ES2537476B1 - Sistema y método de control de aerogenerador - Google Patents

Sistema y método de control de aerogenerador

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Abstract

Sistema y método de control de aerogenerador.#Se describen un sistema y un método de control de un aerogenerador para operar el mismo en operación de rendimiento óptimo en situaciones en las que se producen incidencias. Para ello se llevan a cabo una serie de medidas de elementos del entorno del aerogenerador que inciden en el mismo para poder calcular unas consignas de ángulo de paso de palo que se hacen llegar a los actuadores de las palas para reorientar o mover las mismas hasta posiciones designadas en función de dicha consigna de ángulo de paso de pala. El método aquí descrito se basa, entre otros parámetros, en la velocidad del viento; de tal manera que se prevén al menos dos posibles situaciones de control en función de dicha velocidad: una cuando la velocidad es inferior a un valor nominal y otra cuando dicha velocidad es superior a un valor nominal.

Description

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SISTEMA Y METODO DE CONTROL DE AEROGENERADOR D E S C R I P C I O N
OBJETO DE LA INVENCION
La presente invencion se enmarca en el campo de la generacion de ene^a electrica a partir de ene^a eolica.
El objeto de la invencion consiste en un metodo de control de aerogeneradores que comprende manipular el mismo en funcion de un angulo de paso de pala que proporciona la maxima captura de energia, previo calculo del mismo en distintas condiciones.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Hoy en dia es habitual el empleo de energias renovables para la generacion electrica, siendo de entre ellas la energia eolica una de las mas eficientes. La energia eolica permite generar electricidad a partir del viento mediante aerogeneradores. Dichos aerogeneradores constan basicamente de una torre, una gondola que alberga el generador electrico, un rotor formado a su vez por al menos dos palas, y un tren de potencia que transmite potencia del rotor hacia el generador electrico. El tren de potencia puede comprender una multiplicadora con un eje de baja velocidad conectado al rotor y un eje de alta velocidad conectado al generador electrico.
En aerogeneradores multimegawatio, existe una tendencia hacia rotores mayores, que proporcionan energia a un coste menor. En dichas configuraciones existe una importancia creciente del sistema de control. Dicho sistema permite maximizar la produccion de energia a la par que limita las cargas mecanicas producidas por el viento. Para ello, el sistema de control actua sobre el angulo de paso de pala -angulo de paso de pala- y sobre el par demandado al generador.
Por una parte, el angulo de paso de pala se controla mediante actuadores dispuestos en la raiz de cada pala, que hacen girar la pala en torno a su eje longitudinal. Dicha actuacion consigue variar el comportamiento aerodinamico de la pala. Por otra parte, el sistema de control regula el par demandado al generador desde el convertidor.
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El control de par en funcion de la velocidad del generador electrico Q incluye diferentes zonas de control:
• una primera zona de control (a velocidades de viento bajas) en que el par se regula para mantener la velocidad de giro constante;
• conforme la velocidad de viento aumenta, se entra en una zona de control en que la demanda de par electrico T se realiza de modo que se mantiene el ratio entre la velocidad de punta de pala y la velocidad de viento en la altura de buje (conocido por su termino en ingles Tip Speed Ratio (TSR)) en un valor optimo que maximiza la captura de potencia aerodinamica del viento;
• una vez se alcanza la velocidad de giro maxima, el par se regula para mantener la velocidad de giro constante en dicho valor maximo hasta alcanzar la potencia nominal del aerogenerador. Esto sucede a una velocidad de viento a la que se denominara en adelante velocidad de viento nominal.
El control de paso de pala incluye tambien diferentes zonas de control:
• Una zona de control por debajo de la velocidad de viento nominal, i.e. por debajo de potencia nominal, en la que se aplica una consigna de paso de pala que sirve para maximizar la captura de energia del viento para cada velocidad de viento incidente. Habitualmente, como senal de viento incidente se emplea una velocidad de viento media calculada a partir de medidas realizadas a la altura del buje por un anemometro situado ahi. En funcion del valor que toma dicha velocidad de viento media, en esta zona de control se calcula y aplica una unica consigna de angulo de paso de pala para las tres palas.
• Una zona de control por encima de la velocidad de viento nominal en que se regula el angulo de pitch con objeto de mantener la potencia constante (habitualmente en un valor igual a la potencia nominal).
El angulo de paso de pala para cada velocidad de viento incidente se aplica a las tres palas conjuntamente.
Sin embargo, en la zona de control por debajo de la velocidad de viento nominal, el hecho de que el angulo de paso de pala se calcule en funcion de la velocidad de viento media (o una senal indicativa de la misma como la potencia y/o el angulo de paso de pala) hace que no se tengan en cuenta efectos como la cortadura del viento (cortadura), inclinacion de flujo (upflow) o desalineamiento de la nacelle con respecto a la direccion del viento; efectos que
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son en gran medida independientes de la velocidad de viento media. Esto propicia que el angulo de paso de pala calculado en funcion de la velocidad de viento media no sea siempre el optimo desde el punto de vista de la production.
Con el fin de incrementar la produccion en regimenes de viento por debajo dela velocidad de viento nominal, el documento EP2556249 describe un metodo de control consistente en controlar la actuation de las palas (angulo de paso de pala o elementos de control alternativos) para maximizar de manera independiente el par motriz de cada pala por debajo de la velocidad de viento nominal. El controlador calcula de manera independiente las consignas de paso de pala para cada una de las palas de manera que se maximice el par motriz de cada una de ellas cuando se determina que la velocidad del viento o la fuerza que actua sobre las palas esta por debajo de la velocidad de viento nominal con el fin de incrementar la produccion en dicho regimen de viento. Para implementar dicho metodo de control es necesario conocer el par motriz de cada pala, para lo cual son necesarios sensores de cargas individuales por pala, cuya fiabilidad y precision es critica para conseguir maximizar dicha produccion, pudiendo llegar incluso al dano de las palas si proveen una mala medida. .Ademas, si dichos sensores se danan, habria que esperar hasta la reparation para continuar llevando a cabo el metodo de control descrito.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
El objeto de la invention es un metodo y un sistema de control para un aerogenerador que permite maximizar la produccion y reducir las cargas de una manera robusta y sencilla con respecto a las propuestas del estado de la tecnica anteriormente citadas. en Para ello, el sistema y metodo de control de aerogenerador aqu descritos permiten modificar el angulo de paso de pala de cada pala segun una consigna calculada teniendo exclusivamente en cuenta para ello information de la position de cada pala la pala y de la distribution de viento.
En concreto, es un objeto de la invencion un metodo de control de un aerogenerador que comprende:
• un rotor con una pluralidad de palas, las cuales comprenden a su vez respectivos actuadores configurados para variar un angulo de paso de cada pala,
• y una unidad de control,
estando el metodo caracterizado porque comprende :
• obtener al menos un valor indicativo de la distribucion de viento en un area
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barrida por el rotor y,
• determinar una posicion acimutal para cada pala,
• calcular para cada pala una consigna de angulo de paso de pala variable segun una funcion periodica que establece un angulo de paso de pala en funcion de la posicion acimutal de la pala, donde la funcion periodica tiene un periodo sustancialmente igual al de rotacion del rotor y una fase dependiente de al menos un valor indicativo de la distribution de viento en el area barrida por el rotor, y
• hacer llegar a los actuadores la consigna de angulo paso de pala.
De esta manera, se reduce la complejidad del sistema requerido para optimizar el funcionamiento del aerogenerador, pues se prescinde de medidas de los sensores de cargas de las palas para llevar a cabo el control de paso de pala.
El efecto sobre cada pala de fenomenos que afectan a la distribucion de viento en el area barrida por el rotor (como la cortadura del viento, el upflow o el desalineamiento) depende en gran medida de su posicion acimutal (angulo de giro con respecto al eje de rotor), i.e. las palas no experimentan las mismas condiciones de viento en todas ellas. Mediante el metodo de control descrito, el angulo de paso de cada pala se calcula teniendo en cuenta la posicion acimutal de cada pala de manera que permite maximizar production y reducir cargas sin empleo de sensores de cargas de palas, una vez caracterizada la distribucion de viento en el area barrida por el rotor.
Para la determination de la posicion acimutal de cada pala se emplea un sensor de posicion acimutal de rotor, consistente en un detector de paso del rotor por un cero, i.e. origen de la referencia y relacionado con la posicion de una de las palas y un contador de paso por posiciones intermedias que dan un angulo incremental con respecto a dicho origen. Cada para en un rotor de 3 palas esta desfasada 120°, por lo que con la determinacion de la posicion acimutal del rotor, se determina la posicion acimutal de una de las palas y en relation con esta ultima la posicion acimutal de las otras dos palas.
El metodo de la invention comprende obtener al menos un valor indicativo de la distribucion
de viento en un area barrida por el rotor (este valor indicativo de la distribucion de viento en
un area barrida por el rotor comprende al menos un valor relacionado con al menos una
variable seleccionada de entre el grupo consistente en: cortadura, direction de viento,
inclination de flujo del viento y velocidad de viento) y determinar para cada pala un valor de
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angulo acimutal referido a la correspondiente posicion acimutal del rotor, para posteriormente calcular para cada pala una consigna de angulo de paso de pala variable segun una funcion periodica que establece un angulo de paso de pala en funcion de la posicion acimutal de la pala, donde la funcion periodica tiene un periodo sustancialmente igual al de rotacion del rotor y una fase dependiente de al menos un valor indicativo de la distribution de viento en el area barrida por el rotor, y con ello poder hacer llegar a los actuadores la consigna de angulo paso de pala adecuada.
Cabe destacar que el objeto de la invention contempla distintas posibilidades relacionadas con el valor indicativo de la distribucion de viento en el area barrida por el rotor; este puede ser un valor dependiente de la direction de viento y estar caracterizado en funcion de sectores de direccion de viento, de manera que sus valores se implementan en el controlador en forma de tabla en funcion de la direccion del viento o puede ser un valor caracteristico del emplazamiento o un valor estimado a partir de valores historicos y en funcion de al menos uno de los siguientes: direccion, velocidad e intensidad de turbulencia de viento, temperatura, epoca del ano y hora del dia.
En un aspecto de la invencion, el metodo comprende calcular un angulo de paso de pala que proporciona la maxima captura de energia por debajo de un determinado valor umbral de production en funcion del valor de, entre otros, cortadura del viento, upflow o desalineamiento de la gondola y de la posicion de cada pala. De esta manera el metodo contempla que cuando se tiene que el aerogenerador opera por debajo de dicho valor umbral de produccion es decir la senal indicativa del nivel de produccion es menor que dicho umbral, se procede a determinar, a partir del valor indicativo de la distribucion de viento en el area barrida por el rotor, una posicion acimutal de pala en la cual un valor de velocidad de viento es maximo; teniendo la funcion periodica un valor mmimo cuando la pala se encuentra en dicha posicion acimutal.
Por otro lado, cuando se tiene que el aerogenerador opera por encima o en un valor de produccion igual o mayor a dicho valor umbral de produccion es decir la senal indicativa del nivel de produccion es mayor o igual, la funcion periodica tiene un valor maximo cuando la pala se encuentra en la posicion acimutal en la cual el valor de velocidad de viento es maximo.
De este modo se consigue aumentar la energia producida sin penalizar la vida a fatiga de la maquina, pues en una zona de produccion de carga parcial se incorpora un movimiento
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dclico de pitch en un sentido para aumentar la produccion mientras que en la zona de produccion nominal, el movimiento dclico de pitch tiene un sentido opuesto y se reducen las cargas.
Dicho valor umbral de produccion delimita la transicion entre una zona de produccion parcial y una zona de produccion nominal, y puede estar definido por un valor umbral de produccion (PNOM) o un valor umbral de velocidad de viento (Urated).
Sin embargo, es ventajoso incluir un segundo umbral por debajo de la zona de produccion nominal que marque la zona por debajo de la cual se controla el angulo de paso de pala para proporcionar la mayor captura de energia, mientras que sea a partir de potencia nominal que se controle el angulo de paso de pala para reducir cargas.
Para ubicar el valor adecuado de la funcion periodica (maximo o mmimo dependiendo de la zona de produccion en la que este operando el aerogenerador) en la posicion acimutal en la cual el viento es maximo, se determina la fase de la citada funcion periodica. La fase por tanto es dependiente de la zona de produccion en la que se encuentre operando el aerogenerador y puede adoptar uno entre los siguientes:
• un valor predeterminado, que es tal que la funcion periodica alcanza su valor minimo cuando la pala esta en una posicion sustancialmente vertical con su punta hacia arriba si el aerogenerador esta operando en una zona de produccion parcial y tal que la funcion periodica alcanza su valor maximo cuando la pala esta en una posicion sustancialmente vertical con su punta hacia arriba;
• un valor dependiente delvalor indicativo de la distribucion de la velocidad de viento en el area barrida por el rotor (cortadura o windshear),
• un valor dependiente del valor indicativo de la desorientacion de la nacelle con respecto a la direccion de viento, y
• un valor dependiente del valor indicativo de la inclinacion de flujo de viento (upflow).
La magnitud de los fenomenos que definen la distribucion de viento en el area barrida por el rotor se puede medir, calcular o estimar en base a medidas de calibracion del emplazamiento. Incluso, en un aspecto de la invencion, se contempla que la magnitud de dichos fenomenos este caracterizada y sea predeterminada en funcion del sector de direccion de viento.
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El valor indicativo de la distribution de viento en el area barrida por el rotor se puede obtener de distintas maneras. As^ el metodo aqu descrito contempla su obtencion a partir de la medida de al menos un sensor, preferiblemente anemometros dispuestos a distintas alturas, que pueden estar dispuestos en el aerogenerador o en un mastil meteorologico en una ubicacion cercana al aerogenerador, dicho valor indicativo de la distribucion de viento en el area barrida por el rotor puede comprender un valor relacionado con la cortadura del viento o el upflow.
Asi por ejemplo, la cortadura del viento o perfil de cortadura puede medirse mediante dos o mas anemometros dispuestos a distintas alturas en la torre, ademas del anemometro de la nacelle que suele montarse en los aerogeneradores, a una altura en la que sus medidas no se ven afectadas por el rotor. Asimismo, el valor del upflow puede medirse mediante veletas que midan tambien la componente vertical de la velocidad del viento o mediante varios anemometros montados en el buje del rotor.
Otra alternativa para evaluar la magnitud de efectos como cortadura del viento, upflow o desalineamiento es mediante sensores colocados en la raiz de las palas, los cuales proporcionan senales indicativas de las cargas inducidas por el viento en las palas. En base al analisis de estas senales a lo largo de las diversas posiciones acimutales de las palas, puede obtenerse una estimation de la magnitud de los efectos a analizar.
Alternativamente, y para evitar montar mas sensores en el aerogenerador, se puede medir la magnitud de estos fenomenos en un punto del parque (mastil meteorologico) y extrapolar estos valores a la position de cada aerogenerador del parque mediante una funcion que relacione los valores de las medidas del mastil con los valores en cada maquina.
Otra posibilidad es la de emplear valores estimados de dichos fenomenos, obtenidos por ejemplo, en el paso previo a la construction del parque, en el que se caracteriza el emplazamiento determinando los valores caracteristicos de la distribucion de viento en el area barrida por el rotor. Entre otros, los parametros considerados son: velocidad y direction de viento, intensidad de turbulencia, temperatura y densidad, cortadura del viento, upflow, etc. En base a estas mediciones, se pueden estimar los valores medios de cortadura del viento y upflow previamente a la instalacion del aerogenerador, incorporando dichos valores caracteristicos en el controlador. La estimacion se puede afinar teniendo en cuenta la dependencia de estos efectos de otros parametros como direccion de viento, velocidad de viento, intensidad de turbulencia, temperatura, epoca del ano y hora del dia, etc.
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En el caso de que no se dispongan de medias representativas del campo de viento durante el funcionamiento de la maquina, pueden emplearse las estimaciones asi calculadas para, en base a ellas, calcular la fase y la amplitud de la funcion periodica que permite el calculo de las consignas de los angulos de paso de pala que maximicen la produccion de energia y/ o minimicen las cargas, segun cual sea el nivel de produccion del aerogenerador.
La desorientacion de la nacelle con respecto a la direction del viento puede medirse con la veleta que se monta habitualmente en la nacelle.
La consigna de angulo de paso de pala calculada segun el metodo descrito permite aumentar la produccion en la zona de produccion parcia (i.e. por debajo de la velocidad de Urated) incluso sin empleo de un sensor de cargas de pala, al ser dependiente de una funcion periodica de frecuencia 1P (i.e. periodo igual al de giro del rotor), una amplitud calculada en funcion de la distribution de velocidad de viento en el area barrida por el rotor, y una fase dependiente de la distribucion de velocidad de viento en el area barrida por el rotor y tal que el mmimo de la funcion periodica se encuentra en la position acimutal en la que la pala experimenta mas viento o la posicion acimutal en la cual el valor de velocidad de viento es maximo. El calculo de la consigna de paso de pala no requiere ser independiente para cada pala, ya que, si bien la consigna es diferente en cada instante para cada pala, esta se calcula con una funcion periodica dependiente de la posicion acimutal pero que es comun para todas las palas (los parametros caracteristicos de la funcion, i.e. amplitud y fase son iguales para todas ellas). Esto simplifica el calculo y aplicacion de las consignas de paso de pala.
Si bien la presente invention en su realization preferida va dirigida a la optimization de los angulos de paso de pala de las palas de un aerogenerador para maximizar la energia electrica producida por debajo de potencia nominal en distintas condiciones de viento, cortadura del viento, upflow, etc., se puede emplear la misma estrategia para reducir las cargas por encima de potencia nominal, compensando de este modo el aumento de cargas producido por debajo de potencia nominal.
A partir de todo lo anterior, se propone asimismo en la presente invencion un sistema para un aerogenerador para llevar a cabo el metodo de la invencion; es decir:
- Determinar los valores de cortadura del viento, upflow y/o desalineamiento. Ya sea en base a medidas instantaneas o en base a estimaciones.
- Medir la Potencia electrica generada y/o la velocidad de viento para determinar si la
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potencia generada es o bien menor que un valor umbral de production menor (aproxidamente un 80%) o bien mayor o igual que la potencia nominal PNOM o la velocidad de viento mayor o menor/igual que un umbral de valor menor o menor/igual que Urated.
- En base a lo anterior y a los valores de los parametros que definen el campo de viento en el rotor (velocidad, cortadura del viento, upflow y desalineamiento) y a la configuration de la maquina (velocidad de giro,) calcular un angulo de paso de pala optimo que maximiza la captura de energia.
- Dicho angulo de paso de pala optimo comprende un termino de paso de pala colectivo (comun a todas las palas en todo su recorrido acimutal) en funcion de los parametros que definen el campo de viento en el rotor, tal que se maximiza la captura de energia y un termino de paso de pala individual que maximiza la captura de energia en cada posicion acimutal.
- Enviar a los actuadores de paso de pala la consigna de angulo de paso de pala correspondiente a cada posicion acimutal.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
Figura 1.- Muestra un diagrama de bloques representativo de la implementation del metodo en la unidad de control del aerogenerador.
Figura 2.- Muestra una representation grafica del efecto "windshear” o cortadura
Figura 3.- Muestra una tabla donde se aprecia la relation entre la direction de viento con el valor espedfico de cortadura y los correspondientes parametros de la funcion periodica, fase y amplitud.
Figura 4- Muestra una representacion de un aerogenerador visto en planta, donde se aprecian diferentes sectores de direccion de viento para los cuales se tiene caracterizado el valor caracteristico de la cortadura.
Figura 5.- Muestra una grafica donde se muestra una curva de potencia en la que se aprecian las dos zonas de action del metodo en funcion de los umbrales.
Figura 6.- Muestra una grafica donde se aprecia la relacion entre la amplitud de la funcion periodica con la velocidad de viento para distintos valores de cortadura.
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Figuras 7a y 7b.- La figura 7a muestra una funcion periodica que sigue el angulo de paso de pala en funcion de la posicion acimutal mientras que la figura 7b muestra la relacion de de cada pala marcando una referencia.
Figuras 8a y 8b.- Muestra unas graficas de casos espedficos del angulo de paso de pala donde la figura 8a muestra una situation en que la potencia es menor que la potencia nominal mientras que la figura 8b muestra una situacion en que la potencia es mayor o igual que la potencia nominal.
REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION
Se describe a continuation un modo de realization preferente del metodo de control de un aerogenerador que comprende varias palas dotadas a su vez de respectivos actuadores configurados para variar un angulo de paso de cada pala y una unidad de control, configurada para calcular para cada pala una consigna de paso de pala. El metodo propuesto comprende los siguientes pasos:
• obtener al menos un valor indicativo de la distribution de viento en un area barrida por el rotor,
• determinar una posicion acimutal para cada pala,
• calcular para cada pala una consigna de angulo de paso de pala (fi1,p2,p2) variable segun una funcion periodica que establece un angulo de paso de pala en funcion de la posicion acimutal de la pala (0102, 03) donde la funcion periodica tiene un periodo sustancialmente igual al de rotation del rotor y una fase <p dependiente de al menos un valor indicativo de la distribucion de viento en el area barrida por el rotor, y
• hacer llegar a los actuadores la consigna de angulo paso de pala.
En la figura 1 se muestra el diagrama de bloques correspondiente a la implementation del metodo en la unidad de control del aerogenerador. Las consignas de angulo de paso de pala enviadas a cada pala (fi1,p2,p2) se obtienen a partir de una funcion periodica dependiente de la posicion acimutal de la pala (0102, 03), donde la funcion periodica calculada en el bloque de calculo de consignas individuales de pala y tiene un periodo sustancialmente igual al de rotacion del rotor y una fase <p dependiente de al menos un valor indicativo de la distribucion de viento en el area barrida por el roto
En una posible realization preferida de la invention, previamente a la instalacion del aerogenerador se procede a caracterizar el emplazamiento tomando diversas medidas representativas de las caracteristicas del viento en esa position para obtener una caracterizacion precisa de la distribution de velocidad de viento en el area barrida por el 5 rotor. Entre estas caracteristicas, se toman valores indicativos de perfil de cortadura (en adelante cortadura) y/o upflow. En una realizacion preferente se toma la cortadura a como unico valor indicativo de la distribucion de velocidad de viento.
El valor de cortadura a es la variation en estado estacionario de la velocidad media de 10 viento con la altura y depende, entre otros factores, de la rugosidad del terreno tal y como se representa de manera esquematica en la figura 2. Existen diversos modelos que relacionan la velocidad de viento a una determinada altura V(h), con la velocidad de viento a una altura de referencia (normalmente la altura del buje) V(h0). El modelo exponencial representado graficamente en la figura 2 caracteriza el perfil de cortadura en funcion del exponente de 15 cortadura a.
Asi, en una realizacion preferente, como valor indicativo de la distribucion de viento en el area barrida por el rotor se toma el exponente de la funcion de cortadura a. Como este valor
puede variar dependiendo de la direction del viento por ser dependiente de aspectos 20 geograficos), en una realizacion se obtienen distintos valores de a asociados a distintos sectores angulares de direccion de viento y/o velocidades de viento para caracterizar el cortadura en funcion de la direccion. De esta forma, el paso de obtener al menos un valor indicativo de la distribucion de viento en un area barrida por el rotor, comprende medir la direccion del viento y/o velocidad de viento y hallar para dichos valores el valor 25 correspondiente del exponente de la funcion de cortadura. La relation entre los valores de direccion del viento y/o velocidad de viento y la funcion de cortadura se implementa en el controlador del aerogenerador en forma de tabla en una realizacion preferente (tal y como se aprecia en las figuras 3 y 4).
30 En una posible realizacion preferida mas sencilla, se asume un valor del exponente a como constante independientemente de la direccion del viento. Dicho valor oscila dentro del rango de valores tipicos que esta entre 0.1 para emplazamientos poco rugosos y 0.5 para emplazamientos de mas rugosidad.
imagen1
puede depender de la direccion y/o de la velocidad del viento (pues la rugosidad del terreno
Alternativamente, se disponen sensores que permiten obtener la distribution de velocidad de viento a partir de medidas de la velocidad de viento a distintas alturas. Por ejemplo, se pueden disponer anemometros a distintas alturas que permitan obtener una estimation en tiempo real del valor de a.
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A partir de ese valor de cortadura a, un sistema de control del aerogenerador calcula una consigna de angulo de paso de pala variable segun una funcion periodica que establece el angulo de paso de pala en funcion de su position acimutal 9 donde un periodo de la funcion se calcula a partir de la velocidad de giro del rotor y una fase <p de la funcion se calcula a 10 partir de la cortadura a; a continuation el sistema envia a los actuadores la consigna de pitch.
La funcion que establece la consigna de angulo de paso de cada pala sera de la siguiente forma, teniendo una componente comun para todas las consignas de pala (pmed) y una 15 componente definida por la funcion periodica:
Pi = Pmed + A x seno(91 + (p)
Pi = Pmed + A x seno(Q2 + (p) = Pmed + A x seno(91 + 120 + (p)
Pi = Pmed + A x seno(93 + (p) = pmed + A x seno(91 + 240 + <p)
Donde:
p1 es la consigna de angulo de paso de pala para la pala 1
Pmed es la componente del angulo de paso de pala que es comun a todas las palas e independiente de la posicion acimutal de cada pala.
20 A es la amplitud de la funcion periodica
91 es el angulo de azimut de la pala 1 <p es la fase de la funcion periodica
De manera que la funcion periodica es unica para todas las palas (en el sentido de que de 25 los valores que la caracterizan: amplitud y fase son iguales) y difiere en cada instante para
cada pala debido a que la posicion de cada una de ellas esta desfasada 120°.
La componente del angulo de paso de pala que es comun a todas ellas e independiente de la posicion acimutal pmed es calculada por un regulador de velocidad de giro del 30 aerogenerador, tal y como se indica en la figura 1 y corresponde al angulo de pala requerido
para mantener la velocidad de giro w igual a la velocidad de giro de referencia Mref en estado estacionario.
En una realization, el al menos un valor predeterminado de la distribution de viento (i.e. el valor de cortadura a) en el area barrida por el rotor es diferente para diferentes sectores de direction de viento. En este caso, en la etapa de calibration de emplazamiento se caracteriza el valor de cortadura de manera que en la unidad de control del aerogenerador 5 se incorpora una tabla que relaciona el valor del exponente de cortadura a en funcion de la direccion, se calcula la direccion del viento a partir de la orientation de la maquina y de la senal de la veleta y para la direccion medida se obtiene el valor caracteristico de a a partir de los datos de calibracion del emplazamiento. En la figura 4 se puede observar una figura con diferentes sectores de viento en los que se tiene caracterizado el valor de la cortadura.
10 Ademas, en la figura 3 se muestra una tabla en la que se indica el valor de cortadura a para diferentes sectores de viento, ademas de la amplitud de la funcion de dicho valor de cortadura.
En dicha figura se ven 4 sectores de orientacion de la maquina para los que la cortadura 15 esta caracterizada y varia. Segun dicha realizacion, se obtiene la direccion de viento a partir de las medidas de los sensores correspondientes, se compara la direccion de viento con los sectores de orientacion, y se toma el valor de cortadura del sector de orientacion dentro del cual esta incluida la direccion de viento. En zonas intermedias entre dichos sectores se emplean valores interpolados entre los valores de cortadura correspondientes. A partir de 20 dicha cortadura a se obtiene la fase <p y la amplitud de la funcion A de la funcion periodica.
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Asi, el metodo de control del aerogenerador comprende llevar a cabo las siguientes tareas:
• Obtener un valor caracteristico de a tal y como se ha indicado anteriormente;
• Comparar el valor de una senal indicativa del nivel de production con un valor umbral de produccion. Se pueden emplear como senales indicativas del nivel de produccion la velocidad de viento Vv o la potencia generada P, de manera que los valores umbrales de produccion respectivos son un valor umbral de velocidad de viento Urated y un valor umbral de produccion igual al valor de de potencia nominal PNOM. Los valores umbrales de produccion se pueden ver en la figura 5.
• Establecer un valor para la fase de la funcion periodica en funcion del resultado de la comparacion entre el valor de la senal indicativa del nivel de produccion con el valor umbral de produccion.
• Establecer un valor de la amplitud A dependiente del valor caracteristico de a.
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En la tabla mostrada en la figura 4 se especifica ademas la fase <p correspondiente de la funcion periodica cuando el upflow es 0° para una cortadura vertical mayor que 0, dependiendo de la comparacion del valor indicativo del nivel de production (en este caso la potencia generada P) con el valor umbral de produccion (en este caso el valor correspondiente a la potencia nominal PNOM). Se puede ver como dicha fase <p, cuando la potencia esta por debajo de la potencia nominal (i.e. zonas de produccion parcial, la fase ^ es 270° lo que equivale a decir que el valor mmimo del angulo de paso de pala en una vuelta (con el angulo medio constante en dicha vuelta) se produce cuando la pala esta en vertical y hacia arriba. Esto permite lograr una mayor produccion a cargas parciales sin necesidad de otros sensores que los habitualmente empleados. Sin embargo, en niveles de produccion nominal (i.e. P>=PNOM) la fase es 90°, lo que equivale a decir que el valor maximo del angulo de paso de pala en una vuelta (con el angulo medio constante en dicha vuelta) se produce cuando la pala esta en vertical y hacia arriba.
La amplitud de la funcion periodica se calcula en base al valor del exponente de cortadura a. Este valor tambien puede ser dependiente de la velocidad de viento incidente tal y como se puede ver en la figura 6. En dicha figura se representa la amplitud de la funcion periodica A en funcion de la velocidad del viento para diferentes valores de cortadura. Se ve asimismo, como dicha amplitud sigue una funcion monotona decreciente en la zona de produccion parcial (por debajo de Urated). De igual manera, a mayor valor de cortadura a el valor de la amplitud A para un mismo valor de velocidad de viento.
En una realization preferente, se toma exclusivamente el valor de cortadura como valor indicativo de la distribution de velocidad de viento, pues es un parametro facilmente caracterizable en el estudio de emplazamiento y de evolution temporal lenta.
Siendo asi, la velocidad de viento maxima incidente sobre una pala se produce cuando esta esta en vertical y hacia arriba (figura 8). En este caso, la fase de la funcion periodica cuando la potencia esta por debajo de la potencia nominal es tal que la funcion periodica alcanza su valor mmimo cuando la pala esta en una position sustancialmente vertical con su punta hacia arriba tal y como se muestra en la figura 8a. Sin embargo, cuando la potencia esta por encima de la potencia nominal, la funcion periodica alcanza su valor maximo cuando la pala esta en una posicion sustancialmente vertical con su punta hacia arriba tal y como se muestra en la figura 8b, coincidente igualmente con la posicion en la que la pala esta en vertical hacia arriba.
Asimismo, el valor medio de la funcion se calcula en funcion de la velocidad de viento incidente (o de la potencia generada). Este valor tambien puede ser dependiente del cortadura a.
El sistema de control aqu planteado permite aumentar la energia capturada por debajo de velocidad de viento nominal con respecto a los sistemas de control del estado de la tecnica basados pitch colectivo.
10 Esta estrategia de control tambien lleva asociado un aumento de las cargas de fatiga que sufre el aerogenerador.
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Para compensar este aumento de cargas por debajo de velocidad de viento nominal, cuando la velocidad de viento esta por encima de la nominal y hay mas energia disponible de la que puede generar la maquina, el sistema de control desfasa 180° la funcion periodica, de modo que su valor maximo coincide con la posicion en que la pala experimenta mas viento. De este modo, se consigue reducir las cargas de fatiga por encima de PNOM. En este caso, las tareas que ejecuta el metodo de control son:
• Evalua si la velocidad de viento es mayor que un valor de umbral de velocidad de viento Urated, o si la potencia potencia electrica generada P es mayor que un valor de potencia nominal PNOM.
• Obtiene el valor caracteristico de a.
• A partir de ese valor de cortadura a, el sistema de control calcula una consigna de angulo de paso de pala variable segun una funcion periodica que establece el angulo de paso de pala en funcion de su posicion acimutal donde:
• El periodo se calcula a partir de la velocidad de giro del rotor;
• La fase <p se calcula a partir del cortadura a, y es tal que la funcion alcanza su valor maximo en la posicion acimutal en que la pala experimenta una mayor velocidad de viento,
• Y envia a los actuadores la consigna de pitch.
De manera similar a cuando se esta por debajo de Urated, en este caso (por encima de Urated): La amplitud de la funcion periodica se calcula en base al valor del exponente de cortadura a.
Este valor tambien puede ser dependiente de la velocidad de viento incidente.
En el caso de cortadura vertical, la fase depende del signo de a que da el sentido de la cortadura. De manera que, con a positivo, la fase de la funcion periodica es tal que alcanza 5 su valor maximo cuando el angulo de azimut es 0=0, es decir, cuando la pala esta en posicion vertical y con su punta hacia arriba como en la figuras 3a y 3b. En este caso el valor de la fase es <p = 270°.
El valor medio de la funcion se calcula en funcion de la velocidad de viento incidente (o de la 10 potencia generada). Este valor tambien puede ser dependiente del valor de cortadura a.
Tal y como se desprende de observar las figuras 7a y 7b, en el caso en el que se determina que hay una cortadura positiva y la potencia esta por debajo de la potencia nominal PNOM el valor de fase es 270° por lo que el mmimo de la funcion periodica se da para 0 igual a 0°, es 15 decir, la pala en vertical segun la figura 6b.
En el caso de la figura 7b donde se observa la consigna de pala en una vuelta para el caso en el que la potencia es mayor que la potencia nominal, con lo que la fase es 90° y por tanto el valor maximo de paso de pala es cuando la pala se encuentra en una posicion vertical con 20 su punta apuntando hacia arriba, es decir en una posicion acimutal 0 igual a 0°.

Claims (17)

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    R E I V IN D I C A C I O N E S
    1. Metodo de control de un aerogenerador que comprende:
    • un rotor con una pluralidad de palas, las cuales comprenden a su vez respectivos actuadores configurados para variar un angulo de paso de cada pala,
    • y una unidad de control,
    estando el metodo caracterizado porque comprende:
    • obtener al menos un valor indicativo de la distribution de viento en un area barrida por el rotor y,
    • determinar una position acimutal para cada pala,
    • calcular para cada pala una consigna de angulo de paso de pala variable segun una funcion periodica que establece un angulo de paso de pala en funcion de la posicion acimutal de la pala, donde la funcion periodica tiene un periodo sustancialmente igual al de rotation del rotor y una fase dependiente de al menos un valor indicativo de la distribucion de viento en el area barrida por el rotor, y
    • hacer llegar a los actuadores la consigna de angulo paso de pala.
  2. 2. Metodo de control de un aerogenerador segun reivindicacion 1 caracterizado porque el al menos un valor indicativo de la distribucion de viento en un area barrida por el rotor comprende al menos un valor relacionado con al menos una variable de entre el grupo consistente en: cortadura, direction de viento, inclination de flujo del viento y velocidad de viento.
  3. 3. Metodo de control de un aerogenerador segun la reivindicacion 1 caracterizado porque comprende determinar, a partir del al menos un valor indicativo de la distribucion de viento en el area barrida por el rotor, una posicion acimutal en la cual un valor de velocidad de viento es maximo.
  4. 4. Metodo de control de un aerogenerador segun la reivindicacion 3, caracterizado porque comprende comparar una senal indicativa del nivel de production con un valor umbral de production y porque cuando la senal indicativa del nivel de produccion es menor que el valor umbral de produccion la fase de la funcion periodica es tal que la funcion tiene un valor mmimo en la posicion acimutal en la cual el valor de velocidad de viento es maximo.
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    35
  5. 5. Metodo de control de un aerogenerador segun la reivindicacion 3, caracterizado porque comprende comparar una senal indicativa del nivel de production con un valor umbral de production y porque cuando la senal indicativa del nivel de produccion es mayor o igual que el valor umbral de produccion la fase de la funcion periodica es tal que la funcion tiene un valor maximo en la position acimutal en la cual el valor de velocidad de viento es maximo.
  6. 6. Metodo de control de un aerogenerador segun la reivindicacion 4 o 5 caracterizado porque la senal indicativa del nivel de produccion es la potencia electrica generada P y el valor umbral de produccion es un valor umbral de produccion igual a la potencia nominal
    Pnom.
  7. 7. Metodo de control de un aerogenerador segun la reivindicacion 4 o 5 caracterizado porque el valor umbral de produccion es menor que el 80% del valor de potencia nominal
    Pnom.
  8. 8. Metodo de control de un aerogenerador segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado porque la fase de la funcion periodica tiene un valor predeterminado.
  9. 9. Metodo de control de un aerogenerador segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado porque la fase de la funcion periodica se calcula en funcion de el al menos un valor indicativo de la distribution de viento en el area barrida por el rotor.
  10. 10. Metodo de control de un aerogenerador segun la reivindicacion 8 caracterizado porque el valor predeterminado de la fase de la funcion periodica es tal que la funcion periodica alcanza su valor mmimo cuando la pala esta en una posicion sustancialmente vertical con su punta hacia arriba.
  11. 11. Metodo de control de un aerogenerador segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a
    10 caracterizado porque el al menos un valor indicativo de la distribucion de viento en el area barrida por el rotor se obtiene a partir de la medida de al menos un sensor.
  12. 12. Metodo de control de un aerogenerador segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a
    11 caracterizado porque el al menos un valor indicativo de la distribucion de viento en el area barrida por el rotor es un valor predeterminado.
  13. 13. Metodo de control de un aerogenerador segun la reivindicacion 12 caracterizado porque el al menos un valor de la distribution de viento en el area barrida por el rotor es diferente para diferentes sectores de direction de viento.
    5 14. Metodo de control de un aerogenerador segun la reivindicacion 12 o 13 caracterizado
    porque al menos un valor la distribucion de viento en el area barrida por el rotor es un valor caracteristico del emplazamiento.
  14. 15. Metodo de control de un aerogenerador segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a
    10 14 caracterizado porque la funcion periodica tiene una amplitud dependiente del valor
    indicativo de la distribucion de viento en el area barrida por el rotor.
  15. 16. Metodo de control de un aerogenerador segun la reivindicacion 15 caracterizado porque la amplitud de la funcion periodica es dependiente de la velocidad del viento y monotona
    15 decreciente.
  16. 17. Metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16 caracterizado porque el valor indicativo de la distribucion de viento en el area barrida por el rotor es un valor estimado a partir de valores historicos y en funcion de al menos uno de los siguientes:
    20 direccion, velocidad e intensidad de turbulencia de viento, temperatura, epoca del ano y hora del dia.
  17. 18. Sistema de control de un aerogenerador que comprende:
    • un rotor con una pluralidad de palas, las cuales comprenden a su vez respectivos
    25 actuadores adaptados para variar un angulo de paso de cada pala,
    • y una unidad de control,
    caracterizado porque la unidad de control se encuentra configurada para ejecutar el metodo de control descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17.
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