ES2400884B1

ES2400884B1 - Método de reducción de oscilaciones en un aerogenerador

Info

Publication number: ES2400884B1
Application number: ES201130001A
Authority: ES
Inventors: Oscar LUQUIN HERMOSO DE MENDOZA; Alberto García Barace; Steve Tonks; José Miguel García Sayés; Miguel Núñez Polo
Original assignee: Acciona Windpower SA
Current assignee: Acciona Windpower SA
Priority date: 2011-01-03
Filing date: 2011-01-03
Publication date: 2014-03-18
Anticipated expiration: 2031-01-03
Also published as: ES2400884R1; ES2400884A2

Abstract

Método de reducción de oscilaciones en un aerogenerador.#Se describe un método de control y mitigación de oscilaciones en una torre de aerogenerador mediante la actuación del freno mecánico para, en función de las aceleraciones medidas en la parte superior de la torre, aplicar un par de frenado en algún punto del tren de potencia y, con ello, reducir las oscilaciones laterales del aerogenerador. Dicho método se realiza en función de los datos captados por unos sensores ubicados en la parte superior de la torre o en la góndola y que recogen los datos de las aceleraciones que se producen en la misma. Dicha mitigación se debe a la generación, mediante la aplicación del par de frenado, de un par resultante en la base de la torre que se opone a la dinámica lateral de dicha torre.

Description

Método de reducción de oscilaciones en un aerogenerador.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se enmarca en el campo de los generadores de energía eléctrica a partir de energía eólica, los aerogeneradores.

El objeto de la invención consiste en un método que consigue reducir o mitigar las oscilaciones de la torre de un aerogenerador.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los aerogeneradores modernos están diseñados para operar de manera autónoma. Se definen varios modos de operación, o estados de operación. Las condiciones ambientales, o de la red eléctrica, o de mantenimiento u otras determinan el estado de operación adecuado para el aerogenerador en cada momento. En concreto, cuando la velocidad del viento es muy alta, o muy baja, el estado de operación adecuado es pausa, que es un estado de protección pero que mantiene al aerogenerador dispuesto a pasar al modo de operación normal, estado marcha, de manera automática y razonablemente rápida. En el estado de pausa no hay fallos en los sistemas del aerogenerador y hay algún sistema que se mantiene operativo.

En los aerogeneradores de eje horizontal con regulación por cambio de paso y sistema de orientación activo habitualmente el estado de pausa se caracteriza porque:

•: el par desarrollado por el generador eléctrico es nulo,

•: el sistema de orientación está operativo,

•: el ángulo de paso de pala está próximo al de bandera, y

•: el freno mecánico no está aplicado.

En los aerogeneradores de eje horizontal la particular disposición de las superficies sustentadoras principales, las palas, hace que las fuerzas aerodinámicas sobre el aerogenerador amortigüen bastante los movimientos longitudinales (proa-popa) del conjunto. Por el contrario los movimientos laterales (babor-estribor) no experimentan fuerzas aerodinámicas amortiguadoras notables. En el estado de operación de marcha el generador eléctrico proporciona un par resistente que equilibra el movimiento de rotación del ten de potencia del aerogenerador. Con un diseño adecuado del sistema de control se puede amortiguar el movimiento lateral del aerogenerador en el estado de marcha mediante el par desarrollado por el generador eléctrico.

Las acciones exteriores excitan todos los movimientos del aerogenerador y aunque los movimientos laterales se excitan menos que los longitudinales, siempre existe movimiento lateral. La magnitud de los movimientos puede aumentar con la velocidad del viento. El tren de potencia del aerogenerador está libre en el estado de pausa, ya que el par resistente desarrollado por el generado eléctrico es nulo y el freno no está aplicado, y de hecho puede girar debido a las acciones aerodinámicas sobre el rotor. En general la magnitud de los movimientos laterales aumenta con la velocidad de giro del tren de potencia.

Con estas premisas, en el estado de pausa con alta velocidad del viento los movimientos laterales del aerogenerador pueden ser de magnitud excesiva. La magnitud de los movimientos del aerogenerador, incluso en pausa, y cuando se supera un determinado nivel cambian el estado de operación a otro más restrictivo, parada. Dependiendo de la definición del sistema de seguridad, o de la magnitud de los movimientos que llevan al sistema a cambiar el estado de operación, la transición del estado de parada al de marcha puede ser más lenta que la transición del estado de pausa al de marcha, o incluso necesitar la operación manual, sea remota o local, para efectuarse. En esas condiciones es evidente que se produce una pérdida de producción energética, porque hay periodos de tiempo en los que el aerogenerador debería estar produciendo energía y no lo está haciendo, porque está en el proceso de transición de parada a marcha.

En el supuesto de que el sistema de seguridad no envíe el aerogenerador de pausa a parada cuando los movimientos laterales son altos, no se producirá una pérdida de producción energética cuando las condiciones ambientales cambien, pero los movimientos laterales poco amortiguados del aerogenerador en pausa contribuyen de manera no despreciable al daño a fatiga de la estructura.

En emplazamientos con velocidades de viento muy altas estos dos problemas se agravan: o se producen muchas paradas o el daño a fatiga aumenta.

En la solicitud de patente EP2067991 se propone utilizar una masa deslizante en la dirección horizontal perpendicular al eje longitudinal del aerogenerador en la parte trasera de la góndola, movida de forma controlada para amortiguar las vibraciones laterales del aerogenerador. También se propone usar el par del generador para reducir en estado de marcha las oscilaciones laterales y la masa deslizante como medio para compensar las oscilaciones en torsión que pudiera generar la actuación del par del generador.

En la solicitud de patente ES2308827 se propone el uso de un péndulo con amortiguadores elastoméricos que puede llevar además medios activos de amortiguación, que puede oscilar en cualquier dirección y amortiguar, por lo tanto, cualquier dirección de movimiento [de la torre] del aerogenerador.

En la patente US7309930 se propone usar, en estado de marcha, el par del generador como actuador para amortiguar las oscilaciones laterales del aerogenerador a la frecuencia propia de las oscilaciones laterales de la torre, tomando como señal indicadora de las vibraciones una basada en la velocidad del generador.

En la solicitud de patente US2008145222, se propone un sistema compuesto por una masa móvil unida mediante un actuador a un punto del aerogenerador. La acción del actuador sobre la masa móvil amortigua algún movimiento del sistema.

En la solicitud de patente WO2006062390 se propone usar un amortiguador de columna líquida para amortiguar las oscilaciones de la torre.

En la solicitud de patente WO2008097981 se propone un sistema formado por una cámara cilíndrica rellena de fluido partida en dos por una pared con un orificio pequeño y con dos pistones en sendas semicámaras que se mueven ligados a la deformación estructural de las partes del aerogenerador a las que se fijan los extremos del sistema. La amortiguación se consigue disipando la energía del movimiento en el fluido.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención es un método que permite reducir o mitigar las oscilaciones que se producen en la torre de un aerogenerador. El método objeto de la invención propone el uso del freno mecánico para reducir la velocidad de giro del tren de potencia en la manera más adecuada para disminuir la magnitud de las oscilaciones laterales del aerogenerador.

El problema que se pretende tiene sentido tomando como válidas las siguientes afirmaciones ya conocidas en el estado de la técnica y que son parte del problema al resolver:

•: Los aerogeneradores presentan problemas de vibraciones en general.

•: Las vibraciones a las frecuencias propias de los primeros modos de flexión de la torre son especialmente críticas.

•: Las fuerzas aerodinámicas amortiguan poco las oscilaciones laterales de la torre.

•: Cuando un aerogenerador está en pausa el generador eléctrico no puede controlar las oscilaciones laterales, ya que el par resistente desarrollado por el generado eléctrico es nulo.

•: Además, puesto que el freno no está aplicado, cuando un aerogenerador está en pausa el rotor puede girar libremente y en determinadas ocasiones gira. Con altas velocidades de viento la velocidad de giro aumenta, y con ella la magnitud de las oscilaciones laterales.

En el estado de la técnica actual no hay ninguna propuesta para utilizar el freno mecánico como medio amortiguador de las oscilaciones laterales de la torre, a pesar de que se reconoce que son un problema, y de que, tal y como se desprende del apartado anterior, se proponen otros medios para amortiguarlas.

Al contrario de lo que ocurre en aquellas soluciones conocidas hasta ahora donde los medios para amortiguar las oscilaciones laterales de la torre con el aerogenerador en pausa son esencialmente los mismos que en otros estados de operación, y se basan en emplear sistemas amortiguadores externos o independientes del aerogenerador, como sistemas de masa-muelle-amortiguador, actuadores lineales, etcétera; con las consecuentes limitaciones que entraña el uso de dichos sistemas; el método objeto de la invención hace uso de mecanismos ya presentes en el aerogenerador de tal forma que se hace innecesario el uso de elementos externos.

La solución propuesta consiste principalmente en actuar con el freno mecánico de manera controlada, en función de las aceleraciones medidas en la parte superior de la torre, aplicando un par de frenado en algún punto del tren de potencia y, con ello, reduciendo las oscilaciones laterales. Dicha reducción se debe a la generación, mediante la aplicación del par de frenado, de un par resultante en la base de la torre que se opone a la dinámica lateral de dicha torre.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1.- Muestra una vista frontal de un aerogenerador

Figura2.- Muestra una vista lateral de un aerogenerador

Figura3.- Muestra los componentes principales de la góndola de un aerogenerador

Figura 4.- Muestra una realización del método de la invención.

Figura 5.- Muestra una gráfica de la evolución de una señal indicadora de la aceleración total del desplazamiento en la parte superior de la torre.

Figura 6- Muestra una gráfica de la evolución del desplazamiento lateral de la parte superior de la torre.

Figura 7.- Muestra una gráfica de la evolución del desplazamiento longitudinal de la parte superior de la torre.

Figura 8.- Muestra una gráfica de la evolución del par de frenado.

Figura 9.- Muestra una gráfica de la evolución de la velocidad de giro del tren de potencia.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A la vista de las figuras se describe a continuación un modo de realización preferente del método objeto de la invención en una torre de un aerogenerador.

Un aerogenerador se compone de un rotor que es soportado por una góndola (2), que a su vez se fija sobre una torre (3). La torre oscila por la acción del viento, pudiendo distinguirse una aceleración lateral ax ,y una aceleración longitudinal ay.

Tal y como se observa en la figura 3 donde se muestra la góndola (2) desprovista de cubierta, ésta dispone de un buje (21) que soporta unas palas (1) y que hace girar un eje principal (4) acoplado a una multiplicadora (5). La salida de la multiplicadora (5) está acoplada a su vez a un generador (7) eléctrico estando todo el conjunto está soportado por un bastidor (8). El conjunto formado por eje principal (4), multiplicadora (5) y generador eléctrico (7) es conocido habitualmente como tren de potencia aunque no siempre dispone de multiplicadora (5). La salida de la multiplicadora (5) comprende además un sistema de freno (6), donde dicho freno (6) puede ser de cualquier tipo conocido en el estado de la técnica. El método de la invención también es aplicable a aerogeneradores en los que el tren de potencia carece de multiplicadora (5).

En una realización preferente el freno (6) comprende un disco de freno y una pinza de freno actuada mediante un circuito hidráulico. La actuación puede consistir en la activación o desactivación de una válvula, teniendo por tanto dos posiciones posibles: aplicado, en la que la pinza presiona el disco de freno y no aplicado, en la que la pinza no presiona el disco de freno. Alternativamente el circuito hidráulico puede comprender una válvula proporcional, pudiendo someterse al freno (6) a una presión variable, consiguiéndose así un par de frenado también variable.

Para llevar a cabo el método objeto de la invención se realiza una serie de medidas (18) realizadas mediante al menos un sensor (9) que pueden ser de diversos tipos tales como acelerómetros, sensores (9) de presión, de posición, etcétera que se encargan de captar una serie de datos en virtud de los cuales se lleva a cabo el método descrito.

En una realización preferente, sobre el bastidor (8) se fija los sensores (9) capaces de medir la dinámica de la torre (3).

Para ello los datos captados se envían a un modulo de control (10) que está conectado tanto al sensor (9) como al freno (6), de tal forma que se puede actuar el freno (6), aplicando así un par de frenado en función de las medidas (18), y mitigando así las oscilaciones.

En una realización preferente, mostrada en la figura 4, una lectura de la aceleración lateral ay proporcionada

por el sensor (9) es recogida por el módulo de control (10). En primer lugar se filtra dicha señal mediante un módulo de filtrado (11) pasabanda centrado a la frecuencia del modo principal de oscilación de la torre (3), dando lugar a una consigna de par de frenado (15)

Además, el mismo módulo de filtrado (11) introduce un desfase en la señal de aceleración lateral ay teniendo

en cuenta el retraso inherente del freno (6), de modo que la consigna de par de frenado (15), tiene una fase tal que la actuación del freno produce un par de frenado que genera un par resultante en la base de la torre (6) que se opone a la dinámica lateral de dicha torre (3).

En una realización preferente se realiza un control en lazo cerrado comparando la consigna de par de frenado

(15) con un par efectivo de frenado (16). La presión hidráulica medida en la pinza de frenado es utilizada como señal indicativa del par efectivo de frenado (16). El resultado de la citada comparación entra en un módulo regulador (12), que puede ser proporcional, integral, PID o cualquier otro de los conocidos en el estado de la técnica.

Como ya se expuesto anteriormente, el freno (6) tiene dos posiciones posibles (aplicado y no aplicado). A partir de la señal resultado del módulo regulador (12), en un módulo PWM (13) del módulo de control (10) se genera una señal todo-nada pulsada con un ancho modulado (17) (conocido el estado de la técnica como PWM) que es aplicada al freno (6).

Por otro lado, en una realización preferente a la consigna de par de frenado (15) se le suma un offset (14), de modo que el freno (6) está siempre aplicado, variándose el par de frenado entorno a un par de frenado medio equivalente al offset (14).

En una realización alternativa, el control se realiza en lazo abierto, actuando en el freno (6) con una presión variable mediante una válvula proporcional.

En las figuras 5, 6, 7, 8 y 9 una curva fina corresponde a una situación estándar, sin aplicar el método objeto de la invención para el control de las oscilaciones laterales de la torre (3), y una curva gruesa corresponde a una situación en la que se actúa de manera controlada con el freno (6) mecánico a partir del instante 20s, para amortiguar las oscilaciones laterales, es decir refleja el efecto del método objeto de la invención.

En la figura 5 se muestra la evolución de una señal indicadora de una aceleración total del desplazamiento de la parte superior de la torre (3) captada por los sensores (9) comparándose la aceleración medida en la góndola (2) sin utilizar el método de la invención con la aceleración resultante de aplicar el método de la invención a partir de un instante correspondiente a 20s. La variable representada en dicha figura 5 es indicadora de la aceleración

total a = a + a .En dicha figura 5 se observa cómo con la aplicación del método de control de las oscilaciones

xy

laterales el nivel de vibración total en la parte superior de la torre (3) se reduce en general.

En las figuras 6, 7, 8 y 9 se observa la evolución temporal de varias señales relacionadas con un evento típico del problema al que se planteado referido a las oscilaciones en el aerogenerador, más concretamente en la torre (3).

Tal y como se observa en la figura 6, donde se muestra la evolución del desplazamiento lateral de la parte superior de la torre (3), las variaciones de dicho desplazamiento tienen amplitud menor cuando se activa el control de las oscilaciones laterales manipulando la velocidad de giro del tren de potencia mediante la aplicación de un par efectivo de frenado por medio de la acción del freno (6). En la figura 7 se muestra la evolución del desplazamiento longitudinal en la parte superior de la torre, que no se ve afectado de modo sustancial por el método de la invención.

En la figura 8 se muestra la evolución del par aplicado por el freno (6). Puede observarse que a partir del instante 20s, el par de frenado oscila alrededor de un valor medio, correspondiente al Offset 14. En una realización preferente dicho par de frenado se logra mediante la actuación con una señal PWM sobre la válvula hidráulica del freno (6). En dicha figura 7 se observa también que, puesto que la respuesta del sistema hidráulico asociado al freno es asimilable un sistema de primer orden, y pese a actuar el freno (6) mediante la señal todo-nada con un ancho modulado (17) aplicada a la válvula, el par aplicado por el freno no se anula instantáneamente cuando el freno (6) se desaplica, sino que se logra que el par efectivo de frenado (16) evolucione siguiendo la consigna de par de frenado (15).

Finalmente, en la figura 9 se muestra la evolución de la velocidad de giro del tren de potencia. 5

Claims

REIVINDICACIONES

1. Método de reducción de oscilaciones en un aerogenerador, que comprende una torre (3) sobre la cual se encuentra ubicada una góndola (2) que a su vez dispone de un buje (21) que soporta unas palas (1) que hacen girar un tren de potencia, que a su vez comprende un eje principal (4) y un generador (7) eléctrico, y un freno (6) capaz de aplicar un par de frenado en un punto de dicho tren de potencia, caracterizado porque comprende las siguientes fases:

-

captar una serie de medidas (18) referidas a oscilaciones producidas en el aerogenerador mediante al menos un sensor (9) ubicado en el aerogenerador ,

-

recibir y procesar las medidas (18) captados por el sensor (9) mediante un módulo de control (10) vinculado al sensor (9) y al freno (6), y

-

actuar el freno (6), haciendo uso del módulo de control (10), aplicando el par de frenado en función de las medidas (18).
2. Método según reivindicación 1 caracterizado porque dicho método se aplica cuando el par desarrollado por el generador (7) eléctrico es substancialmente nulo.
3. Método según reivindicación 1 caracterizado porque el sensor (9) se encuentra ubicado en la góndola (2). .
4.

Método según reivindicación 1 caracterizado porque el par de frenado que genera un par resultante en la base de la torre que se opone a la dinámica lateral de la torre (3) se genera mediante la actuación del freno.
5.

Método según reivindicación 1 caracterizado porque el sensor (9) es un acelerómetro encargado de captar datos referidos a aceleraciones.
6.

Método según reivindicación 1 caracterizado porque la actuación del freno (6) se realiza en función de una aceleración lateral medida por el sensor (9).
7.

Método según reivindicación 1 caracterizado porque adicionalmente comprende el paso de generar una señal todo-nada pulsada con un ancho modulado (17) mediante un módulo PWM(13) del módulo de control (10), siendo el freno (6) actuado con dicha señal todo-nada.
8.

Método según reivindicación 7 caracterizado porque adicionalmente comprende el paso de calcular la señal de entrada del módulo PWM (13) mediante un regulador (12), siendo una entrada del regulador (12) función de la comparación de una consigna de par de frenado (15) con un par efectivo de frenado (16) medido en el freno (6).
9.

Método según reivindicación 8 caracterizado porque adicionalmente comprende el paso de calcular la consigna de par de frenado (15) mediante un módulo de filtrado (11) que aplica un filtro pasobanda centrado en una frecuencia natural de la oscilación de la torre (3) a las medidas (18) captadas por el sensor (9).
10.

Método según reivindicación 9 caracterizado por comprender adicionalmente el paso de sumar a la consigna de par de frenado (15) un offset (14), de modo que el freno (6) está siempre actuado, variándose el par de frenado entorno a un par de frenado medio equivalente al offset (14).