ES2872258T3 - Método para determinar la recurrencia de carga en el sentido del borde de pala de turbina eólica - Google Patents

Abstract

Un método para determinar una señal de recurrencia de carga en el sentido del borde que actúa sobre una pala de turbina eólica, comprendiendo el método: obtener, a partir de al menos un sensor, una pluralidad de medidas de un parámetro para inferir una señal de carga en el sentido del borde que actúa sobre la pala de turbina eólica; inferir las señales de carga en el sentido del borde que actúan sobre la pala de turbina eólica basándose en cada medida obtenida del parámetro; filtrar las señales de carga en el sentido del borde para separar el contenido de frecuencia de una o más componentes en el sentido del borde de la señal de carga en el sentido del borde para proporcionar señales de carga de componente en el sentido del borde; identificar una señal de carga de componente en el sentido del borde de pico de las señales de carga de componente en el sentido del borde inferidas de medidas obtenidas dentro de un período de tiempo dado; repetir las etapas anteriores hasta que se hayan identificado una pluralidad de señales de carga de componente en el sentido del borde de pico; ajustar la pluralidad de señales de carga de componente en el sentido del borde de pico, identificadas de entre una pluralidad de períodos de tiempo, a una función de distribución; y extrapolar las primeras componentes en el sentido del borde de pico ajustadas para estimar una recurrencia de carga en el sentido del borde.

Description

DESCRIPCIÓN

Método para determinar la recurrencia de carga en el sentido del borde de pala de turbina eólica

Campo de la invención

Esta solicitud se refiere a un método para determinar una señal de recurrencia de carga en el sentido del borde, en particular una señal de recurrencia de carga en el sentido del borde que actúa sobre una pala de turbina eólica. Antecedentes de la invención

Se puede suponer que los esfuerzos locales en un componente de una turbina eólica están relacionados con la carga sobre el componente relevante, con el esfuerzo aumentando progresivamente con el aumento de la carga. En consecuencia, la resistencia de un componente estructural se puede definir en términos de una carga máxima de rotura que provoca una rotura. Con una carga conocida, la idoneidad de la estructura se puede evaluar comparando los valores extremos de la carga (opcionalmente con un margen de seguridad adicional) con la resistencia de carga máxima de rotura para el material y la construcción del componente estructural. Como se expone en el Anexo F de la Norma Internacional de IEC para Turbinas Eólicas IEC 61400-1: 2005 (E), la carga en las turbinas eólicas depende del flujo de viento turbulento, que diferirá a lo largo de la diversidad de condiciones del viento y, por lo tanto, es necesario analizar estadísticamente los valores extremos de la carga sobre un componente y extrapolar para llegar a una carga característica apropiada correspondiente a la probabilidad de rebasamiento.

En consecuencia, los métodos conocidos para determinar una recurrencia de carga en el sentido del borde (por ejemplo, el riesgo correspondiente a la probabilidad de que un evento (es decir, una medición de una carga en el sentido del borde dada) tenga lugar dentro de un período de tiempo dado) de una pala de turbina eólica comprenden habitualmente realizar una extrapolación de carga de una carga en el sentido del borde ajustando los datos de carga medida máxima a una función de distribución, tal como una función de distribución normal logarítmica, y entonces extrapolar estadísticamente a partir de estas cargas. La Parte F.1 del anexo F de la Norma Internacional de IEC para Turbinas Eólicas IEC 61400-1: 2005 (E) describe con más detalle un ejemplo de un método de este tipo.

Los inventores de la presente invención han apreciado que sería deseable proporcionar un método mejorado para determinar una recurrencia de carga en el sentido del borde de una pala de turbina eólica que se puede usar en la verificación de cargas de diseño y/o sistemas de alerta/control en relación con una o más turbinas eólicas.

Sumario de la invención

La invención se define en las reivindicaciones independientes, a las que se debería hacer referencia a continuación. Se exponen características ventajosas en las reivindicaciones dependientes.

En un primer aspecto de la divulgación, se describe un método para determinar una señal de recurrencia de carga en el sentido del borde que actúa sobre una pala de turbina eólica. El método de acuerdo con el primer aspecto de la divulgación comprende obtener, a partir de al menos un sensor, una pluralidad de medidas de un parámetro para inferir una señal de carga en el sentido del borde que actúa sobre la pala de turbina eólica e inferir las señales de carga en el sentido del borde que actúan sobre la pala de turbina eólica basándose en cada medida obtenida del parámetro. El método comprende entonces filtrar las señales de carga en el sentido del borde para separar el contenido de frecuencia de una o más componentes en el sentido del borde de la señal de carga en el sentido del borde para proporcionar señales de carga de componente en el sentido del borde e identificar una señal de carga de componente en el sentido del borde de pico de las señales de carga de componente en el sentido del borde inferidas de medidas obtenidas dentro de un período de tiempo dado. Entonces se ajusta una pluralidad de señales de carga de componente en el sentido del borde de pico, identificadas de entre una pluralidad de períodos de tiempo, a una función de distribución; y las primeras componentes en el sentido del borde de pico ajustadas se extrapolan para estimar una recurrencia de carga en el sentido del borde.

De manera ventajosa, este método proporciona un método mejorado para determinar una recurrencia de carga en el sentido del borde que es capaz de llegar a un valor de recurrencia de carga en el sentido del borde determinado con una precisión dada a una velocidad mejorada y/o requiriendo un número reducido de puntos de datos. Opcionalmente, la recurrencia de carga en el sentido del borde puede ser la recurrencia para una carga en el sentido del borde dada. Como alternativa, la recurrencia de carga en el sentido del borde puede ser la carga en el sentido del borde estimada para un período de recurrencia dado.

A este respecto, se menciona que la recurrencia de carga en el sentido del borde es una expresión generalmente entendida en la técnica. La recurrencia de carga en el sentido del borde se puede expresar de diferentes formas, por ejemplo, como la probabilidad de que tenga lugar una carga en el sentido del borde dentro de un período de tiempo dado, tal como dentro de un período de tiempo dado de una serie de mediciones. En particular, la recurrencia de carga en el sentido del borde se puede entender como un parámetro, tal como la carga en el sentido del borde extrema, y en donde el parámetro tiene una probabilidad de rebasamiento dada dentro del período de observación T.

Opcionalmente, el método puede comprender además filtrar las señales de carga en el sentido del borde para separar una componente gravitacional inferida de cada señal de carga en el sentido del borde y correlacionar la recurrencia de carga en el sentido del borde con la componente gravitacional de la señal de carga en el sentido del borde y añadir la recurrencia de carga en el sentido del borde correlacionada a la componente gravitacional para determinar una recurrencia de carga absoluta. Esto determina ventajosamente una recurrencia de carga absoluta con una precisión dada a una velocidad mejorada y/o requiriendo un número menor de puntos de datos. Esta señal de carga absoluta se puede usar entonces para alertas, control o modelado mejorado de una o más turbinas eólicas. Opcionalmente, el método determina una recurrencia de carga extrema añadiendo la recurrencia de carga en el sentido del borde a un máximo de la componente gravitacional de la señal de carga en el sentido del borde. Esto determina ventajosamente una recurrencia de carga máxima con una precisión dada a una velocidad mejorada y/o requiriendo un número menor de puntos de datos. Esta señal de carga máxima se puede usar entonces para alertas, control o modelado mejorado de una o más turbinas eólicas.

Opcionalmente, la primera componente en el sentido del borde puede ser un primer automodo en el sentido del borde de la señal de carga en el sentido del borde y la etapa de filtrar la señal de carga en el sentido del borde puede comprender usar o bien un filtro de supresión de banda o bien un filtro de paso de banda, en particular un filtro de Butterworth.

Opcionalmente, el método puede comprender obtener, a partir de un sensor configurado para medir una velocidad de pala de la al menos una pala de turbina eólica, una señal de velocidad de pala; y en donde la recurrencia de carga en el sentido del borde estimada es una función de la velocidad de pala. Ventajosamente, esto incorpora en el modelo la frecuencia de rotor basada en la resonancia de pala de turbina eólica.

Opcionalmente, el método puede comprender actualizar la función de distribución basándose en la recurrencia de carga en el sentido del borde estimada usando inferencia bayesiana. Esto mejora ventajosamente la precisión de la función de distribución y, por lo tanto, mejora la velocidad y la precisión del ajuste y la extrapolación para determinar la señal de carga en el sentido del borde.

Opcionalmente, el método puede comprender además determinar una componente gravitacional esperada de la señal de carga en el sentido del borde basándose en un peso conocido de la al menos una pala y un ángulo de cabeceo de la al menos una pala; comparar la componente gravitacional esperada y la componente gravitacional filtrada de la señal de carga en el sentido del borde; y determinar una compensación de calibración del al menos un sensor. Esto posibilita ventajosamente que el método recalibre periódicamente el sensor durante el uso de la pala de turbina eólica correspondiente y sin necesidad de tiempo de inactividad u otra intervención de mantenimiento.

Opcionalmente, el al menos un sensor, que está configurado para medir el parámetro para inferir la señal de carga en el sentido del borde, está configurado además para medir un movimiento de flexión en la raíz de la al menos una pala de turbina eólica. Esto proporciona ventajosamente un medio simple y eficaz para inferir la señal de carga en el sentido del borde.

Opcionalmente, el método comprende además emitir una señal, basándose en la recurrencia de carga en el sentido del borde estimada, a un sistema de supervisión de turbina eólica. El sistema de supervisión de turbina eólica puede utilizar ventajosamente esta señal, por ejemplo para realimentar información de control a la turbina eólica, alertar información a un operador o para actualizar y almacenar datos para modelado y verificación de diseño.

Opcionalmente, el sistema de supervisión de turbina eólica está configurado para supervisar el estado de una flota de turbinas eólicas basándose, al menos en parte, en la señal de salida. Opcionalmente, el sistema de supervisión de turbina eólica está configurado además para emitir una señal de advertencia de rebasamiento de carga basándose, al menos en parte, en la señal de salida. Esto alerta ventajosamente a un usuario o controlador acerca de las condiciones de carga aumentadas/anómalas en las que están operando la pala de turbina eólica y, por lo tanto, la turbina eólica, lo que puede provocar entonces una acción adicional por parte del usuario/controlador. Opcionalmente, el sistema de supervisión de turbina eólica está configurado además para controlar una variable operativa de una o más turbinas eólicas basándose, al menos en parte, en la señal de salida. Esto posibilita ventajosamente que el sistema de supervisión de turbina eólica adapte el estado operativo de la turbina eólica y al menos la pala de turbina eólica relevante, por ejemplo para proteger la integridad estructural y/o la vida útil de servicio estimada de la turbina eólica.

De acuerdo con un segundo aspecto de la divulgación, se describe un controlador para una turbina eólica que tiene al menos una pala de turbina eólica que, a su vez, tiene al menos un sensor configurado para medir un parámetro para inferir una señal de carga en el sentido del borde de la al menos una pala de turbina eólica. El controlador del segundo aspecto de la divulgación está configurado para hacer que se implemente en el controlador cualquier método del primer aspecto de la divulgación. Esto proporciona ventajosamente un controlador mejorado para una turbina eólica que es capaz de determinar un valor de recurrencia de carga en el sentido del borde con una precisión dada a una velocidad mejorada y/o requiriendo un número reducido de puntos de datos y puede realizar etapas de control en respuesta a esta determinación. Opcionalmente, el controlador para una turbina eólica puede ser parte de la propia turbina eólica.

De acuerdo con un tercer aspecto de la divulgación, se describe un programa informático que, cuando se ejecuta en un controlador de turbina eólica, hace que el controlador de turbina eólica lleve a cabo cualquier método del primer aspecto de la divulgación.

Breve descripción de los dibujos

A continuación se describirán realizaciones de la invención a modo de ejemplo únicamente y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 es una vista esquemática de una turbina eólica;

la figura 2 es una representación gráfica ilustrativa de cargas en el sentido del borde medidas que se pueden usar en métodos de la técnica anterior para estimar la recurrencia de 50 años de las cargas de diseño;

la figura 3 es una representación gráfica ilustrativa de un ajuste de extrapolación de probabilidad de rebasamiento a la carga en el sentido del borde de acuerdo con un método de la técnica anterior;

la figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra un método y un producto de programa informático para determinar una señal de recurrencia de carga en el sentido del borde que actúa sobre una pala de turbina eólica;

la figura 5 es una representación gráfica ilustrativa que muestra la carga en el sentido del borde respectiva como una función del ángulo de pala de azimut según se mide y entonces con la componente de gravedad y la primera componente en el sentido del borde respectivas separadas; y

la figura 6 es una representación gráfica ilustrativa de un ajuste de extrapolación de probabilidad de rebasamiento a la primera componente de carga en el sentido del borde de acuerdo con el método de la presente invención.

Descripción detallada

La figura 1 ilustra una turbina eólica 1 grande, que comprende una torre 10, una góndola de turbina eólica 20 situada en la parte superior de la torre 10 y un rotor 30. El rotor de turbina eólica 30 ilustrado comprende tres palas de turbina eólica 32 y un buje 34. El buje 34 está ubicado a una altura H por encima de la base de la torre y cada una de las tres palas de turbina eólica 32 está montada en el buje. Si bien se muestra que el rotor de turbina eólica 30 tiene tres palas de turbina eólica, el rotor de turbina eólica 30 podría comprender un número diferente de palas 32. Cada una de las palas 32 tiene una longitud L.

Las palas de turbina eólica 32 definen un área barrida A, que es el área de un círculo delimitado por las palas rotatorias 32. El área barrida dicta cuánto de una masa de aire dada es interceptado por la turbina eólica 1 y, por lo tanto, influye en la salida de potencia de la turbina eólica 1 y las fuerzas y momentos de flexión experimentados por los componentes de la turbina 1 durante el funcionamiento. La turbina puede estar en tierra, como se ilustra, o en mar abierto. En el último caso, la torre se conectará a un monopilote, trípode, celosía u otra estructura de cimentación, y la cimentación podría ser o bien fija o bien flotante.

El buje 34 está habitualmente conectado a la góndola 20 a través de un árbol de baja velocidad (no mostrado) que se extiende desde la parte delantera de la góndola 20. El árbol de baja velocidad acciona una caja de engranajes (que tampoco se muestra) que incrementa la velocidad de rotación y, a su vez, acciona un generador eléctrico dentro de la góndola 20 para convertir la energía extraída del viento por las palas rotatorias 32 en una salida de potencia eléctrica. En algunas realizaciones, el rotor de turbina eólica 30 se puede acoplar directamente al generador eléctrico, es decir, turbinas de accionamiento directo.

Cada pala de turbina eólica 32 tiene una porción de raíz, que es generalmente de sección transversal circular, que está conectada al buje central 34. Cada pala de turbina eólica 32 tiene una punta de pala en el extremo opuesto de la pala de turbina eólica a la raíz. La dirección a lo largo de la pala entre la raíz y la punta de pala se conoce habitualmente como la dirección en el sentido de batimiento o en el sentido de la envergadura y corresponde al eje de la longitud de pala L mencionada anteriormente. En la dirección lateral, sustancialmente perpendicular a la dirección en el sentido de la envergadura, discurre la dirección en el sentido del borde de la pala 32. La pala de turbina eólica 34 se extiende a lo largo de esta dirección en el sentido del borde, a veces denominada dirección en el sentido de la cuerda, entre un borde de ataque y un borde de salida de la pala.

El flujo de aire alrededor de una pala de turbina eólica 32 puede excitar la pala y hacer que la pala oscile en las direcciones en el sentido de batimiento y/o en el sentido del borde. La carga en el sentido del borde resultante en cualquier punto dado a lo largo de la longitud de la pala será la suma de las cargas entre el punto dado y la punta de la pala de turbina eólica 32. Por lo tanto, el momento de flexión en el sentido del borde de la pala de turbina eólica será el mayor en la porción de raíz de la pala. Por esta razón, las mediciones de carga y las estimaciones de predicción harán referencia habitualmente al momento de flexión en la raíz de la pala de turbina eólica. Sin embargo, se apreciará que, por supuesto, se podrían usar otras mediciones de la carga sobre la pala de turbina eólica 32. Si bien puede ser relativamente fácil realizar una supervisión en busca de oscilaciones en el sentido de batimiento y lograr una amortiguación frente a las mismas, la gestión de las oscilaciones en el sentido del borde es comparativamente difícil. Esto es debido, al menos en parte, a que el perfil de espesor comparativamente delgado de la pala ofrece poca resistencia al viento ante y una amortiguación automática frente a oscilaciones de pala en el sentido del borde.

En consecuencia, es importante que las palas de turbina eólica 32 se diseñen con una representación precisa de la carga que se puede esperar que aguante la pala de turbina eólica y que exista una estimación precisa de la recurrencia de tales cargas de diseño.

La figura 2 es una representación gráfica ilustrativa de las cargas en el sentido del borde medidas para un rango de velocidades del viento libres características que varían de 4 m/s a 20 m/s. El perfil de representación gráfica superior muestra las cargas en el sentido del borde medidas máximas obtenidas para una serie de mediciones obtenidas para diferentes velocidades del viento, es decir, la carga en el sentido del borde medida máxima obtenida para un rango de velocidad del viento dado. El perfil de representación gráfica intermedia correspondiente a la carga media y el perfil de representación gráfica inferior correspondiente a la carga mínima se obtienen de la misma forma para cada una de las diferentes velocidades del viento. Como se describe en el Anexo F de la norma IEC 61400-1: 2005 (E), para estimar una carga característica adecuada con un período de recurrencia de 50 años para el diseño de un componente de turbina eólica dado, tal como una pala de turbina eólica 32, se lleva a cabo un análisis estadístico usando los valores extremos de la carga sobre la pala de turbina eólica 32.

La figura 3 es una representación gráfica ilustrativa de un ajuste de extrapolación de probabilidad de rebasamiento a la carga en el sentido del borde de acuerdo con la técnica anterior. En una de las representaciones gráficas mostradas en la figura 3, la probabilidad de rebasamiento se extrapoló usando un así denominado conjunto de datos de 20 semillas, 31, y la otra representación gráfica se extrapoló usando un así denominado conjunto de datos de 80 semillas, 30, una referencia a 20 y 80, respectivamente, no se refiere al número de conjuntos de datos, estas se refieren en su lugar a que el conjunto de datos de 80 semillas se basa en un número de puntos de datos que es cuatro veces el del conjunto de datos de 20 semillas. Como se puede ver a partir de la figura 3, el conjunto de datos de 80 semillas converge al ajuste significativamente más rápido y con mayor precisión que el conjunto de datos de 20 semillas. Esto muestra que los métodos de la técnica anterior requieren un conjunto de datos grande con el fin de ser capaz de producir resultados fiables con un error reducido.

Los datos se obtienen para los datos de 10 minutos, y la recurrencia de carga en el sentido del borde es para una ocurrencia de 50 años, es decir, la probabilidad de que se mida una carga de diseño dentro de los datos de 10 minutos es de 3,7 x 10-7, como se muestra con la línea de trazo continuo 300.

El solicitante de la presente invención ha apreciado que se puede lograr un método mejorado para predecir o estimar la recurrencia de una carga de diseño en el momento de raíz en el sentido del borde de una pala de turbina eólica combinando una extrapolación estadística de la carga en el sentido del borde con un procesamiento de datos adicional filtrando la señal de carga en el sentido del borde. En particular, el solicitante de la presente invención ha apreciado que, filtrando la contribución de la componente gravitacional de la carga en el sentido del borde sobre la pala de turbina eólica 32 con respecto a la contribución de oscilación de automodo en el sentido del borde restante, estas dos contribuciones a la carga en el sentido del borde se pueden tratar de manera diferente.

El solicitante de la presente invención ha apreciado que, al incluir esta etapa de filtrado en el método de la presente divulgación, el método mejora ventajosamente el ajuste posterior de la componente en el sentido del borde, sustancialmente estocástica, de la carga en el sentido del borde a una función de probabilidad. La figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra un método y un producto de programa informático para determinar una señal de recurrencia de carga en el sentido del borde que actúa sobre una pala de turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación. Cada bloque en el diagrama de flujo puede representar un módulo que comprende una o más instrucciones informáticas ejecutables, o una porción de una instrucción, para implementar la función lógica especificada en el bloque. El orden de los bloques en el diagrama solo pretende ser ilustrativo de un ejemplo. En implementaciones alternativas, las funciones lógicas ilustradas en bloques particulares pueden tener lugar fuera del orden representado en la figura. Por ejemplo, dos bloques mostrados como adyacentes entre sí se pueden llevar a cabo simultáneamente o, dependiendo de la funcionalidad, en el orden inverso. Cada bloque del diagrama de flujo se puede implementar en software, hardware o una combinación de software y hardware.

En la etapa 410, se obtienen a partir de uno o más sensores una pluralidad de medidas de un parámetro para inferir una señal de carga en el sentido del borde que actúa sobre la pala de turbina eólica, esto puede ser, por ejemplo, una serie de mediciones de 10 minutos, como se usa a menudo en el manejo de datos de turbinas eólicas. Por ejemplo, uno o más de los sensores pueden ser una galga extensométrica, tal como una galga extensométrica óptica o una galga extensométrica electrónica, en donde el parámetro medido es la resistencia eléctrica de la componente de detección.

Las señales de carga en el sentido del borde que actúan sobre la pala de turbina eólica se pueden determinar entonces basándose en cada medida obtenida del parámetro de la manera normal, como se expone en la etapa 412. En la etapa 414, las señales de carga en el sentido del borde se filtran para separar el contenido de frecuencia de una o más componentes en el sentido del borde de la señal de carga en el sentido del borde para proporcionar una señal de carga de componente en el sentido del borde. Por ejemplo, un filtro de paso de banda se puede diseñar para estar en torno a la frecuencia esperada de la componente o componentes relevantes, esto también se puede obtener mediante un filtro de supresión de banda diseñado para estar en torno a la frecuencia esperada de la componente gravitacional. La frecuencia esperada se puede determinar basándose en la velocidad de rotación medida y/o conocida del rotor y/o la pala de turbina eólica 32 individual de la turbina eólica 1 en el momento en el que se tomaron las mediciones respectivas, y aplicarse a la carga en el sentido del borde determinada a partir de las mediciones de un período de tiempo. Por ejemplo, este período de tiempo se puede seleccionar para que tenga una duración de un minuto con el fin de ayudar al filtrado.

En un ejemplo alternativo, se puede usar un filtro de paso de banda en torno a la frecuencia esperada de la componente gravitacional. Por ejemplo, un filtro de paso de banda de Butterworth con una frecuencia de borde de aproximadamente /- 0,15 Hz.

Una vez que la componente gravitacional de la señal de carga en el sentido del borde se ha retirado por filtrado, el valor de pico de la componente en el sentido del borde restante de la carga en el sentido del borde para un período de tiempo adicional se identifica en la etapa 416. Este período de tiempo adicional también puede tener una duración de un minuto, o el período adicional puede ser de otra duración, tal como diez minutos. Las etapas anteriores se repiten entonces hasta que se hayan identificado una pluralidad de componentes de señal de carga en el sentido del borde de pico.

Estas señales de carga de componente en el sentido del borde de pico identificadas para cada uno de los períodos adicionales se ajustan entonces a una función de distribución en la etapa 418. Se puede seleccionar una diversidad de funciones de distribución, por ejemplo, se puede usar un método de mínimos cuadrados para ajustar a una distribución de Weibull. Como alternativa, el ajuste puede usar una combinación de o bien la distribución de Gumbel, o bien la distribución normal logarítmica o bien la distribución de Weibull con o bien un método de mínimos cuadrados, o bien un método de máxima verosimilitud (en donde se determinan los valores de parámetro que maximizan la probabilidad de obtener los valores de muestra), o bien un método de método de momentos (en donde el momento de muestra se establece igual al momento de distribución y el parámetro de distribución se estima usando los momentos de muestra).

Una vez que se ha completado el ajuste en la etapa 418, las primeras componentes en el sentido del borde de pico ajustadas se pueden extrapolar en la etapa 420 para estimar una recurrencia de carga en el sentido del borde. Esta recurrencia de carga en el sentido del borde estimada puede ser la carga en el sentido del borde extrema característica con un período de recurrencia de 50 años o, como alternativa, la recurrencia se puede estimar para una carga en el sentido del borde dada.

La figura 5 es una representación gráfica ilustrativa que muestra la componente de gravedad y la 1a componente en el sentido del borde de la señal de carga en el sentido del borde como una función del ángulo de pala de azimut según se determina a partir de las mediciones, en donde la componente gravitacional y la primera componente en el sentido del borde respectivas se separan mediante filtrado de la señal medida. Como se puede ver a partir de la porción dentro de las líneas verticales de puntos que abarcan las tres gráficas de la figura 5, una carga en el sentido del borde de pico solo tendrá lugar en donde la componente de gravedad alcance un pico al mismo tiempo que la amplitud máxima de la oscilación, más estocástica, de la primera componente en el sentido del borde (la 1a componente de borde). Por lo tanto, la carga debido al 1er modo en el sentido del borde está enmascarada por la carga debido a la gravedad. La carga a partir de la vibración en el sentido del borde en un modo dado no es aparentemente visible en la señal medida.

Con referencia a las figuras 4 y 5, se obtiene una señal de carga en el sentido del borde medida 410, 412, en el presente caso en forma de señales de momento de raíz en la dirección en el sentido del borde. Esta señal se muestra como la gráfica inferior 50.

Las señales de carga en el sentido del borde se filtran, 414, para separar el contenido de frecuencia de una o más componentes en el sentido del borde de la señal de carga en el sentido del borde para proporcionar señales de carga de componente en el sentido del borde. Esto se muestra en la gráfica intermedia 51, en donde la señal medida de la gráfica 50 se filtra con un filtro de paso de banda alrededor del primer modo en el sentido del borde de las palas.

En la señal filtrada de la gráfica 51, se identifica una señal de carga de componente en el sentido del borde de pico. En la realización dada, esto corresponde a hallar el valor de pico de las señales de carga de componente en el sentido del borde dentro de un período de tiempo dado de la señal medida, mostrada en el presente caso como una función del ángulo de azimut. A este respecto, se observa que existe una correspondencia conocida entre la posición de azimut y el tiempo debido a la rotación del rotor.

Además, las etapas de ajuste y de extrapolación, 418, 420, se realizan basándose en una pluralidad de señales de carga de componente en el sentido del borde de pico. El resultado de esto se aborda en relación con la figura 6. Una vez que se ha realizado el procesamiento estadístico para estimar la carga en el sentido del borde de la primera componente en el sentido del borde para el período de recurrencia deseado, la recurrencia de carga absoluta o extrema se puede determinar añadiendo la componente gravitacional filtrada a la carga en el sentido del borde estimada de la primera componente en el sentido del borde. Esto se puede obtener mediante un proceso correspondiente como se ha explicado anteriormente basándose en una componente gravitacional filtrada a la carga en el sentido del borde estimada de la primera componente en el sentido del borde. La componente gravitacional filtrada se muestra en la gráfica 52 en la figura 5.

En el caso de la recurrencia de carga extrema, los máximos de la componente gravitacional se pueden añadir a la recurrencia de carga en el sentido del borde estimada.

En consecuencia, al realizar el ajuste estadístico y la extrapolación sobre la primera componente de carga en el sentido del borde, en lugar de la componente de carga absoluta, la probabilidad de capturar la carga de pico más extrema posible a partir de los datos medidos se aumenta de tal manera que se puede estimar la recurrencia de carga en el sentido del borde extrema resultante de manera más rápida y precisa.

La figura 6 es una representación gráfica ilustrativa de un ajuste de extrapolación de probabilidad de rebasamiento a la primera componente de carga en el sentido del borde de acuerdo con el método de la presente divulgación. Mirando el par de representaciones gráficas para el conjunto de datos de 20 semillas 61 y el conjunto de datos de 80 semillas, respectivamente 60, se puede ver que la diferencia en la tasa de convergencia entre las dos representaciones gráficas se reduce en gran medida en el método de la presente divulgación. De nuevo, la referencia a conjuntos de datos de 20 semillas y a conjuntos de datos de 80 semillas, respectivamente, se refiere a conjuntos de datos en donde el conjunto de datos de 80 semillas contiene un número de puntos de datos que es cuatro veces el del conjunto de datos de 20 semillas.

Al igual que con la figura 3, los datos se obtienen para los datos de 10 minutos, y la recurrencia de carga en el sentido del borde es para una ocurrencia de 50 años, es decir, la probabilidad de que se mida una carga de diseño dentro de los datos de 10 minutos es de 3,7 x 10-7, como se muestra con la línea de trazo continuo 600.

Esto muestra que se puede lograr un ajuste más rápido, mejor y más preciso a la distribución filtrando la señal de carga en el sentido del borde de la manera descrita anteriormente y realizando entonces el ajuste basándose en los máximos de la primera componente en el sentido del borde filtrada medida y estimada en cada período de observación. Si bien el método descrito puede reducir el número de puntos de datos para obtener un ajuste razonable a la función de probabilidad y mejorar la robustez del método de extrapolación de carga, el número de extremos ha de seguir siendo suficiente para determinar el tipo de distribución y proporcionar una estimación fiable del comportamiento de la cola de la distribución y la estimación seguirá, por supuesto, mejorando adicionalmente a medida que se aumente la cantidad de datos recopilados.

Un inconveniente de hacer una extrapolación de carga sobre datos medidos es que normalmente solo está disponible una cantidad de datos relativamente pequeña, de tal manera que solo están presentes unos pocos eventos extremos. Por lo tanto, la convergencia y la robustez de la carga en el sentido del borde extrapolada se pueden mejorar adicionalmente usando métodos estadísticos de inferencia bayesiana, en donde una función de distribución anterior se actualiza y se refina a medida que se recopilan datos adicionales. Esta distribución anterior se puede tomar de otra turbina eólica similar o, como alternativa, se puede usar la distribución estimada en la fase de diseño. En particular, durante los primeros pocos meses de funcionamiento después de la instalación de una turbina eólica 1 nueva, el método puede usar datos de semilla procedentes de otras turbinas eólicas en una agrupación de turbinas eólicas, procedentes de turbinas eólicas en una ubicación similar o procedentes de otra flota de turbinas de viento. Estos datos de semilla adicionales le darán a la turbina eólica recién instalada un buen punto de partida para que los datos converjan y faciliten la determinación de la carga característica. En una realización alternativa, se puede usar un enfoque frecuentista tradicional.

Debido a que, en el presente método mejorado, se necesitan menos datos para realizar el ajuste y para producir una estimación de la recurrencia de carga en el sentido del borde, la estimación se puede realizar en un modo "en línea" de tal modo que unas unidades de supervisión de carga casi en tiempo real recopilan y analizan los datos usando un período corto para predecir iterativamente la carga en el sentido del borde máxima durante la vida útil de la turbina eólica. Esto se puede utilizar para reaccionar proactivamente a situaciones en las que se detecta una carga en el sentido del borde anómalamente alta que modifica la recurrencia de carga en el sentido del borde resultante.

La estimación de la recurrencia de la carga de diseño en el sentido del borde puede dar una advertencia temprana de un rebasamiento de carga de diseño antes de que este tenga lugar en realidad. En respuesta a una detección y estimación de este tipo, se puede emitir una señal de advertencia de rebasamiento de carga a un sistema de supervisión de turbina eólica. Este sistema de supervisión de turbina eólica se puede configurar para supervisar el estado de una flota de turbinas eólicas basándose, al menos en parte, en la señal de advertencia de salida. Esta señal se puede visualizar a un operador que tiene el control de al menos uno de los parámetros operativos de la turbina eólica 1 o, como alternativa, la señal puede hacer que el propio sistema de supervisión de turbina eólica controle activamente uno de los parámetros operativos de la turbina eólica 1.

Por ejemplo, el sistema de supervisión de turbina eólica puede formar parte de un controlador para una turbina eólica y el controlador de turbina eólica puede hacer que la turbina eólica 1 cambie el ángulo de ataque de cada una de las palas de turbina eólica para reducir la velocidad de rotación del rotor 30, o este puede hacer que la turbina eólica realice una parada de emergencia. Se apreciará que el controlador de turbina eólica también se puede configurar para ejecutar otros procedimientos de control de turbina eólica conocidos en respuesta a una señal de salida que indica una determinación de este tipo. Además, el controlador puede controlar los parámetros operativos de una pluralidad de turbinas eólicas o, como alternativa, puede controlar los parámetros operativos de solo una turbina eólica, por ejemplo, el controlador puede formar parte de una turbina eólica de este tipo.

Como alternativa, los datos se pueden recopilar para su revisión y análisis posteriores en un modo "fuera de línea". Por ejemplo, la estimación de la recurrencia de carga en el sentido del borde proporcionada por el método se podría usar en la validación central o en la mejora en el modelado de los datos de carga en el sentido del borde esperados a partir de simulaciones aeroelásticas en la fase de diseño de la producción de turbinas eólicas nuevas. En otro ejemplo, las estimaciones pueden ser recopiladas por un centro de datos central para la supervisión del desempeño de una flota de turbinas eólicas o de cada turbina eólica de un tipo dado.

Además, se puede incluir un sensor de velocidad en el rotor y/o en una o más de las palas de turbina eólica de la turbina eólica para determinar la velocidad de las palas de turbina eólica durante el funcionamiento. Debido a un efecto de resonancia, la velocidad de pala y la frecuencia de paso de pala 3P de una pala de turbina eólica pueden contribuir a la actividad en el sentido del borde de esa pala de turbina eólica y, por lo tanto, a la recurrencia de carga en el sentido del borde de la pala de turbina eólica. En consecuencia, puede ser deseable medir la velocidad de pala con un sensor adicional y correlacionar la velocidad de pala con la actividad vibratoria en el sentido del borde de la pala de turbina eólica.

La componente de carga gravitacional filtrada de la carga en el sentido del borde determinada a partir de las mediciones también se puede utilizar, por ejemplo, en la detección de la deriva de sensor en el uno o más sensores que se usan para medir el parámetro asociado con la carga en el sentido del borde. Debido a que la componente de carga gravitacional es impulsada por la fuerza gravitacional que actúa sobre el peso de la pala, teniendo en cuenta el ángulo de cabeceo de la pala, se esperaría que la amplitud de la componente de carga gravitacional fuera muy constante.

En consecuencia, para un ángulo de cabeceo y un peso de pala conocidos de la una o más palas de turbina eólica, se puede determinar la componente gravitacional esperada de la carga en el sentido del borde. Este valor esperado se puede comparar entonces con la componente gravitacional filtrada de la señal de carga en el sentido del borde y usarse para detectar la deriva de sensor y corregir la deriva usando una compensación de calibración determinada para el sensor en cuestión.

Los controladores, funciones y elementos lógicos descritos en el presente documento se pueden implementar como componentes de hardware o como software que se ejecuta en uno o más procesadores ubicados en las turbinas eólicas o de manera remota. El uno o más procesadores pueden comprender uno o más dispositivos de procesamiento de propósito especial tales como un circuito integrado de aplicación específica (ASIC), una matriz de puertas programables en campo (FPGA), un procesador de señales digitales (DSP), un procesador de red u otros dispositivos similares. El uno o más procesadores están configurados para realizar las operaciones y métodos descritos anteriormente, que pueden ser llevados a cabo por un único procesador o, como alternativa, pueden ser llevados a cabo por un número de procesadores conectados entre sí.

Las instrucciones de programa legibles por ordenador se pueden almacenar en un medio legible por ordenador tangible no transitorio. El medio de almacenamiento legible por ordenador puede incluir uno o más de un dispositivo de almacenamiento electrónico, un dispositivo de almacenamiento magnético, un dispositivo de almacenamiento óptico, un dispositivo de almacenamiento electromagnético, un dispositivo de almacenamiento semiconductor, un disco informático portátil, un disco duro, una memoria de acceso aleatorio ( RAM), una memoria de solo lectura (ROM), una memoria de solo lectura programable y borrable (EPROM o memoria Flash), una memoria de acceso aleatorio estática (SRAM), un disco compacto de memoria de solo lectura (CD-ROM) portátil, un disco versátil digital (DVD), una tarjeta de memoria o un disquete.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un método para determinar una señal de recurrencia de carga en el sentido del borde que actúa sobre una pala de turbina eólica, comprendiendo el método:

obtener, a partir de al menos un sensor, una pluralidad de medidas de un parámetro para inferir una señal de carga en el sentido del borde que actúa sobre la pala de turbina eólica;

inferir las señales de carga en el sentido del borde que actúan sobre la pala de turbina eólica basándose en cada medida obtenida del parámetro;

filtrar las señales de carga en el sentido del borde para separar el contenido de frecuencia de una o más componentes en el sentido del borde de la señal de carga en el sentido del borde para proporcionar señales de carga de componente en el sentido del borde;

identificar una señal de carga de componente en el sentido del borde de pico de las señales de carga de componente en el sentido del borde inferidas de medidas obtenidas dentro de un período de tiempo dado; repetir las etapas anteriores hasta que se hayan identificado una pluralidad de señales de carga de componente en el sentido del borde de pico;

ajustar la pluralidad de señales de carga de componente en el sentido del borde de pico, identificadas de entre una pluralidad de períodos de tiempo, a una función de distribución; y

extrapolar las primeras componentes en el sentido del borde de pico ajustadas para estimar una recurrencia de carga en el sentido del borde.

2. El método de la reivindicación 1, en donde la recurrencia de carga en el sentido del borde es la recurrencia para una carga en el sentido del borde dada o en donde la recurrencia de carga en el sentido del borde es la carga en el sentido del borde estimada para un período de recurrencia dado.

3. El método de la reivindicación 2, que comprende además filtrar las señales de carga en el sentido del borde para separar una componente gravitacional inferida de cada señal de carga en el sentido del borde y correlacionar la recurrencia de carga en el sentido del borde con la componente gravitacional de la señal de carga en el sentido del borde y añadir la recurrencia de carga en el sentido del borde correlacionada a la componente gravitacional para determinar una recurrencia de carga absoluta estimada.

4. El método de la reivindicación 2, que comprende además determinar una recurrencia de carga extrema estimada añadiendo la recurrencia de carga en el sentido del borde estimada a un máximo de la componente gravitacional de la señal de carga en el sentido del borde.

5. El método de cualquier reivindicación anterior, en donde la primera componente en el sentido del borde es un primer automodo en el sentido del borde de la señal de carga en el sentido del borde y filtrar la señal de carga en el sentido del borde comprende usar o bien un filtro de supresión de banda o bien un filtro de paso de banda, en particular un filtro de Butterworth.

6. El método de cualquier reivindicación anterior, que comprende además obtener, a partir de un sensor configurado para medir una velocidad de pala de la al menos una pala de turbina eólica, una señal de velocidad de pala; y en donde la recurrencia de carga en el sentido del borde estimada es una función de la velocidad de pala.

7. El método de cualquier reivindicación anterior, que comprende además actualizar la función de distribución basándose en la recurrencia de carga en el sentido del borde estimada usando inferencia bayesiana.

8. El método de cualquier reivindicación anterior, que comprende además determinar una componente gravitacional esperada de la señal de carga en el sentido del borde basándose en un peso conocido de la al menos una pala y un ángulo de cabeceo de la al menos una pala; comparar la componente gravitacional esperada y la componente gravitacional filtrada de la señal de carga en el sentido del borde; y determinar una compensación de calibración del al menos un sensor.

9. El método de cualquier reivindicación anterior, en donde el al menos un sensor, configurado para medir el parámetro para inferir la señal de carga en el sentido del borde, está configurado para medir un movimiento de flexión en la raíz de la al menos una pala de turbina eólica.

10. El método de cualquier reivindicación anterior, que comprende además emitir una señal, basándose en la recurrencia de carga en el sentido del borde estimada, a un sistema de supervisión de turbina eólica.

11. El método de la reivindicación 10, en donde el sistema de supervisión de turbina eólica está configurado para supervisar el estado de una flota de turbinas eólicas basándose, al menos en parte, en la señal de salida.

12. El método de la reivindicación 10 u 11, en donde el sistema de supervisión de turbina eólica está configurado además para emitir una señal de advertencia de rebasamiento de carga basándose, al menos en parte, en la señal de salida.

13. El método de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en donde el sistema de supervisión de turbina eólica está configurado además para controlar una variable operativa de una o más turbinas eólicas basándose, al menos en parte, en la señal de salida.

14. Un controlador para una turbina eólica que tiene al menos una pala de turbina eólica que tiene al menos un sensor configurado para medir un parámetro para inferir una señal de carga en el sentido del borde de la al menos una pala de turbina eólica, en donde el controlador está configurado para hacer que se implemente el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.

15. Programa informático que, cuando se ejecuta en un controlador de turbina eólica, hace que el controlador de turbina eólica lleve a cabo el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.