ES2553168T5 - Turbina eólica con control de paso - Google Patents

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Description

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DESCRIPCION
Turbina eolica con control de paso
La presente invencion se refiere a una turbina eolica con control de paso, que esta dispuesta para reducir cargas que acortan la vida sobre componentes de la turbina eolica.
Antecedentes
La salida de potencia de una turbina eolica moderna puede controlarse por medio de un sistema de control para regular el angulo de paso de las palas de rotor. La velocidad de rotacion del rotor y la salida de potencia de la turbina eolica pueden de ese modo controlarse inicialmente, por ejemplo, antes de una transferencia a una red de distribucion de energfa electrica a traves de medios de conversion de energfa. Una ventaja de este control es una proteccion del rotor frente a que rote a una velocidad excesiva a altas velocidades de viento y se impidan cargas excesivas en las palas de rotor.
Especialmente para grandes diametros de rotor, la distribucion del perfil de flujo de entrada de viento puede ser no uniforme por el area del rotor, dando como resultado una carga no uniforme en cada pala de rotor en funcion de una rotacion completa, asf como cargas asimetricas fuera del plano para el conjunto de transmision de la turbina eolica. La carga asimetrica debida al viento en el plano del rotor da como resultado que el rotor se cargue con un momento de inclinacion y un momento de guinada variables. Para una situacion de flujo de entrada de viento libre, la distribucion de cortadura es aproximadamente lineal y dicha carga en funcion de la rotacion es de comportamiento casi sinusoidal con una frecuencia igual a la frecuencia de rotacion del rotor. Para mantener una carga mas constante sobre las palas de rotor, se han aplicado funciones de control de paso a controladores de paso de turbina eolica, en las que se ha anadido una correccion dclica de rotor con una frecuencia igual a la rotacion del rotor al ajuste de angulo de paso global de las palas de rotor individuales.
Cualquier obstaculo dentro de una determinada distancia a barlovento de una turbina eolica crea una estela para la turbina eolica y, en consecuencia, elimina la situacion de flujo de entrada de viento libre. Un ejemplo de un obstaculo pueden ser otras turbinas eolicas, ya que una turbina eolica siempre produce una estela en el sentido a sotavento.
Se sabe en el area tecnica de las turbinas eolicas como proporcionar medios para el control de paso para las palas del rotor, es decir medios para hacer rotar cada una de las palas alrededor del eje longitudinal hasta una posicion angular predeterminada para obtener un angulo de paso de la pala que puede diferir del angulo de paso de la otra pala o palas del rotor de la turbina eolica, con el proposito de reducir las cargas extremas asf como las variaciones de carga que provocan fatiga en las palas, en particular en la rafz de las palas, y en otras partes del rotor y la transmision. El control de paso puede ser independiente para cada pala de modo que no exista dependencia entre los angulos de paso de las palas individuales, o el control de paso puede ser del tipo dclico, es decir que el angulo de paso instantaneo de una pala de rotor depende de una funcion del angulo azimutal instantaneo de la pala de rotor, siendo la funcion al menos sustancialmente igual para todas las palas del rotor, mediante lo cual todas las palas pasan sustancialmente por la misma secuencia de angulo de paso durante una rotacion completa dependiendo del angulo azimutal de la pala individual.
Caselitz et al, “Reduction of fatigue loads on wind energy converters by advanced control methods”, European Wind Energy Conference, octubre de 1997, Dublin Castle, Irlanda, da a conocer un metodo que reduce las cargas de fatiga analizando la carga asimetrica sobre el rotor para determinar los momentos de inclinacion y guinada inducidos de manera aerodinamica y compensar estos mediante el paso de las palas de rotor para reducir las cargas variables sobre las palas y otras partes de la turbina eolica, en particular las variaciones de momento de flexion en el sentido del flap, es decir el momento que flexiona las palas fuera del plano del disco de rotor, sobre las palas que provocan fatiga.
E. A. Bossanyi “Individual Blade Pitch Control for Load Reduction”, Wind Energy 2003, vol. 6, comenta el uso de control de paso de palas individuales para reducir las cargas aerodinamicas asimetricas debidas a variaciones de la velocidad del viento a traves del disco de rotor debido a cortadura, sombra de la torre, desalineacion de guinada y turbulencia. Se analizan las variaciones de carga sobre las palas con un periodo de una revolucion de una pala y se ajusta el paso de la pala individual para compensar las cargas asimetricas, reduciendo por tanto las variaciones de carga que inducen fatiga.
Bossanyi et al. “Further Load Reductions with Individual Pitch Control”, Wind Energy 2005, vol. 8, n.° 4 da a conocer una adicion al control de paso individual, que puede reducir los picos de carga a la frecuencia de pasada de pala (3P) sobre los componentes fijos de la gondola y la torre que se producen por el paso dclico de las palas de rotor y reduciendo de ese modo la carga de fatiga sobre la estructura. La componente 3P se controla mediante un filtro en adelanto que genera una contribucion adicional a la demanda de paso individual.
Larsen et al. “Active load reduction using individual pitch, based on local blade flow measurements”, Wind Energy 2005, vol. 8 n.° 1 se refiere a estrategias de control para reducir las cargas de fatiga del rotor de turbinas eolicas de paso de pala individual. En el artfculo se comenta la conocida regulacion de paso dclico basandose en mediciones de carga asf como un nuevo metodo para la regulacion de paso individual basandose en mediciones del angulo de
flujo de entrada local y la velocidad relativa en cada una de las palas y el ajuste de los angulos de paso en consecuencia.
En el documento US 4.297.076 se da a conocer una turbina eolica en la que las partes de punta de las palas son de paso variable y se vanan dclicamente en cuanto al paso para controlar la guinada del rotor y para aliviar los 5 momentos de flexion sobre las palas y se vanan colectivamente en cuanto al paso para aliviar los momentos de flexion sobre las palas y maximizar la salida de potencia de la turbina a una velocidad de rotor constante seleccionada.
En el documento EP 0 995 904 se da a conocer una turbina eolica que tiene palas con angulos de ataque ajustables y un transductor que proporciona un parametro de medicion que facilita una medida de la carga actual sobre un 10 elemento de la estructura de la turbina eolica. El angulo de pala se ajusta dependiendo del parametro de medicion, que representa una aceleracion o deformacion del elemento estructural y facilita una medida de una fuerza o par motor. Las palas de rotor pueden ajustarse individualmente y el ajuste se realiza para reducir las fuerzas de impacto sobre el cojinete de la turbina eolica y para reducir las variaciones en las cargas de modo que se elimine la fatiga de los elementos de la turbina eolica. En el documento WO 2004/074681 se da a conocer un metodo similar para 15 controlar la carga aerodinamica de una turbina eolica.
El tamano de los rotores de turbina eolica y de ese modo la produccion procedente de las turbinas eolicas esta en constante aumento, lo que tambien induce como efecto secundario una carga creciente sobre todas las partes de la turbina eolica, en particular el conjunto de transmision, incluyendo las palas, el generador, los cojinetes, una posible caja multiplicadora, etc. dando como resultado a menudo una corta vida util para los componentes implicados a 20 menos que se tome una accion para reducir las cargas que provocan el acortamiento de la vida util. Las cargas aerodinamicas sobre las partes de la turbina eolica pueden controlarse al menos en cierta medida mediante un control de paso, y es un objeto de la presente invencion proporcionar un control mejorado de las cargas sobre la parte de la turbina eolica que reducen su vida util por medio del accionamiento sobre el control de paso.
Breve descripcion de la presente invencion
25 Se ha advertido con la presente invencion que la vida util de funcionamiento del cojinete principal de una turbina eolica puede ampliarse aliviando el cojinete principal, es decir el cojinete que soporta el rotor de la turbina eolica de manera rotacional con respecto a la gondola, reduciendo el momento de flexion medio sobre el cojinete por medio del control de paso individual de las palas del rotor de modo que se cree un momento de inclinacion medio sobre el rotor por medio de fuerzas aerodinamicas sobre las palas, contrarrestando el momento de inclinacion, al menos 30 parcialmente, el momento de flexion provocado por las fuerzas de carga superiores sobre el cojinete principal debidas al peso del rotor.
Por tanto, la presente invencion se refiere a una turbina eolica, segun la reivindicacion 1, que comprende un rotor que tiene un buje y al menos dos palas,
medios de cojinete principal que proporcionan un soporte rotacional del rotor sobre una parte no rotatoria de la 35 turbina eolica,
medios de cambio de paso de pala para el ajuste individual del angulo de cada una de las palas alrededor de sus ejes longitudinales,
medios de control para controlar el funcionamiento de los medios de cambio de paso de pala,
en la que los medios de control estan adaptados para accionar los medios de cambio de paso de pala durante el 40 funcionamiento habitual de la turbina eolica para realizar un ajuste del angulo de cada una de las palas de modo que el momento de inclinacion medio aerodinamico sobre el rotor contrarresta el momento de flexion sobre los cojinetes principales provocado por las fuerzas de carga superiores debidas a la atraccion gravitatoria sobre la masa del rotor.
El momento de flexion provocado por las fuerzas de carga superiores se toma tal como se miden cuando el rotor esta en parada o inmovil durante una baja velocidad del viento.
45 El momento de inclinacion medio sobre el rotor debido a las fuerzas aerodinamicas sobre las palas del rotor es, durante el funcionamiento habitual de la turbina eolica, preferiblemente de una magnitud que contrarresta al menos el 20% del momento de flexion sobre los cojinetes principales provocado por las fuerzas de carga superiores debidas a la atraccion gravitatoria sobre la masa del rotor, mas preferido de al menos el 30% y lo mas preferido de al menos el 50% del mismo.
50 Mediante el termino funcionamiento habitual de la turbina eolica se entiende al menos el funcionamiento a velocidades de viento en las que la turbina eolica produce su salida de potencia nominal, normalmente desde una velocidad de viento en el intervalo de 10-15 m/s y hasta la velocidad de viento de desconexion, en la que el funcionamiento de la turbina eolica se detiene por motivos de seguridad, normalmente a aproximadamente 25 m/s. Se prefiere que se incluya el al menos el intervalo de velocidades de viento promedio de entre 12 m/s y 18 m/s. Sin
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embargo, en una realizacion preferida de la invencion, se proporciona el momento de inclinacion de contrarresto a velocidades de viento de conexion, normalmente de aproximadamente 4 m/s o solo a velocidades de viento ligeramente superiores, tales como de desde 8 m/s.
Los medios de control estan dispuestos para realizar un ajuste del angulo de paso de la pala individual y preferiblemente tambien un ajuste general del angulo de paso de las palas para ajustar la produccion de energfa electrica de la turbina eolica tambien. El angulo de paso de la pala individual puede ajustarse para aumentar la produccion de energfa electrica de la turbina eolica en condiciones operacionales de bajas velocidades del viento, para disminuir las cargas de fatiga etc. en combinacion con la provision del momento de inclinacion medio de contrarresto.
El ajuste individual del angulo de paso de las palas es preferiblemente del tipo dclico, en el que el angulo de paso de la pala individual depende de una funcion determinada del angulo azimutal instantaneo de esa pala, siendo la funcion determinada al menos sustancialmente igual para todas las palas del rotor. Sin embargo, la presente invencion tambien puede aplicarse a turbinas eolicas en las que el control de paso es independiente para cada pala de modo que no existe dependencia entre los angulos de paso de las palas individuales.
La turbina eolica puede comprender ademas preferiblemente medios de medicion dispuestos para detectar datos de carga del rotor, siendo los datos de carga una medida de una carga mecanica instantanea sobre el rotor, y proporcionar una salida, en consecuencia, de dichos datos de carga a los medios de control,
en la que los medios de control estan dispuestos ademas para accionar los medios de cambio de paso de pala para realizar un ajuste del angulo de cada una de las palas en respuesta a la salida de datos de carga de los medios de medicion. Los datos de carga pueden aplicarse para controlar el angulo de paso de las palas para maximizar la salida de potencia de la turbina eolica, para minimizar las variaciones de carga y de ese modo las cargas de fatiga sobre partes de la turbina eolica, en particular de las palas, para contrarrestar oscilaciones de partes de la turbina eolica o una combinacion de lo mencionado anteriormente.
Segun una realizacion, los medios de medicion estan dispuestos para proporcionar una medida de los momentos de flexion de rafz de pala, en particular para al menos una pala del rotor, y preferiblemente sobre mas de una pala, por ejemplo, dos o tres palas de la turbina eolica. Tambien se prefiere que los momentos de flexion de rafz se midan en dos direcciones sustancialmente perpendiculares.
Alternativa o adicionalmente a la medicion de momentos de flexion de rafz de pala, por ejemplo por medio de galgas extensiometricas, la turbina eolica puede incluir medios de medicion dispuestos para proporcionar una medida del angulo de ataque para las palas, tales como aberturas en las superficies de pala para la medicion de la presion estatica en diversas posiciones a lo largo del perfil aerodinamico de una seccion transversal de la pala para determinar la posicion de la mayor presion estatica y de ese modo el angulo de ataque en esa seccion transversal particular. Las aberturas pueden estar previstas en una o mas secciones transversales de la pala o palas. Conociendo el angulo de ataque experimentado y la velocidad de rotacion de la pala, puede deducirse la velocidad del viento local y de ese modo pueden calcularse las cargas sobre la pala en esa posicion particular.
Como alternativa adicional, que puede combinarse con lo mencionado anteriormente, los medios de medicion pueden estar dispuestos para proporcionar una medida de las fuerzas de carga sobre un arbol principal de turbina eolica, tal como un arbol de baja o alta velocidad, preferiblemente medidas en dos direcciones sustancialmente perpendiculares.
Los medios de control pueden comprender ademas medios de recopilacion y almacenamiento de datos para recopilar y almacenar repetidamente dichos datos de carga del rotor, y medios de tratamiento de datos para tratar dichos datos de carga del rotor de la turbina eolica recopilados y determinar una funcion de distribucion de carga para el rotor a partir de dichos datos de carga, en la que los medios de control estan dispuestos para accionar los medios de cambio de paso de pala en respuesta a la funcion de distribucion de carga determinada.
La presente invencion se refiere ademas a un metodo, segun la reivindicacion 9, de reduccion del momento de flexion medio sobre el cojinete principal de una turbina eolica, estando el rotor soportado de manera rotacional por dicho cojinete principal, comprendiendo el metodo las etapas de accionar medios de cambio de paso de pala de la turbina eolica para el cambio de paso individual de las palas de rotor de la turbina eolica en respuesta a un valor predeterminado de un momento de inclinacion medio aerodinamico de contrarresto (Mt,c), de modo que el momento de inclinacion medio aerodinamico sobre el rotor contrarresta el momento de flexion sobre los cojinetes principales provocado por las fuerzas de carga superiores debidas a la atraccion gravitatoria sobre la masa del rotor que corresponden sustancialmente a dicho valor predeterminado.
Breve descripcion de las figuras
A continuacion se describira la invencion con referencia a las figuras en las que
la figura 1 ilustra una turbina eolica moderna grande que incluye tres palas de turbina eolica en el rotor de la turbina eolica,
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la figura 2 ilustra un sistema de referencia para medir el angulo azimutal y. El azimut y se define mediante la posicion de la pala 1,
la figura 3a ilustra esquematicamente un ejemplo para la direccion de mediciones de carga de pala de rotor de turbina eolica,
la figura 3b ilustra un sistema de referencia de coordenadas para medir las cargas sobre palas de rotor de turbina eolica,
la figura 4 ilustra esquematicamente una realizacion de un sistema de control para controlar los angulos de paso de las palas de turbina eolica,
la figura 5a ilustra las cargas de momento fuera del plano sobre las palas de rotor de una turbina eolica de 3 palas como resultado de una distribucion de cortadura lineal idealizada entre una posicion superior de pala de rotor (y = 0 [rad]) y una posicion hacia abajo (y = n [rad]) correspondiente a una situacion de flujo de entrada de viento libre,
la figura 5b ilustra las cargas de momento transformadas, mincl., mguinada, en funcion del azimut para una rotacion de rotor completa y como resultado de dicha distribucion de cortadura lineal con regulacion de paso comun de las palas de rotor,
la figura 6 ilustra el error de angulo de paso entre una funcion escalonada deseada y una regulacion de angulo de paso dclico de rotor,
la figura 7 ilustra esquematicamente la funcionalidad del sistema de paso adaptativo de la invencion en una turbina eolica con paso controlado,
la figura 8a ilustra las cargas de momento fuera del plano sobre las palas de rotor de una turbina eolica de 3 palas como resultado de una cortadura escalonada horizontal correspondiente a una situacion de flujo de entrada de media estela idealizada,
la figura 8b ilustra las cargas de momento transformadas, mincl., mguinada, en funcion del azimut para una rotacion de rotor completa y como resultado de dicha cortadura escalonada horizontal, y
la figura 9 ilustra la diferencia entre cargas de momento transformadas reales mind, mguinada y cargas de momento m ^ m 1^1
filtradas Inc y como resultado de una cortadura escalonada horizontal correspondiente a una situacion de
flujo de entrada de media estela idealizada.
Las figuras adjuntas se proporcionan para ilustrar una realizacion de la presente invencion y no pretenden limitar el alcance de proteccion tal como se define mediante las reivindicaciones.
Descripcion detallada
A continuacion se da a conocer un ejemplo de implementacion de la presente invencion para reducir el momento de flexion medio sobre el cojinete principal de una turbina eolica que tiene una disposicion de control de paso del tipo de paso cfclico que usa una simulacion de orden superior de las cargas sobre las palas para reducir la fatiga de las palas.
La figura 1 ilustra una turbina eolica moderna 1 con una torre 2 y una gondola de turbina eolica 3 situada encima de la torre.
El rotor de la turbina eolica, que comprende al menos una pala tal como tres palas de turbina eolica 5 segun se ilustra, esta conectado al buje 4 a traves de mecanismos de cambio de paso 16. Cada mecanismo de cambio de paso incluye un cojinete de pala y medios de actuacion de paso que permiten el cambio de paso de la pala en relacion con el viento. El cambio de paso de las palas se controla para cada pala del rotor mediante un controlador de paso que se acciona con un control de paso cfclico de orden superior tal como se explicara adicionalmente mas adelante.
Las palas 5 del rotor de la turbina eolica estan conectadas a la gondola a traves del arbol de baja velocidad 4 que se extiende fuera de la parte frontal de la gondola.
Tal como se ilustra en la figura, el viento por encima de un determinado nivel activara el rotor y permitira que rote en una direccion perpendicular al viento. El movimiento de rotacion se convierte en energfa electrica que habitualmente se suministra a la red de transmision tal como conoceran los expertos en el area.
La figura 2 ilustra como se mide el angulo azimutal y como el angulo entre una lmea vertical virtual a traves del centro del arbol de baja velocidad 4 y una lmea virtual definida por los dos puntos finales: a, el centro del arbol de baja velocidad 4a, y b, el punto de la punta de la pala de rotor 7. El angulo azimutal se mide para una pala de rotor de referencia, por ejemplo, la pala 1 en funcion del tiempo y la posicion.
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La figura 3a ilustra una pala de rotor 5 de una turbina eolica conectada a la gondola 3 a traves del arbol de baja velocidad 4 que se extiende fuera de la parte frontal de la gondola.
La pala de rotor esta cargada por una fuerza del viento Fcarga(t) dependiente de, por ejemplo, la direccion del viento con relacion a la pala de rotor, el area de la pala de rotor, el paso de la pala de rotor, etc. Dicha fuerza del viento que literalmente trata de separar la gondola de la torre o la cimentacion produce un momento de flexion de carga mx en el arbol de baja velocidad 4 y en la rafz de pala del rotor 10 alrededor de su lmea central 8.
La figura 3b ilustra un diagrama formalizado de las fuerzas in situ que actuan sobre una pala de rotor, ilustra el punto central del arbol de baja velocidad 4a, la lmea central horizontal del arbol de baja velocidad 8a, la lmea central vertical de la pala de rotor a traves del punto central del arbol de baja velocidad 4, una fuerza del viento resumida Fcarga(t) y la direccion del momento de flexion de carga (o momento fuera del plano) mx del numero de pala x.
La figura 4 ilustra esquematicamente una realizacion preferida de un sistema de control para controlar los angulos de paso de las palas de turbina eolica.
Se miden datos de la turbina eolica 1 con medios de sensor 11 tales como sensores de posicion de paso, sensores de carga sobre pala, sensores de azimut etc. Los datos de sensor medidos se suministran a medios de computacion 12 para convertir los datos en una senal de retroalimentacion. La senal de retroalimentacion se usa en el sistema de control de paso 13 para controlar el angulo de paso estableciendo valores de control para controlar dicha al menos una pala de turbina eolica 5.
Los medios de computacion 12 incluyen preferiblemente un microprocesador y medios de almacenamiento informaticos para el control continuo de dicha senal de retroalimentacion.
Mediante la medicion de manera continua de los valores de los momentos de carga presentes sobre las palas de rotor, el calculo de una funcion de ajuste de angulo de paso optimo deseada para las palas dependiente de la posicion del angulo azimutal instantaneo de la pala de modo que disminuyan las cargas de fatiga sobre las palas y la alimentacion de esta informacion al sistema de control de paso en un lazo de retroalimentacion cerrado, es posible optimizar los valores de control para (sustancialmente) controlar el rotor en los lfmites de diseno de la turbina eolica y especialmente los lfmites de diseno de las palas de turbina eolica. Mediante la combinacion de este lazo de retroalimentacion del tipo de paso dclico para reducir las cargas de fatiga variables sobre la turbina eolica y en particular sobre las palas con un lazo de control independiente para controlar el angulo de paso de las palas para producir un momento de inclinacion medio aerodinamico del rotor para contrarrestar el momento de flexion sobre los cojinetes de rotor segun la presente invencion, se obtiene un sistema de control que equilibra una reduccion de las cargas de fatiga y del momento de cojinete medio que acorta la vida sobre los cojinetes de rotor para aumentar la vida util global de los componentes de la turbina eolica.
Ahora se describe un ejemplo de la tecnica anterior para controlar cargas de momento fuera del plano sobre palas de turbina eolica de una turbina eolica.
Las cargas de rafz de pala Mr = [ith m2 m3]T sobre las palas de rotor de una turbina eolica de 3 palas se definen como resultado de una distribucion de cortadura lineal dada entre una posicion superior de pala de rotor (y = 0) y una posicion hacia abajo (y = n) correspondientes muy aproximadamente a una situacion de flujo de entrada de viento libre idealizada.
La figura 5a ilustra una imagen tfpica de dichos momentos para condiciones de flujo de entrada libre.
Transformando Mr en un sistema de coordenadas definido por las direcciones equivalentes de inclinacion, guinada y empuje, las cargas de momentos mincl., mguinada, msuma respectivas pasan a ser:
minC| = m, •cos('P) + m2 •cos^'F + y7ij + m3 -cos|y + j7t
mguinadF-^^W-mj56"
(
\
Y + -7I
3
-m3 -senl ¥ +
2 ^
■71
J
msuma=m.
+ m2 +m3
Para las cargas ilustradas en la figura 5a, dichas cargas de momento transformadas, mincl., mguinada, se ilustran en la figura 5b en funcion de una rotacion completa del rotor con regulacion de paso comun, es decir que el angulo de paso es igual para cada pala del rotor. Para este ejemplo idealizado de una tecnica anterior, mincl., mguinada son constantes.
El comportamiento proximo al sinusoidal de Mr tal como se ilustra en la figura 5a dara como resultado cargas de fatiga sobre las palas de rotor. Una tecnica para compensar parcialmente estas cargas variantes sobre las palas de
rotor puede ser, por tanto, controlar individualmente las palas de rotor durante una rotacion completa de una pala para nivelar la distribucion de fuerzas del viento, es dedr, se cambia menos el paso de una pala de rotor para situarla en contra del viento en la parte superior que en la parte inferior del movimiento de rotacion realizado por el rotor que incluye las palas.
5 Debido a esta relacion estrecha entre Mr y el control deseado del angulo de paso, la senal de control de paso deseada es tambien una funcion del angulo azimutal, es decir, una funcion sinusoidal en una frecuencia igual a la frecuencia de rotacion del rotor. Esta tecnica se denomina paso ciclico o ciclico de rotor de primer orden de las palas de turbina eolica, es decir, un cambio dclico del angulo de paso durante una rotacion completa de una pala y dependiendo de una funcion sinusoidal en una frecuencia igual a la frecuencia de rotacion del rotor.
10 Cuando la pala de rotor entra en una estela, esta expuesta a una fuerza cortante de tipo escalonado. Esto se ha confirmado mediante mediciones reales en turbinas eolicas. Todavfa para mantener una carga constante sobre las palas de rotor en esta condicion, puede aplicarse dicho control de paso ciclico de rotor dando como resultado una optimizacion basica de la carga. Pero como la carga afectada es de comportamiento de tipo escalonado y dicho control de paso ciclico de rotor es de comportamiento sinusoidal, siempre se producira una carga alternante no 15 despreciable sobre las palas de rotor.
Esto se ilustra en la figura 6 para dicha situacion de media estela idealizada. La curva 14 ilustra un cambio abrupto deseado en el control de angulo de paso y la curva 15 ilustra un control de angulo de paso corrector real aplicado por dicha tecnica de paso ciclico de rotor. Debido a la diferencia entre las dos curvas, se introduce un error de angulo 16 que todavfa da como resultado la posibilidad de un aumento de las cargas de fatiga sobre las palas de 20 rotor.
Ahora se describe un ejemplo de la presente invencion para controlar cargas de momento fuera del plano sobre palas de turbina eolica de una turbina eolica.
La figura 7 ilustra para la presente invencion una realizacion preferida de dicho sistema de control para controlar los angulos de paso de las palas de turbina eolica.
25 Las cargas de momento Mr = [mi m2 m3]T sobre las palas de rotor y el angulo azimutal y se miden mediante los medios de sensor y se alimentan a los medios informaticos. Mr se transforma en un sistema de coordenadas definido por la direccion equivalente de inclinacion, guinada y empuje Mf = [mincl. mguinada msuma]T = T ■ Mr
donde:
imagen1
30 La relacion inversa viene dada por: Mr = T-1 ■ Mf
uW
Mf son datos tratados mediante un filtro (H) para iv1f , que deriva y trata una pluralidad de funciones armonicas sobre diferentes numeros enteros multiplos de la frecuencia del rotor (onom) para adaptar el sistema de control del angulo de paso para reducir las fluctuaciones sobre los datos de carga medidos de tal manera que la variacion de las cargas sobre las palas de rotor se reducen para reducir las cargas de fatiga sobre las palas.
35 Alternativamente, solo se deriva una funcion armonica de la frecuencia del rotor (onom) mediante el tratamiento de datos, dando como resultado un sistema de control mas sencillo, el sistema de control de paso dclico de rotor mencionado anteriormente, que tambien podna aplicarse con la presente invencion.
Una realizacion preferida de dicho filtro de tratamiento de datos (H) es un estimador de mmimos cuadrados recursivos (RLS) con olvido exponencial. Esta es una tecnica de optimizacion matematica que intenta hallar un 40 ajuste optimo para un conjunto de datos intentando minimizar la suma de los cuadrados de la desviacion entre un conjunto de datos observados y un conjunto de datos esperados.
El algoritmo de tratamiento RLS se basa en algunos operadores clave y puede implementarse en una rutina informatica tras el siguiente algoritmo:
Rutina:
5
10
15
20
25
30
35
<P(t) = [l cos((0nomt) sen(conomt) cos(2conomt) sen(2(onomt) cos(3fflnomt) sen(3conomt)
cos(4tonom t) sen(4tonomt)]T
0 = [ao ai bi a2 b2 a3 b3 a4 b4]T R = matriz de 9x9 inicializada con elementos cero G = vector de 9x1 inicializado con elementos cero |i = 1/k0
for p = 1..N
(p se expresa como numero escalonado de rutina, 1, 2, 3..)
t = pTs
for i=1..3 (iteracion sobre mincl., mguinada y msuma)
G (i) = (1 - p) G (i) + p ^(t) Mf®
R (i) = (1 - p) R (i) + p ^(t) 9(t)T 0(0 = (R (D)-1 g (0
MF{h}(i) = 9(t)T 0(i)
end
end
En el ejemplo anterior de simulacion informatica: fflnom = la frecuencia de rotor dclica nominal
9 = el vector de analisis de armonicos (incluyendo en este caso componentes hasta el 4° armonico)
0 = las amplitudes de armonico
R = es una matriz de 9x9, inicializada con elementos cero G = es un vector de 9x1, inicializado con elementos cero Ts = el tiempo de escalon de simulacion p = un factor de olvido
ko = un numero entero positivo que define el factor de olvido
Cabe destacar que dicho filtro RLS es adaptativo, lo que produce que la salida del filtro cambie como una respuesta a un cambio en la entrada.
Una version aplicada practica del tratamiento de datos comprende medios de computacion para la adquisicion digital de datos, analisis de armonicos, computacion con filtro RLS, almacenamiento de datos y conversion D/A, de manera continua o durante un periodo de tiempo predeterminado.
Debido a retardos temporales en los medios de sensor, en los medios informaticos y en el sistema de control de paso, la serial de control de angulo de paso correctora se desfasa en el tiempo en relacion con las cargas sobre las
palas medidas Mr. Para corregir esto, FS se desfasa en el tiempo de manera equivalente para la sincronizacion,
. . Mlh* r: desfase temporal (M jj1 ^)
es decir FS v F /
Un desfase temporal general de una suma de senales armonicas puede realizarse tal como sigue:
ii
s(t) = ^aicos((Dj t)+ bjSer^cO; t)
i=l
5
10
15
20
25
asi
s(t + x) = 5ZP<i,TC(i>(t)Q(i>(x) ,(1x2) X (2x2) x (2xl) = (lxl)
i=l
donde:
P1'1 =[a, bj1
imagen2
Q{> (x) = [cos((Djx) sen (cDjx)]T
M
M
La serial filtrada y desfasada en el tiempo FS se transforma del sistema de referenda fijo de vuelta al sistema de
1VI {h> = T_1
sistema de referenda rotatorio mediante R Fs '
M(h} Bih} =GanandaM^
Se multiplica la serial R por una gananda para la conversion a radianes, es decir, aein K y se suma
a la serial de demanda de paso colectiva ^dem *
P
to
La figura 8a ilustra como ejemplo cargas de momento Mr = [mi m2 m3]T sobre las palas de rotor de una turbina eolica de 3 palas como resultado de una cortadura escalonada horizontal correspondiente a una situacion de flujo de entrada de media estela idealizada.
Transformando Mr en un sistema de coordenadas definido por la direccion equivalente de inclinacion, guinada y empuje, las respectivas cargas de momentos mincl., mguinada, msuma pasan a ser:
imagen3
msuma=mi +m2 +m3
mincl., mguinada, se ilustran en la figura 8b en funcion de una rotacion completa del rotor.
Las funciones periodicas como las funciones ilustradas en la figura 8b pueden resolverse como una suma infinita de senos y cosenos denominada una serie de Fourier y puede expresarse en este caso generalmente como:
imagen4
donde:
imagen5
imagen6
imagen7
parai = 0,1,2,3,...
La computacion de la serie de Fourier se conoce como analisis de armonicos.
Puede observarse a partir de la ecuacion de m(y) que la serie de Fourier consiste en una componente no alternante, componentes que alternan segun el parametro basico y y una pluralidad de funciones periodicas de diferentes
5
10
15
20
25
30
35
multiplos de numeros enteros de la frecuencia basica. Los coeficientes de Fourier ponderados ai, bi determinan la amplitud de cada frecuencia armonica en la senal original.
Dichos datos de estimador RLS tratan un numero truncado de funciones periodicas derivadas mediante el analisis de armonicos, por ejemplo, los cuatro primeros armonicos multiplos de la frecuencia de rotor basica. El proposito del estimador RLS es producir una senal de salida que se alimenta al sistema de control de paso para minimizar la energfa en la senal de carga Mr, es decir, minimizar las cargas fluctuantes sobre las palas de rotor.
Para este ejemplo idealizado, las senales de entrada 17, 19 que representan los momentos de las cargas mind , y
mihl, (i.)
m'nd. ,, mnl'fiaHa Ivlp
mguinada de Mf respectivamente se ilustran en la figura 9. Las senales de salida Inc y guinada^e - ~t se representan mediante 18, 20 respectivamente. Dicho filtro RLS ha tratado los cuatro primeros armonicos multiplos de la frecuencia basica.
La senal filtrada F se desfasa en el tiempo para dar una senal FS y se transforma del sistema de referenda
= T"1
fijo de vuelta al sistema de referenda rotatorio mediante R donde:
M
(M
FS
imagen8
Finalmente la senal filtrada
M{h^
se ajusta en ganancia para obtener una senal de control de angulo de paso
PM
dem
Para producir el momento de inclinacion medio de contrarresto Mt,c predeterminado de un tamano correspondiente a la parte del momento de flexion provocado por las fuerzas de carga superiores segun se miden cuando el rotor esta inactivo o inmovil durante una baja velocidad del viento que pretende que se contrarreste mediante las fuerzas aerodinamicas sobre el rotor, por ejemplo el 20-50% de las mismas, pero de manera teorica hasta el 100% del momento de flexion, se proporciona un circuito de control independiente. El momento de inclinacion medio de contrarresto Mt,c predeterminado se proporciona a una unidad de control C, donde se transforma del sistema de referenda fijo al sistema de referenda rotatorio mediante la funcion T'1 y la unidad de control determina la serial de
P
{«.c>
dem
control de angulo de paso que contiene el cambio de angulo de paso para cada angulo azimutal para las
palas de rotor para producir el momento de inclinacion medio de contrarresto Mt,c, es decir para aumentar generalmente la carga aerodinamica horizontal sobre la pala cuando esta en la mitad superior del plano del rotor y disminuir la carga aerodinamica horizontal sobre la pala cuando esta en la mitad inferior del plano del rotor.
o{t,c} Q{h}
Estas dos senales de control de angulo de paso “dem y r dem se anaden a una serial de control de angulo de paso
rW
global “dem definida por un controlador de velocidad de turbina eolica y la serial de control resumida Pdem se alimenta al controlador de paso que efectua las acciones deseadas.
En una realizacion alternativa, el momento de inclinacion medio de contrarresto Mt,c predeterminado se alimenta a los medios de computacion como valor de referencia que define un desplazamiento de momento de inclinacion que va a obtenerse por el sistema de control de paso, donde los medios de computacion originales funcionan con un valor de referencia de momento de inclinacion de cero. Por tanto, el momento de inclinacion medio de contrarresto Mt,c predeterminado puede alimentarse, por ejemplo, al modulo de ganancia donde se transforma del sistema de referencia fijo al sistema de referencia rotatorio mediante la funcion T'1 y se determina la serial de control de angulo
P
{h}
de paso para minimizar las desviaciones entre la funcion de carga real de las palas y la funcion de carga
deseada, lo que proporciona el momento de inclinacion medio de contrarresto Mt,c predeterminado del rotor asf como
5
10
15
20
25
30
35
un momento de guinada nulo, dando como resultado una disminucion de las cargas de fatiga sobre las palas asf como una disminucion del momento de inclinacion medio sobre los cojinetes principales, dando como resultado una prolongacion de la vida util de los cojinetes principales.
La invencion se ha ejemplificado anteriormente con referencia a ejemplos espedficos de una turbina eolica con un sistema de control para controlar las palas de turbina eolica mediante mecanismos de cambio de paso. Sin embargo, debe entenderse que la invencion no se limita a los ejemplos particulares descritos anteriormente sino que puede disenarse y alterarse en una multitud de variedades dentro del alcance de la invencion segun se especifica en las reivindicaciones, por ejemplo, usando otras formulas y/o datos de medicion como complemento.
Lista de referencias
En los dibujos, los siguientes numeros de referencia se refieren a:
1. Turbina eolica o sistema de turbina eolica
2. Torre de turbina eolica
3. Gondola de turbina eolica
4. Arbol de baja velocidad
4a. Punto central del arbol de baja velocidad
5. Pala de rotor de turbina eolica
6. Rotor de turbina eolica con al menos una pala
7. Punto de la punta de una pala de rotor de turbina eolica
8. Lmea central del arbol de baja velocidad
8a. Lmea central formalizada del arbol de baja velocidad
9. Lmea central vertical de la pala de rotor a traves del punto central del arbol de baja velocidad
10. Rafz de pala de rotor de turbina eolica'
11. Medios de sensor
12. Medios de computacion
13. Sistema de control de paso
14. Ejemplo de un angulo de paso escalonado deseado
15. Ejemplo de una correccion dclica de rotor real del angulo de paso
16. Error de angulo - correccion de angulo dclica de rotor
17. mincl. idealizado
18. mincl. filtrado
19. mguinada idealizado
20. mguinada filtrado
21. Error de angulo - correccion armonica de angulo
22. Ejemplo de una correccion armonica real del angulo de paso
y. Angulo azimutal para la pala de rotor 1 con relacion a una posicion de referencia vertical fija

Claims (10)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    5
    10
  2. 2.
    15
  3. 3.
    20
  4. 4.
    25
  5. 5.
    30 6.
  6. 7.
  7. 8.
    35
    40 9.
    45
    50 10.
    55 11.
    Turbina eolica (1) que comprende
    un rotor (6) que tiene un buje (4) y al menos dos palas (5), medios de cojinete principal que proporcionan un soporte rotacional del rotor en una parte no rotatoria (3) de la turbina eolica, medios de cambio de paso de pala (16) para el ajuste individual del angulo de cada una de las palas alrededor de sus ejes longitudinales, y medios de control (13) para controlar el funcionamiento de los medios de cambio de paso de pala,
    caracterizada por que los medios de control estan adaptados para accionar los medios de cambio de paso de pala durante el funcionamiento habitual de la turbina eolica para realizar un ajuste del angulo de cada una de las palas de modo que el momento de inclinacion medio aerodinamico (mincl.) sobre el rotor contrarresta el momento de flexion sobre los medios de cojinete principal provocado por las fuerzas de carga superiores debidas a la atraccion gravitatoria sobre la masa del rotor, y pueden medir el momento de flexion provocado por las fuerzas de carga superiores cuando el rotor esta en parada o inmovil durante una baja velocidad del viento.
    Turbina eolica segun la reivindicacion 1, en la que el momento de inclinacion medio sobre el rotor contrarresta al menos el 20 por ciento del momento de flexion sobre los medios de cojinete principal provocado por las fuerzas de carga superiores debidas a la atraccion gravitatoria sobre la masa del rotor, preferiblemente al menos el 30 por ciento y lo mas preferido al menos el 50 por ciento de dicho momento de flexion.
    Turbina eolica segun la reivindicacion 1 o 2, en la que el funcionamiento habitual de la turbina eolica incluye el funcionamiento de la turbina eolica a velocidades de viento promedio de entre 12 m/s y 18 m/s.
    Turbina eolica segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende ademas medios de medicion (11) adaptados para detectar datos de carga del rotor, siendo los datos de carga una medida de una carga mecanica instantanea sobre el rotor, y proporcionar una salida en consecuencia de dichos datos de carga a los medios de control, en la que los medios de control estan adaptados ademas para accionar los medios de cambio de paso de pala para realizar un ajuste del angulo de cada una de las palas en respuesta a la salida de datos de carga de los medios de medicion.
    Turbina eolica segun la reivindicacion 4, en la que los medios de control estan adaptados para determinar una funcion de paso dclico comun y accionar los medios de cambio de paso de pala segun dicha funcion de paso dclico comun dependiendo del angulo azimutal instantaneo de la pala individual.
    Turbina eolica segun cualquiera de las reivindicaciones 4 y 5, en la que dichos medios de medicion estan adaptados para proporcionar una medida de los momentos de flexion de rafz de pala.
    Turbina eolica segun cualquiera de las reivindicaciones 4-6, en la que dichos medios de medicion estan adaptados para proporcionar una medida del angulo de ataque para las palas.
    Turbina eolica segun cualquiera de las reivindicaciones 4-7, en la que los medios de control comprenden medios de recopilacion y almacenamiento de datos para recopilar y almacenar repetidamente dichos datos de carga del rotor, y medios de tratamiento de datos (12) para tratar dichos datos de carga recopilados del rotor de la turbina eolica y determinar una funcion de distribucion de carga para el rotor a partir de dichos datos de carga, en la que los medios de control estan adaptados para accionar los medios de cambio de paso de pala en respuesta a la funcion de distribucion de carga determinada.
    Metodo de reduccion del momento de flexion medio sobre los medios de cojinete principal de una turbina eolica, estando el rotor soportado de manera rotacional por dichos medios de cojinete principal, caracterizado por que el metodo comprende las etapas de accionar medios de cambio de paso de pala de la turbina eolica para el cambio de paso individual de las palas de rotor de la turbina eolica en respuesta a un valor predeterminado de un momento de inclinacion medio aerodinamico de contrarresto (Mt,c), de modo que el momento de inclinacion medio aerodinamico sobre el rotor contrarresta el momento de flexion sobre los medios de cojinete principal provocado por las fuerzas de carga superiores debidas a la atraccion gravitatoria sobre la masa del rotor que corresponden sustancialmente a dicho valor predeterminado, en el que el momento de flexion provocado por las fuerzas de carga superiores se toma tal como se miden cuando el rotor esta en parada o inmovil durante una baja velocidad del viento.
    Metodo segun la reivindicacion 9, en el que el momento de inclinacion medio predeterminado sobre el rotor corresponde a un contrarresto de al menos el 20 por ciento del momento de flexion sobre los medios de cojinete principal provocado por las fuerzas de carga superiores debidas a la atraccion gravitatoria sobre la masa del rotor, preferiblemente al menos el 30 por ciento y lo mas preferido al menos el 50 por ciento de dicho momento de flexion.
    Metodo segun la reivindicacion 9 o 10, en el que el funcionamiento habitual de la turbina eolica incluye el
    5
  8. 13.
  9. 14.
    10
  10. 15.
    funcionamiento de la turbina eolica a velocidades de viento promedio de entre 12 m/s y 18 m/s.
    Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 9-11, que comprende ademas las etapas de recopilar y almacenar repetidamente datos de carga del rotor, determinar una funcion de distribucion de carga para el rotor a partir de dichos datos almacenados, y
    accionar los medios de cambio de paso de pala de la turbina eolica para el cambio de paso individual de las palas de rotor de la turbina eolica en respuesta a la funcion de distribucion de carga determinada.
    Metodo segun la reivindicacion 12, en el que dichos datos de carga del rotor se obtienen por medio de medios de medicion dispuestos para proporcionar una medida de los momentos de flexion de rafz de pala.
    Metodo segun la reivindicacion 12 6 13, en el que dichos datos de carga del rotor se obtienen por medio de medios de medicion dispuestos para proporcionar una medida del angulo de ataque para las palas.
    Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 12-14, en el que la funcion de distribucion de carga para el rotor comprende una medida de la funcion de momento de inclinacion del rotor.
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