ES2327546T3

ES2327546T3 - Procedimiento para el control y la regulacion de una instalacion de energia eolica.

Info

Publication number: ES2327546T3
Application number: ES05736119T
Authority: ES
Inventors: Eberhard Voss
Original assignee: Nordex Energy SE and Co KG
Current assignee: Nordex Energy SE and Co KG
Priority date: 2004-05-18
Filing date: 2005-05-04
Publication date: 2009-10-30
Anticipated expiration: 2025-05-04
Also published as: CA2568310A1; DE102004024564B4; RU2006143319A; EP1747375B1; WO2005116445A1; CN101094985B; DE102004024564A1; AU2005248021A1; CN101094985A; EP1747375A1; NO20065703L; BRPI0511439A; JP4764422B2; ATE432415T1; US7566982B2; AU2005248021B2; PL1747375T3; RU2350778C2; DE502005007359D1; CA2568310C

Abstract

Procedimiento para el control y la regulación de una instalación de energía eólica con una caja de máquina ajustable en un ángulo acimutal, un rotor con al menos una pala de rotor que puede ajustarse alrededor de su eje longitudinal, una alimentación eléctrica y una unidad de control que tiene un modo de funcionamiento para un régimen de barrena, estando caracterizado el procedimiento por los siguientes pasos: - la unidad de control conmuta al modo de funcionamiento del régimen de barrena, a saber, en dos casos de aplicación, cuando (i) la velocidad de viento excede de una velocidad de desconexión y la alimentación eléctrica se produce a través de una red eléctrica conectada con la instalación de energía eólica o cuando (ii) la velocidad de viento excede de una velocidad de conexión y se ha producido un fallo de la red eléctrica conectada con la instalación de energía eólica o de la conexión a ésta, - la unidad de control determina, a partir de valores (v) medidos para la velocidad del viento y la dirección del viento, una posición de ángulo acimutal (fi) para la caja de máquina y uno o varios ángulos de ajuste (fi) para la al menos una pala de rotor, de tal forma que, en la posición ajustada, el rotor gire con un número de revoluciones de un intervalo de números de revoluciones predeterminado, - al menos un accionamiento de acimut alimentado por la alimentación eléctrica pone la caja de máquina en la posición de ángulo acimutal (fi) y al menos un accionamiento de pitch alimentado por la alimentación eléctrica pone la al menos una pala de rotor en la posición de ángulo (fi) determinada por la unidad de control, alimentando un generador auxiliar acoplado con el rotor al menos una parte de los consumidores eléctricos de la instalación de energía eólica con electricidad cuando existe un fallo de la red eléctrica conectada con la instalación de energía eólica.

Description

Procedimiento para el control y la regulación de una instalación de energía eólica.

La presente invención se refiere a un procedimiento para el control y la regulación de una instalación de energía eólica.

Se conoce por el documento DE19532409A1 un procedimiento para la operación de una instalación de energía eólica, que permite aumentar el rendimiento de la instalación de energía eólica y al mismo tiempo limitar la carga durante velocidades más elevadas del viento. Para ello, a partir de una velocidad de desconexión predeterminada, se reduce la potencia de la instalación de energía eólica, de tal forma que se limita el número de revoluciones en servicio del rotor de la instalación de energía eólica. En la instalación de energía eólica conocida, al alcanzar la velocidad límite, ésta no se desconecta totalmente, sino que el número de revoluciones en servicio de la instalación de energía eólica se reduce obligatoriamente en cuanto una velocidad de soplado supera el valor de la velocidad límite. De esta manera, la instalación de energía eólica sigue operando por encima de la "velocidad de desconexión" habitual, de modo que la línea característica de potencia se prolonga hacia velocidades de viento más elevadas mejorando el rendimiento energético y la compatibilidad de la instalación de energía eólica con la red.

Se conoce por el documento EP1286049A2 una instalación de energía eólica con palas de rotor con regulación de pitch. Para la instalación de energía eólica está prevista una posición de aparcamiento estacionaria, en la que está reducida la carga para la instalación de energía eólica. En la posición de aparcamiento, la instalación de energía eólica se estabiliza mediante una regulación activa del ajuste de las palas de rotor. Por ejemplo, cuando debido a turbulencias se produce una desviación de la pala de rotor de la posición de aparcamiento, se produce una intervención de la regulación que contrarresta esta desviación. Para ello, se amplia el intervalo de ajuste de las palas de rotor, para que éstas puedan generar un par de giro contrario al sentido de giro habitual del rotor.

Se conoce por el documento DE10058076C2 un procedimiento para controlar una instalación de energía eólica, en el que por encima de una velocidad de desconexión la caja de la máquina se pone en una posición acimutal predeterminada, poniéndose al mismo tiempo las palas de rotor en su posición de bandera para la posición acimutal. En particular, en el procedimiento de control se renuncia al uso de un freno acimutal y de un freno de rotor, de modo que el viento incidente ponga el rotor situado en el lado de sotavento automáticamente en la posición con la menor resistencia al viento. En el procedimiento conocido se evita que por el ajuste de una posición acimutal se produzca un seguimiento, con respecto a la dirección principal del viento, de las palas de rotor puestas en su posición de
bandera.

El documento DE19717059C1 describe una instalación de energía eólica con dos posiciones de aparcamiento para la caja de la máquina. En una primera posición de aparcamiento, la caja de la máquina está orientada en la dirección de barlovento, el viento incide en las palas de rotor a través del canto trasero. En la segunda posición de aparcamiento, la caja de la máquina se encuentra girada a una posición de sotavento con respecto a la torre de la instalación de energía eólica, en la cual el viento incide en las palas de rotor a través del canto delantero. En la segunda posición, la caja de la máquina está liberada mecánicamente y en caso de un cambio de la dirección del viento se produce su
seguimiento.

La invención tiene el objetivo de proporcionar un procedimiento para el control de una instalación de energía eólica que a elevadas velocidades de viento reduzca la carga de la instalación de energía eólica garantizando una amplia alimentación de la instalación de energía eólica en caso de un posible fallo de la red eléctrica.

El objetivo según la invención se consigue mediante un procedimiento con las características de la reivindicación 1. Algunas formas de realización ventajosas están representadas en las reivindicaciones subordinadas.

El procedimiento según la invención se refiere al control y la regulación de una instalación de energía eólica que presenta una caja de la máquina, al menos una pala de rotor y una alimentación eléctrica. Se puede ajustar el ángulo acimutal de la caja de la máquina. La pala de rotor o las palas de rotor pueden ajustarse alrededor de su eje longitudinal; este ajuste se denomina ajuste de pitch. En el procedimiento según la invención para el régimen de barrena, una unidad de control determina, a partir de valores medidos para la velocidad del viento y la dirección del viento, una posición angular para la caja de la máquina y uno o varios ángulos de ajuste para la al menos una pala de rotor, cuando una velocidad de viento medida supera un valor de velocidad determinado. En este modo de operación predeterminado por el exceso de un valor de velocidad predeterminado de la instalación de energía eólica, la unida de control calcula ángulos teóricos para el ajuste de acimut y de pitch. El ajuste angular predeterminado se ajusta por un accionamiento de acimut y un accionamiento de pitch, siendo alimentados ambos accionamientos por la alimentación eléctrica. La unidad de control determina los ángulos que se han de ajustar, de tal forma que al menos una pala de rotor gira con un número de revoluciones de un intervalo predeterminado de números de revoluciones. La invención se basa en que también en el modo de operación según la invención ha de producirse un giro, de modo que en caso de fuertes vientos, la instalación esté bajo una carga reducida y/o se pueda seguir generando energía mediante un generador auxiliar. El procedimiento según la invención tiene dos casos de aplicación esenciales. En un caso, en el que la alimentación eléctrica queda garantizada, por ejemplo, por la red eléctrica o de otra manera, se elige un elevado valor de velocidad predeterminado, por ejemplo, del rango de la velocidad de desconexión, de modo que, en caso de altas velocidades de viento, la instalación de energía eólica entra en el régimen de barrena. Durante ello, el rotor no se para, sino que puede seguir girando con un bajo número de revoluciones. En una segunda aplicación del procedimiento según la invención, ha fallado la red eléctrica o la conexión a ésta, de forma que la energía eléctrica generada por el generador no se puede seguir suministrando y los consumidores de la instalación de energía eólica no pueden ser abastecidos de forma duradera. En este caso, se elige una velocidad predeterminada muy baja, por lo que el procedimiento según la invención se emplea también en condiciones de viento regulares. Entonces, la instalación de energía eólica gira con un número de revoluciones de un intervalo de números de revoluciones predeterminado generando así en el régimen de barrena la energía necesaria para la alimentación.

Según una forma de realización preferible, la unidad de control determina para la al menos una pala de rotor el o los valores teóricos para el ángulo de ajuste en función del ángulo acimutal calculado y de otras magnitudes como, por ejemplo, el valor real del número de revoluciones, de la dirección del viento y de la velocidad del viento. Con la dirección del viento medida o con la dirección principal de viento determinada para direcciones de viento variables se determina el ángulo de pitch teniendo en cuenta al menos el valor teórico del ángulo acimutal predeterminado y/o un valor real del número de revoluciones.

En una variante del procedimiento según la invención, que ya se ha mencionado anteriormente, la alimentación eléctrica se realiza a través de la red eléctrica, a la que está conectada la instalación de energía eólica. En este caso existe en medida suficiente una alimentación eléctrica suficiente para los consumidores de la instalación de energía eléctrica como, por ejemplo, la unidad de control, los accionamientos, los sensores de medición, los dispositivos de comunicación y similares, por lo que no se requiere ninguna alimentación de emergencia o auxiliar. El paso al régimen de barrena se produce cuando se excede un valor correspondiente para la velocidad de viento predeterminada, correspondiendo el valor de velocidad (v_{1}*) aproximadamente a la velocidad de desconexión de la instalación de energía eléctrica.

Según la segunda forma de realización está previsto un generador auxiliar configurado para la alimentación eléctrica en el intervalo de números de revoluciones predeterminado del régimen de barrena y cuyo árbol primario está acoplado con un árbol accionado por el rotor. En esta forma de realización del procedimiento según la invención, el generador auxiliar obtiene la potencia eléctrica necesaria para la alimentación por el giro del rotor en el régimen de barrena. El intervalo de números de revoluciones predeterminado tiene preferentemente unos números de revoluciones bajos en comparación con el régimen regular de la instalación de energía eléctrica. Alternativamente, el intervalo de números de revoluciones puede tener también números de revoluciones como los que existen durante el funcionamiento regular de la instalación de energía eólica. En este caso, preferentemente sirve de generador auxiliar un generador destinado al régimen regular.

Preferentemente, el generador auxiliar está configurado de tal forma que al menos una parte de los consumidores eléctricos de la instalación de energía eléctrica pueda ser alimentada por éste de forma duradera.

En caso de un fallo de la red conectada con la instalación de energía eléctrica, preferentemente, el valor predeterminado para la velocidad del viento se pone a un valor bajo, de tal forma que el generador auxiliar pueda alimentar una parte de los consumidores de la instalación de energía eléctrica. El valor predeterminado corresponde aproximadamente a la velocidad de conexión de la instalación de energía eléctrica. Preferentemente, la unida de control determina para la al menos una pala de rotor el o los valores teóricos para los ángulos de ajuste en función de una necesidad de potencia de los consumidores de la instalación de energía eléctrica, que se han de alimentar.

A continuación, con la ayuda de tres diagramas de flujo se describen tres formas de realización posibles del procedimiento según la invención. Muestran:

La figura 1 un diagrama de flujo para el procedimiento según la invención, que al excederse un valor v_{1}* predeterminado para la velocidad del viento conmuta a un régimen de barrena controlada,

la figura 2 la secuencia del procedimiento según la invención que en caso de un fallo de la red conmuta al régimen de barrena controlada, y

la figura 3 un procedimiento de control que tanto al excederse una primera velocidad del viento v_{1}* como en caso de un fallo de la red conmuta a un régimen de barrena controlada para alimentar los consumidores de la instalación de energía eléctrica.

En primer lugar, con relación a la figura 1: El procedimiento según la invención se inicializa en un paso de procedimiento 10. Durante una consulta 12 siguiente, la unidad de control comprueba si los valores para la velocidad del viento v superan un valor v_{1}* predeterminado para la velocidad del viento. En el valor medido de la velocidad del viento puede tratarse de un valor momentáneo o de un valor promediado durante un intervalo de tiempo, de modo que se compensen breves variaciones de la velocidad del viento. Preferentemente, el valor predeterminado para la velocidad del viento v1* asciende aproximadamente a la magnitud de la velocidad de desconexión habitual de la instalación de energía eólica, a la que debido a la fuerte intensidad del viento ya no es posible la operación regular.

Cuando la velocidad de viento v medida excede el valor límite predeterminado para la velocidad del viento v1*, la unidad de control calcula en un paso 14 siguiente un valor teórico para el ángulo acimutal \alpha_teórico y el ángulo de pitch \varphi_teórico de las palas de rotor. Preferentemente, para una carga homogénea de las palas de rotor, todas las palas de rotor se desplazan a la misma posición de pitch. Los valores teóricos \alpha_teórico y \varphi_teórico se calculan de tal forma que la instalación de energía eólica frene de su número de revoluciones actual a un número de revoluciones más bajo después de que, en el paso 16, se ajustaran los valores teóricos determinados por la unidad de control. Entonces, la instalación de energía eólica gira con un número de revoluciones bajo, pero predeterminado. En la figura 1 no está representada una regulación que puede preverse para estabilizar el número de revoluciones predeterminado. Si el número de revoluciones alcanzado por los ángulos \alpha y \varphi se desvía hacia arriba o abajo del intervalo de números de revoluciones predeterminado, se produce una intervención de la regulación para que el número de revoluciones vuelva al intervalo de números de revoluciones deseado. En este procedimiento, la caja de la máquina sigue orientada de cara al viento.

La ventaja especial del procedimiento representado en la figura 1 consiste en que, por el régimen de barrena con un bajo número de revoluciones, la instalación de energía eólica es estable incluso en caso de viento duro. El giro lento del rotor evita que por el viento o viento duro incidente se establezcan tensiones y fuerzas que puedan dañar la instalación de energía eólica. Además, dejan de ser críticas las ráfagas repentinas por el giro de las palas de rotor. El régimen de barrena aumenta la estabilidad de la instalación de energía eólica, por lo que ésta puede realizarse correspondientemente.

La figura 2 muestra otra aplicación del régimen de barrena controlada, durante el que, tras una inicialización 18, en una consulta 20 se comprueba si está disponible la red eléctrica, a la que está conectada la instalación de energía eólica para suministrar energía eléctrica. Si está disponible la red eléctrica, en el paso de procedimiento 22 se puede continuar con otro control u otra regulación, por ejemplo también con el procedimiento representado en la figura 1 que se describe en detalle más adelante. En caso de un fallo de la red eléctrica, en el paso 24 se comprueba si una velocidad de viento v medida supera una velocidad mínima de viento v_{2}* predeterminada. La velocidad mínima de viento v_{2}* está dimensionada de tal forma que es posible una alimentación eléctrica de los consumidores eléctricos de la instalación de energía eólica por un generador auxiliar, a partir del viento. Si la velocidad medida del viento no supera el valor mínimo predeterminado para la velocidad del viento, en el paso 26 se inician los pasos necesarios para asegurar la instalación de energía eólica en caso de un fallo de la alimentación de red. Entre éstos pueden figurar el ajuste de las palas de rotor a la posición de bandera, el aseguramiento y la parada de la unidad de control, el arranque de grupos electrógenos de emergencia y similares.

Sin embargo, si en caso de un fallo de la red, la potencia que puede obtenerse a partir del viento es suficiente para generar, a través de un generador auxiliar conectado al rotor, la energía eléctrica suficiente para la instalación de energía eólica, la unidad de control determina en el paso 28 valores teóricos para el ángulo acimutal y para el ángulo pitch, de tal forma que la instalación de energía eólica funcione con un número de revoluciones adecuado para el generador auxiliar después de haberse ajustado en el paso 30 los ángulos \alpha y \varphi predeterminados. El uso de un generador auxiliar accionado por el rotor en caso de un fallo de la red hace posible que la instalación de energía eólica proporcione, independientemente de una alimentación externa o de grupos auxiliares conectados, la energía suficiente para la alimentación de los consumidores eléctricos, permaneciendo capaz de funcionar de forma
duradera.

La figura 3 muestra una combinación especialmente preferible de los dos procedimientos. En el procedimiento representado en la figura 3, después de una inicialización del procedimiento en el paso 32, en primer lugar, en el paso 34 se consulta si es posible una alimentación eléctrica por la red eléctrica o la corriente generada de forma regular por el generador.

Si la consulta 34 arroja que existe una alimentación eléctrica suficiente, en el paso 36 siguiente se comprueba si la velocidad de viento medida sobrepasa un valor v_{1}* predeterminado. Si no es el caso, esta parte del procedimiento retorna a su posición de partida, a través de la rama 38, y se puede producir un control o una regulación regular de la instalación de energía eólica para conseguir una potencia máxima (no está representado).

En cambio, si la velocidad de viento v medida sobrepasa el valor v_{1}* predeterminado, en el paso 40 se calculan primeros valores teóricos para el ángulo acimutal y el ángulo pitch (\alpha_teórico_1 y \varphi_teórico_1). Estos ángulos se determinan por la unidad de control de tal forma que, tras el ajuste de los ángulos en el paso de procedimiento 42, la instalación de energía eólica se frena hasta un intervalo de números de revoluciones predeterminado. Con los ángulos \alpha_1 y \varphi_1 se consigue un régimen de barrena estable, en el que la instalación de energía eólica entra en barrena en caso de fuertes vientos (v>v_{1}*).

En cambio, si en la consulta 34 se detecta un fallo de la red eléctrica, en el paso 44 se consulta si la velocidad del viento es suficientemente alta para alimentar la potencia eléctrica suficiente a través de un generador auxiliar. Si no es el caso, de forma similar al procedimiento de la figura 2, en el paso 46 se inician las medidas de emergencia correspondientes para asegurar la instalación de energía eólica.

En cambio, si la consulta 44 arroja que el viento es suficientemente fuerte (v > v_{2}*) para obtener con el generador auxiliar la potencia eléctrica suficiente para alimentar la instalación de energía eólica, en el paso 48 se calculan los valores teóricos suficientes para el ángulo acimutal y el ángulo pitch (\alpha_teórico_2, \varphi_teórico_2). Después del ajuste de estos ángulos en el paso de procedimiento 50, el generador auxiliar genera la potencia eléctrica suficiente para el funcionamiento de la instalación de energía eólica sin suministrarla a la red.

Para mayor facilidad, en los ejemplos que preceden, el régimen de barrena de la instalación de energía eólica se ha descrito sólo para un mando del ángulo acimutal y del ángulo pitch. Se ha supuesto que después de cierto tiempo, la instalación de energía eólica cambia al intervalo de números de revoluciones predeterminado. Sin embargo, también es posible una regulación al intervalo de números de revoluciones predeterminado, por ejemplo, de tal forma que se mide el valor real del número de revoluciones y se tiene en cuenta al determinar los valores tóricos para los ángulos.

Claims

1. Procedimiento para el control y la regulación de una instalación de energía eólica con una caja de máquina ajustable en un ángulo acimutal, un rotor con al menos una pala de rotor que puede ajustarse alrededor de su eje longitudinal, una alimentación eléctrica y una unidad de control que tiene un modo de funcionamiento para un régimen de barrena, estando caracterizado el procedimiento por los siguientes pasos:

- la unidad de control conmuta al modo de funcionamiento del régimen de barrena, a saber, en dos casos de aplicación, cuando

(i): la velocidad de viento excede de una velocidad de desconexión y la alimentación eléctrica se produce a través de una red eléctrica conectada con la instalación de energía eólica o cuando

(ii): la velocidad de viento excede de una velocidad de conexión y se ha producido un fallo de la red eléctrica conectada con la instalación de energía eólica o de la conexión a ésta,

- la unidad de control determina, a partir de valores (v) medidos para la velocidad del viento y la dirección del viento, una posición de ángulo acimutal (\varphi) para la caja de máquina y uno o varios ángulos de ajuste (\varphi) para la al menos una pala de rotor, de tal forma que, en la posición ajustada, el rotor gire con un número de revoluciones de un intervalo de números de revoluciones predeterminado,

- al menos un accionamiento de acimut alimentado por la alimentación eléctrica pone la caja de máquina en la posición de ángulo acimutal (\alpha) y al menos un accionamiento de pitch alimentado por la alimentación eléctrica pone la al menos una pala de rotor en la posición de ángulo (\varphi) determinada por la unidad de control, alimentando un generador auxiliar acoplado con el rotor al menos una parte de los consumidores eléctricos de la instalación de energía eólica con electricidad cuando existe un fallo de la red eléctrica conectada con la instalación de energía eólica.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la unidad de control determina, para la al menos una pala de rotor, el o los valores teóricos para los ángulos de ajuste al menos en función del ángulo acimutal calculado y/o del valor real del número de revoluciones.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el intervalo de números de revoluciones predeterminado tiene unos números de revoluciones bajos en comparación con un funcionamiento regular de la instalación de energía eólica.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el intervalo de números de revoluciones predeterminado tiene unos números de revoluciones como los que se producen durante el funcionamiento regular de la instalación de energía eólica.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque un generador destinado al funcionamiento regular está previsto como generador auxiliar.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el generador auxiliar está configurado para alimentar al menos una parte de los consumidores eléctricos en la instalación de energía eólica, siendo dichos consumidores al menos la unidad de control, el sensor de viento, el accionamiento de acimut y el accionamiento de pitch.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la unidad de control determina, para la al menos una pala de rotor, el o los valores teóricos para los ángulos de ajuste en función de una necesidad de potencia de los consumidores eléctricos de la instalación de energía eólica, que se han de alimentar.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque en el modo de funcionamiento del régimen de barrena tiene lugar un giro permanente del rotor.