ES2602272T3 - Procedimiento para controlar una eólica optimizando su producción mientras minimiza el impacto mecánico sobre la transmisión - Google Patents

Procedimiento para controlar una eólica optimizando su producción mientras minimiza el impacto mecánico sobre la transmisión Download PDF

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Abstract

Procedimiento para optimizar la producción de energía eléctrica de una eólica, comprendiendo la mencionada eólica una góndola provista de un rotor en el cual se fijan las aspas, y una máquina eléctrica conectada con dicho rotor por una transmisión, en el cual se controla un ángulo de inclinación de las mencionadas aspas, caracterizado por que comprende las etapas siguientes : a) se determina un valor de consigna de par aerodinámico y un valor de consigna de par de la máquina eléctrica permitiendo maximizar la potencia recuperada, a partir de mediciones de velocidad de viento, de velocidad del rotor y de velocidad de la máquina eléctrica ; b) se modifica al menos uno de los indicados valores de consigna sustrayéndole un término proporcional a una diferencia entre la velocidad medida del rotor y la velocidad medida de la máquina eléctrica ; c) se determina un ángulo de inclinación de las aspas permitiendo realizar el indicado valor de consigna de par aerodinámico; d) se orientan las aspas según el indicado ángulo de inclinación.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento para controlar una eolica optimizando su produccion mientras minimiza el impacto mecanico sobre la transmision.
Una eolica permite transformar la ene^a cinetica del viento en ene^a electrica o mecanica. La misma se compone de los elementos siguientes:
- un mastil permite colocar el rotor a una altura suficiente para permitir su movimiento (necesario para las eolicas de eje horizontal) o colocar este rotor a una altura que le permita ser accionado por un viento mas fuerte y regular que a nivel del suelo. El mastil acoge generalmente una parte de los componentes electricos y electronicos (modulador, control, multiplicador, generador, etc...);
- una gondola montada en la cima del mastil, que acoge los componentes mecanicos, neumaticos, algunos componentes electricos y electronicos, necesarios para el funcionamiento de la maquina. La gondola puede girar para orientar la maquina en la buena direccion;
- un rotor, compuesto por varias aspas (en general tres) y el morro de la eolica, fijado a la gondola. El rotor es accionado por la energfa del viento, esta conectado por un arbol mecanico directa o indirectamente (por medio de un sistema de caja de velocidades y de arbol mecanico) con la maquina electrica (generador electrico...) que convierte la energfa recogida en energfa electrica;
- una transmision, compuesta por dos ejes (arbol mecanico del rotor y arbol mecanico de la maquina electrica) conectados por una caja de velocidades.
En el caso de la eolica offshore, se distingue el caso donde la eolica esta instalada sobre el fondo marino (eolica fija o anclada), y el caso donde la eolica esta soportada por una plataforma que flota en el mar y que esta anclada en el fondo (eolica flotante).
Desde el comienzo de los anos 1990 la energfa eolica ha conocido una reactivacion del interes, en particular en la Union Europea donde el porcentaje de aumento anual es de aproximadamente un 20%. Este incremento es atribuido a la posibilidad inherente de produccion de electricidad sin emisiones de carbono. Con el fin de sostener este crecimiento, el rendimiento de las eolicas debe continuar siendo mejorado. Las eolicas estan concebidas para producir electricidad a un precio tan bajo como sea posible. Por consiguiente, las eolicas estan en general construidas de forma que alcancen su rendimiento maximo en aproximadamente 15 m/s. Resulta de hecho inutil concebir eolicas que maximalicen su rendimiento a velocidades de viento aun mas elevadas, siendo estas poco frecuentes. En caso de velocidades de viento superiores a 15 m/s, es necesario perder una parte de la energfa suplementaria contenida en el viento con el fin de evitar cualquier dano de la eolica. Todas las eolicas estan por consiguiente concebidas con un sistema de regulacion de la potencia.
La perspectiva de aumento de produccion de energfa eolica necesita el desarrollo de utiles de produccion eficaces, y utiles de control avanzados para mejorar los rendimientos de las maquinas. Las eolicas estan concebidas para producir electricidad a un precio tan bajo como sea posible. Por consiguiente, las eolicas estan en general construidas para que alcancen su rendimiento maximo en aproximadamente 15 m/s. Resulta de hecho inutil concebir eolicas que maximalicen su rendimiento a velocidades de viento aun mas elevadas, siendo estas poco frecuentes. En caso de velocidades de viento superiores a 15 m/s, es necesario perder una parte de la energfa suplementaria contenida en el viento con el fin de evitar cualquier dano de la eolica. Todas las eolicas estan por consiguiente concebidas con un sistema de regulacion de la potencia.
Los controladores lineales han sido ampliamente utilizados para la regulacion de potencia mediante el control del angulo de inclinacion de las aspas (orientacion de las aspas). Se conocen tecnicas que utilizan controladores PI y PID, tecnicas de control LQ y lQg, estrategias basadas en controles lineales robustos.
Sin embargo, los rendimientos de estos controladores lineales estan limitados por las caractensticas fuertemente no lineales de la eolica. Primeras estrategias basadas en controles no lineales han sido utilizadas en: Boukhezzar B., Lupu L., Siguerdidjane H., Hand M. “Multivariable control strategy for variable speed, variable pitch wind turbines” Renewable Energy, 32 (2007) 1273-1287.
Sin embargo, ninguno de estos controladores permite tomar en cuenta el impacto mecanico (fatiga y momento extremo) en la transmision. Ahora bien, las roturas o danos a nivel de la transmision son la parte mas importante donde la eolica no funciona. A partir de datos recuperados de una aplicacion offshore, las roturas de la transmision, de la caja de velocidades o de la maquina electrica corresponden a cerca del 39% del tiempo en que la eolica no produce. El documento EP 0008584 A1 es un primer acercamiento sin tener en cuenta el impacto de la transmision en el control del angulo de inclinacion de las aspas.
El objeto de la invencion se refiere a un procedimiento para optimizar la produccion de energfa electrica de una eolica, realizando un control no lineal de la orientacion de las aspas teniendo en cuenta las dinamicas del sistema, minimizando el impacto mecanico sobre la transmision. El impacto se minimiza disminuyendo las variaciones de velocidad de torsion de la transmision teniendo en cuenta la derivada del angulo de torsion de la transmision.
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El procedimiento segun la invencion
De forma general, la invencion se refiere a un procedimiento para optimizar la produccion de ene^a electrica de una eolica, comprendiendo la indicada eolica una gondola provista de un rotor sobre el cual se fijan las aspas, y una maquina electrica conectada con dicho rotor por una transmision, en el cual se controla un angulo de inclinacion de las indicadas aspas. El procedimiento comprende las etapas siguientes:
a) se determina un valor de consigna de par aerodinamico y un valor de consigna de par de la maquina electrica que permite maximizar la potencia recuperada, a partir de mediciones de velocidad de viento, de velocidad del rotor y de velocidad de la maquina electrica;
b) se modifica al menos uno de los indicados valores de consigna substrayendole un termino proporcional a una diferencia entre la velocidad medida del rotor y la velocidad medida de la maquina electrica;
c) se determina un angulo de inclinacion de las aspas permitiendo realizar el indicado valor de consigna de par aerodinamico;
d) se orientan las aspas segun el indicado angulo de inclinacion.
Segun la invencion se puede modificar al menos uno de los indicados valores de consigna realizando las etapas siguientes:
(i) se determina un par 7’ t,( sobre la indicada transmision resultante de los indicados valores de consigna de par aerodinamico y de par de la maquina electrica;
(ii) se determina un valor de consigna resultante sustrayendo al indicado par resultante T rcf un ter
mino proporcional a la diferencia entre la velocidad medida del rotor y la velocidad medida de la maquina electrica;
(iii) se modifica el indicado valor de consigna de par aerodinamico repartiendo el indicado valor de consigna de par resultante en un par aerodinamico y un par de la maquina electrica.
Segun la invencion, el valor de consigna del par resultante J puede escribirse de la forma siguiente:
imagen1
■ siendo k parametros de calibracion estrictamente positivos, y yu es la velocidad de la torsion de la transmision, igual a la diferencia de velocidad del rotor Qr y de la maquina electrica Qg llevada sobre el mismo eje:
Y[r= Qr . donde N es una relacion de caja entre eje del rotor y eje de la maquina electrica.
Se puede determinar el angulo de inclinacion de las aspas invirtiendo un modelo de par aerodinamico y utilizando las indicadas mediciones de velocidad de viento y de velocidad del rotor.
Por ultimo, se puede determinar el termino proporcional utilizando para ello un modelo de la dinamica de la transmision.
Otras caractensticas y ventajas del procedimiento segun la invencion, apareceran con la lectura de la descripcion dada a continuacion de ejemplos no limitativos de realizaciones, haciendo referencia a las figuras adjuntas y descritas a continuacion.
Presentacion sucinta de las figuras
- La figura 1 representa el encadenamiento de las etapas del procedimiento segun la invencion.
- La figura 2 ilustra un ejemplo de cartograffa del parametro Cq.
Descripcion detallada del procedimiento
En el transcurso de la descripcion, las representaciones siguientes son utilizadas:
Variables controladas:
• 0 el angulo de inclinacion de las aspas en grados, tambien llamado «pitch» (paso), y que corresponde al angulo de toma del viento por cada una de las aspas. •
• Tg el par de la maquina electrica en Nm;
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• Taero el par aerodinamico (fuerza en rotacion aplicada al rotor bajo el efecto del viento).
Variables medidas, indicadas MES(-):
• Vw la velocidad del viento en m/s. Esta velocidad es el resultado de una medicion a partir de un anemometro o el resultado de una estimacion;
• Qr la velocidad del rotor en rad/s;
• Qg la velocidad de la maquina electrica en rad/s.
El objetivo del procedimiento segun la invencion es maximizar la produccion de ene^a de una eolica “onshore” u “offshore” limitando los momentos extremos y la fatiga de la transmision. Para ello, se determina en una primera fase un valor de consigna de velocidad del rotor y un valor de consigna del par de la maquina electrica para maximizar la potencia recuperada. Estos dos valores de consigna se obtienen por medio de cartograffas que son funcion de la velocidad del viento. Este tipo de cartograffas es bien conocido por los especialistas.
Para controlar la estructura mecanica, se pilota el par aerodinamico relacionado con el cubo accionando la orientacion de las aspas. Para ello, se utilizan modelos de este par aerodinamico medio en funcion del paso, de la velocidad del viento y de la velocidad del rotor. Seguidamente, se modifica el valor de consigna de posicion del paso y del par de la maquina electrica con el fin de limitar el impacto mecanico de las variaciones de viento. Asf, para pilotar el sistema, se realizan las etapas siguientes, ilustradas en la figura 1:
E1. Determinacion del paso que permite optimizar la potencia recuperada
i- Generacion de un valor de consigna de par electrico T*“
ii- Generacion de un valor de consigna de par aerodinamico
iii- Determinacion de una posicion de paso 9
E2. Determinacion del par resultante de los valores de consigna de los pares y
E3. Generacion de un valor de consigna de par resultante (T*^ ) que disminuye la fatiga y de la transmision
E4. Reparto del par resultante del valor de consigna (T*ft ) entre los pares aerodinamicos y E5. Determinacion de una posicion de paso que permite realizar este par aerodinamico
los momentos extremos electricos.
E6. Orientacion de las aspas segun el paso determinado.
1. Determinacion del paso que permite optimizar la potencia recuperada
Un objetivo del procedimiento segun la invencion es maximizar la produccion de energfa de una eolica de eje horizontal (helice perpendicular al viento), instalada en tierra (“onshore”) o en el mar (“offshore”), limitando los momentos extremos y la fatiga de la estructura mecanica.
Para maximizar la produccion de energfa de una eolica se busca el angulo de inclinacion de las aspas, llamado «pitch» (paso) y representado por 0, permitiendo maximizar la potencia recuperada Paero en funcion de la velocidad del viento Vw . La orientacion de las aspas es el angulo entre las aspas y una referencia tal como el suelo (plano horizontal, perpendicular al mastil de la eolica).
Segun un modo de realizacion, para definir este angulo, se utiliza un modelo de la potencia recuperable. Esta potencia Paero puede escribirse:
Paero = Tae
Vr
Siendo:
- Taero el par aerodinamico (fuerza en rotacion aplicada al rotor bajo el efecto del viento);
- Qr la velocidad del rotor en rad/s.
Se busca por consiguiente el angulo 0 que permite maximizar Paero. Para ello, se realizan las etapas siguientes: ■ i. - Generacion de un valor de consigna de par de la maquina electrica T”‘
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■ ii - Generacion de un valor de consigna de par aerodinamico
■ iii - Determinacion de una posicion de paso 0
i- Generacion de un valor de consigna par de la maquina electrica
Se determina en una primera fase un valor de consigna de par de la maquina electrica . Este valor de consigna se obtiene por medio de una cartograffa en funcion de la velocidad de la maquina electrica.
Segun la invencion, se modeliza el par aerodinamico Taero mediante un modelo que describa la potencia del viento contenida en un cilindro, multiplicada por un factor que describa el hecho de que una eolica solo permite recuperar una parte de esta potencia. Se modeliza asf el par aerodinamico en funcion de la velocidad del viento Vw, del paso 0 y de la velocidad del rotor Qr Un modelo de este tipo puede escribirse asf en regimen estabilizado:
imagen2
imagen3
Siendo:
Rb: radio del rotor; p : densidad del aire cq : cartograffa a calibrar.
Un ejemplo de cartograffa del parametro cq esta presentado en la figura 2. Esta cartograffa indica el valor del
parametro cq en funcion de la relacion
RSi
b r
, para diferentes pasos ( una curva para cada 0). Este tipo de
cartograffas es bien conocido por los especialistas. La relacion
RSI
b “r
es indicada por TSR en la figura 2.
Asf, para determinar el valor de consigna del par de la maquina electrica en funcion de la velocidad de la maquina electrica, se optimiza la potencia aerodinamica recuperada para cada velocidad de viento.
imagen4
Eso nos permite disponer del par de consigna Tg que depende de la velocidad de la maquina electrica:
Sin embargo, con relacion a esta curva de referencia, se aplican dos limitaciones:
■ un par nulo para las pequenas velocidades de la maquina electrica para poder aumentar la velocidad de la eolica;
■ un par maximo para limitar la potencia de la maquina electrica.
De este modo, se dispone de tres regiones en la curva f'f =f(Dg) ;
■ Region 1: de par nulo;
■ Region 2: de par optimo;
■ Region 3: de par limitado por la potencia maxima.
II - Generacion de un valor de consigna de par aerodinamico
El fin es generar un valor de consigna de par aerodinamico que permita realizar la velocidad de rotor
consigna . Para ello, se utiliza un modelo de la dinamica del rotor.
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Siendo:
imagen5
- Jr
-
dos);
: inercia del rotor;
: par de rozamiento y de carga sobre el rotor (se utiliza clasicamente un polinomio de orden
- N
relacion de caja entre el eje del rotor y el eje de la maquina electrica.
De este modo, la estrategia de control utilizada es una estrategia de control dinamico que anticipa la variacion del valor de consigna y que corrige con dos terminos, un termino proporcional y un termino integral. La estrategia se escribe:
imagen6
donde kp y ki son dos parametros reales a calibrar para garantizar la convergencia de la velocidad a su valor de consigna.
iii - Determinacion de una posicion de paso 9
A partir de este valor de consigna de par aerodinamico T^rn ,
aspas para satisfacer esta demanda de par aerodinamico T^:rn , aerodinamico (ecuacion 1), con la medicion de la velocidad del viento Vw, la medicion del regimen del rotor Q^ , y el
par Tlrn . Invirtiendo el modelo (por un algoritmo de Newton por ejemplo), se obtiene un valor de consigna de
paso Q ;
se determina un angulo de inclinacion 0 de las Para eso, se utiliza el modelo de par
imagen7
Asf, con esta ley de control, se garantiza la convergencia a la velocidad rotor de referencia, permitiendo maximizar la potencia recuperada.
2 - Determinacion del par resultante de los valores de consigna de los pares
A partir de las consignas T^‘ y T^ro, se determina el par 7V« resultante de estos dos pares y que trasladara a la transmision. Para ello, se modeliza este par mediante la formula siguiente:
imagen8
imagen9
donde Jr y Jg son las inercias del rotor y de la maquina electrica.
3 - Generacion de un valor de consigna de par resultante ( ) que disminuye la fatiga y los momentos de la
transmision
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Se busca modificar este par resultante Tr„ con el fin de minimizar el impacto sobre la transmision y por consiguiente aumentar su duracion. Para ello, se busca disminuir las variaciones de velocidad de torsion de la transmision. Asf, se buscara compensar el par con terminos proporcionales a la diferencia entre la velocidad del rotor y de la maquina electrica. La dinamica de la estructura mecanica (dinamica de la transmision) puede escribirse en forma de dos sistemas del segundo orden acoplados.
imagen10
donde
■ son respectivamente el angulo, la velocidad y la aceleracion de la torsion del arbol. Es preciso observar que la velocidad de torsion de la transmision es la diferencia de la velocidad del rotor y de la generatriz llevada al mismo eje, es decir,
■ kd es el amortiguamiento estructural de la transmision;
■ cd es la rigidez de la transmision.
Asf, la estrategia de control busca generar un par resultante diferente de Tt,r para minimizar la fatiga y los
momentos extremos de la transmision. Tendremos por consiguiente:
imagen11
siendo k los parametros de calibracion estrictamente positivos. Estos parametros pueden determinarse experimentalmente por un especialista. Se puede considerar que todos estos parametros k son iguales a 1 por ejemplo.
4 -. Reparto del par resultante del valor de consigna (T*^ ) entre los pares aerodinamicos y electricos.
Este valor de consigna de par resultante es a continuacion repartido entre el par aerodinamico Taero y el par
de la maquina electrica Tg. Para ello, el reparto se realiza en funcion de las zonas operatorias. En una zona 2, donde el par aerodinamico es limitante, se dispone de una reserva de par. En este caso, la modificacion del par influye sobre el par de la maquina electrica y no sobre el par aerodinamico. Asi, en este caso, se dispone:
imagen12
De la misma manera en una zona 3 donde el par de la maquina electrica es limitante, la modificacion de par influye sobre el par aerodinamico lo cual proporciona:
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imagen13
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5 - Determinacion de una posicion de paso que permite realizar este par aerodinamico.
A partir de este valor de consigna de par aerodinamico T*™1 . se determina un angulo de inclinacion 0 de las aspas
nrif&tU
para satisfacer esta demanda de par aerodinamico iaem . Para ello, se utiliza el modelo de par aerodinamico
(ecuacion 1), con la medicion de la velocidad del viento Vw, la medicion del regimen del rotor y el par de consigna ‘3 ' . _ Invirtiendo el modelo (mediante un algoritmo de Newton por ejemplo), se obtiene un valor de consigna de ‘paso
imagen15
Asi, con esta ley de control se garantiza la convergencia a la velocidad rotor de referencia, permitiendo maximizar la potencia recuperada, minimizando el impacto mecanico (fatiga y momento extremo) sobre la transmision.
6 - Orientacion de las aspas segun el paso determinado
Para optimizar la potencia electrica recuperada por la eolica, se orientan las aspas segun el angulo de inclinacion calculado en la etapa precedente.

Claims (5)

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    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento para optimizar la produccion de energfa electrica de una eolica, comprendiendo la mencionada eolica una gondola provista de un rotor en el cual se fijan las aspas, y una maquina electrica conectada con dicho rotor por una transmision, en el cual se controla un angulo de inclinacion de las mencionadas aspas, caracterizado por que comprende las etapas siguientes :
    a) se determina un valor de consigna de par aerodinamico y un valor de consigna de par de la maquina electrica permitiendo maximizar la potencia recuperada, a partir de mediciones de velocidad de viento, de velocidad del rotor y de velocidad de la maquina electrica ;
    b) se modifica al menos uno de los indicados valores de consigna sustrayendole un termino proporcional a una diferencia entre la velocidad medida del rotor y la velocidad medida de la maquina electrica ;
    c) se determina un angulo de inclinacion de las aspas permitiendo realizar el indicado valor de consigna de par aerodinamico;
    d) se orientan las aspas segun el indicado angulo de inclinacion.
  2. 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, en el cual se modifica al menos uno de los indicados valores de consigna realizando las etapas siguientes :
    i. se determina un par Tr,,, sobre la indicada transmision resultante de los indicados valores de consigna de par aerodinamico y de par de la maquina electrica;
    ii. se determina un valor de consigna de par resultante T," sustrayendo al indicado par resultante Tres un termino proporcional a la diferencia entre la velocidad medida del rotor y la velocidad medida de la maquina electrica ;
    iii. se modifica el indicado valor de consigna de par aerodinamico repartiendo el indicado valor de consigna de par resultante en un par aerodinamico y un par de la maquina electrica.
  3. 3. Procedimiento segun la reivindicacion 2, en el cual el indicado valor de consigna de par resultante ," se
    escribe: n'''
    imagen1
    ■ siendo k parametros de calibracion estrictamente positivos, y ,y, la velocidad de una torsion de la
    igual a una diferencia de velocidad del rotor Q.r y de la maquina electrica Qg llevada a un mismo eje:," , = donde N es una relacion de caja entre eje del rotor y eje de la maquina electrica.
    transmision,
    n —q. ,
    r N *
  4. 4. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el cual se determina el angulo de inclinacion de las aspas invirtiendo un modelo de par aerodinamico y utilizado las indicadas mediciones de velocidad de viento y de velocidad del rotor.
  5. 5. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el cual se determina el termino proporcional utilizando un modelo de la dinamica de la transmision.
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