ES2633293T3 - Una turbina eólica, un procedimiento para controlar una turbina eólica y su uso - Google Patents

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Abstract

Turbina eólica (1), que comprende un rotor (4), que comprende, al menos, una pala (5) de rotor, un sistema de control de guiñada, que incluye medios de control de guiñada (25), un mecanismo de guiñada (24) que comprende uno o más motores de guiñada y un cojinete de guiñada, medios de registro (20) para registrar una situación de producción de energía en ralentí de dicha turbina eólica (1) con respecto a una red eléctrica, y medios de detección (21) para detectar oscilaciones de borde en una o más de dichas palas (5), estando caracterizada la turbina eólica por que dicho sistema de control de guiñada está adaptado para cambiar la posición de guiñada de la góndola (3) de turbina eólica cuando dichos medios de registro (20) registra que dicha turbina eólica (1) está funcionando en una situación de producción de energía en ralentí y dichos medios de detección (21) detecta oscilaciones de borde en una o más de dichas palas (5) de rotor, amortiguando o eliminando de ese modo dichas oscilaciones de borde.

Description

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góndola verticalmente.
Las oscilaciones de borde de las palas 5 pueden inducir oscilaciones de la góndola 3, por ejemplo, haciendo que la góndola 3 oscile ligeramente alrededor del centro de la torre 2, es decir, en la dirección de guiñada, razón por la cual estas oscilaciones pueden detectarse de manera relativamente fiable en la parte trasera de la góndola 3. Las frecuencias típicas de las oscilaciones de borde (primera frecuencia natural) están en el intervalo de 0,9-1,8 Hz.
En otro modo de realización de la presente invención, los medios de detección 21 podrían ser otros tipos de sensores distintos de los acelerómetros 22, tales como micrófonos, galgas extensométricas, fibras ópticas u otros, o podrían colocarse de manera diferente en las palas 5, o los sensores de oscilación 21 podrían colocarse fuera de las palas 5, por ejemplo, dentro o en el eje de rotación 26 de un rotor 4, por ejemplo, en el centro del cubo 14 o en la góndola 3.
Los medios de detección 21 podrían ser, simplemente, unos medios ya presentes en la turbina eólica 1 para detectar cargas u otros parámetros durante el funcionamiento normal de la turbina eólica 1, tal como los sensores de oscilación de la torre, habitualmente colocados en la parte superior de la torre para detectar si la torre oscila, donde las oscilaciones de borde de las palas 5 podrían transmitirse a través de la góndola 3 a la torre 2 y ser detectadas como ligeras vibraciones de la torre 2. También podrían ser sensores de carga colocados en la raíz 9 de la pala 5 para detectar la carga sobre la pala 5 durante el funcionamiento normal, de la manera en que lo harían típicamente estos sensores durante el ralentí.
La turbina eólica 1 está provista también de medios de registro 20, para detectar si la turbina eólica 1 está funcionando en una situación de producción de energía en ralentí en relación con la red eléctrica, es decir, si la turbina eólica 1 no está produciendo sustancialmente energía para la red eléctrica, a la que la turbina eólica 1 suministraría energía durante el funcionamiento normal de la turbina eólica 1.
En este modo de realización, los medios de registro 20 son un amperímetro, que mide si hay alguna salida eléctrica desde el convertidor 18 o, al menos, si la salida eléctrica está por debajo de un cierto nivel bajo e insignificante, pero, en otro modo de realización, los medios de registro 20 podrían ser un voltímetro u otro dispositivo, y los medios de registro 20 podrían realizar mediciones o registros en otra parte, tal como en el generador 17, en las líneas eléctricas dentro o fuera de la turbina eólica 1, en una unidad de potencia central fuera de la turbina eólica 1 o, en cualquier otro lugar.
Los medios de registro 20 también incluyen medios que solo detectan indirectamente si la turbina eólica 1 está en ralentí, por ejemplo, codificadores, tacómetros u otros que detectan si el árbol principal u otras partes que generalmente giran están girando, o a qué velocidad están girando. Si estas partes no giran, o solo giran a muy baja velocidad, podría indicar que la turbina eólica 1 estaba en ralentí.
Varios modos de realización de turbinas eólicas de eje horizontal utilizan guiñada forzada, es decir, utilizan un sistema de control de guiñada que incluye medios de control de guiñada 25 y un mecanismo de guiñada 24 que utiliza, por ejemplo, motores eléctricos y cajas de engranajes para mantener el rotor desviado contra el viento haciendo girar la góndola 3 en la parte superior de la torre 2.
A menudo, el mecanismo de guiñada 24 comprende uno o más motores de guiñada, un cojinete de guiñada y frenos de guiñada, por ejemplo, para frenar el mecanismo de guiñada cuando no se utiliza. El mecanismo de guiñada es activado por los medios de control de guiñada 25 que controlan el ángulo de guiñada o la posición de guiñada, por ejemplo, sobre la base de una señal de retroalimentación de posición de un sensor de posición.
Para varios modos de realización de la presente invención, los medios de control de guiñada 25 están colocados en el cubo 14 pero, en otros modos de realización, los medios de control de guiñada 25 estarían colocados en la góndola 3, en la torre 2, en una casa vecina o en cualquier otra parte, por ejemplo, en la misma ubicación que el mecanismo para controlar la guiñada en relación con la carga, la potencia u otro parámetro durante el funcionamiento normal de la turbina eólica 1. En otros modos de realización, dichos medios de control de guiñada 25 pueden incluso estar integrados en el mecanismo de guiñada.
De acuerdo con un modo de realización de la presente invención, los medios de detección 21 y los medios de registro 20 están conectados a los medios de control de guiñada 25. Si la turbina eólica 1 está en ralentí y si se detectan oscilaciones de borde de las palas 5 o si se detectan oscilaciones de borde por encima de un cierto nivel, los medios de control de guiñada 25 puede iniciar el control del mecanismo de guiñada 24 para alterar el ángulo de guiñada.
Para un modo de realización de la presente invención, el control del ángulo de guiñada con respecto a las oscilaciones de borde amortiguadas, es un proceso iterativo o un sistema adaptativo que sigue este sistema de control simplificado que comprende las etapas siguientes:
1 -los medios de registro 20 registran si la turbina eólica 1 está funcionando en una situación de producción de energía en ralentí en relación con una red eléctrica
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2-detectar valores del nivel de oscilaciones de borde, por ejemplo, mediante los medios de detección 21
3-procesar los registros y los valores detectados
4-iniciar la alteración del ángulo de guiñada
5-detectar nuevos valores del nivel de oscilaciones de borde, por ejemplo, por medio de los medios de detección 21
6-determinar si el nivel de oscilaciones de borde ha aumentado o disminuido.
7-si dicho nivel ha disminuido: iniciar la alteración del ángulo de guiñada en la misma dirección que en la etapa 3.
8-si dicho nivel ha aumentado: iniciar la alteración del ángulo de guiñada en la dirección opuesta a la etapa 3.
9-si se ha alcanzado un mínimo de oscilaciones de borde: detener la alteración del ángulo de guiñada.
De este modo, el ángulo de guiñada se controla para minimizar sustancialmente dichas oscilaciones de borde.
Para otro modo de realización de la presente invención, el sistema de control anterior puede interrumpirse tan pronto se detecte que el nivel de oscilaciones de borde ha descendido hasta un nivel por debajo de un nivel de umbral definido.
Para otro modo de realización de la presente invención, el ángulo de guiñada se controla en relación con oscilaciones de borde amortiguadas sobre la base de los datos obtenidos anteriormente, pudiendo ser dichos datos, por ejemplo, valores de la velocidad del viento, valores de tendencia, episodios anteriores de control del ángulo de guiñada, etc.
Para varios modos de realización, los medios de control de guiñada 25 comprenden la memoria para almacenar dichos datos obtenidos previamente y/o los medios de control de guiñada comprenden capacidades de procesamiento de datos para procesar datos y para calcular, por ejemplo, dichos valores de tendencia.
Para otros modos de realización, si las oscilaciones de borde no han caído por debajo de un nivel predeterminado dentro de un periodo de tiempo predeterminado, los medios de control de guiñada podrían comprender medios para enviar una alarma que indica que los procedimientos de amortiguación se han iniciado. De la misma manera, si las oscilaciones de borde continúan creciendo en tamaño -aunque la góndola 3 haya sido activada para contrarrestar las oscilaciones mediante dicho control de guiñada– podría transmitirse una señal de alarma a una unidad de vigilancia externa o a otro sitio.
En un modo de realización de la presente invención, la góndola 3 se vuelve a poner en su posición de estacionamiento original o sustancialmente en su posición de estacionamiento original, de inmediato o después de un tiempo predeterminado específico, pero, en un modo de realización preferido, la góndola 3 se vuelve a poner en esta posición, cuando los medios de detección 21 detectan que el tamaño de las oscilaciones ha vuelto a caer por debajo de cierto nivel predefinido.
En un modo de realización adicional, la góndola 3 también podría mantenerse en su nuevo ángulo de guiñada y, a continuación, solo se movería de nuevo si se detectasen oscilaciones de borde adicionales, si el rotor estuviera girando demasiado rápido, demasiado lento o en la dirección incorrecta, si se volviera a poner la turbina eólica en el modo de funcionamiento o si otras condiciones exigieran un cambio de la posición de guiñada. De este modo, la posición de guiñada solo se cambia cuando es absolutamente necesario, con lo que se ahorra energía y se reduce el desgaste.
En otro modo de realización de la presente invención, los medios de control de guiñada 25 podrían comprender también medios para aumentar la ganancia de los medios de control de guiñada si el tamaño de las oscilaciones se eleva por encima de un determinado nivel predefinido, si el tamaño de las oscilaciones no se ha amortiguado por debajo de un nivel predefinido dentro de un cierto tiempo predefinido tal como entre 1 y 1000 segundos, preferentemente entre 10 y 500 segundos y/o si el tamaño de las oscilaciones ha estado por encima de un cierto nivel predefinido durante al menos un cierto tiempo predefinido.
La ganancia es la parte del algoritmo de control de los medios de control de guiñada que controlan el tamaño de la reacción a un nivel de oscilación dado, por ejemplo, controlando cuánto se amplifica la señal de entrada de los medios de detección 21 (por ejemplo, la amplitud de las oscilaciones de borde) en el algoritmo de control de los medios de control de guiñada, controlando de este medio la magnitud de la alternancia del ángulo de guiñada para una señal de entrada dada.
El nivel predefinido mencionado anteriormente, por ejemplo, para determinar si las palas 5 deben volver a su posición de ángulo de orientación original, determinar si se debe cambiar el ángulo de orientación, determinar si se debe iniciar un procedimiento de alarma y para otras determinaciones podría definirse como un porcentaje del excedente de una carga conocida, por ejemplo, si se detectase que la tracción por gravedad de las palas 5 daría lugar a una carga máxima dada medida por los sensores de carga en la raíz 9 de la pala 5, pudiendo ser este nivel
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