ES2613181T3 - Métodos y sistemas para aliviar cargas en aerogeneradores marinos - Google Patents

Métodos y sistemas para aliviar cargas en aerogeneradores marinos Download PDF

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Abstract

Método de control de un aerogenerador perteneciente a un parque eólico marino que tienen un sistema individual de control del ángulo de paso para contrarrestar cargas asimétricas basado en un sistema de medición de cargas, caracterizado porque comprende el paso de usar, en caso de mal funcionamiento del sistema de medición de cargas, el siguiente vector de ángulo de paso para el cálculo del comando de ángulo de paso de cada pala: - el vector de ángulo de paso que está siendo aplicado al mismo tiempo en un aerogenerador del parque eólico en el que funciona correctamente el sistema de medición de cargas o un valor medio de los vectores de ángulo de paso que están siendo aplicados al mismo tiempo en un grupo de aerogeneradores del parque eólico en los que funciona correctamente el sistema de medición de cargas; - el vector de ángulo de paso resultante de una ley de control, obtenida a partir de registros históricos del aerogenerador cuando el sistema de medición de cargas funcionaba correctamente, definiendo el vector de ángulo de paso como una función de, al menos, la velocidad del viento V, si los anteriores vectores de ángulo de paso no están disponibles.

Description

METODOS y SISTEMAS PARA ALIVIAR CARGAS EN
AEROGENERADORES MARINOS
CAMPO DE LA INVENCiÓN
La invención se refiere a métodos y sistemas para aliviar las cargas generadas por las asimetrías de viento en aerogeneradores y, más en particular, en aerogeneradores marinos.
ANTECEDENTES
Cuando un pala de aerogenerador barre todo el 'disco del rotorquot; experimenta cambios en la velocidad y dirección del viento, como resultado de la cortadura del viento, la sombra de la torre, la desalineación en guiñada y la turbulencia. A medida en que los tamaños de los rotores aumentan con respecto a los tamaños típicos de los remolinos turbulentos, la importancia de las variaciones turbulentas de la velocidad del viento a través del disco del rotor se hace mayor.
Estas variaciones resultan en un gran componente de las cargas de la pala por cada vuelta, o 1P, junto con los armónicos de esta frecuencia, es decir, 2P, 3P, 4P Y así sucesivamente. En un rotor de tres palas, estos componentes de carga tienen un desfase de 1200 entre las tres palas, con el resultado de que el buje del rotor y el resto de la estructura experimentarán los armónicos de 3P, 6P, etc., pero el componente 1P Y los otros armónicos tienden a cancelarse.
Ahora bien, esta cancelación se basa en suposiciones de estacionariedad y linealidad, pero cuando los aerogeneradores se hacen más grandes con respecto a las escalas de longitud de la turbulencia, estas suposiciones resultan menos válidas.
Esto significa que las cargas asimétricas que resultan de los componentes 1P Y los armónicos ya no se anulan y que los componentes de carga a estas frecuencias pueden contribuir muy significativamente a cargas de fatiga en el buje del rotor, los ejes, los cojinetes de guiñada, la torre, etc.
Para reducir esos efectos perjudiciales, la técnica anterior enseña el uso de un control individual del ángulo de paso añadido al control colectivo del ángulo de paso y también del control del ángulo de guiñada. Los comandos del ángulo de paso y del ángulo de guiñada para reducir dichas cargas asimétricas se calculan utilizando mediciones de dichas cargas o de los desplazamientos causados por ellas.
Los componentes de carga 1 P son particularmente significativos en los aerogeneradores grandes, y, en principio, debería ser posible reducirlos por medio de la acción individual sobre el ángulo de paso de las palas en la frecuencia 1P, con un desfase de 1200 entre las tres palas. Esta acción individual sobre el ángulo de paso en la frecuencia 1 P puede ser calculada por un algoritmo de control que utiliza, como entrada, las cargas de la pala fuera del plano.
Un ejemplo de esta técnica anterior se puede encontrar en USo 2006/002792 donde se describe un método para reducir las cargas y para proporcionar alineamiento en guiñada en un aerogenerador que incluye la medición de desplazamientos o momentos resultantes de cargas asimétricas en el aerogenerador. Estos momentos o desplazamientos medidos se utilizan para determinar la contribución del ángulo de paso que tratará de reducir o contrarrestar la carga asimétrica del rotor y lograr una fácil alineación del sistema de orientación.
Si los dispositivos de medición de dichos desplazamientos o momentos fallan y por lo tanto dicha acción individual sobre el ángulo de paso no puede ser implementada, la técnica anterior sugiere la operación del aerogenerador a un nivel de producción menor para la reducción de la carga asimétrica del rotor hasta que el fallo sea reparado.
En el caso de los aerogeneradores marinos, la reparación de los aparatos de medición se puede retrasar durante largos períodos de tiempo lo que implica pérdidas importantes de producción.
SUMARIO DE LA INVENCiÓN
Es un objeto de esta invención proporcionar métodos y sistemas de control para mejorar la producción de energía de los aerogeneradores marinos que tienen un sistema individual de control del ángulo de paso para contrarrestar cargas asimétricas del rotor cuando falla el sistema de medición de cargas utilizado por dicho sistema individual de control del ángulo de paso.
Es otro objeto de la presente invención proporcionar métodos y sistemas de control para aliviar las cargas de los aerogeneradores marinos que tienen un sistema individual de control del ángulo de paso para contrarrestar cargas asimétricas del rotor cuando falla el sistema de medición de cargas utilizado por dicho sistema individual de control del ángulo de paso.
En un aspecto, estos y otros objetos se consiguen con un método de control que comprende el paso de usar, en caso de mal funcionamiento del sistema de medición de cargas, el siguiente vector de ángulo de paso para el cálculo del comando de ángulo de paso de cada pala:
-
el vector de ángulo de paso que está siendo aplicado al mismo tiempo en un aerogenerador del parque eólico en el que funciona correctamente el sistema de medición de cargas (preferiblemente el aerogenerador más cercano)
o un valor medio de los vectores de ángulo de paso que están siendo aplicados al mismo tiempo en un grupo de aerogeneradores del parque eólico en los que funciona correctamente el sistema de medición de cargas;
-
el vector de ángulo de paso resultante de una ley de control, obtenida a partir de los registros históricos del aerogenerador cuando el sistema de medición de cargas funcionaba correctamente, definiendo el vector de ángulo de paso como una función de al menos la velocidad del viento V, si los anteriores vectores de ángulo de paso no están disponibles.
En otro aspecto, los objetos antes mencionados se consiguen con un sistema de control que está dispuesto para realizar una regulación del aerogenerador de acuerdo con una curva de potencia predeterminada para velocidades de viento por debajo de la velocidad de corte del viento vout
incluyendo una regulación individual del ángulo de paso de cada basada en un sistema de medición de cargas, en el que el sistema de control también está dispuesto para realizar una regulación alternativa, en caso de mal funcionamiento de dicho sistema de medición de cargas, de acuerdo con una curva de potencia alternativa, reduciendo la producción de energía con respecto a la curva predeterminada de potencia, e incluyendo un control individual alternativo del ángulo de paso para contrarrestar cargas asimétricas del rotor utilizando el siguiente vector de ángulo de paso para el cálculo del comando de ángulo de paso de cada pala:
-
el vector de ángulo de paso aplicado al mismo tiempo en un aerogenerador del parque eólico en el que funciona correctamente el sistema de medición de cargas (preferiblemente el aerogenerador más cercano) o un valor medio de los vectores de ángulo de paso que se aplican al mismo tiempo en un grupo de aerogeneradores del parque eólico en los que funciona correctamente el sistema de medición de cargas;
-
el vector de ángulo de paso resultante de una ley de control, obtenida a partir de los registros históricos del aerogenerador cuando el sistema de medición de cargas funcionaba correctamente, definiendo el vector de ángulo de paso como una función de al menos la velocidad del viento V, si los anteriores vectores de ángulo de paso no están disponibles.
El vector de ángulo de paso a ser aplicado en un aerogenerador cuando su sistema de medición de cargas falla puede ser obtenido del controlador del parque eólico en los tres casos mencionados, o de otro aerogenerador (si están provistos de medios de comunicación) o puede ser obtenido en el propio aerogenerador (en el caso del vector de ángulo de paso resultante de una ley de control).
Otras características deseables y ventajas de dichos métodos y sistemas de control de aerogeneradores marinos se harán evidentes a partir de la descripción subsiguiente detallada de la invención y de las reivindicaciones adjuntas, en relación con los dibujos adjuntos.
BREVE DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 es una vista esquemática en sección lateral esquemática de
un aerogenerador.
5
La Figura 2 muestra una curva de potencia típica de un aerogenerador.
La Figura 3 es un diagrama que muestra el comando del ángulo de paso
de la regulación colectiva del ángulo de paso y el comando del ángulo de paso
que resulta de la adición de una regulación cíclica en una revolución de una pala
de aerogenerador.
10
La Figura 4 muestra las curvas de potencia que se utilizan en la regulación
del aerogenerador en los tres estados considerados en esta invención.
Las Figuras 5a y 5b muestran una ley de control de un control individual del
ángulo de paso de acuerdo con la presente invención.
15
DESCRIPCiÓN DETALLADA DE LA INVENCiÓN
Un aerogenerador marino convencional 11 de un parque eólico
comprende una torre 13 soportando una góndola 21 que alberga un generador
19 para convertir la energía rotacional del rotor del aerogenerador en energía
2 O
eléctrica. El rotor del aerogenerador comprende un buje de rotor 15 y,
normalmente, tres palas 17. El buje del rotor 15 está conectado bien
directamente o a través 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
25
apropiada del rotor del generador.
La energía producida por el aerogenerador está controlada normalmente
por medio de un sistema de control para regular el ángulo de paso de las palas
del rotor y el par motor del generador. La velocidad rotacional del rotor y la
producción de energía de un aerogenerador pueden ser pues controladas
30
inicialmente.
Por debajo de la velocidad de corte Vout el sistema de control del aerogenerador está dispuesto para regular la producción de energía según una curva que define la relación funcional deseada entre potencia y velocidad para alcanzar una producción ideal. Una curva de ese tipo es la curva 25 de la Figura 2 que muestra que la producción de energía P se incrementa desde una mínima velocidad del viento Vmin hasta la velocidad nominal del viento Vn y entonces permanece constante en el valor nominal de producción de energía hasta la velocidad de corte del viento Vout donde decrece hasta O.
Para implementar esa regulación una unidad de control recibe datos de entrada tales como la velocidad del viento V, la velocidad del generador n, el ángulo de paso de las palas B, la producción de energía P desde dispositivos de medida bien conocidos y envía datos de salida a, respectivamente, el sistema actuador del ángulo de paso de las palas para cambiar la posición angular de las palas 17 y a una unidad de comando del generador para cambiar la referencia para la producción de energía.
El sistema de control también está dispuesto para aplicar un control individual del ángulo de paso de cada pala para reducir las cargas asimétricas que se calcula utilizando los datos proporcionados por un sistema de medición de cargas. Este ángulo de paso individual se superpone al ángulo de paso colectivo usado para la regulación de la producción de energía según la curva de potencia 25 de la Figura 2.
En la Figura 3, la línea 31 representa el comando colectivo del ángulo de paso que se aplica a todas las palas, es decir, un ángulo de paso constante a lo largo de una revolución de la pala, y la línea 33 representa el comando de ángulo de paso aplicado a una pala a lo largo de una revolución de la pala resultante de añadir un comando individual del ángulo de paso al comando colectivo del ángulo de paso.
El comando individual del ángulo de paso que se proporciona a cada pala se genera como sigue: -Tres señales 81, 82, 83 de los momentos de flexión fuera del plano de las palas (derivadas de las señales de batimiento y arrastre que provienen del sistema
de medición de cargas) se transforman en dos momentos ortogonales My y Mz
usando la transformación de Park.
-Un controlador para cada eje genera las contribuciones de ángulo de paso
Z-Ángulo de paso e Y-Ángulo de paso para reducir o contrarrestar las cargas
5
asimétricas del rotor.
-Un vector de ángulo de paso, definido por un módulo M y un argumento A,
se calcula utilizando las ecuaciones M = (Z-Ángulo de pas02 + Y-Ángulo de
pas02)1/2, A =atan(Z-Ángulo de pasolY-Ángulo de paso).
-El vector de ángulo de paso es utilizado por el sistema de control para
10
calcular el comando individual de ángulo de paso que debe aplicarse a cada pala,
mediante, en primer lugar, una conversión en dos referencias ortogonales del
ángulo de paso utilizando las ecuaciones Z-Ángulo de paso =Msen(A), Y-Ángulo
de paso =Mcos(A) y, a continuación , la generación de los comandos individuales
de ángulo de paso utilizando la inversa de la transformación de Park y el ángulo de
15
acimut del rotor.
Cuando falla el sistema de medición de cargas de un aerogenerador y
consecuentemente no puede generarse un comando individual de ángulo de paso
para cada pala, la invención propone usar el siguiente vector de ángulo de paso
para obtener los comandos individuales de ángulo de paso a ser aplicados en
2 O
cada pala:
-en primer lugar, el vector de ángulo de paso que se está siendo aplicado
al mismo tiempo en un aerogenerador del parque eólico en el que funciona
correctamente el sistema de medición de cargas o un valor medio del vector de
ángulo de paso que está siendo aplicado al mismo tiempo en un grupo de
25
aerogeneradores del parque eólico en los que funciona correctamente el sistema
de medición de cargas;
-en segundo lugar (si alguno de los anteriores vectores de ángulo de paso
está disponible) , el vector de ángulo de paso resultante de una ley de control que
define el vector de ángulo de paso en función de por lo menos la velocidad del
30
viento basada en registros históricos de el aerogenerador cuando el sistema de
medición de cargas funcionaba correctamente.
La mayor estabilidad de las condiciones ambientales de un parque eólico
marino que en un parque eólico terrestre permite el uso de dichos vectores
alternativos de ángulo de paso alternativos para evitar pérdidas de producción de
energía cuando el sistema de medición de cargas del aerogenerador está dañado.
5
En cualquier caso, cuando se utiliza cualquiera de dichos vectores alternativos de
ángulo de paso deberá regularse el aerogenerador siguiendo una curva sub
óptima de producción de energía para evitar riesgos.
La Figura 4 muestra las curvas de potencia 25, 25', 25quot; que se utilizan,
respectivamente, en un estado normal del aerogenerador, en un estado sin control
10
individual del ángulo de paso individual debido al mal funcionamiento del sistema
de medición de cargas, y en un estado con un control individual alternativo del
ángulo de paso de acuerdo con la presente invención.
En la primera alternativa mencionada anteriormente, las opciones
preferidas son el vector de ángulo de paso que se utiliza en el aerogenerador más
15
cercano y la media de los vectores de ángulo de paso que se utilizan en el parque
eólico. En el primer caso, el aerogenerador puede recibir el vector de ángulo de
paso directamente del aerogenerador más cercano si tienen medios de
comunicación o desde el controlador del parque eólico en caso contrario. En el
segundo caso, el aerogenerador recibe el vector de ángulo de paso desde el
2 O
controlador del parque eólico.
En la segunda alternativa mencionada anteriormente, que se elige cuando
no puede implementarse la primera alternativa debido a, por ejemplo, problemas
de comunicación con el controlador del parque eólico, se utiliza una ley de control,
que se obtiene a partir de datos históricos del propio aerogenerador cuando el
25
sistema de medición de cargas funcionaba correctamente y se almacena en los
medios de almacenamiento del sistema de control del aerogenerador.
Dicha ley de control puede ser una ley de una sola variable como la ley de
control mostrada en las Figuras 5a y 5b, donde el módulo M y el ángulo A del
vector de ángulo de paso a utilizar dependen sólo de la velocidad del viento V o
30
una ley multi-variable, por ejemplo una ley de control en la que el módulo M yel
ángulo A del vector de ángulo de paso dependen de la velocidad del viento, de la
dirección del viento, de la posición de guiñada, de la cortadura del viento y del
mismo período del año, es decir, la ley estará integrada por curvas diferentes para
diferentes escenarios de trabajo.
Las curvas de las Figuras 5a y 5b son ecuaciones polinómicas de segundo
5
grado obtenidas a partir de un conjunto de datos obtenidos en una simulación del
comportamiento de un aerogenerador marino con un factor de correlación cercano
a 1 por lo que se puede suponer que el vector de ángulo de paso utilizado por el
sistema de control del aerogenerador cuando el sistema de medición de cargas
funcionaba correctamente puede ser representado por las leyes de control antes
10
mencionadas.
La implementación de control individual alternativo del ángulo de paso de
acuerdo con esta invención se realiza en el controlador convencional del
aerogenerador incluyendo la contribución individual del ángulo de paso después
de que se calcula el comando colectivo del ángulo de paso por el controlador. El
15
ángulo de paso colectivo sigue siendo la referencia estándar del ángulo de paso
para el controlador con respecto a las alarmas y a las referencias operativas.
Las principales ventajas del control individual del ángulo de paso acuerdo
con la presente invención son las siguientes:
-Puede ser implementado fácilmente en los aerogeneradores marinos ya
2 O
en operación con sistemas individuales de actuación del ángulo de paso.
-Puede mejorar la producción de energía de los aerogeneradores marinos
alrededor de un 10% cuando sus sistemas de medición de cargas están dañados.
Aunque la presente invención ha sido descrita en relación con diversas
realizaciones, se apreciará a partir de la descripción que se pueden hacer
25
diversas combinaciones de elementos, variaciones o mejoras en ella, y están
dentro del alcance de la invención.

Claims (5)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Método de control de un aerogenerador perteneciente a un parque
    eólico marino que tienen un sistema individual de control del ángulo de paso
    5
    para contrarrestar cargas asimétricas basado en un sistema de medición de
    cargas, caracterizado porque comprende el paso de usar, en caso de mal
    funcionamiento del sistema de medición de cargas, el siguiente vector de ángulo
    de paso para el cálculo del comando de ángulo de paso de cada pala:
    -el vector de ángulo de paso que está siendo aplicado al mismo tiempo
    lO
    en un aerogenerador del parque eólico en el que funciona correctamente el
    sistema de medición de cargas o un valor medio de los vectores de ángulo de
    paso que están siendo aplicados al mismo tiempo en un grupo de
    aerogeneradores del parque eólico en los que funciona correctamente el sistema
    de medición de cargas;
    15
    -el vector de ángulo de paso resultante de una ley de control , obtenida a
    partir de registros históricos del aerogenerador cuando el sistema de medición
    de cargas funcionaba correctamente, definiendo el vector de ángulo de paso
    como una función de, al menos, la velocidad del viento V, si los anteriores
    vectores de ángulo de paso no están disponibles.
    20
  2. 2.-Método de control de un aerogenerador según la reivindicación 1, en
    el que el vector de ángulo de paso usado el aerogenerador es el vector de
    ángulo de paso que está siendo aplicado en el aerogenerador más cercano.
    25
    3.-Método de control de un aerogenerador según la reivindicación 1, en el
    que dicha ley de control es una función de la velocidad del viento y una o más de
    las siguientes variables:
    -la dirección del viento;
    -la cortadura del viento;
    3 O
    -la posición de guiñada;
    -el período del año.
  3. 4.-Sistema de control de un aerogenerador perteneciente a un parque eólico marino:
    -
    estando conectado el sistema de control a un sistema de medición de cargas y a dispositivos de medida de, al menos, la velocidad del viento V, la dirección del viento, el ángulo de paso e, la posición del acimut Ifde cada pala;
    -
    estando conectado el sistema de control a, al menos, los actuadores de control individual del ángulo de paso de las palas y al actuador de control del par motor;
    teniendo el sistema de control medios de comunicación con el controlador del parque eólico;
    -
    estando dispuesto el sistema de control para realizar una regulación del aerogenerador de acuerdo con una curva de potencia predeterminada (25) para velocidades de viento por debajo de la velocidad de corte del viento Vout incluyendo una regulación individual del ángulo de paso de cada pala basada en un sistema de medición de cargas;
    caracterizado porque el sistema de control también está dispuesto para realizar una regulación alternativa, en caso de mal funcionamiento de dicho sistema de medición de cargas, de acuerdo con una curva de potencia alternativa (25quot;), reduciendo la producción de energía con respecto a la curva predeterminada de potencia (25) , e incluyendo un control individual alternativo del ángulo de paso para contrarrestar cargas asimétricas del rotor utilizando el siguiente vector de ángulo de paso para el cálculo del comando de ángulo de paso de cada pala:
    -
    el vector de ángulo de paso que está siendo aplicado al mismo tiempo en un aerogenerador del parque eólico en el que funciona correctamente el sistema de medición de cargas o un valor medio de los vectores de ángulo de paso que están siendo aplicados al mismo tiempo en un grupo de aerogeneradores del parque eólico en los que funciona correctamente el sistema de medición de cargas;
    -
    el vector de ángulo de paso resultante de una ley de control, obtenida a partir de registros históricos del aerogenerador cuando el sistema de medición
    de cargas funcionaba correctamente, definiendo el vector de ángulo de paso como una función de al menos la velocidad del viento V, si los anteriores vectores de ángulo de paso no están disponibles.
    5
    5. -Sistema de control según la reivindicación 4, en el que el vector de ángulo de paso usado en el aerogenerador es el vector de ángulo de paso que está siendo aplicado en el aerogenerador más cercano, que se recibe desde el controlador del parque eólico.
    10 15 2 O
    6.-Sistema de control según la reivindicación 4, en el que el vector de ángulo de paso usado en el aerogenerador es el valor medio de los vectores de ángulo de paso que están siendo aplicados al mismo tiempo en un grupo de aerogeneradores del parque eólico que se recibe desde el controlador del parque eólico. 7.-Sistema de control según la reivindicación 4, comprendiendo además medios directos de comunicación con todos los aerogeneradores pertenecientes al parque eólico en el que el vector de ángulo de paso usado en el aerogenerador es el vector de ángulo de paso que está siendo aplicado en el aerogenerador más cercano, que se recibe desde él.
  4. 8.-Sistema de control según la reivindicación 4, en el que dicha ley de control está almacenada en el controlador del parque eólico.
    25
    9.-Sistema de control según la reivindicación 4, en el que dicha ley de control está almacenada en los medios de almacenamiento del sistema de control.
    3 O
    10.-Sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones 8-9, en el que dicha ley de control es una función de la velocidad del viento y una o más de las siguientes variables:
    -la dirección del viento; -la cortadura del viento; -la posición de guiñada; -el período del año.
  5. 11.-Aerogenerador marino que comprende un sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones 4-10.
    FIG. 1
    Vn V :gt;ut
    V min
    FIG.2
    Acimut (gr)
    FIG. 3
    p
    25' 25quot;
    Q) quot;O
    o
    Ü
    Q)
    gt;
    Q) quot;O
    o
    ::J
    quot;O
    -
    o
    ~
    V min
    2,5
    1.5
    0,5
    o
    O 5
    ~
    ~
    .lt;:
    ~
    a.
    Q)
    quot;O
    o
    Ü
    Q)
    gt;
    Qj quot;O
    o
    ::J Ol
    e
    -
    lt;t:
    40 20 O
    5
    -20 -40 -00
    -
    00
    -
    100
    Velocidad del viento (mis)
    FIG. 5b
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