ES2656684T3 - Mejoras con relación a la determinación de desequilibrios del rotor en una turbina eólica - Google Patents

Mejoras con relación a la determinación de desequilibrios del rotor en una turbina eólica Download PDF

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Abstract

Una turbina eólica que comprende una torre, un rotor que incluye una pluralidad de palas, un generador eléctrico operativamente acoplado al rotor, y un sistema de control que incluye un módulo de amortiguación activa configurado para supervisar el movimiento oscilatorio de la turbina eólica y para producir una señal de demanda de amortiguación para amortiguar el movimiento oscilatorio, en el que el sistema de control se configura para realizar un proceso de determinación del desequilibrio del rotor que incluye: controlar la frecuencia de rotación del rotor de modo que coincida sustancialmente con la frecuencia natural de la torre, determinar datos de desequilibrio del rotor basándose en la señal de demanda de amortiguación y evaluar dichos datos de desequilibrio del rotor para determinar la presencia de una situación de desequilibrio del rotor, y corregir la situación de desequilibrio del rotor mediante la aplicación de entradas de control de cambio de paso a una o más de la pluralidad de palas de modo que se reduzca la gravedad del desequilibrio del rotor.

Description

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DESCRIPCION
Mejoras con relación a la determinación de desequilibrios del rotor en una turbina eólica Campo de la invención
La presente invención se refiere a una técnica, estrategia o proceso para determinar desequilibrios en un rotor de una turbina eólica.
Antecedentes de la invención
Las turbinas eólicas están siendo diseñadas cada vez más grandes debido a incentivos económicos y políticos para incrementar la producción de energía a partir de recursos renovables.
Cuando el tamaño global de las turbinas eólicas se incrementa, así lo hacen las fuerzas experimentadas por las turbinas eólicas en la operación. Un factor significativo en la carga de la torre es la fuerza generada debido al movimiento del rotor montado en la góndola de la turbina eólica. En circunstancias ideales, el rotor estaría equilibrado de modo que se minimicen las fuerzas aplicadas a la torre por esta fuente de excitación. Sin embargo, en la práctica, el rotor genera fuerzas cíclicas sobre la torre debido a dos causas principales: desequilibrio aerodinámico y desequilibrio de masas. El desequilibrio aerodinámico puede tener lugar cuando las propiedades aerodinámicas de las palas están afectadas, por ejemplo, cuando una o más de las palas se montan incorrectamente, cuando una pala está más sucia que las otras, o cuando la acumulación de hielo sobre una de las palas es más grave. El desequilibrio aerodinámico también puede tener lugar cuando zonas turbulentas del flujo de aire que pasa a través del plano del rotor afectan desigualmente a las palas. El desequilibrio de masa puede tener lugar cuando las masas de las palas están afectadas, por ejemplo si la masa de las palas es diferente en la instalación, o debido a la acumulación de agua en el interior de las palas.
La torre oscilará de acuerdo con su frecuencia natural o “frecuencia eigen” que se determina ampliamente por las características estructurales de la turbina eólica tales como su altura, diámetro, material de fabricación, masa de la góndola por nombrar unos pocos factores. Típicamente, una turbina eólica se diseñará de modo que la frecuencia eigen de la torre esté separada, en el campo de la frecuencia, del intervalo de velocidad operativa del rotor y equipo de generación asociado. Sin embargo, este principio de diseño significa que la influencia del desequilibrio del rotor sobre la torre es difícil de detectar y cuantificar, siendo el resultado que importantes componentes del sistema, tales como los cojinetes del rotor, equipo de generación y similares están sometidos a fuerzas desequilibradas que pueden tener un impacto perjudicial en su vida útil de servicio.
Se han hecho algunos esfuerzos para diagnosticar el desequilibrio del rotor para turbinas eólicas. En un estudio, tal como se documenta en “Caselitz, P., Giebhardt, J.: Rotor Condition Monitoring for Improved Operational Safety of Offshore Wind Energy Converters. ASME Journal of Solar Energy Engineering 2005, 127, págs. 253-261”, se realiza un planteamiento estadístico para diagnosticar un desequilibrio de masas entre las palas de una turbina eólica. En particular, este planteamiento aplica una “fase de aprendizaje” a lo largo de un periodo de tiempo significativo (presentado como de tres meses) durante el que el sistema supervisa la producción de potencia y las condiciones de velocidad del viento para definir una característica de potencia como un rotor “sin defectos”. Se toman entonces medidas adicionales para identificar cualquier separación de la característica “sin defectos” para identificar que existe un problema con el rotor. La instrumentación, en la forma de acelerómetros montados en la góndola, proporciona entonces datos que se analizan para determinar si existe un desequilibrio de masas entre las palas del rotor. Aunque dicho esquema parece proporcionar un planteamiento que ofrece el potencial de diagnosticar condiciones de desequilibrio de palas, en la práctica es inviable debido a la necesidad de la fase de aprendizaje para caracterizar un rotor “sin defectos”, y debido a su dependencia de la suposición de que el rotor estará tal como se ha instalado. Otro intento para resolver este problema se muestra por el documento EP 2 390 501 A2.
Es contra estos antecedentes para lo que se ha concebido la invención.
Sumario de la invención
En un primer aspecto, la invención proporciona una turbina eólica que comprende una torre, un rotor que incluye una pluralidad de palas, un generador eléctrico operativamente acoplado al rotor, y un sistema de control que incluye un módulo de amortiguación activa configurado para supervisar el movimiento oscilatorio de la turbina eólica y para producir una señal de demanda de amortiguación para amortiguar el movimiento oscilatorio. El sistema de control se configura para realizar un proceso de determinación del desequilibrio del rotor que incluye:
controlar la frecuencia de rotación del rotor de modo que coincida sustancialmente con la frecuencia natural de la torre,
determinar datos de desequilibrio del rotor basándose en la señal de demanda de amortiguación y evaluar dichos datos de desequilibrio del rotor para determinar la presencia de una situación de desequilibrio del rotor, y corregir la situación de desequilibrio del rotor mediante la aplicación de entradas de control de cambio de paso a
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una o más de la pluralidad de palas de modo que se reduzca la gravedad del desequilibrio del rotor.
La invención también puede expresarse como, y por lo tanto también engloba, un método de operación de una turbina eólica, incluyendo la turbina eólica una torre y un rotor que tienen una pluralidad de palas fijadas al mismo, y un sistema de amortiguación activa configurado para amortiguar el movimiento oscilatorio de la turbina eólica. El método comprende:
controlar la frecuencia de rotación del rotor de modo que coincida sustancialmente con la frecuencia natural de la torre,
determinar datos de desequilibrio del rotor basándose en una señal de demanda de amortiguación asociada con el sistema de amortiguación activa, y evaluar dichos datos de desequilibrio del rotor para determinar la presencia de una situación de desequilibrio del rotor, y
corregir la situación de desequilibrio del rotor mediante la aplicación de entradas de control de cambio de paso a una o más de la pluralidad de palas de modo que se reduzca la gravedad del desequilibrio del rotor.
La invención proporciona por lo tanto una turbina eólica con la capacidad de diagnosticar y corregir una situación de desequilibrio del rotor de una forma conveniente dado que hace uso de instrumentación existente en la turbina eólica para otros propósitos. Por ejemplo la señal de amortiguación se usa por el sistema de amortiguación de la turbina eólica para acometer las oscilaciones de la torre y la góndola durante la operación y las entradas de control del paso se implementan a través de los motores de control del paso existentes asociados con las palas.
El movimiento oscilatorio de la turbina eólica pueden ser oscilaciones de la torre, tanto en la forma de oscilaciones de adelante atrás, es decir oscilaciones en el plano del árbol principal, así como oscilaciones laterales, es decir oscilaciones en el plano perpendicular al árbol principal.
Las oscilaciones de la torre, y por lo tanto la amortiguación requerida en la torre, son típicamente mayores cuando la frecuencia de rotación del rotor está cerca de la frecuencia natural de la torre. En estas condiciones, las oscilaciones de la torre debidas al desequilibrio del rotor son mayores comparadas con otras influencias. Por lo tanto, la determinación de los datos de desequilibrio del rotor tiene lugar cuando la frecuencia de rotación del rotor coincide sustancialmente con la frecuencia natural de la torre. Se concibe que se adquirirán datos precisos si la adquisición de datos tiene lugar cuando la frecuencia de rotación del rotor está dentro de +/- 10 % de la frecuencia natural de la torre, pero más preferentemente dentro de +/- 5 % de la frecuencia natural de la torre.
En una realización, la corrección de la situación de desequilibrio del rotor comprende un proceso iterativo que incluye las siguientes etapas:
i) cálculo de un conjunto de datos de desequilibrio del rotor,
ii) evaluación de dicho conjunto de datos de desequilibrio del rotor para determinar la presencia de una situación de desequilibrio del rotor,
iii) corrección de la situación de desequilibrio del rotor,
iv) repetición de las etapas i) a iii) mientras se determine que existe una situación de desequilibrio del rotor.
En una realización alternativa, la corrección de la situación de desequilibrio del rotor implica el cálculo del desequilibrio del rotor correspondiente a una pluralidad de puntos de desviación en el paso del rotor y a continuación elección del desplazamiento de paso óptimo a aplicar al rotor. Más específicamente el proceso comprende:
i) calcular una pluralidad de conjuntos de datos de desequilibrio del rotor para una pluralidad correspondiente de puntos de desviación del paso asociados con el rotor;
ii) evaluar cada una de la pluralidad de conjuntos de datos de desequilibrio del rotor para determinar la gravedad del desequilibrio del rotor;
iii) seleccionar el punto de desviación del paso correspondiente al conjunto de datos de desequilibrio del rotor que tiene la magnitud de desequilibrio del rotor óptima;
iv) aplicar la corrección del paso a una respectiva o más de la pluralidad de palas basándose en el punto de desviación del paso seleccionado.
Los puntos de desviación del paso pueden referirse a un intervalo de ángulos de desviación del paso para cada uno de unos pares adyacentes de palas y, en la realización ilustrada, son una secuencia de una pluralidad de incrementos del ángulo de paso que se extienden en un barrido del paso predeterminado alrededor de un ángulo de paso inicial para cada uno de los pares adyacentes de palas.
Se han adoptado varios planteamientos para la planificación del proceso. Por ejemplo, el proceso de determinación del desequilibrio del rotor puede activarse por la recepción de un estímulo de activación externo al sistema de control. Alternativamente, el proceso de determinación del desequilibrio del rotor puede activarse para ser realizado con una planificación predeterminada gobernada por el sistema de control.
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Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es una vista esquemática de un sistema de turbina eólica;
la Figura 2 es un diagrama de proceso que ilustra una estrategia para la determinación del desequilibrio del rotor; la Figura 3 es un diagrama de proceso que ilustra un ejemplo de la técnica para la corrección del desequilibrio del rotor;
la Figura 4 es un diagrama de proceso que ilustra otro ejemplo de una técnica para la corrección del desequilibrio del rotor;
las Figuras 5a y 5b son trazados que muestran resultados de recogida de datos durante el proceso de la Figura 2; y
la Figura 6 representa un ejemplo de un procedimiento de barrido del paso de las palas tal como se muestra en el proceso de la Figura 4.
Descripción de realizaciones de la invención
Es una intención de la invención proporcionar la capacidad de determinar si existe una situación de desequilibrio del rotor y, adicionalmente, aplicar entradas correctivas para reducir la magnitud del desequilibrio del rotor determinado.
La Figura 1 ilustra un ejemplo de una arquitectura técnica que da el contexto de la invención. Representada esquemáticamente como un diagrama del sistema, la turbina eólica o “sistema de turbina eólica” 2 incluye características que son significativas para la presente explicación, pero debería apreciarse que no se muestran por brevedad otras muchas características convencionales que son comunes en las turbinas eólicas, por ejemplo la góndola, torre, red de control, red de distribución de potencia y otros similares. Sin embargo, el experto en la materia entenderá que estas características están implícitas. También debería observarse que la arquitectura específica del sistema de turbina eólica es solamente un ejemplo de modo que ilustre la funcionalidad técnica de la invención, y por ello la invención puede implementarse mediante un sistema que tenga una arquitectura específica diferente.
El sistema de turbina eólica 2 incluye un rotor 4 que tiene un conjunto de palas 5 que acciona una caja de engranajes 6 por medio de un árbol de entrada 8. El rotor 4 es un rotor de tres palas en esta realización, pero se muestran otros números de palas. Obsérvese que aunque se muestra en este caso una caja de engranajes 6, también son conocidas turbinas eólicas que tienen una arquitectura de accionamiento directo que no incluyen una caja de engranajes. La caja de engranajes 6 tiene un árbol de salida 10 que acciona un generador 12 para la generación de energía eléctrica. La generación de energía eléctrica trifásica es normal en sistemas de turbina eólica a escala de compañía, pero no es esencial para la finalidad de la presente explicación.
El generador 12 se conecta a un convertidor de frecuencia 14 mediante un conector eléctrico trifásico adecuado tal como un cable o bus 16. El convertidor de frecuencia 14 es de una arquitectura convencional y, tal como es conocido, convierte la frecuencia de salida del generador 12 a un nivel de tensión y frecuencia que es adecuado para el suministro a la red 18. Se muestran en la técnica diversas arquitecturas de convertidores de frecuencia y el tipo particular seleccionado no es central para la invención y por ello no se describirá aquí en detalle.
Aunque las turbinas eólicas de velocidad fija son apropiadas para turbinas eólicas que tengan una salida de potencia comparativamente baja, por ejemplo inferior a 1 MW, en la presente realización el sistema de turbina eólica 2 es capaz de operar con velocidad variable de modo que sea más eficiente en la captura de la energía del viento en un intervalo eólico de velocidades del viento. La invención es adecuada también, sin embargo, para su uso en una turbina eólica de velocidad fija.
Como es conocido, las turbinas eólicas de velocidad variable operan típicamente bajo dos estrategias principales de control: por debajo de la potencia nominal y por encima de la potencia nominal. Como es conocido, la expresión “potencia nominal” se usa en este caso en su sentido aceptado para indicar la salida de potencia a la que el sistema de la turbina eólica está clasificado o certificado para producir una operación continua. De modo similar, el uso de la expresión “velocidad del viento nominal” debería entenderse que significa la velocidad del viento más baja a la que se produce la potencia nominal de una turbina eólica.
Debajo de la potencia nominal tiene lugar a velocidades de viento entre la velocidad de corte y la velocidad del viento nominal que, típicamente, está entre 10 y 17 m/s. En esta zona de operación, el sistema de turbina eólica 2 es operativo para controlar la velocidad del rotor de modo que se maximice la energía capturada del viento. Esto se consigue mediante el control de la rotación del rotor de modo que la relación de velocidad de punta esté en un valor óptimo, concretamente entre 6 y 7. Para controlar la velocidad del rotor, el sistema de turbina eólica 2 está provisto con la capacidad de control del par del generador de modo que siga a la referencia de potencia, tal como se describirá.
Por encima de la potencia nominal tiene lugar cuando la velocidad del viento se ha incrementado, o ha superado, la velocidad de viento nominal. En esta situación de operación, el objetivo del sistema de turbina eólica 2 es mantener una potencia de salida constante. Esto se consigue mediante el control del par del generador para que sea sustancialmente constante, de modo que siga una referencia de potencia constante, pero variando el ángulo de paso
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de las palas lo que ajusta la fuerza de impulso y arrastre resultante de la pala en el plano del rotor. Esto ralentizará la velocidad de rotación de la turbina o el par transferido al árbol del rotor de modo que la velocidad de rotación, y también la potencia generada por el sistema, se mantenga constante por debajo de un umbral fijado.
Con referencia de nuevo a la Figura 1, para conseguir los objetivos de control de potencia debajo de la nominal y potencia por encima de la nominal, el sistema de turbina eólica 2 está equipado con un sistema de control 20. El sistema de control 20 incluye un controlador de velocidad 22 que es operativo para controlar el convertidor de frecuencia 14 para influir en el par ejercido sobre el rotor 4 por el generador 12, y también para controlar el paso de las palas 5 a través de un sistema de ajuste del paso de palas que comprende un módulo de control del paso 24 y un módulo de actuación del paso 26.
Debería observarse en este punto que la arquitectura del sistema de control de velocidad de la turbina eólica que actúa a través de la electrónica de potencia tal como un convertidor de frecuencia para controlar la potencia del generador, y de ese modo el par de reacción sobre rotor a través de la caja de engranajes 6, y también actúa a través de un sistema de control del paso para controlar el ángulo de paso de las palas, es generalmente conocido en la técnica, de modo que no se dará aquí una descripción detallada de la arquitectura electrónica.
El controlador de velocidad 22 recibe una pluralidad de entradas de control, pero se muestran específicamente aquí dos parámetros de entrada: un parámetro de entrada de velocidad del rotor 30 que se proporciona por un medio de detección adecuada de la velocidad del rotor, y un parámetro de entrada de potencia demandada 32 o “referencia de potencia” que se proporciona por un controlador de nivel más alto (no mostrado) del sistema de turbina eólica 2 bien directamente al controlador de velocidad 22 o bien a través de una red de distribución de datos basada en un protocolo adecuado, tal como Ethernet.
El controlador de velocidad 22 es operativo para controlar el par del generador, que se asocia con, y se calcula partir de, la referencia de potencia, mediante la producción de una señal de par demandado Tdem al convertidor de frecuencia 14 durante la condición de operación a potencia por debajo de la nominal para minimizar el error entre el parámetro de entrada de velocidad del rotor 30 y la velocidad de referencia 32 y, por lo tanto, para seguir la referencia de potencia. De modo similar, en condiciones de operación de potencia por encima de la nominal, el controlador de velocidad 22 es operativo para mantener constante el par del generador (y, por lo tanto para seguir la referencia de potencia constante) pero proporciona una entrada de control al módulo de control de paso 24 para modular, colectivamente, los ángulos de paso de las tres palas 5 del rotor 4. El módulo de control de paso 24 recibe la entrada de control desde el controlador de velocidad, mostrado aquí como Pdem_col y las convierte en un valor de ajuste del ángulo de paso para cada una de las palas 5. Las señales de ajuste del ángulo de paso se muestran aquí como Paj_1, Paj_2 y Paj_3 que representan los valores para un rotor de tres palas. Estas entradas de control se suministran al módulo de actuación del paso 26 que controla los motores de actuación del paso para las palas 5 respectivas.
Como se apreciará a partir de la explicación anterior, el sistema de turbina eólica 2 se proporciona con una capacidad para controlar la velocidad del rotor durante un amplio intervalo de velocidades del viento para optimizar la generación de potencia del sistema. Sin embargo, además de esta capacidad de control de velocidad, el sistema de turbina eólica 2 también está provisto con una capacidad para controlar la forma en la que oscila la torre durante el uso. Con este fin el sistema de control 20 incluye un controlador de amortiguación 40 que coopera con el controlador de velocidad 22, tal como se explicará, para aplicar fuerzas dentro del rotor 4 a través del generador 14 y del sistema de ajuste del paso de palas para contrarrestar la oscilación de la torre. Ventajosamente, el controlador de amortiguación 40 puede ser operativo de modo sustancialmente continuo durante la operación de la turbina eólica, o su operación puede seleccionarse durante ciertas situaciones de operación.
Con referencia aún a la Figura 1, el controlador de amortiguación o “sistema” 40 incluye dos módulos principales de control, que son un módulo de amortiguación del movimiento lateral (de lado a lado) con el par 42, y un módulo de amortiguación del movimiento lateral (de lado a lado) con el paso 44. En este punto debería observarse que aunque los módulos 42, 44 se ilustran como separados, esto no se pretende que confiera una estructura física particular a los módulos. Por ejemplo, los módulos pueden ser unidades de firmware separadas o pueden ser unidades de software funcional individuales implementadas sobre una plataforma de procesamiento común. Debería observarse también que aunque el módulo de amortiguación del movimiento lateral con el par 42 y el módulo de amortiguación del movimiento lateral con el paso 44 pueden operar simultáneamente, es más apropiado para ellos que operen por separado. Por ejemplo, el módulo de amortiguación del movimiento lateral con el par 42 tiende a ser más efectivo cuando se opera en condiciones de carga parcial, es decir a potencia por debajo de la nominal, mientras que el módulo de amortiguación del movimiento lateral con el paso 44 tiende a ser más efectivo cuando opera en condiciones de plena carga, es decir en o por encima de la potencia nominal.
El módulo de amortiguación del movimiento lateral con el par 42 recibe como una señal de entrada un parámetro de aceleración lateral 49 que puede originarse a partir de un sensor o sensores adecuados instalados sobre la turbina eólica, por ejemplo sobre la torre o góndola. El sensor puede ser cualquier sensor adecuado, tal como un sensor de aceleración u otro tipo de sensor capaz de determinar un movimiento oscilatorio de la torre. Para detectar el movimiento oscilatorio de la torre, el sensor de aceleración debería tener sensibilidad a bajas frecuencias, por
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ejemplo en el intervalo de 0,5 Hz. Cualquier sensor es adecuado siempre que sea capaz de detectar una aceleración a frecuencias oscilatorias de la torre que tienden a estar en la zona de 0,1 a 0,5 Hz en turbinas de gran escala. Las frecuencias más altas que no son de interés pueden filtrarse. En respuesta a la señal de entrada, el módulo de amortiguación del movimiento lateral con el par 42 es operativo para producir una señal de demanda de amortiguación, que se ilustra en este caso como una señal de desviación de potencia/par Tdesv que sirve para modular la salida del controlador de velocidad 22 en la unión del sumador 52. La señal modulada se acopla al convertidor de frecuencia 14, a través de una señal de par generada Tgen, que controla en consecuencia el generador 12.
El módulo de amortiguación del movimiento lateral con el paso 44 es operativo particularmente durante las condiciones de operación de potencia por encima de la nominal y opera a través del módulo de control del paso 24 para controlar los comandos de ajuste del paso para las palas 5, como se explicará ahora. El módulo de amortiguación del movimiento lateral con el paso 44 funciona para amortiguar las oscilaciones de la torre en una dirección que es transversal al eje del rotor; es decir el movimiento “de lado a lado” de la torre. Para hacer esto, recibe como señal de entrada el parámetro de aceleración lateral 49 desde el sensor de aceleración que proporciona datos al módulo de amortiguación del movimiento lateral con el par 42 y calcula a continuación los ajustes del paso necesarios para cada una de las palas individualmente para dar como resultado la aplicación en el rotor de una fuerza lateral que sea contraria al movimiento lateral de la torre. El módulo 44 produce la salida de la señal de demanda de amortiguación Pdem_cicl para el módulo de control del paso 24 que representa el cambio del paso requerido con respecto a las palas en una forma cíclica de modo que contrarreste las oscilaciones de la torre.
Como se apreciará a partir de la explicación anterior, el módulo de control del paso 24 recibe la demanda de paso colectivo Pdem_col desde el controlador de velocidad 22 y también recibe la demanda de paso cíclico Pdem_cicl desde el módulo de amortiguación del movimiento lateral 44. El módulo de control del paso 24 combina las señales anteriormente mencionadas y factoriza los ajustes necesarios en las tres señales de ajuste del paso separadas Paj_1, Paj_2 y Paj_3 para el módulo de actuación del paso 26, para ajustar los ángulos de paso de cada una de las palas tanto colectiva como cíclicamente. El módulo de actuación del paso 26 controla por lo tanto las palas 5 del sistema de turbina eólica 2 de acuerdo con los ajustes determinados por el controlador de amortiguación 40.
La explicación anterior ha expuesto la funcionalidad de la capacidad de amortiguación activa para modular la demanda de par/potencia para el generador y también el paso de las palas. Haciendo esto, la capacidad de amortiguación activa es operativa para reducir el movimiento oscilatorio de la torre durante situaciones en las que podrían ocurrir daños. Esto puede ser particularmente durante condiciones de fuerte viento, por ejemplo.
En la invención, la operación de la capacidad de amortiguación activa se usa para permitir que se realice un diagnóstico acerca de si el rotor está en equilibrio o fuera de equilibrio, ahora denominada como una situación de desequilibrio del rotor.
Para esta finalidad el sistema de control 20 incluye un módulo de supervisión de la situación (CMM) 60, que se identifica en este caso como un módulo funcional adicional dentro de los límites del sistema de control 20.
En otros términos, el módulo de supervisión de la situación 60 es operativo para determinar, y también para corregir, una situación de desequilibrio del rotor. Al hacer esto, se garantiza una autoridad parcial sobre la operación del sistema de amortiguación activa 40, a través de una conexión con un módulo de supervisión 48 del sistema de amortiguación activa 40, como se explicará.
El módulo de supervisión de la situación recibe dos señales de datos, o entradas, concretamente una señal de azimut del rotor 62 y una señal de demanda de amortiguación 64.
La señal de azimut del rotor 62 se recibe desde un sensor de posición de rotación adecuado, tal como un codificador rotativo, asociado con el rotor 4. La señal 62 proporciona al módulo de supervisión de la situación 60 una indicación de la posición angular del rotor 4 y, como es conocido, se calibra normalmente para leer cero cuando una pala de referencia está en la posición central superior. La señal trazará por lo tanto una forma de onda en diente de sierra cuando gira el rotor 4. Ambas señales 62, 64 pueden ser señales directas al interior del módulo de supervisión de la situación 60, aunque es más probable que se transmitan a través de una red de control o bus de datos.
La señal de demanda de amortiguación 64 se deriva de la señal de demanda de amortiguación (comando de paso cíclico Pdem_cicl) desde el módulo de amortiguación del movimiento lateral con el paso 44 y la señal de demanda de amortiguación de desviación del par (Tdesv) desde el módulo de amortiguación del movimiento lateral con el par 42. Cada una de las señales anteriormente mencionadas se introduce en un combinador de señales 66 y se introduce una señal de demanda de amortiguación 64 única dentro del módulo de supervisión de la situación 60. La señal de demanda de amortiguación 64 proporciona por lo tanto una indicación sobre la magnitud y frecuencia de la oscilación de la torre. Bajo ciertas condiciones de operación, puede suponerse que el contribuidor mayor a la oscilación de la torre es el desequilibrio de masa y aerodinámico del rotor. Por lo tanto, el módulo de supervisión de la situación 60 hace uso de esta información para identificar, cuantificar y corregir una situación de desequilibrio del rotor.
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La funcionalidad del módulo de supervisión de la situación 60 se explicará ahora con mayor detalle con referencia a las Figuras 2, 3 y 4.
Con referencia en primer lugar a la Figura 2, se implementa un proceso de nivel superior 100 por el módulo de supervisión de la situación 60 en la etapa 102 cuando se determina que está en el momento correcto para comprobar si el desequilibrio del rotor está dentro de niveles aceptables. El proceso 100 puede implementarse con un plan de tiempos establecido, por ejemplo una vez cada mes, o puede iniciarse solamente cuando se le demanda que así lo haga. El proceso 100 puede activarse por estímulos externos, por ejemplo la señal de supervisión de la situación puede configurarse para recibir un comando de activación a través de un controlador local o remoto.
En las etapas 104-108, el proceso 100 controla el sistema de turbina eólica para llevarla a una situación de operación adecuada para la diagnosis del desequilibrio del rotor. En primer lugar, en la etapa 104, se habilita la capacidad de amortiguación activa de la torre y a continuación, en la etapa 106, se controla la velocidad del rotor de modo que coincida con (es decir, esté dentro de un intervalo de velocidad predeterminado de) la frecuencia fundamental de la torre. Preferentemente, la velocidad del rotor se controla de modo que esté dentro del 20 % (+/- 20 %) de la frecuencia natural de la torre, aunque se considera actualmente que la velocidad del rotor debería estar dentro del 10 % (+/-10 % de la frecuencia natural de la torre), y preferentemente dentro del 5 % (+/- 5 % de la frecuencia natural de la torre). En general, la precisión del procedimiento se beneficiará de que la velocidad del rotor se controle de modo que esté tan próxima como sea posible a la frecuencia natural de la torre. Obsérvese que en la realización de estas etapas, el CMM 60 puede solicitar al controlador de supervisión 48 activar el sistema de amortiguación activa 40 y puede solicitar también al controlador de velocidad 22 desplazar el punto de operación de la turbina eólica hacia la frecuencia natural de la torre. Al hacer esto, el controlador de velocidad 22 controla la velocidad de la turbina eólica tal como se ha descrito anteriormente dependiendo de si la turbina eólica está por encima o por debajo de las condiciones nominales.
A partir de la etapa 106, el proceso pasa en bucle a través de la etapa de decisión 108 hasta que la velocidad del rotor esté dentro de un intervalo aceptable de la frecuencia natural de la torre (FNT).
Una vez la velocidad del rotor está dentro del intervalo, es decir se ha determinado que la velocidad del rotor “coincide” con la frecuencia natural de la torre, el proceso entra en una fase de recogida de datos en la etapa 110.
En la fase de recogida de datos, el módulo de supervisión de la condición 60 muestrea la señal de demanda de amortiguación 64 y la señal de azimut del rotor 62 a lo largo de un período de tiempo que sea suficiente para obtener un conjunto de datos estable. Se concibe que una tasa de muestreo de aproximadamente 10 Hz sea suficiente aunque se proporciona solamente como un ejemplo. Se concibe actualmente que debiera ser suficiente un período de tiempo de entre 2-10 minutos a velocidad del rotor sustancialmente constante, dentro de una tolerancia predeterminada, como se ha explicado anteriormente. Preferentemente, la recogida de datos se realiza durante condiciones de velocidad del viento relativamente altas, por ejemplo entre 12-18 metros por segundo (m s'1), condiciones durante las que el desequilibrio del rotor es dominado por el desequilibrio aerodinámico de las palas y el desequilibrio de masa puede ignorarse efectivamente para las finalidades del cálculo.
En esta realización, las muestras de datos de la señal de demanda de amortiguación 64 se agrupan con la señal de ángulo de azimut correspondiente 62 (0-360°). El ancho de la agrupación puede ser un único grado, pero, en la práctica, se concibe que un ancho de la agrupación de entre 5-10° debiera proporcionar la resolución requerida. Las muestras de datos se almacenan en una unidad de almacenamiento de memoria 112. Con referencia brevemente a las Figuras 5a y 5b, la agrupación de la señal de amortiguación de la torre 64 con respecto a la señal del ángulo de azimut 62 en esta forma conduce a la relación mostrada en el gráfico de la Figura 5a, que representa un rotor con desequilibrio de masa/aerodinámico. El trazado de la izquierda muestra datos en bruto agrupados mientras que el trazado de la derecha muestra los datos agrupados que se han promediado. Puede verse por lo tanto que en el ejemplo ilustrativo mostrado en la Figura 5a, el desequilibrio del rotor varía desde un mínimo de aproximadamente -0,65° con un ángulo de azimut de aproximadamente 50 grados a un máximo de aproximadamente 0,60° con un ángulo de azimut de aproximadamente 220 grados. Compárese esto con la relación mostrada en la Figura 5b para un rotor equilibrado, en el que la relación es mucho más plana, indicando de ese modo un rotor más equilibrado.
Una vez se han recogido las muestras de datos en la etapa 110, el proceso se mueve a la etapa 114 en cuyo punto procesa los datos recogidos para estimar un valor para el desequilibrio del rotor. Si se determina que el rotor está aceptablemente equilibrado, es decir que el desequilibrio del rotor no excede un umbral predeterminado, como se representa por la etapa de comprobación 116, el proceso termina en la etapa 118. Si, sin embargo, se determina que el desequilibrio del rotor excede un umbral predeterminado, el proceso continúa a la etapa 120 en la que se opera para corregir el desequilibrio, como se describirá con mayor detalle a continuación.
Volviendo a la etapa de estimación 114, hay diferentes métodos mediante los que puede estimarse el desequilibrio del rotor usando los datos recogidos durante la etapa 110. Un planteamiento es calcular el intervalo absoluto de la señal de demanda de amortiguación después de que se hayan promediado los datos, tal como se muestra en la Figura 5a. El ángulo de azimut/dirección del desequilibrio puede determinarse mediante la evaluación de los datos para determinar en qué ángulo de azimut el módulo de amortiguación demanda la amortiguación máxima. Con
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referencia de nuevo a la Figura 5a, la señal de amortiguación está en un máximo con un ángulo de azimut de aproximadamente 230°. Obsérvese que la señal de amortiguación está en un mínimo con un ángulo de azimut de aproximadamente 50° que, como se espera, está desfasado 180° con el máximo positivo de la señal de amortiguación. La correspondencia precisa entre el ángulo de azimut del desequilibrio y el ángulo en el que la señal de amortiguación está en un máximo puede determinarse empíricamente o por medio de modelizado. En un sentido, por lo tanto, se entenderá que el módulo de supervisión de la situación es operativo para analizar la señal de amortiguación y para deducir a partir de ella una desviación de paso ficticia con un cierto ángulo de azimut que se aproxime a cualquier combinación de desequilibrio de paso entre las palas.
El experto en la materia también puede entender que la magnitud del desequilibrio puede determinarse a través de otras técnicas. Por ejemplo, el cálculo de la desviación estándar de los datos proporcionará una medida relativa de la magnitud del desequilibrio. Esta técnica puede combinarse con un proceso de ajuste del paso cuyo objeto es minimizar el valor de la desviación estándar, minimizando de ese modo el desequilibrio.
Como se ha mencionado anteriormente, una vez que se ha estimado el desequilibrio del rotor en la etapa 114, y se ha determinado que excede un umbral predeterminado que representa un nivel aceptable de desequilibrio, que en la realidad puede estar entre 0,1 a 0,5°, el proceso va adelante para corregir el desequilibrio del rotor en la etapa 120. Se describirán ahora los planteamientos alternativos para la corrección del desequilibrio del rotor, con referencia, respectivamente, a la Figura 3 y a la Figura 4.
Con referencia en primer lugar a la Figura 3, un proceso de corrección del desequilibrio del rotor 200 comienza en 202 que representa que el proceso es llamado por la etapa de corrección 120 de la Figura 2.
En la etapa 204, la estimación del desequilibrio del rotor, como se ha calculado en la etapa 114 de la Figura 2, se convierte en un parámetro de corrección del paso. Este cálculo podría realizarse en diferentes formas. Una forma en la que podría realizarse es mediante referencia a una tabla de búsqueda que almacena datos que se han determinado a través de modelizado o por medio de experimentos para relacionar la magnitud del desequilibrio del paso entre palas con los valores de desviación del paso correctivos requeridos sobre las palas para corregir el desequilibrio. Obsérvese que, en efecto, el desequilibrio del paso entre un par de palas da como resultado un componente de fuerza vectorial que se extiende en un ángulo entre las palas. La aplicación de una desviación del paso para cada una de las palas, se resuelve en una única fuerza neta que contrarresta el vector de fuerza de desequilibrio.
Una vez se han calculado los valores de desviación del paso respectivos para un par de palas adyacentes, en la etapa 206 los valores de desviación del paso se aplican a las palas seleccionadas a través del módulo de control del paso 24 que realiza los ajustes apropiados a las señales de ajuste del paso Paj_1, Paj_2 y Paj_3 que envía al módulo de actuación del paso 26. En la Figura 1 la señal de entrada desde el módulo de supervisión del acondicionamiento 60 al módulo de control del paso 24 se muestra como la referencia “70”.
A continuación de los ajustes de las palas, es necesario evaluar los efectos de los ajustes. Para hacer esto, en la etapa 208 el proceso transcurre una vez más a través de una fase de recogida de datos como se ha descrito anteriormente en la etapa 110 en la Figura 2, y a continuación estima el desequilibrio de las palas como se ha descrito en la etapa 114.
Una vez que se recalculado el desequilibrio del rotor, la etapa de decisión 210 determina que el desequilibrio estimado está dentro de un umbral predeterminado. Dicho umbral puede determinarse en un proceso fuera de línea y proporciona una indicación con respecto al desequilibrio máximo del rotor que puede tolerarse incluyendo un margen de seguridad.
Si el desequilibrio del rotor no es aún aceptable, el proceso repite las etapas 204 a 208 de modo que se calculen nuevos valores de ajuste del paso basándose en el nuevo valor de desequilibrio del rotor, mediante lo que estos valores de ajuste del paso se aplican a las palas del rotor y se estima de nuevo el desequilibrio del rotor. Este proceso se repite hasta que se determina que el desequilibrio del rotor está dentro de límites aceptables, en cuyo punto se fijan los ajustes del paso en la etapa 112 y termina el proceso. En la práctica, se concibe que el rotor estará equilibrado dentro de límites aceptables mediante uno o dos pasos a través del algoritmo de corrección.
Pasando a la Figura 4, se muestra un proceso alternativo 300 para la corrección del desequilibrio del rotor. Como en el proceso 200 de la Figura 3, este proceso alternativo 300 se representa por la etapa de corrección 120 de la Figura 2.
Este proceso de corrección alternativo 300 implica la evaluación del desequilibrio del rotor alrededor de un “barrido” a través de una pluralidad de desviaciones del paso de las palas con relación a los valores de paso de palas actuales. En efecto, por lo tanto, se hace que una o más palas del rotor pasen incrementalmente a través de una secuencia de valores de desviación del paso durante los que se recogen datos acerca del desequilibrio del rotor asociado con cada uno de los incrementos del paso. Una vez se ha completado la recogida de datos, se determinan los valores de desequilibrio del rotor para cada incremento de desviación del paso y se elige el incremento de
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desviación del paso óptimo a aplicar a las palas seleccionadas del rotor.
Con más detalle, una vez que se inicia el proceso de corrección 300 en la etapa 302, el valor de desequilibrio del rotor que se estimó en la etapa 114 en la Figura 2 se asigna a un valor de referencia, en la etapa 304, con el que pueden compararse valores de desequilibrio del rotor posteriormente estimados.
A continuación, en la etapa 306, de acuerdo con la fase del desequilibrio del rotor, se seleccionan para el ajuste dos palas del rotor y sus valores de paso actuales se inicializan a cero.
En la etapa 308, el proceso entra en un procedimiento de barrido del paso en el que, para cada una de las dos palas seleccionadas, se incrementa el paso de la pala entre un intervalo de desviaciones de paso alrededor del valor de paso de pala inicializado.
En primer lugar, se selecciona un primer incremento de desviación de pala y se aplica a las palas seleccionadas. Se concibe que un incremento de desviación de pala adecuado será de 0,1 grados, aunque esto se proporciona solamente a modo de ejemplo. Una vez se han ajustado las palas, se recogen datos de desequilibrio del rotor en la etapa 310 en una forma ya descrita en la etapa 110, se estima un desequilibrio del rotor en una forma tal como la descrita en la etapa 114, y los datos se almacenan en el almacenamiento de datos 309.
Una vez ha finalizado la recogida de datos, el proceso pasa en bucle a través de la etapa de decisión 312 que detecta los incrementos de desviación de paso disponibles, y la etapa 314 en la que se selecciona el siguiente incremento de desviación del paso. Como se ilustra en la Figura 6, un esquema para la selección de los incrementos de desviación del paso es alternar entre incrementos de desviación del paso positivos y negativos crecientemente mayores alrededor del valor de paso de palas inicializado o de “referencia”, marcado como “A” en la Figura 6. Se muestran en este caso tres incrementos positivos y negativos, a modo de ejemplo, pero debería apreciarse que en principio puede elegirse cualquier intervalo de incrementos. En la práctica, se concibe que un máximo para los incrementos de desviación del paso positivo y negativo sea de 0,6 grados, en incrementos de 0,1 grados. Son posibles esquemas de “barrido” alternativos. Por ejemplo, una acción sería incrementar ambas palas alternativamente tal como para Pala 1/Pala 2, los incrementos serían de 0,0/0,1, 0,0/-0,1, -0,1/-0,1, -0,1/0,0, -0,1/0,1; 0,0/0,2, 0,0/-0,2 y así sucesivamente.
Un grupo de uno o más valores de desviación del paso incrementales con relación a las palas respectivas puede considerarse como un “punto de desviación del paso”.
Una vez ha progresado el proceso a través de todo el barrido de incrementos de desviación del paso, la etapa 316 evalúa los valores de desequilibrio del rotor almacenados para cada uno de los incrementos de desviación del paso. Al hacer esto determina qué combinación de incrementos de desviación del paso de palas da como resultado el valor más bajo de desequilibrio del rotor. Una vez se ha identificado la combinación óptima de incrementos de desviación del paso de palas, los ajustes se aplican a las palas apropiadas en la etapa 318. El proceso termina entonces.
A partir de la explicación anterior, se apreciará que el sistema de supervisión de la condición 60 usa fuentes de datos tales como la señal de demanda de amortiguación y la señal de azimut del rotor para i) diagnosticar y ii) resolver los desequilibrios del rotor. Un beneficio de esto, por lo tanto, es que no requiere una instrumentación adicional significativa sobre la turbina eólica para recoger señales de aceleración en varias localizaciones como es el caso con los esquemas existentes para el diagnóstico del desequilibrio del rotor.
Adicionalmente, dado que el proceso puede ejecutarse mientras la turbina eólica está funcionando no es necesario parar la instalación para llevar a cabo los procesos de diagnóstico de desequilibrio del rotor.
Aunque en la realización anterior se describe el controlador de velocidad 22 proporcionado un valor de par demandado al convertidor de frecuencia, es posible también que el controlador de velocidad proporcione al convertidor de frecuencia una referencia de potencia demandada, mediante lo que el controlador de velocidad calcularía el par necesario a aplicar a la caja de engranajes para adaptar la producción de energía a la referencia de potencia solicitada.

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    REIVINDICACIONES
    1. Una turbina eólica que comprende una torre, un rotor que incluye una pluralidad de palas, un generador eléctrico operativamente acoplado al rotor, y un sistema de control que incluye un módulo de amortiguación activa configurado para supervisar el movimiento oscilatorio de la turbina eólica y para producir una señal de demanda de amortiguación para amortiguar el movimiento oscilatorio,
    en el que el sistema de control se configura para realizar un proceso de determinación del desequilibrio del rotor que incluye:
    controlar la frecuencia de rotación del rotor de modo que coincida sustancialmente con la frecuencia natural de la torre,
    determinar datos de desequilibrio del rotor basándose en la señal de demanda de amortiguación y evaluar dichos datos de desequilibrio del rotor para determinar la presencia de una situación de desequilibrio del rotor, y corregir la situación de desequilibrio del rotor mediante la aplicación de entradas de control de cambio de paso a una o más de la pluralidad de palas de modo que se reduzca la gravedad del desequilibrio del rotor.
  2. 2. La turbina eólica según la reivindicación 1, en la que la determinación de los datos de desequilibrio del rotor tiene lugar mientras la frecuencia de rotación del rotor coincide sustancialmente con la frecuencia natural de la torre.
  3. 3. La turbina eólica según la reivindicación 2, en la que la frecuencia de rotación del rotor está dentro de +/-10 % de la frecuencia natural de la torre.
  4. 4. La turbina eólica según las reivindicaciones 1 a 3, en la que la corrección de la situación de desequilibrio del rotor comprende un proceso iterativo que incluye las siguientes etapas:
    i) cálculo de un conjunto de datos de desequilibrio del rotor,
    ii) evaluación de dicho conjunto de datos de desequilibrio del rotor para determinar la presencia de una situación de desequilibrio del rotor,
    iii) corrección de la situación de desequilibrio del rotor,
    iv) repetición de las etapas 1) a iii) mientras se determine que existe una situación de desequilibrio del rotor.
  5. 5. La turbina eólica según la reivindicación 4, en la que el cálculo del conjunto de datos de desequilibrio del rotor incluye adquirir una señal de demanda de amortiguación y una señal de azimut del rotor a lo largo de un periodo de adquisición de datos predeterminado.
  6. 6. La turbina eólica según las reivindicaciones 1 a 3, en la que la corrección de la situación de desequilibrio del rotor comprende:
    i) calcular una pluralidad de conjuntos de datos de desequilibrio del rotor para una pluralidad correspondiente de puntos de desviación del paso asociados con el rotor;
    ii) evaluar cada uno de la pluralidad de conjuntos de datos de desequilibrio del rotor para determinar la gravedad del desequilibrio del rotor;
    iii) seleccionar el punto de desviación del paso correspondiente al conjunto de datos de desequilibrio del rotor que tiene la magnitud de desequilibrio del rotor óptima;
    iv) aplicar la corrección del paso a una respectiva o más de la pluralidad de palas basándose en el punto de desviación del paso seleccionado.
  7. 7. La turbina eólica según la reivindicación 6, en la que el cálculo de la pluralidad de conjuntos de datos de desequilibrio del rotor incluye adquirir la señal de demanda de amortiguación y una señal de azimut del rotor a lo largo de un periodo de adquisición de datos predeterminado para cada uno de los conjuntos de datos de desequilibrio del rotor.
  8. 8. La turbina eólica según las reivindicaciones 6 o 7, en la que los puntos de desviación del paso se refieren a un intervalo de ángulos de desviación del paso para cada uno de unos pares adyacentes de palas.
  9. 9. La turbina eólica según la reivindicación 8, en la que el intervalo de puntos de desviación del paso son una secuencia de una pluralidad de incrementos del ángulo de paso que se extienden en un barrido del paso predeterminado alrededor de un ángulo de paso inicial para cada uno de los pares adyacentes de palas.
  10. 10. La turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en la que el proceso de determinación del desequilibrio del rotor se activa para realizarse con una planificación predeterminada gobernada por el sistema de control.
  11. 11. La turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en la que el proceso de determinación del desequilibrio del rotor se activa por la recepción de un estímulo de activación externo al sistema de control.
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  12. 12. La turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en la que el módulo de amortiguación activa se configura para controlar un módulo de control de paso de palas y un módulo de control del par del generador.
  13. 13. Un método de operación de una turbina eólica, incluyendo la turbina eólica una torre y un rotor que tiene una pluralidad de palas fijadas al mismo, y un sistema de amortiguación activa configurado para amortiguar el movimiento oscilatorio de la turbina eólica, comprendiendo el método:
    controlar la frecuencia de rotación del rotor de modo que coincida sustancialmente con la frecuencia natural de la torre,
    determinar datos de desequilibrio del rotor basándose en una señal de demanda de amortiguación asociada con el sistema de amortiguación activa, y evaluar dichos datos de desequilibrio del rotor para determinar la presencia de una situación de desequilibrio del rotor, y
    corregir la situación de desequilibrio del rotor mediante la aplicación de entradas de control de cambio de paso a una o más de la pluralidad de palas de modo que se reduzca la gravedad del desequilibrio del rotor.
  14. 14. El método según la reivindicación 13, en el que la determinación de los datos de desequilibrio del rotor tiene lugar mientras la frecuencia de rotación del rotor coincide sustancialmente con la frecuencia natural de la torre.
  15. 15. El método según las reivindicaciones 13 o 14, en el que la corrección de la situación de desequilibrio del rotor comprende un proceso iterativo que incluye las siguientes etapas:
    i) cálculo de un conjunto de datos de desequilibrio del rotor,
    ii) evaluación de dicho conjunto de datos de desequilibrio del rotor para determinar la presencia de una situación de desequilibrio del rotor,
    iii) corrección de la situación de desequilibrio del rotor,
    iv) repetición de las etapas 1) a iii) mientras se determine que existe una situación de desequilibrio del rotor.
  16. 16. El método según las reivindicaciones 13 o 14, en el que la corrección de la situación de desequilibrio del rotor comprende:
    i) calcular una pluralidad de conjuntos de datos de desequilibrio del rotor para una pluralidad correspondiente de puntos de desviación del paso asociados con el rotor;
    ii) evaluar cada uno de la pluralidad de conjuntos de datos de desequilibrio del rotor para determinar la gravedad del desequilibrio del rotor;
    iii) seleccionar el punto de desviación del paso correspondiente al conjunto de datos de desequilibrio del rotor que tiene la magnitud de desequilibrio del rotor óptima;
    iv) aplicar la corrección del paso a una respectiva o más de la pluralidad de palas basándose en el punto de desviación del paso seleccionado.
  17. 17. El método según la reivindicación 16, en el que los puntos de desviación del paso se refieren a un intervalo de ángulos de desviación del paso para cada uno de unos pares adyacentes de palas.
  18. 18. El método según la reivindicación 17, en el que el intervalo de puntos de desviación del paso son una secuencia de una pluralidad de incrementos del ángulo de paso que se extienden en un barrido del paso predeterminado alrededor de un ángulo de paso inicial para cada uno de los pares adyacentes de palas.
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