ES2573827T3 - Control de turbinas eólicas basado en sectores de rotor - Google Patents

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ES2573827T3 ES12199248.1T ES12199248T ES2573827T3 ES 2573827 T3 ES2573827 T3 ES 2573827T3 ES 12199248 T ES12199248 T ES 12199248T ES 2573827 T3 ES2573827 T3 ES 2573827T3
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Abstract

Un método para controlar una turbina eólica (100), que comprende: determinar (710) una o más propiedades del viento en cada una de una pluralidad de secciones predefinidas (v1-v3) de un plano remoto (402) por delante de un plano de rotor (401) de la turbina eólica, en el que cada sección predefinida del plano remoto corresponde a una sección predefinida respectiva en el plano de rotor; determinar (730) un ángulo de paso (218) para cada pala del rotor que pasa a través de cada una de una pluralidad de secciones en el plano de rotor de la turbina eólica, basándose en la una o más propiedades del viento determinadas en cada una de la pluralidad de secciones del plano remoto; y ajustar individualmente (740) el ángulo de paso (218) de una pala de turbina eólica al ángulo de paso determinado cuando la pala de la turbina eólica pasa a través de cada una de la pluralidad de secciones en el plano de rotor de la turbina eólica.

Description

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DESCRIPCION
Control de turbinas eolicas basado en sectores de rotor Campo de la invencion
Las realizaciones de la invencion se refieren, en general, al control de una turbina eolica que comprende palas fijadas a un buje de rotor para la rotacion en un plano de rotor, y a un sistema de control para variar individualmente el angulo de paso de las palas con respecto al buje, con la intencion de reducir el riesgo de cargas extremas unicas o sucesivas sobre las palas, la torre u otros componentes de la turbina eolica.
Antecedentes
En los ultimos anos ha habido una creciente concentracion en la reduccion de las emisiones de los gases de efecto invernadero generados por la combustion de combustibles fosiles. Una solucion para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero es el desarrollo de fuentes de energfa renovables. En particular, la energfa derivada del viento ha demostrado ser una fuente de energfa medioambientalmente segura y fiable, que puede reducir la dependencia de los combustibles fosiles.
La energfa en el viento puede capturarse mediante una turbina eolica, que es una maquina rotativa que convierte la energfa cinetica del viento en energfa mecanica y, posteriormente, la energfa mecanica en energfa electrica. Las turbinas eolicas comunes de eje horizontal incluyen una torre, una gondola situada en la cima de la torre, y un rotor que esta soportado en la gondola mediante un eje. El eje se acopla al rotor directa o indirectamente con un conjunto de rotor de un generador alojado dentro de la gondola. Pueden disponerse juntos una pluralidad de generadores de turbina eolica en un parque eolico o planta de generacion eolica, para generar suficiente energfa para dar soporte a una red.
La mayor parte de las turbinas eolicas modernas estan controladas y reguladas continuamente, mas frecuentemente con la finalidad de asegurar una maxima extraccion de la energfa del viento en las condiciones atmosfericas y de viento actuales, mientras se asegura al mismo tiempo que las cargas sobre los diferentes componentes de la turbina eolica se mantienen en todo momento dentro de lfmites aceptables. Para conseguir esto, los controladores recogen y supervisan un cierto numero de parametros en una turbina eolica, tales como, por ejemplo, la velocidad y direccion actual del viento, la velocidad de rotacion del rotor, el angulo de paso de cada pala, el angulo de guinada, informacion sobre el sistema de la red, y parametros medidos (por ejemplo tensiones o vibraciones) desde sensores colocados por ejemplo sobre las palas, la gondola o sobre la torre.
Basandose en esto y siguiendo alguna estrategia de control, se determinan los parametros de control optimos de la turbina para que funcione optimamente en las condiciones dadas. El rendimiento actual y, por ello, la produccion de energfa y la situacion de carga de la turbina eolica, se controlan principalmente mediante el control de los angulos de paso de las palas, pero puede incluir adicionalmente ajustar, por ejemplo, cualquier dispositivo aerodinamico activo para el cambio de las superficies aerodinamicas de las palas, tales como aletas o medios de generacion de vortices, el ajuste de la potencia, y/o el ajuste de la velocidad de rotacion del rotor.
Las turbinas eolicas se construyen y controlan tradicionalmente de acuerdo con las normas y de acuerdo con mapas de viento e incorporando el compromiso de maximizar la produccion energetica anual por la turbina eolica mientras al mismo tiempo se asegura una cierta vida util de la turbina, es decir, manteniendo las cargas sobre los diferentes componentes de la turbina eolica dentro de lfmites aceptables en todo momento y a lo largo del tiempo. Las turbinas eolicas se disenan por lo tanto tfpicamente de acuerdo con una cierto nivel (alto) de turbulencia pero, frecuentemente, operaran con un nivel de turbulencia mas bajo y pueden controlarse en algunas condiciones demasiado conservadoramente, mientras que en algunas condiciones de modo no suficientemente conservador, dando como resultado una fatiga indeseada o cargas extremas sobre los componentes de la turbina eolica, especialmente las palas, la gondola y la torre.
El documento DE102009015679 divulga una turbina eolica que comprende un dispositivo de medicion de viento proactivo montado sobre ella. El dispositivo proactivo de medicion del viento captura los perfiles de viento actual a una distancia aguas arriba de la turbina. El dispositivo de control usa la medicion proactiva del perfil del viento para minimizar las cargas.
El documento US2009047116 divulga un mecanismo proactivo para controlar el angulo de paso de las palas de una turbina eolica para compensar el desequilibrio del rotor durante la operacion normal mediante la variacion del paso de las palas individual o asimetricamente, basado en mediciones de rafagas de viento turbulentas por delante del rotor, determinadas antes de que alcancen las palas del rotor.
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Sumario de la invencion
Las realizaciones de la invencion se refieren, en general, al control de una turbina eolica que comprende palas fijadas a un buje de rotor para la rotacion en un plano de rotor y un sistema de control para variar individualmente el angulo de paso de las palas con respecto al buje con la intencion de reducir el riesgo de cargas extremas simples o sucesivas sobre las palas, la torre u otros componentes de la turbina eolica.
Una realizacion de la invencion proporciona un metodo para controlar una turbina eolica. El metodo comprende, en general, determinar una o mas propiedades del viento en cada una de una pluralidad de secciones predefinidas de un plano por delante de un plano de rotor de la turbina eolica, y determinar una o mas propiedades del viento esperadas en una segunda seccion del plano de rotor de la turbina eolica basandose en una o mas propiedades del viento determinadas en una primera seccion que corresponde a una seccion preferida respectiva del plano remoto. El metodo comprende ademas determinar un angulo de paso de la segunda seccion basandose en la una o mas propiedades del viento esperadas en la segunda seccion, y ajustar un angulo de paso de una pala de turbina eolica al angulo de paso de la segunda seccion cuando la pala de la turbina eolica pasa a traves de la segunda seccion.
Otra realizacion de la invencion proporciona una turbina eolica, que comprende, en general, un rotor que comprende al menos una pala, en la que un plano de rotor del rotor se divide en una pluralidad de secciones predefinidas, un dispositivo de deteccion y alcance por luz (LIDAR, del ingles "Light Detection And Ranging") configurado para medir una o mas propiedades del viento en una pluralidad de secciones predefinidas en un plano por delante del plano de rotor, en el que cada seccion del plano por delante del plano de rotor corresponde a una seccion del plano de rotor, y un controlador. El controlador esta configurado, en general, para recibir, desde el dispositivo LIDAR, una o mas propiedades del viento en una primera seccion de la pluralidad de secciones predefinidas del plano por delante del plano de rotor, y determinar la una o mas propiedades del viento esperadas en una segunda seccion de la pluralidad de secciones predefinidas del plano de rotor, en el que la primera seccion corresponde a la segunda seccion. El controlador esta configurado, ademas, para determinar un angulo de paso de la segunda seccion basandose en la una o mas propiedades del viento esperadas en la segunda seccion, y ajustar el angulo de paso de al menos una pala al angulo de paso de la segunda seccion cuando la pala pasa a traves de la segunda seccion.
Otra realizacion mas de la invencion proporciona un controlador de turbina eolica, configurado en general para recibir una o mas propiedades del viento en una primera seccion de una pluralidad de secciones predefinidas de un plano por delante de un plano de rotor, y determinar la una o mas propiedades del viento esperadas en una segunda seccion de una pluralidad de secciones predefinidas del plano de rotor, en el que la primera seccion corresponde a la segunda seccion. El controlador esta configurado, ademas, para determinar un angulo de paso de la segunda seccion basandose en la una o mas propiedades del viento esperadas en la segunda seccion, y el ajuste de un angulo de paso de la pala de la turbina eolica al angulo de paso de la segunda seccion cuando la pala de la turbina eolica pasa a traves de la segunda seccion.
Breve descripcion de los dibujos
Se explican realizaciones de la presente invencion, a modo de ejemplo, y con referencia los dibujos adjuntos. Debe observarse que los dibujos adjuntos ilustran solo ejemplos de realizaciones de la presente invencion y, por lo tanto, no han de considerarse limitativos del alcance, dado que la invencion puede admitir otras realizaciones igualmente efectivas.
La Figura 1 ilustra una turbina eolica ejemplar de acuerdo con una realizacion de la invencion.
La Figura 2 ilustra una gondola de turbina eolica ejemplar de acuerdo con una realizacion de la invencion.
La Figura 3 ilustra una division de un plano de rotor ejemplar en una pluralidad de secciones, de acuerdo con una realizacion de la invencion.
La Figura 4 ilustra la operacion ejemplar de un dispositivo de deteccion y alcance por luz (LIDAR), de acuerdo con una realizacion de la invencion.
La Figura 5 ilustra un dispositivo LIDAR ejemplar de acuerdo con una realizacion de la invencion.
La Figura 6 ilustra un sistema de control ejemplar de acuerdo con una realizacion de la invencion.
La Figura 7 es un diagrama de flujo de las operaciones de control ejemplares de acuerdo con una realizacion de la invencion.
Las Figuras 8A-B ilustran sistemas de control del angulo de paso ejemplares de acuerdo con una realizacion de la invencion.
Descripcion detallada
En lo que sigue, se hace referencia a realizaciones de la invencion. Sin embargo, debena entenderse que la invencion no esta limitada a las realizaciones espedficas descritas. En su lugar, se contempla para implementar y poner en practica la invencion cualquier combinacion de las siguientes caractensticas y elementos, tanto relacionada como no con las diferentes realizaciones.
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Ademas, en diversas realizaciones de la invencion se proporcionan numerosas ventajas sobre la tecnica anterior. Sin embargo, aunque las realizaciones de la invencion pueden conseguir ventajas sobre otras soluciones posibles y/o sobre la tecnica anterior, si una ventaja particular se consigue o no mediante una realizacion dada no es limitativo de la invencion. Por ello, los siguientes aspectos, caractensticas, realizaciones y ventajas son meramente ilustrativos y no se consideran elementos o limitaciones de las reivindicaciones adjuntas excepto donde explfcitamente se enumere en una(s) reivindicacion(es). De la misma manera, la referencia "a la invencion" no se interpretara como una generalizacion de ninguna materia objeto inventiva divulgada en el presente documento y no se considerara que sea un elemento o limitacion de las reivindicaciones adjuntas excepto donde explfcitamente se enumere en una(s) reivindicacion(es).
La que sigue es una descripcion detallada de las realizaciones de la invencion representadas en los dibujos adjuntos. Las realizaciones son ejemplos y estan en un detalle tal que comuniquen claramente la invencion. Sin embargo, no se pretende que la cantidad de detalle ofrecido limite las variaciones anticipadas de realizaciones; sino que por el contrario, la intencion es cubrir todas las modificaciones, equivalentes y alternativas incluidas dentro del espmtu y alcance de la presente invencion, tal como se define por las reivindicaciones adjuntas.
La Figura 1 ilustra una turbina eolica 100 ejemplar de acuerdo con una realizacion de la invencion. Tal como se ilustra en la Figura 1, la turbina eolica 100 incluye una torre 110, una gondola 120 y un rotor 130. En una realizacion de la invencion, la turbina eolica 100 puede ser una turbina eolica de interior. Sin embargo, realizaciones de la invencion no estan limitadas solamente a turbinas eolicas de interior. En realizaciones alternativas, la turbina eolica 100 puede ser una turbina eolica alejada de la orilla situada sobre una masa de agua tal como, por ejemplo, un lago, un oceano, o similares.
La torre 110 de la turbina eolica 100 puede configurarse para elevar la gondola 120 y el rotor 130 a una altura donde el rotor 130 pueda recibir un flujo de aire fuerte, menos turbulento y generalmente no obstruido. La altura de la torre 110 puede ser cualquier altura razonable. La torre 110 puede estar fabricada a partir de cualquier tipo de material, por ejemplo, acero, hormigon o similares. En algunas realizaciones, la torre 110 puede estar fabricada a partir de un material monolftico. Sin embargo, en realizaciones alternativas, la torre 110 puede incluir una pluralidad de secciones, por ejemplo, dos o mas secciones de acero tubulares 111 y 112, como se ilustra en la Figura 1. En algunas realizaciones de la invencion, la torre 110 puede ser una torre de estructura metalica. En consecuencia, la torre 110 puede incluir perfiles de acero soldados.
El rotor 130 puede incluir un buje de rotor (al que de aqrn en adelante se hace referencia simplemente como el "buje") 131 y al menos una pala 132 (se muestran tres de dichas palas 132 en la Figura 1). El buje del rotor 131 puede configurarse para acoplar la al menos una pala 132 a un eje (no mostrado). En una realizacion, las palas 132 puede tener un perfil aerodinamico de modo que, a velocidades del viento predefinidas, las palas 132 experimentan una elevacion, haciendo de ese modo que las palas giren radialmente alrededor del buje. La gondola 120 puede incluir uno o mas componentes configurados para convertir la energfa aeromecanica de las palas en energfa de rotacion del eje, y la energfa de rotacion del eje en energfa electrica.
La Figura 1 tambien representa un sensor de viento 123. El sensor de viento 123 puede estar configurado para detectar una direccion del viento en o cerca de la turbina eolica 100. Al detectar la direccion del viento, el sensor de viento 123 puede proporcionar datos utiles que pueden determinar operaciones para la guinada de la turbina eolica 100 hacia el viento. El sensor de viento 123 puede usar la velocidad y/o direccion del viento para controlar el angulo de paso de la pala. Los datos de velocidad del viento pueden usarse para determinar un angulo de paso apropiado que permita que las palas 132 capturen una cantidad deseada de energfa del viento o para evitar cargas excesivas sobre los componentes de la turbina. En algunas realizaciones, el sensor de viento 123 puede integrarse con un sensor de temperatura, sensor de presion, y similares, que pueden proporcionar datos adicionales con respecto al ambiente que rodea la turbina eolica. Dichos datos pueden usarse para determinar uno o mas parametros operacionales de la turbina eolica para facilitar la captura de una cantidad deseada de energfa por parte de la turbina eolica 100 o para evitar danos a los componentes de la turbina eolica.
En una realizacion de la invencion se proporciona un dispositivo de deteccion y alcance por luz (LIDAR) 180 en o cerca de la turbina eolica 100. Por ejemplo, el LIDAR 180 puede colocarse sobre una gondola, buje y/o torre de la turbina eolica, como se ilustra en la Figura 1. En realizaciones alternativas, el LIDAR 180 puede colocarse en una o mas palas 132 de la turbina eolica 100. En algunas otras realizaciones, el dispositivo LIDAr puede colocarse cerca de la turbina eolica 100, por ejemplo, sobre el terreno, tal como se muestra en la Figura 1. En general, el LIDAR 180 esta configurado para detectar la velocidad y/o direccion del viento en uno o mas puntos por delante de la turbina eolica 100. En otras palabras, el LIDAR 180 permite a la turbina eolica detectar la velocidad del viento antes de que el viento alcance realmente la turbina eolica. Esto permite que la turbina eolica 100 ajuste proactivamente uno o mas de entre el angulo de paso de la pala, el par del generador, la posicion de guinada y parametros operacionales similares para capturar mas energfa del viento, reducir las cargas sobre los componentes de la turbina y similares. En algunas realizaciones, puede configurarse un controlador para combinar los datos recibidos desde un dispositivo LIDAR 180 y el sensor de viento 123 para generar una medicion mas precisa de la velocidad y/o direccion del viento.
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La Figura 2 ilustra una vista esquematica de los componentes tfpicos internos de la gondola 120 y la torre 110 de un generador de turbina eolica 100. Cuando el viento 200 empuja sobre las palas 132, el rotor 130 gira, haciendo girar de ese modo a un eje 202 de baja velocidad. Los engranajes en una caja de engranajes 204 convierten mecanicamente la baja velocidad de rotacion del eje de baja velocidad 202 en una velocidad de rotacion relativamente alta de un eje de alta velocidad 208 adecuado para la generacion de electricidad usando un generador 206. En una realizacion alternativa, puede omitirse la caja de engranajes, y puede acoplarse un unico eje, por ejemplo, el eje 202, directamente con el generador 206.
Un controlador 210 puede detectar la velocidad de rotacion de uno o ambos ejes 202, 208. Si el controlador decide que el (los) eje(s) estan girando demasiado rapido, el controlador puede enviar una senal a un sistema de frenado 212 para ralentizar la rotacion de los ejes, lo que, a su vez, ralentiza la rotacion del rotor 106. El sistema de frenado 212 puede impedir danos a los componentes del generador de turbina eolica 100. El controlador 210 puede recibir tambien entradas desde un anemometro 214 (que proporciona la velocidad del viento) y/o una veleta 216 (que proporciona una direccion del viento). Basandose en la informacion recibida, el controlador 210 puede enviar una senal de control a una o mas de las palas 108 en un esfuerzo por ajustar el angulo de paso 218 de las palas. Ajustando el angulo de paso 218 de las palas con respecto a la direccion del viento, puede incrementarse o disminuirse la velocidad de rotacion del rotor (y por lo tanto, de los ejes 202, 208). Basandose en la direccion del viento, por ejemplo, el controlador 210 puede enviar una senal de control a un conjunto que comprende un motor de guinada 220 y un accionador de guinada 222 para girar la gondola 104 con respecto a la torre 102, de modo que el rotor 106 pueda posicionarse para enfrentarse mas (o, en ciertas circunstancias, menos) contra el viento o a favor del viento (si es una turbina a favor del viento).
El generador 206 puede configurarse para generar una corriente alterna trifasica basandose en uno o mas requisitos de la red. En una realizacion, el generador 206 puede ser un generador smcrono. Los generadores smcronos pueden configurarse para funcionar a una velocidad constante, y pueden conectarse directamente a la red. En algunas realizaciones, el generador 206 puede ser un generador de imanes permanentes. En realizaciones alternativas, el generador 206 puede ser un generador asmcrono, tambien conocido a veces como generador de induccion. Los generadores de induccion pueden o no estar conectados directamente a la red. Por ejemplo, en algunas realizaciones, el generador 206 puede conectarse a la red a traves de uno o mas dispositivos electricos configurados para, por ejemplo, ajustar la corriente, la tension y otros parametros electricos, para adaptarse a uno o mas de los requisitos de la red. Los dispositivos electricos ejemplares incluyen, por ejemplo, inversores, convertidores, resistencias, interruptores, transformadores, y similares.
Las realizaciones de la invencion no estan limitadas a ningun tipo particular de generador o disposicion del generador y de uno o mas dispositivos electricos asociados con el generador con respecto a la red electrica. Cualquier tipo adecuado de generador incluyendo (pero sin limitarse a) generadores de induccion, generadores de imanes permanentes, generadores smcronos, o similares, configurados para generar electricidad de acuerdo con los requisitos de la red, estan incluidos dentro del ambito de la invencion. La Figura 2 tambien ilustra un LIDAR 180 ejemplar montado en el buje, de acuerdo con una realizacion de la invencion. Aunque se muestra sobre el buje en la Figura 2, en realizaciones alternativas, el dispositivo LIDAR 180 puede colocarse en o cerca de cualquier localizacion de la turbina, por ejemplo, sobre el terreno, las palas, sobre la gondola, sobre la torre, y similares.
Las realizaciones de la invencion se refieren, en general, al control de las palas de la turbina eolica fijadas a un buje de rotor para la rotacion en un plano de rotor, y a un sistema de control para variar individualmente el angulo de paso las palas con respecto al buje con la intencion de incrementar la captura de energfa y/o reducir el riesgo de cargas extremas unicas o sucesivas sobre las palas, la torre u otros componentes de la turbina eolica. Dado que los rotores de turbina eolica continuan incrementando su tamano, la variacion en las velocidades del viento experimentadas en diferentes partes del plano de rotor tambien se ha incrementado. En consecuencia, aunque una seccion del plano de rotor pueda experimentar una rafaga de viento que pueda danar componentes de la turbina eolica, otras secciones del rotor pueden experimentar velocidades de viento mas aceptables. Por lo tanto, las realizaciones de la invencion proporcionan metodos y sistemas para variar individualmente el angulo de paso de las palas de la turbina eolica, dependiendo de la seccion del plano de rotor a traves de la que esta pasando la pala. Para facilitar dicho control, el plano de rotor se divide en una pluralidad de secciones predefinidas.
La Figura 3 ilustra un metodo para dividir el plano de rotor 300 de una turbina eolica en un numero de sectores 301 de acuerdo con una realizacion de la invencion. En este ejemplo, el plano de rotor 300 esta dividido en 12 sectores de rotor 301 igualmente dimensionados. Las palas del rotor 302 denominadas A, B y C se representan en una posicion en la que la pala A del rotor esta en el primer sector (301, 1), la pala B del rotor esta en el sector 5 (301, 2), y la tercera pala C del rotor esta en el sector numero 8 (301, 3). La lmea vertical 305 ilustra el eje de la torre de la turbina eolica.
Para reducir el riesgo de inducir momentos de inclinacion/guinada por el metodo de control del angulo de paso individual de acuerdo con la invencion, el numero de sectores puede fijarse ventajosamente de acuerdo con la siguiente regla, asegurando de ese modo que todas las palas cambian de sector de modo smcrono:
5
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15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Ns
3
e Z
donde Ns es el numero de sectores del rotor 301. Puede usarse el sensor de azimut que mide el angulo de azimut 304 de una o mas palas 301 para determinar los sectores que contienen una pala en un momento dado. De esta manera, puede determinarse un sector S, que comprende como sus elementos los numeros de los sectores que comprenden una pala de rotor, a partir de los angulos del Kmite de sector definidos por:
tys,inicio = (s 1)
360
Ns
360
tys,final = s
Ns
s = 1, 2, ..., Ns
Esto es, por ejemplo, para Ns = 12, el sector 2 se define por angulos de azimut en el intervalo [30°; 60°]. Las realizaciones de la invencion no estan limitadas por el metodo espedfico de division del plano de rotor descrito en el presente documento anteriormente. En realizaciones alternativas, puede usarse cualquier metodo para definir cualquier numero de secciones del plano de rotor, en el que cada seccion puede tener cualquier tamano, forma, etc.
Definiendo una o mas secciones de rotor, un controlador (por ejemplo, el controlador 210 en la Figura 2) de la turbina eolica puede determinar un angulo de paso predefinido para cada seccion del rotor basandose en las propiedades del viento que se experimentan o se esperan en esa seccion. Por ejemplo, las secciones de rotor que experimentan rafagas de viento pueden tener angulos de paso predefinidos que mitiguen las cargas sobre una pala que pase a traves de ella. En otras secciones, el angulo de paso de la pala puede seleccionarse de modo que se capture la maxima energfa del viento. Dado que cada pala de la turbina eolica gira por todo el plano de rotor, pasando a traves de multiples secciones de rotor predefinidas, el angulo de paso de la pala puede ajustarse al angulo de paso correspondiente para la seccion a traves de la que esta pasando, permitiendo de ese modo la maxima captura de energfa y/o impidiendo danos a los componentes de la turbina eolica.
En algunas realizaciones, puede ser deseable ajustar proactivamente los angulos de paso de las palas basandose en la experiencia de las condiciones del viento en una seccion dada del plano de rotor. Dichos ajustes proactivos pueden ser mas ventajosos que los ajustes reactivos, debido a que pueden mejorar la vida de los componentes de la turbina eolica al reducir la exposicion a cargas daninas.
En una realizacion de la invencion, puede usarse un dispositivo detector de viento, por ejemplo el LIDAR 180 mostrado en la Figura 1, para determinar las propiedades del viento por delante de un plano de rotor. Por ejemplo las propiedades del viento pueden incluir la direccion del viento, la velocidad del viento, la turbulencia, o similares. La Figura 4 ilustra una turbina eolica 400 ejemplar que tiene un plano de rotor 401. El plano de rotor 401 se divide en un numero predefinido de secciones usando, por ejemplo, el metodo descrito en la Figura 3. En una realizacion, puede configurarse una unidad de LIDAR 410 para determinar las propiedades del viento en un plano de rotor 402 a una distancia predefinida R del plano de rotor 401, como se ilustra en la Figura 4. En particular, la unidad de LIDAR 410 puede configurarse para determinar las propiedades del viento en secciones predefinidas del plano de rotor 402 (por ejemplo, las secciones v1, v2, v3,...). En una realizacion, el plano de rotor 402 puede ser del mismo tamano que el plano de rotor 401. Sin embargo, en realizaciones alternativas, los planos de rotor 401 y 402 pueden tener tamanos diferentes.
Cada seccion predefinida del plano de rotor 402 corresponde a una seccion predefinida respectiva en un plano de rotor 401. Por lo tanto, la medicion de las propiedades del viento en una seccion del plano de rotor 402 puede indicar las propiedades del viento esperadas en una seccion correspondiente del plano de rotor 401 en el futuro. Por lo tanto, un controlador de la turbina eolica 400 puede ser capaz de ajustar proactivamente los parametros operacionales, por ejemplo, el angulo de paso, para el sector correspondiente del plano de rotor 401 para, por ejemplo, incrementar la captura de energfa, impedir danos, o similares. En una realizacion, el mapeado entre las secciones del plano de rotor 401 y las secciones del plano de rotor 402 puede ser un mapeado estatico que esta predefinido. Sin embargo, en realizaciones alternativas, el mapeado entre secciones de los planos de rotor 401 y 402 puede determinarse dinamicamente basandose, por ejemplo, en un modelo que define la transformacion del campo de viento entre el plano de rotor 402 y el 401.
La Figura 5 ilustra una vista ejemplar de los componentes dentro de un LIDAR 180 de acuerdo con una realizacion de la invencion. Como se ha ilustrado, el LIDAR 180 puede incluir un emisor 510, un detector 520 y un bloque de procesamiento 530. Aunque se muestra un unico par detector - emisor 510-520 en la Figura 5, en realizaciones alternativas, el LIDAR 180 puede incluir cualquier numero de emisores y/o detectores. Por ejemplo, pueden configurarse diferentes pares emisor-detector para medir las propiedades del viento en una o mas secciones diferentes de un plano de rotor 402. En una realizacion de la invencion, un emisor-detector puede ser capaz de realizar una operacion de barrido para medir las propiedades del viento en una pluralidad de puntos, por ejemplo, en
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diferentes secciones de rotor predefinidas de un plano de rotor 402.
El emisor 510 puede configurarse para generar un haz de luz. Por ejemplo, en una realizacion, el LIDAR 180 puede configurarse para emitir un haz de luz violeta, visible, infrarrojo cercano y/o infrarrojo. El detector 520 puede configurarse para detectar la retrodispersion del haz de luz emitido por el emisor desde uno o mas objetos. El bloque de procesamiento 530 puede configurarse para determinar una o mas propiedades de la luz retrodispersada detectada por el detector 520 y determinar una o mas propiedades de uno o mas objetos desde los que se reflejo el haz de luz.
Como se ha indicado previamente, el LIDAR 180 puede usarse para medir la velocidad y/o direccion del viento en una localizacion remota. El conocimiento acerca de la velocidad y direccion del viento en una localizacion remota, por ejemplo, por delante de un rotor de una turbina eolica, permite a la turbina eolica optimizar uno o mas parametros operacionales, tales como el angulo de paso de la pala y/o el par del generador, para reducir cargas sobre los componentes de la turbina eolica y/o incrementar la captura de energfa. Para medir la velocidad del viento remotamente, se emite un haz de luz (por ejemplo, un haz laser) dentro del viento que se aproxima mediante, por ejemplo, el emisor 510 del LIDAR 180. La luz emitida se refleja separandose de aerosoles (por ejemplo, polen, polvo) en el viento y se dispersa en multiples direcciones. Una parte de la luz dispersada que viaja de vuelta al LIDAR 180, puede ser detectada por, por ejemplo, el detector 520 del LIDAR 180. Basandose en la luz retrodispersada, el bloque de procesamiento 530 puede determinar una o mas propiedades de los aerosoles. Por ejemplo, el bloque de procesamiento 530 puede usar el efecto Doppler para las determinar propiedades de los aerosoles. Debido a que las propiedades de los aerosoles estan fuertemente correlacionadas con la propiedad del viento que transporta los aerosoles, pueden determinarse propiedades del viento, por ejemplo velocidad y direccion del viento, basandose en las propiedades de los aerosoles.
La Figura 6 ilustra un sistema de control ejemplar 600 de acuerdo con una realizacion de la invencion. Como se ilustra, el sistema de control 600 incluye un bloque de control de anticipacion (FFC) 610, un bloque de control de realimentacion (FBC) 620, un controlador del angulo de paso 630, y un rotor de turbina eolica 640. En una realizacion el bloque FFC 610, FBC 620, y el controlador del angulo de paso 630 pueden ser una parte de un sistema de control o controlador mayor, por ejemplo, el controlador 210 de la Figura 2. En este ejemplo, para cada seccion predefinida del plano de rotor de la turbina eolica, el FFC 610 se configura para recibir, desde una unidad de LIDAR, una o mas propiedades del viento medidas en una seccion correspondiente de un plano por delante del rotor (tal como se ha descrito anteriormente). El bloque FFC 610 puede determinar un angulo de paso deseado para la seccion predefinida del plano de rotor basandose en las propiedades del viento medidas. El angulo de paso deseado puede determinarse basandose en la energfa maxima de captura del viento y/o evitacion de danos a los componentes de la turbina eolica, o similares.
En este ejemplo, el bloque FCB 620 esta configurado para recibir lecturas del sensor de carga de la pala desde el rotor de la turbina eolica 640. El FCB puede recibir tambien lecturas del angulo de azimut de la pala para cada pala. Por lo tanto, el FBC puede configurarse para determinar la carga de la pala en cada seccion predefinida del rotor. Basandose en las cargas de pala reales experimentadas en cada seccion predefinida del plano de rotor, el bloque FBC 620 esta configurado para determinar el angulo de paso deseado para cada seccion de turbina eolica. El bloque FBC proporciona por lo tanto realimentacion en tiempo real sobre las cargas reales experimentadas por las palas de la turbina eolica, permitiendo de ese modo un ajuste fino adicional de los angulos de paso que se definen para cada seccion del plano de rotor basandose en las propiedades del viento esperadas. Aunque el bloque FBC 620 proporciona distintas ventajas, en algunas realizaciones de la invencion el bloque FBC 620 puede omitirse, y el angulo de paso para cada seccion del plano de rotor de la turbina eolica puede determinarse basandose solamente en las mediciones del LIDAR.
En una realizacion, la salida del bloque FFC 610 y del bloque FBC 620 pueden combinarse, por ejemplo, mediante el calculo de una media o media ponderada de las salidas A. La salida combinada puede proporcionarse a un controlador del angulo de paso 630. El controlador del angulo de paso 630 puede configurarse para determinar la localizacion de cada pala cuando se mueve por todo el plano de rotor, y ajustar el angulo de paso de pala de cada pala basandose en los angulos de paso de pala predefinidos determinados para cada seccion del plano de rotor. En una realizacion, los angulos de paso de pala para cada seccion del plano de rotor pueden deducirse de la salida combinada A desde el FFC 610 y el FBC 620.
En una realizacion, la salida combinada A puede ser un valor de desviacion que puede aplicarse a una senal de referencia comun del angulo de paso que puede determinarse para todas las palas de la turbina. Por ejemplo, el controlador del angulo de paso puede determinar, basandose en las condiciones promedio del viento detectadas por, por ejemplo, un sensor de viento, que todas las palas de la turbina eolica debenan tener un angulo de paso comun X. Posteriormente, basandose en las salidas de los FFC 610 y FBC 620, el controlador del angulo de paso puede ajustar el angulo de paso comun en el valor de desviacion A para una seccion del plano de rotor dada para aliviar cargas, incrementar la captura de energfa o similares, cuando una pala pasa a traves de esa seccion.
La Figura 7 es un diagrama de flujo de operaciones ejemplares realizadas por un controlador de una turbina eolica, de acuerdo con una realizacion de la invencion. El controlador puede ser, por ejemplo, el controlador 210, el sistema
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de control 600 o similar. Las operaciones pueden comenzar en la etapa 710 determinando las propiedades del viento en una primera seccion de un plano por delante de un plano de rotor de la turbina eolica. Las propiedades del viento esperadas en una segunda seccion correspondiente del plano de rotor de la turbina eolica pueden determinarse basandose en las propiedades determinadas en la seccion del plano por delante del plano de rotor de la turbina eolica, en la etapa 720. En la etapa 730, puede determinarse un angulo de paso de la pala para la seccion del plano de rotor de la turbina eolica. En la etapa 740, el angulo de paso de pala de cada pala de la turbina eolica puede ajustarse progresivamente al angulo de paso de pala determinado, mientras la pala pasa a traves de la seccion del plano de rotor de la turbina eolica. En algunas realizaciones, la etapa 720 puede omitirse y el angulo de paso de pala para la seccion de un plano de rotor puede determinarse simplemente basandose en las mediciones en una seccion correspondiente en un plano por delante del plano de rotor.
Las Figuras 8A y 8B ilustran sistemas de control del angulo de paso ejemplares de acuerdo con una realizacion de la invencion. En una realizacion, los sistemas de control del angulo de paso de las Figuras 8A y 8B pueden ser una parte del controlador de anticipacion 610 ilustrado en la Figura 6. En general, los sistemas de control del angulo de paso pueden configurarse para determinar un angulo de paso o una desviacion del angulo de paso (para cada seccion del plano de rotor) basandose en la entrada recibida desde una unidad LIDAR. Por ejemplo, la Figura 8A ilustra un sistema de control del angulo de paso 820 ejemplar de acuerdo con una realizacion de la invencion. Como se ilustra, el sistema de control del angulo de paso 820 puede incluir un estimador del angulo de paso 821 y una unidad de compensacion 822. El estimador del angulo de paso 821 puede configurarse para recibir, como entrada, uno o mas parametros medidos por una unidad LIDAR, por ejemplo, la velocidad del viento y la direccion del viento. El estimador del angulo de paso 821 puede configurarse tambien para recibir el angulo de paso actual y un valor de referencia de carga de la pala como entradas, como se muestra en la Figura 8A. Basandose en las entradas recibidas, el estimador del angulo de paso 821 puede configurarse para determinar un angulo de paso optimo o la desviacion del angulo de paso P, que puede transferirse a la unidad de compensacion 822.
La unidad de compensacion 813 puede configurarse para generar una senal de referencia del angulo de paso P0 basandose en la propagacion del campo de viento y la dinamica del sistema del angulo de paso. En otras palabras, la unidad de compensacion puede configurarse para determinar cuando pueden esperarse ciertas condiciones del viento en el plano de rotor, y ajustar los angulos de paso en una seccion dada del plano de rotor basandose en las condiciones operacionales del sistema del angulo de paso.
La Figura 8B ilustra una realizacion particular del sistema de control del angulo de paso 820 de la Figura 8A. Como se ilustra, el sistema de control del angulo de paso 810 de la Figura 8B puede incluir un estimador de carga de la pala 811, un controlador 812 y una unidad de compensacion 813. El estimador de carga de la pala 811 puede configurarse para recibir, como entrada, uno o mas parametros medidos por una unidad LIDAR, por ejemplo, la velocidad del viento y la direccion del viento. El estimador de carga de la pala puede configurarse tambien para recibir el angulo de paso actual como una entrada, como se muestra en la Figura 8B. En una realizacion, el estimador de carga de la pala, usando un modelo de pala, puede determinar una carga de pala esperada o predicha M, basandose en el angulo de paso actual y el uno o mas parametros medidos por la unidad de LlDAR.
En otras realizaciones, pueden usarse otros dispositivos detectores, tales como SONAR o RADAR, para determinar la una o mas propiedades del viento.
La carga de la pala M esperada puede compararse con un valor de carga de la pala N de referencia. El valor de carga de la pala N de referencia puede ser un valor de carga de la pala deseado o un valor de carga de la pala de umbral. Como se ilustra en la Figura 8B, puede transferirse una diferencia entre M y N (mostrada como el valor O en la Figura 8B) al controlador 812. En una realizacion, el controlador 812 puede ser un controlador proporcional integral y derivativo (PID). El controlador 812 puede determinar un valor de referencia del angulo de paso P o un valor de desviacion del angulo de paso basandose en la diferencia O. La unidad de compensacion 822 puede realizar la misma funcion que la unidad de compensacion 813 de la Figura 8A.
Aunque la invencion se ha ilustrado mediante una descripcion de diversas realizaciones y, aunque estas realizaciones se han descrito en detalle, no se pretende que estas restrinjan o limiten en cualquier manera el alcance de las reivindicaciones adjuntas. Resultaran evidentes para los expertos en la materia ventajas y modificaciones adicionales.

Claims (14)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo para controlar una turbina eolica (100), que comprende:
    determinar (710) una o mas propiedades del viento en cada una de una pluralidad de secciones predefinidas (v1-v3) de un plano remoto (402) por delante de un plano de rotor (401) de la turbina eolica, en el que cada seccion predefinida del plano remoto corresponde a una seccion predefinida respectiva en el plano de rotor;
    determinar (730) un angulo de paso (218) para cada pala del rotor que pasa a traves de cada una de una pluralidad de secciones en el plano de rotor de la turbina eolica, basandose en la una o mas propiedades del viento determinadas en cada una de la pluralidad de secciones del plano remoto; y
    ajustar individualmente (740) el angulo de paso (218) de una pala de turbina eolica al angulo de paso determinado cuando la pala de la turbina eolica pasa a traves de cada una de la pluralidad de secciones en el plano de rotor de la turbina eolica.
  2. 2. El metodo de la reivindicacion 1, que comprende adicionalmente la determinacion de la una o mas propiedades del viento esperadas en cada una de la pluralidad de secciones del plano de rotor de la turbina eolica basandose en la una o mas propiedades del viento determinadas en cada una de la pluralidad de secciones en el plano remoto, y la determinacion de los angulos de paso basandose en la una o mas propiedades del viento esperadas.
  3. 3. El metodo de cualquier reivindicacion precedente en el que el angulo de paso para una primera seccion del plano de rotor de la turbina eolica se determina unicamente basandose en la una o mas propiedades del viento determinadas para una seccion correspondiente en el plano remoto.
  4. 4. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en el que el angulo de paso para una primera seccion del plano de rotor de la turbina eolica se determina basandose en la una o mas propiedades del viento determinadas para una seccion correspondiente en el plano remoto y un modelo del campo de viento entre el plano remoto y el plano de rotor de la turbina eolica.
  5. 5. El metodo de cualquier reivindicacion precedente, en el que el ajuste individual del angulo de paso de una pala de turbina eolica comprende compensar el angulo de paso determinado de la segunda seccion basandose en la propagacion del campo de viento y en la dinamica del sistema del angulo de paso.
  6. 6. El metodo de cualquier reivindicacion precedente, en el que la una o mas propiedades del viento en el plano remoto se miden con un dispositivo de deteccion y alcance por luz (LIDAR) (180, 410).
  7. 7. El metodo de cualquier reivindicacion precedente, en el que el angulo de paso determinado es un valor de desviacion que se aplica a un angulo de paso de referencia comun aplicado a todas las palas de la turbina eolica.
  8. 8. El metodo de cualquier reivindicacion precedente, en el que la determinacion del angulo de paso comprende la comparacion de un valor de carga de la pala esperado con un valor de referencia de carga de la pala, para obtener un valor del angulo de paso deseado, en el que el angulo de paso deseado mantiene las cargas de la pala en o por debajo del valor de referencia de carga de la pala.
  9. 9. Una turbina eolica (100), que comprende:
    un rotor (130) que comprende al menos una pala (132), en la que un plano de rotor (401) del rotor esta dividido en una pluralidad de secciones predefinidas (301);
    un detector (180) configurado para determinar una o mas propiedades del viento en una pluralidad de secciones predefinidas de un plano remoto (402) por delante del plano de rotor, en el que cada seccion predefinida del plano de rotor remoto corresponde a una seccion predefinida respectiva en el plano de rotor; y un controlador configurado para:
    recibir, desde el detector, una o mas propiedades del viento en una primera seccion de la pluralidad de secciones predefinidas del plano por delante del plano de rotor;
    determinar un angulo de paso (218) de una segunda seccion de la pluralidad de secciones predefinidas del plano de rotor basandose en la una o mas propiedades del viento esperadas en la primera seccion; y
    ajustar un angulo de paso (218) de la al menos una pala al angulo de paso de la segunda seccion cuando la pala pasa a traves de la segunda seccion.
  10. 10. La turbina eolica de la reivindicacion 9, en la que el controlador esta configurado adicionalmente para determinar una o mas propiedades del viento esperadas en la segunda seccion, basandose en la una o mas propiedades del viento determinadas en la primera seccion, y determinar el angulo de paso de la segunda seccion basandose en la una o mas propiedades del viento esperadas en la segunda seccion.
  11. 11. La turbina eolica de la reivindicacion 9 o 10, en la que el angulo de paso de la segunda seccion es un valor de desviacion que se aplica a un angulo de paso de referencia comun aplicado a todas las palas de la turbina eolica.
  12. 12. La turbina eolica de la reivindicacion 9 a 11, en la que determinar el angulo de paso de la segunda seccion comprende comparar un valor de carga de la pala esperado con un valor de referencia de carga de la pala para obtener un valor del angulo de paso deseado, en el que el angulo de paso deseado mantiene las cargas de la pala en o por debajo del valor de referencia de carga de la pala.
    5
  13. 13. La turbina eolica de cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, en la que ajustar un angulo de paso de una pala de turbina eolica al angulo de paso de la segunda seccion cuando la pala de la turbina eolica pasa a traves de la segunda seccion comprende compensar el angulo de paso de la segunda seccion basandose en la propagacion del campo de viento y la dinamica del sistema del angulo de paso.
    10
  14. 14. Un controlador de turbina eolica, configurado para llevar a cabo el metodo de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.
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