ES2688758A1 - Method and analog electronic circuit for the detection of faults in the hydraulic system of variation of blade pitch of a wind turbine (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
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DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Método y circuito electrónico analógico para la detección de fallos en el sistema hidráulico de variación de paso de pala de una turbina eólicaMethod and analog electronic circuit for the detection of failures in the hydraulic system of variation of blade pitch of a wind turbine
Campo de la técnicaTechnical field
La presente invención concierne en general a aerogeneradores. En particular, la invención concierne a un método y a un circuito electrónico analógico para la detección de fallos en el sistema hidráulico de variación de paso de pala de una turbina eólica.The present invention concerns wind turbines in general. In particular, the invention concerns a method and an analog electronic circuit for the detection of failures in the hydraulic system of variation of blade pitch of a wind turbine.
Antecedentes de la invenciónBackground of the invention
Un aerogenerador de gran escala (capaz de generar una potencia eléctrica de varios megavatios) suele estar compuesto, tal como se ilustra en la Fig. 1, por una torre anclada a tierra, una góndola montada en la misma, y un rotor acoplado a la góndola. El rotor incluye generalmente un buje rotativo y tres palas del rotor, acopladas al buje y que se extienden hacia fuera desde él.A large-scale wind turbine (capable of generating an electric power of several megawatts) is usually composed, as illustrated in Fig. 1, by a tower anchored to the ground, a gondola mounted on it, and a rotor coupled to the gondola. The rotor generally includes a rotating hub and three rotor blades, coupled to the hub and extending outwardly therefrom.
Además, la mayoría de las turbinas eólicas modernas controlan la carga sobre el rotor variando el paso de las palas para que oponga una mayor o menor resistencia al viento incidente. Se varía el paso de las palas para optimizar la salida de potencia o para proteger la turbina eólica frente a sobrecargas o sobresfuerzos perjudiciales.In addition, most modern wind turbines control the load on the rotor by varying the pitch of the blades so that it opposes a greater or lesser resistance to the incident wind. The pitch of the blades is varied to optimize the power output or to protect the wind turbine against overloads or harmful overstrain.
Para realizar la variación de paso, cada pala está dotada de un sistema de variación que comprende un cojinete entre el buje y la pala, y algún tipo de motor o actuador para proporcionar una fuerza para variar el paso de la pala y mantenerla en una posición dada (Fig. 2). Tales sistemas comprenden habitualmente accionamientos de pala hidráulicos formados por actuadores hidráulicos y una bomba hidráulica para proporcionar líquido a presión a dichos actuadores.In order to perform the step variation, each blade is provided with a variation system comprising a bearing between the hub and the blade, and some type of motor or actuator to provide a force to vary the pitch of the blade and keep it in a position given (Fig. 2). Such systems usually comprise hydraulic blade drives formed by hydraulic actuators and a hydraulic pump to provide pressurized liquid to said actuators.
Por otro lado, y dado que el mantenimiento de las turbinas eólicas se encuentra entre uno de los factores que más incrementan el coste total de los proyectos eólicos, la forma más eficaz de reducir dicho coste es supervisar continuamente el estado de los aerogeneradores.On the other hand, and since the maintenance of wind turbines is among one of the factors that most increase the total cost of wind projects, the most effective way to reduce this cost is to continuously monitor the status of wind turbines.
Un mantenimiento preventivo, basado en la monitorización, permite la detección temprana de la degeneración de la integridad de la turbina de viento. Esto facilita una respuesta proactiva, reducir al mínimo el tiempo de inactividad y maximizar la vida útil de la turbina y, por ende, su productividad. Sin embargo, los informes técnicos de energía eólica muestran que algunas de las técnicas de monitorización disponibles actualmente no son fiables niPreventive maintenance, based on monitoring, allows early detection of degeneration of the integrity of the wind turbine. This facilitates a proactive response, minimizing downtime and maximizing the life of the turbine and, therefore, its productivity. However, wind power technical reports show that some of the monitoring techniques currently available are not reliable or
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adecuadas para aplicaciones de turbinas de viento, debido a la naturaleza estocástica del viento que afecta a la toma de decisiones.suitable for wind turbine applications, due to the stochastic nature of the wind that affects decision making.
Asimismo, actualmente, los procedimientos de inspección de los sistemas de variación de paso de pala requieren que un aerogenerador se apague para permitir que un trabajador de mantenimiento escale hasta la góndola y pueda acceder al actuador. De esta manera, los procedimientos de inspección convencionales pueden ser muy costosos, desde un punto de vista económico, así como requerir mucho tiempo. Como resultado, las inspecciones programadas de los actuadores del paso de pala son normalmente poco frecuentes, incrementando por tanto la probabilidad de daños en los actuadores debido a: pérdidas de aceite, pérdida de presión y desgaste de la bomba, entre otros.Also, currently, inspection procedures for blade pitch variation systems require that a wind turbine be turned off to allow a maintenance worker to climb to the gondola and access the actuator. In this way, conventional inspection procedures can be very expensive, from an economic point of view, as well as time-consuming. As a result, scheduled inspections of the blade pitch actuators are normally rare, thereby increasing the likelihood of damage to the actuators due to: oil leaks, pressure loss and pump wear, among others.
Adicionalmente, la capacidad para detectar fallos en las turbinas de viento y de controlar dichas turbinas ante la presencia de fallos son también factores importantes que se han de considerar para conseguir una disminución del coste de generación de la energía eólica.Additionally, the ability to detect failures in wind turbines and to control said turbines in the presence of failures are also important factors that must be considered in order to achieve a decrease in the cost of wind power generation.
Son varias las metodologías que existen actualmente en la literatura científica para la detección de fallos. Una de las más usadas es aquella basada en una toma exhaustiva de datos con el objetivo de sintonizar los parámetros de diseño de un algoritmo matemático y poder, de este modo, emitir un diagnóstico de posibles fallos. Sin embargo, estas técnicas ligadas a la toma exhaustiva de datos tienen, en general, un coste computacional elevado y no permiten una detección rápida, lo cual es vital en este tipo de fallos.There are several methodologies that currently exist in the scientific literature for fault detection. One of the most used is that based on an exhaustive data collection with the aim of tuning the design parameters of a mathematical algorithm and being able, in this way, to emit a diagnosis of possible failures. However, these techniques linked to the exhaustive collection of data have, in general, a high computational cost and do not allow rapid detection, which is vital in this type of failure.
En [1], de los mismos inventores de la presente invención, se da a conocer una nueva metodología de diagnóstico de fallos (FD) y de control de tolerancia a fallos (FTC) de los actuadores de paso en las turbinas eólicas. Esto se logra combinando un compensador de perturbaciones con un controlador, ambos formulados en el dominio de tiempo discreto. El compensador de perturbaciones tiene un doble propósito: estimar el fallo del actuador (que se usa por el algoritmo FD) y diseñar el controlador de tiempo discreto para obtener un FTC.In [1], of the same inventors of the present invention, a new fault diagnosis (FD) and fault tolerance control (FTC) methodology of the step actuators in wind turbines is disclosed. This is achieved by combining a disturbance compensator with a controller, both formulated in the discrete time domain. The disturbance compensator has a dual purpose: to estimate the actuator fault (which is used by the FD algorithm) and to design the discrete time controller to obtain an FTC.
Eso es, se evalúan los fallos del actuador y, a continuación, las leyes de control de paso se modifican apropiadamente para lograr un FTC con un comportamiento comparable al caso sin fallos. El desempeño del FD y FTC son probados en simulaciones con el código aero- elástico FAST [2].That is, the actuator faults are evaluated and then the step control laws are appropriately modified to achieve an FTC with behavior comparable to the case without failures. The performance of the FD and FTC are tested in simulations with the aero code FAST [2].
Por tanto, se requieren nuevos métodos y/o dispositivos que permitan la monitorización en línea de los actuadores hidráulicos para así poder detectar, en tiempo real, y con un alto grado de fiabilidad los fallos más comunes que ocurren en dichos actuadores hidráulicos.Therefore, new methods and / or devices that allow the online monitoring of hydraulic actuators are required in order to detect, in real time, and with a high degree of reliability the most common failures that occur in said hydraulic actuators.
Referencias:References:
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[1] Vidal, Y.; Tutivén, C.; Rodellar, J.; Acho, L. Fault Diagnosis and Fault-Tolerant Control of Wind Turbines via a Discrete Time Controller with a Disturbance Compensator. Energies 2015, 8, 43004316.[1] Vidal, Y .; Tutivén, C .; Rodellar, J .; Acho, L. Fault Diagnosis and Fault-Tolerant Control of Wind Turbines via a Discrete Time Controller with a Disturbance Compensator. Energies 2015, 8, 43004316.
[2] Jonkman, J., NWTC Informalion Portal (FAST). https:llnwtc.nrel.gov/FAST. Last modified 19- March-2015; Accessed 11-0ctober-2016[2] Jonkman, J., NWTC Informalion Portal (FAST). https: llnwtc.nrel.gov/FAST. Last modified 19- March-2015; Accessed 11-0 October-2016
Exposición de la invenciónExhibition of the invention
La presente invención proporciona en un primer aspecto un método para la detección de fallos en el sistema hidráulico de variación de paso de pala de una turbina eólica, que comprende, al igual que los métodos conocidos en el estado de la técnica, generar, por un compensador de perturbaciones del sistema hidráulico de la turbina eólica, controlado por un sistema de control en lazo cerrado de unas variables control de par, control de paso y actuador de paso, una señal residual representativa de una estimación de fallos en un actuador hidráulico de variación de paso de pala del sistema hidráulico.The present invention provides in a first aspect a method for the detection of failures in the hydraulic system of variation of blade pitch of a wind turbine, which comprises, like the methods known in the state of the art, generate, by a perturbation compensator of the wind turbine hydraulic system, controlled by a closed-loop control system of some torque control, step control and step actuator variables, a residual signal representative of a fault estimate in a variation hydraulic actuator of shovel of the hydraulic system.
El método propuesto, a diferencia del estado de la técnica, realiza un procesamiento, por un circuito electrónico analógico, de dicha señal residual generada para estimar un fallo en dicho actuador hidráulico de variación de paso de pala mediante la realización de las siguientes etapas:The proposed method, unlike the prior art, performs a processing, by an analog electronic circuit, of said residual signal generated to estimate a failure in said hydraulic actuator of blade pitch variation by performing the following steps:
a) filtrar la señal residual a una frecuencia de corte equivalente a una frecuencia natural resonante del actuador hidráulico de variación de paso de pala implementado como un modelo dinámico de servo-sistema de segundo orden;a) filtering the residual signal at a cut-off frequency equivalent to a natural resonant frequency of the hydraulic blade pitch variation actuator implemented as a dynamic second-order servo-system model;
b) amplificar la señal residual filtrada;b) amplify the filtered residual signal;
c) extraer por rectificado una señal equivalente, envolvente, de la señal residual amplificada;c) extracting by rectification an equivalent signal, envelope, of the amplified residual signal;
d) sintonizar un valor umbral de voltaje de referencia programable en función del tipo de fallo a detectar;d) tune a programmable reference voltage threshold value depending on the type of fault to be detected;
e) comparar la señal equivalente, envolvente, con dicho valor umbral de voltaje de referencia programable proporcionando una señal comparada;e) comparing the equivalent signal, envelope, with said programmable reference voltage threshold value by providing a compared signal;
f) binarizar dicha señal comparada, yf) binarize said compared signal, and
g) activar un indicador, visual y/o auditivo, para señalar que se ha producido un fallo en el actuador hidráulico de variación de paso de pala.g) activate an indicator, visual and / or auditory, to indicate that there has been a failure in the hydraulic actuator of blade pitch variation.
Preferiblemente, el procesamiento se realiza en tiempo real. No obstante, el procesamiento también se puede realizar offline.Preferably, the processing is performed in real time. However, processing can also be done offline.
El fallo del actuador hidráulico de variación de paso de pala puede comprender uno o más de los siguientes fallos: un fallo por alto contenido de aire en el aceite del actuador hidráulico de variación de paso de pala, un fallo por desgaste de una bomba del actuador hidráulico de variación de paso de pala o un fallo por fuga hidráulica en el actuador hidráulico de variaciónThe failure of the hydraulic actuator of the blade pitch variation may comprise one or more of the following faults: a failure due to high air content in the oil of the hydraulic actuator of the blade pitch variation, a failure due to wear of an actuator pump hydraulic variation of blade pitch or a failure due to hydraulic leakage in the hydraulic actuator of variation
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de paso de pala. En la etapa d) se prevé una sintonización diferencial (valor umbral de voltaje de referencia distinto) en función del tipo de fallo a detectar.shovel In step d) a differential tuning is provided (different reference voltage threshold value) depending on the type of fault to be detected.
La gama del voltaje de referencia programable de la etapa d) varía de 0 a 12 volts, siendo este último el valor de voltaje de alimentación al circuito electrónico analógico. Esta gama preferiblemente se fracciona en dos particiones para poder discriminar y detectar el fallo en el actuador hidráulico de variación de paso de pala del caso funcional sin fallos. Estos intervalos se programan en base al tipo de pala y se suele hacer en base a inducir los fallos en el actuador hidráulico y ajustar el sistema hasta discriminarlos del caso sin fallo. Se fija entonces este umbral que queda permanente programado. Asimismo, también se pueden usar datos experimentales para tal labor de ajuste o sintonización. Dependiendo de la pala de actuación hidráulica, que las hay de varios tipos, se induce el fallo y se ajusta el citado umbral. Por otro lado, el tipo de fallo induce en el circuito electrónico analógico niveles de voltaje de comparación fácilmente discriminables entre sí (de cada fallo) y del caso funcional sin fallo. De aquí que se pueden programar en base a una necesidad en particular por aislar un posible fallo de interés en comparación del esquema funcional sin fallo.The range of the programmable reference voltage of stage d) varies from 0 to 12 volts, the latter being the value of the supply voltage to the analog electronic circuit. This range is preferably divided into two partitions in order to discriminate and detect the failure in the hydraulic actuator of the blade pitch variation of the functional case without failures. These intervals are programmed based on the type of blade and are usually done based on inducing faults in the hydraulic actuator and adjusting the system until they are discriminated from the case without failure. This threshold is set, which is permanently programmed. Also, experimental data can be used for such tuning or tuning work. Depending on the hydraulic actuation blade, which there are of various types, the fault is induced and the said threshold is adjusted. On the other hand, the type of fault induces in the analog electronic circuit voltage levels easily comparable to each other (of each fault) and of the functional case without failure. Hence, they can be programmed based on a particular need to isolate a possible failure of interest compared to the functional scheme without failure.
En un ejemplo de realización, previamente a la realización de la etapa a), se realiza un preescalado de la señal residual, proporcionando una señal pre-escalada comprendida en un rango de entre 0 y 5 voltios. Además, también se puede modular la señal pre-escalada mediante una modulación por ancho de pulso, proporcionando una señal de modulación por ancho de pulso. En este último caso, el método propuesto utiliza la señal de modulación por ancho de pulso como señal de entrada en la etapa a).In an exemplary embodiment, prior to the realization of step a), a pre-scaling of the residual signal is performed, providing a pre-scaled signal in the range of 0 to 5 volts. In addition, the pre-scaled signal can also be modulated by pulse width modulation, providing a pulse width modulation signal. In the latter case, the proposed method uses the pulse width modulation signal as the input signal in step a).
La presente invención proporciona en un segundo aspecto un circuito electrónico analógico para la detección de fallos en el sistema hidráulico de variación de paso de pala de una turbina eólica, en donde a partir de una señal residual generada por un compensador de perturbaciones del sistema hidráulico de la turbina eólica, controlado por un sistema de control en lazo cerrado de unas variables control de par, control de paso y actuador de paso, y representativa de una estimación de fallos en un actuador hidráulico de variación de paso de pala del sistema hidráulico, dicho circuito electrónico analógico está adaptado y configurado para realizar un procesamiento de dicha señal residual generada para estimar un fallo en dicho actuador hidráulico de variación de paso de pala para lo cual comprende:The present invention provides in a second aspect an analog electronic circuit for the detection of failures in the hydraulic system of variation of the blade of a wind turbine, where from a residual signal generated by a disturbance compensator of the hydraulic system of the wind turbine, controlled by a closed-loop control system of some torque control, step control and step actuator variables, and representative of an estimate of failures in a hydraulic actuator of blade pitch variation of the hydraulic system, said Analog electronic circuit is adapted and configured to perform a processing of said residual signal generated to estimate a failure in said hydraulic actuator of blade pitch variation for which it comprises:
- un módulo de filtrado tal como un filtro paso bajo adaptado y configurado para filtrar la señal residual a una frecuencia de corte equivalente a una frecuencia natural resonante del actuador hidráulico de variación de paso de pala implementado como un modelo dinámico de servo-sistema de segundo orden;- a filtering module such as a low pass filter adapted and configured to filter the residual signal at a cut-off frequency equivalent to a resonant natural frequency of the blade pitch hydraulic actuator implemented as a dynamic second servo-system model order;
- un módulo de amplificación adaptado y configurado para amplificar la señal residual- an amplification module adapted and configured to amplify the residual signal
filtrada;filtered;
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- un módulo de rectificación adaptado y configurado para extraer una señal equivalente, envolvente, de la señal residual amplificada;- a rectification module adapted and configured to extract an equivalent, surround signal from the amplified residual signal;
- un módulo de sintonización-comparación que comprende:- a tuning-comparison module comprising:
• un módulo de sintonización adaptado y configurado para sintonizar un valor umbral de voltaje de referencia programable en función del tipo de fallo a detectar;• a tuning module adapted and configured to tune a programmable reference voltage threshold value depending on the type of fault to be detected;
• un módulo de comparación adaptado y configurado para comparar la señal equivalente, envolvente, con dicho valor umbral de voltaje de referencia programable, proporcionando una señal comparada;• a comparison module adapted and configured to compare the equivalent, surround signal, with said programmable reference voltage threshold value, providing a compared signal;
• un módulo de acoplamiento binario adaptado y configurado para binarizar la señal comparada; y• a binary coupling module adapted and configured to binarize the compared signal; Y
• un módulo de control de tiempo adaptado y configurado para activar durante un tiempo determinado un módulo de indicación; y• a time control module adapted and configured to activate an indication module for a certain time; Y
- dicho módulo de indicación adaptado y configurado para señalar que se ha producido un fallo en el actuador hidráulico de variación de paso de pala.- said indication module adapted and configured to indicate that there has been a failure in the hydraulic actuator of blade pitch variation.
En un ejemplo de realización, el circuito electrónico analógico comprende una pluralidad de módulos de sintonización-comparación, estando cada uno adaptado y configurado para detectar un fallo de una pluralidad de fallos en el actuador hidráulico de variación de paso de pala.In an exemplary embodiment, the analog electronic circuit comprises a plurality of tuning-comparison modules, each being adapted and configured to detect a failure of a plurality of failures in the hydraulic blade pitch variation actuator.
En un ejemplo de realización, el módulo de indicación comprende unos indicadores visuales luminosos incluyendo unos diodos de emisor de luz (LED).In an exemplary embodiment, the indication module comprises light visual indicators including light emitting diodes (LED).
Asimismo, el circuito electrónico analógico puede comprender además un módulo de preescalado para realizar un pre-escalado de la señal residual, proporcionando una señal preescalada comprendida en un rango de entre 0 y 5 voltios, y un módulo de modulación por ancho de pulso para modular la señal pre-escalada.Also, the analog electronic circuit may further comprise a pre-scaling module for pre-scaling of the residual signal, providing a prescaling signal in the range of 0 to 5 volts, and a pulse width modulation module to modulate The pre-escalated signal.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
Las anteriores y otras características y ventajas se comprenderán más plenamente a partir de la siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización, los cuales tiene un carácter meramente ilustrativo y no limitativo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:The foregoing and other features and advantages will be more fully understood from the following detailed description of some embodiments, which are merely illustrative and not limiting, with reference to the attached drawings, in which:
La Fig. 1 muestra una vista frontal de una turbina eólica industrial moderna tal como se conoce en la técnica.Fig. 1 shows a front view of a modern industrial wind turbine as is known in the art.
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La Fig. 2 muestra una vista esquemática en alzado de una realización de la góndola de un aerogenerador, con indicación de las partes integrantes de la misma.Fig. 2 shows a schematic elevation view of an embodiment of the gondola of a wind turbine, with indication of the integral parts thereof.
La Fig. 3 muestra esquemáticamente el controlador de una turbina de viento descrito en [1].Fig. 3 schematically shows the controller of a wind turbine described in [1].
La Fig. 4 ilustra, en un diagrama de bloques, los pasos previos del procesado de la señal residual d[k] para su posterior procesamiento para la detección de fallos en tiempo real por medio del circuito electrónico analógico propuesto según un ejemplo de realización de la presente invención.Fig. 4 illustrates, in a block diagram, the previous steps of the processing of the residual signal d [k] for its subsequent processing for the detection of real-time faults by means of the proposed analog electronic circuit according to an embodiment example of The present invention.
La Fig. 5 ilustra el diseño electrónico del circuito electrónico analógico propuesto según un ejemplo de realización de la presente invención.Fig. 5 illustrates the electronic design of the proposed analog electronic circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
La Fig. 6 ilustra el diseño electrónico del circuito electrónico analógico propuesto según otro ejemplo de realización de la presente invención.Fig. 6 illustrates the electronic design of the proposed analog electronic circuit according to another embodiment of the present invention.
La Fig. 7 ilustra, en un diagrama de bloques, un método para detección de fallos en el sistema hidráulico de variación de paso de pala de una turbina eólica, según un ejemplo de realización de la presente invención.Fig. 7 illustrates, in a block diagram, a method for detecting failures in the hydraulic system of blade pitch variation of a wind turbine, according to an exemplary embodiment of the present invention.
Descripción detallada de unos ejemplos de realizaciónDetailed description of some embodiments
La presente invención se refiere a un método yaun dispositivo (circuito electrónico analógico 190) para realizar un diagnóstico, preferiblemente en línea, es decir en tiempo real, de los actuadores hidráulicos 107 responsables de la variación de paso de pala en un turbina eólica 100, tal como la descrita en las Figs. 1 y 2.The present invention relates to a method and to a device (analog electronic circuit 190) for performing a diagnosis, preferably in line, that is, in real time, of the hydraulic actuators 107 responsible for the variation of the blade pitch in a wind turbine 100, as described in Figs. 1 and 2.
De manera preferida según la presente invención, se propone usar como controlador del ángulo del paso de pala el propuesto en [1]. En el citado trabajo se desarrolla un controlador robusto que trabaja colaborativamente con un compensador de perturbaciones en tiempo discreto. Este compensador de perturbación propuesto en la teoría permite obtener una señal residual que, gracias a la presente invención, va a ser convenientemente post procesada. Dicho post procesado se realiza mediante el citado circuito electrónico analógico 190, teniendo en cuenta diversos aspectos prácticos para estimar el fallo del actuador hidráulico de variación de paso de pala 107 en tiempo real y con un rápido tiempo de detección.Preferably according to the present invention, it is proposed to use as proposed the blade pitch angle controller in [1]. In this work, a robust controller is developed that works collaboratively with a disturbance compensator in discrete time. This perturbation compensator proposed in the theory makes it possible to obtain a residual signal that, thanks to the present invention, will be conveniently post processed. Said post-processing is carried out by means of the aforementioned analog electronic circuit 190, taking into account various practical aspects to estimate the failure of the hydraulic actuator of blade pitch variation 107 in real time and with a rapid detection time.
La presente invención se basa en que la señal residual d[k] 10 generada por el sistema mostrado en la Fig. 3 (por lo tanto usando como controlador del ángulo del paso de pala el propuesto en [1]) necesita ser post procesada para la detección en tiempo real de los fallos en el actuador hidráulico de variación de paso de pala 107, particularmente fallos por alto contenido de aire en el aceite del actuador hidráulico de variación de paso de pala 107,The present invention is based on the fact that the residual signal d [k] 10 generated by the system shown in Fig. 3 (therefore using as a blade pitch angle controller the one proposed in [1]) needs to be post processed for real-time detection of failures in the hydraulic blade pitch variation actuator 107, particularly failures due to high air content in the oil of the blade pitch variation hydraulic actuator 107,
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fallos por desgaste de la bomba del actuador hidráulico de variación de paso de pala 107 y/o fallos por fuga hidráulica en el actuador hidráulico de variación de paso de pala 107, entre otros.wear faults of the hydraulic actuator pump of blade pitch variation 107 and / or failures of hydraulic leakage in the hydraulic actuator of blade pitch variation 107, among others.
Con referencia a la Fig. 4, en la misma se muestra un ejemplo de realización en el que la señal residual 10 del controlador de la Fig. 3, previamente a su procesado por el circuito electrónico analógico 190, es pre-escalada, por un módulo de pre-escalado 170, para dar una señal resultante de entre 0 y 5 voltios. La señal resultante alimenta un módulo de modulación por ancho de pulso 180 (pulse-width modulation, PWM, por sus siglas en inglés), que, en el diseño actual preferiblemente está sintonizado a 1 kHz, para luego ser transmitida al circuito electrónico analógico 190. En un ejemplo de realización alternativo, en este caso no ilustrado, la señal residual 10 es procesada directamente por el circuito electrónico analógico 190, es decir no se realizan las etapas de pre-escalado y modulado.With reference to Fig. 4, an exemplary embodiment is shown in which the residual signal 10 of the controller of Fig. 3, prior to its processing by analog electronic circuit 190, is pre-scaled, by a pre-scaling module 170, to give a resulting signal between 0 and 5 volts. The resulting signal feeds a pulse width modulation module 180 (pulse-width modulation, PWM), which, in the current design is preferably tuned to 1 kHz, and then transmitted to the analog electronic circuit 190 In an alternative embodiment, in this case not illustrated, the residual signal 10 is processed directly by the analog electronic circuit 190, ie the pre-scaling and modulation steps are not performed.
Con referencia a la Fig. 5, en la misma se muestra un ejemplo de realización del desarrollo electrónico del circuito electrónico analógico 190 para estimar un fallo en el actuador hidráulico de variación de paso de pala 107 de los anteriormente descritos. Los diferentes bloques/módulos que componen el circuito electrónico analógico 190 se describen a continuación:With reference to Fig. 5, there is shown an example of an embodiment of the electronic development of the analog electronic circuit 190 to estimate a failure in the hydraulic actuator of blade pitch variation 107 of those described above. The different blocks / modules that make up the analog electronic circuit 190 are described below:
- módulo de filtrado 191: Presenta un filtro paso bajo cuya frecuencia de corte se ajusta a una frecuencia natural resonante del actuador hidráulico de variación de paso de pala 107 implementado como un modelo dinámico de servo-sistema de segundo orden. Tal como se indica en [1], el sistema de paso hidráulico consiste en tres actuadores de paso idénticos, uno para cada pala, que son modelados como una ecuación diferencial lineal con variables dependientes del tiempo, ángulo de paso P(t) y su referencia u(t). En principio, se trata de un servo-sistema, que puede expresarse como un sistema diferencial de segundo orden:- filtering module 191: It has a low pass filter whose cut-off frequency is adjusted to a natural resonant frequency of the hydraulic stepper actuator 107 implemented as a dynamic second-order servo-system model. As indicated in [1], the hydraulic step system consists of three identical step actuators, one for each blade, which are modeled as a linear differential equation with time-dependent variables, pitch angle P (t) and its reference u (t). In principle, it is a servo system, which can be expressed as a second order differential system:
en donde, wn y £ son la frecuencia natural y el coeficiente de amortiguación, respectivamente.where, wn and £ are the natural frequency and the damping coefficient, respectively.
- módulo de amplificación 192: este bloque presenta el diseño de un amplificador no inversor de ganancia 2, y que también funciona como acoplador de impedancias. Se encarga de amplificar la señal residual filtrada.- amplification module 192: this block has the design of a non-inverting gain 2 amplifier, and also functions as an impedance coupler. It is responsible for amplifying the filtered residual signal.
- módulo de rectificación 193: representa un rectificador de media onda con la finalidad de extraer un equivalente de envolvente de la señal residual 10 a procesar, y para- rectification module 193: represents a half-wave rectifier with the purpose of extracting an envelope equivalent of the residual signal 10 to be processed, and for
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que posteriormente pueda ser fácilmente comparada con un umbral de referencia de voltaje programable.which can then be easily compared to a programmable voltage reference threshold.
- módulo de sintonización-comparación 194: está formado por un módulo de sintonización 195, un módulo de comparación 196, un módulo de acoplamiento binario 197 y un módulo de control de tiempo.- tuning-comparison module 194: it is formed by a tuning module 195, a comparison module 196, a binary coupling module 197 and a time control module.
- módulo de sintonización 195: muestra un diseño electrónico simple para sintonizar un valor umbral de voltaje de referencia programable. Este módulo sirve para controlar la sensibilidad y precisión del sistema de detección de fallos.- Tuning module 195: shows a simple electronic design to tune a programmable reference voltage threshold value. This module is used to control the sensitivity and accuracy of the fault detection system.
- módulo de comparación 196: es un sistema simple de comparación, o comparador de voltaje, para comparar la señal equivalente, envolvente, con dicho valor umbral de voltaje de referencia programable, proporcionando una señal comparada.- comparison module 196: it is a simple comparison system, or voltage comparator, to compare the equivalent signal, envelope, with said programmable reference voltage threshold value, providing a compared signal.
- módulo de acoplamiento binario 197: es un acoplador binario de 0 o 5 voltios como referencia de entrada al módulo de control de tiempo 198 en su configuración monoestable.- binary coupling module 197: it is a 0 or 5 volt binary coupler as an input reference to the time control module 198 in its monostable configuration.
- módulo de control de tiempo 198: circuito temporizador en su modalidad monoestable para activar durante un tiempo determinado un módulo de indicación 199.- time control module 198: timer circuit in its monostable mode to activate an indication module 199 for a certain time.
- módulo de indicación 199: configuración complementaria de actuadores para indicadores, en este caso particular visuales de tipo LED, para mostrar el resultado de la señal pre-procesada para el diagnóstico de fallos.- indication module 199: complementary configuration of actuators for indicators, in this particular case of LED visuals, to show the result of the pre-processed signal for fault diagnosis.
Con referencia a la Fig. 6, en la misma se muestra un segundo ejemplo de realización del desarrollo electrónico del circuito electrónico analógico 190, en este caso para estimar diferentes fallos en el actuador hidráulico de variación de paso de pala 107 de los anteriormente descritos. Debe notarse que los módulos de filtrado 191, amplificación 192, rectificación 193 e indicación 199 son iguales a los anteriormente descritos para la Fig. 5.With reference to Fig. 6, there is shown a second embodiment of the electronic development of the analog electronic circuit 190, in this case to estimate different faults in the hydraulic actuator of blade pitch variation 107 of those described above. It should be noted that the filtering modules 191, amplification 192, rectification 193 and indication 199 are the same as those described above for Fig. 5.
Por el contrario, a diferencia de la Fig. 5, en este caso el circuito electrónico analógico 190 incluye tres módulos de sintonización-comparación 194, tal como el descrito anteriormente, cada uno de ellos para detectar un fallo en el actuador hidráulico de variación de paso de pala 107, es decir, uno para detectar los fallos por alto contenido de aire en el aceite del actuador hidráulico de variación de paso de pala 107, otro para detectar los fallos por desgaste de la bomba del actuador hidráulico de variación de paso de pala 107 y otro para detectar los fallos por fuga hidráulica en el actuador hidráulico de variación de paso de pala 107. En caso que se deseasen detectar otros fallos en el actuador hidráulico de variación de paso de pala 107 tan solo sería necesario incluir módulos de sintonización-comparación 194 adicionales en el circuito electrónico analógico 190.On the contrary, unlike Fig. 5, in this case the analog electronic circuit 190 includes three tuning-comparison modules 194, as described above, each of them to detect a failure in the hydraulic actuator of variation of blade pitch 107, that is, one to detect failures due to high air content in the oil of the blade pitch variation hydraulic actuator 107, another to detect the failures due to wear of the pump of the pitch shift hydraulic actuator blade 107 and another for detecting hydraulic leakage failures in the blade pitch variation hydraulic actuator 107. In case it is desired to detect other failures in the blade pitch variation hydraulic actuator 107 it would only be necessary to include tuning modules -194 additional comparison in analog electronic circuit 190.
El módulo de sintonización 195 de cada uno de los tres módulos de sintonización- comparación 194 se programa/configura en base a la necesidad particular del tipo de fallo a detectar.The tuning module 195 of each of the three tuning-comparison modules 194 is programmed / configured based on the particular need of the type of fault to be detected.
Con referencia a la Fig. 7, en la misma se ilustra un ejemplo de realización de un métodoWith reference to Fig. 7, an exemplary embodiment of a method is illustrated therein
5 para detección de fallos en el sistema hidráulico de variación de paso de pala de una turbina5 for fault detection in the turbine blade variation hydraulic system
eólica 100, según este ejemplo de realización, el método en primer lugar comprende, etapa 701, generar la señal residual 10, representativa de una estimación de fallos en el actuador hidráulico de variación de paso de pala 107. Posteriormente, etapa 702, se realiza un filtrado la señal residual a una frecuencia de corte equivalente a la frecuencia natural resonante del 10 actuador hidráulico de variación de paso de pala 107 implementado como un modelo dinámico de servo-sistema de segundo orden. Seguidamente, etapa 703, se amplifica la señal residual filtrada y se extrae, por rectificado, una señal equivalente, envolvente, de la señal residual amplificada (etapa 704). Luego, etapa 705, se sintoniza un valor umbral de voltaje de referencia programable (dependiendo del tipo de fallo a detectar), comparándose, 15 etapa 706, la señal equivalente, envolvente, con el valor umbral de voltaje de referenciawind 100, according to this exemplary embodiment, the method first comprises, step 701, generating the residual signal 10, representative of an estimate of faults in the hydraulic actuator of blade pitch variation 107. Subsequently, step 702, is performed a filtering of the residual signal at a cut-off frequency equivalent to the natural resonant frequency of the 10-blade hydraulic variation actuator 107 implemented as a dynamic second-order servo-system model. Next, step 703, the filtered residual signal is amplified and an equivalent, enveloping signal of the amplified residual signal is extracted by rectification (step 704). Then, step 705, a programmable reference voltage threshold value is tuned (depending on the type of fault to be detected), comparing, 15 stage 706, the equivalent signal, envelope, with the reference voltage threshold value
programable. Finalmente, etapa 707, se binariza la señal comparada y se activa unprogrammable. Finally, step 707, the compared signal is binarized and a
indicador para señalar que se ha producido un fallo en el actuador hidráulico de variación de paso de pala 107.indicator to indicate that there has been a failure in the hydraulic actuator of blade pitch variation 107.
Preferiblemente, el citado indicador es un indicador de tipo visual, tal como los anteriores de 20 tipo LED descritos. No obstante, alternativamente, el citado indicador puede ser también un indicador de tipo auditivo que proporciona una señal sonora para señalar que se ha producido un fallo.Preferably, said indicator is a visual type indicator, such as the previous 20 type LEDs described. However, alternatively, said indicator may also be an auditory type indicator that provides an audible signal to indicate that a fault has occurred.
El alcance de la presente invención está definido en las reivindicaciones adjuntas.The scope of the present invention is defined in the appended claims.
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