ES2398051B1 - Un método para la identificación de la frecuencia principal del tren de potencia de un aerogenerador. - Google Patents

Un método para la identificación de la frecuencia principal del tren de potencia de un aerogenerador. Download PDF

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Abstract

Un método para la identificación de la frecuencia principal del tren de potencia de un aerogenerador. Comprende pasos en tiempo real de: a) obtener una señal de entrada (r) de la velocidad del generador ({og}); b) filtrar dicha señal de entrada (r) para obtener una señal de la velocidad del generador (r1) en una banda apropiada para representar la oscilación de la señal (o) comprendida en ella; c) extraer la frecuencia principal (f) del tren de potencia de dicha señal filtrada (r1). La invención también se refiere a un método de amortiguación de las vibraciones del tren de potencia de un aerogenerador que comprende etapas de fijación de la referencia del par del generador (Tr{sub,ref}) en función de la velocidad del generador ({og}) y de la frecuencia principal del tren de potencia unidad (f) identificada por dicho método ya un sistema de control de un aerogenerador implementándolo.

Description

UN MÉTODO PARA LA IDENTIFICACIÓN DE LA FRECUENCIA
PRINCIPAL DEL TREN DE POTENCIA DE UN AEROGENERADOR
CAMPO DE LA INVENCIÓN
5
La invención se refiere a la amortiguación de las vibraciones del tren de
potencia de los aerogeneradores y, más en particular, a un método para la
identificación de la frecuencia principal del tren de potencia de un aerogenerador.
10
ANTECEDENTES
Los aerogeneradores son dispositivos que convierten la energía
mecánica del viento en energía eléctrica. Un aerogenerador típico incluye una
15
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
tales como los motores de orientación mediante los que se gira el
aerogenerador, varios controladores y un freno. El rotor soporta varias palas que
capturan la energía cinética del viento y causan un movimiento rotatorio del tren
2 o
de potencia. Las palas del rotor tienen una forma aerodinámica de manera que
cuando el viento pasa a través de la superficie de las palas se crea una fuerza
ascensional que causa la rotación de un eje al que está conectado un generador
eléctrico, directamente o a través de un dispositivo de multiplicación. La
cantidad de energía producida por los aerogeneradores depende de la
2 5
superficie de barrido del rotor de palas que recibe la energía del viento y,
consecuentemente, el incremento de la longitud de las palas implica
normalmente un incremento de la producción de energía del aerogenerador. Las
palas están controladas para permanecer en un régimen de autorrotación
durante una fase normal y su actitud depende de la intensidad del viento.
30
El acoplamiento dinámico del primer modo simétrico en el plano de un
rotor de 3 palas con la frecuencia principal del tren de potencia produce un
modo acoplado que prácticamente no está amortiguado en la operación del
aerogenerador. Este modo acoplado puede incluso ser excitado cuando se
opera a potencia nominal para altas velocidades del viento lo que conduce a
una carga inabordable para el tren de potencia. Un control operacional de un
aerogenerador sin tener en cuenta esta dinámica puede conducir fácilmente a
5
niveles dañinos de la carga de fatiga en la multiplicadora.
La técnica anterior enseña el uso de la referencia del par del generador
para amortiguar dichas vibraciones. Esta técnica es altamente dependiente de
una buena identificación de la frecuencia principal de las vibraciones del tren de
potencia.
10
US 2006/0066111 describe una técnica de amortiguación de vibraciones
para aerogeneradores de velocidad variable que no sólo ayuda a la
amortiguación de las vibraciones del tren de potencia causadas por la variación
en la velocidad del viento, sino que también reduce las cargas de la torre
causadas por las oscilaciones laterales. Además, la técnica reduce
15
ventajosamente las fluctuaciones de potencia del generador acoplado al rotor
del aerogenerador. Dichas vibraciones se determinan en función de la velocidad
del rotor usando transformadas de Fourier en una operación en tiempo real.
Un inconveniente de dicha propuesta en relación sobre todo a la
identificación de las vibraciones del tren de potencia es que las transformadas
2 o
de Fourier requieren ventanas temporales de datos de un cierto tamaño que
pueden causar retrasos importantes en el procesamiento de la señal de la
velocidad del generador. La presente invención se centra en encontrar una
solución a dicho inconveniente
2 5
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Un objeto de la presente invención es proporcionar una identificación en
tiempo real de la frecuencia principal del tren de potencia de un aerogenerador
para mejorar su amortiguación.
30
En un aspecto, este y otros objetivos se cumplen mediante un método
para la identificación de la frecuencia principal del tren de potencia de un
aerogenerador en operación que comprende pasos en tiempo real de: a)
.O
Un aerogenerador típico 11 comprende una torre 13 soportando una
góndola 18 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, típicamente, tres palas 17. El buje del rotor 15
5
está conectado bien directamente o a través de una multiplicadora al generador
19 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
1 o
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 su transferencia a una red de
distribución a través de un convertidor.
15
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 el viento incidente
depende del área barrida por las palas del rotor, de la densidad del aire y del
2o
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 'A de su velocidad en la punta que se define como la
25
relación entre la velocidad tangencial de la punta de la pala y la velocidad del
viento incidente. Si se puede mantener ese ratio en su valor óptimo, de manera
que la velocidad del rotor siga la velocidad del viento, se obtiene el máximo
coeficiente de potencia Cp del aerogenerador, alcanzando una conversión de
energía muy eficiente.
3o
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
5
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
del generador 21, mostrada en la Figura 2 y de la curva resultante Potencia vs.
1 o
Velocidad del viento mostrada en la Figura 3.
La curva Potencia vs. Velocidad del generador 21 mostrada en la Figura
2 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
15
puede capturar la máxima energía. La segunda zona sub-nominal 25
corresponde a bajas velocidades del viento 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 un cierto rango en el que se mantiene constante la velocidad del
2 o
generador a la velocidad nominal fln mientras la potencia se incrementa hasta
la potencia nominal Pwn. 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 a la potencia nominal
Pwn bajo el control del ángulo de paso de las palas para evitar sobrecargas.
2 5
En condiciones ideales la curva de potencia promedio resultante sería la
curva 22 de la Figura 3 que muestra que la producción de energía P se
incrementa desde una mínima velocidad del viento V2 hasta la velocidad
nominal del viento Vn y entonces permanece constante en el valor nominal de
producción de energía Pwn hasta la velocidad de corte del viento. Esta curva
3 o
define la deseada relación funcional entre potencia y velocidad para alcanzar la
producción ideal y por tanto el sistema de control del aerogenerador debe estar
dispuesto en consonancia.
Para implementar esa regulación una unidad de control recibe datos de
entrada tales como la velocidad del viento V, la velocidad del generador n, el
ángulo de paso de las palas e, la potencia Pw desde bien conocidos dispositivos
de medida y envía datos de salida Bref. Tref a, respectivamente, el sistema
5
actuador del 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.
En referencia a la Figura 4, las entradas básicas a un controlador de par
33 que dispone de medios para amortiguar las vibraciones del tren de potencia
1 O
son un par demandado Trdem de acuerdo con la curva Potencia vs. Velocidad del
generador 21 y un par Trdam de acuerdo a las necesidades de amortiguación del
tren de potencia determinado en el bloque 31 en función de la velocidad del
generador n y de la frecuencia principal f del tren de potencia. La salida es una
referencia de par Trrer para la unidad de comando del generador.
15
Esta invención se centra en la identificación en tiempo real durante la
operación del aerogenerador de la frecuencia principal f del tren de potencia y
en una realización preferente, comprende las siguientes etapas (ver Figura 5).
En una primera etapa, la señal original rO de la velocidad del generador
proporcionada por el dispositivo antes mencionado de medición de la velocidad
2 o
del generador n se filtra en el bloque 41 para obtener una señal de entrada r
en un intervalo predeterminado de frecuencias, preferiblemente un intervalo de
1-2,5 Hz, para evitar perturbaciones de la señal.
En una segunda etapa, se obtiene en el bloque 43 la mejor banda de
frecuencias, definida por la variable P3 (entre un número predeterminado de
2 5
bandas definido por la variable P2), que representa la señal oscilatoria o
comprendida en la señal de entrada r de la velocidad del generador .0.
La señal de entrada r puede ser representado en cada una de dichas
bandas como una señal filtrada s más una señal oscilatoria o de amplitud y fase
desconocidas y con una frecuencia conocida con una cierta incertidumbre (la
30
frecuencia central de cada sub-banda más un desplazamiento). La señal filtrada
se puede obtener restando la oscilación estimada a la señal de entrada:
r(kT) = s(kT) + a(kT) cos(2n(f + 11f)kT + tjJ(kT))
s(kT) =r(kT)-a(kT)cos(2n(f + 11f)kT + tjJ(kT))
Ec. 1
Los valores de la amplitud estimada (rpm) y de la fase (radianes) pueden ser calculados paso a paso como sigue:
5
~(k+1) =~(k)+ f.la ·;(k)· co{2nf·k +~(k)) ~(k+1) =~(k)-J.l~ ;(k)· sen( 2nf·k +~(k)) Ec. 2 En esta expresión, f.la and J.l~ (adimensionales) son el tamaño de paso
1 o
para definir el tiempo de convergencia y la estabilidad del algoritmo. Deben calcularse experimentalmente. Todos los parámetros necesarios para este paso están definidos en la variable P1. Las expresiones anteriores son válidas si y solo si 11-íj << 1 . Nótese que
11f pertenece a la estimación de fase por lo que un mayor error en 11f afectará
a esa estimación y también a la estimación de la amplitud según la Ec. 2. Puede
aproximarse el 11f calculando la pendiente de la estimación de fase.
La banda en la que ocurre la oscilación se determina calculando el 11f en
15
cada banda. El mínimo 11f determina la frecuencia principal f del tren de
potencia. En una realización preferente dichas sub-bandas son las siguientes: -Banda 0: 1.45 -1.65 Hz
20
-Banda 1: 1.55 -1.75 Hz -Banda 2: 1.65-1.85 Hz
-Banda 3: 1.75-1.95 Hz
-Banda 4: 1.85 -2.05 Hz
con
Aunque la presente invención ha sido descrita completamente en relación realizaciones preferentes, es evidente que se pueden introducir en ella

modificaciones dentro de su alcance, entendiendo que no está limitado a esas realizaciones sino por el contenido de las siguientes reivindicaciones.

Claims (5)

  1. REIVINDICACIONES
    REIVINDICACIONES
  2. 6.-Método según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que dicho número predeterminado de bandas es de cinco, abarcando en intervalos de dimensiones iguales un rango de frecuencias entre 1,45-2,05 Hz.
  3. 6.-Método según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que dicho número predeterminado de bandas es de cinco, abarcando en intervalos de dimensiones iguales un rango de frecuencias entre 1,45-2,05 Hz.
    REIVINDICACIONES
    5 1o
    1.-Método para la identificación de la frecuencia principal del tren de potencia de un aerogenerador en operación que comprende pasos en tiempo real de: a) obtener una señal de entrada (r) de la velocidad del generador (O); b) filtrar la señal de entrada (r) de la velocidad del generador (O) para obtener una señal de la velocidad del generador (r1) en una banda apropiada para representar la oscilación de la señal (o) comprendida en la señal de entrada (r) de la velocidad del generador (O); e) extraer la frecuencia principal (f) del tren de potencia de dicha señal filtrada (r1).
    15
    2.-Método según la reivindicación 1, en el que dicha banda apropiada en dicho paso b) es la mejor banda, entre un número predeterminado de bandas, para tener en cuenta la señal oscilatoria (o) comprendida en la señal de entrada (r) de la velocidad del generador (0).
    2 o
    3.-Método según la reivindicación 2, en el que dicha mejor banda es la banda que, representando dicha señal de entrada (r) como una señal filtrada (s) más una señal oscilatoria (o) de una frecuencia (fi + .t1fi) siendo (fi) la frecuencia central de cada banda, alcanza un valor mínimo de (.t1fi).
    2 5
    4.-Método según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que el método también incluye un primer paso en el que dicha señal de entrada (r) se obtiene como una señal filtrada de la señal original (rO) de la velocidad del generador en un intervalo de una frecuencia predeterminada.
    30
    5.-Método según frecuencia es 1-2,5 Hz. la reivindicación 4, en el que dicho intervalo de
  4. 6.-Método según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que dicho número predeterminado de bandas es de cinco, abarcando en intervalos de dimensiones iguales un rango de frecuencias entre 1,45-2,05 Hz.
    5 7.-Método de amortiguación de las vibraciones del tren de potencia de un aerogenerador que comprende etapas de fijación de la referencia del par del generador (Trret) en función de la velocidad del generador
    (D)
    y de la frecuencia principal del tren de potencia (f) identificada por un método según cualquiera de las reivindicaciones 1-6.
    10
  5. 8.-Sistema de control de un aerogenerador conectado a dispositivos de
    medida de, al menos, la velocidad del viento (V), la velocidad del generador (.Q), el ángulo de paso de cada pala({}), la potencia (P) y, por lo menos, actuadores de control del ángulo de paso de las palas y del par motor, estando dispuesto el
    15 sistema de control para llevar a cabo una regulación del aerogenerador de acuerdo con una curva de potencia predeterminada 25 para velocidades del viento por debajo de la velocidad de corte (VouJ; estando también dispuesto el sistema de control del aerogenerador para implementar un método de amortiguación según la reivindicación 7.
    20
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