ES2575101B1 - Aerogenerador con un sistema de posicionamiento del rotor - Google Patents

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Abstract

Aerogenerador con un sistema de posicionamiento del rotor. La invención proporciona un aerogenerador que dispone de un sistema de posicionamiento del rotor en una posición acimutal de referencia Az{sub,ref} y de mantenimiento en ella durante un periodo de tiempo predeterminado, estando dispuesto el aerogenerador en modo test. Dicho sistema de posicionamiento del rotor comprende un primer controlador (31) configurado para generar una velocidad de referencia del generador {og}{sub,ref} a partir de la diferencia entre la posición acimutal de referencia del rotor Az{sub,ref} y la posición acimutal medida del rotor Az{sub,meas} y un segundo controlador (35) configurado para generar un par motor de referencia del generador T{sub,ref} a partir de la diferencia entre dicha velocidad de referencia del generador {og}{sub,ref} y la velocidad medida del generador {og}{sub,meas}.

Description

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DESCRIPCION
AEROGENERADOR CON UN SISTEMA DE POSICIONAMIENTO DEL ROTOR
CAMPO DE LA INVENCION
La invencion se refiere a un sistema de posicionamiento del rotor de un aerogenerador.
ANTECEDENTES
Durante la vida util de los aerogeneradores hay varias tareas en las que es preciso mantener fijo el rotor en una posicion determinada.
Una de esas tareas es el bloqueo del rotor para asegurar que no rota cuando se llevan a cabo ciertas actividades de mantenimiento. Los sistemas de bloqueo de rotor comprenden normalmente uno o mas pasadores (a menudo dos pasadores) que son empujados hacia orificios situados en la parte inmovil del aerogenerador para impedir la rotacion del rotor y requieren por tanto un sistema que permita posicionar al rotor de manera que los pasadores queden perfectamente alineados con los orificios. El proceso de bloqueo del rotor es diflcil y consume tiempo. Esta tarea es incluso mas compleja cuando la velocidad del viento aumenta y resulta practicamente imposible por encima de cierta velocidad del viento.
Otra de esas tareas es el acceso de personal de servicio transportado por helicopteros a aerogeneradores marinos que disponen de plataformas elevadas para helicopteros en las que se necesita que el rotor este fijo en una posicion determinada mientras el helicoptero este cerca de el.
Otra de esas tareas es la calibracion de los sensores de carga de las palas en la que debe mantenerse fijo el rotor en varias posiciones (y en cada una de ellas teniendo las palas en varios angulos de paso) para comparar la calibracion con los momentos estaticos en esas posiciones.
Todas esas tareas deben realizarse en margenes estrechos de tiempo y en margenes amplios de velocidad.
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Los sistemas conocidos de posicionamiento del rotor para realizar tareas como las mencionadas tienen un elevado componente manual y no permiten por tanto su operacion remota lo que seria muy deseable muy especialmente en los aerogeneradores marinos.
SUMARIO DE LA INVENCION
La invencion proporciona un aerogenerador que dispone de un sistema de posicionamiento del rotor en una posicion acimutal de referenda Azref y de mantenimiento en ella durante un periodo de tiempo predeterminado, estando dispuesto el aerogenerador en modo test, para que durante dicho periodo se puedan llevar a cabo las tareas mencionadas en el epigrafe anterior. Ese sistema comprende un primer controlador configurado para generar una velocidad de referenda del generador Qref a partir de la diferencia entre la posicion acimutal de referencia del rotor Azret y la posicion acimutal medida del rotor Azmeas y un segundo controlador configurado para generar un par motor de referencia del generador Tref a partir de la diferencia entre dicha velocidad de referencia del generador Qrar y la velocidad medida del generador Qmeas-
El primer y/o el segundo controlador pueden ser controladores PI (Proporcional, Integral) o controladores PID (Proporcional, Integral, Derivativo) siendo sus ganancias variables dependientes de la velocidad del viento Vmeas medida a la altura del buje del rotor.
El aerogenerador comprende un dispositivo de Suministro Ininterrumpido de Energia (UPS) o una conexion con una red electrica para proporcionar energia al generador cuando actua como un motor bajo el control del sistema de posicionamiento del rotor.
Otras caracteristicas y ventajas de la presente invencion se desprenderan de la siguiente descripcion detallada de una realization ilustrativa y no limitativa de su objeto en relation con las figuras que se acompafian.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
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La Figura 1 es una vista esquematica en seccion transversal de un aerogenerador.
La Figura 2 es un diagrama esquematico de bloques que ilustra una realization del sistema de posicionamiento del rotor segun la invencion con dos controladores PI.
Las Figuras 3-6 son diagramas esquematicos de bloques ilustrando como se obtienen las ganancias proporcional e integral de los dos controladores PI.
La Figura 7 ilustra el funcionamiento del sistema de posicionamiento del rotor para situarlo en la position acimutal 90deg.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
Un aerogenerador tlpico 11 comprende una torre 13 soportando una gondola 21 que alberga un generador 19 para convertir la energla rotacional del rotor del aerogenerador en energla electrica. El rotor del aerogenerador comprende un buje de rotor 15 y, normalmente, tres palas 17. El buje de rotor 15 esta conectado, bien directamente o a traves de una multiplicadora, a un generador 19 para transferir el par generado por el rotor al generador 19 incrementando la velocidad del eje a fin de alcanzar una velocidad rotacional apropiada del rotor del generador para producir energla.
El aerogenerador 11 tambien comprende medios para que el generador 19 pueda actuar como un motor recibiendo la energla de una fuente apropiada tal como un dispositivo de Suministro Ininterrumpido de Energla (UPS) disponible en el propio aerogenerador 11 o bien una red electrica a la que el aerogenerador 11 esta conectado. De esa manera, el generador 19 puede utilizarse como medio de accionamiento del rotor.
La energla producida por el aerogenerador 11 esta controlada por medio de un sistema de control para regular el Angulo de paso de las palas del rotor y el par motor del generador. La velocidad rotacional del rotor y la production de energla de un aerogenerador pueden ser pues controladas.
A ese efecto el sistema de control recibe datos de entrada tales como la velocidad del viento V, la velocidad del generador Q, el angulo de paso de las
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palas 9, la produccion de energia P desde bien conocidos dispositivos de medida y envia datos de salida 9ref, Tret a, respectivamente, el sistema actuador del angulo de paso de las palas para cambiar la posicion angular de las palas 17 y a una unidad de comando del generador 19 para cambiar la referenda de par para la produccion de energia.
Segun la presente invencion el sistema de control tambien comprende un sistema de posicionamiento del rotor que permite situarlo en una posicion determinada estando el aerogenerador 11 en modo test, es decir cuando el aerogenerador no produce energia, el rotor y el tren de potencia giran libremente por la accion del viento y el sistema de freno esta desactivado.
Esa posicion determinada se expresa en terminos de una posicion acimutal de referenda Azref. Por ejemplo, la posicion acimutal 0deg significa que la pala 1 del aerogenerador 11 esta con su punta apuntando al cielo, la posicion acimutal 90deg significa que, mirando al aerogenerador desde fuera y desde un observador situado enfrente de el, la pala 1 estaria girada en sentido de las agujas del reloj 90deg y la posicion acimutal 180c/eg acimut significa que la pala 1 esta apuntando al suelo. La posicion acimutal del rotor se mide con un sensor ubicado en el lado de baja velocidad del tren de potencia que genera un pulso cuando la pala 1 esta en la posicion acimutal 0deg. En funcion de la relacion de transmision entre el eje de baja velocidad y el eje de alta velocidad y de este pulso se calcula, mediante integration, la posicion acimutal.
En una realization de la invencion utilizando controladores PI (proporcionales integrales), el sistema de control del posicionamiento del rotor (ver Figura 2) comprende:
- Un primer controlador PI 31 que genera una velocidad de referenda del generador Qref a partir del error acimutal Azem que se obtiene en el modulo 29 que esta configurado para calcularlo a partir de la posicion acimutal de referencia Azrer y de la posicion acimutal medida Azmeas (mediante el sensor mencionado anteriormente) y de unas ganancias proporcional e integral Kp1 y Ki1 dependientes de la velocidad del viento V (medida con un anemometro situado a la altura del buje de rotor 15).
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- Un segundo controlador PI 35 que genera un par motor de referenda del generador Tref a partir del error de la velocidad del generador Qa„, que se obtiene en el modulo 33 que esta configurado para calcularlo a partir de la velocidad de referenda del generador f2Kf y de la velocidad medida del generador Omeas (tras la aplicacion de un filtro para eliminar componentes de alta frecuencia) y unas ganancias proporcional e integral Kp2 y Ki2.
La ganancia proporcional Kp1, expresada en rpm/deg, se obtiene (ver Figura 3) en el modulo 43 que esta configurado para calcularla multiplicando un valor de ganancia variable Av1 dependiente de la velocidad del viento Vmean promediada a 600s a la altura del buje de rotor 15 por un parametro P1, expresado en rpm/deg, que define la ganancia proporcional del primer controlador PI 31. El valor de la ganancia variable Av1 se obtiene en el modulo 41 que esta configurado para calcularlo a partir de Vmean utilizando una tabla de interpolacion.
La ganancia integral Ki1, expresada en s*rpm/deg, se obtiene (ver Figura 4) en el modulo 45 que esta configurado para calcularla a partir de la ganancia proporcional Kp1 y de un parametro P2, expresado en s, que define el tiempo integral del primer controlador proporcional integral 31.
La ganancia proporcional Kp2, expresada en Nm/rpm, se obtiene (ver Figura 5) en el modulo 53 que esta configurado para calcularla multiplicando un valor de ganancia variable Av2 dependiente de la velocidad del viento Vmean promediada a 600 segundos a la altura del buje de rotor 15 por un parametro P3, expresado en Nm/rpm, que define la ganancia proporcional del segundo controlador PI 35. El valor de la ganancia variable ztv2se obtiene en el modulo 51 que esta configurado para calcularla a partir de Vmean utilizando una tabla de interpolacion.
La ganancia integral Ki2, expresada en s*Nm/rpm, se obtiene (ver Figura 6) en el modulo 55 que esta configurado para calcularla a partir de Kp2 y de un parametro P4, expresado en s, que define el tiempo integral del segundo controlador PI 35.
Las siguientes curvas (ver Figura 7) ilustran el funcionamiento del sistema de posicionamiento del rotor para situarlo en la position acimutal 90deg:
5
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- La curva 61 representa la posicion acimutal de referenda Azref(90deg).
- La curva 63 representa la evolucion en el tiempo de la posicion acimutal medida Azmeas.
- La curva 65 representa la evolucion en el tiempo de la velocidad de referenda del generador Oref.
- La curva 67 representa la evolucion en el tiempo de la velocidad medida del generador Qmeas-
- La curva 69 representa la evolucion en el tiempo del error acimutal Azerr.
- La curva 71 representa la evolucion en el tiempo del par motor de referenda del generador Tref.
Como puede observarse, el sistema de posicionamiento del rotor empieza a demandar una velocidad inicial de referenda del generador Dref de 20rpm (curva 65) y, a partir del tiempo t1, la posicion acimutal de referenda Azref de 90deg (curva 61).
Una vez que la posicion acimutal medida Azmeas (curva 63) coincide con la posicion acimutal de referenda Azref (curva 61) en el tiempo t2, se activan los controladores 31, 35 para conseguir el par motor de referencia del generador Tref (curva 71) necesario para mantener Azmeasen 90deg. El error acimutal Azerr llega a 0 a los 200s y el par motor de referencia del generador Tref varia con el tiempo tomando valores positivos y negativos.
La principal ventaja de la invencion es que permite la automatization de la operation del aerogenerador para mantener fijo el rotor en una posicion acimutal determinada durante un cierto tiempo para realizar operaciones tales como el bloqueo del rotor, el acceso de personal al aerogenerador desde helicopteros y la calibration de los sensores de carga de las palas.
Aunque se ha descrito la presente invencion en conexion con varias realizaciones, puede apreciarse a partir de la description que pueden hacerse varias combinaciones de elementos, variaciones o mejoras en ellas y que estan dentro del alcance de la invencion que se define en las reivindicaciones siguientes.

Claims (6)

  1. 5
    10
    15
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    REIVINDICACIONES
    1Un aerogenerador (11) que comprende:
    - una torre (13) y una gondola (21) que aloja un generador (19) conectado a un rotor formado por un buje de rotor (15) y al menos una pala (17), estando el generador (19) dispuesto para actuar como un motor;
    - dispositivos de medida de, al menos, la velocidad del viento V, la velocidad del generador Qy la posicion acimutal del rotor Az\
    - un sistema de control conectado con dichos dispositivos de medida y con, al menos, los actuadores de control del angulo de paso de las palas y del par motor del generador;
    caracterizado porque tambien comprende un sistema de posicionamiento del rotor en una posicion acimutal de referenda Azref y de mantenimiento del mismo en ella durante un periodo de tiempo predeterminado, estando dispuesto el aerogenerador (11) en modo test, que comprende:
    - un primer controlador (31) configurado para generar una velocidad de referencia del generador Qrei a partir de la diferencia entre la posicion acimutal de referencia del rotor Azreiy la posicion acimutal medida del rotor Azmeas\
    - un segundo controlador (35) configurado para generar un par motor de referencia del generador Tref a partir de la diferencia entre dicha velocidad de referencia del generador f2ref y la velocidad medida del generador Qmeas.
  2. 2. Un aerogenerador (11) segun la reivindicacion 1, en el que el primer y el segundo controlador (31, 35) son controladores proporcionales integrates y sus ganancias proporcionales e integrates Kp1, Kp2; Ki1, Ki2 son variables dependientes de la velocidad del viento medida a la altura del buje del rotor (15)
    Vmeas-
  3. 3. Un aerogenerador (11) segun la reivindicacion 2, en el que:
    - la ganancia proporcional Kp1, expresada en rpm/deg, se obtiene en un modulo (43) configurado para calcularla a partir de un valor de ganancia variable Avi dependiente de la velocidad medida del viento Vmean a la altura del buje del
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    rotor (15) promediada a 600s y de un parametro P1, expresado en rpm/deg, que define la ganancia proporcional del primer controlador (31);
    - la ganancia integral Ki1, expresada en s*rpm/deg, se obtiene en un modulo (45) configurado para calcularla a partir de la ganancia proporcional Kp1 y de un parametro P1 que define el tiempo integral s del primer controlador (31);
    - la ganancia proporcional Kp2, expresada en Nm/rpm, se obtiene en un modulo (53) configurado para calcularla a partir de un valor de ganancia variable ztadependiente de la velocidad del viento Vmeana la altura del buje promediada a 600 segundos y de un parametro P3, expresado en Nm/rpm, que define la ganancia proporcional del segundo controlador (35);
    - la ganancia integral Ki2, expresada en s*Nm/rpm, se obtiene en un modulo (55) configurado para calcularla a partir de la ganancia proporcional Kp2 y de un parametro P4 que define el tiempo integral s del segundo controlador (35).
  4. 4. Un aerogenerador (11) segun la reivindicacion 1, en el que el primer y el segundo controlador (31, 35) son controladores proporcionales integrales derivatives y las ganancias proporcional, integral y derivativa de los mismos son variables dependientes de la velocidad medida del viento Vmeas a la altura del buje del rotor (15).
  5. 5. Un aerogenerador (11) segun cualquiera de las reivindicaciones 1-4, que tambien comprende un dispositivo de Suministro Ininterrumpido de Energia (UPS) para proporcionar energia al generador (19) cuando el aerogenerador esta en estado de test y el generador (19) actua como un motor.
  6. 6. Un aerogenerador (11) segun cualquiera de las reivindicaciones 1-4, que tambien comprende una conexion con una red electrica para proporcionar energia al generador (19) cuando el aerogenerador esta en estado de test y el generador (19) actua como un motor.
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