ES2643162T3 - Métodos de control de aerogeneradores para mejorar la producción de energía recuperando pérdidas de energía - Google Patents

Métodos de control de aerogeneradores para mejorar la producción de energía recuperando pérdidas de energía Download PDF

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José María López Rubio
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Abstract

Método de operación de un aerogenerador de velocidad variable (11) que comprende medios de control para llevar a cabo una regulación estándar siguiendo una curva potencia vs. velocidad del generador (21) que comprende una primera zona sub-nominal (23) en la que se mantiene constante la velocidad del generador a su valor de acoplamiento, una segunda zona subnominal (25) en la que se permite que tanto la velocidad del generador como la potencia aumenten/disminuyan en línea con la velocidad del viento, una tercera zona sub-nominal (27) en la que se mantiene constante la velocidad del generador en su valor nominal y una zona nominal (28) en la que se mantiene constante la potencia en su valor nominal Pn, caracterizado porque durante determinados períodos de tiempo T b se usa una regulación alternativa a una potencia Pb más alta que la determinada por la regulación estándar para optimizar la producción de energía compensando pérdidas previas de energía, estando dicha regulación alternativa basada en el cálculo continuo de la energía perdida acumulada ALE como la energía perdida respecto a la máxima producción de energía permitida por la regulación estándar y en la fijación de dicha potencia más alta Pb y dichos períodos de tiempo Tb de manera compatible con las limitaciones mecánicas y/o eléctricas del aerogenerador.

Description

que el ángulo de paso de las palas del rotor se cambia hacia un menor ángulo de ataque para reducir la energía capturada y hacia un mayor ángulo de ataque para incrementar la energía capturada. Por tanto la velocidad del generador y, consecuentemente, la energía producida pueden mantenerse relativamente constantes con velocidades crecientes del viento cuando la producción de energía se lleva a cabo a la potencia nominal.
La regulación de la potencia y de la velocidad del rotor está basada, en la mayoría de los aerogeneradores comerciales conocidos en controladores, tales como los controladores P, PI, PO, PI O, que reaccionan a las errores producidos entre las variables controladas y sus valores de referencia con las consiguientes limitaciones.
En el caso de ráfagas y turbulencias la velocidad del viento puede cambiar drásticamente en un relativamente pequeño intervalo temporal requiriendo cambios rápidos del ángulo de paso de las palas para mantener constante la potencia que son difíciles de implementar teniendo en cuenta la dinámica del actuador que controla el ángulo de paso de las palas, la inercia de los componentes mecánicos y la coherencia espacial del viento. Como resultado, es casi imposible obtener la producción teóricamente prescrita en situaciones de viento turbulento.
Para solucionar ese y otros problemas se conocen varias propuestas de nuevos métodos de control que mejoran su rendimiento con respecto a los conocidos como ejemplos las propuestas descritas en WO 2008/046942, EP1990539A 1, Y EP0223729A 1.
Esta invención está orientada a la atención de ese mismo problema usando controladores conocidos para que pueda ser implementada en los aerogeneradores ya instalados.
3 O SUMARIO DE LA INVENCiÓN
Un objeto de la presente invención es proporcionar aerogeneradores controlados por métodos de control que permiten la optimización de la producción de energía.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar aerogeneradores controlados por métodos de control que permiten la optimización de la producción de energía en aerogeneradores ya instalados, sin necesidad de cambiar la tecnología de control utilizada.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar métodos de control de aerogeneradores adaptados para optimizar la producción de energía asociada a la zona de producción parcial de la curva de potencia (también llamada esquina de la curva de potencia).
En un aspecto, esos y otros objetos se consiguen proporcionando un método de operación de un aerogenerador de velocidad variable que comprende medios de control para llevar a cabo una regulación estándar siguiendo una curva potencia vs. velocidad del generador que comprende una primera zona sub-nominal en la que se mantiene constante la velocidad del generador a su valor de acoplamiento, una segunda zona sub-nominal en la que se permite que tanto la velocidad del generador como la potencia aumenten/disminuyan en línea con la velocidad del viento, una tercera zona sub-nominal en la que se mantiene constante la velocidad del generador en su valor nominal y una zona nominal en la que se mantiene constante la potencia en su valor nominal Pn y en el que se usa una regulación alternativa a una potencia Pb más alta que la determinada por la regulación estándar para optimizar la producción de energía durante determinados períodos de tiempo T b para compensar pérdidas previas de energía.
De acuerdo con la invención, dicha regulación alternativa está basada en el cálculo continuo de la energía perdida acumulada ALE como la energía perdida respecto a la máxima producción de energía permitida por la regulación estándar y en la fijación de dicha potencia más alta Pb y de la duración de dichos períodos de tiempo Tb de manera compatible con las limitaciones mecánicas y/o eléctricas del aerogenerador. Se consigue con ello un método para incrementar la producción de energía de los aerogeneradores ya instalados, sin necesidad de cambiar la tecnología de control utilizada.
En otra realización preferente dicha potencia más alta Pb se fija como una constante. Se consigue con ello un método apropiado para aerogeneradores con limitaciones para cambios de referencias de potencia.
En otra realización preferente dicha potencia más alta Pb se fija como una variable dependiente de la energía perdida acumulada ALE. Se consigue con ello un método que permite la optimización de la producción de energía.
En realizaciones preferentes apropiadas para aerogeneradores instalados actualmente la potencia más alta Pb está comprendida en un rango del 104-110% de la potencia nominal Pn y los períodos de tiempo Tb están comprendidos en un rango de 180-300 s.
En otra realización preferente el cálculo de la energía perdida acumulada ALE se realiza manteniendo un límite superior ALEmax Y un límite inferior ALEmin para que se mantenga dentro de niveles recuperables usando dicha regulación alternativa. Se consigue con ello un método que permite un uso controlado de dicha regulación alternativa.
En otra realización preferente el límite superior ALEmax se determina como la máxima energía recuperable en un período de tiempo Tb. Se consigue con ello un método que permite un uso optimizado de dicha regulación alternativa.
En otra realización preferente dicha regulación alternativa se activa cuando, estando el aerogenerador controlado por la regulación estándar, la energía perdida acumulada ALE es mayor de un valor predeterminado ALE1 y se desactiva cuando la energía perdida acumulada ALE es menor de un valor predeterminado ALE2. Se consigue con ello un método que permite que dicha regulación alternativa se use de una manera controlada evitando ciclos muy cortos de activación/desactivación.
En otro aspecto, los objetos mencionados se consiguen proporcionando un aerogenerador de velocidad variable controlado por el método mencionado anteriormente. Se consigue con ello una vía para mejorar la producción de energía de muchos aerogeneradores instalados.
Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán
de
la descripción detallada que sigue en relación con las figuras que se
acompañan.
5
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
La Figura 1 muestra esquemáticamente los componentes principales de
un aerogenerador.
10
La Figura 2 muestra una curva Potencia vs. Velocidad del generador
conocida en la técnica que se usa para controlar aerogeneradores de velocidad
variable.
La Figura 3 muestra una curva estimada turbulenta de Potencia promedio
aplicando un método de control de la técnica anterior y una curva estacionaria
15
ideal de Potencia.
La
Figura 4 muestra una gráfica Potencia instantánea vs. Tiempo
ilustrando un método según la presente invención con períodos de tiempo con
pérdidas de energía y con períodos de tiempo con ganancias de energía.
La Figura 5 muestra una curva estimada turbulenta de Potencia promedio
2 O
aplicando un método de control de la técnica anterior, una curva turbulenta
estimada
de Potencia promedio aplicando un método de control según la
presente invención y una curva ideal de Potencia.
La
Figura 6 muestra curvas de Potencia medida vs . Tiempo y de
Potencia
promedio vs. Tiempo obtenidas en una simulación aplicando un
25
método de control de la técnica anterior y un método de control según la
presente invención para una velocidad de viento promedio de 11 mIs.
La
Figura 7 muestra curvas de Potencia medida vs. Tiempo y de
Potencia
promedio vs. Tiempo obtenidas en una simulación aplicando un
método de control de
la técnica anterior y un método de control según la
30
presente invención para una velocidad de viento promedio de 13 mIs.
La
Figura 8 muestra curvas de Potencia medida vs. Tiempo y de
Potencia
promedio vs. Tiempo obtenidas en una simulación aplicando un
método de control de la técnica anterior y un método de control según la
presente invención para una velocidad de viento promedio de 17 mIs.
DESCRIPCiÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS
5
Un aerogenerador 11 convencional comprende una torre 13 soportando
una góndola 21 que alberga un generador 19 para convertir la energía rotacional
del rotor del aerogenerador en energía eléctrica. El rotor del aerogenerador
comprende un buje de rotor 15 y, normalmente, tres palas 17. El buje del rotor
10
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 apropiada del rotor del generador.
La energía producida por un aerogenerador moderno está controlada
15
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 inicialmente, es decir, antes de una transferencia de energía a una
red de distribución eléctrica a través de un convertidor.
20
El objetivo básico de los métodos de operación de un aerogenerador de
velocidad variable es alcanzar una operación con la producción
aerodinámicamente ideal el mayor tiempo posible.
Como es sabido, la energía cinética asociada con el viento incidente
depende del área barrida por las palas del rotor, de la densidad del aire y del
25
cubo de la velocidad del viento y se considera que los aerogeneradores pueden
extraer hasta el 59% de dicha energía. Por ello, se representa la capacidad de
cada aerogenerador para aproximarse a dicho límite por el llamado coeficiente
de potencia Cp que está determinado por sus características aerodinámicas,
particularmente por el ratio A de su velocidad en la punta que se define como la
3 O
relación entre la velocidad tangencial de la punta de la pala y la velocidad del
viento incidente. Si se puede mantener ese ratio en su valor óptimo, de manera
que la velocidad del rotor siga la velocidad del viento, se obtiene el máximo
coeficiente de potencia Cp del aerogenerador, alcanzando una conversión de
energía muy eficiente.
La estrategia de control seguida generalmente en los aerogeneradores
de velocidad variable está basada en ajustar eléctricamente el par del
5
generador para alcanzar la máxima producción lo que se lleva a cabo usando
un controlador que recibe señales indicado la velocidad del generador y la
potencia producida por el generador y que proporciona una señal de referencia
del par al convertidor para obtener la potencia requerida.
Consecuentemente, el controlador del aerogenerador usa una curva que
10
define la relación funcional deseable entre potencia y velocidad para alcanzar la
producción ideal.
Para una mejor comprensión de la presente invención, se hace
seguidamente una breve descripción de una típica curva potencia vs. velocidad
del generador 21 , mostrada en la Figura 2.
15
Esta curva comprende una primera zona sub-nominal 23 en la que la
velocidad del viento alcanza el nivel mínimo para comenzar la operación del
aerogenerador. En esta zona, el control del aerogenerador es muy limitado ya
que el aerogenerador no puede capturar la máxima energía. La segunda zona
sub-nominal 25 corresponde a velocidades del viento en el rango de 4-8 mis, en
2 O
la que la velocidad del generador se incrementa y el aerogenerador funciona
con un óptimo coeficiente de potencia Cp. La tercera zona sub-nominal 27
corresponde a velocidades del viento en el rango 8-11 mis, en la que se
mantiene constante la velocidad del generador nr1 mientras la potencia se
incrementa hasta la potencia nominal-En esta zona el ángulo de paso de las
25
palas es fijo y la velocidad del generador se controla a través del par. En la zona
nominal 29, tiene lugar la operación del aerogenerador a plena carga bajo el
control del ángulo de paso de las palas para evitar sobrecargas.
En condiciones ideales la curva de potencia promedio resultante sería la
curva 31 de la Figura 3 pero como consecuencia de, entre otros factores, las
30
distorsiones creadas por la turbulencia del viento y las características
mencionadas más arriba de los controladores la curva de potencia real 33 sufre
una suavización en la zona de esquina próxima a la potencia nominal. Este
efecto causa una pérdida de energía respecto a la producción ideal de energía.
La idea básica de la presente invención, como se ilustra en la Fig. 4, es el
uso de una regulación alternativa a la regulación estándar a lo largo de
5
determinados períodos de tiempo Tba una potencia más alta Pb que la potencia
nominal Pn para compensar pérdidas previas de energía en períodos Ta.
Haciendo eso se puede alcanzar, como se muestra en la Figura 5 una curva de
potencia promedio resultante 35 más cercana a la curva de potencia ideal 31
que la curva de potencia 33 correspondiente a los métodos de control de la
10
técnica anterior.
Dichos períodos de tiempo Tb están restringidos por límites mecánicos y
eléctricos y consiguiente es muy difícil una recuperación total de las pérdidas
previas de energía. Se considera que Tb está comprendido entre 180-300
segundos en muchos de los aerogeneradores comerciales conocidos.
15
La potencia más alta Pb está muy relacionada tanto con los límites
eléctricos como con los límites mecánicos del aerogenerador y se considera que
está comprendida en un rango de 104-110% Pn en muchos de los
aerogeneradores comerciales conocidos.
Por una parte, la implementación de dicha regulación alternativa está
2O
basada en un cálculo continuo de la energía perdida acumulada ALE como la
integración en tiempo de la diferencia entre la máxima potencia promedio
permitida (la potencia nominal Pn) y la potencia producida en cada intervalo de
tiempo, manteniendo un límite superior ALEmax para la máxima perdida de
energía que se permite acumular, que se establece como la máxima cantidad
25
de energía recuperable en hipotéticos períodos de tiempo Tb a la potencia más
alta Pb, siendo la duración de dichos períodos de tiempo Tb y el nivel de dicha
potencia más alta Pb compatibles con las limitaciones mecánicas y eléctricas del
generador, y un límite inferior ALEmin para la mínima perdida de energía que se
permite acumular.
3O
ALEmax puede ser obtenida en términos generales como la integración de
Pb -Pn desde t=O a Tb. El parámetro ALEmin se define para proporcionar un
pequeño extra margen para la recuperación de energía, principalmente en
aquellos instantes en los que utilizando la regulación estándar la potencia es
ligeramente superior a la referencia del control.
La regulación alternativa se activa cuando, estando el aerogenerador
controlado por la regulación estándar, la energía perdida acumulada ALE es
5
superior a un valor predeterminado ALE1. La regulación alternativa se desactiva
cuando la energía perdida acumulada ALE es inferior a un valor predeterminado
ALE2.
Por otra parte, la implementación de dicha regulación alternativa está
basada en la determinación de la potencia más alta Pb que debe ser usada, es
10
decir el incremento de potencia que debe se añadido a la máxima potencia
permitida en el bucle de par, con el objetivo de recuperar el déficit de energía de
períodos anteriores.
En una realización Pb puede ser fijado como una constante para la
regulación alternativa.
15
En otra realización Pb se calcula teniendo en cuenta el volumen de la
energía perdida acumulada ALE y las limitaciones de duración de los períodos
temporales Tb bajo la regulación alternativa. En particular Pb puede ser
calculado usando una tabla preestablecida de relación ALE I Pb teniendo en
cuenta las características mecánicas y eléctricas relevantes para dicha
2 O
regulación alternativa. En ningún caso Pb puede alcanzar una potencia máxima
Pmax pre-establecida.
Los valores de los parámetros mencionados anteriormente ALE1 , ALE2 ,
ALEmax, ALEmin también se determinan teniendo en cuenta las limitaciones del
generador y el convertidor en relación, entre otras características, al factor de
25
potencia, la temperatura y el voltaje. Deben tenerse en cuenta particularmente
las restricciones térmicas y de sobre-corrientes.
Las Figuras 6-8 muestran las curvas de potencia 41 obtenidas en
simulaciones aplicando la regulación conocida en la técnica y las curvas de
potencia aplicando la regulación según esta invención para velocidades de
30
viento promedio de, respectivamente, 11 mIs, 15 mIs y 17 mIs. También se
muestran las curvas de potencia promedio 45, 47 obtenidas aplicando ambas
regulaciones.
Como puede verse en las Figuras 6-8 aplicando un método de control
según la presente invención hay períodos del tiempo en los que se utiliza la
regulación estándar y en los que hay pérdidas de energía, seguidos de períodos
de tiempo en lo que se usa la regulación alternativa según la presente invención
5
para recuperar, al menos en parte, dichas P?rdidas de energía. La cantidad
recuperada es mayor cuando la velocidad del viento demanda una potencia
operacional cercana a la potencia nominal.
Las Figuras mencionadas 6-8 han sido obtenidas aplicando un método
de control según la presente invención a un aerogenerador de 2 MW y 80 m de
10
diámetro. Se ha considerado una potencia nominal de 2000 kW, una potencia
más alta Pb de 2080 kW, un período temporal Tb de 180 s, un ALEmax de 14400
kWs {calculado como el área (Pb -Pn )XTb, es decir (2080-2000)x180}, un ALEmin
de -600 kWs (el 2% de la potencia nominal en un periodo de 15 s), un ALE2 de
O kWs y un ALE1 de 576 kWs (4% de ALEmax).
15
El método considerado en la presente invención se implementa usando
medios disponibles en los sistemas de control de aerogeneradores de velocidad
variable. Estos medios comprenden por un lado dispositivos de medida de
variables relevantes como la velocidad del generador o la potencia producida en
cada instante y medios de proceso que permiten fijar referencias operacionales
2O
para el aerogenerador tales como el par demando por el generador como una
función de varias condiciones.
La regulación alternativa objeto de esta invención se implementa en
particular incluyendo en los mencionados medios de proceso un algoritmo cuya
entrada básica es, como hemos indicado, la potencia producida P y cuya salida
25
básica es la activación de dicha regulación alternativa con una referencia
operacional para el par demandado por el generador y la desactivación de dicha
regulación alternativa.
Finalmente debe advertirse que una ventaja de la regulación alternativa
objeto de la presente invención en relación con la técnica anterior es que
30
permite una compensación de pérdidas de energía respecto a la producción
prescrita ideal debidas a cualquier causa.
Aunque la presente invención se ha descrito enteramente en conexión con realizaciones preferidas, es evidente que se pueden introducir aquellas modificaciones dentro de su alcance, no considerando éste como limitado por las anteriores realizaciones, sino por el contenido de las reivindicaciones siguientes.

Claims (10)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Método de operación de un aerogenerador de velocidad variable (11)
    que comprende medios de control para llevar a cabo una regulación estándar
    5
    siguiendo una curva potencia vs. velocidad del generador (21) que comprende
    una primera zona sub-nominal (23) en la que se mantiene constante la
    velocidad del generador a su valor de acoplamiento, una segunda zona sub
    nominal (25) en la que se permite que tanto la velocidad del generador como la
    potencia aumenten/disminuyan en línea con la velocidad del viento, una tercera
    10
    zona sub-nominal (27) en la que se mantiene constante la velocidad del
    generador en su valor nominal y una zona nominal (28) en la que se mantiene
    constante la potencia en su valor nominal Pn, caracterizado porque durante
    determinados períodos de tiempo T b se usa una regulación alternativa a una
    potencia Pb más alta que la determinada por la regulación estándar para
    15
    optimizar la producción de energía compensando pérdidas previas de energía,
    estando dicha regulación alternativa basada en el cálculo continuo de la energía
    perdida acumulada ALE como la energía perdida respecto a la máxima
    producción de energía permitida por la regulación estándar y en la fijación de
    dicha potencia más alta Pb y dichos períodos de tiempo Tb de manera
    2 O
    compatible con las limitaciones mecánicas y/o eléctricas del aerogenerador.
  2. 2.-Método de operación de un aerogenerador de velocidad variable (11)
    según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha potencia más alta Pb se fija
    como una constante.
    25
  3. 3.-Método de operación de un aerogenerador de velocidad variable (11)
    según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha potencia más alta Pb se fija
    como una variable dependiente de la energía perdida acumulada ALE.
  4. 4.-Método de operación de un aerogenerador de velocidad variable (11)
    30
    según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque dicha
    potencia más alta Pb está comprendida en un rango del 104-110% de la
    potencia nominal Pn.
    -,
  5. 5.-Método de operación de un aerogenerador de velocidad variable (11)
    según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque la duración
    de dichos períodos temporales está comprendida en un rango de 180-300 s.
    5
  6. 6.-Método de operación de un aerogenerador de velocidad variable (11)
    según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque el cálculo de
    la energía perdida acumulada ALE se realiza manteniendo un límite superior
    ALEmax Y un límite inferior ALEmin para que se mantenga dentro de niveles
    10
    recuperables usando dicha regulación alternativa.
  7. 7.-Método de operación de un aerogenerador de velocidad variable (11)
    según la reivindicación 6, caracterizado porque el límite superior ALEmax se
    determina como la máxima energía recuperable en un período de tiempo Tb.
    15
  8. 8.-Método de operación de un aerogenerador de velocidad variable (11)
    según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizado porque:
    -dicha regulación alternativa se activa cuando, estando el aerogenerador
    controlado por la regulación estándar, la energía perdida acumulada ALE es
    20
    mayor de un valor predeterminado ALE1;
    -dicha regulación alternativa se desactiva cuando la energía perdida
    acumulada ALE es menor de un valor predeterminado ALE2.
  9. 9.-Método de operación de un aerogenerador de velocidad variable (11)
    25
    según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado porque dicha
    regulación alternativa se activa estando controlado el aerogenerador por dicha
    regulación estándar en dicha tercera zona sub-nominal (27) o en dicha zona
    nominal (29).
  10. 10. Un aerogenerador de velocidad variable (11) controlado por un
    30
    método según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1-9.
    FIG.1
    ...............~ ...............~ .....:....--r-:-......... .
    ............... " ..."\.
    lIS
    U
    e
    O a..
    o+----L--;--------r------~------~r--+--~
    900 1100 1300 1500 1700
    nr nout
    Velocidad del generador (rpm) FIG.2
    FIG.3
    +-Ta-t +-Tb --t +-Ta-+
    o 100 1f.O 200
    Tiempo (s) FIG.4
    3 8 13 18
    Velocidad del viento (mIs) FIG. 5
    Velocidad promedio del viento 11 mIs
    Tiempo (s)
    FIG.6
    Velocidad promedio del viento 13 mIs 43
    111 "O
    "O
    al
    E
    o
    c: '''''
    al
    o a..
    ~~------~--------------------------------------------~
    o m
    '00
    ""
    Tiempo (s)
    FIG.7
    Velocidad promedio del viento 17 mIs
    Tiempo (s)
    FIG.8
ES10015467.3T 2009-12-16 2010-12-09 Métodos de control de aerogeneradores para mejorar la producción de energía recuperando pérdidas de energía Active ES2643162T3 (es)

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