qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o passo da pá poder ser ajustado separadamente para cada pá do rotor.

10. Método para controlar o passo da pá de uma estrutura de turbina eólica flutuante compreendendo uma estrutura de suporte suportando um rotor tendo uma pluralidade de pás, compreendendo as etapas de: ajustar um passo da pá na base da saída de uma função de transferência entre um erro de velocidade do rotor e o passo da pá; e, caracterizado pelo fato de que o método compreende ajustar, adicionalmente, o passo da pá com base em uma velocidade horizontal de um ponto sobre a estrutura de turbina eólica, em que a velocidade de um ponto sobre a estrutura de turbina eólica é convertida em um erro de velocidade do rotor, que é, em seguida, convertido em um passo da pá utilizando a mesma função de transferência.

11. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o passo da pá é apenas ajustado, adicionalmente, para mudanças na velocidade de um ponto sobre a estrutura de turbina eólica com frequências acima de um determinado valor, cujo valor determinado fica preferencialmente acima da frequência natural das oscilações de corpo rígido da estrutura no passo, sendo preferencialmente de 0,05Hz e mais preferencialmente ainda de 0,04Hz.

12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que as mudanças na velocidade de um ponto sobre a estrutura da turbina de vento são filtradas utilizando-se um filtro passa-baixa, preferencialmente um filtro passa-baixa Butterworth de segunda ou terceira ordem.

13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 12, caracterizado pelo fato de que a velocidade de um ponto sobre a estrutura é convertida em um erro de velocidade do rotor utilizando um meio de ganho de amortecimento ativo, cujo meio de ganho de amortecimento ativo é preferencialmente arranjado para reduzir ou evitar amortecimento negativo das oscilações de corpo rígido da estrutura de turbina eólica no passo e/ou é preferencialmente arranjado para prover amortecimento positivo líquido de oscilações de corpo rígido da estrutura de turbina eólica no passo.

14. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 13, caracterizado pelo fato de que a função de transferência que é usada tanto no meio de amortecimento ativo como no meio de controle de passo da pá padrão é implementada na forma de um controlador proporcional-integral.

15. Instalação de turbina eólica flutuante, caracterizada pelo fato de compreender um controlador de passo da pá como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 9 ou controlada pelo método como definido em qualquer uma das reivindicações 10 a 14.