ES2288121A1 - Metodo de operacion de un aerogenerador. - Google Patents
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Abstract
Método de operación de un aerogenerador de velocidad variable que comprende medios de control de la orientación de las palas en casos de una ráfaga extrema de viento, caracterizado porque comprende los pasos siguientes: a) detectar la presencia de una ráfaga extrema de viento; b) realizar un aumento súbito del ángulo de ataque dentro del intervalo de 6 a 14 grados a la máxima velocidad permitida por los medios de control de la orientación de las palas del aerogenerador. El método también comprende un paso adicional: c) variar la velocidad del generador para evitar una gran aceleración del generador que pudiera hacer que se necesitase un subsiguiente paso b).
Description
Método de operación de un aerogenerador.
La invención se refiere a un método de operación
de un aerogenerador y, en particular, a un método de operación de
un aerogenerador en casos de ráfagas extremas de viento.
Los aerogeneradores de velocidad variable con
medios de control de la orientación de las palas son bien conocidos
en el estado de la técnica.
Estos medios de control comprenden al menos un
actuador y una transmisión de regulación conectados a un
dispositivo de control.
El dispositivo de control recibe datos de
entrada de componentes seleccionados del aerogenerador y envía
datos de salida al actuador para cambiar la posición angular de las
palas según determinadas reglas que permiten la implementación de
métodos de operación destinados a la optimización de la producción
de potencia y a la protección del aerogenerador en el caso de
elevadas velocidades de viento o de fallos del aerogenerador.
Uno de estos casos es el de ráfagas extremas de
viento que produce cargas extremas en los componentes estructurales
principales tales como la raíz de la pala y la base de la torre. En
este caso, la técnica conocida normalmente propone utilizar los
citados medios de control para parar el aerogenerador. Por ejemplo,
el documento WO 2004/077068 describe el uso de sistemas de radar
óptico para detectar ráfagas mucho antes de que el cambio de viento
alcance la torre del aerogenerador, de manera que las palas puedan
posicionarse en bandera utilizando los medios de orientación de las
palas.
El objeto de esta invención es un método para
tratar este caso, manteniendo el aerogenerador en funcionamiento y
minimizando los momentos flectores en la raíz de la pala y en la
base de la torre.
Para conseguir este objetivo, la presente
invención proporciona un método de operación de un aerogenerador de
velocidad variable con medios de control de la orientación de las
palas en casos de una ráfaga extrema de viento, caracterizado
porque comprende los pasos siguientes:
a) detectar la presencia de una ráfaga extrema
de viento;
b) realizar un aumento súbito del ángulo de
ataque dentro de un intervalo de 6 a 14 grados a la máxima
velocidad permitida por los medios de control de la orientación de
las palas del aerogenerador.
En una realización preferida, el método incluye
también el siguiente paso adicional:
c) variar la velocidad del generador para evitar
grandes aceleraciones del generador que pudieran hacer que se
necesitase un subsiguiente paso b).
En una realización preferida, la presencia de
una ráfaga extrema de viento se detecta cuando la aceleración del
generador es superior a un valor predeterminado durante un tiempo
mínimo predeterminado.
En otra realización preferida, la presencia de
una ráfaga extrema de viento se detecta utilizando sistemas de
radar óptico.
Otras características y ventajas de la presente
invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue de
una realización ilustrativa y no limitativa de su objeto en
relación con las figuras que se acompañan.
La Figura 1 es un diagrama esquemático del
método de la presente invención.
La Figura 2 muestra varias series temporales de
la respuesta simulada de un aerogenerador bajo un método de
operación según la presente invención en un caso de una ráfaga
extrema de viento a 11 m/s.
La norma internacional IEC
61400-1 Edición 2 especifica un caso de hipótesis
de carga máxima para una Ráfaga Extrema de Viento a 50 años
(EOG_{50}), que describe una ráfaga coherente con una magnitud
fijada y una forma de tipo Gaussiana característica.
Bajo una estrategia de operación consistente en
seguir operando a través de la ráfaga sin ningún tipo de parada, un
caso de carga tal puede producir efectos negativos en los
aerogeneradores, tales como:
- Sobre-velocidades elevadas del
rotor y del generador.
- Momento flector extremo en la raíz de la
pala.
- Deflexión extrema de la pala hacia la
torre.
- Momento flector extremo en la base de la
torre.
En simulaciones aeroelásticas la solicitante ha
encontrado que la diferencia principal entre el caso de carga
EOG_{50} y los casos de carga de producción normal de potencia
está en la magnitud y la duración de la aceleración del generador.
En particular, se ha encontrado que sobre- velocidades del 20% del
generador se sobrepasan a menudo durante el funcionamiento normal,
pero la duración de este exceso es bastante corta comparada con el
caso de carga EOG_{50}, en el cual la
sobre-velocidad del generador dura más tiempo.
En consecuencia, el criterio a aplicar para
aumentar el ángulo de ataque según el método de la presente
invención es detectar un valor predeterminado de aceleración del
generador, medida como un porcentaje de la velocidad nominal del
generador (GNS), en el intervalo de 10% a 30% GNS/sec, y un valor
predeterminado de su duración en el intervalo de 0,2 a 0,6 s, con
una realización preferida de 0,4 s.
En otra realización preferida la ráfaga se
detecta utilizando sistemas de radar óptico montados en el buje del
rotor como se describe por ejemplo en el documento WO
2004/077068.
En relación con el aumento del ángulo de ataque,
se ha encontrado que un aumento del ángulo de ataque en el
intervalo de 6 a 14 grados, y preferiblemente en el intervalo de 12
a 14 grados, tiene un efecto favorable tanto para el momento
flector extremo de la pala como para la velocidad extrema del
generador que pueden aparecer a diferentes velocidades del viento.
Un aumento superior del ángulo de ataque no da una reducción
significativa adicional de la velocidad máxima extrema del
generador.
El incremento del ángulo de ataque ha de
realizarse tan rápido como sea posible, i.e., con la máxima
velocidad permitida por los medios de control de la orientación de
las palas del aerogenerador, que, para un gran número de
aerogeneradores estándar, está comprendida en el intervalo de 8 a 10
grados/s.
Un rápido incremento del ángulo de ataque puede
originar una situación crítica que podría activar otro ciclo de
aumento como el descrito anteriormente, ya que la disminución de la
velocidad del rotor inmediatamente después del incremento del
ángulo de ataque podría estar seguida de una elevada aceleración.
Para evitar este efecto, el método según la invención incluye el
paso c), en el cual se disminuye en una primera
sub-etapa la velocidad del generador, medida como
un porcentaje de la velocidad nominal del generador (GNS), con una
tasa de variación en el intervalo de 1% a 4% GNS/s, con una
realización preferida de 2% GNS/s, hasta alcanzar una velocidad del
generador en el intervalo de 60% a 90% GNS, con una realización
preferida de 80% GNS, aumentándose lentamente en una segunda
sub-etapa la velocidad del generador con una tasa
de variación en el intervalo de 0,5% a 2% GNS/s, con una
realización preferida de 1% GNS/s, hasta alcanzar la velocidad
nominal.
Este método puede implementarse utilizando los
medios disponibles para la orientación de las palas de los
aerogeneradores de velocidad variable conocidos como se muestra en
la Figura 1.
Los medios para la orientación de las palas
comprenden palas 11, un actuador 21, una transmisión de regulación
23 y un dispositivo de control 25. El dispositivo de control recibe
datos de entrada del generador 13 y/o de otros componentes 15, 17 de
la turbina, y envía datos de salida D1 al actuador 21 para cambiar
la posición angular de las palas 11 según reglas
predeterminadas.
Según el método de la presente invención, el
dispositivo de control 25 recibe datos de entrada del generador 13 o
de los sistemas de radar óptico montados en el rotor 15 y, después
de detectar una ráfaga extrema de viento, envía datos de salida D1
al actuador 21 para aumentar el ángulo de ataque de las palas 11
hacia la posición de bandera en un valor predeterminado. El
incremento del ángulo de ataque se hace cambiando el correspondiente
valor de referencia que se utiliza como parámetro de entrada en el
dispositivo de control.
Las series temporales mostradas en la Figura 2
ilustran los resultados obtenidos con el método de operación objeto
de la presente invención en un ejemplo a 11 m/s. El incremento del
ángulo de ataque se activa en t=26 s. Entonces, el valor de
referencia de la velocidad del generador se cambia para alcanzar
350 rpm en aproximadamente 9 s, permanecer a 350 rpm durante 10 s y
alcanzar el valor nominal de 440 rpm en aproximadamente 18 s.
Aunque la presente invención se ha descrito
enteramente en conexión con realizaciones preferidas, es evidente
que se pueden introducir aquellas modificaciones dentro del alcance
de, no considerando éste como limitado por las anteriores
realizaciones, las reivindicaciones siguientes.
Claims (12)
1. Método de operación de un aerogenerador de
velocidad variable que comprende medios de control de la
orientación de las palas en casos de una ráfaga extrema de viento,
caracterizado porque comprende los pasos siguientes:
a) detectar la presencia de una ráfaga extrema
de viento; y
b) realizar un aumento súbito del ángulo de
ataque dentro del intervalo de 6 a 14 grados a la máxima velocidad
permitida por los medios de control de la orientación de las palas
del aerogenerador.
2. Método de operación de un aerogenerador de
velocidad variable según la reivindicación 1, en el que la
presencia de una ráfaga extrema de viento se detecta cuando la
aceleración del generador es superior a un valor predeterminado en
el intervalo de 10% a 30% GNS/s durante un tiempo mínimo
predeterminado en el intervalo de 0,2 s a 0,6 s.
3. Método de operación de un aerogenerador de
velocidad variable según la reivindicación 2, en el que dicho valor
predeterminado de aceleración es de 20% GNS/s.
4. Método de operación de un aerogenerador de
velocidad variable según cualquiera de las reivindicaciones
2-3, en el que dicho tiempo mínimo predeterminado
es de 0,4 s.
5. Método de operación de un aerogenerador de
velocidad variable según la reivindicación 1, en el que la
presencia de una ráfaga extrema de viento se detecta utilizando
sistemas de radar óptico montados en el buje del aerogenerador.
6. Método de operación de un aerogenerador de
velocidad variable según cualquiera de las reivindicaciones
1-5, en el que la magnitud del citado aumento del
ángulo de ataque está en el intervalo de 12-14
grados.
7. Método de operación de un aerogenerador de
velocidad variable según cualquiera de las reivindicaciones
1-6, en el que el citado aumento del ángulo de
ataque se realiza a una velocidad en el intervalo de 8 a 10
grados/s.
8. Método de operación de un aerogenerador de
velocidad variable según cualquiera de las reivindicaciones
1-7, que comprende también el paso siguiente:
c) variar la velocidad del generador para evitar
una gran aceleración del generador que pudiera hacer que se
necesitase un subsiguiente paso b).
9. Método de operación de un aerogenerador de
velocidad variable según la reivindicación 8, en el que la etapa c)
comprende las siguientes sub-etapas:
c1) disminuir la velocidad del generador a una
tasa de variación comprendida en el intervalo del 1% al 4% GNS/s,
hasta alcanzar un valor de velocidad del generador en el intervalo
del 60% al 90% GNS;
c2) aumentar la velocidad del generador a una
tasa de variación en el intervalo del 0,5% al 2% GNS/s, hasta
alcanzar la velocidad nominal.
10. Método de operación de un aerogenerador de
velocidad variable según la reivindicación 9, en el que la citada
tasa de variación de la disminución de la velocidad del generador
es del 2% GNS/s.
11. Método de operación de un aerogenerador de
velocidad variable según la reivindicación 9, en el que el citado
valor de velocidad del generador es del 80% GNS.
12. Método de operación de un aerogenerador de
velocidad variable según la reivindicación 9, en el que el que la
citada tasa de variación del aumento de la velocidad del generador
es del 1% GNS/s.
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