ES2851340T3

ES2851340T3 - Control de la velocidad de rotación mediante la modificación del perfil de pala

Info

Publication number: ES2851340T3
Application number: ES16186403T
Authority: ES
Inventors: Per Egedal; Peder Bay Enevoldsen; Claus Vad
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2021-09-06
Anticipated expiration: 2036-08-30
Also published as: US10570881B2; US20180058424A1; EP3290688A1; CN107795435A; EP3290688B1; DK3290688T3

Abstract

Procedimiento para controlar la velocidad de rotación de un rotor (103) de una turbina eólica (100) que tiene un rotor (103) con palas (105) conectadas al mismo, donde al menos una pala incluye un equipo de modificación de perfil de pala (114) que comprende una aleta y/o un deflector, comprendiendo el procedimiento: modificar el perfil de pala en base a una desviación de velocidad de rotación (233) de una velocidad de rotación real (208) del rotor (103) o del rotor de generador (107) con respecto a una velocidad de rotación de referencia (222), en el que modificar el perfil de pala comprende: obtener, en particular usando un controlador de perfil de pala, una referencia de perfil de pala (237) en base a la desviación de velocidad de rotación (233); ajustar el perfil de pala, en particular mediante un actuador, en base a la referencia de perfil de pala (237), comprendiendo el procedimiento además: determinar, en particular medir, un ajuste (241) del equipo de modificación de perfil de pala (114); obtener una desviación de perfil de pala (245) de la referencia de perfil de pala (237) a partir del ajuste determinado (241) del equipo de modificación de perfil de pala (114); suministrar una señal de entrada del controlador de pitch (253) a un controlador de pitch (255), donde la señal de entrada de controlador de pitch está basada al menos en la desviación de perfil de pala (245); obtener, usando el controlador de pitch (255), una referencia de pitch (257) en base a la señal de entrada de controlador de pitch (153); y ajustar una posición de pitch (261) de la pala en base a la referencia de pitch (257).

Description

DESCRIPCIÓN

Control de la velocidad de rotación mediante la modificación del perfil de pala

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento y una disposición para controlar la velocidad de rotación de un rotor de una turbina eólica que tiene un rotor con palas conectadas al mismo, donde al menos una pala incluye un equipo de modificación de perfil de pala.

Antecedentes de la técnica

El documento US 2003/0091436 A1 divulga un procedimiento para regular un molino de viento y un aparato para el uso de dicho procedimiento, donde un dispositivo para regular el flujo de aire alrededor de una pala de un molino de viento comprende un deflector que está provisto de una cavidad. El deflector está montado en una superficie de la pala y puede modificar el flujo de aire alrededor de la pala adoptando diferentes formas. Cuando el deflector está en una forma activada, el flujo de aire cambia porque el deflector ya no sigue los contornos de la pala y crea una discontinuidad o al menos modifica el perfil de la pala de tal manera que cambian las condiciones del flujo de aire. Es posible regular la velocidad de rotación del rotor en el que está montada la pala.

Convencionalmente, la velocidad del rotor de una turbina eólica se puede controlar usando un sistema de pitch. El sistema de pitch puede hacer girar toda la pala de turbina para mantener la potencia de salida casi constante, en particular para velocidades del viento por encima de la velocidad nominal del viento. El efecto de la rotación de pala puede ser un cambio en el ángulo de ataque (del viento) y, por lo tanto, un cambio de sustentación de la pala y, en última instancia, del par de torsión del rotor.

En los procedimientos y sistemas conocidos convencionalmente, controlar la velocidad de un rotor de turbina eólica puede resultar difícil y problemático.

Puede ser necesario un procedimiento y una disposición para controlar la velocidad de rotación de un rotor de una turbina eólica que sean fiables, seguros, que reduzcan el desgaste de los componentes de la turbina eólica y que sean particularmente aplicables a velocidades del viento por encima de velocidades nominales del viento. El artículo "Supplementing wind turbine pitch control with a trailing edge flap smart rotor" de C.E. PLUMLEY et al., 3a CONFERENCIA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA RENOVABLE (RPG 2014), 1 de enero de 2014, y el documento EP 2995811 A1 son dos ejemplos de control de velocidad de rotor que usan un sistema de pitch en combinación con aletas o deflectores.

Sumario de la invención

Esta necesidad se puede satisfacer con la materia objeto de acuerdo con las reivindicaciones independientes. Otros modos de realización ventajosos de la presente invención se definen mediante las reivindicaciones dependientes. De acuerdo con un modo de realización de la presente invención, se proporciona un procedimiento para controlar la velocidad de rotación de un rotor de una turbina eólica que tiene un rotor con palas conectadas al mismo, donde al menos una pala incluye un equipo de modificación de perfil de pala, comprendiendo el procedimiento modificar el perfil de pala dependiendo de una desviación de velocidad de rotación de una velocidad de rotación real del rotor o del generador con respecto a una velocidad de rotación de referencia.

La turbina eólica en la que se puede aplicar el procedimiento y la disposición de acuerdo con los modos de realización de la presente invención puede comprender una torre de turbina eólica, una góndola montada en la parte superior de la torre, donde la góndola sostiene un rotor en el que una pluralidad de palas están conectadas. El rotor puede estar conectado mecánicamente a un generador, en particular un generador síncrono de imán permanente que, al girar el rotor, genera una potencia de salida de Ca . La turbina eólica puede comprender además un convertidor, en particular un convertidor CA-CC/CC-CA que convierte una corriente de potencia de CA de frecuencia variable en una corriente de potencia de CA de frecuencia fija que puede transformarse, opcionalmente, a un voltaje más alto usando un transformador de turbina eólica. La turbina eólica, que puede comprender la disposición para controlar la velocidad de rotación de acuerdo con modos de realización de la presente invención, puede ser una turbina eólica de una pluralidad de turbinas eólicas que forman un parque eólico. La turbina eólica puede comprender, o no, un sistema de engranajes dispuesto entre el rotor y un rotor de generador de un generador. El procedimiento puede llevarse a cabo mediante un módulo o una sección o una parte de un controlador de turbina eólica que puede comprender, por ejemplo, uno o más puertos de entrada y uno o más puertos de salida a través de los cuales se pueden suministrar señales de control a uno o más actuadores para poder modificar el perfil de pala. El procedimiento puede aplicarse, en particular, cuando la velocidad del viento está por encima de la velocidad nominal del viento. La velocidad nominal del viento puede ser la velocidad del viento para la que la turbina eólica está diseñada para funcionar (de forma continua) en condiciones normales. Cuando la velocidad del viento está por encima de la velocidad nominal del viento, puede necesitarse medidas de control adicionales para, en particular, mantener constante la velocidad de rotación del rotor, en particular por debajo de o en un umbral o referencia, con el fin de reducir o incluso evitar daños o desgaste de los componentes de la turbina eólica, tales como un cojinete, el generador y otros componentes, y también para reducir o incluso evitar el sobrecalentamiento de los componentes de la turbina eólica. En particular, cuando la velocidad del viento está por encima de la velocidad nominal del viento, puede ser necesario reducir un efecto de elevación o coeficiente de las palas para mantener la velocidad de rotación por debajo o al menos sustancialmente por debajo del umbral de velocidad de rotación o referencia.

El procedimiento puede implicar, en particular, modificar el perfil de pala cuando hay cambios relativamente pequeños en la velocidad del viento, tales como ráfagas de viento, cuando, sin embargo, la velocidad promedio del viento (por ejemplo promediada en 1 s, o entre 1 s y 10 s o entre 1 s y 30 s) es sustancialmente constante.

El equipo de modificación de perfil de pala puede disponerse o diseñarse de varias maneras diferentes. El equipo de modificación de perfil de pala comprende un deflector y/o una aleta montada en una o más superficies, tal como la superficie de succión (y/o la superficie de presión) de la pala. El equipo de modificación de perfil de pala puede adaptarse para modificar el perfil aerodinámico de al menos una parte de una superficie de pala exterior, en particular una parte de la superficie de succión de la pala.

Dado que, en particular, el rotor (en el que están montadas las palas) y el rotor de generador están conectados mecánicamente (opcionalmente a través de una caja de engranajes), la velocidad de rotación del rotor puede obtenerse a partir de la velocidad de rotación del rotor de generador y viceversa. En particular, es posible que el procedimiento solo requiera determinar (en particular, medir) la velocidad de rotación real del rotor o la velocidad de rotación real del rotor de generador.

La velocidad de rotación de referencia también puede denominarse velocidad de rotación nominal, lo que significa, en particular, una velocidad de rotación en condiciones normales de funcionamiento de la turbina eólica para la que están diseñados la turbina eólica y sus componentes.

El procedimiento puede adaptarse y ser eficaz para mantener sustancialmente constante la velocidad de rotación del rotor o del generador a la velocidad de rotación de referencia. De ese modo, la turbina eólica se puede hacer funcionar de manera fiable y segura, incluso para velocidades del viento superiores a la velocidad nominal del viento. Cuando la velocidad del viento cambia rápida o lentamente pero en un grado relativamente pequeño en torno a una velocidad promedio del viento, puede ser suficiente regular el perfil de pala usando el equipo de modificación de perfil de pala sin regular o modificar el ángulo de pitch de pala. De este modo, se puede reducir el desgaste del sistema de ajuste de ángulo de pitch de pala, prolongando posiblemente la vida útil de los componentes de pala, tal como un cojinete o un sistema de accionamiento de ajuste de ángulo de pala. Al modificar el perfil de pala, se puede modificar la sustentación de pala y/o el par de torsión del rotor, lo que permite controlar la velocidad de rotación del rotor o del rotor de generador.

De acuerdo con la presente invención, modificar el perfil de pala comprende obtener, en particular usando un controlador de perfil de pala, una referencia de perfil de pala en base a la desviación de velocidad de rotación, y ajustar el perfil de pala, en particular usando un actuador, en base a la referencia de perfil de pala.

La referencia de perfil de pala se puede representar mediante una señal de referencia de perfil de pala, tal como una señal óptica y/o eléctrica. La referencia de perfil de pala puede definir una forma del equipo de modificación de perfil de pala o puede, por ejemplo, definir una orientación relativa de al menos dos partes del equipo de modificación de perfil de pala, donde las orientaciones definen una forma del equipo de modificación de perfil de pala. Las orientaciones pueden estar caracterizadas, por ejemplo, por uno o más ángulos relativos de partes del equipo de modificación de perfil de pala.

El controlador de perfil de pala puede recibir la desviación de velocidad de rotación como una señal de entrada y puede comprender un controlador PI o PID caracterizado por parámetros de controlador. El actuador puede comprender, por ejemplo, un actuador eléctrico, tal como un motor eléctrico, y/o un sistema hidráulico, o un sistema de compresor que puede inflar o desinflar un tubo flexible o una cavidad, modificando así la forma exterior o la superficie de un equipo de modificación de perfil de pala. La referencia de perfil de pala puede obtenerse por el controlador de manera que la desviación de velocidad de rotación disminuya, en particular a cero, cuando el equipo de modificación de perfil de pala se ajusta en base a la referencia de perfil de pala.

De acuerdo con la presente invención, el procedimiento comprende además determinar, en particular medir, un ajuste del equipo de modificación de perfil de pala, obtener una desviación de perfil de pala de la referencia de perfil de pala con respecto al ajuste determinado del equipo de modificación de perfil de pala, suministrar una señal de entrada de controlador de pitch a un controlador de pitch, donde la señal de entrada de controlador de pitch está basada al menos en la desviación de perfil de pala, obtener, usando el controlador de pitch, una referencia de pitch basada en la señal de entrada de controlador de pitch, y ajustar una posición de pitch de la pala en base a la referencia de pitch.

Cuando solo hay pequeños cambios de velocidad del viento con respecto a una velocidad promedio del viento, modificar el perfil de pala usando el equipo de modificación de perfil de pala puede ser suficiente para controlar la velocidad de rotación del rotor para que sea sustancialmente constante. Sin embargo, cuando la velocidad del viento (en particular la velocidad promedio, promediada, por ejemplo, entre 1 s y 30 s) cambia más allá de un grado particular, puede que ya no sea posible controlar la velocidad de rotación del rotor usando solamente el equipo de modificación de perfil de pala. En particular, en este caso (o en otros casos o condiciones), puede obtenerse una desviación de perfil de pala no nula de la referencia de perfil de pala con respecto al ajuste determinado del equipo de modificación de perfil de pala. Esta desviación de perfil de pala se puede suministrar al controlador de pitch como una señal de entrada.

En otros modos de realización, se pueden añadir más señales a la desviación de perfil de pala para obtener la señal de entrada de controlador de pitch. En el presente modo de realización, el controlador de pitch no obtiene una señal que represente una desviación de velocidad de rotación, sino que recibe como entrada simplemente la desviación de perfil de pala (en otros modos de realización se pueden añadir otras señales). El controlador de pitch puede obtener la referencia de pitch. La posición de pitch de la pala se puede ajustar (en particular usando un actuador de un sistema de ajuste de pitch) en base a la referencia de pitch, en particular de modo que la posición de pitch sea igual o al menos sustancialmente igual al ángulo representado por la referencia de pitch. De ese modo, el procedimiento puede mejorarse aún más.

De acuerdo con un modo de realización de la presente invención, la señal de entrada de controlador de pitch se obtiene filtrando en paso bajo la desviación de perfil de pala.

Mediante el filtrado de paso bajo de la desviación de perfil de pala, los cambios rápidos de la desviación de perfil de pala, es decir, cambios muy rápidos de la desviación de perfil de pala, se filtran, es decir, se amortiguan o reducen en magnitud, de modo que solo quedan cambios lentos de la desviación de perfil de pala. Las constantes de tiempo del filtrado de paso bajo y/o los umbrales de frecuencia pueden seleccionarse o determinarse en base a la aplicación y configuración particulares del equipo de modificación de perfil de pala y/o de toda la turbina eólica.

De acuerdo con un modo de realización de la presente invención, el procedimiento comprende además filtrar en paso bajo el ajuste determinado del equipo de modificación de perfil de pala, añadir el ajuste determinado filtrado en paso bajo del equipo de modificación de perfil de pala a la desviación de perfil de pala, en particular filtrada en paso bajo, para obtener la señal de entrada de controlador de pitch.

El ajuste del equipo de modificación de perfil de pala se puede representar, en particular, con respecto a un ajuste neutral del equipo de modificación de perfil de pala que puede representar un efecto mínimo (o sustancialmente nulo) del equipo de modificación de perfil de pala en el perfil de pala, en particular en el perfil de pala aerodinámico. Cuando el ajuste del equipo de modificación de perfil de pala se desvía en gran medida con respecto al ajuste neutral del equipo de modificación de perfil de pala, las oportunidades de controlar el equipo de modificación de perfil de pala se pueden limitar cada vez más cuanto mayor sea la desviación con respecto al ajuste neutral del equipo de modificación de perfil de pala. Si esto sucede, es ventajoso (además) reajustar el pitch de la pala. Por lo tanto, es ventajoso añadir el ajuste determinado filtrado en paso bajo del perfil de pala (en particular representado como una desviación del ajuste con respecto a un ajuste neutral) a la desviación de perfil de pala para obtener la señal de entrada de controlador de pitch. En particular, cuando el ajuste del equipo de modificación de perfil de pala corresponde al ajuste neutral del equipo de modificación de perfil de pala, no se puede añadir nada a la desviación de perfil de pala para obtener la señal de entrada de controlador de pitch. Sin embargo, si la diferencia entre el ajuste del equipo de modificación de perfil de pala y el ajuste neutral del equipo de modificación de perfil de pala no es nula, esta diferencia se puede añadir a la desviación de perfil de pala para obtener la señal de entrada de controlador de pitch.

De este modo, el procedimiento puede intentar, principalmente, regular la velocidad de rotación modificando el perfil de pala usando el equipo de modificación de perfil de pala. Siempre que el equipo de modificación de perfil de pala se acerque a sus límites para una modificación adicional del perfil de pala, se puede ajustar además el pitch de pala, lo que puede permitir (a su vez) reajustar el ajuste del equipo de modificación de perfil de pala más hacia la posición neutra o ajuste neutral del equipo de modificación de perfil de pala.

Por tanto, el procedimiento puede proporcionar un control en dos fases, usando principalmente el equipo de modificación de perfil de pala y usando, de forma secundaria, el sistema de pitch para controlar la velocidad de rotación del rotor de la turbina eólica.

De ese modo, los componentes de la turbina eólica pueden conservarse y su vida útil puede prolongarse.

De acuerdo con un modo de realización de la presente invención, el procedimiento comprende además obtener una tasa de desviación de velocidad de rotación como un desfase temporal, en particular como una derivada temporal, de la desviación de velocidad de rotación, determinar un exceso de tasa de la tasa de desviación de velocidad de rotación con respecto a un umbral de tasa, añadir un ajuste determinado filtrado en paso bajo del equipo de modificación de perfil de pala a la desviación de perfil de pala, en particular filtrada en paso bajo, y al exceso de tasa para obtener la señal de entrada de controlador de pitch.

La tasa de desviación de velocidad de rotación puede obtenerse, por ejemplo, usando un filtro de alimentación directa. Si la tasa de desviación de velocidad de rotación es mayor que el umbral de tasa, el exceso de tasa se puede añadir al ajuste determinado filtrado en paso bajo del equipo de modificación de perfil de pala y a la desviación de perfil de pala filtrada en paso bajo para obtener la señal de entrada de controlador de pitch. Esta característica del procedimiento aborda la situación en la que hay una gran modificación temporal rápida y significativa de la desviación de velocidad de rotación que, presumiblemente, no puede manejarse controlando solamente el equipo de modificación de perfil de pala. En esta situación, no solo reacciona el equipo de modificación de perfil de pala, sino que también se puede modificar el ángulo de pitch de pala. Por lo tanto, el procedimiento también facilita el control de la velocidad de rotación del rotor mediante una combinación de modificación del perfil de pala usando el equipo de modificación de perfil de pala y también (en particular, simultáneamente) modificando el ángulo de pitch de la pala (en particular, una o más palas) para responder eficazmente a la desviación de velocidad detectada y a la tasa de desviación de velocidad de rotación. De ese modo, el procedimiento puede mejorarse aún más.

De acuerdo con un modo de realización de la presente invención, el equipo de modificación de perfil de pala está montado en la pala de manera que permita modificar al menos una parte de la forma de superficie en un lado de succión de la pala.

El equipo de modificación de perfil de pala se puede adaptar para modificar, adaptar o alterar al menos una parte de la forma de una superficie aerodinámica en el lado de succión (opuesto al lado de presión que mira hacia el viento) de la pala. De este modo, se puede ajustar la sustentación aerodinámica y/o el par de torsión que el viento provoca en la pala.

De acuerdo con un modo de realización de la presente invención, el equipo de modificación de perfil de pala comprende un deflector ajustable, en particular montado en una superficie de succión de la pala, siendo el deflector en particular ajustable suministrando un fluido dentro o extrayendo un fluido de una cavidad o tubo flexible ajustando de este modo la extensión de protuberancia del deflector desde la superficie de succión circundante de la pala. El deflector puede tener cualquier tamaño y forma, tal como una forma convexa, una forma cóncava o una combinación de las mismas y puede extenderse sobre una parte de o toda la pala en una región particular del lado de succión. La forma del deflector puede modificarse o la forma del deflector puede no modificarse y/o la orientación o ubicación del deflector con respecto al resto de la pala puede modificarse. La orientación relativa del deflector puede, por ejemplo, ajustarse usando un actuador eléctrico que haga girar o mueva (una parte de) el deflector con respecto a la pala.

Una extensión de la protuberancia (o un grado de inflado o una presión dentro de la cavidad) del deflector puede representar, por ejemplo, el ajuste del equipo de modificación de perfil de pala. En otros modos de realización, una presión dentro de un tubo flexible o una cavidad puede representar el ajuste del equipo de modificación de perfil de pala. Todavía en otros modos de realización, una orientación, por ejemplo representada por uno o más ángulos, de una o más partes del deflector con respecto a otras partes del deflector y/o con respecto al resto de la pala puede representar el ajuste del equipo de modificación de perfil de pala.

De acuerdo con un modo de realización de la presente invención, el equipo de modificación de perfil de pala comprende una aleta montada en la pala, en particular en un borde trasero de la pala, donde la aleta se extiende y/o define una parte de extremo trasero de una superficie del lado de succión.

Una aleta puede comprender un cuerpo o comprender una o más estructuras físicas que, por su forma y/u orientación relativa, permitan ajustar el perfil de pala. La aleta puede ser ajustable con respecto a su orientación relativa (con respecto al resto de la pala) y/o con respecto a su ubicación con respecto al resto de la pala.

De acuerdo con un modo de realización de la presente invención, la aleta comprende al menos una primera y una segunda parte que son móviles, en particular giratorias y/o plegables, entre sí para modificar el perfil de pala. De este modo, se puede proporcionar un equipo de modificación de perfil eficaz que puede ajustarse y cambiarse fácilmente.

De acuerdo con un modo de realización de la presente invención, el ajuste del equipo de modificación de perfil de pala se puede representar mediante un ángulo relativo de orientaciones de la primera y la segunda parte de la aleta. De este modo, se proporciona una construcción especialmente sencilla de un equipo de modificación de perfil que puede ajustarse fácilmente durante el procedimiento.

De acuerdo con un modo de realización de la presente invención, durante un primer período de tiempo, la velocidad del viento varía en torno a una primera velocidad promedio del viento (velocidad del viento, por ejemplo, promediada entre 1 s y 30 s) y el pitch de pala se mantiene constante en un primer ángulo de pitch de pala, donde, durante un segundo período de tiempo, la velocidad del viento varía en torno a una segunda velocidad promedio del viento diferente de la primera velocidad promedio del viento y el pitch de pala se mantiene constante en un segundo ángulo de pitch de pala diferente del primer ángulo de pitch de pala, en donde durante el primer período de tiempo y el segundo período de tiempo se modifica el perfil de pala, en respuesta a la variación de la velocidad del viento, para mantener la velocidad de rotación del rotor sustancialmente constante.

La primera velocidad promedio del viento y/o la segunda velocidad promedio del viento pueden estar por encima o por debajo de la velocidad nominal del viento. En particular, la primera y también la segunda velocidad promedio del viento pueden estar por encima de la velocidad nominal del viento. De este modo se puede evitar, independientemente de la velocidad del viento, que se modifique el ángulo de pitch de pala, reduciendo así las cargas sobre los componentes del sistema de pitch. Solo cuando se produce una modificación temporal muy rápida y extensa de la velocidad del viento, el perfil de pala puede modificarse en combinación con una modificación del ángulo de pitch de pala.

Debe entenderse que las características que se han divulgado, descrito o proporcionado de forma individual o en cualquier combinación para un procedimiento de control de la velocidad de rotación de un rotor de una turbina eólica también pueden aplicarse en o proporcionarse a, de forma individual o en cualquier combinación, una disposición para controlar la velocidad de rotación de un rotor de una turbina eólica de acuerdo con modos de realización de la presente invención y viceversa.

De acuerdo con un modo de realización de la presente invención, se proporciona una disposición para controlar la velocidad de rotación de un rotor de una turbina eólica que tiene un rotor con palas conectadas al mismo, donde al menos una pala incluye un equipo de modificación de perfil de pala, comprendiendo la disposición un procesador adaptado para controlar la modificación del perfil de pala dependiendo de una desviación de velocidad de rotación de una velocidad de rotación real del rotor o del generador con respecto a una velocidad de rotación de referencia. En particular, el procesador puede ejecutar un programa, en particular un programa informático que incluye instrucciones para el procesador. La disposición puede estar comprendida en la turbina eólica, por ejemplo en un controlador de turbina eólica, por ejemplo como un módulo de software o un circuito integrado específico de la aplicación o una combinación de hardware y software.

De acuerdo con un modo de realización de la presente invención, la disposición comprende además un equipo de modificación de perfil de pala que incluye un actuador acoplado de forma comunicativa al procesador y que está adaptado para modificar el perfil de pala.

El actuador puede comprender un motor eléctrico, un sistema hidráulico y/o un compresor o similar. El equipo de modificación de perfil de pala puede reajustarse o rediseñarse en relación con una pala de turbina existente que no tiene en sí misma capacidad de modificación de perfil. En otros modos de realización, el equipo de modificación de perfil de pala está formado de manera solidaria con la pala y no puede separarse de la pala. El equipo de modificación de perfil de pala puede desmontarse, o no, de la pala.

De acuerdo con un modo de realización de la presente invención, se proporciona una turbina eólica, que comprende una disposición para controlar la velocidad de rotación de un rotor de acuerdo con uno de los modos de realización descritos anteriormente, un rotor y palas conectadas al rotor, donde al menos una pala incluye el equipo de modificación de perfil de pala.

A continuación se describen modos de realización de la presente invención con referencia a los dibujos adjuntos. La invención no está limitada a los modos de realización ilustrados o descritos.

Los aspectos definidos anteriormente y aspectos adicionales de la presente invención resultan evidentes a partir de los ejemplos de modo de realización que se describirán a continuación en el presente documento y se explican con referencia a los ejemplos de modo de realización. La invención se describirá con más detalle a continuación en el presente documento con referencia a ejemplos de modo de realización, pero a los que la invención no está limitada. Breve descripción de los dibujos

La Fig. 1 ilustra esquemáticamente una turbina eólica de acuerdo con un modo de realización de la presente invención que incluye una disposición para controlar la velocidad de rotación de un rotor de acuerdo con un modo de realización de la presente invención;

la Fig. 2 ilustra esquemáticamente un diagrama de una disposición para controlar la velocidad de rotación de un rotor de una turbina eólica de acuerdo con un modo de realización de la presente invención que puede incluirse, por ejemplo, en la turbina eólica ilustrada en la Fig. 1;

la Fig. 3 ilustra un gráfico que muestra un controlador de ángulo de pitch de acuerdo con un procedimiento convencional;

la Fig. 4 ilustra un gráfico para explicar un ajuste combinado de un equipo de modificación de perfil de pala y de un ángulo de pitch de acuerdo con un modo de realización de la presente invención, por ejemplo realizado por la disposición ilustrada en la Fig. 2; y

las Figs. 5 a 10 ilustran esquemáticamente diferentes modos de realización de un equipo de modificación de perfil de pala de acuerdo con diferentes modos de realización de la presente invención.

Descripción detallada

Las ilustraciones de los dibujos se muestran de forma esquemática. Cabe señalar que, en diferentes figuras, elementos similares o idénticos están provistos de los mismos signos de referencia o de signos de referencia que solo se diferencian de los signos de referencia correspondientes en el primer dígito.

La Fig. 1 ilustra esquemáticamente una turbina eólica 100 de acuerdo con un modo de realización de la presente invención que incluye una disposición 101 para controlar la velocidad de rotación de un rotor 103 de la turbina eólica 100. La turbina eólica 100 comprende un rotor 103 en el que está montada una pluralidad de palas de rotor 105. La turbina eólica 100 comprende además una caja de engranajes 105 (opcional) que transmite la rotación mecánica del eje (primario) 103 a un eje secundario (también denominado rotor de generador) 107 que gira parcialmente (en particular con varios imanes permanentes unidos al mismo) en un generador 109. El generador 109 proporciona una corriente de potencia de CA (en particular, trifásica) 111 que se suministra a un convertidor CA-CC/CC-CA 113 que convierte la corriente de potencia de frecuencia variable 111 en una corriente de potencia de frecuencia fija 115 (en particular, una corriente de potencia trifásica) que se suministra a un transformador de turbina eólica 117 que transforma el voltaje de salida del convertidor en una salida de voltaje más alta en los terminales de salida 119. La turbina eólica 100 está conectada por medio de una línea de transmisión 121 a un punto de acoplamiento común 123 al que están conectadas otras diversas turbinas eólicas 125. El punto de acoplamiento común 123 está acoplado a un transformador de parque 127 que proporciona un alto voltaje de salida, tal como varios cientos de kV, que se transmite a una red de suministro 129.

La turbina eólica 100 comprende, con fines de control, un controlador 102 que alberga en el modo de realización ilustrado la disposición 101 para controlar la velocidad de rotación del rotor 103. En particular, el controlador 101 controla, por medio de señales de control 104, el convertidor 113, donde las señales de control 104 pueden comprender un voltaje de referencia, una potencia de referencia, una potencia activa de referencia, una potencia reactiva de referencia o similares. El convertidor 113 puede comprender en la sección CA-CC, así como en la sección CC-CA, por ejemplo, seis transistores de potencia (para tres fases) cuyas puertas son accionadas por señales de controlador de puerta que comprenden señales de modulación de ancho de pulso obtenidas de las señales de referencia 104 suministradas al convertidor 113.

La disposición 101 comprende un procesador 106 que está adaptado para controlar la modificación del perfil de pala, es decir, el perfil aerodinámico (en particular) de las palas 105 en base a una desviación de velocidad de rotación de una velocidad de rotación real 108 del rotor 107 (o del rotor 103) con respecto a una velocidad de rotación de referencia que puede, por ejemplo, estar almacenada en un almacenamiento de la disposición 101. En particular, la velocidad de rotación real 108 del eje secundario 107 se mide usando un sensor de velocidad de rotación 110 y se suministra a la disposición 101. La disposición 101 proporciona una señal de control o señal de accionamiento 112 al equipo de modificación de perfil de pala 114 que está unido a o montado en al menos una de las palas de rotor 105. Para modificar el perfil de pala se puede proporcionar un actuador que se puede adaptar para mover al menos una parte del equipo de modificación de perfil de pala de manera que se modifique el perfil aerodinámico de la pala de rotor 105 en al menos una parte de la misma, en particular en un lado de succión 116 de la pala 105. El viento 118 impacta en el lado de presión 120 de la pala de rotor 105.

La Fig. 2 ilustra esquemáticamente con más detalle un modo de realización de una disposición 201 para controlar la velocidad de rotación de un rotor de una turbina eólica. La disposición 201 recibe la señal de medición de velocidad 208 así como una velocidad de rotación de referencia 222 que se suministran a un elemento de sustracción 231 que calcula una desviación de velocidad de rotación 233. La desviación de velocidad de rotación (también denominada error de velocidad) se suministra a un controlador de perfil de pala 235 (también denominado controlador de aleta o controlador de deflector) que obtiene a partir de la misma una señal de referencia de perfil de pala 237. La referencia de perfil de pala 237 se suministra a un equipo de modificación de perfil de pala 239 (por ejemplo, un sistema de aletas o un sistema de ajuste de deflector 114 ilustrado en la Fig. 1) que, a continuación, ajusta el perfil de pala con respecto a un ajuste particular 241 del equipo de modificación de perfil de pala. El ajuste establecido 241 del equipo de modificación de perfil de pala da lugar a un par de torsión particular o a una modificación en el par de torsión según el impacto del viento en la pala de rotor y, a su vez, provoca un cambio en la velocidad de rotación para disminuir la desviación de velocidad de rotación 233.

En condiciones de viento particulares, puede ser suficiente que la turbina eólica controle la velocidad de rotación exclusivamente ajustando el perfil de pala usando el equipo de modificación de perfil de pala 114, 239 sin necesidad de ajustar adicionalmente el ángulo de pitch de las palas 105.

Sin embargo, en otras condiciones de viento, tales como una velocidad y/o dirección del viento que cambian de manera intensa, enérgica o rápida, el procedimiento de control también puede implicar el ajuste del ángulo de pitch de pala como se explica a continuación. En estas etapas de procedimiento adicionales, la disposición 201 comprende un elemento de sustracción adicional 243 que calcula, a partir de la configuración real (por ejemplo, medida) 241 del equipo de modificación de perfil de pala y de la referencia de perfil de pala 237 una desviación de perfil de pala 245 que se proporciona a filtro de paso bajo 247. El filtro de paso bajo 247 amortigua o disminuye las variaciones de alta frecuencia de la desviación de perfil de pala 245, y la desviación de perfil de pala filtrada en paso bajo 245 se proporciona a un elemento de adición 249.

A este elemento de adición 249, de acuerdo con modos de realización de la presente invención, también se le suministra una versión filtrada en paso bajo de la configuración 241 del equipo de modificación de perfil de pala, donde para el filtrado de paso bajo se puede usar el filtro 251. Las frecuencias umbral y/o las constantes de tiempo de los filtros 247, 251 pueden seleccionarse o elegirse de acuerdo con la aplicación particular, la constitución del equipo de modificación de perfil de pala, etc.

La salida del elemento de adición 249 representa una señal de entrada de controlador de pitch 253 que se suministra a un controlador de pitch 255 que obtiene en base a la señal de entrada de controlador de pitch 253 una referencia de pitch 257. La referencia de pitch 257 se proporciona o suministra a un sistema de pitch 259 que se ilustra en la Fig. 1 y está etiquetado con el signo de referencia 159. El sistema de pitch ajusta el ángulo de pitch de la pala de rotor mediante rotación alrededor de un eje longitudinal 160 de la pala de rotor 105 (orientada en dirección radial). Ajustar el ángulo de pitch da como resultado la posición de pitch real 261 de la pala de rotor, lo que da lugar a un par de torsión particular y, a su vez, da lugar a un modificación en la velocidad de rotación en una dirección para disminuir la desviación de velocidad de rotación 233.

Para abordar modificaciones temporales rápidas y drásticas de la desviación de velocidad de rotación, la disposición 201 comprende además un filtro de alimentación directa 263 al que se suministra la desviación de velocidad de rotación 233 y que proporciona una tasa de desviación de velocidad de rotación 265.

La tasa de desviación de velocidad de rotación 265 se suministra a un bloque de saturación 267 que obtiene una salida 268. Cuando la tasa de desviación de velocidad de rotación 265 está por debajo de un umbral almacenado en el bloque de saturación 267), entonces el bloque de saturación 267 proporciona como una señal de salida 268 la tasa de desviación de velocidad de rotación 265. Sin embargo, si la tasa de desviación de velocidad de rotación 265 es mayor que el umbral almacenado en el módulo de saturación 267, el módulo de saturación 267 proporciona el umbral como la señal de salida 268.

La tasa de desviación de velocidad de rotación 265 y la salida 268 se suministran a otro elemento de diferencia 271 que proporciona el exceso 269 en la salida 268 del elemento de saturación 267. Un exceso 269, si está presente, es proporcionado por el elemento de diferencia 271 y suministrado al elemento de adición 249.

De este modo, la señal de entrada de controlador de pitch 253 puede obtenerse como una suma de varias señales que abordan varias condiciones que pueden producirse durante la ejecución del procedimiento de control.

La Fig. 3 ilustra un gráfico que muestra una velocidad de viento 330 y un ángulo de pitch 332 en función del tiempo 334 en la abscisa, donde en la ordenada 336 se indican, respectivamente, la velocidad del viento y el ángulo de pitch. Como se puede apreciar en la Fig. 3, en caso de cambiar la velocidad del viento 330, el ángulo de pitch de la turbina eólica se controla de acuerdo con la curva de ángulo de pitch 332. Gran parte de la actividad de modificación del pitch puede, en el sistema convencional, compensar pequeñas variaciones en la velocidad del viento.

Estas variaciones, de acuerdo con modos de realización de la presente invención, se tratan controlando de forma activa un equipo de modificación de perfil de pala, en particular una aleta y/o un deflector montados en las palas. Esto se ilustra en la Fig. 4 que muestra en una abscisa 434 el tiempo y en una ordenada 436 la velocidad del viento, el ángulo de pitch y un ajuste de un equipo de modificación de perfil de pala de acuerdo con un modo de realización de la presente invención. En particular, el ángulo de pitch se ilustra como una curva 438, el ajuste del equipo de modificación de perfil de pala está etiquetado con el signo de referencia 440 y la velocidad del viento está etiquetada con el signo de referencia 442. En el gráfico ilustrado en la Fig. 4, de hecho, el ajuste 440 del equipo de modificación de perfil de pala está representado por un ángulo de aleta de una aleta montada en un extremo trasero de una pala de rotor. Controlar las aletas de la pala modifica eficazmente el perfil aerodinámico de la pala.

Mientras que la velocidad del viento se mantenga (en promedio) en un nivel particular, el ángulo de pitch puede mantenerse constante, es decir, no es necesario realizar un pitch. Esto se puede apreciar en la Fig. 4, donde el ángulo de pitch permanece en un primer ángulo de pitch mientras que la velocidad del viento 442 varía en torno a una primera velocidad promedio del viento. Cuando la velocidad del viento 442 varía en torno a una segunda velocidad promedio del viento, el ángulo de pitch se ajusta a un segundo ángulo de pitch diferente del primer ángulo de pitch. Al disminuir el pitch, el cojinete de pala no se puede desgastar.

Siempre que se produzca un gran cambio en la velocidad del viento como, por ejemplo, en el instante de tiempo 444, el controlador de pitch 255 puede pitchear la pala a una nueva posición de equilibrio y el equipo de modificación de perfil de pala (en particular las aletas) puede volver a manejar todas las pequeñas variaciones en la velocidad del viento en torno a este nuevo equilibrio. El ángulo de aleta (curva 440) varía antes y después del cambio de la velocidad del viento en el instante de tiempo 444 aproximadamente en la misma medida en torno a un valor medio 441.

Como ventaja del procedimiento de control de acuerdo con los modos de realización de la presente invención, se puede conseguir una gran reducción en la distancia recorrida de los cojinetes de pala debido a pequeñas variaciones en la velocidad del viento.

Convencionalmente, para todas las pequeñas variaciones en la velocidad del viento, se realiza un pitch, lo que da lugar al desgaste de los cojinetes de pitch. La reducción en la distancia recorrida de los cojinetes de pala de acuerdo con los modos de realización de la invención puede significar un menor desgaste de los cojinetes y menos casos de garantía, cambios, intervalos de servicio más largos, etc. de los cojinetes de pala.

Con el término "perfil de pala" también se entiende el ajuste de una resistencia aerodinámica, por ejemplo establecida por un deflector ajustable. Por tanto, en lugar de usar una o más aletas en la pala de rotor, también se pueden utilizar uno o más deflectores, en particular la superficie de succión de la pala de rotor, para modificar el perfil de pala. Esto también se ha denominado convencionalmente resistencia aerodinámica. Puede haber varias formas de aumentar o disminuir la resistencia aerodinámica de la pala de rotor. Una es usar un deflector, otra es entrar en pérdida, lo que puede reducir la sustentación y aumentar la resistencia aerodinámica. Una ventaja de usar la resistencia aerodinámica para controlar la potencia es que la resistencia aerodinámica va casi directamente al par de torsión del rotor y, por lo tanto, a la potencia.

En las Figs. 5 a 10 se ilustran diferentes configuraciones de equipo de modificación de perfil de pala, de acuerdo con modos de realización de la presente invención.

La Fig. 5 ilustra esquemáticamente un modo de realización de un equipo de modificación de perfil de pala 514, realizado en este caso como una disposición de borde de salida móvil. En la región de unión (también denominada primera parte) 563, el equipo 514 puede estar unido a una sección de borde de salida de una pala de rotor 105. El equipo 514 comprende además una parte de modificación aerodinámica (también denominada segunda parte) 565 que tiene forma de aleta. La parte aerodinámica 565 de la disposición de borde de salida móvil 514 está conectada de forma separable a la parte restante del equipo 514. El equipo 514 comprende tubo flexible o bolsa 567 inflable y desinflable que puede, por ejemplo, inflarse proporcionando aire comprimido o un fluido al interior del tubo flexible 567.

El estado desinflado se ilustra en la vista 524 y la configuración inflada se ilustra en la vista 526 de la Fig. 5. Al inflarse el tubo flexible 567, las partes 563 y 565 cambian su orientación relativa y una región entre las regiones 563 y 565 comprende una parte doblada 569. El ángulo a entre las superficies superiores de las partes 563 y 565 puede caracterizar, por ejemplo, un ajuste del equipo de modificación de perfil de pala 514.

La Fig. 6 ilustra esquemáticamente otro modo de realización de una aleta 614 montada en una parte de extremo trasero 671 de una pala 605. En la vista 624, un tubo o bolsa flexibles 667 está inflado/a, lo que hace que una parte de extremo trasero 665 de la aleta 614 gire hacia arriba. En la situación no inflada ilustrada en la vista 626, la parte de extremo trasero 665 de la aleta 614 está girada hacia abajo con respecto a la vista 624, cambiando de este modo el perfil de pala.

La Fig. 7 ilustra diferentes orientaciones de las aletas 714, que tienen partes de extremo trasero 765. El cambio de orientación de las porciones de extremo trasero 765 puede efectuarse introduciendo un líquido o aire comprimido en una cavidad o un tubo flexible o accionando un motor eléctrico, por ejemplo, o usando un sistema hidráulico.

Las Figs. 8 y 9 ilustran en una visión general (Fig. 8) y en una vista detallada (Fig. 9) un deflector 814 como otro ejemplo de un equipo de modificación de perfil de pala de acuerdo con modos de realización de la presente invención. Así, la vista 824 ilustra el deflector en una configuración no inflada, mientras que la vista 826 ilustra el deflector 814 en una configuración inflada. Las trayectorias de viento 828 se representan ilustrando un efecto de resistencia aerodinámica mejorado cuando el deflector 814 está en la configuración inflada, como se ilustra en la vista 826.

La Fig. 10 ilustra esquemáticamente otro ejemplo de un equipo de modificación de perfil de pala 1014 en una configuración desinflada en la vista 1024 y en una configuración inflada en la vista 1026. El equipo 1014 comprende una cavidad 1030 que puede llenarse con un fluido, en particular aire comprimido, para pasar de la configuración desinflada ilustrada en la vista 1024 a la configuración inflada ilustrada en la vista 1026. Al inflarse la cavidad 1030, una parte conectada 1065 cambia su orientación desde una configuración extendida o saliente en la vista 1024 a una configuración enterrada u oculta en la vista 1026, cambiando así el perfil de pala.

Son posibles otras configuraciones del equipo de modificación de perfil de pala.

Cabe destacar que el término "comprender" no excluye otros elementos o etapas y que las palabras "uno" o "una" no excluyen una pluralidad. Además, se pueden combinar elementos descritos en asociación con diferentes modos de realización. Cabe destacar también que los signos de referencia en las reivindicaciones no se considerarán limitantes del alcance de las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para controlar la velocidad de rotación de un rotor (103) de una turbina eólica (100) que tiene un rotor (103) con palas (105) conectadas al mismo, donde al menos una pala incluye un equipo de modificación de perfil de pala (114) que comprende una aleta y/o un deflector, comprendiendo el procedimiento:

modificar el perfil de pala en base a una desviación de velocidad de rotación (233) de una velocidad de rotación real (208) del rotor (103) o del rotor de generador (107) con respecto a una velocidad de rotación de referencia (222),

en el que modificar el perfil de pala comprende:

obtener, en particular usando un controlador de perfil de pala, una referencia de perfil de pala (237) en base a la desviación de velocidad de rotación (233);

ajustar el perfil de pala, en particular mediante un actuador, en base a la referencia de perfil de pala (237), comprendiendo el procedimiento además:

determinar, en particular medir, un ajuste (241) del equipo de modificación de perfil de pala (114); obtener una desviación de perfil de pala (245) de la referencia de perfil de pala (237) a partir del ajuste determinado (241) del equipo de modificación de perfil de pala (114);

suministrar una señal de entrada del controlador de pitch (253) a un controlador de pitch (255), donde la señal de entrada de controlador de pitch está basada al menos en la desviación de perfil de pala (245); obtener, usando el controlador de pitch (255), una referencia de pitch (257) en base a la señal de entrada de controlador de pitch (153); y

ajustar una posición de pitch (261) de la pala en base a la referencia de pitch (257).

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación precedente,

en el que la señal de entrada de controlador de pitch (253) se obtiene mediante el filtrado de paso bajo de la desviación de perfil de pala.

3. Procedimiento de acuerdo con una de las dos reivindicaciones precedentes, que comprende además:

filtrar en paso bajo el ajuste determinado (241) del equipo de modificación de perfil de pala;

añadir el ajuste determinado filtrado en paso bajo del equipo de modificación de perfil de pala a la desviación de perfil de pala, en particular filtrada en paso bajo, (245) para obtener la señal de entrada de controlador de pitch (253).

4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, que comprende además:

obtener una tasa de desviación de velocidad de rotación (265) como un desfase temporal, en particular una derivada temporal, de la desviación de velocidad de rotación (233);

determinar un exceso de tasa (269) de la tasa de desviación de velocidad de rotación con respecto a un umbral de tasa;

añadir el ajuste determinado filtrado en paso bajo (241) del equipo de modificación de perfil de pala a la desviación de perfil de pala, en particular filtrada en paso bajo, (245) y al exceso de tasa (269) para obtener la señal de entrada de controlador de pitch (253).

5. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el que el equipo de modificación de perfil de pala (114-1014) está montado en la pala (105) de manera que permita modificar al menos una parte de la forma de superficie en un lado de succión (116) de la pala (105).

6. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el que el equipo de modificación de perfil de pala (114-1014) comprende un deflector ajustable (814), en particular montado en una superficie de succión de la pala, siendo el deflector en particular ajustable suministrando un fluido dentro o extrayendo un fluido de una cavidad (830) o tubo flexible ajustando de este modo la extensión de protuberancia del deflector desde la superficie de succión circundante de la pala.

7. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el que el equipo de modificación de perfil de pala comprende una aleta (614, 514) montada en la pala, en particular en un borde trasero (671) de la pala, donde la aleta se extiende y define una parte de extremo trasero de una superficie del lado de succión.

8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación precedente, en el que la aleta (514) comprende al menos una primera (563) y una segunda parte (565) que pueden moverse, en particular, girar, entre sí para modificar el perfil de pala.

9. Procedimiento de acuerdo con una de las dos reivindicaciones precedentes, en el que el ajuste (241) del equipo de modificación de perfil de pala se puede representar mediante un ángulo relativo (a) de orientaciones de la primera y la segunda parte de la aleta.

10. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el que, durante un primer período de tiempo, la velocidad del viento varía en torno a una primera velocidad promedio del viento y el pitch de pala se mantiene constante en un primer ángulo de pitch de pala,

en el que, durante un segundo período de tiempo, la velocidad del viento varía en torno a una segunda velocidad promedio del viento diferente de la primera velocidad promedio del viento y el pitch de pala se mantiene constante en un segundo ángulo de pitch de pala diferente del primer ángulo de pitch de pala,

en el que durante el primer período de tiempo y el segundo período de tiempo se modifica el perfil de pala, en respuesta a la variación de la velocidad del viento, para mantener sustancialmente constante la velocidad de rotación del rotor.

11. Disposición (101) para controlar la velocidad de rotación de un rotor (103) de una turbina eólica (100) que tiene un rotor (103) con palas (105) conectadas al mismo, donde al menos una pala incluye un equipo de modificación de perfil de pala (114-1014) que comprende una aleta y/o un deflector, comprendiendo la disposición:

un procesador (106) adaptado para controlar la modificación del perfil de pala en base a una desviación de velocidad de rotación (233) de una velocidad de rotación real (208) del rotor (103) o del rotor de generador (107) con respecto a una velocidad de rotación de referencia (222),

en el que modificar el perfil de pala comprende:

ajustar el perfil de pala, en particular usando un actuador, en base a la referencia de perfil de pala (237), donde el procesador (106) está adaptado además para:

12. Disposición de acuerdo con la reivindicación precedente, que comprende además:

un equipo de modificación de perfil de pala (114-1014) que comprende una aleta y/o un deflector y que incluye un actuador acoplado de forma comunicativa al procesador y que está adaptado para modificar el perfil de pala.

13. Turbina eólica (100), que comprende:

una disposición (101) de acuerdo con la reivindicación precedente;

un rotor (103); y

palas (105) conectadas al rotor, donde al menos una pala incluye el equipo de modificación de perfil de pala.