ES2593252T3 - Aerogenerador con un control activo del ángulo de paso de las palas durante una situación de marcha en vacío - Google Patents

Aerogenerador con un control activo del ángulo de paso de las palas durante una situación de marcha en vacío Download PDF

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ES2593252T3 ES11008364.9T ES11008364T ES2593252T3 ES 2593252 T3 ES2593252 T3 ES 2593252T3 ES 11008364 T ES11008364 T ES 11008364T ES 2593252 T3 ES2593252 T3 ES 2593252T3
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Abstract

Un aerogenerador que comprende: - una torre (13) y una góndola (21) que aloja un generador (19) accionado por un rotor eólico formado por un buje de rotor (15) y tres palas (17); - dispositivos de medida de al menos la velocidad del viento V, la velocidad del generador Ω, el ángulo de paso θi de cada pala, la potencia P, las aceleraciones del aerogenerador en dos direcciones perpendiculares Ax, Ay, el ángulo de guiñada Yw; la posición de acimut del rotor eólico AZ; - un sistema de control conectado a dichos dispositivos de medida y a, al menos, los actuadores de control del ángulo de paso de las palas y del par motor, estando adaptado el sistema de control para realizar una regulación del aerogenerador de acuerdo con una determina curva de potencia (25) para velocidades de viento por debajo de la velocidad de corte Vout; caracterizado porque el sistema de control también está adaptado para realizar una regulación activa del ángulo de paso de las palas cuando el aerogenerador se encuentra en una situación de marcha en vacío por encima de Vout cambiando el ángulo de paso θide cada pala para minimizar las vibraciones del aerogenerador en función de, al menos, los valores medidos de la velocidad del viento V, las aceleraciones del aerogenerador en dos direcciones perpendiculares Ax, Ay, el ángulo de guiñada Yw, la posición de acimut del rotor eólico AZ y el ángulo de paso θi de cada pala y además comprende un módulo adaptado para obtener las referencias del ángulo de paso de las palas θref1 , θref2 , θref3 que tienen que ser proporcionados a los actuadores del ángulo de paso de las palas que incluye: - un primer sub-módulo (41) adaptado para calcular una primera ganancia Δ, común para todas las palas, en función de la medición de la velocidad del viento V meas y las mediciones de las aceleraciones del aerogenerador Axmeas, AYmeas;

Description

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AEROGENERADOR CON UN CONTROL ACTIVO DEL ANGULO DE PASO DE LAS PALAS DURANTE UNA SITUACION DE MARCHA EN VACIO
CAMPO DE LA INVENCION
La invencion se refiere a metodos y sistemas para minimizar vibraciones en aerogeneradores en una situation de vacio con una velocidad de viento por encima de la velocidad de corte.
ANTECEDENTES
Durante una situation de marcha en vacio, es decir una situation en la que no se produce energia, los aerogeneradores tienen normalmente una position fija del angulo de paso de las palas, en funcion de la velocidad del viento, que se mantiene constante para una velocidad de viento constante.
Tipicamente esa position del angulo de paso de las palas esta en torno a 70° para bajas velocidades de viento y cerca de 90° para altas velocidades de viento para permitir una lenta rotation del rotor que ayude a la lubrication del tren de potencia, especialmente la multiplicadora.
En situaciones de marcha en vacio del aerogenerador por encima de la velocidad de corte Vout que determina la parada de la production de energia, una position de las palas proxima a la position de bandera supone grandes cargas en el aerogenerador, especialmente en las palas y/o en la torre. Estas grandes cargas pueden tener un componente no estacionario importante, que puede contribuir significativamente a la fatiga y/o a las cargas extremas.
En algunas ubicaciones de parques de aerogeneradores la distribution de viento a largo plazo (definida habitualmente con una distribution de probabilidad de Weibull) provoca que el aerogenerador esta en una situation de marcha en vacio por encima de Vout durante una parte importante de su tiempo de vida. En este caso las cargas provocadas en estas situaciones de marcha en
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vacio pueden contribuir de manera importante al nivel global de cargas del aerogenerador.
Por ejemplo, en aquellos parques de aerogeneradores con factor de forma Weibull k cercano a 3 el aerogenerador esta en una situacion de marcha en vacio por encima de Vout durante gran cantidad de tiempo, ocasionando, en ese caso, una carga lateral de fatiga Mx en la torre incluso mayor que el componente longitudinal My. Esto es bastante inusual porque normalmente el componente longitudinal My de la carga de fatiga de la torre es mayor que el componente lateral Mx en la mayorta de parques de aerogeneradores.
La presente invencion esta orientada a la busqueda de una solucion para esos inconvenientes.
SUMARIO DE LA INVENCION
Es un objeto de la presente invencion proporcionar un aerogenerador con un sistema de control que permita que el aerogenerador pueda estar en una situacion de marcha en vacio por encima de Vout minimizando las cargas globales del aerogenerador.
Es otro objeto de la presente invencion proporcionar un aerogenerador con un sistema de control que permita que el aerogenerador pueda estar en una situacion de marcha en vacio por encima de Vout minimizando las vibraciones del aerogenerador.
Esos y otros objetos se consiguen por medio de un aerogenerador segun la reivindicacion 1.
En realizaciones preferentes, las mediciones de las aceleraciones del aerogenerador Axmeas, Aymeas son mediciones en la gondola o en la torre en dos direcciones horizontales perpendiculares o se obtienen combinando ambas mediciones. La medicion del angulo de guinada Ywmeas puede ser tenida en cuenta adicionalmente para ajustar dichas mediciones. Se proporcionan pues varias alternativas para la medicion de las aceleraciones del aerogenerador para adaptar la regulacion activa del angulo de paso a necesidades particulares.
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Otras caracteristicas y ventajas de la presente invencion se desprenderan de la siguiente descripcion detallada de una realizacion ilustrativa y no limitativa de su objeto en relacion con las figuras que se acompanan.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
La Figura 1 es una vista esquematica en seccion transversal de un aerogenerador.
La Figura 2 muestra una tipica curva de produccion de un aerogenerador.
La Figura 3 es un diagrama esquematico de bloques del control activo de angulo de paso de las palas segun la presente invencion y la Figura 4 es un diagrama de bloques detallado de una realizacion preferente.
DESCRIPCION DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS
Un aerogenerador 11 convencional comprende una torre 13 soportando una gondola 21 que alberga un generador 19 para convertir la energia rotacional del rotor del aerogenerador en energia electrica. El rotor del aerogenerador comprende un buje de rotor 15 y, normalmente, tres palas 17. El buje del rotor 15 esta conectado al bien directamente o a traves de una multiplicadora al generador 19 del aerogenerador para transferir el par generado por el rotor 15 al generador 19 incrementando la velocidad del eje a fin de alcanzar una velocidad rotacional apropiada del rotor del generador.
La energia producida por un aerogenerador moderno esta controlada normalmente por medios 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 produccion de energia de un aerogenerador pueden ser pues controladas inicialmente.
Por debajo de la velocidad de code Vout el sistema de control del aerogenerador esta dispuesto para regular la produccion de energia segun una curva que define la relacion funcional deseada entre potencia y velocidad para
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alcanzar una produccion ideal. Una curva de ese tipo es la curva 25 de la Figura 2 que muestra que la produccion de energia Pse incrementa desde una minima velocidad del viento Vmin hasta la velocidad nominal del viento Vn y entonces permanece constante en el valor nominal de produccion de energia hasta la velocidad de code del viento V0[;f donde decrece hasta 0.
Para implementar esa regulation una unidad de control recibe datos de entrada tales como la velocidad del viento V, la velocidad del generador Q, el angulo de paso de las palas 0, la produccion de energia P desde bien conocidos dispositivos de medida y envia datos de salida 0ref, Tref a, respectivamente, el sistema actuador el angulo de paso de las palas para cambiar la position angular de las palas 17 y a una unidad de comando del generador para cambiar la referencia para la produccion de energia.
Segun la presente invention el sistema de control tambien esta dispuesto para aplicar un control activo del angulo de paso de las palas en una situacion de marcha en vacio con velocidades de viento por encima de la velocidad de corte Vout.
Como se muestra en la Figura 3 para el caso de un aerogenerador de tres palas las entradas basicas a la unidad de control 31 que implementa dicho control activo del angulo de paso de las palas en una situacion de marcha en vacio son las siguientes: la medicion de la velocidad del viento Vmeas, las mediciones de los angulos de paso de las tres palas 9measi, 0meas2, 0meaS3, la referencia colectiva del angulo de paso de las palas 9ref generada por el controlador principal del aerogenerador, las mediciones de las aceleraciones del aerogenerador Axmeas, Aymeas, la medicion de la velocidad del generador f2meas, la medicion de la posicion de acimut del rotor eolico AZmeas y la medicion del angulo de guinada Ywmeas. Las salidas son las referencias individuales del angulo de paso de las palas 9refi, 0ref2, &ref3 que se proporcionan a los sistemas de actuation del angulo de paso de las palas.
La medicion de la posicion de acimut del rotor eolico AZmeas y la medicion del angulo de guinada Ywmeas se obtienen mediante cualquier sensor apropiado
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de posicion angular, por ejemplo, un sensor de posicion de no contacto inductivo o un codificador rotatorio.
En una realizacion de la invencion las mediciones de las aceleraciones del aerogenerador Axmeas, Aymeas son mediciones de las aceleraciones del
aerogenerador realizadas en la gondola 21 en dos direcciones horizontales perpendiculares (siendo por ejemplo las direcciones Norte-Sur / Este-Oeste) usando acelerometros convenientemente ubicados.
En otra realizacion de la invencion las mediciones de las aceleraciones del aerogenerador Axmeas, Aymeas son mediciones de las aceleraciones del
aerogenerador realizadas en la tone 13 (en cualquier altura) en dos direcciones horizontales perpendiculares (siendo por ejemplo las direcciones Norte-Sur / Este- Oeste) usando acelerometros convenientemente ubicados.
En otra realizacion de la invencion las mediciones de las aceleraciones del aerogenerador se obtienen componiendo mediciones de las aceleraciones en la gondola 21 y en la tone 13.
En los tres casos mencionados anteriormente la medicion del angulo de guinada Ywmeas tambien puede sertenida en cuenta.
Dicha unidad de control 31 comprende un modulo implementando un algoritmo apropiado para determinar las referencias individuales del angulo de paso de las palas 6refi, 0ref2, 0ref3 que minimizan las vibraciones del aerogenerador para cada conjunto de dichas variables de entrada.
En una realizacion preferente (para aceleraciones del aerogenerador medidas en la gondola 21 o en la tone 13) dicho algoritmo se implementa mediante los modulos 41, 61,71 y 81 mostrados en la Figura 4.
En el sub-modulo 41 una primera ganancia Ai, comun para todas las palas, se obtiene a partir de la medicion de la velocidad del viento Vmeas y de las mediciones de la aceleraciones del aerogenerador Axmeas, Aymeas.
Las senales de las mediciones de las aceleraciones Axmeas, Aymeas (que son indicativas de las vibraciones que ocurren en el aerogenerador) son filtradas con paso bajo en los bloques 43 y convertidas en senales de velocidad Vtx, Vty mediante un algoritmo integrador (bloques 45) y una constante de ganancia
apropiada (bloques 47). En el bloque 51 se obtiene una primera ganancia At a traves de un algoritmo de Realimentacion de Velocidad Directa que realimenta las senales de velocidad con una ganancia limitada para el sistema de control del angulo de paso de las palas. En el bloque 51 se afiade una contribucion adicional 5 proporcional a la medicion de la velocidad del viento Vmeas obtenida en el bloque 49. Mediante la adicion de esta contribucion se anade un amortiguador a las vibraciones a lo largo de las direcciones de medida. Tambien se hace dependiente de la velocidad del viento la primera ganancia Ai con el proposito de hacerla mayor o menor en funcion de la velocidad del viento ayudando con ello a 10 la activacion o desactivacion del control activo del angulo de paso de las palas por debajo o por encima de cierta velocidad del viento.
En el sub-modulo 61 se obtiene una segunda ganancia A2 individualmente para cada pala en funcion de la primera ganancia Ai, la medicion de la posicion de acimut de! rotor AZmeas y la medicion del angulo de 15 guinada Ywmeas. En la Figura 4 se muestran solo los sub-modulos 61, 71, 81 para una pala.
En el bloque 63 se calcula una ganancia especifica en funcion de la medicion de la posicion de acimut del rotor AZmeas y la medicion del angulo de guinada Ywmeas, y en el bloque 65 se multiplica por la primera ganancia A-i para 20 obtener la segunda ganancia A2.
En el sub-modulo 71 se obtiene una tercera ganancia A3 individualmente para cada pala en funcion de la segunda ganancia A2t la medicion de la velocidad del generador Dmeas y el angulo de paso de palas medio 0mean (que se obtiene a partir de las tres mediciones de los angulos de paso de las palas 2 5 Omeasi, 9meas2 9meas3■ Una actuacion descontrolada sobre el sistema de control del angulo de paso de las palas durante una situacion de marcha en vacio puede conducir a la velocidades excesivas del rotor. Con e! proposito de reducirlas, la segunda ganancia A2 se limita (saturada) en el bloque 77 por unos limites superior e inferior (limites de saturation) obtenidos en los bloques 73, 75 en funcion de la
medicion de la velocidad del generador Omeas y el angulo de paso medio de las
palaS Qmean-
Finalmente en el sub-modulo 81, en el bloque 83 se calcula la referenda del angulo de paso de la pala Oreti para la pala 1 anadiendo el angulo de paso 5 colectivo Qref de las palas a la tercera ganancia A3.
Para realizaciones de la invencion que usan mas de una medicion de la aceleracion del aerogenerador en dos direcdones horizontales perpendiculares, el sub-modulo 41 tendra bloques adicionales (no mostrados) para implementar la correspondiente composicion teniendo en cuenta las relaciones 10 trigonometricas entre las posiciones de la gondola y la torre con el angulo de guinada.
Mediante la determination de una referencia dinamica del angulo de paso de cada pala (que puede ser la misma para las tres palas) que se anade a referenda colectiva del angulo de paso de las palas, se minimizan las vibraciones 15 del aerogenerador, particularmente las vibraciones debidas a cargas horizontales sobre la torre, que son la fuente de vibraciones durante situaciones de marcha en vacio e incrementan la carga de fatiga en algunos casos.
Como el aerogenerador no produce energia en una situation de marcha en vacio, la energia requerida por dicho control activo del angulo de paso de las 20 palas debe ser proporcionado bien por una fuente de reserva de energia disponible en el aerogenerador tal como un dispositivo de Suministro Ininterrumpido de Energia (UPS) o bien por una red electrica a la que el aerogenerador esta conectado.
Aunque la presente invencion se ha descrito enteramente en conexion 25 con realizaciones preferidas, es evidente que se pueden introducir aquellas modificaciones dentro de su alcance, no considerando este como limitado por las anteriores realizaciones, sino por el contenido de las reivindicaciones siguientes.

Claims (7)

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    1Un aerogenerador que comprende:
    - una torre (13) y una gondola (21) que aloja un generador (19) accionado por un rotor eolico formado por un buje de rotor (15) y tres palas (17);
    - dispositivos de medida de al menos la velocidad del viento V, la velocidad del generador f2, el angulo de paso 6i de cada pala, la potencia P, las aceleraciones del aerogenerador en dos direcciones perpendiculares Ax, Ay, el angulo de guinada Yw\ la posicion de acimut del rotor eolico AZ\
    - un sistema de control conectado a dichos dispositivos de medida y a, al menos, los actuadores de control del angulo de paso de las palas y del par motor, estando adaptado el sistema de control para realizar una regulacion del aerogenerador de acuerdo con una determina curva de potencia (25) para velocidades de viento por debajo de la velocidad de corte Vou{,
    caracterizado porque el sistema de control tambien esta adaptado para realizar una regulacion activa del angulo de paso de las palas cuando el aerogenerador se encuentra en una situacion de marcha en vacio por encima de Vout cambiando el angulo de paso $de cada pala para minimizar las vibraciones del aerogenerador en funcion de, al menos, los valores medidos de la velocidad del viento V, las aceleraciones del aerogenerador en dos direcciones perpendiculares Ax, Ay, el angulo de guinada Yw, la posicion de
    acimut del rotor eolico AZ y el angulo de paso 6i de cada pala y ademas comprende un modulo adaptado para obtener las referencias del angulo de paso de las palas 9refi, 9ret2, 9ret3 que tienen que ser proporcionados a los actuadores del angulo de paso de las palas que incluye:
    - un primer sub-modulo (41) adaptado para calcular una primera ganancia A1t comun para todas las palas, en funcion de la medicion de la velocidad del viento Vmeas y las mediciones de las aceleraciones del aerogenerador Axmeas, Aymeas',
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    - un segundo sub-modulo (61) adaptado para calcular una segunda ganancia A2, individualmente para cada pala, en funcion de la primera ganancia Ai, la medicion del acimut del rotor AZmeas y la medicion del angulo de guinada
    Ywmeas,
    - un tercer sub-modulo (71) adaptado para para calcular una tercera ganancia A3, individualmente para cada pala, en funcion de la segunda ganancia A2, la medicion de la velocidad del generador Qmeas y el angulo de paso medio 0mean\ y
    - un cuarto sub-modulo (81) adaptado para obtener las referencias individuales del angulo de paso de las palas 0refi, 0ref2, 0ref3, en funcion de la tercera ganancia zby la referencia colectiva del angulo de paso de las palas 0mf.
  2. 2. - Un aerogenerador segun la reivindicacion 1, caracterizado porque dichas mediciones de las aceleraciones del aerogenreador Axmeas, Aymeas estan realizadas en la gondola (21) en dos direcciones horizontales perpendiculares.
  3. 3. - Un aerogenerador segun la reivindicacion 1, en el que las mediciones de las aceleraciones el aerogenreador Axmeas, Aymeas estan realizadas en la torre (13) en dos direcciones horizontales perpendiculares.
  4. 4. - Un aerogenerador segun la reivindicacion 1, en el que dichas mediciones de las aceleraciones Axmeas, Aymeas son el resultado de una composicion trigonometrica de las aceleraciones del aerogenerador medidas en la gondola (21) y en la torre (13) en dos direcciones horizontales perpendiculares.
  5. 5. - Aerogenerador segun cualquiera de las reivindicaciones 2-4, en el que dichas mediciones de las aceleraciones Axmeas, Aymeas se modifican teniendo en cuenta la medicion del angulo de guinada Wmeas.
  6. 6. - Aerogenerador segun cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que el aerogenerador tambien comprende un dispositivo de Suministro Ininterrumpido de Energia (UPS) para proporcionar energla al sistema actuador del angulo de
    5 paso de las palas en dicha situacion de marcha en vaclo.
  7. 7. - Aerogenerador segun cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el que la energia suministrada al sistema actuador del angulo de paso de las palas en dicha situacion de marcha en vacio es proporcionada por una red electrica a la
    10 que el aerogenerador esta conectado.
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    FIG. 1
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