ES2308387T3 - Metodo para evitar la resonancia en turbinas eolicas. - Google Patents
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Abstract
Un método de evitar las oscilaciones mecánicas en una planta de potencia eólica, caracterizado porque el método comprende las etapas de determinar la velocidad del viento, controlar el generador de la planta de potencia con un control de velocidad cuando la velocidad del viento está por debajo de un límite predefinido (w1) para mantener la velocidad de rotación por debajo del primer límite predefinido (v1), detectar el incremento de la velocidad del viento por encima del límite predefinido (w 1), controlar el controlador eléctrico del generador de la planta de potencia eólica para controlar la fuerza de torsión usando una fuerza de torsión del punto de cruce predefinida (T1) en respuesta al aumento de la velocidad del viento por encima de un límite predefinido, manteniendo la fuerza de torsión del punto de cruce (T 1) como fuerza de torsión de referencia para el controlador eléctrico hasta que la velocidad de rotación del generador haya aumentado por encima de un segundo límite predefinido (v2), y controlar el controlador eléctrico del generador de la planta de potencia eólica con el control de la fuerza de torsión mientras que la velocidad de rotación del generador se mantiene por encima del segundo límite predefinido (v 2).
Description
Método para evitar la resonancia en turbinas
eólicas.
La presente invención se refiere a un método en
una planta de potencia eólica. En particular, esta invención se
refiere a un método para reducir o incluso evitar las oscilaciones
mecánicas a la frecuencia de resonancia de una planta de potencia
eólica.
La popularidad de las plantas de potencia eólica
como fuentes de energía renovable ha aumentado en los pocos años
anteriores en parte debido al hecho de que la tecnología requerida
se ha hecho menos cara y en parte porque han aumentado los precios
de la energía de las fuentes de energía no renovables. Al mismo
tiempo, los tamaños de las unidades de las plantas de potencia
eólica se han aumentado, y hoy en día las mayores plantas de
potencia eólicas en funcionamiento son de una magnitud de varios
megavatios.
Con el aumento en la salida eléctrica nominal,
el tamaño físico y la masa de los equipos en una planta de potencia
eólica también aumentan, lo cual significa que también se necesita
que sea fuerte la torre que soporta la turbina eólica, el generador
y sus equipos periféricos. Además, una planta de potencia eólica de
alta potencia requiere una turbina de largas aspas, en cuyo caso la
torre también necesita ser bastante alta. La longitud de las aspas
de la turbina a su vez restringe directamente la velocidad de
rotación de la turbina, porque no está permitido aumentar
arbitrariamente la velocidad del extremo de las aspas debido al
ruido que produce.
Todos los factores anteriores tienen como
consecuencia una frecuencia de resonancia de la estructura de la
turbina bastante baja. Esta frecuencia de resonancia está
típicamente en un intervalo que se desencadena por la rotación de
la turbina. Si la turbina gira durante mucho tiempo a una frecuencia
que corresponde a la frecuencia de resonancia mecánica de la planta
de potencia eólica, hay un peligro de que la mecánica de la planta
de potencia eólica se debilite o incluso falle, causando de este
modo costes considerables. Además, el ruido producido por la
situación de resonancia puede molestar en los alrededores de la
planta de potencia eólica.
La publicación US 6.525.518 presenta una
solución con la que puede detectarse el comienzo de la resistencia
mecánica de una planta de potencia eólica y pueden reducirse las
oscilaciones producidas por la resonancia. La detección de la
resonancia se basa en el análisis del espectro realizado sobre las
cantidades medidas. A su vez, las oscilaciones se reducen alterando
la velocidad de rotación del rotor o como alternativa alterando la
carga dinámica de la turbina. Las soluciones de la publicación
eliminan las situaciones de resonancia, pero sin embargo no impide
la entrada en resonancia de forma activa. De este modo, la planta de
potencia puede caer de vuelta a una situación de resonancia. En la
solución de la publicación de US 6.525.518 ambos métodos
alternativos de reducir la oscilación causada por la resonancia
reducen la salida producida por la planta de potencia eólica.
El documento
EP-A-0 244 341 describe un método y
un aparato para evitar las resonancias. En este método se
determinan la velocidad del generador y la potencia y en base a
estos valores se controla la velocidad del generador para eliminar
las resonancias.
Es un objeto de la invención desarrollar un
método que evite los inconvenientes mencionados anteriormente y
permita la reducción de las oscilaciones mecánicas de una planta de
potencia eólica sin afectar significativamente a la salida de
potencia de la planta. Este objeto se consigue por un método de la
invención que se caracteriza porque lo se establece en la
reivindicación independiente. Las realizaciones preferidas de la
invención se muestran en las reivindicaciones dependientes.
La invención se basa en la idea de que el
intervalo de frecuencia angular de una turbina que produce
resonancia mecánica se pase tan rápidamente como sea posible de
modo que no se desencadenen las oscilaciones causadas por la
resonancia. A velocidades más bajas que la velocidad de rotación de
la turbina que desencadena la frecuencia de resonancia, los
controladores eléctricos de la planta de potencia eólica son de
velocidad controlada, y cuando la velocidad del viento aumenta a un
valor que posibilita el funcionamiento de la turbina eólica por
encima de la frecuencia angular que desencadena la resonancia
mecánica, se usa el control de la fuerza de torsión en los
controladores eléctricos. La conmutación de un método de control al
otro se realiza de tal modo que en primer lugar se fija el control
de la fuerza de torsión a un valor de referencia pequeño, por lo
tanto el viento acelera la turbina y el generador pasa rápidamente
el intervalo de revoluciones que provoca la resonancia.
El método de la invención proporciona la ventaja
de que la salida de energía mejora incluso a bajas velocidades de
rotación en comparación con el uso del control de la fuerza de
torsión. Además el método impide que permanezca la velocidad de
rotación de la turbina en el intervalo de resonancia mecánica, por
lo tanto la vida de servicio mecánico de la torre se hace más
largo.
Ahora se describirá la invención con mayor
detalle por medio de las realizaciones preferidas y con referencia
a la Figura 1 que es una descripción general de la formación de la
fuerza de torsión en función de la velocidad de la turbina
eólica.
El método de la invención determina la velocidad
del viento en una localización que corresponde tan exactamente como
sea posible con la velocidad del viento en la localización de la
turbia eólica. Tal localización para la determinación de la
velocidad del viento puede ser por ejemplo en la cúpula que cierra
el generador. La determinación de la velocidad del viento se
realiza típicamente de tal modo que se miden las velocidades
momentáneas del viento, y se calcula una media de las velocidades
momentáneas durante un periodo de tiempo adecuado. El cálculo de la
media hace posible descartar ráfagas momentáneas, la utilización de
las cuales es difícil en la producción de energía.
Si, de acuerdo con la invención, la velocidad
del viento está por debajo de un límite predefinido w_{1}, el
generador de la planta de potencia eólica es de velocidad
controlada. El control de velocidad se refiere al modo de control,
en el que la velocidad de rotación del generador y la turbina eólica
se mantienen en un valor de referencia. La magnitud de este valor
de referencia puede alterarse dependiendo de las condiciones del
viento predominantes. Naturalmente, es más ventajoso dejar que la
turbina gire más rápido, si la velocidad del viento que prevalece
lo permite. Sin embargo, en el control de velocidad es importante
asegurarse de que el generador de la planta de potencia eólica
produce la fuerza de torsión suficiente para mantener la producción
de potencia en un nivel apropiado. De este modo, puede implementarse
el control de velocidad alterando la velocidad de referencia de
modo que el generador de la turbina eólica produce una fuerza de
torsión, por ejemplo, constante. Cuando se utiliza el método de la
invención, es también necesario asegurarse de que la velocidad de
referencia se mantiene por debajo de un límite predefinido
v_{1}.
De acuerdo con el método de la invención, se
monitoriza continuamente la velocidad del viento, y cuando se
detecta que la velocidad del viento aumenta por encima de un límite
predefinido w_{1}, se toma la acción de control para controlar el
controlador eléctrico del generador de la planta de potencia eólica
por el control de la fuerza de torsión, y el control de la fuerza
de torsión es al mismo tiempo dado un valor de referencia de la
fuerza de torsión del punto de cruce como su valor de
referencia.
De este modo cuando la velocidad del viento
aumenta a un valor que permite la operación de la turbina eólica a
una velocidad de rotación que está por encima de la frecuencia que
desencadena la resonancia de la planta de potencia eólica, se toma
la acción de control mencionada anteriormente. Esta acción conmuta
el control, al control de la fuerza de torsión dando como fuerza de
torsión de referencia un valor de referencia de la fuerza de
torsión del punto de cruce que es un valor pequeño y más
preferiblemente cero. El momento de torsión dirigido a las aspas de
la turbina por el viento acelera a continuación la turbina tan
rápida como sea posible, ya que la fuerza de torsión del
controlador eléctrico está en el valor de la fuerza de torsión de
referencia del punto de cruce que es, por ejemplo, cero. En otras
palabras, la fuerza giratoria dirigida a las aspas de la turbina
eólica se usa para incrementar la velocidad de rotación. Como la
fuerza de torsión eléctrica se controla para que sea cero o un
valor muy pequeño, el generador momentáneamente no produce ninguna
energía a la red.
La fuerza de torsión del punto de cruce se
mantiene como la fuerza de torsión de referencia en el generador
hasta que, debido al viento, la velocidad de rotación de la turbina
y el generador ha aumentado por encima de un segundo límite
predefinido v_{2}. Cuando se alcanza esta velocidad mientras que
la velocidad del viento está por encima del límite predefinido
w_{1}, el controlador eléctrico del generador de la planta de
potencia eólica se controla por la fuerza de torsión. El control de
la fuerza de torsión consigue por si mismo de un modo conocido
buenas posibilidades de control para la potencia producida con el
generador y también una buena capacidad de producción de potencia.
Típicamente, la fuerza de torsión de referencia para el controlador
eléctrico se forma como una función de la velocidad de rotación del
generador. Deberá observarse que las velocidades de rotación del
generador y la turbina eólica no necesariamente se corresponden, ya
que muchos controladores usan un engranaje entre la turbina eólica
y el generador.
La Figura 1 es una presentación gráfica de un
descriptor de la fuerza de torsión eléctrica de la invención como
una función de la velocidad de rotación del generador. Imaginemos en
primer lugar una situación, en la que la velocidad del viento está
por debajo de un límite predefinido w_{1}. La velocidad de
rotación de la turbina eólica y el generador está entonces dentro
del rango de 0 a v_{1} rpm, y el generador está controlado por
velocidad como se describió anteriormente. A medida que aumenta la
velocidad del viento, se altera la velocidad de referencia para
mantener sustancialmente constante la fuerza de torsión eléctrica
como se muestra en la Figura 1. Cuando la velocidad de rotación ha
alcanzado el valor límite v_{0}, la fuerza de torsión producida
por el generador aumenta lentamente a medida que aumentan la fuerza
del viento y la velocidad de rotación. En esta etapa, se aumenta la
fuerza de torsión para limitar la velocidad de rotación y para
incrementar la producción de potencia.
Cuando la velocidad del viento aumenta aún más
por encima del valor límite predefinido w_{1}, se inicia el modo
de control de la fuerza de torsión y se fija como fuerza de torsión
de referencia la fuerza de torsión de referencia T_{1} del punto
de cruce, es decir, por ejemplo cero. El generador y la turbina
eólica se aceleran entonces rápidamente, ya que antes de conmutar
al control de la fuerza de torsión, la fuerza de torsión que reduce
la aceleración ya se incrementó. Ahora que se elimina esta fuerza de
torsión que reduce la aceleración, la velocidad de rotación cambia
rápidamente a un intervalo que no desencadena la resonancia mecánica
de la planta de potencia eólica. La referencia de la fuerza de
torsión cero puede eliminarse cuando la velocidad de rotación ha
aumentado por encima del segundo límite predefinido v_{2}. En la
Figura 1, la velocidad de rotación V_{res} que desencadena la
resonancia mecánica se muestra en un intervalo de la velocidad de
rotación limitado por los límites predefinidos v_{1} y v_{2}.
Se observará que el intervalo entre estos límites puede ser mayor o
menor dependiendo del caso. En algunos casos, los límites v_{1},
v_{2} pueden fijarse también a la velocidad de rotación v_{res}
que desencadena la resonancia, o a alguna otra velocidad de rotación
común.
Cuando la velocidad del viento disminuye de modo
que es necesario conmutar desde el modo de control de la fuerza de
torsión al modo de control de velocidad, la conmutación puede
hacerse sin la fuerza de torsión de referencia pequeña del punto de
cruce. La conmutación puede hacerse por ejemplo de tal modo que
cuando la velocidad de rotación de la turbina eólica alcanza el
segundo límite predefinido v_{2}, se inicie directamente el modo
de control de velocidad, y se da un valor de referencia al
controlador de velocidad que es más pequeño que la velocidad que
desencadena la frecuencia de resonancia. Esto también hace posible
aumentar momentáneamente la fuerza de torsión eléctrica, es decir
la energía producida, por lo que el generador y la turbina se
deceleran rápidamente.
La velocidad de rotación que desencadena la
resonancia puede definirse por ejemplo durante el periodo de prueba
de la planta de potencia eólica usando un método conocido. Después
de esta definición, pueden fijarse de forma simple los parámetros
requeridos para el sistema de control. Está también claro que la
velocidad de rotación que desencadena la resonancia puede definirse
durante el uso, en cuyo caso el equipo proporciona los parámetros
requeridos para el sistema de control. Asimismo, está claro que
puede aplicarse el mismo método a varios puntos de resonancia, si
la estructura de la planta de potencia eólica tiene varias
frecuencias de resonancia.
El método de la invención puede aplicarse a
muchas plantas de potencia eólica de diferentes tipos. Lo esencial
es que el generador de la planta de potencia eólica puede
controlarse para aplicar una velocidad de referencia y una fuerza
de torsión de referencia como se describe en las
reivindicaciones.
Es evidente para las personas especialistas en
la técnica que a medida que la tecnología avanza, la idea básica de
la invención puede implementarse de muchas formas diferentes. De
este modo, la invención y sus realizaciones no están limitadas a
los ejemplos descritos anteriormente, sino que pueden variar dentro
del alcance de las reivindicaciones.
Claims (6)
1. Un método de evitar las oscilaciones
mecánicas en una planta de potencia eólica, caracterizado
porque el método comprende las etapas de
determinar la velocidad del viento,
controlar el generador de la planta de potencia
con un control de velocidad cundo la velocidad del viento está por
debajo de un límite predefinido (w_{1}) para mantener la velocidad
de rotación por debajo del primer límite predefinido (v_{1}),
detectar el incremento de la velocidad del
viento por encima del límite predefinido (w_{1}),
controlar el controlador eléctrico del generador
de la planta de potencia eólica para controlar la fuerza de torsión
usando una fuerza de torsión del punto de cruce predefinida
(T_{1}) en respuesta al aumento de la velocidad del viento por
encima de un límite predefinido, manteniendo la fuerza de torsión
del punto de cruce (T_{1}) como fuerza de torsión de referencia
para el controlador eléctrico hasta que la velocidad de rotación
del generador haya aumentado por encima de un segundo límite
predefinido (v_{2}), y
controlar el controlador eléctrico del generador
de la planta de potencia eólica con el control de la fuerza de
torsión mientras que la velocidad de rotación del generador se
mantiene por encima del segundo límite predefinido (v_{2}).
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque la magnitud de la fuerza de fuerza de
torsión del punto de cruce (T1) es cero.
3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque la determinación de la velocidad del
viento comprende la etapa de calcular una media temporal de las
velocidades momentáneas del viento.
4. Un método de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque el control de velocidad del generador
de la planta de potencia eólica comprende la etapa de producir una
velocidad de referencia para un circuito de control de velocidad de
tal modo que la fuerza de torsión eléctrica a producir es
esencialmente constante.
5. Un método de acuerdo con la reivindicación 4,
caracterizado porque el control de velocidad del generador
de la planta de potencia eólica también comprende las etapas de
detectar el incremento de la velocidad del
generador por encima de una velocidad límite predefinida, e
incrementar la magnitud de la fuerza de torsión
eléctrica producida por el generador.
6. Un método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones anteriores 1 a 5, caracterizado porque
el método comprende las etapas de
definir anticipadamente una velocidad de
rotación del generador (v_{res}) que desencadena la resonancia
mecánica de la planta de potencia eólica,
seleccionar el primer límite de la velocidad de
rotación predefinido (v_{1}) de tal modo que es más pequeña de la
velocidad de rotación del generador (v_{res}) que desencadena la
resonancia mecánica de la planta de potencia eólica, y
seleccionar el segundo límite de velocidad de
rotación predefinido (v_{2}) de tal modo que es mayor que la
velocidad de rotación del generador (v_{res}) que desencadena la
resonancia mecánica de la planta de potencia eólica.
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