ES2358140A1 - Métodos de control de aerogeneradores para mejorar la producción de energía. - Google Patents
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Abstract
Métodos de control de aerogeneradores para mejorar la producción de energía siguiendo una curva potencia vs. velocidad del generador (31) que comprende una zona nominal (39) donde se mantiene constante la potencia a su valor nominal, una primera zona sub-nominal (33), una segunda zona sub-nominal (35) donde se permite que tanto la velocidad del generador como la potencia aumenten/disminuyan en línea con la velocidad del viento y una tercera zona sub-nominal (37) entre la segunda zona sub-nominal (35) y la zona nominal (39) que comprende un primer segmento vertical (41) a una velocidad del generador nr2 mayor de la velocidad nominal del generador nr1 y un segundo segmento vertical (43) a la velocidad nominal del generador nr1 conectando con la zona nominal (39), siguiéndose cada uno de dichos segmentos (41, 43) en función de los cambios de la velocidad del viento para optimizar la producción de energía.
Description
Métodos de control de aerogeneradores para
mejorar la producción de energía.
La invención se refiere a métodos de control de
aerogeneradores de velocidad variable y, en particular, a métodos de
control de aerogeneradores de control variable para mejorar la
producción de energía.
Los aerogeneradores son dispositivos que
convierten energía mecánica en energía eléctrica. Un aerogenerador
típico incluye una góndola montada sobre una torre que alberga un
tren de potencia para transmitir la rotación de un rotor a un
generador eléctrico y otros componentes tal como los motores de
orientación mediante los que se gira el aerogenerador, varios
controladores y un freno. El rotor soporta varias palas que se
extienden radialmente para capturar la energía cinética del viento y
causan un movimiento rotatorio del tren de potencia. Las palas del
rotor tienen una forma aerodinámica de manera que cuando el viento
pasa a través de la superficie de la pala se crea una fuerza
ascensional que causa la rotación de un eje al que está conectado
-directamente o a través de un dispositivo de multiplicación- un
generador eléctrico situado dentro de la góndola. La cantidad de
energía producida por los aerogeneradores depende de la superficie
de barrido del rotor de palas que recibe la acción del viento y,
consecuentemente, el incremento de la longitud de las palas implica
normalmente un incremento de la producción de energía del
aerogenerador.
En los métodos y sistemas de control conocidos
la energía producida por un aerogenerador se incrementa con la
velocidad del viento hasta que se alcanza un nivel nominal
pre-establecido y a partir de ahí se mantiene
constante. Ello se hace regulando el ángulo de paso de las palas de
manera que el ángulo de paso de las palas del rotor se cambia hacia
un menor ángulo de ataque para reducir la energía capturada y hacia
un mayor ángulo de ataque para incrementar la energía capturada. Por
tanto la velocidad del generador y, consecuentemente, la energía
producida pueden mantenerse relativamente constantes con velocidades
crecientes del viento.
Como es bien conocido la limitación de la
velocidad rotacional de los aerogeneradores implica tanto una
limitación de sus cargas como una limitación de la energía del
viento capturada con respecto a la energía del viento disponible.
Por ello, la industria de aerogeneradores está demandando
constantemente métodos mejorados de control para optimizar su
eficiencia.
Hay varios métodos conocidos orientados hacia
esa demanda. Uno de ellos está descrito en US 2007/0154311: un
método de control del par y el ángulo de paso de acuerdo con la
velocidad rotacional para suministrar una mayor producción.
Esta invención está orientada a la atención de
esa misma demanda, evitando los inconvenientes de la técnica
anterior conocida.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar aerogeneradores controlados por métodos de control que
permiten la optimización de la producción de energía.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar métodos de control de aerogeneradores adaptados para
optimizar la producción de energía en las zonas de la curva de
potencia en torno a la velocidad nominal del generador.
En un aspecto, esos y otros objetos se consiguen
proporcionando un método de control de la operación de un
aerogenerador de velocidad variable, siguiendo una curva potencia
vs. velocidad del generador que comprende una zona nominal en la
que se mantiene constante la potencia en su valor nominal, una
primera zona sub-nominal en la que se mantiene
constante la velocidad del generador a su valor de acoplamiento, una
segunda zona sub-nominal en la que se permite que
tanto la velocidad del generador como la potencia
aumenten/disminuyan en línea con la velocidad del viento y una
tercera zona sub-nominal entre la segunda zona
sub-nominal y la zona nominal que comprende un
primer segmento vertical a una velocidad del generador
n_{r2} mayor de la velocidad nominal del generador
n_{r1} y un segundo segmento vertical a la velocidad
nominal del generador n_{r1} conectando con la zona
nominal, siguiéndose cada uno de dichos segmentos en función de los
cambios de la velocidad del viento para optimizar la producción
de
energía.
energía.
En una realización preferente, la velocidad del
generador n_{r2} está comprendida en un rango del 85%-95%
de la máxima velocidad del generador n_{out}. Se consigue
con ello un método de control que optimiza la producción de energía
manteniendo un margen de seguridad entre la velocidad operacional
del generador y la velocidad de autoprotección del convertidor.
En otra realización preferente, dicho primer
segmento vertical y dicho segundo segmento vertical tienen,
respectivamente unos puntos alto y bajo C, E a dos valores
predeterminados de potencia P1, P2 definiendo los
caminos C-D; E-F a ser seguidos
entre ellos. Se consigue con ello un método de control que optimiza
la producción de energía minimizando los inconvenientes asociados al
uso de dichos primer y segundo segmentos verticales.
En otra realización preferente, dicho valor de
potencia P1 está comprendido en un rango del 85%-95% del
valor nominal de la potencia. Se consigue con ello un método de
control que optimiza la producción de energía minimizando los
inconvenientes asociados a pares elevados y altas velocidades
angulares.
En otra realización preferente, dicho valor de
potencia P2 está comprendido en un rango del 110%Pi -
90%P1, siendo Pi el valor de la potencia en el punto I
de intersección de la segunda zona sub-nominal y una
línea vertical a la velocidad nominal del generador
n_{r1}. Se consigue con ello un método de control que
optimiza la producción de energía minimizando los inconvenientes
asociados a las cargas de fatiga.
En otro aspecto, los objetos mencionados se
consiguen proporcionando un aerogenerador de velocidad variable
controlado por el método mencionado anteriormente. En una
realización preferente, el generador del aerogenerador es un
generador de inducción doblemente alimentado. Se consigue con ello
una vía para mejorar la producción de energía de muchos
aerogeneradores instalados.
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 muestra esquemáticamente los
componentes principales de un aerogenerador.
La Figura 2 muestra una curva Potencia vs.
Velocidad del generador conocida en la técnica que se usa para
controlar aerogeneradores de velocidad variable.
La Figura 3 muestra una curva Potencia vs.
Velocidad del generador para controlar aerogeneradores de velocidad
variable según la presente invención.
Las Figuras 4-5 muestran curvas
Potencia vs. Velocidad del generador según la presente invención y
según la técnica conocida en una simulación para una rampa de viento
ascendente y otra descendente.
Las Figuras 6-7 muestran curvas
Velocidad del generador vs. Velocidad del viento resultantes en
dicha simulación.
Las Figuras 8-9 muestran curvas
Potencia vs. Velocidad del viento resultantes en dicha
simulación.
La Figura 10 muestra curvas estimadas en media
de Potencia aplicando el método de la presente invención y el
mencionado método conocido en la técnica.
Un aerogenerador 11 convencional comprende una
torre 13 soportando una góndola 21 que alberga un generador 19 para
convertir la energía rotacional del rotor del aerogenerador en
energía eléctrica. El rotor del aerogenerador comprende un buje de
rotor 15 y, normalmente, tres palas 17. El buje del rotor 15 está
conectado al bien directamente o a través de una multiplicadora al
generador 19 del aerogenerador para transferir el par generado por
el rotor 15 al generador 19 incrementando la velocidad del eje a fin
de alcanzar una velocidad rotacional apropiada del rotor del
generador.
La energía producida por un aerogenerador
moderno está controlada normalmente por medio de un sistema de
control para regular el ángulo de paso de las palas del rotor y el
par motor del generador. La velocidad rotacional del rotor y la
producción de energía de un aerogenerador pueden ser pues
controladas inicialmente, es decir, antes de una transferencia de
energía a una red de distribución eléctrica a través de un
convertidor.
El objetivo básico de los métodos de operación
de un aerogenerador de velocidad variable es alcanzar una operación
con la producción aerodinámicamente ideal el mayor tiempo
posible.
Como es sabido, la energía cinética asociada con
una corriente de viento depende del área barrida por dicha
corriente, de su densidad y del cubo de la velocidad del viento y se
considera que los aerogeneradores pueden extraer hasta el 59% de
dicha energía. Por ello, se representa la capacidad de cada
aerogenerador para aproximarse a dicho límite por el llamado
coeficiente de potencia Cp que está determinado por sus
características aerodinámicas, particularmente por el ratio
\lambda de su velocidad en la punta que se define como la relación
entre la velocidad tangencial de la punta de la pala y la velocidad
del viento incidente. Si se puede mantener ese ratio al máximo
coeficiente de potencia Cp del aerogenerador de manera que la
velocidad del rotor siga a la velocidad del viento, se puede
conseguir un aerogenerador muy eficiente.
La estrategia de control seguida generalmente en
los aerogeneradores de velocidad variable está basada en ajustar
eléctricamente el par del generador para alcanzar la máxima
producción lo que se lleva a cabo usando un controlador que recibe
señales indicado la velocidad del generador y la potencia producida
por el generador y que proporciona una señal de referencia del par
al convertidor para obtener la potencia requerida.
Consecuentemente, el controlador del
aerogenerador usa una curva que define la relación funcional
deseable entre potencia y velocidad para alcanzar la producción
ideal.
Para una mejor comprensión de la presente
invención, se hace seguidamente una breve descripción de una típica
curva potencia vs. velocidad 21 mostrada en la Figura 2.
Esta curva comprende una primera zona
sub-nominal 23 en la que la velocidad del viento
alcanza el nivel mínimo para comenzar la operación del
aerogenerador. En esta zona, el control del aerogenerador es muy
limitado ya que el aerogenerador no puede capturar la máxima
energía. La segunda zona sub-nominal 25 corresponde
a velocidades del viento en el rango de 4-8 m/s, en
la que la velocidad del generador se incrementa y el aerogenerador
funciona con un óptimo coeficiente de potencia Cp. La tercera zona
sub-nominal 27 corresponde a velocidades del viento
en el rango 8-13 m/s, en la que se mantiene
constante la velocidad del generador n_{r1} mientras la
potencia se incrementa hasta la potencia nominal- En esta zona el
ángulo de paso de las palas es fijo y la velocidad del generador se
controla a través del par. En la zona nominal 29, tiene lugar la
operación del aerogenerador a plena carga bajo el control del ángulo
de paso de las palas para evitar sobrecargas.
La diferencia principal entre la curva de
potencia 31 según la presente invención, mostrada en la Figura 3, y
la curva de potencia 21 de la técnica anterior se refiere a la
tercera zona sub-nominal 37 que comprende un primer
segmento vertical 41, a una velocidad del generador n_{r2}
mayor que la velocidad nominal del generador n_{r1}, y un
segundo segmento vertical 43 a la velocidad nominal del generador
n_{r1} conectando con la zona nominal 39 con puntos
correspondientes C; E en dichos segmentos verticales 41, 43 a dos
valores predeterminados de potencia P1, P2 definiendo
los caminos C->D; E->F para cambiar las referencias de la
velocidad del generador entre ellos en función de los cambios de la
velocidad del viento que permiten optimizar la producción de
energía.
El objetivo de incrementar la velocidad
rotacional y la potencia por encima del valor nominal en la zona
sub-nominal 37 es seguir la estrategia de producción
óptima, es decir mantener constantes \lambda y el ángulo de paso
de las palas en los valores que hacen máximo a Cp. En esas
condiciones la curva de potencia tiene la siguiente expresión en
condiciones cuasi-estacionarias:
P =
K_{opt}\Omega^{3}.
Así pues, la evolución de la operación del
aerogenerador en dicha zona sub-nominal 37 será la
siguiente:
- El primer segmento vertical 41 comienza en el
punto B a la velocidad del generador n_{r2}, mayor que la
velocidad nominal del generador n_{r1}. Por tanto cuando el
aerogenerador está operando en el punto A en la primera zona
sub-nominal 35, cerca de la velocidad nominal del
generador n_{r1}, la referencia de velocidad del generador
se fija en el valor n_{r2}.
- Si la velocidad del viento aumenta, el punto
operacional se mueve de A a B. Por tanto en lugar de seguir un
segmento vertical a la velocidad nominal del generador
n_{r1} como en la técnica anterior, la operación del
aerogenerador continúa desarrollándose bajo una estrategia de
producción óptima.
- Si la velocidad del viento continúa
aumentando, el punto operacional se mueve de B hacia C a lo largo
del primer segmento vertical 41. Una vez que la potencia producida
llega a un límite superior predeterminado P1 la referencia de
velocidad del generador se cambia al segundo segmento vertical 43
con lo se mueve el punto operacional a D.
- Una vez que el estado operacional del
aerogenerador está en D, si la velocidad del viento continúa
aumentado el punto operacional se mueve hacia la zona nominal 39 a
lo largo del segundo segmento vertical 43. En otro caso, si la
velocidad del viento disminuye, el punto operacional se mueve a lo
largo del segundo segmento vertical 43 hacia el punto E en el límite
inferior P2.
- Si el punto operacional está en E y la
velocidad del viento disminuye, la potencia producida va a estar por
debajo del límite inferior P2, por lo que la referencia de
velocidad del generador se mueve al punto F en el primer segmento
vertical 41.
- Una vez que el punto operacional está en F, si
la velocidad del viento aumenta, evolucionará hacia C y si la
velocidad del viento disminuye evolucionará hacia B a lo largo del
primer segmento vertical 41 en ambos casos.
- Si el punto operacional está en B y la
velocidad del viento disminuye, evolucionará hacia A en la segunda
zona sub-nominal 35.
El método considerado en esta invención se
implementa usando los medios disponibles en los sistemas de control
de los aerogeneradores de velocidad variable. Estos métodos
comprenden, por una parte, dispositivos para la medición de
variables relevante como la aceleración de la torre, la velocidad
del viento la velocidad del generador ó la potencia producida en
cada instante y, por otra parte, medios de proceso que permiten
establecer referencias operacionales para el aerogenerador como el
par demandado por el generador.
Las Figuras 4 y 5 muestran curvas Potencia vs.
Velocidad del generador 31', 31'' resultantes de una simulación en
un entorno correspondiente a una máquina eléctrica doblemente
alimentada con un generador de un par de polos para,
respectivamente, una rampa de velocidad del viento de 4 m/s a 21 m/s
durante 1000 s y una rampa de velocidad del viento de 21 m/s a 4 m/s
durante 1000 s aplicando el método según la presente invención y la
curva 21 aplicando el método conocido en la técnica mencionado.
El valor de la velocidad nominal del generador
en este caso es n_{r1} = 1680 rpm. El valor de
n_{r2} ha sido determinado dejando un margen de seguridad
con respecto a la velocidad de autoprotección del convertidor (la
máxima velocidad del generador) n_{out} = 1900 rpm en este
caso, considerando las variaciones de la velocidad del generador que
tienen lugar cuando está siendo controlado. Se ha usado un valor de
n_{r2} =1750 rpm, dejando pues un margen de seguridad del
7,89% respecto a la máxima velocidad del generador. En la
determinación del valor de na también se tienen en cuenta
consideraciones referentes al ruido aerodinámico teniendo en cuenta
la estrecha relación entre el ruido y la velocidad de la punta de
la pala.
- El valor de P1 ha sido determinado
dejando un margen de seguridad respecto a la potencia nominal (2000
kW en este caso) para evitar altos niveles de carga derivado de
una combinación de un elevado par y una alta velocidad angular. Se
ha usado un valor de P1 = 1800 kW, dejando pues un margen de
un 10% respecto a la potencia nominal.
- El valor de P2 ha sido determinado como
un valor entre el valor de P1 (1800 Kw) la potencia Pi de
1000 Kw en el punto de intersección I del la primera zona
sub-nominal 35 y una línea vertical a la velocidad
nominal del generador n_{r1} de la curva de potencia 31
dejando un adecuado margen entre ellos para tener un buen equilibrio
entre un alto número de transiciones (que afecta a las cargas de
fatiga de los componentes) y la maximización de la producción de
energía. Esos márgenes se definen considerando la dinámica del tren
de potencia y del controlador. Se ha usado un valor de P2 =
1300 Kw dejando un margen de un 27,78% con respecto a P1 y un
margen de un 30% con respecto a Pi.
Las Figuras 6 y 7 muestran las curvas Velocidad
del generador vs. Velocidad del viento 43', 43'' resultantes de la
simulación mencionada aplicando el método según la presente
invención y la curva 41 aplicando el mencionado método conocido en
la técnica.
Las Figuras 8 y 9 muestran las curvas Potencia
vs. Velocidad del viento 53', 53'' resultantes de la simulación
mencionada aplicando el método según la presente invención y la
curva 51 aplicando el mencionado método conocido en la técnica.
La Figura 10 muestra respectivamente la curva de
potencia estimada en media 65 que puede ser construida aplicando el
método según la presente invención, la curva 63 aplicando el
mencionado método conocido en la técnica y la curva de potencia
delta 61.
Como hemos mencionado anteriormente los
parámetros n_{r2}, P1, P2 se determinan
teniendo en cuenta diferentes características del aerogenerador y
particularmente la tipología del generador.
De acuerdo con los estudios y simulaciones
llevadas a cabo por el solicitante se considera que al menos para
muchos de los aerogeneradores que ya están instalados, los valores
de dichos parámetros están comprendidos en los siguientes
rangos:
- La velocidad del generador n_{r2}
está comprendida en un rango del 85%-95% de la máxima velocidad del
generador n_{out}.
- P1 está comprendido en un rango del
80%-90% del valor de la potencia nominal.
- P2 está comprendido en un rango entre
el 110%Pi y el 90%P1.
Aunque la presente invención se ha descrito
enteramente en conexión con realizaciones preferidas, es evidente
que se pueden introducir aquellas modificaciones dentro de su
alcance, no considerando éste como limitado por las anteriores
realizaciones, sino por el contenido de las reivindicaciones
siguientes.
Claims (7)
1. Método de operación de un aerogenerador de
velocidad variable (11) que tiene medios de control para su
regulación siguiendo una curva potencia vs. velocidad del generador
(31) que comprende una zona nominal (39) en la que se mantiene
constante la potencia a su valor nominal, una primera zona
sub-nominal (33) en la que se mantiene constante la
velocidad del generador a su valor de acoplamiento, una segunda zona
sub-nominal (35) en la que se permite que tanto la
velocidad del generador como la potencia aumenten/disminuyan en
línea con la velocidad del viento y una tercera zona
sub-nominal (37) entre la segunda zona
sub-nominal (35) y la zona nominal (39),
caracterizado porque la tercera zona
sub-nominal (37) comprende un primer segmento
vertical (41) a una velocidad del generador n_{r2} mayor de
la velocidad nominal del generador n_{r1} y un segundo
segmento vertical (43) a la velocidad nominal del generador
n_{r1} conectando con la zona nominal (39), siguiéndose
cada uno de dichos segmentos (41, 43) en función de los cambios de
la velocidad del viento para optimizar la producción de energía.
2. Método de operación de un aerogenerador de
velocidad variable (11) según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicha velocidad del generador
n_{r2} está comprendida en un rango del 85%-95% de la
máxima velocidad del generador n_{out}.
3. Método de operación de un aerogenerador de
velocidad variable (11) según cualquiera de las reivindicaciones
1-2, caracterizado porque dicho primer
segmento vertical (41) y dicho segundo segmento vertical (43)
tienen, respectivamente unos puntos alto y bajo (C; E) a dos valores
predeterminados de potencia P1, P2 definiendo los
caminos (C-D; E-F) a ser seguidos
entre ellos.
4. Método de operación de un aerogenerador de
velocidad variable (11) según la reivindicación 3,
caracterizado porque dicho valor de potencia P1 está
comprendido en un rango del 85%-95% del valor nominal de la
potencia.
5. Método de operación de un aerogenerador de
velocidad variable (11) según cualquiera de las reivindicaciones
3-4, caracterizado porque dicho valor de
potencia P2 está comprendido en un rango del 110%Pi -
90%P1, siendo Pi el valor de la potencia en el punto I
de intersección de la segunda zona sub-nominal (35)
y una línea vertical a la velocidad nominal del generador
n_{r1}.
6. Un aerogenerador de velocidad variable (11)
controlado por un método según cualquiera de las reivindicaciones
1-5.
7. Un aerogenerador de velocidad variable (11)
según la reivindicación 6, caracterizado por que el generador
del aerogenerador es un generador de inducción doblemente
alimentado.
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