ES2683203T3

ES2683203T3 - Turbina eólica con un controlador de velocidad y controlador de generador

Info

Publication number: ES2683203T3
Application number: ES15190145.1T
Authority: ES
Inventors: Detlef Drossel; Florian Bode
Original assignee: Nordex Energy SE and Co KG
Current assignee: Nordex Energy SE and Co KG
Priority date: 2015-10-16
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2018-09-25
Anticipated expiration: 2035-10-16
Also published as: EP3156646A1; US10480488B2; EP3156646B1; DK3156646T3; US20170107973A1

Abstract

Turbina eólica con un rotor que presenta al menos una pala de rotor que se puede ajustar mediante un control de paso alrededor de su eje longitudinal, y un generador impulsado por el rotor con - un controlador de velocidad (n_Reg 14), que genera una variable de control para el control de paso a partir de una diferencia de control en la velocidad y - un controlador de generador (30), que determina a partir de un valor de control de potencia un punto de ajuste de velocidad y un punto de ajuste de potencia y un valor de control de potencia, caracterizado porque está previsto una prealimentación (10, 59) que determina una variable de control para el control de paso mediante un sistema controlado inverso, en la que el sistema controlado inverso determina un par de torsión de potencia (Mp) del punto de ajuste de velocidad y del punto de ajuste de potencia y un par de torsión de aceleración (MB) del cambio temporal del punto de ajuste de velocidad y da la variable de control para el control de paso como valor de salida que precontrola el valor de salida del controlador de velocidad.

Description

DESCRIPCION

Turbina eolica con un controlador de velocidad y controlador de generador

5 La presente invencion se refiere a una turbina eolica con un controlador de velocidad, que genera una variable de control para un control de paso desde una diferencia de control en la velocidad y un controlador de generador, que controla el generador, dependiendo de una velocidad y un punto de ajuste de potencia. Dependiendo de la configuracion del generador y del convertidor, el control del generador tambien considera el direccionamiento del generador por parte del convertidor como control del generador.

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A partir del documento EP 1 946 436 B1 se conoce un transformador de corriente en el que se proporciona un circuito intermedio de corriente continua entre un rectificador y un convertidor, cuyo nivel de voltaje se regula conforme a una demanda energetica y una senal de demanda de tension.

15 A partir del documento EP 2 317 134 A2 se conoce un procedimiento y un dispositivo para la generacion de energfa en una turbina eolica, en el que se proporciona una prealimentacion de una perturbacion para amortiguar las oscilaciones de corriente durante las operaciones de conmutacion.

Del documento US 2013/0148393 Al se conoce un procedimiento para direccionar un convertidor de potencia en el 20 cual esta previsto direccionar una senal de voltaje de prealimentacion para determinar un punto de ajuste de voltaje en caso de una cafda de la tension de red (low voltage ride through LVRT) o de un colapso de la tension de red (low voltage ride through LVRT).

El documento WO 2015/078478 A1 da a conocer una turbina eolica que presenta una prealimentacion del angulo de 25 ajuste de la pala en funcion de una tasa de cambio de una referencia externa.

La prealimentacion sirve para evitar cafdas de energfa (power dips) en el caso de un aumento rapido en la potencia alimentada.

En turbinas eolicas y parques eolicos conocidos siempre existe una situacion en la que la potencia no aumenta con 30 la suficiente rapidez frente a un cambio dado en la limitacion de potencia, por ejemplo, mediante el control del parque eolico o al arrancar una turbina eolica. Ademas, se produce un sobreimpulso y un impulso insuficiente de la velocidad y la potencia.

A partir del documento US2003/0151259 se conoce una turbina eolica segun el preambulo de la reivindicacion 1.

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La invencion tiene por objetivo proporcionar una turbina eolica, que pueda realizar con rapidez un aumento de rendimiento requerido sin mucho esfuerzo mecanico.

Segun la invencion, el objetivo se logra mediante una turbina eolica con las caractensticas de la reivindicacion 1.

40 Las realizaciones ventajosas forman el objeto de las reivindicaciones secundarias.

La turbina eolica segun la invencion tiene un rotor que presenta al menos una pala de rotor que puede ajustarse alrededor de su eje longitudinal mediante un control de paso y que posee un generador accionado por el rotor.

Para el funcionamiento de la turbina eolica, esta previsto un controlador de velocidad que genera una variable de 45 control para el control de paso a partir de una diferencia de control en la velocidad. Ademas, esta previsto un controlador de generador, que controla el generador, dependiendo de la velocidad y de un punto de ajuste de potencia. El direccionamiento del generador se puede hacer, por ejemplo, a traves de un convertidor.

El controlador de velocidad y el controlador del generador no estan necesariamente creados como componentes o conjuntos separados, sino que tambien pueden ser parte o componente de un controlador. Segun la invencion, esta 50 previsto una prealimentacion, en la que esta presente un valor de control de potencia como variable de entrada y que emite una variable de control para el control de paso como la variable de salida, en el que la variable de control emitida realiza una prealimentacion de la variable de salida de un regulador de velocidad para el control de paso. La prealimentacion tiene lugar a traves de un sistema controlado inverso, que determina un par de torsion de potencia del punto de ajuste de velocidad y del punto de ajuste de potencia, asf como un par de torsion de aceleracion a partir 55 del cambio temporal del punto de ajuste de velocidad. La prealimentacion de la variable de salida del regulador de velocidad logra que se controle una variable de control para el control de paso en funcion de un valor de control de potencia y que el controlador de velocidad no interfiera con la aplicacion del punto de ajuste de potencia.

En una realizacion preferida, la prealimentacion determina un punto de ajuste de potencia y/o un punto de ajuste de 60 velocidad a partir del valor de control de potencia. Por ejemplo, las rampas espedficas del sistema pueden usarse

para determinar los puntos de ajuste del valor de control de potencia, convirtiendo un valor gma que cambia rapidamente en un punto de ajuste que cambia de manera lenta o continua.

En una realizacion preferida, la prealimentacion esta concebida de manera que la potencia consumida por el rotor 5 sea al menos suficiente para el punto de ajuste de potencia y para una aceleracion del tren de accionamiento. La ventaja de la prealimentacion de una variable de control para el control de paso es que el controlador de velocidad tiene poca o ninguna intervencion, de manera que se puede evitar un sobreimpulso en velocidad y potencia, asf como cargas mecanicas pesadas en la turbina eolica.

10 En una realizacion preferida, la variable de control del control de paso es una velocidad de ajuste para el angulo de ajuste de la pala. La velocidad de ajuste integrada a lo largo del tiempo proporciona el valor angular del angulo de ajuste de la pala. La variable de control del control de paso tambien puede ser un angulo de ajuste, que esta presente en forma de un incremento de angulo o tambien como un valor angular absoluto.

15 A continuacion, se explicara una realizacion del procedimiento segun la invencion con mas detalle. Se muestra:

Figura 1 una vision general del regulador, sistema de control y sistema controlado,

Figura 2 la determinacion del punto de ajuste de potencia, del punto de ajuste de velocidad y de la variable de control para el control de paso, donde la prealimentacion tiene lugar a traves de una ruta inversa,

20 Figura 3 un ejemplo de una prealimentacion con un modelo de ruta y

Figura 4 un curso temporal del par de torsion y de la evolucion temporal de la derivada del par despues del tiempo.

La Fig.1 muestra una vision general con un regulador y un sistema de control. Un valor de control de potencia PL8, que puede ser un valor predeterminado por un operador de red, es una variable de entrada en un punto de ajuste de 25 bloque y una prealimentacion 10.

Por medio de rampas correspondientes que predeterminan, por ejemplo, un cambio de potencia maximo de la turbina eolica, se puede determinar un punto de ajuste de potencia PS 28 a partir del valor de control de potencia PL 8, en el que ambas variables representan la potencia nominal maxima de la turbina eolica. Ademas, se genera una 30 velocidad nominal nS 11 mediante el valor nominal del bloque y la prealimentacion 10. Ademas, una variable de control para el control de paso dpit_FF/dt 15 es generada por el valor nominal del bloque y la prealimentacion 10. Este es el cambio temporal del angulo de ajuste de la pala, por lo que en este caso no se especifica ningun valor nominal, sino el valor para la prealimentacion. La velocidad nominal nS 11 se filtra a traves de un filtro nS_Filt 12, por el que se compensan los cambios de fase del filtrado de velocidad, de un accionamiento de paso y de otros 35 retrasos en el sistema controlado. La velocidad nominal filtrada nSF 13 se combina en un elemento de sustraccion 9 con una velocidad de generador filtrada ngenF 26 y se aplica como una diferencia de control 17 a un controlador de velocidad n_Reg 14. El controlador de velocidad n_Reg 14 convierte la diferencia de control en una velocidad de paso dpitjn/dt 19. El controlador de velocidad compensa las perturbaciones, como una velocidad del viento fluctuante con la especificacion de una velocidad de paso. La velocidad de paso dpit_n/dt 19 determinada de esta manera y la 40 variable de control para el control de paso dpit_FF/dt 15 se suman en un sumador 16 y la suma 21 se aplica a un integrador Pitint 18. La senal de salida del integrador Pitint 18 es el angulo de paso Pit 20 que se debe ajustar en la turbina eolica. Un valor real de la velocidad del generador ngeni 22 se determina en la turbina eolica y se filtra en un filtro ni_Filt 24 para conseguir una velocidad real filtrada del generador ngenF 26. La velocidad filtrada del generador ngenF 26 junto con el punto de ajuste de potencia PS 28 se aplica a un controlador del generador 30, que direcciona 45 el convertidor principal 32 de la turbina eolica a traves de la senal de salida 41.

Para poder determinar en terminos de tecnica de regulacion una variable de control para el control de paso dpit_FF/dt 15 como senal de control para la prealimentacion, es conveniente visualizar las relaciones en el sistema controlado. En el bloque M(Pit) 34 se convierte el punto de ajuste aplicado para el angulo de paso Pit 20 para el 50 angulo de ajuste de la pala, a partir del cual se obtiene el correspondiente par de torsion del rotor Mpit 36 a traves del angulo de paso real. El par de torsion del rotor Mpit 36 acciona el tren de accionamiento de la turbina eolica y un par de torsion del generador Mgen 38 resultante del direccionamiento del inversor principal 32 lo frena. Por lo tanto, para un par de torsion resultante de 39, se forma la diferencia en un elemento de sustraccion 40. El par de torsion 39 resultante actua a traves del momento de inercia del tren de accionamiento J_ts 42 para generar el valor real de la 55 velocidad del generador ngeni 22. En este caso, se aplica la relacion conocida n = 60 * M/(2 * Pi * J_ts).

En la vision general con regulador y control que se muestra en la Fig. 1, se describe un cambio en la velocidad de paso en funcion del valor de control de potencia PL 8. Es una prealimentacion que pretende equilibrar la potencia consumida por el rotor y la potencia del generador mas la potencia para acelerar el tren de accionamiento. Dado que 60 la curva de potencia determina la relacion deseada entre potencia y velocidad, puede controlarse la velocidad de

paso mediante la prealimentacion, de manera que el rotor consume tanta potencia como sea necesaria para la aceleracion y la potencia del generador. Con un control previo correctamente ajustado en el valor nominal del bloque y la prealimentacion 10 y condiciones de funcionamiento constantes, el regulador de velocidad n_Reg 14 apenas interviene y se evitan cargas mecanicas fuertes, sobrecargas y otras circunstancias de tension mecanica para la 5 turbina eolica. La Fig. 2 muestra una realizacion segun la invencion en la que la prealimentacion tiene lugar a traves de un sistema controlado inverso. La Fig. 2 muestra, por lo tanto, una realizacion de la formacion del punto de ajuste y la prealimentacion segun el bloque 10 de la Fig. 1. Como se muestra en la Fig. 2, el valor de control de potencia aplicada PL 45 se convierte primero a traves de una funcion de rampa P-Ramp 46 en un punto de ajuste de potencia PS 47. A traves de una rampa de velocidad adicional nJRamp 48 en posicion posterior, se convierte el valor de 10 control de potencia PL 45 en una velocidad nominal nS 49. La velocidad nominal nS 49 se aplica a un bloque de control previo 59 junto con el punto de ajuste de potencia PS 47. En la prealimentacion 59, se calcula una velocidad de paso que adapta la potencia real a la potencia nominal y la velocidad real a la velocidad nominal. La prealimentacion 59 determina en un bloque M (P, n) 50 a partir del punto de ajuste de potencia PS 47 y la velocidad nominal nS 49 el par de torsion MP 57 basado en la potencia. El cambio de velocidad en la turbina eolica se tiene en 15 cuenta a traves de la derivada d/dt 51 de la velocidad nominal S 49 y se calcula el par de torsion basado en la aceleracion MB 55. La suma del par de torsion de la potencia MP 57 y del par de torsion de la aceleracion MB 55 se procesa como par de torsion total MFF 53 prealimentado por la prealimentacion 59. El par de torsion total MFF 53 prealimentado se obtiene a traves de un bloque de ganancia Kp 52 y un bloque limitador Limit 54, en el que el valor derivado dMFF/dt 64 se lleva a un elemento de sustraccion 62 a traves de un bloque integrador 56 como senal 65. 20 La prealimentacion tambien tiene en cuenta el comportamiento de la turbina eolica a traves de la derivacion realizada. La funcion de derivacion, que consta de los bloques 52, 54, 56 y 62, tiene la ventaja de que se pueden tener en cuenta las limitaciones de la velocidad de paso del bloque Limit 54 y la integral de dMFF/dt 64 corresponde al valor MFF 53. El cambio temporal del par de torsion total prealimentado se convierte en la derivada temporal del angulo de paso dpitFF/dt 66 prealimentado mediante una funcion de sintonizacion de ganancia no lineal GT 58. En 25 este caso, dpitFF/dt 66 se calcula como la derivada temporal del angulo de ajuste de la pala prealimentado a partir de la modificacion del par de torsion nominal dMFF/dt 64.

En los bloques 52, 54, 56 y 62, el par de torsion se deriva a "dMFF/dt". La respuesta dinamica transitoria del circuito de retroalimentacion viene determinada por la ganancia Kp 52. En el bloque Limit 54, el valor inicial esta limitado en 30 altura. Esto es necesario porque el accionamiento de paso tambien esta sujeto a un lfmite de velocidad. El integrador retroalimentado Int 56 vuelve a integrar un par de torsion que se resta del par de torsion MFF 53. Este estructura limita el tamano de la derivada del par de torsion y, por tanto, del angulo de paso. Al mismo tiempo, se asegura que la integral de dMFF/dt corresponde a "MFF" a pesar de la limitacion al final, o que se desplaza todo el angulo de paso del control previo. Una derivacion simple y la subsiguiente limitacion detendnan el angulo de paso 35 del control previo demasiado pronto.

En la Fig. 4 se puede ver esto: Kp = 4, Lfmite = 4000, aumento MFF de 1000 Nm a 11000 Nm. El valor dMFF/dt esta limitado a 4000 Nm. Debajo de su curva se encuentra el area de 100 000 Nm. Sin embargo, dM/dt no esta limitado. El accionamiento de paso no podna seguir con la suficiente rapidez. Si dM/dt estuviera limitado a 4000 Nm, el area 40 bajo la curva sena demasiado pequena y el angulo de paso no se movena lo suficientemente lejos.

La Fig. 3 muestra un ejemplo de un modelo de ruta para realizar la tasa de cambio prealimentada. Una vez mas, un punto de ajuste de potencia PS 74 se determina a partir del valor de control de potencia PL 70 mediante una funcion de rampa P_Ramp 72. A traves de la rampa de velocidad n_Ramp 76 se determina un valor modelo de velocidad 45 nominal nSM 78. El par de torsion del controlador MrM 90 se determina a traves de un controlador de la prealimentacion 86 para el modelo. El par de torsion modelado del generador MgvM 88 se determina mediante el valor de control de potencia PS 74 y el valor modelo de velocidad nominal nSM 78 en el bloque M(P, n) 84. La suma del par de torsion del generador modelado MgvM 88 y del par de torsion del controlador MrM 90witd se forma en un sumador 92 y se aplica como senal 94 a un limitador Limit 96. El limitador Limit 96 tiene en cuenta la estructura real 50 de la turbina eolica y genera el par de torsion total MFF 98 prealimentado. El par de torsion total MFF 98 se obtiene en d/dt 102 y se convierte a la velocidad de cambio prealimentada del angulo de paso dpitFF/dt 108 mediante una funcion de sintonizacion de ganancia GT 106. La velocidad nS 114 correspondiente se determina mediante el momento de inercia J_ ts 112 del tren de accionamiento, y en este caso se determina un par de torsion de generador modelado MgenM 118 mediante un controlador del generador modelado 116 para obtener solo un par de torsion de 55 aceleracion modelado. Esto da como resultado el punto de ajuste de velocidad nS 114 que coincide con la velocidad de cambio del angulo de paso dpitFF/dt 108.

En este diseno se usa un modelo de la planta (sistema controlado). Contiene el momento de inercia J_ ts 112 del tren de accionamiento, el control del par de torsion del generador en el controlador del generador 116 y todas las 60 limitaciones relevantes. Estos incluyen, por ejemplo, la limitacion de la velocidad de paso "dpitFF/dt" o una limitacion

del cambio de par de torsion "dMFF/dt" generado por el rotor, una limitacion de la tasa de cambio de la velocidad del tren de accionamiento "dns/dt" y una limitacion del aumento de potencia o del aumento del par del generador "dMgen_M/dt". Si uno de estos valores esta limitado, se limita la senal de salida MFF 98 del limitador Limit 96. Si la senal 94 en la entrada del Limit 96 es demasiado alta, la senal de salida MFF 98 esta limitada de tal manera que la 5 potencia y la velocidad aumentan de manera optima dentro de sus lfmites. El par de torsion del rotor MFF 98 se obtiene en d/dt 102 y se convierte en la velocidad de paso de la prealimentacion dpitFF/dt 108 mediante una funcion de sintonizacion de ganancia en el bloque GT 106. Dado que la velocidad nS 114 en el modelo se basa en el mismo par de torsion MFF 98 que la velocidad de paso de la prealimentacion dpitFF/dt 108, se usa esta como velocidad nominal para el controlador de velocidad del sistema real.

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Varias soluciones son posibles para generar la senal 94 en la entrada del limitador Limit 96. En el presente documento se propone un controlador que calcule un error de velocidad 82 a partir de la velocidad nominal de la prealimentacion nSM 78 y la velocidad del modelo nS 114. A partir de este momento se calcula el par MrM 90 en el controlador de la prealimentacion 86. Muchos algoritmos de control son posibles. Ademas, el par de torsion del

15 generador de la prealimentacion MgvM 88 esta formado por la potencia nominal PS 74 y la velocidad nominal de la prealimentacion nSM 78. La suma de ambos pares, que se forma en el sumador 92, se lleva como senal 94 a la entrada del limitador Limit 96.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Turbina eolica con un rotor que presenta al menos una pala de rotor que se puede ajustar mediante un control de paso alrededor de su eje longitudinal, y un generador impulsado por el rotor con

5

- un controlador de velocidad (n_Reg 14),

que genera una variable de control para el control de paso a partir de una diferencia de control en la velocidad y 10 - un controlador de generador (30),

que determina a partir de un valor de control de potencia un punto de ajuste de velocidad y un punto de ajuste de potencia y un valor de control de potencia, caracterizado porque

15 esta previsto una prealimentacion (10, 59)

que determina una variable de control para el control de paso mediante un sistema controlado inverso, en la que el sistema controlado inverso determina un par de torsion de potencia (Mp) del punto de ajuste de velocidad y del punto de ajuste de potencia y un par de torsion de aceleracion (MB) del cambio temporal del punto de ajuste de 20 velocidad y da la variable de control para el control de paso como valor de salida que precontrola el valor de salida del controlador de velocidad.
2. Turbina eolica segun la reivindicacion 1, caracterizada porque la prealimentacion determina un punto

de ajuste de potencia y/o un punto de ajuste de velocidad a partir del valor de control de potencia.

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3. Turbina eolica segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizada porque la prealimentacion esta concebida de manera que la potencia consumida por el rotor sea suficiente al menos para proporcionar el punto de ajuste de potencia y para una aceleracion del tren de accionamiento.

30 4. Turbina eolica segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la variable de control del

control de paso corresponde a la velocidad de ajuste del angulo de ajuste de la pala.
5. Turbina eolica segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque la variable de control del control de paso corresponde al angulo de ajuste del angulo de ajuste de la pala.

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6. Turbina eolica segun una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque se determina una tasa de

cambio temporal para la suma del par de torsion de potencia y del par de torsion de aceleracion, que se aplica a una

ganancia para determinar la variable de control de salida para el control de paso.