ES2396504A1 - Aerogenerador con un control activo del ángulo de paso de las palas durante una situación de marcha en vacío. - Google Patents

Aerogenerador con un control activo del ángulo de paso de las palas durante una situación de marcha en vacío. Download PDF

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Abstract

Aerogenerador con un control activo del ángulo de paso de las palas durante una situación de marcha en vacio, comprendiendo: una torre (13) y una góndola (21) que aloja un generador (19) accionado por un rotor eólico; dispositivos de medida de la velocidad del viento V, la velocidad del generador, el ángulo de paso de cada pala, la potencia P, las aceleraciones del aerogenerador en dos direcciones perpendiculares Ax, Ay, el ángulo de guiñada Yw; la posición de acimut del rotor eólico AZ; con un sistema de control dispuesto para llevar a cabo dicho control activo cambiando el ángulo de paso de cada pala para minimizar las vibraciones del aerogenerador en función de los valores medidos de la velocidad del viento, las aceleraciones del aerogenerador Ax, Ay, el ángulo de guiñada, la posición de acimut del rotor AZ y el ángulo de paso de cada pala.

Description

AEROGENERADOR CON UN CONTROL ACTIVO DEL ANGULO DE
PASO DE LAS PALAS DURANTE UNA SITUACION DE MARCHA EN VACÍO
CAMPO DE LA INVENCION
5
La invención se refiere a métodos y sistemas para minimizar vibraciones
en aerogeneradores en una situación de vacío con una velocidad de viento por
encima de la velocidad de corte.
10
ANTECEDENTES
Durante una situación de marcha en vacío, es decir una situación en la
que no se produce energía, los aerogeneradores tienen normalmente una
posición fija del ángulo de paso de las palas, en función de la velocidad del
15
viento, que se mantiene constante para una velocidad de viento constante.
Típicamente esa posición del ángulo de paso de las palas está en torno a
70° para bajas velocidades de viento y cerca de 90° para altas velocidades de
viento para permitir una lenta rotación del rotor que ayude a la lubricación del
tren de potencia, especialmente la multiplicadora.
2 o
En situaciones de marcha en vacío del aerogenerador por encima de la
velocidad de corte Vout que determina la parada de la producción de energía,
una posición de las palas próxima a la posición de bandera supone grandes
cargas en el· aerogenerador, especialmente en las palas y/o en la torre. Estas
grandes cargas pueden tener un componente no estacionario importante, que
2 5
puede contribuir significativamente a la fatiga y/o a las cargas extremas.
En algunas ubicaciones de parques de aerogeneradores la distribución
de viento a largo plazo (definida habitualmente con una distribución de
probabilidad de Weibull) provoca que el aerogenerador está en una situación de
marcha en vacío por encima de Vout durante una parte importante de su tiempo
3 o
de vida. En este caso las cargas provocadas en estas situaciones de marcha en
vacío pueden contribuir de manera importante al nivel global de cargas del
aerogenerador.
Por ejemplo, en aquellos parques de aerogeneradores con factor de
forma Weibull k cercano a 3 el aerogenerador está en una situación de marcha
en vacío por encima de Vout durante gran cantidad de tiempo, ocasionando, en
ese caso, una carga lateral de fatiga Mx en la torre incluso mayor que el
5
componente longitudinal My. Esto es bastante inusual porque normalmente el
componente longitudinal My de la carga de fatiga de la torre es mayor que el
componente lateral Mx en la mayoría de parques de aerogeneradores.
La presente invención está orientada a la búsqueda de una solución para
esos inconvenientes.
10
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Es un objeto de la presente invención proporcionar un aerogenerador con
un sistema de control que permita que el aerogenerador pueda estar en una
15
situación de marcha en vacío por encima de Vout minimizando las cargas
globales del aerogenerador.
Es otro objeto de la presente invención proporcionar un aerogenerador
con un sistema de control que permita que el aerogenerador pueda estar en una
situación de marcha en vacío por encima de Vout minimizando las vibraciones
2 o
del aerogenerador.
Esos y otros objetos se consiguen por medio de un aerogenerador que
comprende: una torre y una góndola que aloja un generador accionado por un
rotor eólico formado por un buje de rotor y al menos una pala; dispositivos de
medida de al menos la velocidad del viento V, la velocidad del generador Q, el
2 5
ángulo de paso Bi de cada pala, la energía producida P, las aceleraciones del
aerogenerador en dos direcciones perpendiculares Ax, Ay, el ángulo de guiñada
Yw; la posición de acimut del rotor eólico AZ; un sistema de control conectado a
dichos dispositivos de medida y a, al menos, los actuadores de control del
ángulo de paso de las palas y del par motor, estando dispuesto el sistema de
3 o
control para llevar a cabo una regulación del aerogenerador de acuerdo con una
determina curva de potencia para velocidades de viento por debajo de la
velocidad de corte Vout; estando dispuesto también el sistema de control para
llevar a cabo una regulación activa del ángulo de paso de las palas cuando el
aerogenerador se encuentra en una situación de marcha en vacío por encima
de Vout cambiando el ángulo de paso {}¡de cada pala para minimizar las
vibraciones del aerogenerador en función de, al menos, lus valores medidos de
5
la velocidad del viento, las aceleraciones del aerogenerador en dos direcciones
perpendiculares Ax, Ay, el ángulo de guiñada Yw, la posición de acimut del rotor
eólico AZ y el ángulo de paso {}¡de cada pala.
En una realización para un aerogenerador de tres palas, la disposición
del sistema de control para llevar a cabo dicha regulación activa del ángulo de
1 o
paso de las palas comprende un módulo para obtener las referencias del ángulo
de paso de las palas Bref1, Bref2, Bret3 que tienen que ser proporcionados a los
actuadores del ángulo de paso de las palas que incluye: un primer sub-módulo
para calcular una primera ganancia L1 1, común para todas las palas, en función
de las mediciones de la velocidad del viento Vmeas y las aceleraciones del
15
aerogenerador AXmeas, AYmeas; un segundo sub-módulo para calcular una
segunda ganancia L12, individualmente para cada pala, en función de la primera
ganancia L1t. la medición del acimut del rotor AZmeas y la medición del ángulo de
guiñada Ywmeas; un tercer sub-módulo para calcular una tercera ganancia L13,
individualmente para cada pala, en función de la segunda ganancia L12, la
2 o
medición de la velocidad del generador 12meas y el ángulo de paso medio Bmean; y
un cuarto sub-módulo (81) para obtener las referencias individuales del ángulo
de paso de las palas Brett. Bref2, Bret3. en función de la tercera ganancia L13 y la
referencia colectiva del ángulo de paso Bref· Se consigue con ello un sistema de
control capaz de establecer dinámicamente referencias del ángulo de paso de
2 5
cada pala para reducir las vibraciones del aerogenerador.
En realizaciones preferentes, las mediciones de las aceleraciones del
aerogenerador Axmeas, AYmeas son mediciones en la góndola o en la torre en dos
direcciones horizontales perpendiculares o se obtienen combinando ambas
mediciones. La medición del ángulo de guiñada YWmeas puede ser tenida en
3 o
cuenta adicionalmente para ajustar dichas mediciones. Se proporcionan pues
curva que define la relación funcional deseada entre potencia y velocidad para
alcanzar una producción ideal. Una curva de ese tipo es la curva 25 de la Figura
2 que muestra que la producción de energía P se incrementa desde una mínima
velocidad del viento V min hasta la velocidad nominal del viento Vn y entonces
5
permanece constante en el valor nominal de producción de energía hasta la
velocidad de corte del viento Vout donde decrece hasta O.
Para implementar esa regulación una unidad de control recibe datos de
entrada tales como la velocidad del viento V, la velocidad del generador Q, el
ángulo de paso de las pala~. la producción de energía P desde bien conocidos
10
dispositivos de medida y envía datos de salida Bret, Trer a, respectivamente, el
sistema actuador el ángulo de paso de las palas para cambiar la posición
angular de las palas 17 y a una unidad de comando del generador para cambiar
la referencia para la producción de energía.
Según la presente invención el sistema de control también está
15
dispuesto para aplicar un control activo del ángulo de paso de las palas en una
situación de marcha en vacío con velocidades de viento por encima de la
velocidad de corte Vout.
Como se muestra en la Figura 3 para el caso de un aerogenerador de
tres palas las entradas básicas a la unidad de control 31 que implementa dicho
2 o
control activo del ángulo de paso de las palas en una situación de marcha en
vacío son las siguientes: la medición de la velocidad del viento Vmeas. las
mediciones de los ángulos de paso de las tres palas Bmeast, Bmeas2, Bmeas3, la
referencia colectiva del ángulo de paso de las palas Brer generada por el
controlador principal del aerogenerador, las mediciones de las aceleraciones del
2 5
aerogenerador AXmeas, AYmeas. la medición de la velocidad del generador ilmeas.
la medición de la posición de acimut del rotor eólico AZmeas y la medición del
ángulo de guiñada Ywmeas· Las salidas son las referencias individuales del
ángulo de paso de las palas Brett, Bref2, Bret3 que se proporcionan a los sistemas
de actuación del ángulo de paso de las palas.
30
La medición de la posición de acimut del rotor eólico AZmeas y la medición
del ángulo de guiñada Ywmeas se obtienen mediante cualquier sensor apropiado
de posición angular, por ejemplo, un sensor de posición de no contacto inductivo
o un codificador rotatorio.
En una realización de la invención las mediciones de las aceleraciones del
aerogenerador AXmeas. AYmeas son mediciones de las aceleraciones del
5
aerogenerador realizadas en la góndola 21 en dos direcciones horizontales
perpendiculares (siendo por ejemplo las direcciones Norte-Sur 1 Este-Oeste)
usando acelerómetros convenientemente ubicados.
En otra realización de la invención las mediciones de las aceleraciones del
aerogenerador Axmeas, AYmeas son mediciones de las aceleraciones del
10
aerogenerador realizadas en la torre 13 (en cualquier altura) en dos direcciones
horizontales perpendiculares (siendo por ejemplo las direcciones Norte-Sur 1Este-
Oeste) usando acelerómetros convenientemente ubicados.
En otra realización de la invención las mediciones de las aceleraciones
del aerogenerador se obtienen componiendo mediciones de las aceleraciones en
15
la góndola 21 y en la torre 13.
En los tres casos mencionados anteriormente la medición del ángulo de
guiñada Ywmeas también puede ser tenida en cuenta.
Dicha unidad de control 31 comprende un módulo implementando un
algoritmo apropiado para determinar las referencias individuales del ángulo de
2 o
paso de las palas Brert, Bref2, Brer3 que minimizan las vibraciones del
aerogenerador para cada conjunto de dichas variables de entrada.
En una realización preferente (para aceleraciones del aerogenerador
medidas en la góndola 21 o en la torre 13) dicho algoritmo se implementa
mediante los módulos 41, 61, 71 y 81 mostrados en la Figura 4.
25
En el sub-módulo 41 una primera ganancia Ll1, común para todas las
palas, se obtiene a partir de la medición de la velocidad del viento V meas y de las
mediciones de la aceleraciones del aerogenerador Axmeas, AYmeas·
Las señales de las mediciones de las aceleraciones Axmeas, AYmeas (que
son indicativas de las vibraciones que ocurren en el aerogenerador) son filtradas
3 o
con paso bajo en los bloques 43 y convertidas en señales de velocidad Vtx, Vty
mediante un algoritmo integrador (bloques 45) y una constante de ganancia
apropiada (bloques 47). En el bloque 51 se obtiene una primera ganancia Ll1 a
través de un algoritmo de Realimentación de Velocidad Directa que realimenta las
señales de velocidad con una ganancia limitada para el sistema de control del
ángulo de paso de las palas. En el bloque 51 se añade una contribución adicional
proporcional a la medición de la velocidad del viento V meas obtenida en el bloque
5
49. Mediante la adición de esta contribución se añade un amortiguador a las
vibraciones a lo largo de las direcciones de medida. También se hace
dependiente de la velocidad del viento la primera ganancia L1 1 con el propósito de
hacerla mayor o menor en función de la velocidad del viento ayudando con ello a
la activación o desactivación del control activo del ángulo de paso de las palas por
1 o
debajo o por encima de cierta velocidad del viento.
En el sub-modulo 61 se obtiene una segunda ganancia ~2
individualmente para cada pala en función de la primera ganancia ~1. la
medición de la posición de acimut del rotor AZmeas y la medición del ángulo de
guiñada Ywmeas. En la Figura 4 se muestran solo los sub-módulos 61, 71, 81
15
para una pala.
En el bloque 63 se calcula una ganancia específica en función de la
medición de la posición de acimut del rotor AZmeas y la medición del ángulo de
guiñada Ywmeas, y en el bloque 65 se multiplica por la primera ganancia L1t para
obtener la segunda ganancia L12.
2 o
En el sub-módulo 71 se obtiene una tercera ganancia L13 individualmente
para cada pala en función de la segunda ganancia L12. la medición de la
velocidad del generador ilmeas y el ángulo de paso de palas medio Bmean (que se
obtiene a partir de las tres mediciones de los ángulos de paso de las palas
Bmeast, Bmeas2 Bmeas3· Una actuación descontrolada sobre el sistema de control del
2 5
ángulo de paso de las palas durante una situación de marcha en vacío puede
conducir a la velocidades excesivas del rotor. Con el propósito de reducirlas, la
segunda ganancia L12 se limita (saturada) en el bloque 77 por unos límites superior
e inferior (límites de saturación) obtenidos en los bloques 73, 75 en función de la
medición de la velocidad del generador ilmeas y el ángulo de paso medio de las
3 O
palas Bmean·
Finalmente en el sub-módulo 81, en el bloque 83 se calcula la referencia
del ángulo de paso de la pala Bref1 para la pala 1 añadiendo el ángulo de paso
colectivo Bret de las palas a la tercera ganancia Ll3.
Para realizaciones de la invención que usan más de una medición de la
5
aceleración del aerogenerador en dos direcciones horizontales perpendiculares,
el sub-módulo 61 tendrá bloques adicionales (no mostrados) para implementar
la correspondiente composición teniendo en cuenta las relaciones
trigonométricas entre las posiciones de la góndola y la torre con el ángulo de
guiñada.
1 o
Mediante la determinación de una referencia dinámica del ángulo de paso
de cada pala (que puede ser la misma para las tres palas) que se añade a
referencia colectiva del ángulo de paso de las palas, se minimizan las vibraciones
del aerogenerador, particularmente las vibraciones debidas a cargas horizontales
sobre la torre, que son la fuente de vibraciones durante situaciones de marcha en
15
vacío e incrementan la carga de fatiga en algunos casos.
Como el aerogenerador no produce energía en una situación de marcha en
vacío, la energía requerida por dicho control activo del ángulo de paso de las
palas debe ser proporcionado bien por una fuente de reserva de energía
disponible en el aerogenerador tal como un dispositivo de Suministro
2 o
Ininterrumpido de Energía (UPS) o bien por una red eléctrica a la que el
aerogenerador está conectado.
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
2 5
las anteriores realizaciones, sino por el contenido de las reivindicaciones
siguientes.

Claims (4)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Un aerogenerador que comprende:
    -una torre (13) y una góndola (21) que aloja un generador (19) accionado
    5
    por un rotor eólico formado por un buje de rotor (15) y al menos una pala (17);
    -dispositivos de medida de al menos la velocidad del viento V, la
    velocidad del generador Q, el ángulo de paso Bi de cada pala, la potencia P, las
    aceleraciones del aerogenerador en dos direcciones perpendiculares Ax, Ay, el
    ángulo de guiñada Yw; la posición de acimut del rotor eólico AZ;
    10
    -un sistema de control conectado a dichos dispositivos de medida y a, al
    menos, los actuadores de control del ángulo de paso de las palas y del par
    motor, estando dispuesto el sistema de control para llevar a cabo una regulación
    del aerogenerador de acuerdo con una determina curva de potencia (25) para
    velocidades de viento por debajo de la velocidad de corte Vout;
    15
    -estando dispuesto también el sistema de control para llevar a cabo una
    regulación activa del ángulo de paso de las palas cuando el aerogenerador se
    encuentra en una situación de marcha en vacío por encima de Vout cambiando
    el ángulo de paso Bi de cada pala para minimizar las vibraciones del
    aerogenerador en función de, al menos, los valores medidos de la velocidad del
    2 o
    viento, las aceleraciones del aerogenerador en dos direcciones perpendiculares
    Ax, Ay, el ángulo de guiñada Yw, la posición de acimut del rotor eólico AZ y el
    ángulo de paso Bi de cada pala.
  2. 2.-Un aerogenerador según la reivindicación 1, en el que el sistema de
    25
    control dispuesto para llevar a cabo dicha regulación activa del ángulo de paso
    de las palas para un aerogenerador con tres palas comprende un módulo para
    obtener las referencias del ángulo de paso de las palas Bref1 , Bref2, Bref3 que
    tienen que ser proporcionados a los actuadores del ángulo de paso de las palas
    que incluye:
    5 10
    -un primer sub-módulo (41) para calcular una primera ganancia ,1t, común para todas las palas, en función de la medición de la velocidad del viento Vmeas y las mediciones de las aceleraciones del aerogenerador Axmeas, AYmeas; -un segundo sub-módulo (61) para calcular una segunda ganancia A2, individualmente para cada pala, en función de la primera ganancia A1, la medición del acimut del rotor AZmeas y la medición del ángulo de guiñada YWmeas; -un tercer sub-módulo para calcular una tercera ganancia A3, individualmente para cada pala, en función de la segunda ganancia ,12, la medición de la velocidad del generador Qmeas y el ángulo de paso medio Bmean; Y -un cuarto sub-módulo (81) para obtener las referencias individuales del ángulo de paso de las palas Brett, Bre f2, Bref3, en función de la tercera ganancia ,13
    y la referencia colectiva del ángulo de paso de las palas Bref.
    15
    3.-Un aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en el que las mediciones de las aceleraciones Axmeas, AYmeas están realizadas en la góndola (21) en dos direcciones horizontales perpendiculares.
    2 O
    4.-Un aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en el que las mediciones de las aceleraciones Axmeas, AYmeas están realizadas en la torre (13) en dos direcciones horizontales perpendiculares.
    25
    5.-Un aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en el que dichas mediciones de las aceleraciones Axmeas, AYmeas son el resultado de una composición trigonométrica de las aceleraciones del aerogenerador medidas en la góndola (21) Y en la torre (13) en dos direcciones horizontales perpendiculares.
    3 O
    6.-Aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 3-5, en el que dichas mediciones de las aceleraciones Axmeas, AYmeas se modifican teniendo en cuenta la medición del ángulo de guiñada YWmeas.
  3. 7.-Aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el que el aerogenerador también comprende un dispositivo de Suministro Ininterrumpido de Energía (UPS) para proporcionar energía al sistema actuador del ángulo de
    5 paso de las palas en dicha situación de marcha en vacío.
  4. 8.-Aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el que la energía suministrada al sistema actuador del ángulo de paso de las palas en dicha situación de marcha en vacío es proporcionada por una red eléctrica a la
    10 que el aerogenerador está conectado.
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