BRPI1015099B1

BRPI1015099B1 - Controlador para uma turbina eólica flutuante, estrutura de turbina eólica flutuante e método de controle de uma turbina eólica flutuante

Info

Publication number: BRPI1015099B1
Application number: BRPI1015099-4A
Authority: BR
Inventors: Bjorn Skaare
Original assignee: Hywind As
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2021-06-01
Also published as: WO2010122316A1; CN102575646B; KR101741268B1; CA2759575A1; GB0907132D0; EP2422080A1; HK1167699A1; CN102575646A; EP2422080B1; CA2759575C; ES2588937T3; KR20160133578A; BRPI1015099A2; JP5819286B2; PT2422080T; WO2010122316A8; US20120098265A1; JP2012524865A; US9702344B2

Abstract

controlador para uma turbina eólica flutuante, turbina eólica, estrutura de turbina eólica flutuante, método de controle de uma turbina eólica flutuante, produto de software, e, método de fabricação de um produto de software é descrito um controlador para uma turbina eólica flutuante que é adaptado para fazer com que a turbina eólica extraia energia do movimento induzido por onda da turbina. o controlador controla a velocidade do rotor da turbina pelo controle do torque da carga apresentando ao rotor de maneira tal que a velocidade do rotor varie em resposta ao movimento induzido por onda.

Description

[0001] A presente invenção diz respeito ao campo das turbinas eólicas flutuantes. Mais particularmente, ela diz respeito a um sistema de controle para instalações de turbina eólica flutuante que maximizam a energia obtida do movimento induzido por onda.

[0002] Uma instalação de turbina eólica é usualmente formada por uma estrutura de suporte que compreende uma torre alongada, com uma nacela e um rotor anexados na extremidade superior da estrutura de suporte. O gerador e seus componentes eletrônicos associados ficam usualmente localizados na nacela, embora eles possam ficar localizados em qualquer local, tal como na base da estrutura de suporte.

[0003] Turbinas eólicas com base fixa que são fixas tanto na terra quanto no leito do mar são bem conhecidas. Entretanto, recentemente, houve um desejo de desenvolver turbinas eólicas flutuantes e várias estruturas foram propostas. Um exemplo é uma instalação de turbina eólica em que uma estrutura de turbina eólica convencional é montada em uma base flutuante, tais como uma plataforma ou estrutura tipo balsa. Uma outra proposta é uma estrutura tipo "boia cilíndrica vertical". Uma estrutura como essa é formada por uma estrutura de suporte flutuante alongada com um rotor montado no topo. A estrutura de suporte pode ser uma estrutura unitária ou ela pode ser uma subestrutura alongada (similar a uma boia cilíndrica vertical convencional) com uma torre padrão nela montada.

[0004] Instalações de turbina eólica flutuante podem ser presas no leito do mar por meio de um ou mais cabos de atracação com âncoras ou anexadas no leito do mar com uma ou mais pernas articuladas (curvas), por exemplo, a fim de contê-las em seus locais de instalação desejados.

[0005] Em turbinas eólicas convencionais, a velocidade do rotor é controlada a fim de regular a transmissão de energia. A maneira na qual isso é feito depende se a velocidade eólica está acima ou abaixo da assim denominada velocidade eólica nominal para a turbina. Para dadas turbina eólica e velocidade eólica, a energia aerodinâmica depende do coeficiente de energia CP da turbina. Esse é em função do ângulo de arfagem da pá β e da razão da velocidade de ponta À. A última é definida como a velocidade na qual as pontas externas das pás do rotor se movem dividida pela velocidade eólica. Cada turbina tem uma razão da velocidade de ponta ideal característica (em que CP é maximizado), que fica, usualmente, entre 8 e 10.

[0006] A velocidade eólica nominal de uma turbina é a mais baixa velocidade eólica na qual máxima energia pode ser gerada. Durante a operação em ventos abaixo da velocidade eólica nominal, o objetivo de controle é maximizar a transmissão de energia e, assim, o coeficiente de energia deve ser maximizado. Isso corresponde ao valor ideal da razão da velocidade de ponta. Esse regime operacional é conhecido como o regime de máxima energia.

[0007] A razão da velocidade de ponta pode ser otimizada pelo ajuste do ângulo de arfagem da pá para variar o torque aerodinâmico produzido pela turbina ou pelo ajuste do torque da carga do gerador experimentado pelo rotor. Esse último arranjo é preferível em virtude de ele habilitar que a arfagem da pá seja definida no mínimo (β = 0) ângulo de arfagem (isto é, o maior ângulo grosso), o que maximiza o coeficiente de energia CP. Para um dado ângulo de arfagem da pá, o torque apresentado à turbina que maximiza o coeficiente de energia pode ser mostrado como proporcional ao quadrado da velocidade angular do rotor.

[0008] Ao contrário, durante a operação acima da velocidade eólica nominal, a arfagem da pá é ajustada com o objetivo de produzir uma transmissão de energia constante, independente da variação na velocidade eólica, para impedir transmissões de energia excessivamente altas que podem danificar o gerador e/ou seus componentes eletrônicos associados. Essa energia constante é referida como a energia nominal da turbina eólica. Assim, à medida que a velocidade eólica aumenta, a arfagem da pá aumenta, isto é, fica mais paralela à direção do vento, a fim de reduzir o torque aerodinâmico, a fim de manter energia constante. Quando o torque do gerador for variável, isso pode aumentar para permitir que a energia transmitida aumente, mesmo quando a turbina tiver alcançado sua máxima velocidade designada. De fato, é possível e bastante comum mudar tanto a arfagem quanto o torque do gerador acima da velocidade eólica nominal, a fim de alcançar uma produção uniforme da energia do gerador. Então, tipicamente, o torque do gerador, TG, é controlado de acordo com TG = PGmax / WG, em que PGmax é a máxima energia do gerador (ou nominal) e WG é a velocidade do gerador.

[0009] Turbinas eólicas flutuantes passam, inevitavelmente, por significativos movimentos devido à ação de corrente, vento e ondas sobre elas. Ondas, em particular, fazem com que a torre oscile em frequências de cerca de 0,05 até 0,2 Hz. Esses são movimentos de corpo rígido (surto acoplado com arfagem, mas, principalmente, arfagem). Usualmente, o tamanho das oscilações é minimizado pela modificação da geometria e da distribuição de peso da turbina eólica flutuante.

[0010] Entretanto, reconhece-se que energia pode ser extraída das ondas por uma turbina eólica. Da forma definida WO 2005/021961, a turbina pode agir como um mecanismo de amortecimento para movimento induzido por onda e, assim, extrair energia das ondas. A quantidade de energia extraída das ondas depende de como as pás da turbina eólica são controladas em relação à velocidade instantânea do vento em relação às pás do rotor. Em particular, sugere-se que a arfagem da pá seja controlada em resposta ao movimento da torre, de forma que coeficientes de impulso e de energia aumentem com a crescente velocidade eólica relativa (Um maior coeficiente de impulso implica em uma maior força de impulso agindo na área do rotor). O pedido também aponta que máxima energia será extraída se o sistema oscilar em ressonância com as ondas.

[0011] Percebe-se que a extração de energia de onda dessa maneira é útil somente durante a operação abaixo da velocidade eólica nominal (o regime de máxima energia). Quando a velocidade eólica for mais alta que a velocidade eólica nominal, máxima energia transmitida pode ser obtida a partir da energia eólica somente.

[0012] Como exposto no contexto de controle de turbina convencional, nessa região, é desejável que o torque do gerador, em vez da arfagem da pá, seja ajustado para manter a velocidade de ponta ideal (e, portanto, maximizar o coeficiente de energia). Já que o valor de torque ideal é em função da velocidade do rotor, ele pode ser obtido no estado estacionário usando controladores convencionais. Entretanto, em tais controladores, há um significativo atraso entre uma mudança na velocidade eólica relativa e o ajuste no torque. Isso é inerente aos sistemas de controle conhecidos, em virtude de haver um significativo constante de tempo da mudança na velocidade eólica até a correspondente mudança na velocidade do rotor (que é medido). Primeiramente, há um atraso entre a mudança na velocidade eólica e a mudança no torque aerodinâmico que ela ocasiona e, em segundo lugar, em virtude do grande momento de inércia do rotor, há um atraso entre a mudança no torque aerodinâmico e a mudança na velocidade do rotor que ele ocasiona.

[0013] Tais constantes de tempo não são um sério inconveniente no controle convencional de turbinas eólicas em virtude de as significativas prolongadas mudanças na velocidade eólica ocorrerem usualmente durante um período de tempo muito maior. Entretanto, a constante de tempo combinada é significativamente maior que o período das oscilações induzidas por onda e, assim, é impossível usar um controlador de torque convencional para maximizar completamente a extração de energia do movimento induzido por onda. De fato, pode-se mostrar que o resultado do uso de um sistema de controle convencional como esse é a perda de quase metade da energia de onda disponível.

[0014] De acordo com a invenção, é provido um controlador para uma turbina eólica flutuante, o controlador sendo adaptado para fazer com que a turbina eólica extraia energia do movimento induzido por onda da turbina, em que o controlador controla a velocidade do rotor da turbina pelo controle do torque da carga apresentado ao rotor de maneira tal que a velocidade do rotor varie em resposta ao movimento induzido por onda.

[0015] Já que o controlador da invenção controla a turbina pelo controle do torque da carga, ele habilita que a arfagem da pá seja definida em seu valor ideal, desse modo, habilitando maior transmissão de energia do que no sistema da tecnologia anterior, em que a arfagem da pá devia variar em resposta às mudanças induzidas por onda na velocidade eólica relativa. Assim, a invenção é baseada no reconhecimento de que, surpreendentemente, um controlador de torque adequadamente desenhado pode ser usado nesse contexto. Em decorrência disso, um significativo aumento na quantidade de energia originada por onda pode ser obtido.

[0016] Tipicamente, o valor ideal da arfagem da pá é seu mínimo ângulo de arfagem (aqui descrito como 0 grau), que, normalmente, corresponde ao valor máximo do coeficiente de energia da turbina CP. Assim, em uma forma preferida da invenção, a arfagem da pá β é definida na sua definição mínima ou aproximadamente nessa definição. Entretanto, em algumas modalidades, algum (tipicamente pequeno) ajuste da arfagem da pá pode ser usado a fim de maximizar a transmissão de energia e/ou facilitar o controle uniforme.

[0017] O controlador da invenção é arranjado de maneira tal que a velocidade do rotor possa manter, substancialmente, sua razão da velocidade de ponta ideal à medida que a estrutura da turbina se move em oscilações induzidas por onda. Assim, preferivelmente, ele determina a velocidade do rotor desejada (wref) para prover essa razão e ajusta o torque da carga dessa maneira. Já que isso pode ser alcançado enquanto o ângulo de arfagem da pá também é definido no seu valor ideal, isso permite que a energia transmitida da turbina seja maximizada pela habilitação de que a turbina opere em seu coeficiente de energia ideal.

[0018] Preferivelmente, o controlador controla o torque com base em uma entrada que é indicativa do movimento da turbina (induzido por onda). Isso pode ser alcançado pela provisão ao controlador de um sinal de entrada com base na velocidade de topo da torre da estrutura. Mais convenientemente, essa pode ser uma medição direta da velocidade (x). Dessa maneira, o movimento da torre pode ser considerado pelo controlador durante a determinação do torque do gerador.

[0019] Mais preferivelmente, a sinal da velocidade da torre é usado para determinar o componente da velocidade do rotor desejada devido ao movimento induzido por onda da torre (aqui referido como o "componente de onda"). Por exemplo, isso pode ser determinado com base na razão da velocidade de ponta desejada. Por exemplo, o componente de onda da velocidade do rotor pode ser calculado a partir do produto da razão da velocidade de ponta e da velocidade da torre dividido pelo raio do rotor.

[0020] Em uma modalidade, a velocidade do rotor desejada ou "de referência" é definida como a soma do componente de onda e de um componente em estado estacionário (vento somente) ("componente eólico"). Então, essa velocidade de referência pode ser usada para calcular o torque desejado. Tipicamente, o torque exigido é proporcional ao quadrado da velocidade de referência do rotor.

[0021] Preferivelmente, o componente eólico é obtido pela filtragem da velocidade do rotor medida usando, por exemplo, um filtro passa baixa ou passa banda para remover componentes que são associados com o movimento da onda. Então, esse componente filtrado pode ser usado para derivar o respectivo componente do torque desejado, por exemplo, usando uma tabela de busca ou fórmula adequadas.

[0022] Em uma implementação típica, o controlador calcula dois componentes do torque exigido, um com base no componente de velocidade do rotor em estado estacionário (filtrado) e um com base no componente de velocidade do rotor induzida por onda. Então, esses dois componentes podem ser somados para produzir o valor de torque desejado. Percebe-se que o primeiro componente pode ser obtido de uma maneira similar àquele de um controlador com base em torque convencional (isto é, um que não é desenhado para otimizar a energia de onda). Preferivelmente, o último componente é determinado por meio de um controlador proporcional (P) ou derivado proporcional (PD).

[0023] Em uma modalidade da invenção, o controlador compreende um laço de controle com ramificações separadas para calcular os dois componentes supradescritos do torque do rotor desejado.

[0024] Preferivelmente, uma primeira ramificação tem, como sua entrada, a velocidade do rotor, nela aplica um filtro passa baixa e, então, determina o respectivo componente do torque desejado, por exemplo, com base no torque desejado sendo proporcional ao quadrado da velocidade do rotor filtrada.

[0025] Preferivelmente, a segunda ramificação tem, como sua entrada, a diferença entre a velocidade do rotor e a velocidade de referência do rotor (isto é, uma medida do componente de onda da velocidade do rotor desejada). Ela calcula o respectivo componente do torque desejado, preferivelmente, usando um controlador proporcional ou derivado proporcional.

[0026] Quando as saídas das duas ramificações forem somadas, o valor de torque desejado é produzido, e esse pode ser comparado, por um controlador de torque, com o valor de torque real, a fim de determinar a saída de controle necessária.

[0027] Portanto, será visto que o controlador pode ter entradas para sinais que representam a velocidade do rotor e a velocidade da torre.

[0028] Em uma modalidade alternativa, além da velocidade da torre medida, é usada uma entrada adicional, que é uma estimativa da velocidade eólica média. Nesse caso, o componente eólico da velocidade do rotor pode ser determinado diretamente a partir da velocidade eólica estimada, por exemplo, como o produto da razão da velocidade de ponta ideal e da velocidade eólica estimada dividido pelo raio do rotor.

[0029] Nessa modalidade, não há necessidade de determinar componentes de torque separados, e o controlador não precisa ter as duas ramificações supradescritas. Em vez disso, o controlador pode ter um único laço de controle, em que um valor da velocidade real do rotor é comparado com a velocidade de referência do rotor e a diferença é usada para determinar o valor de torque desejado, por exemplo, usando um controlador proporcional ou derivado proporcional, como exposto.

[0030] Nas formas preferidas da invenção, a turbina é conectada em uma rede elétrica, que habilita que ela extraia corrente durante certas partes do ciclo oscilatório da torre. Isso pode ser necessário em algumas modalidades para alcançar satisfatório rastreamento da velocidade do rotor.

[0031] Percebe-se que, como com sistemas anteriores, a invenção é usada em velocidades eólicas abaixo da velocidade eólica nominal da turbina. Uma vez que a velocidade eólica for excedida, pode haver pouco interesse na obtenção de energia a partir das ondas. Portanto, o controlador pode ser usado em conjunto com um controlador que habilita que a turbina opere no regime de energia constante, ou fazer parte dele, da maneira bem conhecida na tecnologia. Assim, o controlador da invenção pode ser configurado para desabilitar a supradescrita funcionalidade (relacionada à onda) em uma dada velocidade eólica (por exemplo, a velocidade eólica nominal ou um valor próximo desse).

[0032] A invenção também se estende a uma estrutura de turbina eólica que compreende um controlador, como exposto.

[0033] Assim, de acordo com um aspecto adicional da invenção, é provida uma estrutura de turbina eólica flutuante que compreende uma torre flutuante com uma turbina eólica nela montada e um controlador, a turbina eólica sendo arranjada para acionar uma carga que apresenta um torque e sendo adaptada para extrair energia do movimento induzido por onda da turbina, em que o controlador controla a velocidade do rotor da turbina pelo controle do torque da carga de maneira tal que a velocidade do rotor varie em resposta ao movimento induzido por onda.

[0034] Deve-se entender que "flutuante" diz respeito à natureza da estrutura, isto é, uma que é desenhada para flutuar em um corpo d'água, independente se ela é realmente flutuante.

[0035] A estrutura pode tomar qualquer uma das formas conhecidas, mas é particularmente preferido que ela seja do tipo que tem um suporte flutuante alongado supradescrito.

[0036] Mais comumente, a carga pode ser um gerador elétrico, embora ela possa ser, por exemplo, um dispositivo hidráulico. Um arranjo de engrenagem de algum tipo será usualmente provido entre a turbina e a carga. Preferivelmente, a carga é um gerador de torque variável.

[0037] Preferivelmente, o controlador é da forma adicionalmente supradescrita.

[0038] A invenção também se estende e um correspondente método de controle. Assim, visualizada a partir de um aspecto ainda adicional, a invenção provê um método de controle de uma turbina eólica flutuante, de maneira tal que a turbina eólica extraia energia do movimento induzido por onda da turbina, em que a velocidade do rotor da turbina é controlada pelo controle do torque da carga apresentado ao rotor de maneira tal que a velocidade do rotor varie em resposta ao movimento induzido por onda.

[0039] Preferivelmente, o método incorpora as etapas de controle e/ou o uso de um controlador, da forma adicionalmente supradescrita.

[0040] Como ficará aparente aos versados na técnica, o controlador será normalmente provido na forma de software. Assim, o controlador compreende um processador para executar esse software. Os processadores podem ser microprocessadores, por exemplo.

[0041] A presente invenção também diz respeito a um produto de software que compreende instruções que, quando executadas por um processador, fazem com que o processador controle uma estrutura de turbina eólica flutuante, de maneira tal que a turbina eólica extraia energia do movimento induzido por onda da turbina, em que a velocidade do rotor da turbina é controlada pelo controle do torque da carga apresentado ao rotor de maneira tal que a velocidade do rotor varie em resposta ao movimento induzido por onda.

[0042] Preferivelmente o, produto de software é uma portadora de dados física. Por exemplo, um CD ou disco flexível.

[0043] Alternativamente, ou além do mais, o produto de software pode ser provido na forma de instruções transmitidas em uma rede, tal como transferência pela Internet, por exemplo.

[0044] A presente invenção também diz respeito a um método de fabricação de um produto de software, que é na forma de um veículo físico, que compreende armazenar, na portadora de dados, instruções que, quando executadas por um processador, fazem com que o processador controle uma estrutura de turbina eólica flutuante, de maneira tal que a turbina eólica extraia energia do movimento induzido por onda da turbina, em que a velocidade do rotor da turbina é controlada pelo controle do torque da carga apresentado ao rotor de maneira tal que a velocidade do rotor varie em resposta ao movimento induzido por onda.

[0045] Como será discutido com mais detalhes a seguir, resultados da simulação (usando Simo-Riflex-Hawc2) com base em uma modalidade da invenção que considera velocidade eólica constante e ondas regulares com amplitude de 2 m e período de 9 segundos mostraram aumento na extração de energia de onda de 2,46 % para 6,69 %, se comparado com o controle convencional.

[0046] Certas modalidades da invenção serão agora descritas, a título de exemplo somente, e em relação aos desenhos anexos: a figura 1 é um gráfico que mostra valores não dimensionais da velocidade eólica (100), do torque aerodinâmico (101) e da velocidade do rotor (102) para uma típica turbina eólica em função do tempo; a figura 2 é um gráfico que mostra a velocidade do rotor em função da velocidade eólica para uma turbina eólica que opera com uma razão da velocidade de ponta ideal (103) e uma curva real para uma típica turbina eólica implementada em HAWC2 (104); a figura 3 é um gráfico que mostra referência de energia aerodinâmica em função da velocidade eólica para uma turbina eólica que opera com uma razão da velocidade de ponta ideal (103) e uma curva real para uma típica turbina eólica implementada em HAWC2 (104); a figura 4 é um gráfico que mostra energia aerodinâmica em função da velocidade do rotor para uma turbina eólica que opera com uma razão da velocidade de ponta ideal (103) e uma curva real para uma típica turbina eólica implementada em HAWC2 (104); a figura 5 é um gráfico que mostra o coeficiente de energia em função da razão da velocidade de ponta para zero ângulo de arfagem da pá para uma típica turbina eólica; a figura 6 é um gráfico que mostra a energia aerodinâmica em função do tempo durante a simulação com uma velocidade eólica constante de 6 m/s e um movimento senoidal da torre com uma amplitude de velocidade de 1,18 m/s e um período de 9 segundos; a figura 7 é um gráfico que mostra a energia aerodinâmica em função da velocidade eólica relativa durante a simulação com uma velocidade eólica constante de 6 m/s e um movimento senoidal da torre com uma amplitude de velocidade de 1,18 m/s e um período de 9 segundos; a figura 8 é um diagrama de um controlador de torque convencional; a figura 9a é um diagrama de um controlador de torque de acordo com uma modalidade da invenção; a figura 9b é um diagrama de um controlador de torque de acordo com uma modalidade alternativa da invenção; a figura 9c é um diagrama que mostra um recurso opcional adicional para os controladores das figuras 9a e 9b; a figura 10 é um diagrama Bode para o controlador P da velocidade do rotor em laço fechado que pode ser usado nas modalidades; a figura 11 é uma captura de tela do gráfico da velocidade de topo da torre durante as simulações de turbinas eólicas flutuantes com controle convencional (azul) e controle ideal da velocidade do rotor (vermelho); a figura 12 é uma captura de tela do gráfico da velocidade do rotor durante as simulações de turbinas eólicas flutuantes com controle convencional (105) e controle ideal da velocidade do rotor (106), juntamente com o sinal de referência da velocidade do rotor ideal (107); a figura 13 é uma captura de tela do gráfico da energia aerodinâmica durante as simulações de turbinas eólicas flutuantes com controle convencional (105) e controle ideal da velocidade do rotor (106); a figura 14 é uma captura de tela do gráfico da energia do gerador durante as simulações com turbinas eólicas flutuantes com controle convencional (105) e controle ideal da velocidade do rotor (106); e a figura 15 é uma turbina eólica que incorpora um controlador de acordo com uma modalidade da invenção.

[0047] Voltando, primeiro, para a figura 15, é ilustrado um conjunto de turbina eólica flutuante 1. Ele compreende um rotor de turbina 2 montado em uma nacela 3. A nacela é, por sua vez, montada no topo de uma estrutura que compreende uma torre 4 presa no topo de um corpo flutuante 5 na forma geral de uma boia cilíndrica vertical. O corpo flutuante é preso no leito do mar por um ou mais cabos de ancoragem 7 (somente um é mostrado). A nacela contém um gerador elétrico que é conectado no rotor de turbina por meio de uma caixa de engrenagens de redução da maneira convencional (esses itens não são mostrados). Alternativamente, o conjunto pode compreender um gerador acionado direto. A nacela também contém uma unidade de controle.

[0048] Quando o rotor for girado pelo vento ele faz com que o gerador produza eletricidade de maneira bem conhecida. O rotor compreende pás com arfagem variável cujo ângulo de arfagem β pode ser ajustado pela unidade de controle. Sua definição de arfagem mínima é definida como a posição de zero grau. Outras definições são representadas por um ângulo positivo. A definição ideal do ângulo de arfagem em relação ao coeficiente de energia é zero com pequenas variações ao redor desse valor.

[0049] O controlador também age para variar o torque que o gerador provê como uma carga ao rotor de turbina 2. Assim, para uma dada velocidade do rotor, a energia obtida a partir do vento e, portanto, a energia transmitida a partir do gerador, pode variar.

[0050] A variação da arfagem da pá e/ou do torque é usada para garantir que a turbina opere em suas limitações de velocidade do rotor e de energia transmitida. A mais baixa velocidade eólica na qual máxima energia pode ser obtida é chamada de velocidade eólica nominal para a turbina.

[0051] Já que o conjunto de turbina 1 é flutuante no mar (ou outro grande corpo d'água), ele é sujeito a movimento induzido por onda (A ondas 9 na superfície da água são mostradas esquematicamente.). À medida que o conjunto de turbina 1 se move contra e a favor em relação ao vento, devido ao estímulo da onda, é possível extrair energia de onda sob a operação abaixo da velocidade eólica nominal para a turbina (não será útil fazê-lo acima da velocidade eólica nominal). Sob a consideração de vento estacionário e movimento harmônico para uma turbina eólica flutuante, a velocidade relativa entre o vento e a turbina pode ser escrita como

em que Ur é a velocidade eólica relativa, Uw é a velocidade eólica de entrada, UA é a amplitude de velocidade do movimento harmônico da turbina eólica flutuante, w é a frequência do movimento harmônico, t é tempo e θ é um ângulo de fase. Pela consideração do coeficiente de energia constante Cp, a energia aerodinâmica distribuída pela turbina pode ser escrita como

em que P é a energia aerodinâmica da turbina, paé a densidade de ar e A é a área varrida pelo rotor. Pela substituição de (1) em (2), descobriu-se que a produção de energia em um ciclo de oscilação é

em que

é o período de um ciclo de oscilação. Essa equação provê o máximo valor obtenível de E, isto é, em que o coeficiente de energia Cp é mantido em um valor máximo constante. Cp é em função tanto da arfagem da pá β quanto da razão da velocidade de ponta À (a velocidade de ponta do rotor dividida pela velocidade eólica, isto é, À = rw / UR,em que r é o raio do rotor), então, por sua vez, isso exige que a velocidade do rotor varie com o movimento harmônico, de maneira tal que a razão da velocidade de ponta À seja mantida em um valor ideal constante. Em outras palavras, para alcançar o valor máximo de E, a velocidade do rotor deve variar com a variação da velocidade eólica relativa durante cada ciclo de oscilação.

[0052] Deixando de lado que o tempo seja a questão das mudanças induzidas por onda na velocidade eólica relativa, a turbina eólica é arranjada para manter a razão da velocidade de ponta no valor ideal (ou pelo menos tão próximo quanto possível) em resposta às mudanças na velocidade eólica quando a turbina operar abaixo da velocidade eólica nominal. A fim de fazê-lo, o torque do gerador para uma turbina eólica com velocidade variável, tal como essa, pode ser controlado de uma maneira conhecida (Frequentemente, esse regime de operação é referido como o regime de máxima energia.).

[0053] O ideal do ponto operacional da turbina é visto no topo da parábola na curva de coeficiente de energia mostrada na figura 5, com mínima arfagem da pá β (isto é, β = 0) e essa é a definição usada nas modalidades aqui descritas. Entretanto, em modalidades alternativas, pequenas mudanças nessa definição podem ser feitas durante operação no regime de máxima energia para otimizar adicionalmente a operação.

[0054] Uma curva do torque do gerador ideal em função da velocidade do rotor pode ser descoberta da seguinte maneira:

[0055] Já que energia P é o produto da velocidade angular e do torque, segue que TEL= P / wt e, então, o torque do gerador desejado, ou ideal, transformado no lado da baixa velocidade da engrenagem em função da velocidade do rotor é dado como

em que TEL é o torque do gerador transformado no lado da baixa velocidade da engrenagem, considerando uma engrenagem ideal sem perdas, wt é a velocidade do rotor, Àopt é a razão da velocidade de ponta ideal, r é o raio do rotor e a constante CEL é dada como

Equivalentemente, já que, para a razão de engrenagem n:1, o torque do gerador é relacionado ao torque visto pelo rotor por TG = TEL / n e wt = wg / n, o torque do gerador ideal em função da velocidade do gerador no lado de alta velocidade da engrenagem pode ser escrito como

em que Wg é a velocidade do gerador, n é a razão de engrenagem, TG é o torque do gerador no lado de alta velocidade da engrenagem e a constante CG é dada como

[0056] Se um controlador de torque do gerador for baseado somente em (4) e (5), é importante notar que a razão da velocidade de ponta ideal é alcançada somente no estado estacionário. Há uma certa constante de tempo de uma mudança na velocidade eólica até uma mudança correspondente na velocidade do rotor. Portanto, a razão da velocidade de ponta ideal é alcançada somente ao redor de um valor médio da velocidade eólica. Primeiro, há uma constante de tempo de uma mudança na velocidade eólica até uma mudança no torque aerodinâmico. Em segundo lugar, há uma constante de tempo de uma mudança no torque aerodinâmico até uma mudança na velocidade do rotor devido ao grande momento de inércia do rotor.

[0057] Isso é ilustrado na figura 1, em que valores transitórios não dimensionais da velocidade eólica, do torque aerodinâmico e da velocidade do rotor são graficamente representados em função do tempo para uma etapa na velocidade eólica de 6 até 7 m/s. Todas as variáveis foram transformadas para tomar valores entre 0 e 1 a fim de simplificar a comparação das constantes de tempo. O torque aerodinâmico alcança seu valor de estado estacionário em 1,5 segundo, enquanto a velocidade do rotor alcança seu valor de estado estacionário depois de 85 segundos, que é muito maior que o período típico de movimento induzido por onda.

[0058] A turbina usada na modalidade da invenção é uma típica turbina de 2,3 MW. As figuras 2-5 ilustram alguns relacionamentos entre o coeficiente de energia, a razão da velocidade de ponta, a energia aerodinâmica, a velocidade do rotor e a velocidade eólica para uma turbina como essa e a correspondente curva ideal.

[0059] A velocidade do rotor é mostrada em função da velocidade eólica para uma turbina que opera com uma razão da velocidade de ponta ideal e da curva real para a turbina na figura 2. O motivo para as grandes diferenças para a velocidade eólica acima de cerca de 8 m/s é devido às restrições na máxima velocidade do rotor permissível para a turbina, que é igual a 1,78 rad/s para essa turbina específica.

[0060] O efeito de não ser capaz de operar a turbina ideal devido às restrições da velocidade do rotor mostradas na figura 2 é mostrado nas correspondentes curvas de energia da figura 3. É visto que a curva de energia real está abaixo da curva de energia ideal a partir de uma velocidade eólica de cerca de 8 m/s e até a velocidade eólica nominal para a turbina.

[0061] A curva da energia aerodinâmica em função da velocidade do rotor é mostrada na figura 4, e essa curva corresponde ao relacionamento entre a velocidade do rotor e o torque aerodinâmico dado na equação (4). O coeficiente de energia em função da razão da velocidade de ponta é mostrado na figura 5, em que a razão da velocidade de ponta ideal é vista em cerca de 9.

[0062] Ao contrário do controlador convencional, a fim de alcançar maior extração de energia de onda abaixo da velocidade eólica nominal, a unidade de controle da primeira modalidade emprega um controlador de torque do gerador com uma parte do controlador da velocidade do rotor inédita, bem como o controlador de torque convencional descrito nas equações (4) e (5) expostas. Essa parte adicional tem uma entrada adicional com base na velocidade da torre e será descrita adicionalmente a seguir.

[0063] Os sinais de referência a serem usados no controlador de torque do gerador da modalidade são:

em que w/p é o sinal que passou por filtragem passa baixa derivado da velocidade do rotor medida, w. Considera-se que a direção positiva do movimento horizontal da nacela corresponde à direção positiva do vento, de maneira tal que ela seja ideal para reduzir a velocidade do rotor quando a turbina estiver se movendo na mesma direção do vento.

[0064] Será visto que a equação (6) é uma soma das duas velocidades. A primeira é a contribuição para a velocidade do rotor pelo movimento induzido por onda, considerando que a razão da velocidade de ponta ideal é alcançada. A segunda é a parte induzida por vento sem onda. A equação (7) considera que w/p é suficientemente constante de forma que sua derivada se aproxime de zero, isto é, que a taxa de mudanças da velocidade do rotor devido ao movimento induzido por onda seja muito maior que aquelas em função das variações na velocidade eólica.

[0065] Considerando, primeiramente, o controlador convencional mostrado na figura 8, a entrada no sistema (físico) é o torque aerodinâmico, TA, e a saída do sistema é a velocidade rotacional do rotor w, em outras palavras, o torque aerodinâmico que o vento que age no rotor cria faz com que o rotor opere na velocidade w. A medição no sistema é w. O torque do gerador visto no lado da baixa velocidade do eixo é TG (que corresponde a TEL na discussão prévia) e pode ser representado / calculado como uma função TG(w) da velocidade do rotor medida. TG é a saída do controlador.

[0066] No processo dinâmico, a aceleração do rotor é dada como w = 1/J * (TA - TG), em que J é o momento de inércia, pela consideração um eixo rígido e usando a segunda lei de Newton.

[0067] O controlador da primeira modalidade pode ser considerado como uma versão modificada do controlador convencional exposto e é mostrado na figura 9a. Como pode ser visto, a velocidade do rotor inserida na referência de torque convencional é a medição que passou por filtragem passa baixa da velocidade do rotor, enquanto o laço de controle da velocidade do rotor adicional contém um controlador PD (proporcional diferencial) e uma trajetória de referência da velocidade do rotor que é baseada no movimento de topo da torre medido x a fim de obter uma razão de velocidade da ponta desejada.

[0068] Mais especificamente, como antes, a entrada no sistema físico é o torque aerodinâmico, TA. A referência da velocidade do rotor, wref é dada pela equação (6) exposta. A saída do sistema físico é a velocidade rotacional do rotor w. A medição no sistema mostrado é a velocidade do rotor. Além disso, a velocidade da nacela é medida e usada no cálculo de wref.

[0069] O torque do gerador visto no lado da baixa velocidade do eixo é TG, que é a saída do controlador. Ele consiste em dois componentes que são adicionados. O primeiro é um controlador de rastreamento da velocidade do rotor que proporciona uma contribuição adicional ao controlador convencional, de maneira tal que a velocidade do rotor varie com os movimentos induzidos por onda da nacela de uma maneira ideal. O controlador de rastreamento da velocidade do rotor toma a diferença entre uma velocidade de referência wref e a velocidade do rotor medida w como entrada. A saída é um sinal do torque do gerador. O segundo é um controlador de torque que se comporta como o controlador de torque convencional da figura 8. Esse controlador consiste em um filtro passa baixa (ou filtro passa banda) que remove as frequências de onda e na função do controlador de torque original TG(w). A saída é um sinal do torque do gerador com média zero. A aceleração do rotor w é como exposto.

[0070] Uma modalidade alternativa é mostrada na figura 9b. Nessa modalidade, a entrada no sistema é (novamente) o torque aerodinâmico, TA, e a referência da velocidade do rotor, wref é dada por:

[0071] A saída do sistema é a velocidade rotacional do rotor, w. A medição no sistema é, novamente, a velocidade do rotor. Além disso, a velocidade da nacela é medida e a velocidade eólica média é estimada e usada para calcular wref de acordo com a equação 6a exposta. O torque do gerador visto no lado da baixa velocidade do eixo é TG, que é a saída do controlador. O controlador de rastreamento da velocidade do rotor toma a diferença entre uma velocidade de referência e a velocidade do rotor medida como a entrada. A saída é o sinal do torque do gerador.

[0072] Na modalidade supradescrita, considera-se que a dinâmica do gerador é rápida, se comparada com a dinâmica do rotor, de maneira tal que o torque do gerador seja igual ao torque do gerador comandado, que é realmente a saída do controlador de torque (essa é uma consideração comum). Entretanto, em uma modalidade modificada, a dinâmica do gerador é considerada: para fazê-lo os recursos mostrados no diagrama de blocos da figura 9c são conectados entre a saída do controlador e o torque do gerador nas figuras 9a e 9b.

[0073] O desempenho dos controladores supradescritos e, em particular, a versão da figura 9a, serão agora considerados. Considera-se que a parte do controlador de torque convencional das figuras 9a e 9b não afetará o controlador de rastreamento da velocidade, já que os dois controladores operam em diferentes domínios de frequência. Considera-se que a contribuição do controlador de torque convencional varia lentamente, já que o controlador é baseado na velocidade do rotor que passou por filtragem passa baixa com frequência de filtro abaixo da área da frequência de onda, embora o controlador de rastreamento da velocidade do rotor seja desenhado para operar na área da frequência de onda, a fim de obter uma razão da velocidade de ponta desejada. Por esse motivo, a parte do controlador de torque convencional do controlador da figura 9a é negligenciada na seguinte discussão, durante a consideração do controlador de rastreamento da velocidade ao redor da velocidade do rotor que passou por filtragem passa baixa.

[0074] O controlador PD na figura 9a pode ser representado com a função de transferência

em que KP e KD são o ganhos proporcional e derivado, respectivamente. Pela negligência dos efeitos lentamente variáveis, a dinâmica do sistema fechado da figura 9a pode ser desenvolvida:

em que J é o momento de inércia para o rotor e o gerador e TA_dyn é a parte dinâmica do torque aerodinâmico. Adicionalmente, a função de transferência de laço para a parte dinâmica do sistema é dada como

[0075] A função de transferência que representa a capacidade de o sistema de controle seguir um sinal de referência se torna

[0076] enquanto a função de transferência que representa o erro entre um sinal de referência desejado e a medição se torna

[0077] A modalidade supradescrita emprega um controlador PD. Entretanto, um controlador de ganho puramente proporcional pode ser introduzido pela definição do parâmetro KD nas equações (9) e (10) igual a zero, resultando nas funções de transferência:

[0078] A largura de banda do sistema com o controlador P é

, e a representação gráfica Bode para o sistema é mostrada com KP/J = WO dB = 8,49 na figura 10.

[0079] Os benefícios da invenção podem ser mais bem entendidos pela consideração de alguns cálculos teóricos simplificados de extração de energia de onda. Esses são baseados na curva de energia real da figura 2, juntamente com a curva de coeficiente de energia da figura 4. Os seguintes três casos são considerados: • Fixo: Energia extraída de uma turbina eólica de fundação fixa durante a operação em uma velocidade eólica constante de 6 m/s. • Real: Energia extraída de uma turbina eólica flutuante durante a operação em uma velocidade eólica constante de 6 m/s e com velocidades senoidais da torre de topo com uma amplitude de 1,18 m/s e um período de 9 segundos (isso corresponde ao caso com ondas com 2 m de amplitude e um período de 9 segundos em simulações Simo-Riflex-Hawc2) sob a consideração de que a turbina opera com velocidade do rotor constante correspondente à velocidade do rotor ideal em 6 m/s. • Ideal: Energia extraída de uma turbina eólica flutuante durante a operação em uma velocidade eólica constante de 6 m/s e com velocidades senoidais da torre de topo com uma amplitude de 1,18 m/s e um período de 9 segundos sob a consideração de que a turbina opera com a razão da velocidade de ponta desejada para a turbina correspondente à curva de energia real da figura 2.

[0080] Os resultados dos cálculos de energia para os três diferentes casos são mostrados em função do tempo e da velocidade eólica relativa na figura 5 e na figura 6, respectivamente, e alguns valores chaves são listados na Tabela 1. Note que o uso da equação (2) proporciona uma estimativa da parte de extração de onda da energia aerodinâmica de 5,80 % para a amplitude de velocidade de 1,18 m/s, que corresponde aos cálculos com a turbina eólica flutuante com controle ideal da velocidade do rotor na Tabela 1 a seguir.

[0081] A figura 6 mostra a energia aerodinâmica para uma turbina eólica fixa (linha 108), uma turbina eólica flutuante operando em razão da velocidade de ponta ideal (linha 109) e uma turbina eólica flutuante mais realística operando com a velocidade do rotor correspondente à velocidade eólica média (linha 110). Os valores médios para a energia aerodinâmica durante a operação com as razões de velocidade de ponta ideal e mais típica são mostrados nas linhas 111 e 112, respectivamente.

[0082] A figura 7 mostra a energia aerodinâmica para uma turbina eólica fixa (linha 108), uma turbina eólica flutuante operando em razão da velocidade de ponta ideal (linha 109) e uma turbina eólica flutuante mais realística operando com a velocidade do rotor correspondente à velocidade eólica média (linha 110). Os valores médios para a energia aerodinâmica durante a operação com as razões de velocidade de ponta ideal e mais típica são mostrados nas linhas 111 e 112, respectivamente.

[0083] Tabela 1: Cálculos simples da energia aerodinâmica

[0084] Estudo da Simulação

[0085] As simulações nessa seção são realizadas com a ferramenta de análise acoplada Simo-Riflex-HAWC2 com a estrutura da torre do casco de concreto e uma turbina de 2,3 MW.

[0086] As condições ambientais nas simulações são uma velocidade eólica constante de 6 m/s e ondas regulares com uma amplitude de 2 m e um período de 9 segundos.

[0087] As simulações nessa seção foram realizadas com um controlador P para controle do rastreamento da velocidade do rotor com os mesmos parâmetros usados para representar graficamente o diagrama Bode da figura 10.

[0088] Uma captura de tela da velocidade de topo da torre é graficamente representada na figura 11 para uma turbina eólica flutuante com um controlador de torque convencional e um controlador de torque para controle ideal da velocidade do rotor. Pode-se ver que os movimentos da turbina não são significativamente afetados pela escolha do controlador.

[0089] As correspondentes velocidades do rotor são graficamente representadas na figura 12, juntamente com o sinal de referência da velocidade do rotor ideal. Pode-se ver que, usando um controlador convencional, há somente pequenas reações ao movimento da onda e a velocidade do rotor também fica fora de fase com o sinal de referência da velocidade do rotor ideal. Isso indica que as considerações por trás da curva "real" nos cálculos simples, aqui, são razoáveis. Fica claro que a velocidade do rotor segue o sinal da velocidade do rotor ideal quando o controlador de rastreamento da velocidade do rotor ideal for usado.

[0090] Uma captura de tela da energia aerodinâmica com o uso dos dois controladores é mostrada na figura 13, embora alguns dados chaves para a energia do gerador, também em comparação com uma turbina eólica de fundação fixa, sejam mostrados na Tabela 2 a seguir.

[0091] Tabela 2: Dados chaves para a energia do gerador em Simo-Riflex-Hawc2 [0092] Uma captura de tela da simulação da energia do gerador é mostrada na figura 14, embora os dados chaves comparativos sejam dados na Tabela 2 (supra). Pode-se ver que o controlador de rastreamento da velocidade do rotor ideal exige grandes contribuições de torque, de maneira tal que a energia também seja extraída da rede em partes do ciclo de flutuação. Note que os cálculos simples para o aumento da energia aerodinâmica dados na Tabela 1 coincidem bem com o aumento de energia do gerador calculado que é encontrado para as simulações numéricas com o uso de Simo-Riflex-Hawc2 na Tabela 2.

Claims

1. Controlador para uma turbina eólica flutuante, o controlador sendo adaptado para, abaixo de uma velocidade eólica nominal, fazer com que a turbina eólica extraia energia do movimento induzido por onda da turbina, caracterizadopelo fato de que o controlador controla a velocidade do rotor da turbina pelo controle do torque da carga apresentado ao rotor, de maneira tal que a velocidade do rotor varie em resposta ao movimento induzido por onda.

2. Controlador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que é arranjado para habilitar que a arfagem da pá da turbina permaneça substancialmente em sua definição mínima enquanto a turbina é controlada durante oscilações induzidas por onda.

3. Controlador, de acordo com a reivindicação 1 ou com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato de que é arranjado de maneira tal que a velocidade do rotor da turbina possa manter substancialmente sua razão da velocidade de ponta ideal à medida que a estrutura da turbina se move em oscilações induzidas por onda.

4. Controlador, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizadopelo fato de que o torque é controlado com base em uma entrada indicativa do movimento da turbina.

5. Controlador, de acordo com a reivindicação 4, caracterizadopelo fato de que o sinal de entrada é baseado na velocidade de topo da torre da estrutura.

6. Controlador, de acordo com a reivindicação 5, caracterizadopelo fato de que o sinal com base na velocidade da torre é usado para determinar o componente da velocidade do rotor desejada devido ao movimento induzido por onda da torre com base na razão da velocidade de ponta desejada.

7. Controlador, de acordo com a reivindicação 6, caracterizadopelo fato de que uma velocidade de referência do rotor desejada é definida como a soma do componente induzido por onda e de um componente eólico em estado estacionário, a velocidade de referência sendo usada para calcular o torque desejado.

8. Controlador, de acordo com a reivindicação 7, caracterizadopelo fato de que o controlador calcula dois componentes do torque exigido, um com base no componente eólico da velocidade do rotor que passou por filtragem passa baixa e um com base no componente de velocidade do rotor induzida por onda, os dois componentes sendo somados para produzir o valor de torque desejado.

9. Controlador, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizadopelo fato de que compreende: um laço de controle com primeira e segunda ramificações; a primeira ramificação tendo, como sua entrada, a velocidade do rotor da turbina, em que um filtro passa baixa é nela aplicado e o respectivo componente do torque desejado é obtido usando o valor filtrado; a segunda ramificação tendo, como sua entrada, a diferença entre a velocidade do rotor e uma velocidade de referência do rotor e sendo arranjada para calcular o respectivo componente do torque desejado usando um controlador proporcional ou derivado proporcional; as saídas das duas ramificações sendo somadas para determinar o valor de torque desejado.

10. Controlador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 até 4, caracterizadopelo fato de que o controlador tem entradas para sinais que representam a velocidade da torre medida e uma estimativa da velocidade eólica média.

11. Controlador, de acordo com a reivindicação 10, caracterizadopelo fato de que compreende um único laço de controle, em que um valor da velocidade real do rotor é comparado com uma velocidade de referência do rotor, a velocidade de referência do rotor sendo baseada na velocidade da torre e na velocidade eólica média, a diferença sendo usada para determinar o valor de torque desejado usando um controlador proporcional ou derivado proporcional.

12. Estrutura de turbina eólica flutuante, caracterizadapelo fato de que compreende uma torre flutuante com uma turbina eólica nela montada e o controlador como definido em qualquer uma das reivindicações precedentes, a turbina eólica sendo arranjada para acionar a carga que apresenta um torque e sendo adaptada para extrair energia do movimento induzido por onda da turbina.

13. Método de controle de uma turbina eólica flutuante, de maneira tal que a turbina eólica extraia energia do movimento induzido por onda da turbina, quando a turbina eólica está operando abaixo da velocidade eólica nominal, caracterizado pelo fato de que a velocidade do rotor da turbina é controlada pelo controle do torque da carga apresentado ao rotor, de maneira tal que a velocidade do rotor varie em resposta ao movimento induzido por onda.

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizadopelo fato de que a arfagem da pá da turbina permanece substancialmente na sua definição mínima enquanto a turbina é controlada durante oscilações induzidas por onda.

15. Método, de acordo com as reivindicações 13 ou 14, caracterizadopelo fato de que a velocidade do rotor da turbina pode manter substancialmente sua razão da velocidade de ponta ideal à medida que a estrutura da turbina se move em oscilações induzidas por onda.

16. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 - 15, caracterizadopelo fato de que o torque é controlado com base em uma entrada indicativa do movimento da turbina.

17. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de que o sinal de entrada é baseado na velocidade de topo da torre da estrutura.

18. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizadopelo fato de que o sinal com base na velocidade da torre é usado para determinar o componente da velocidade do rotor desejada devido ao movimento induzido por onda da torre com base na razão da velocidade de ponta desejada.

19. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizadopelo fato de que uma velocidade de referência do rotor desejada é definida como a soma do componente induzido por onda e de um componente eólico em estado estacionário, a velocidade de referência sendo usada para calcular o torque desejado.

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizadopelo fato de que o método compreende calcular dois componentes do torque exigido, um com base no componente eólico da velocidade do rotor que passou por filtragem passa baixa e um com base no componente de velocidade do rotor induzida por onda, os dois componentes sendo somados para produzir o valor de torque desejado.

21. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 - 20, caracterizado pelo fato de que compreende: prover um laço de controle com primeira e segunda ramificações; inserir na primeira ramificação a velocidade do rotor da turbina, aplicar um filtro passa baixa e obter o respectivo componente do torque desejado usando o valor filtrado; inserir na segunda ramificação a diferença entre a velocidade do rotor e uma velocidade de referência do rotor e calcular o respectivo componente do torque desejado usando um controlador proporcional ou derivado proporcional; somar as saídas das duas ramificações para determinar o valor de torque desejado.

22. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 16, caracterizado pelo fato de que compreende inserir sinais que representam a velocidade da torre medida e uma estimativa da velocidade eólica média.

23. Método, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que compreende prover um único laço de controle no qual um valor da velocidade real do rotor é comparado com uma velocidade de referência do rotor, a velocidade de referência do rotor sendo baseada na velocidade da torre e na velocidade eólica média, e usar a diferença para determinar o valor de torque desejado usando um controlador proporcional ou derivado proporcional.