ES2589384T3 - Método de operación de una turbina eólica con salida de potencia mejorada - Google Patents

Método de operación de una turbina eólica con salida de potencia mejorada Download PDF

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Abstract

Un método de operación de una turbina eólica, comprendiendo la turbina eólica un rotor que tiene un conjunto de palas de turbina eólica, estando dicho rotor montado sobre una torre, comprendiendo el método las etapas de: - proporcionar una curva que define un ángulo de paso óptimo en función de la relación de velocidad de punta para las palas de la turbina eólica o en función de la velocidad del viento, siendo el ángulo de paso óptimo el ángulo de paso que, en las condiciones de viento dadas, proporciona la salida de potencia o coeficiente de potencia, CP, más alto posible para la turbina eólica, - modificar solamente una parte de dicha curva de ángulo de paso óptimo mediante la aplicación de una tolerancia de seguridad, obteniendo de ese modo una curva de ángulo de paso de seguridad modificada, aplicándose la tolerancia de seguridad para impedir la entrada en pérdida de palas, y/o que uno o más componentes de la turbina eólica se sobrecarguen, - operar la turbina eólica de acuerdo con la curva de ángulo de paso de seguridad modificada, - medir uno o más parámetros que proporcionan información en relación a las condiciones del viento y/o cargas sobre uno o más componentes de la turbina eólica, durante la operación de la turbina eólica, - ajustar la tolerancia de seguridad, basándose en dichas mediciones, obteniendo de ese modo una curva de ángulo de paso ajustada, y - operar la turbina eólica de acuerdo con la curva de ángulo de paso ajustada.

Description

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DESCRIPCION
Metodo de operacion de una turbina eolica con salida de potencia mejorada Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un metodo de operacion de una turbina eolica, en particular una turbina eolica de paso regulado. Mas particularmente, el metodo de la presente invencion proporciona una produccion de energfa anual mejorada de la turbina en tanto que reduce el riesgo de entrada en perdida de las palas del rotor, y reduce el riesgo de danos a la turbina eolica.
Antecedentes de la invencion
Cuando se opera una turbina eolica con paso controlado, se controla el angulo de paso de las palas para maximizar el coeficiente de potencia del rotor, Cp, sin exceder el coeficiente de potencia nominal, Cp, nom. Por ello, a velocidades de viento relativamente bajas, la zona denominada de "carga parcial", el angulo de paso se controla de tal manera que el coeficiente de potencia sea tan alto como sea posible, y a velocidades de viento mas altas, la zona denominada de "plena carga", el angulo de paso se controla de tal manera que el coeficiente de potencia se limite al coeficiente de potencia nominal, Cp, nom. Con este fin se usan curvas teoricas para el calculo del angulo de paso que se va a aplicar en las circunstancias dadas. Dichas curvas podnan, por ejemplo, especificar el angulo de paso optimo en funcion de la relacion de velocidad de punta, A, siendo el angulo de paso optimo en este contexto el angulo de paso que proporciona el coeficiente de potencia, Cp, mas alto posible. La relacion de velocidad de punta, A, es la relacion entre la velocidad de punta de la pala y la velocidad del viento.
En algunos regfmenes de viento, en particular a velocidades del viento justamente por debajo de la velocidad del viento en la que se alcanza el coeficiente de potencia nominal, Cp, nom, existe el riesgo de que las palas del rotor entren en perdida y el flujo de aire sobre las palas se separe de las palas, si la turbina se opera de acuerdo con las curvas de "paso optimo" descritas anteriormente, por ejemplo en el caso de turbulencia o fuerte cizalladura del viento. Dado que esto es muy indeseable, debe seleccionarse un control del angulo de paso mas precavido, al menos en esta zona del viento. Adicionalmente, el control precavido del angulo de paso se realiza de tal manera que impide la entrada en perdida de las palas asf como cargas excesivas sobre diversos componentes de la turbina eolica, incluso en un "escenario del peor caso". Como consecuencia, la turbina eolica se opera de una manera suboptima, y la produccion de potencia de la turbina eolica se reduce en comparacion con una produccion de potencia maxima teorica.
En el documento de Zhang, X., et al., "Intelligent control for large-scale variable speed variable pitch wind turbines", Journal of Control Theory and Applications 3 (2004) 305-311, se divulga un metodo para la operacion de una turbina eolica. El sistema de control propuesto consiste en dos bucles: un bucle interior para la regulacion del par del generador usando control difuso adaptativo basado en una variable universal para maximizar la captura de potencia con velocidad del viento por debajo de la nominal; un bucle del rotor exterior para controlar el angulo de paso y mantener la potencia nominal usando un control de maquina de vectores de soporte de mrnimos cuadrados (LS- SVM, del ingles "least square support vector machine"). Las entradas al controlador del bucle del rotor son la potencia de salida del generador, la velocidad de rotacion del eje, w, y la velocidad del viento efectiva estimada, Vw. La variable de control de salida es el angulo de paso de referencia, pref, de las palas del rotor.
El documento WO2010/057737 describe un metodo para el control de una turbina eolica en donde se selecciona una curva optima de paso respecto a la velocidad de rotacion de entre el grupo de dichas curvas. El documento US2008/001409 describe una turbina eolica con un controlador de autoaprendizaje que se configura para optimizar el parametro de orientacion de la turbina eolica. El documento US4339666 describe un control del angulo de paso de pala para un generador de turbina eolica que establece una potencia optima o senal de referencia de par que, cuando las condiciones de operacion asf lo garantizan, no esta limitado por el par nominal o niveles de potencia de los diversos componentes del generador de la turbina. El documento US 2009/295159 describe un metodo de control de turbina eolica que se usa de modo que la turbina eolica puede conseguir coeficientes de potencia mas altos. El documento US2010/040468 describe un metodo para el control de una turbina eolica en donde la turbina eolica se opera por encima de un lfmite predeterminado de velocidad del viento de desconexion.
Descripcion de la invencion
Es un objeto de realizaciones de la invencion proporcionar un metodo para la operacion de una turbina eolica en el que se incremente la produccion de energfa anual en comparacion con los metodos de operacion de la tecnica anterior, sin incrementar el riesgo de entrada en perdida de las palas.
Es un objeto adicional de realizaciones de la invencion proporcionar un metodo para la operacion de una turbina eolica en el que se incremente la produccion de energfa anual en comparacion con los metodos de operacion de la tecnica anterior, sin incrementar el riesgo de sobrecarga sobre uno o mas componentes de la turbina eolica.
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De acuerdo con la invencion se proporciona un metodo para la operacion de una turbina eolica, de acuerdo con la reivindicacion 1.
De acuerdo con la presente invencion, se proporciona inicialmente una curva que define el angulo de paso optimo. La curva puede ser "optima" en el sentido de que define el angulo de paso que, en las circunstancias dadas, por ejemplo condiciones del viento, proporciona la salida de potencia o coeficiente de potencia, Cp, mas alto posible, para la turbina eolica. Alternativa o adicionalmente, la curva puede ser optima con respecto a otros factores o condiciones, tales como la direccion y/o turbulencia del viento. Por ejemplo, en algunos emplazamientos puede conocerse que se presentan turbulencias mas altas cuando el viento procede de una direccion que cuando procede de una direccion opuesta. En este caso, pueden seleccionarse varias curvas, dependiendo de una medicion de la direccion del viento.
En el presente contexto el termino "paso" debena interpretarse como el giro medio de una pala de turbina eolica alrededor del eje que se extiende a lo largo de una direccion longitudinal de la pala de la turbina eolica.
La curva define el angulo de paso optimo en funcion de la relacion de velocidad de punta para las palas de la turbina eolica o en funcion de la velocidad del viento. En consecuencia, la curva puede ser ventajosamente una curva de "paso optimo" tal como se ha descrito anteriormente.
La curva puede seleccionarse en base a datos espedficos del emplazamiento, tales como la altura de la posicion de la turbina eolica, clima, direccion del viento predominante, condiciones de estela del viento medias, condiciones de turbulencia medias, etc.
A continuacion, parte de la curva de angulo de paso optimo se modifica aplicando una tolerancia de seguridad. La tolerancia de seguridad se aplica para impedir la entrada en perdida de las palas, y/o que uno o mas componentes de la turbina eolica se sobrecarguen, en caso de rafagas o fuerte cizalladura del viento. La tolerancia de seguridad se disena normalmente de tal manera que incluso pueda manejarse un "escenario del peor caso". Tal como se ha descrito anteriormente, la tolerancia de seguridad provocara por lo tanto que la turbina eolica opere de una manera suboptima, al menos en algunas zonas de relaciones de velocidad de punta o velocidad del viento. Se obtiene de ese modo una curva modificada del angulo de paso de seguridad.
Solo se modifica una parte de la curva de angulo de paso optima. En el caso de que solo se modifique una parte de la curva, la tolerancia de seguridad puede aplicarse solamente a las relaciones de velocidad de punta y/o angulos de paso en donde es sabido que hay un alto riesgo de que las palas entren en perdida y/o que se provoque sobrecarga a la turbina eolica.
La turbina eolica es operada entonces de acuerdo con la curva de angulo de paso de seguridad modificada. De ese modo al riesgo de que las palas entren en perdida y/o de sobrecarga de la turbina eolica se elimina o al menos se reduce considerablemente. Sin embargo, como se ha mencionado anteriormente, debe esperarse que la turbina eolica se opere de una forma suboptima, es decir la produccion de energfa puede ser mas baja que la maxima produccion de energfa posible.
Mientras se opera la turbina eolica de acuerdo con la curva modificada de angulo de paso de seguridad, se miden uno o mas parametros que proporcionan informacion en relacion a las condiciones del viento y/o carga sobre uno o mas componentes de la turbina eolica. El(los) parametro(s) puede(n) incluir, por ejemplo, parametros en relacion a cargas, tales como cargas de fatiga, sobre las palas, cojinetes y/o construccion de la torre, velocidad del viento, cizalladura del viento, turbulencia, direccion del viento, etc.
El(los) parametro(s) puede(n) medirse directamente. Sin embargo, como alternativa, pueden medirse indirectamente uno o mas parametros en el sentido de que se estiman o calculan a partir de mediciones de uno o mas parametros que no proporcionan directamente informacion en relacion a las condiciones del viento y/o cargas. Por ejemplo, las cargas sobre la construccion de la torre pueden estimarse o calcularse en base a mediciones de la amplitud y/o frecuencia de las oscilaciones de la torre medidas.
Basandose en los parametros medidos se ajusta la tolerancia de seguridad. De ese modo, se obtiene una curva ajustada del angulo de paso. Finalmente, se opera la turbina eolica de acuerdo con la curva ajustada del angulo de paso.
Los parametros medidos representan condiciones reales en el exterior y/o interior de la turbina eolica. Dado que la tolerancia de seguridad se ajusta basandose en los parametros medidos, estas condiciones reales se tienen en cuenta cuando se define la tolerancia de seguridad final. Por ello, si los parametros medidos indican que no es inminente un "escenario del peor caso", la tolerancia de seguridad puede reducirse, permitiendo de ese modo que la turbina eolica se opere mas proxima a la curva de paso optimo, obteniendo de ese modo un coeficiente de potencia, Cp, que este mas proximo al coeficiente de potencia maxima, Cp, max, e incrementando la produccion de energfa de la turbina eolica. Por otro lado, en caso de que los parametros medidos indiquen que hay un muy alto riesgo de que las palas entren en perdida y/o de cargas excesivas sobre uno o mas componentes de la turbina eolica, puede
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mantenerse la tolerancia de seguridad, o incluso incrementarse, asegurando de ese modo que se evita la entrada en perdida de las palas as^ como cargas excesivas. De ese modo, la tolerancia de seguridad se actualiza dinamicamente basandose en las condiciones de operacion reales.
En consecuencia, la etapa de ajuste de la tolerancia de seguridad permite que la turbina eolica sea operada tan proxima al coeficiente de potencia maxima, Cp, max, como lo permitan las condiciones reales. De ese modo, la produccion de potencia de la turbina eolica, y por ello la produccion de energfa anual, PEA, se incrementa.
Debena tomarse nota de que la etapa de ajuste de la tolerancia de seguridad debena realizarse mediante el cambio real de la tolerancia de seguridad y el calculo o generacion de una nueva curva de paso. Sin embargo, en la practica pueden estar disponibles un cierto numero de curvas de paso previamente generadas, y la etapa de ajuste de la tolerancia de seguridad puede realizarse simplemente mediante la seleccion de otra de las curvas previamente generadas, la que sea mas adecuada en las circunstancias dadas indicadas por los parametros medidos.
La etapa de ajuste de la tolerancia de seguridad puede comprender:
- calcular un coeficiente de potencia estimado, Cp, Est,
- comparar el coeficiente de potencia estimado, Cp, Est, con un coeficiente de potencia de referencia Cp, Ref, y
- ajustar la tolerancia de seguridad basandose en la etapa de comparacion.
De acuerdo con esta realizacion, los parametros medidos se usan para calcular un coeficiente de potencia estimado Cp, Est. De ese modo, se obtiene una medicion de la potencia real que se esta produciendo por la turbina eolica. El coeficiente de potencia estimado, Cp, Est, se compara entonces con un coeficiente de potencia de referencia, Cp, Ref. El coeficiente de potencia de referencia, Cp, Ref, puede ser ventajosamente un coeficiente de potencia optimo, Cpopt, en cuyo caso puede obtenerse mediante la medicion de la relacion de la velocidad de punta de la turbina eolica y consultando una curva de Cp optima. La comparacion puede dar como resultado, por ejemplo, una senal de error que indique como de proximo esta el coeficiente de potencia real al coeficiente de potencia de referencia. Finalmente, la tolerancia de seguridad se ajusta basandose en la etapa de comparacion.
La etapa de ajuste de la tolerancia de seguridad basandose en la etapa de comparacion puede realizarse en una manera que se espere disminuya la diferencia entre el coeficiente de potencia estimado, Cp, Est, y el coeficiente de potencia de referencia, Cp, Ref. De acuerdo con esta realizacion, el ajuste de la tolerancia de seguridad lleva al coeficiente de potencia real mas proximo al valor de referencia.
Alternativa o adicionalmente, la etapa de ajuste de la tolerancia de seguridad basandose en la etapa de comparacion puede comprender la reduccion de la tolerancia de seguridad en el caso de que el coeficiente de potencia estimado, Cp, Est, sea mas pequeno que el coeficiente de potencia de referencia Cp, Ref. El caso de que el coeficiente de potencia estimado Cp, Est, sea mas pequeno que el coeficiente de potencia de referencia, Cp, Ref, es una indicacion de que las condiciones de operacion reales permiten que la turbina eolica sea operada en una forma mas agresiva que la que esta siendo operada actualmente. Es posible por lo tanto reducir la tolerancia de seguridad, seleccionando de ese modo una estrategia de operacion mas agresiva e incrementando la produccion de potencia, sin riesgo de que las palas entren en perdida y/o de que la turbina eolica, o uno o mas componentes de la turbina eolica, se sobrecarguen.
La etapa de medicion de uno o mas parametros puede comprender la medicion de una amplitud de un control de paso individual y/o dclico de las palas de la turbina eolica, y la etapa de ajuste de la tolerancia de seguridad puede realizarse basandose en dicha amplitud medida. Los angulos de paso de las palas de la turbina eolica pueden controlarse a veces de una forma individual y/o dclica. Esto puede ser, por ejemplo, para tener en cuenta que las condiciones del viento experimentadas por una pala vanan dependiendo de la posicion angular de la pala cuando gira junto con el rotor. Dichas variaciones son, por ejemplo, debidas a un cizalladura del viento y paso de la torre. Cuando dichos ajustes dclicos a los angulos de paso se usan en el control de la operacion de la turbina eolica, se requiere normalmente un margen de seguridad relativamente grande sobre la regulacion del paso para impedir la entrada en perdida de las palas y/o que la turbina eolica se sobrecargue. En consecuencia, la contribucion a la tolerancia de seguridad que puede tener en cuenta los procesos de ajustes dclicos puede constituir una fraccion relativamente grande de la tolerancia de seguridad total. Es por lo tanto muy relevante investigar como de grande es en realidad la amplitud de las variaciones dclicas de los angulos de paso, y para ajustar la tolerancia de seguridad de acuerdo con esta investigacion. Por ello, si se obtiene que la amplitud de las variaciones dclicas es mucho mas pequena que un "escenario del peor caso", la tolerancia de seguridad puede reducirse con seguridad.
La etapa de ajuste de la tolerancia de seguridad puede comprender las etapas de comparacion de la amplitud medida con una amplitud permitida maxima y reducir la tolerancia de seguridad en caso de que la amplitud medida sea mas pequena que la amplitud permitida maxima. De acuerdo con esta realizacion, la amplitud permitida maxima puede ser ventajosamente una amplitud que se espera bajo las peores condiciones posibles. En este caso la tolerancia de seguridad se reduce, de acuerdo con la presente realizacion, si se establece que las condiciones de operacion reales son menos severas que las del "escenario del peor caso". Como una alternativa, la amplitud permitida maxima puede ser una amplitud que se espera bajo condiciones que se han asumido cuando se
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selecciono la curva de paso optima y se aplico la tolerancia de seguridad. Si se obtiene que la amplitud real es mas pequena que esto, indica que las condiciones reales son menos severas que las esperadas, y la tolerancia de seguridad puede reducirse en consecuencia.
La etapa de ajuste de la tolerancia de seguridad puede comprender:
- estimar una carga sobre uno o mas componentes de la turbina eolica basandose en uno o mas de los parametros medidos, y
- mantener o incrementar la tolerancia de seguridad en caso de que la carga estimada supere un valor de umbral predefinido.
De acuerdo con la presente realizacion, al menos algunos de los parametros medidos se usan para la estimacion de una carga sobre uno o mas de los componentes de la turbina eolica. Si se obtiene que la carga estimada es mayor que la esperada y/o que hay un riesgo de sobrecarga sobre uno o mas componentes de la turbina eolica, no es seguro reducir la tolerancia de seguridad. Por lo tanto, se mantiene la tolerancia de seguridad original, o puede incluso incrementarse la tolerancia de seguridad.
La etapa de estimacion de una carga puede comprender, por ejemplo, la estimacion de un nivel de fatiga de la pala. Como una alternativa, puede estimarse la carga sobre la torre, cojinetes, tren de accionamiento, etc.
Como una alternativa a las cargas, pueden medirse o estimarse otros parametros y usarse como una base para la determinacion de si incrementar, mantener o disminuir la tolerancia de seguridad. Por ejemplo, puede detectarse una disminucion o incremento en la potencia y/o en el coeficiente de potencia estimado, Cp, y la tolerancia de seguridad puede reducirse o incrementarse de acuerdo con ello. O pueden medirse uno o mas parametros que indiquen una entrada en perdida repentina de las palas, y la tolerancia de seguridad puede incrementarse en consecuencia.
Breve descripcion de los dibujos
La invencion se describira ahora con detalle adicional con referencia a los dibujos adjuntos en los que
La Fig. 1 es un grafico que muestra un angulo de paso optimo en funcion de la relacion de velocidad de punta, A,
la Fig. 2 es un grafico que muestra el coeficiente de potencia optimo, Cp, opt, en funcion de la relacion de velocidad de punta, A,
la Fig. 3 es un grafico de comparacion del angulo de paso optimo en funcion de la relacion de velocidad de punta, A, durante la operacion de una turbina eolica de acuerdo con una estrategia de control de la tecnica anterior y una estrategia de control de acuerdo con una realizacion de la invencion, respectivamente,
la Fig. 4 es un grafico de comparacion del coeficiente de potencia optimo, Cp, opt, en funcion de la relacion de velocidad de punta, A, durante la operacion de una turbina eolica de acuerdo con una estrategia de control de la tecnica anterior y una estrategia de control de acuerdo con una realizacion de la invencion, respectivamente, y
la Fig. 5 es un diagrama de flujo que ilustra un metodo de acuerdo con una realizacion de la invencion.
Descripcion detallada de los dibujos
La Fig. 1 es un grafico que muestra un angulo de paso de una pala de rotor de turbina eolica en funcion de la relacion de la velocidad de punta, A=Rw/vw, en la que R es el radio del rotor de la turbina eolica, w es la velocidad de rotacion del rotor de la turbina eolica y vw es la velocidad del viento. La curva mostrada en la Fig. 1 se determina teoricamente de tal manera que para una relacion de velocidad de punta, A, dada se selecciona el angulo de paso que optimiza el coeficiente de potencia, Cp. De ese modo, la curva se genera en una manera que tiene en consideracion solo el maximizado de la produccion de potencia. De ese modo, otros parametros relevantes, tales como cargas, riesgo de entrada en perdida, etc., no se han tenido en consideracion durante la generacion de la curva. En consecuencia, si el angulo de paso se controla siempre a lo largo de la curva mostrada en la Fig. 1, el coeficiente de potencia del rotor, Cp, sera optimo, dando como resultado una produccion de potencia optima de la turbina eolica.
A bajas velocidades del viento, es decir con relacion de velocidad de punta alta, el angulo de paso se controla para maximizar el coeficiente de potencia del rotor, Cp. Esta zona es a veces denominada como la "zona de carga parcial". Cuando se alcanza el coeficiente de potencia nominal, Cpnom, a velocidades del viento mas altas (relacion de velocidad de punta mas baja), el angulo de paso se controla para limitar el coeficiente de potencia, Cp, al coeficiente de potencia nominal, Cpnom. Esta zona se denomina a veces como "zona de plena carga". Es claro a partir de la Fig. 1 que el angulo de paso es en general significativamente mayor en la zona de plena carga que en la zona de carga parcial.
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A velocidades del viento en la zona en la que se alcanza el coeficiente de potencia nominal, Cpnom, el angulo de paso optimo es muy bajo. Los angulos de paso bajos en esta zona incrementan el riesgo de que la pala de la turbina eolica entre en perdida si se presenta una alta turbulencia. Adicionalmente, hay un riesgo de que se apliquen cargas excesivas a algunos componentes de la turbina eolica, tales como palas, cojinetes, tren de accionamiento y/o torre en el caso de alta turbulencia o cizalladura del viento. Dichas cargas excesivas pueden reducir la vida util esperada de la turbina eolica o de uno o mas componentes de la turbina eolica. Para impedir la entrada en perdida de las palas, y para evitar cargas excesivas sobre componentes de la turbina eolica, el angulo de paso no se controla normalmente de acuerdo con la curva de paso optimo mostrada en la Fig. 1, sino mas bien de acuerdo con una curva modificada en la que se anade una "zona de tolerancia", al menos en la zona en la que se alcanza el coeficiente de potencia nominal, Cpnom. De ese modo se selecciona un angulo de paso que es mayor que el angulo de paso optimo, al menos en dicha zona, y la turbina eolica se opera por lo tanto de una forma suboptima.
La Fig. 2 es un grafico que muestra en el coeficiente de potencia optimo, Cpopt, en funcion de la relacion de velocidad de punta, A. La curva mostrada en la Fig. 2 ilustra el coeficiente de potencia maxima obtenible, Cp, para una relacion de velocidad de punta, A, dada. La curva de la Fig. 2 se obtiene si el angulo de paso de la turbina eolica se opera de acuerdo con la curva mostrada en la Fig. 1.
Como se ha descrito anteriormente, el angulo de paso no se opera normalmente precisamente de acuerdo con la curva mostrada en la Fig. 1 por razones de seguridad. En su lugar se anade una zona de tolerancia o margen de seguridad, en al menos la zona en la que se alcanza el coeficiente de potencia nominal, Cpnom, provocando la zona de tolerancia o margen de seguridad que el angulo de paso aplicado sea mayor que el angulo de paso optimo, disminuyendo de ese modo la salida de potencia de la turbina eolica. La zona de tolerancia o margen de seguridad se selecciona de tal manera que no haya riesgo de que las palas entren en perdida o que los componentes de la turbina eolica experimenten cargas excesivas, incluso si pudieran ocurrir las condiciones peores posibles, en terminos de turbulencia, rafagas y/o cizalladura del viento. Esto tiene la consecuencia de que la turbina eolica es operada la mayor parte del tiempo de una manera suboptima sin ningun peligro real de que las palas entren en perdida o de que la vida util de la turbina eolica quede afectada, debido a que las peores condiciones posibles solo ocurren muy raramente. Sin embargo, por razones de seguridad, debe asegurarse que cuando suceden las peores condiciones posibles, las palas no entran en perdida.
De acuerdo con la presente invencion se examinan y evaluan las condiciones reales del viento, y en el caso de que se revele que la severidad de las condiciones del viento reales estan lejos de las peores condiciones posibles, entonces se reducen los criterios de seguridad, la zona de tolerancia o margen de seguridad se reduce, y el angulo de paso se controla para que este mas proximo a la curva de paso optima mostrada en la Fig. 1. Si, por otro lado, se revela que la severidad de las condiciones de viento reales estan proximas a las peores condiciones posibles, entonces se mantiene la zona de tolerancia o margen de seguridad originales. Adicionalmente, en el caso de que se revele que la severidad de las condiciones de viento reales son peores que las esperadas y tenidas en cuenta para la zona de tolerancia o margen de seguridad, entonces puede incrementarse la zona de tolerancia o margen de seguridad, reduciendo de ese modo el riesgo de que las palas entren en perdida o de que se apliquen cargas excesivas a los componentes de la turbina eolica.
La Fig. 3 es un grafico que muestra el angulo de paso en funcion de la relacion de velocidad de punta, A, similar a la Fig. 1. En la Fig. 3 se muestran dos curvas. La lmea continua 1 ilustra una curva de referencia, es decir una curva de paso optimo que incluye una zona de tolerancia o margen de seguridad completo tal como se ha descrito anteriormente. Por ello, la lmea continua 1 representa una estrategia de control de la tecnica anterior. La lmea discontinua 2 representa una estrategia de control mas agresiva, en donde la zona de tolerancia o margen de seguridad se disminuye en el caso de que se revele que la severidad de las condiciones de viento reales esta lejos de las peores condiciones posibles. Por ello, la lmea discontinua 2 representa una estrategia de control de acuerdo con una realizacion de la invencion.
Queda claro partir de la Fig. 3 que la estrategia de control de acuerdo con una realizacion de la invencion permite que se seleccione un angulo de paso mas pequeno en la zona en la que se alcanza el coeficiente de potencia nominal, Cpnom, como es el caso si el angulo de paso se controla de acuerdo con la curva de referencia 1.
La Fig. 4 es un grafico que muestra el coeficiente de potencia del rotor, Cp, en funcion de la relacion de velocidad de punta, A, similar a la Fig. 2. En la Fig. 4 se muestran dos curvas. La lmea continua 3 representa el coeficiente de potencia, Cp, obtenido cuando el angulo de paso se controla de acuerdo con la estrategia de control de referencia ilustrada por la curva 1 de la Fig. 3, y la lmea discontinua 4 representa el coeficiente de potencia, Cp, obtenido cuando el angulo de paso se controla de acuerdo con la estrategia de control de la invencion ilustrada por la curva 2 de la Fig. 3. Es claro a partir de la Fig. 4 que la estrategia de control agresiva 4 da como resultado un coeficiente de potencia, Cp, significativamente mas alto que la estrategia de control de referencia 3, en un intervalo mas amplio de relaciones de velocidad de punta, A. Como resultado, se obtiene un incremento significativo en la produccion anual de energfa de la turbina eolica, sin incrementar el riesgo de que las palas de la turbina eolica entren en perdida o que se apliquen cargas excesivas a los componentes de la turbina eolica.
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La Fig. 5 es un diagrama de flujo que ilustra un metodo de acuerdo con una realizacion de la invencion. En la etapa 5 se miden un cierto numero de valores de parametros. Los valores de parametros pueden, por ejemplo, incluir la relacion de velocidad de punta, potencia de salida, angulo de paso, error de orientacion, velocidad del viento, velocidad de rotacion del generador, temperatura y altura de la localizacion de la turbina eolica. Los valores de parametros pueden medirse directamente. Como alternativa, uno o mas valores de parametros pueden estimarse o calcularse a partir de los valores medidos. Por ejemplo, pueden estimarse las cargas o turbulencia basandose en los parametros medidos, y las cargas estimadas o turbulencia pueden usarse cuando se ajusta el angulo de paso. Por ello, los parametros medidos y/o estimados pueden usarse para el calculo y/o estimacion de magnitudes que se requieren para el ajuste del angulo de paso, por ejemplo, Cp, cargas, turbulencia, etc.
Basandose en la relacion de velocidad de punta medida, puede seleccionarse un angulo de paso de referencia en la etapa 6. El angulo de paso de referencia se selecciona por medio de una curva de paso de referencia que incluye una zona de tolerancia o margen de seguridad tal como se ha descrito anteriormente con referencia a la Fig. 3.
Algunos o todos de los valores de parametros medidos se suministran a un estimador del Cp, y en la etapa 7 se calcula un valor estimado, CpEst, del coeficiente del potencia del rotor, Cp, actual real, de la turbina eolica basandose en los valores de parametros medidos, y posiblemente basandose en uno o mas valores estimados. Simultaneamente, se obtiene un valor de referencia Cp basandose en la relacion de velocidad de punta medida y por medio de una curva de referencia de Cp maximo. El valor Cp de referencia, Cpref, y el valor Cp estimado, Cpest, se comparan en la etapa 8, obteniendo de ese modo una senal de error, Cp error.
En la etapa 9, se investiga si Cp error es mas pequena que un valor de umbral. Si este no es el caso, es decir si la senal de error, Cp error, es mayor y positiva, se calcula una compensacion del Cp, y el angulo de paso se disminuye en la etapa 10. Asi, en este caso se selecciona un angulo de paso que es mas pequeno que el angulo de paso especificado por la curva de paso de referencia. Se calcula cuidadosamente exactamente cuanto del angulo de paso ha de ajustarse, dependiendo del tamano de la senal de error, Cp error. Adicionalmente, se deberia tomar nota de que pueden tenerse en cuenta otras consideraciones cuando se ajusta el angulo de paso. Por ejemplo, las cargas, entrada en perdida de pala, salidas de otros controladores, etc. medidos, estimados o calculados, pueden incorporarse cuando se calcula el ajuste del paso.
En el caso de que la investigacion de la etapa 9 revele que Cp error es mas pequeno que el valor de umbral, entonces el proceso se avanza a la etapa 11, en el que se investiga si Cp error es mas pequena que cero. Si no es este el caso, es decir en el caso de que la senal de error, Cp error sea igual a o proxima cero, el angulo de paso de referencia se mantiene tal como se muestra en la etapa 12.
En el caso de que la investigacion de la etapa 11 revele que Cp error es negativo, entonces el angulo de paso se incrementa en la etapa 13. De ese modo, en este caso, se selecciona un angulo de paso mayor que el especificado por la curva de paso de referencia, dado que esta es una indicacion de que las condiciones de viento reales son mas severas que lo esperado.
El metodo puede comprender adicionalmente el calculo de un valor estimado de la fatiga sobre las palas en las condiciones de operacion dadas. Basandose en la fatiga estimada de las palas, puede calcularse un Kmite inferior para el angulo de paso, representando el Kmite inferior un angulo de paso por debajo del que debe esperarse que se apliquen cargas excesivas a las palas. De acuerdo con una realizacion, el ajuste del angulo de paso descrito anteriormente, basado en la senal de error, Cp error, no se permite que disminuya el angulo de paso por debajo del Kmite inferior calculado.
Adicionalmente, los angulos de paso de las palas pueden controlarse en una manera individual y/o dclica para reducir las cargas sobre las palas, cojinetes, tren de accionamiento, torre, etc., por ejemplo debido a cizalladura del viento, rafagas o turbulencia. Esto se obtiene normalmente mediante la aplicacion de una correccion al angulo de paso de cada pala, variando la correccion dclicamente dependiendo de la posicion angular de la pala. La correccion puede calcularse basandose en los valores de parametros medidos que representan las condiciones del viento reales en el emplazamiento de la turbina eolica. La amplitud de las correlaciones variables dclicamente es una medida de la cizalladura del viento actual. La zona de tolerancia o margen de seguridad aplicado a la curva de paso optima puede, entre otras cosas, establecerse basandose en la maxima amplitud esperada de las variaciones dclicas.
La amplitud real de las variaciones dclicas puede medirse, y esta amplitud medida puede compararse con la maxima amplitud esperada. En el caso de que la comparacion revele que la amplitud real es mucho mas pequena que la maxima amplitud esperada, entonces la zona de tolerancia o margen de seguridad puede reducirse en consecuencia, permitiendo de ese modo un angulo de paso mas pequeno y una estrategia de control mas agresiva.

Claims (8)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo de operacion de una turbina eolica, comprendiendo la turbina eolica un rotor que tiene un conjunto de palas de turbina eolica, estando dicho rotor montado sobre una torre, comprendiendo el metodo las etapas de:
    - proporcionar una curva que define un angulo de paso optimo en funcion de la relacion de velocidad de punta para las palas de la turbina eolica o en funcion de la velocidad del viento, siendo el angulo de paso optimo el angulo de paso que, en las condiciones de viento dadas, proporciona la salida de potencia o coeficiente de potencia, Cp, mas alto posible para la turbina eolica,
    - modificar solamente una parte de dicha curva de angulo de paso optimo mediante la aplicacion de una tolerancia de seguridad, obteniendo de ese modo una curva de angulo de paso de seguridad modificada, aplicandose la tolerancia de seguridad para impedir la entrada en perdida de palas, y/o que uno o mas componentes de la turbina eolica se sobrecarguen,
    - operar la turbina eolica de acuerdo con la curva de angulo de paso de seguridad modificada,
    - medir uno o mas parametros que proporcionan informacion en relacion a las condiciones del viento y/o cargas sobre uno o mas componentes de la turbina eolica, durante la operacion de la turbina eolica,
    - ajustar la tolerancia de seguridad, basandose en dichas mediciones, obteniendo de ese modo una curva de angulo de paso ajustada, y
    - operar la turbina eolica de acuerdo con la curva de angulo de paso ajustada.
  2. 2. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la etapa de ajuste de la tolerancia de seguridad comprende:
    - calcular un coeficiente de potencia estimado, Cp, Est,
    - comparar el coeficiente de potencia estimado, Cp, Est, con un coeficiente de potencia de referencia, Cp, Ref, y
    - ajustar la tolerancia de seguridad basandose en la etapa de comparacion.
  3. 3. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 2, en el que la etapa de ajuste de la tolerancia de seguridad
    basandose en la etapa de comparacion se realiza de una manera que se espera disminuir la diferencia entre el
    coeficiente de potencia estimado, Cp, Est, y el coeficiente de potencia de referencia, Cp, Ref.
  4. 4. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 2 o 3, en el que la etapa de ajuste de la tolerancia de seguridad basandose en la etapa de comparacion comprende la reduccion de la tolerancia de seguridad en caso de que el coeficiente de potencia estimado, Cp, Est, sea mas pequeno que el coeficiente de potencia de referencia, Cp, Ref.
  5. 5. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la etapa de medicion de uno o mas parametros comprende la medicion de una amplitud de un control de paso individual y/o dclico de las palas de la turbina eolica, y en el que la etapa de ajuste de la tolerancia de seguridad se realiza basandose en dicha amplitud medida.
  6. 6. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 5, en el que la etapa de ajuste de la tolerancia de seguridad comprende las etapas de comparar la amplitud medida con una amplitud maxima permitida y reducir la tolerancia de seguridad en el caso de que la amplitud medida sea mas pequena que la amplitud maxima permitida.
  7. 7. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la etapa de ajuste de la tolerancia de seguridad comprende:
    - estimar una carga sobre uno o mas componentes de la turbina eolica basandose en uno o mas de los parametros medidos, y
    - mantener o incrementar la tolerancia de seguridad en el caso de que la carga estimada exceda un valor de umbral predefinido.
  8. 8. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 7, en el que la etapa de estimacion de una carga comprende la estimacion de un nivel de fatiga de la pala.
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