ES2646016T3 - Métodos de control de aerogeneradores para mejorar la producción de energía - Google Patents

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

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Abstract

Métodos de control de aerogeneradores para mejorar la producción de energía siguiendo una curva potencia vs. velocidad del generador (31 ) que comprende una zona nominal (39) donde se mantiene constante la potencia a su valor nominal, una primera zona sub-nominal (33), una segunda zona sub- nominal (35) donde se permite que tanto la velocidad del generador como la potencia aumenten/disminuyan en línea con la velocidad del viento y una tercera zona sub-nominal (37) entre la segunda zona sub-nominal (35) y la zona nominal (39) que comprende un primer segmento vertical (41 ) a una velocidad del generador

Description

METODOS DE CONTROL DE AEROGENERADORES PARA MEJORAR LA PRODUCCiÓN DE ENERGIA
CAMPO DE LA INVENCION
La invención se refiere a métodos de control de aerogeneradores de velocidad variable y, en particular, a métodos de control de aerogeneradores de control variable para mejorar la producción de energía.
ANTECEDENTES
Los aerogeneradores son dispositivos que convierten energía mecánica en energía eléctrica. Un aerogenerador típico incluye una góndola montada sobre una torre que alberga un tren de potencia para transmitir la rotación de un rotor a un generador eléctrico y otros componentes tal como los motores de orientación mediante los que se gira el aerogenerador, varios controladores y un freno. El rotor soporta varias palas que se extienden radialmente para capturar la energía cinética del viento y causan un movimiento rotatorio del tren de potencia. Las palas del rotor tienen una forma aerodinámica de manera que cuando el viento pasa a través de la superficie de la pala se crea una fuerza ascensional que causa la rotación de un eje al que está conectado directamente o a través de un dispositivo de multiplicación-un generador eléctrico situado dentro de la góndola. La cantidad de energía producida por los aerogeneradores depende de la superficie de barrido del rotor de palas que recibe la acción del viento y, consecuentemente, el incremento de la longitud de las palas implica normalmente un incremento de la producción de energía del aerogenerador.
En los métodos y sistemas de control conocidos la energía producida por un aerogenerador se incrementa con la velocidad del viento hasta que se alcanza un nivel nominal pre-establecido y a partir de ahí se mantiene
constante. Ello se hace regulando el ángulo de paso de las palas de manera
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,
5
consecuentemente, la energía producida pueden mantenerse relativamente
constantes con velocidades crecientes del viento.
Como es bien conocido la limitación de la velocidad rotacional de los
aerogeneradores implica tanto una limitación de sus cargas como una limitación
de la energía del viento capturada con respecto a la energía del viento
10
disponible. Por ello, la industria de aerogeneradores está demandando
constantemente métodos mejorados de control para optimizar su eficiencia.
Hay varios métodos conocidos orientados hacia esa demanda. Uno de
ellos está descrito en US 2007/0154311 : un método de control del par y el
ángulo de paso de acuerdo con la velocidad rotacional para suministrar una
15
mayor producción. US2003/0185665 también describe un método de control de
la velocidad de rotación de una turbina, de tal manera que se obtiene una mayor
producción de energía en un amplio rango de velocidades de viento, en
particular a bajas velocidades de viento, así como producción de electricidad de
mejor calidad, y la mismo tiempo reduce las cargas estructurales de la turbina.
2O
Esta invención está orientada a la atención de esa misma demanda,
evitando los inconvenientes de la técnica anterior conocida.
SUMARIO DE LA INVENCiÓN
25
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 métodos de control
de aerogeneradores adaptados para optimizar la producción de energía en las
30
zonas de la curva de potencia en torno a la velocidad nominal del generador.
En un aspecto, esos y otros objetos se consiguen proporcionando un
método de control de la operación de un aerogenerador de velocidad variable
según se ha definido en la reivindicación 1, siguiendo una curva potencia vs.
velocidad del generador que comprende una zona nominal en la que se
5
mantiene constante la potencia en su valor nominal, 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 y una tercera zona sub-nominal entre la segunda zona
1 0
sub-nominal y la zona nominal que comprende un primer segmento vertical a
una velocidad del generador na mayor de la velocidad nominal del generador nr1
y un segundo segmento vertical a la velocidad nominal del generador nr1
conectando con la zona nominal, siguiéndose cada uno de dichos segmentos en
función de los cambios de la velocidad del viento para optimizar la producción
15
de energía.
En una realización preferente, la velocidad del generador na está
comprendida en un rango del 85%-95% de la máxima velocidad del generador
nout. Se consigue con ello un método de control que optimiza la producción de
energía manteniendo un margen de seguridad entre la velocidad operacional del
2 O
generador y la velocidad de autoprotección del convertidor.
Dicho primer segmento vertical tiene un punto alto C y dicho segundo
segmento vertical tiene un punto bajo E a dos valores predeterminados de
potencia P1 y P2 definiendo los caminos C-D; E-F a ser seguidos entre ellos. Se
consigue con ello un método de control que optimiza la producción de energía
25
minimizando los inconvenientes asociados al uso de dichos primer y segundo
segmentos verticales.
En otra realización preferente, dicho valor de potencia P1 está
comprendido en un rango del 85%-95% del valor nominal de la potencia. Se
consigue con ello un método de control que optimiza la producción de energía
30
minimizando los inconvenientes asociados a pares elevados y altas velocidades
angulares.
En otra realización preferente, dicho valor de potencia P2 está comprendido en un rango del 110%Pi -90%P1, siendo Pi el valor de la potencia en el punto I de intersección de la segunda zona sub-nominal y una línea vertical a la velocidad nominal del generador nrl. Se consigue con ello un método de control que optimiza la producción de energía minimizando los inconvenientes asociados a las cargas de fatiga.
En otro aspecto, los objetos mencionados se consiguen proporcionando un aerogenerador de velocidad variable controlado por el método mencionado anteriormente. En una realización preferente, el generador del aerogenerador es un generador de inducción doblemente alimentado. 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 de una realización ilustrativa y no limitativa de su objeto en relación con las figuras que se acompañan.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
La Figura 1 muestra esquemáticamente los componentes principales de un aerogenerador.
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 Potencia vs. Velocidad del generador para controlar aerogeneradores de velocidad variable según la presente invención.
Las Figuras 4-5 muestran curvas Potencia vs. Velocidad del generador según la presente invención y según la técnica conocida en una simulación para una rampa de viento ascendente y otra descendente.
Las Figuras 6-7 muestran curvas Velocidad del generador vs. Velocidad del viento resultantes en dicha simulación.
Las Figuras 8-9 muestran curvas Potencia vs. Velocidad del viento 30 control del ángulo de paso de las palas para evitar sobrecargas. La diferencia principal entre la curva de potencia 31 según la presente
resultantes en dicha simulación.
La Figura 10 muestra curvas estimadas en media de Potencia aplicando
el método de la presente invención y el mencionado método conocido en la
5
técnica.
DESCRIPCiÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS
Un aerogenerador 11 convencional comprende una torre 13 soportando
10
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
15 está conectado al bien directamente o a través de una multiplicadora al
generador 19 del aerogenerador para transferir el par generado por el rotor 15 al
15
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
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
2 O
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.
El objetivo básico de los métodos de operación de un aerogenerador de
velocidad variable es alcanzar una operación con la producción
25
aerodinámicamente ideal el mayor tiempo posible.
Como es sabido, la energía cinética asociada con una corriente de viento
depende del área barrida por dicha corriente, de su densidad y del 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
30
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
relación entre la velocidad tangencial de la punta de la pala y la velocidad del
viento incidente. Si se puede mantener ese ratio al máximo coeficiente de
potencia Cp del aerogenerador de manera que la velocidad del rotor siga a la
5
velocidad del viento, se puede conseguir un aerogenerador muy eficiente.
La estrategia de control seguida generalmente en los aerogeneradores
de velocidad variable está basada en ajustar eléctricamente el par del
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
10
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
define la relación funcional deseable entre potencia y velocidad para alcanzar la
producción ideal.
15
Para una mejor comprensión de la presente invención, se hace
seguidamente una breve descripción de una típica curva potencia vs. velocidad
21 mostrada en la Figura 2.
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
2 O
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
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
25
corresponde a velocidades del viento en el rango 8-13 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
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
invención, mostrada en la Figura 3, y la curva de potencia 21 de la técnica anterior se refiere a la tercera zona sub-nominal 37 que comprende un primer segmento vertical 41 , a una velocidad del generador na mayor que la velocidad 5 nominal del generador nr1, Y un segundo segmento vertical 43 a la velocidad nominal del generador nr1 conectando con la zona nominal 39 con el correspondiente punto más alto C a la potencia predeterminada P1 y un punto más bajo E a una potencia predeterminada P2 (más baja que dicha potencia predeterminada P1) en dichos segmentos verticales 41 , 43 definiendo los
10 caminos C->D; E->F para cambiar las referencias de la velocidad del generador entre ellos en función de los cambios de la velocidad del viento que permiten optimizar la producción de energía.
El objetivo de incrementar la velocidad rotacional y la potencia por encima del valor nominal en la zona sub-nominal 37 es seguir la estrategia de 15 producción óptima, es decir mantener constantes JI. y el ángulo de paso de las palas en los valores que hacen máximo a Cp. En esas condiciones la curva de potencia tiene la siguiente expresión en condiciones cuasi-estacionarias:
Así pues, la evolución de la operación del aerogenerador en dicha zona
20 sub-nominal 37 será la siguiente: -El primer segmento vertical 41 comienza en el punto B a la velocidad del generador nr2, mayor que la velocidad nominal del generador nr1. Por tanto cuando el aerogenerador está operando en el punto A en la primera zona subnominal 35, cerca de la velocidad nominal del generador nr1. la referencia de
25 velocidad del generador se fija en el valor na. -Si la velocidad del viento aumenta, el punto operacional se mueve de A a B. Por tanto en lugar de seguir un segmento vertical a la velocidad nominal del generador nr1 como en la técnica anterior, la operación del aerogenerador continúa desarrollándose bajo una estrategia de producción óptima.
30 -Si la velocidad del viento continúa aumentando, el punto operacional se mueve de B hacia C a lo largo del primer segmento vertical 41 . Una vez que la
potencia producida llega a un límite superior predeterminado P1 la referencia de
velocidad del generador se cambia al segundo segmento vertical 43 con lo se
mueve el punto operacional a D a través del camino horizontal (C-D) a potencia
constante P1.
5
-Una vez que el estado operacional del aerogenerador está en D, si la
velocidad del viento continúa aumentado el punto operacional se mueve hacia la
zona nominal 39 a lo largo del segundo segmento vertical 43. En otro caso, si la
velocidad del viento disminuye, el punto operacional se mueve a lo largo del
segundo segmento vertical 43 hacia el punto E en el límite inferior P2.
10
-Si el punto operacional está en E y la velocidad del viento disminuye, la
potencia producida va a estar por debajo del límite inferior P2, por lo que la
referencia de velocidad del generador se mueve al punto F a través del camino
horizontal (E-F) a potencia constante P2 hacia el primer segmento vertical 41.
-Una vez que el punto operacional está en F, si la velocidad del viento
15
aumenta, evolucionará hacia C y si la velocidad del viento disminuye
evolucionará hacia B a lo largo del primer segmento vertical 41 en ambos casos.
-Si el punto operacional está en B y la velocidad del viento disminuye,
evolucionará hacia A en la segunda zona sub-nominal 35.
El método considerado en esta invención se implementa usando los
2 O
medios disponibles en los sistemas de control de los aerogeneradores de
velocidad variable. Estos métodos comprenden, por una parte, dispositivos para
la medición de variables relevante como la aceleración de la torre, la velocidad
del viento la velocidad del generador Ó la potencia producida en cada instante y,
por otra parte, medios de proceso que permiten establecer referencias
25
operacionales para el aerogenerador como el par demandado por el generador.
Las Figuras 4 y 5 muestran curvas Potencia vs. Velocidad del generador
31', 31 " resultantes de una simulación en un entorno correspondiente a una
máquina eléctrica doblemente alimentada con un generador de un par de polos
para, respectivamente, una rampa de velocidad del viento de 4 mIs a 21 mIs
30
durante 1000 s y una rampa de velocidad del viento de 21 mIs a 4 mIs durante
1000 s aplicando el método según la presente invención y la curva 21 aplicando el método conocido en la técnica mencionado.
El valor de la velocidad nominal del generador en este caso es nr1 = 1680 rpm . El valor de nr2 ha sido determinado dejando un margen de seguridad con respecto a la velocidad de autoprotección del convertidor (la máxima velocidad del generador) nout = 1900 rpm en este caso, considerando las variaciones de la velocidad del generador que tienen lugar cuando está siendo controlado. Se ha usado un valor de nr2 =1750 rpm, dejando pues un margen de seguridad del 7,89% respecto a la máxima velocidad del generador. En la determinación del valor de nr2 también se tienen en cuenta consideraciones referentes al ruido aerodinámico teniendo en cuenta la estrecha relación entre el ruido y la velocidad de la punta de la pala .
-
El valor de P1 ha sido determinado dejando un margen de seguridad respecto a la potencia nominal (2000 kW en este caso) para evitar altos niveles de carga derivado de una combinación de un elevado par y una alta velocidad angular. Se ha usado un valor de P1 = 1800 kW, dejando pues un margen de un 10% respecto a la potencia nominal.
-
El valor de P2 ha sido determinado como un valor entre el valor de P1 (1800 Kw) la potencia Pi de 1000 Kw en el punto de intersección I del la primera zona sub-nominal 35 y una línea vertical a la velocidad nominal del generador nr1 de la curva de potencia 31 dejando un adecuado margen entre ellos para tener un buen equilibrio entre un alto número de transiciones (que afecta a las cargas de fatiga de los componentes) y la maximización de la producción de energía. Esos márgenes se definen considerando la dinámica del tren de potencia y del controlador. Se ha usado un valor de P2 = 1300 Kw dejando un margen de un 27,78% con respecto a P1 y un margen de un 30% con respecto a Pi.
Las Figuras 6 y 7 muestran las curvas Velocidad del generador vs. Velocidad del viento 43', 43" resultantes de la simulación mencionada aplicando 3 O el método según la presente invención y la curva 41 aplicando el mencionado
método conocido en la técnica.
Las Figuras 8 y 9 muestran las curvas Potencia vs. Velocidad del viento
53', 53" resultantes de la simulación mencionada aplicando el método según la
presente invención y la curva 51 aplicando el mencionado método conocido en
la técnica.
5
La Figura 10 muestra respectivamente la curva de potencia estimada en
media 65 que puede ser construida aplicando el método según la presente
invención, la curva 63 aplicando el mencionado método conocido en la técnica y
la curva de potencia delta 61 .
Como hemos mencionado anteriormente los parámetros na, P1, P2 se
10
determinan teniendo en cuenta diferentes características del aerogenerador y
particularmente la tipología del generador.
De acuerdo con los estudios y simulaciones llevadas a cabo por el
solicitante se considera que al menos para muchos de los aerogeneradores que
ya están instalados, los valores de dichos parámetros están comprendidos en
15
los siguientes rangos:
-La velocidad del generador na está comprendida en un rango del 85%
95% de la máxima velocidad del generador nout .
-P1 está comprendido en un rango del 80%-90% del valor de la potencia
nominal.
2O
-P2 está comprendido en un rango entre el 11 O%Pi Yel 90%P1.
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
25
siguientes.

Claims (5)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Método de operación de un aerogenerador de velocidad variable (11) que tiene medios de control para su regulación siguiendo una curva potencia vs. velocidad del generador (31) que comprende una zona nominal (39) en la que se mantiene constante la potencia a su valor nominal, una primera zona subnominal (33) en la que se mantiene constante la velocidad del generador a su valor de acoplamiento, una segunda zona sub-nominal (35) en la que se permite que tanto la velocidad del generador como la potencia aumenten/disminuyan en línea con la velocidad del viento y una tercera zona sub-nominal (37) entre la segunda zona sub-nominal (35) y la zona nominal (39), la tercera zona subnominal (37) comprende un primer segmento vertical (41) a una velocidad del generador nr2 mayor de la velocidad nominal del generador nr1 y un segundo segmento vertical (43) a la velocidad nominal del generador nr1 conectando con la zona nominal (39), caracterizado porque dicho primer segmento vertical y dicho segundo segmento vertical están conectados por un camino más alto horizontal (e-D) a un primer punto (e) y a un segundo punto (D) y un camino horizontal más bajo (E-F) a un tercer punto (E) y a un cuarto punto (F), dicho primer segmento vertical (41) Y dicho segundo segmento vertical (43) están siendo seguidos en función de los cambios de la velocidad del viento para optimizar la producción de energía, el primer segmento vertical (41) tiene un punto más alto (C) y dicho segundo segmento vertical (43) tiene un punto más bajo (E) a dos potencias determinadas P1 y P2 definiendo los caminos horizontales (e-D; E-F) para ser seguidos entre ellos tal que P2 es más bajo que dicho valor de potencia determinado P1 .
  2. 2.-Método de operación de un aerogenerador de velocidad variable (11) según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha velocidad del generador nr2 está comprendida en un rango del 85%-95% de la máxima velocidad del
    3 O generador nout.
  3. 3.-Método de operación de un aerogenerador de velocidad variable (11) según la reivindicación 2, caracterizado porque dicho valor de potencia P1 está comprendido en un rango del 85%-95% del valor nominal de la potencia.
  4. 4.-Método de operación de un aerogenerador de velocidad variable (11) según cualquiera de las reivindicaciones 2-3, caracterizado porque dicho valor de potencia P2 está comprendido en un rango del 110% Pi -90%P1 , siendo Pi el valor de la potencia en el punto I de intersección de la segunda zona sub
    10 nominal (35) y una línea vertical a la velocidad nominal del generador nr1.
  5. 5.-Un aerogenerador de velocidad variable (11) adaptado para ser controlado por un método según cualquiera de las reivindicaciones 1-4.
    15 6.-Un aerogenerador de velocidad variable (11) según la reivindicación 5, caracterizado por que el generador del aerogenerador es un generador de inducción doblemente alimentado.
    FIG.1
    ---_....................._................._-._---"..........
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    ~
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    c.J
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    "
    0~---L--+-------+-------+_----_++_~--__4
    900 1100 1300 1500 1700 1900
    nr nout Velocidad generador (rpm)
    FIG.2
    2000 ------------------------------.---------------. ------.......,~--
    Pi
    0+---~~-r------~r-------;_------++-+--+-__1
    900 1100 1300 1500 1700 1900 n rl nr2 nou!
    Velocidad generador (rpm)
    FIG. 3
    PI
    ca
    u
    c::
    CIl
    o o..
    n rl nr2 n ou!
    Velocidad Generador (rpm) FIG.4
    IV U
    1: CII 1000
    -
    O
    D..
    O+--------+--------;-------~r_------br_+--+_~
    900 1100 1300 1500
    1900 n r1 nr2 nou!
    Velocidad generador (rpm) FIG.5
    E
    ..Q.
    ..
    o 1500
    "C
    IV
    ..
    CII
    1: CII
    tri
    "C
    IV
    "C
    U O
    CII
    >
    --41 -----¡----------¡----------
    ..
    ..
    ..
    .
    .
    I
    -----------
    .... ----------..,-------. --
    2000,-----~----~----~ ----~------~----~----,
    E
    Q.
    ...
    . ,. .. I , .
    ...
    r -1----------¡------41 -----------~ ----------~----------
    o 1500
    . .
    'C
    . .
    . .
    ni
    , ,
    ...
    CII
    1: CII
    el
    , " I I
    'C ---------..,-----------~ -----------,----------------------ro ----------.,---.------
    ni 1000 'C
    U
    o
    CII
    >
    500~----4-----~-----+----~------~----+_--~
    5 7 8 9 10 12
    Velocidad viento (mIs)
    FIG.7
    'i'
    ~
    ni
    U
    1: CII
    -
    o 1000
    a..
    O+--------------r------------~------------~
    6 8 10 12
    Velocidad viento (mIs)
    FIG.8
    20m ---------------------------------------------------.--------.y------!
    o+--------+------~r_----------~
    6 8 10 12
    Velocidad viento (mis) FIG.9
    .--------------------~------------r2500
    2000 -------------------------------- ----, -------------:.:-""'--=--~----------1
    2000 o
    o
    ~
    ....
    ~
    1500 'i)( u
    ca
    ~
    c:
    ------------
    ~-----------------------------------
    .
    CII
    ~
    CII
    o
    o ~ -61
    o..
    o.. 500 <l
    O+---------------------r------------------------+O 5 10 15
    Velocidad viento (mis)
    FIG.10
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