ES2881227T3 - Sistemas y procedimiento para reducir las oscilaciones de la torre en una turbina eólica - Google Patents

Sistemas y procedimiento para reducir las oscilaciones de la torre en una turbina eólica Download PDF

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Abstract

Una turbina eólica (100), que comprende: un rotor (104), que comprende una o más palas de rotor (106); una torre (102) acoplada operativamente al rotor (104); un sistema de control de pitch (116) configurado para reducir las oscilaciones (114) de la torre (102) en la turbina eólica (100), comprendiendo el sistema de control de pitch (116): una unidad de rotor (502) configurada para determinar una velocidad del rotor; una unidad de torre (504) configurada para determinar al menos una de una velocidad de la parte superior de la torre y un segundo ángulo de pitch; una unidad de desacoplamiento (510) configurada para determinar una velocidad del rotor modificada en base a al menos una de la velocidad de la parte superior de la torre y el segundo ángulo de pitch, comprendiendo la unidad de desacoplamiento: una unidad de cálculo (514) para determinar un primer componente de velocidad del rotor en base a la velocidad de la parte superior de la torre y un segundo componente de velocidad del rotor en base al segundo ángulo de pitch; y una unidad de sustracción (516) configurada para deducir una combinación del primer componente de velocidad del rotor y el segundo componente de velocidad del rotor de la velocidad del rotor, para determinar la velocidad del rotor modificada; y un controlador (506) configurado para determinar un primer ángulo de pitch en base a la velocidad del rotor modificada; en la que la unidad de rotor (502) comprende además un accionador de pitch configurado para pitchear una o más palas (106) de la turbina eólica en base al primer ángulo de pitch; en la que la unidad de cálculo (514) está configurada además para determinar el primer componente de velocidad del rotor y el segundo componente de velocidad del rotor utilizando un modelo lineal de dinámica del rotor, en el que el modelo lineal está representado por: **(Ver fórmula)** o aproximaciones de la misma, donde Jr es el momento de inercia de un rotor,**(Ver fórmula)** es una combinación del primer componente de velocidad del rotor y el segundo componente de velocidad del rotor, **(Ver fórmula)** es la tasa de cambio de la combinación del primer componente de velocidad del rotor y el segundo componente de velocidad del rotor, **(Ver fórmula)** es la velocidad de la parte superior de la torre y **(Ver fórmula)** es el segundo ángulo de pitch.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistemas y procedimiento para reducir las oscilaciones de la torre en una turbina eólica
[0001] Diversos modos de realización de la presente divulgación se refieren, en general, a turbinas eólicas y, más en particular, a reducir las oscilaciones de la torre en turbinas eólicas.
[0002] Las turbinas eólicas modernas funcionan en una amplia gama de condiciones de viento. Estas condiciones de viento se pueden dividir ampliamente en dos categorías: por debajo de las velocidades nominales y por encima de las velocidades nominales. Para producir energía en estas condiciones de viento, las turbinas eólicas pueden incluir sistemas de control sofisticados tales como controladores de pitch y controladores de par de torsión. Estos controladores tienen en cuenta los cambios en las condiciones del viento y los cambios que los acompañan en la dinámica de las turbinas eólicas. Por ejemplo, los controladores de pitch, en general, varían el ángulo de pitch de las palas de rotor para tener en cuenta los cambios en las condiciones del viento y la dinámica de la turbina. Durante velocidades del viento por debajo de la nominal, la energía eólica puede ser menor que la potencia de salida nominal de la turbina eólica. En esta situación, el controlador de pitch puede intentar maximizar la potencia de salida pitcheando las palas de rotor sustancialmente perpendiculares a la dirección del viento. De forma alternativa, durante velocidades del viento por encima de la nominal, la energía eólica puede ser mayor que la potencia de salida nominal de la turbina eólica. Por lo tanto, en este caso, el controlador de pitch puede restringir la conversión de energía eólica al pitchear las palas de rotor de modo que solo una parte de la energía eólica incida sobre las palas de rotor. Al controlar el ángulo de pitch, el controlador de pitch controla, por tanto, la velocidad de las palas de rotor y, a su vez, la energía generada por la turbina eólica. Véase, por ejemplo, el documento US 2011/316277.
[0003] Además de mantener la velocidad del rotor, también se pueden emplear controladores de pitch para reducir las oscilaciones de la torre. Las oscilaciones o vibraciones de la torre se producen debido a diversas perturbaciones, tales como turbulencia, amortiguación ineficaz o transición entre las dos condiciones de viento. Además, la torre puede vibrar con cualquier grado de libertad. Por ejemplo, la torre puede vibrar en una dirección hacia adelante y hacia atrás (comúnmente conocida como cabeceo de la torre), en una dirección de lado a lado (comúnmente conocida como balanceo de la torre), o a lo largo de su eje longitudinal (comúnmente conocida como vibración torsional).
[0004] El cabeceo de la torre normalmente es causado por el empuje aerodinámico y la rotación de las palas de rotor. Cada vez que una pala de rotor pasa frente a la torre, el empuje del viento que incide sobre la torre disminuye. Dicha variación continua en la fuerza del viento puede inducir oscilaciones en la torre. Además, si la velocidad del rotor es tal que una pala de rotor pasa sobre la torre cada vez que la torre está en una de sus posiciones extremas (hacia adelante o hacia atrás), las oscilaciones de la torre pueden amplificarse. Típicamente, las oscilaciones en la dirección hacia adelante y hacia atrás se minimizan automáticamente debido a la amortiguación aerodinámica. La amortiguación aerodinámica se basa en el hecho de que la parte superior de la torre oscila constantemente en dirección hacia adelante y hacia atrás. Cuando la parte superior de la torre se mueve contra el viento (o hacia adelante), aumenta el empuje del rotor. Este aumento en el empuje del rotor empuja la torre hacia atrás a favor del viento. El empuje a favor del viento, a su vez, ayuda a amortiguar las oscilaciones de la torre. De forma similar, cuando la parte superior de la torre se mueve a favor del viento, el empuje del rotor puede disminuir. Esta disminución en el empuje del rotor empuja la torre hacia atrás contra el viento. El empuje contra el viento también ayuda a amortiguar las oscilaciones de la torre.
[0005] Aunque la amortiguación aerodinámica ayuda a reducir considerablemente las oscilaciones, si la velocidad del rotor está sincronizada con las oscilaciones de la torre, los resultados pueden ser perjudiciales para los componentes de la turbina eólica. En dichos casos, la torre puede oscilar a un ritmo elevado provocando tensión mecánica y posibles daños a la torre. Además, dicha sincronización puede amplificar la velocidad del rotor a la frecuencia de resonancia de la torre, dañando de este modo potencialmente los generadores y/o los trenes de transmisión conectados a las palas de rotor. Como la amplificación de las oscilaciones de la torre depende de la velocidad del rotor, pitchear el rotor para ajustar su velocidad puede evitar la amplificación de las oscilaciones de la torre. Por consiguiente, al pitchear las palas de rotor, el controlador de pitch puede controlar la velocidad del rotor y evitar la amplificación de las oscilaciones de la torre.
[0006] Típicamente, el controlador de pitch utiliza dos bucles de control separados para las dos funciones: controlar la velocidad del rotor y reducir las oscilaciones de la torre. Se emplea un bucle de control de velocidad del rotor para determinar un ángulo de pitch para controlar la velocidad del rotor y se usa un bucle de control de amortiguación de la torre para calcular un ángulo de pitch para reducir las oscilaciones de la torre. A menudo, estos bucles de retroalimentación operan de forma relativamente independiente entre sí. Por ejemplo, el bucle de control de velocidad del rotor puede determinar el ángulo de pitch en base a la velocidad del rotor, la velocidad del viento y el ángulo de pitch actual. El bucle de control de amortiguación de la torre, por otro lado, puede determinar el ángulo de pitch en base a la desviación de la torre, la velocidad de la parte superior de la torre, la aceleración de la parte superior de la torre, el ángulo de pitch actual y la velocidad del viento. Debido a esta independencia, los bucles de control de velocidad del rotor actualmente disponibles pueden calcular un ángulo de pitch para mantener la velocidad del rotor que puede inducir desfavorablemente oscilaciones de la torre en lugar de reducirlas. Además, estos bucles de control de velocidad del rotor pueden provocar una amplificación de energía en el rotor cerca de las frecuencias de resonancia de la torre. Dicha amplificación puede aumentar las oscilaciones en la torre y aumentar la carga de fatiga colocada en la turbina eólica. Con el tiempo, dichas cargas de fatiga pueden reducir la vida útil de las partes de las turbinas eólicas y aumentar los gastos asociados con las turbinas eólicas.
[0007] Por consiguiente, se proporciona la presente invención, definida por la reivindicación adjunta.
[0008] Diversos rasgos característicos, aspectos y ventajas de la presente divulgación se comprenderán mejor cuando se lea la siguiente descripción detallada con referencia a los dibujos adjuntos en los cuales caracteres similares representan partes similares en todos los dibujos, en los que:
La FIG. 1 es una representación esquemática de fuerzas y movimientos experimentados por una turbina eólica;
La FIG. 2 es una representación esquemática de un sistema de control de pitch ejemplar, de acuerdo con aspectos de la presente divulgación;
La FIG. 3 es un gráfico que ilustra la amplificación de energía en la velocidad del rotor de una turbina eólica convencional a diferentes velocidades del viento;
La FIG. 4 es un gráfico que ilustra la amplificación de energía en la velocidad del rotor de una turbina eólica que emplea el sistema de control de pitch ejemplar de la FIG. 2 a diferentes velocidades del viento, de acuerdo con aspectos de la presente divulgación;
La FIG. 5 es una representación esquemática de otro sistema de control de pitch ejemplar, de acuerdo con aspectos de la presente divulgación;
La FIG. 6 es un gráfico que ilustra la amplificación de energía en la velocidad del rotor de una turbina eólica convencional con una unidad de amortiguación de torre a diferentes velocidades del viento; La FIG. 7 es un gráfico que ilustra la amplificación de energía en la velocidad del rotor de una turbina eólica que emplea el sistema de control de pitch ejemplar de la FIG. 5 a diferentes velocidades del viento, de acuerdo con aspectos de la presente divulgación;
La FIG. 8 es un diagrama de flujo que ilustra un procedimiento ejemplar para reducir las oscilaciones de la torre en una turbina eólica usando el sistema de control de pitch de la FIG. 2, de acuerdo con aspectos de la presente divulgación; y
La FIG. 9 es un diagrama de flujo que ilustra un procedimiento ejemplar para reducir las oscilaciones de la torre en una turbina eólica usando el sistema de control de pitch de la FIG. 5, de acuerdo con aspectos de la presente divulgación.
[0009] Los siguientes términos, usados a lo largo de esta divulgación, pueden definirse de la siguiente manera:
Dinámica de la torre: se refiere a la mecánica relacionada con el movimiento de una torre de turbina eólica bajo la acción de diversas fuerzas, tales como el viento y el movimiento del rotor.
Dinámica del rotor: se refiere a la mecánica relacionada con el movimiento del rotor bajo la acción de diversas fuerzas tales como el viento, el movimiento de la torre y la inercia.
Oscilaciones hacia adelante y hacia atrás: se refiere a las oscilaciones de la torre en una dirección paralela a la dirección del viento.
Velocidad de la parte superior de la torre: se refiere a la velocidad de las oscilaciones de la torre experimentadas en el extremo superior de una torre de turbina eólica.
Aceleración de la parte superior de la torre: se refiere a la aceleración de las oscilaciones de la torre experimentadas en la parte superior de la torre de turbina eólica.
Desviación de la torre: se refiere al cambio de posición de la parte superior de la torre de turbina eólica con respecto a una posición de referencia.
Resonancia de la torre: se refiere a la tendencia de una turbina eólica a oscilar con la máxima amplitud a las frecuencias de resonancia de la torre.
Frecuencia de resonancia de primer modo: se refiere a la frecuencia de resonancia de un primer modo estructural de la torre de turbina eólica donde la dinámica de modo se caracteriza por un sistema de resorte-masa-amortiguador de segundo orden.
[0010] Los modos de realización de la presente divulgación están relacionados con un sistema y un procedimiento ejemplares para reducir las oscilaciones de la torre en una turbina eólica. Más en particular, la presente divulgación se refiere a un bucle de control de velocidad del rotor ejemplar que usa un sistema de control de pitch como accionador. Además, el bucle de control de velocidad del rotor determina un ángulo de pitch que reduce las oscilaciones de la torre. Con este fin, el bucle de control de velocidad del rotor incluye una unidad de desacoplamiento que aborda la interdependencia entre la dinámica del rotor y la dinámica de la torre usando procedimientos basados en modelos para reducir las oscilaciones inducidas en la dirección hacia adelante y hacia atrás de la torre a velocidades superiores a la nominal.
[0011] Además, los modos de realización de la presente divulgación se describen con referencia a una turbina eólica de tres palas con base en tierra. Se entenderá, sin embargo, que dicha referencia es meramente ejemplar y que los sistemas y procedimientos descritos aquí pueden implementarse con la misma facilidad en turbinas eólicas flotantes, turbinas eólicas marinas, turbinas eólicas de 2 palas o turbinas eólicas de 4 palas sin apartarse del alcance de la presente divulgación.
[0012] La FIG. 1 es una representación esquemática que ilustra fuerzas y movimientos experimentados por una turbina eólica 100. La turbina eólica 100 incluye una torre 102, un rotor 104, una o más palas de rotor 106 y una góndola 108. La torre 102 se puede acoplar al suelo, al fondo del océano o a una base flotante usando cualquier medio de sujeción conocido, tal como empernado, cementación, soldadura y así sucesivamente.
[0013] Además, en la FIG. 1, el número de referencia 110 es, en general, representativo del viento. El viento 110 puede tener una velocidad media (u). Cuando el viento 110 sopla en la dirección indicada, se coloca un par aerodinámico (Mz) en las palas de rotor 106 haciendo que las palas de rotor 106 giren en una dirección que es sustancialmente perpendicular a la dirección del viento. Este movimiento de las palas de rotor 106 se representa en la FIG. 1 por una velocidad angular del rotor (wr) de las palas giratorias 106. Además, la góndola 108 puede incluir una multiplicadora (no mostrada) y un generador (no mostrado). La multiplicadora puede aumentar la velocidad de las palas de rotor 106 y el generador puede convertir la rotación de las palas de rotor 106 en electricidad, convirtiendo así la energía del viento 110 en electricidad. De forma alternativa, la góndola 108 puede incluir un tren de transmisión directo (no mostrado). En dichos casos, se puede eludir la inclusión de la multiplicadora.
[0014] Además, debido a un empuje aerodinámico (Fz) del viento 110 y la rotación de las palas de rotor 106, la torre 102 puede oscilar en una dirección hacia adelante y hacia atrás. El número de referencia 114 es representativo, en general, de las oscilaciones hacia adelante y hacia atrás. Se entenderá que además de las oscilaciones 114 hacia adelante y hacia atrás, la torre 102 también puede experimentar otras oscilaciones. Las oscilaciones de ejemplo incluyen oscilaciones de lado a lado, oscilaciones torsionales, oscilaciones de alabeo y similares. Estas oscilaciones no se ilustran en la FIG. 1.
[0015] La turbina eólica 100 puede emplear un dispositivo sensor para detectar las oscilaciones 114 hacia adelante y hacia atrás. Por ejemplo, puede emplearse un detector de velocidad de oscilación (no mostrado) o un detector de desviación de oscilación (no mostrado). De forma alternativa, se puede emplear un acelerómetro 112 en la turbina eólica 100 para detectar la aceleración de las oscilaciones hacia adelante y hacia atrás 114. En algunos modos de realización, el acelerómetro 112 puede estar dispuesto dentro de la góndola 108 o en la parte superior de la torre 102. En otros casos, el acelerómetro 112 puede estar situado en el centro de la torre 102.
[0016] Además, para reducir las oscilaciones de la torre hacia adelante y hacia atrás 114 y para controlar la velocidad del rotor, la turbina eólica 100 puede incluir un sistema de control de pitch ejemplar 116 que puede incluir un bucle de control de velocidad del rotor (no mostrado). En algunos modos de realización, el sistema de control de pitch 116 también puede incluir un bucle de control de amortiguación de torre (no mostrado). Dependiendo de la velocidad media o efectiva del viento entrante 110, el sistema de control de pitch ejemplar 116 puede estar configurado para determinar el ángulo de pitch de las palas de rotor 106 para maximizar la potencia de salida (dentro de los límites nominales) y/o minimizar las oscilaciones de la torre. Como se señaló previamente, algunos de los controladores de pitch conocidos previamente pueden tender a aumentar las oscilaciones de la torre, en lugar de disminuirlas. Este aumento en las oscilaciones de la torre puede deberse a que los controladores de pitch convencionales no tienen en cuenta la interdependencia entre la dinámica del rotor y la dinámica de la torre.
[0017] La dinámica de la torre para la turbina eólica 100, en un ejemplo, puede representarse mediante una ecuación lineal de segundo orden:
Figure imgf000005_0001
donde, X fa es la aceleración de la parte superior de la torre, f es la constante de amortiguación de velocidad de la torre 102, Wfa es la frecuencia de resonancia de la torre de primer modo, Xfa es la velocidad de la parte superior de la torre y Xfa es la desviación de la torre. Además, K es la inversa de una masa generalizada para el primer modo, Fz es el empuje aerodinámico, Wr es la velocidad angular, G es el ángulo de pitch y Ue es la velocidad efectiva del viento.
[0018] La velocidad efectiva del viento (Ue) se refiere a la velocidad efectiva del viento a la altura del buje de la turbina eólica 100. Debido a que el viento 110 se distribuye espacial y temporalmente, la velocidad del viento varía significativamente en diferentes puntos sobre el área barrida por las palas de rotor 106 y, por lo tanto, diferentes partes de la turbina eólica 100 pueden experimentar diferentes velocidades del viento. La velocidad efectiva del viento (Ue) es representativa de la diferencia entre la velocidad media del viento (u) y la velocidad de la parte superior de la torre (Xfa) como se muestra en la ecuación (2):
Ve = V - X f a (2)
[0019] El lado izquierdo de la ecuación (1) indica que el movimiento de la torre 102 puede depender de la aceleración de la parte superior de la torre (Xfa), la velocidad de la parte superior de la torre (Xfa), la desviación de la torre (Xfa), la frecuencia de resonancia (Wfa) y la constante de amortiguación de velocidad (£fa). Además, el lado derecho de la ecuación (1) ilustra que el empuje aerodinámico (Fz) experimentado por la torre 102 puede ser una función de la velocidad angular (wr), el ángulo de pitch (G) y la velocidad del viento (Ue). Además, el empuje aerodinámico (Fz) puede ser una función de la velocidad media del viento (u) y la velocidad de la parte superior de la torre (Xfa) ya que estos parámetros afectan a la velocidad efectiva del viento (Ue).
[0020] Además, la dinámica del rotor para la turbina eólica 100 también se puede representar mediante una ecuación lineal de primer orden:
Figure imgf000005_0002
donde, J r es un momento de inercia del rotor 104, ú r es la tasa de cambio en la velocidad angular del rotor, N es la relación de la multiplicadora y Tg es el par de reacción del generador.
[0021] Se observará que tanto la dinámica del rotor como la dinámica de la torre dependen de la velocidad efectiva del viento (Ue). Además, se observará que la velocidad efectiva del viento (Ue) es una función de la velocidad de la parte superior de la torre (Xfa). Por lo tanto, es evidente a partir de las ecuaciones (1) y (3) que la dinámica de la torre y la dinámica del rotor son dependientes entre sí. De hecho, estas dinámicas están relacionadas entre sí debido a la velocidad de la parte superior de la torre (Xfa), la velocidad del rotor (wr) y el ángulo de pitch (G).
[0022] Los controladores de pitch convencionales suponen, típicamente, que la dinámica del rotor y la dinámica de la torre son independientes. En consecuencia, estos controladores de pitch ignoran, en general, la velocidad de la parte superior de la torre mientras calculan el ángulo de pitch para controlar la velocidad del rotor y/o amortiguar las oscilaciones de la torre. Además, debido a esta exclusión, los controladores de pitch convencionales pueden causar inestabilidad en la dinámica del rotor y amplificación de energía en la velocidad del rotor a frecuencias cercanas a la resonancia de la torre. En un modo de realización, el sistema de control de pitch ejemplar 116 puede estar configurado para emplear la velocidad de la parte superior de la torre en el cálculo del ángulo de pitch. Más en particular, el sistema de control de pitch ejemplar 116 puede estar configurado para deducir los efectos de la velocidad de la parte superior de la torre de la velocidad del rotor. Incluyendo la velocidad de la parte superior de la torre y compensando este valor en el cálculo del ángulo de pitch, el sistema de control de pitch ejemplar 116 puede desacoplar ventajosamente la dinámica del rotor y la dinámica de la torre.
[0023] La FIG. 2 ilustra un modo de realización ejemplar 200 del sistema de control de pitch 116 de la FIG. 1, de acuerdo con aspectos de la presente divulgación. El sistema de control de pitch 200 de la FIG. 2 incluye un bucle de control de velocidad del rotor. Además, el sistema de control de pitch 200 puede incluir una unidad de rotor 202, una unidad de torre 204 y un controlador 206. Además, el sistema de control de pitch 200 también puede incluir una unidad de desacoplamiento 208. En un modo de realización, el controlador 206 puede estar dispuesto en un bucle de retroalimentación de la unidad de rotor 202 y la unidad de desacoplamiento 208 puede estar dispuesta en una salida de la unidad de rotor 202 y la unidad de torre 204.
[0024] La unidad de rotor 202 puede estar configurada para determinar una velocidad del rotor (w r). En un modo de realización, la unidad de rotor 202 puede estar configurada para determinar la velocidad del rotor (w r) midiendo directamente la velocidad angular del rotor 104 (véase la FIG. 1) usando un dispositivo sensor tal como un velocímetro o un medidor de velocidad angular. De forma alternativa, la unidad de rotor 202 puede estar configurada para determinar la velocidad del rotor (wr) determinando una potencia de salida de la turbina eólica 100 (véase la FIG. 1) o la velocidad de rotación de un generador. Cabe señalar que estos valores son proporcionales a la velocidad del rotor. En consecuencia, la determinación de cualquiera de estos parámetros puede ayudar a la unidad de rotor 202 a determinar la velocidad del rotor. Se entenderá que se pueden emplear diversos modelos y medios de medición para determinar la velocidad del rotor y se puede emplear cualquiera de estos modelos o medios para determinar la velocidad del rotor sin apartarse del alcance de la presente divulgación.
[0025] La unidad de torre 204 puede estar configurada para determinar uno o más parámetros asociados con la torre 102. Estos parámetros pueden ser representativos de la dinámica de la torre. Por ejemplo, en un modo de realización del sistema de control de pitch 200, la unidad de torre 204 puede estar configurada para determinar la velocidad de la parte superior de la torre. La velocidad de la parte superior de la torre (Xfa) puede estimarse usando la aceleración de la parte superior de la torre (Xfa). Como se señaló previamente, el acelerómetro 112 (véase la FIG. 1) puede emplearse para detectar la aceleración de la parte superior de la torre y comunicar esta información a la unidad de torre 204. La unidad de torre 204 puede estar configurada para realizar cualquier cálculo conocido para determinar la velocidad de la parte superior de la torre. Por ejemplo, la unidad de torre 204 puede estar configurada para determinar la velocidad de la parte superior de la torre (Xfa) realizando una operación de integración en la aceleración de la parte superior de la torre (Xfa). De forma alternativa, la unidad de torre 204 puede determinar la velocidad de la parte superior de la torre (Xfa) a partir de la aceleración de la torre (Xfa) usando un estimador basado en modelos tal como un filtro de Kalman.
[0026] En otros modos de realización, la velocidad de la parte superior de la torre (Xfa) puede estimarse mediante un sensor de desviación que detecta un grado de desviación de la torre 102 alrededor de una posición de reposo determinada. Midiendo la desviación en diversos instantes de tiempo, se puede determinar la velocidad de la parte superior de la torre (Xfa). En otro modo de realización, la unidad de torre 204 puede estar configurada para realizar una operación de diferenciación en la desviación de la torre para determinar la velocidad de la parte superior de la torre (Xfa). En otro modo de realización más, la velocidad de la parte superior de la torre (Xfa) puede ser detectada directamente por un sensor de velocidad. Se entenderá que la unidad de torre 204 puede realizar otras diversas funciones y operaciones sin apartarse del alcance de la presente divulgación. Por ejemplo, la unidad de torre 204 puede mantener y actualizar continuamente un modelo de la dinámica de la torre.
[0027] De acuerdo con aspectos de la presente divulgación, la unidad de desacoplamiento 208 puede estar configurada para determinar una velocidad de rotor modificada en base a los parámetros de la torre 102. Con este fin, la unidad de desacoplamiento 208 puede incluir una unidad de cálculo 210 y una unidad de sustracción 212. La unidad de cálculo 210 puede estar configurada para recibir los parámetros asociados con la torre 102. A modo de ejemplo, la unidad de cálculo 210 puede estar configurada para recibir la velocidad de la parte superior de la torre desde la unidad de torre 204. Además, la unidad de cálculo 210 puede estar configurada para determinar un componente de velocidad del rotor en base a la velocidad de la parte superior de la torre (en lo sucesivo, el "primer componente de velocidad del rotor"). El primer componente de velocidad del rotor puede ser representativo del efecto de la velocidad de la parte superior de la torre sobre la velocidad del rotor. Para determinar el primer componente de velocidad del rotor, la unidad de cálculo 210 puede utilizar un modelo lineal de la dinámica del rotor. La dinámica del rotor se puede representar mediante la siguiente ecuación lineal de primer orden:
Figure imgf000006_0001
o aproximaciones de la misma, donde 7—2 es la derivada parcial del par aerodinámico con respecto a la
velocidad del ro to r,^2 es la derivada parcial del par aerodinámico con respecto al ángulo de pitch, y ^ es la derivada parcial del par aerodinámico con respecto a la velocidad media del viento.
[0028] Además, un modelo lineal de la dinámica del rotor se puede representar mediante la siguiente ecuación:
Figure imgf000006_0002
o aproximaciones de la misma, donde S Q r f es la tasa de cambio del primer componente de velocidad del rotor y Swr / es el primer componente de velocidad del rotor.
[0029] Puede señalarse que todas las variables de la ecuación (5), con la excepción del primer componente de velocidad del rotor, pueden ser detectadas y/o almacenadas por la unidad de rotor 202 y/o la unidad de torre 204. Los valores de estas variables se pueden comunicar a la unidad de cálculo 210. La unidad de cálculo 210 puede estar configurada para calcular el primer componente de velocidad del rotor en base a los valores de estas variables.
[0030] Además, en un ejemplo, la unidad de cálculo 210 puede implementarse como uno o más filtros digitales. En otro ejemplo, la unidad de cálculo 210 puede implementarse como un dispositivo informático de uso general. El dispositivo informático de uso general puede activarse o reconfigurarse selectivamente mediante un medio/unidad de desacoplamiento. Por ejemplo, el dispositivo informático puede almacenar la dinámica del rotor y el modelo linealizado de la dinámica del rotor en un medio de almacenamiento no transitorio legible por ordenador, tal como, pero sin limitarse a, cualquier tipo de disco, memoria, tarjeta magnética, tarjeta óptica, o cualquier tipo de soporte adecuado para almacenar instrucciones electrónicas. Además, el dispositivo informático puede almacenar instrucciones o programas configurados para calcular el primer componente de velocidad del rotor.
[0031] Como se describió previamente, la unidad de desacoplamiento 208 puede incluir, además, la unidad de sustracción 212 que puede estar configurada para recibir la velocidad del rotor (w r) desde la unidad de rotor 202 y el primer componente de velocidad del rotor (5w"rf) desde la unidad de cálculo 210. Además, la unidad de sustracción 212 puede estar configurada para restar el primer componente de velocidad del rotor (Sw'ri) de la velocidad del rotor (w r) para obtener una velocidad del rotor modificada. La velocidad del rotor modificada puede ser representativa de la velocidad del rotor que está desprovista de los efectos de la velocidad de la parte superior de la torre.
[0032] El controlador 206 puede estar configurado para recibir la velocidad del rotor modificada, procesar este valor y generar un valor de ángulo de pitch (50) correspondiente a la velocidad del rotor modificada (en lo sucesivo denominado "primer ángulo de pitch"). Para procesar este valor, en un modo de realización, el controlador 206 puede incluir una tabla de búsqueda (LUT) que incluye valores de ángulo de pitch previamente calculados correspondientes a diversas velocidades del rotor. La velocidad del rotor modificada se puede comparar con las velocidades del rotor almacenadas para determinar un primer ángulo de pitch correspondiente. De forma alternativa, el controlador 206 puede incluir un umbral de velocidad del rotor. En este caso, la velocidad del rotor modificada se puede comparar con una velocidad del rotor umbral. Además, el controlador 206 puede estar configurado para generar una señal de error indicativa de cualquier desviación de la velocidad del rotor modificada con respecto a la velocidad del rotor umbral. El controlador 206 puede incluir además una LUT para almacenar valores de ángulo de pitch correspondientes a diversos valores de error. Al realizar una búsqueda en dicha tabla, el controlador 206 puede estar configurado para determinar un primer ángulo de pitch apropiado. En otros modos de realización del controlador 206, el primer ángulo de pitch puede calcularse en tiempo real utilizando uno o más modelos de turbina eólica conocidos que pueden almacenarse en una LUT asociada.
[0033] En algunos casos, el pitcheo independiente de las palas de rotor 106 puede reducir aún más las oscilaciones y aumentar la eficiencia de la turbina eólica 100. En dichos casos, el controlador 206 puede estar configurado para determinar de forma independiente los primeros ángulos de pitch para cada pala de rotor 106. Las técnicas para dichos cálculos pueden incluir recibir velocidades del rotor modificadas correspondientes a cada pala de rotor 106 por separado o recibir una única velocidad del rotor modificada. En el caso de velocidades del rotor modificadas individuales, el controlador 206 puede estar configurado para realizar una búsqueda simple en la LUT para determinar los primeros ángulos de pitch individuales. De lo contrario, el controlador 206 puede estar configurado para utilizar uno o más modelos de turbina eólica para determinar los primeros ángulos de pitch individuales. Por ejemplo, durante la fase de diseño de la turbina, se pueden realizar diversos cálculos para determinar un modelo para definir la velocidad del rotor alcanzada a diversos ángulos de pitch individuales y velocidades del viento. Los resultados de dichos cálculos pueden almacenarse en el controlador 206. Posteriormente, durante el funcionamiento, el controlador 206 puede estar configurado para realizar una búsqueda para determinar los primeros ángulos de pitch individuales que pueden utilizarse para alcanzar la velocidad del rotor modificada. De forma alternativa, el controlador 206 puede estar configurado para suministrar la velocidad del rotor modificada, los ángulos de pitch previos y la velocidad actual del viento al modelo para determinar los primeros ángulos de pitch individuales. Se entenderá que actualmente se emplean diversos controladores de ángulo de pitch en turbinas eólicas y que cualquiera de estos controladores de pitch se puede utilizar para implementar el controlador 206 sin apartarse del alcance de la presente divulgación. El controlador 206 puede ser cualquiera de los controladores conocidos en la técnica, tales como un controlador proporcional, un controlador integral proporcional, un controlador derivado integral proporcional, un regulador cuadrático lineal o un regulador gaussiano cuadrático lineal sin apartarse del alcance de la presente divulgación.
[0034] En algunos modos de realización, la unidad de rotor 202 puede incluir un accionador de pitch 214 para pitchear las palas de rotor 106 en base al primer ángulo de pitch determinado por el controlador 206. Como se describió previamente, el controlador 206 puede estar configurado para generar y transmitir primeros ángulos de pitch sustancialmente similares para las palas en la turbina eólica 100 al accionador de pitch 214. De forma alternativa, el controlador 206 puede transmitir primeros ángulos de pitch independientes al accionador de pitch 214. El accionador de pitch 214, a su vez, puede incluir cualquier mecanismo de accionamiento para ajustar el ángulo de pitch de las palas de rotor 106. Por ejemplo, el accionador de pitch 214 puede ser un sistema hidráulico que recibe valores de ángulo de pitch en forma de señales de voltaje y pitchea las palas de rotor 106 accionando un cilindro de pitch (no mostrado) a una velocidad variable. De forma alternativa, el accionador de pitch 214 puede ser un sistema eléctrico, electrónico o electromecánico sin apartarse del alcance de la presente divulgación.
[0035] Cabe señalar que la FIG. 2 ilustra la unidad de desacoplamiento 208 y el controlador 206 como unidades de hardware separadas. Sin embargo, se entenderá que, en algunos modos de realización, el controlador 206 puede estar diseñado como un controlador de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) que incluye la funcionalidad de la unidad de desacoplamiento 208 y/o las unidades de rotor y de torre 202 y 204. En modos de realización en los que el controlador 206 incluye la unidad de desacoplamiento 208, la velocidad de la parte superior de la torre y la velocidad del rotor pueden proporcionarse directamente al controlador 206. El controlador 206, a su vez, puede incluir la unidad de cálculo 210 y la unidad de sustracción 212 para calcular el primer componente de velocidad del rotor y restar este valor de la velocidad del rotor detectada, respectivamente. En base a la resta, el controlador 206 puede determinar la velocidad del rotor modificada.
[0036] Las FIGS. 3 y 4 son gráficos 300, 400 que ilustran esquemáticamente la amplificación de energía simulada en la velocidad del rotor de una turbina eólica, a diversas velocidades del viento. Además, estos gráficos 300, 400 ilustran la amplificación de energía de la velocidad del rotor usando el ángulo de pitch como accionador. Más en particular, el gráfico 300 ilustra el efecto de un sistema de control de pitch convencional (sin la unidad de desacoplamiento) sobre la amplificación de energía en la velocidad del rotor de una turbina eólica convencional a diferentes velocidades y frecuencias del viento. El gráfico 400 ilustra el efecto del sistema de control de pitch 200 ejemplar de la FIG. 2 sobre la amplificación de energía en la velocidad del rotor de la turbina eólica 100 a diferentes velocidades y frecuencias del viento.
[0037] El gráfico 300 ilustra que hay una amplificación de energía significativa a la frecuencia de resonancia de la torre (indicada, en general, por el número de referencia 302). En esencia, dicha amplificación se produce porque los controladores de pitch convencionales no tienen en cuenta la velocidad de la parte superior de la torre mientras determinan el ángulo de pitch para controlar la velocidad del rotor.
[0038] Para evitar las deficiencias de los controladores de pitch convencionales, la unidad de desacoplamiento 208 ejemplar de la FIG. 2 puede estar configurada para evitar la amplificación de energía y reducir las oscilaciones hacia adelante y hacia atrás 114 (véase la FIG. 1) a las frecuencias de resonancia de la torre. En particular, la unidad de desacoplamiento 208 puede estar configurada para determinar un componente de velocidad del rotor que resulta de las oscilaciones de la torre. Además, la unidad de desacoplamiento 208 puede estar configurada para deducir este componente de velocidad del rotor. En consecuencia, los efectos de las oscilaciones de la torre sobre la velocidad del rotor pueden minimizarse sustancialmente. En consecuencia, la velocidad del viento y el ángulo de pitch pueden ser los únicos factores que afectan a la velocidad del rotor modificada. El gráfico 400 ilustra esta afirmación. Se apreciará que la amplificación de energía de la FIG. 3 no está presente en la FIG. 4. Por lo tanto, la introducción de la unidad de desacoplamiento ejemplar 208 en el sistema de control de pitch 200 ayuda a minimizar la amplificación de energía y las posteriores oscilaciones de la torre.
[0039] La FIG. 5 es una representación esquemática de otro modo de realización ejemplar 500 del sistema de control de pitch 116 de la FIG. 1. En este modo de realización, el sistema de control de pitch 500 incluye un bucle de control de velocidad del rotor y un bucle de control de amortiguación de torre. En consecuencia, el sistema de control de pitch 500 incluye una unidad de rotor 502, una unidad de torre 504 y un controlador 506. Estas unidades funcionan sustancialmente de forma similar a las unidades con nombres similares descritas con referencia a la FIG. 2. Además, el sistema de control de pitch 500 puede incluir una unidad de amortiguación de torre 508, una unidad de desacoplamiento 510 y un sumador 512. La unidad de amortiguación de torre 508 puede acoplarse entre una salida de la unidad de torre 504 y una entrada de la unidad de rotor 502. Además, la unidad de desacoplamiento 510 puede acoplarse a una salida de la unidad de rotor 502, la unidad de torre 504 y la unidad de amortiguación de torre 508. Además, el sumador 512 puede estar acoplado entre una salida del controlador 506 y la unidad de amortiguación de torre 508, y una entrada de la unidad de rotor 502.
[0040] La unidad de amortiguación de torre 508 puede estar configurada para reducir las oscilaciones en la torre 102 de la FIG. 1. Como se señaló previamente con referencia a la FIG. 1, estas oscilaciones son causadas, típicamente, por perturbaciones en el viento 110, el funcionamiento de las palas de rotor 106 o cualquier otro factor de ese tipo. Durante el funcionamiento de la turbina eólica 100, una elevación y una resistencia aerodinámica actúan sobre las palas de rotor 106. La resistencia aerodinámica actúa como un empuje en la dirección de adelante hacia atrás de la torre 102, induciendo así oscilaciones hacia adelante y hacia atrás 114. Además, la magnitud del empuje varía dependiendo de la velocidad del viento y el ángulo de pitch. En consecuencia, controlando el ángulo de pitch, se puede ajustar el empuje en la dirección de adelante hacia atrás, lo que a su vez regula las oscilaciones hacia adelante y hacia atrás 114.
[0041] Continuando con la referencia a la FIG. 5, de acuerdo con algunos aspectos de la presente divulgación, la unidad de amortiguación de torre 508 puede estar configurada para calcular un ángulo de pitch para generar un empuje deseado en las palas de rotor 106. En un ejemplo, el empuje deseado puede ser representativo del empuje que se puede aplicar sobre las palas de rotor 106 para minimizar o cancelar sustancialmente las oscilaciones de la torre 102. Además, la unidad de amortiguación de torre 508 puede determinar el ángulo de pitch en base a la aceleración de la parte superior de la torre detectada. Posteriormente, el sumador 512 puede añadir el ángulo de pitch para amortiguación (en lo sucesivo denominado "segundo ángulo de pitch") con el primer ángulo de pitch para generar un ángulo de pitch combinado. El ángulo de pitch combinado se puede emplear para pitchear las palas de rotor 106.
[0042] A pesar de reducir las oscilaciones causadas por el empuje aerodinámico (Fz), los amortiguadores de torre convencionales pueden introducir amplificación de energía en el rotor a la resonancia de la torre. Esta amplificación puede ocurrir porque los controladores de pitch convencionales ignoran los efectos del segundo ángulo de pitch sobre el primer ángulo de pitch mientras calculan el primer ángulo de pitch. De acuerdo con aspectos de la presente divulgación, los modos de realización del sistema de control de pitch 500 explican los efectos del segundo ángulo de pitch sobre el primer ángulo de pitch. En particular, el sistema de control de pitch 500 puede estar configurado para deducir estos efectos junto con los efectos de la velocidad de la parte superior de la torre de la velocidad del rotor para determinar una velocidad del rotor modificada. Al minimizar y/o eliminar los efectos del segundo ángulo de pitch y la velocidad de la parte superior de la torre de la velocidad del rotor, los modos de realización del sistema de control de pitch 500 ayudan a reducir o eliminar la posibilidad de amplificación de energía a las frecuencias de resonancia de la torre en el rotor 104 (véase la FIG. 1).
[0043] Para obtener la velocidad del rotor modificada, la unidad de desacoplamiento 510 puede estar configurada para determinar los componentes de la velocidad del rotor en base a uno o más parámetros asociados con la torre 102, tales como la velocidad de la parte superior de la torre y el segundo ángulo de pitch. Más en particular, la unidad de desacoplamiento 510 puede estar configurada para determinar un componente de velocidad del rotor debido al segundo ángulo de pitch (en lo sucesivo denominado "segundo componente de velocidad del rotor") además del primer componente de velocidad del rotor. Por consiguiente, la unidad de desacoplamiento 510 puede estar configurada para recibir la velocidad de la parte superior de la torre desde la unidad de torre 504 y el segundo ángulo de pitch desde la unidad de amortiguación de torre 508. En un modo de realización, la unidad de desacoplamiento 510 puede incluir una unidad de cálculo 514 y una unidad de sustracción 516. La unidad de cálculo 514 puede estar configurada para determinar el primer componente de velocidad del rotor y el segundo componente de velocidad del rotor usando un modelo linealizado de la dinámica del rotor, en un ejemplo. Por consiguiente, en este modo de realización, el modelo linealizado puede incluir el segundo ángulo de pitch además de la velocidad de la parte superior de la torre. El modelo linealizado de la dinámica del rotor se puede representar mediante la siguiente ecuación:
Figure imgf000009_0001
o aproximaciones de la misma, donde, 5w m es una combinación del primer componente de velocidad del rotor y el segundo componente de velocidad del rotor, S wrc es la tasa de cambio de la combinación de los primer y segundo componentes de velocidad del rotor, y 89 tw r es el segundo ángulo de pitch.
[0044] La unidad de cálculo 514 puede estar configurada para recuperar el segundo ángulo de pitch y la velocidad de la parte superior de la torre desde la unidad de amortiguación de torre 508 y la unidad de torre 504, respectivamente. En base a estos valores, la unidad de cálculo 514 puede estar configurada para determinar una combinación de los primer y segundo componentes de velocidad del rotor debido a las oscilaciones de la torre y la amortiguación de la torre. Para determinar la velocidad del rotor modificada, la unidad de sustracción 516 puede estar configurada para deducir la combinación de los primer y segundo componentes de velocidad del rotor de la velocidad del rotor.
[0045] De acuerdo con un modo de realización, la unidad de desacoplamiento 510 puede implementarse como uno o más filtros digitales o un dispositivo informático, uno para determinar el primer componente de velocidad del rotor y el otro para determinar el segundo componente de velocidad del rotor. De forma alternativa, la unidad de desacoplamiento 510 puede implementarse como un único filtro digital o dispositivo informático que puede estar configurado para determinar tanto el primer como el segundo componentes de velocidad del rotor simultáneamente.
[0046] Las otras unidades, tales como el controlador 506 y la unidad de rotor 502, pueden funcionar de una manera que es sustancialmente similar al funcionamiento de sus equivalentes como se describe con referencia a la FIG. 2. Por ejemplo, la unidad de rotor 502 puede estar configurada para comunicar la velocidad del rotor detectada a la unidad de sustracción 516. De forma similar, el controlador 506 puede estar configurado para determinar el primer ángulo de pitch y proporcionar este valor al sumador 512. Además, el sumador 512, a su vez, puede estar configurado para recibir el primer ángulo de pitch y el segundo ángulo de pitch y combinar estos dos valores para determinar un ángulo de pitch combinado. Este ángulo de pitch combinado puede comunicarse a un accionador de pitch 518. Además, el accionador de pitch 518 puede estar configurado para pitchear las palas de rotor de acuerdo con el ángulo de pitch comunicado.
[0047] Las FIGS. 6 y 7 son gráficos 600, 700 que ilustran esquemáticamente la amplificación de energía simulada en la velocidad del rotor de una turbina eólica. Además, estos gráficos 600, 700 ilustran la amplificación de energía usando el ángulo de pitch como accionador. Más en particular, la FIG. 6 ilustra el efecto de un controlador de pitch convencional (con un bucle de amortiguación de torre) sobre la amplificación de energía en la velocidad del rotor a diferentes velocidades y frecuencias del viento. La FIG. 7 ilustra el efecto del ejemplo de sistema de control de pitch 500 de la FIG. 5 sobre la amplificación de energía en la velocidad del rotor a diferentes velocidades y frecuencias del viento.
[0048] El gráfico 600 ilustra que hay una amplificación de energía significativa a la frecuencia de resonancia de la torre, indicada, en general, por el número de referencia 602. Puede señalarse que la amplificación de energía en este caso no es tan severa como en la FIG. 3 debido a la inclusión de un bucle de amortiguación de torre en este controlador de pitch convencional. El gráfico 700 ilustra que el pico de la amplificación de energía indicado en la FIG. 6 se reduce significativamente implementando la unidad de desacoplamiento 510 del sistema de control de pitch 500. Por lo tanto, al introducir la unidad de desacoplamiento 510, se puede evitar la amplificación de energía a las frecuencias de resonancia de la torre y se pueden evitar las oscilaciones excesivas de la torre debido a la amplificación de amplitud.
[0049] La FIG. 8 es un diagrama de flujo 800 que ilustra un procedimiento ejemplar para reducir las oscilaciones en una turbina eólica. El procedimiento se describirá con referencia a las FIGS. 1-2. El procedimiento comienza en la etapa 802 donde se determina la velocidad del rotor de una turbina eólica, tal como la turbina eólica 100. En un modo de realización, la unidad de rotor 202 puede estar configurada para determinar la velocidad del rotor midiendo directamente la velocidad del rotor usando un sensor, tal como un anemómetro, un velocímetro, un medidor de velocidad de rotación y así sucesivamente. De forma alternativa, la unidad de rotor 202 puede estar configurada para determinar la velocidad del rotor midiendo una potencia de salida o la velocidad del generador de la turbina eólica 100. En este caso, la velocidad del rotor se puede estimar como la velocidad que genera la potencia de salida correspondiente o la velocidad del generador.
[0050] Posteriormente, en la etapa 804, se pueden determinar uno o más parámetros asociados con una torre, tal como la torre 102. Más en particular, se puede determinar la velocidad de la parte superior de una torre. En un modo de realización, la unidad de torre 204 puede estar configurada para determinar la velocidad de la parte superior de la torre en base a una aceleración de la parte superior de la torre. El acelerómetro 112 acoplado a la turbina eólica 100 puede emplearse para determinar la aceleración de las desviaciones de la torre. En base a este valor detectado, la unidad de torre 204 puede calcular la velocidad de la parte superior de la torre. A modo de ejemplo, la unidad de torre 204 puede realizar una operación de integración en la aceleración de la parte superior de la torre para determinar la velocidad de la parte superior de la torre. De forma alternativa, la velocidad de la torre se puede determinar a partir de mediciones disponibles, tales como la aceleración de la torre, utilizando un estimador basado en modelos, tal como un filtro de Kalman. En otros modos de realización, se puede instalar un sensor de velocidad o un sensor de desviación en la turbina eólica 100 para medir la velocidad de la parte superior de la torre o la desviación de la torre, respectivamente. En caso de que se detecte la desviación de la torre, la unidad de torre 204 puede estar configurada para realizar una operación de diferenciación en la desviación de la torre para determinar la velocidad de la parte superior de la torre. Además, uno o más de los sensores se pueden acoplar a la unidad de torre 204 de modo que el valor de parámetro medido se pueda proporcionar directamente a la unidad de torre 204.
[0051] Además, en las etapas 806 y 808, se puede calcular una velocidad del rotor modificada. Con este fin, se puede calcular una primera componente de velocidad del rotor, como se indica en la etapa 806. La unidad de cálculo 210 puede estar configurada para utilizar un modelo linealizado de la dinámica del rotor como se representa en la ecuación (5) para determinar la velocidad del rotor modificada. Sustituyendo la velocidad de la parte superior de la torre y otros valores variables en la ecuación (5), la unidad de cálculo 210 puede determinar el primer componente de velocidad del rotor.
[0052] En la etapa 808, el primer componente de velocidad del rotor se puede restar de la velocidad del rotor obtenida en la etapa 802 para determinar la velocidad del rotor modificada. En un modo de realización, la unidad de sustracción 212 puede estar configurada para realizar esta operación. La unidad de sustracción 212 puede ser un dispositivo informático digital o un dispositivo de hardware eléctrico sin apartarse del alcance de la presente divulgación. En el caso de un dispositivo de hardware, la unidad de cálculo 210 puede estar configurada para emitir una señal eléctrica correspondiente al primer componente de velocidad del rotor. De forma similar, la unidad de rotor 202 puede convertir la velocidad del rotor en una señal eléctrica. Estas señales (es decir, el primer componente de velocidad del rotor y la velocidad del rotor) pueden restarse, a continuación, en la unidad de sustracción 212. En el caso de un dispositivo informático digital, los valores digitales para la velocidad del rotor y el primer componente de velocidad del rotor se pueden proporcionar a la unidad de sustracción 212 donde estos se pueden restar para determinar la velocidad del rotor modificada.
[0053] Posteriormente, en la etapa 810, se puede generar un primer ángulo de pitch en base a la velocidad del rotor modificada. La unidad de sustracción 212 puede estar configurada para comunicar la velocidad del rotor modificada al controlador 206. El controlador 206, a su vez, puede estar configurado para determinar el primer ángulo de pitch correspondiente. Como se describió previamente, el controlador 206 puede estar configurado para realizar esta operación utilizando cualquiera de una serie de tecnologías conocidas. Por ejemplo, el controlador 206 puede incluir una LUT rellenada previamente que incluye valores de ángulo de pitch correspondientes a diversas velocidades del rotor. De forma alternativa, el controlador 206 puede estar configurado para almacenar una velocidad del rotor umbral determinada, tal como una velocidad del rotor que genera una potencia de salida nominal. El controlador 206 puede comparar posteriormente la velocidad del rotor modificada con la velocidad del rotor umbral para generar una señal de error. Además, el controlador 206 también puede incluir una LUT que almacena ángulos de pitch correspondientes a diversas señales de error. En consecuencia, el controlador 206 puede estar configurado para comparar la señal de error generada con las señales de error en la LUT para determinar un primer ángulo de pitch apropiado. Además, en algunas turbinas eólicas, el controlador 206 puede estar configurado para generar primeros valores de ángulo de pitch para las palas de rotor 106 individualmente, de modo que cada pala de rotor 106 pueda pitchearse a un ángulo diferente. En otros modos de realización, el controlador 206 puede generar un primer ángulo de pitch para todas las palas de rotor 106.
[0054] Después de la determinación del primer ángulo de pitch, una o más palas de rotor 106 pueden pitchearse en base a un primer ángulo de pitch correspondiente, como se indica en la etapa 812. Con este fin, el controlador 206 puede transmitir el primer ángulo de pitch al accionador de pitch 214. El accionador de pitch 214 puede, a su vez, estar configurado para utilizar cualquier medio de accionamiento conocido para alterar el ángulo de pitch de las palas. Algunos ejemplos de medios de accionamiento de pitch pueden incluir medios hidráulicos, medios eléctricos, medios electrónicos y medios electromecánicos.
[0055] La FIG. 9 es un diagrama de flujo 900 que ilustra otro procedimiento ejemplar para reducir las oscilaciones en una turbina eólica. Este procedimiento se describe con referencia a las FIGS. 1 y 5. De forma similar al procedimiento descrito previamente, este procedimiento comienza en la etapa 902 determinando la velocidad del rotor. Posteriormente, en la etapa 904, se pueden obtener uno o más parámetros asociados con la torre 102. Los parámetros pueden incluir la velocidad de la parte superior de la torre y un segundo ángulo de pitch. En un ejemplo, la velocidad de la parte superior de la torre se puede determinar en la etapa 906 y el segundo ángulo de pitch se puede determinar en la etapa 908. Con este fin, el sistema de control de pitch 500 puede incluir la unidad de amortiguación de torre 508. La unidad de amortiguación de torre 508 puede estar configurada para determinar el segundo ángulo de pitch en base a un modelo lineal de la dinámica de la torre y la velocidad de la parte superior de la torre. Como se describió previamente con referencia a la FIG. 5, la unidad de amortiguación de torre 508 puede estar configurada para determinar el empuje requerido para reducir las oscilaciones y determinar el segundo ángulo de pitch que puede ayudar a generar el empuje deseado.
[0056] Una vez que se calcula el segundo ángulo de pitch, se puede determinar una velocidad del rotor modificada en la etapa 910. Para calcular la velocidad del rotor modificada, puede ser deseable obtener los primer y segundo componentes de velocidad del rotor. En consecuencia, se calculan los primer y segundo componentes de velocidad del rotor, como se indica en la etapa 912. En un modo de realización, para este cálculo, la unidad de cálculo 514 puede estar configurada para utilizar el modelo linealizado de la dinámica del rotor proporcionado por la ecuación (6). Usando esta ecuación, la unidad de cálculo 514 puede estar configurada para determinar una combinación de los primer y segundo componentes de velocidad del rotor (ovc). En este modelo, la unidad de cálculo 514 puede estar configurada para emplear los valores de la velocidad de la parte superior de la torre y el segundo ángulo de pitch para determinar los primer y segundo componentes de velocidad del rotor. Posteriormente, en la etapa 914, los primer y segundo componentes de velocidad del rotor se restan de la velocidad del rotor obtenida en la etapa 902 para determinar la velocidad del rotor modificada. En un modo de realización, la combinación de los primer y segundo componentes de velocidad del rotor (afrc) se puede restar de la velocidad del rotor para determinar la velocidad del rotor modificada.
[0057] Además, en la etapa 916, se puede generar un primer ángulo de pitch en base a la velocidad del rotor modificada. Más en particular, la velocidad del rotor modificada puede comunicarse al controlador 206 y el controlador 206 puede estar configurado para generar el primer ángulo de pitch. El primer ángulo de pitch y el segundo ángulo de pitch pueden combinarse en el sumador 512 para generar un ángulo de pitch combinado, como se indica en la etapa 918. Este ángulo de pitch combinado puede transmitirse al accionador de pitch 214. En la etapa 920, el accionador de pitch 518 puede estar configurado para pitchear las palas de rotor 106 (individualmente o juntas) para obtener una velocidad del rotor deseada y reducir las oscilaciones de la torre.
[0058] Se entenderá que los procedimientos de las FIGS. 8 y 9 pueden repetirse de forma continua, periódica o en determinados intervalos de tiempo para mantener la velocidad del rotor deseada y/o minimizar las oscilaciones de la torre. En caso de alta turbulencia o velocidades muy altas, estos procedimientos pueden no ser suficientes para mantener la velocidad del rotor y/o las oscilaciones de la torre dentro de los límites del umbral. En dichos casos, el sistema de control de pitch 116 también puede estar configurado para apagar o desconectar la turbina eólica 100 hasta que pasen las condiciones turbulentas. Se puede tomar dicha medida para evitar daños en la turbina eólica 100.
[0059] Además, aunque los sistemas y procedimientos descritos anteriormente en el presente documento desacoplan la dinámica del rotor y la torre para reducir las oscilaciones de la torre hacia adelante y hacia atrás y mantener la velocidad efectiva del rotor, estos sistemas también pueden utilizarse para desacoplar la dinámica de otras turbinas eólicas. Por ejemplo, la unidad de desacoplamiento 208 y/o 510 se puede utilizar en un sistema de control de pitch para desacoplar las vibraciones de la aleta de la pala de rotor y de la torre hacia adelante y hacia atrás. De forma similar, la unidad de desacoplamiento 208 y/o 510 se puede utilizar en un controlador de par para desacoplar la dinámica del borde de la pala y del tren de transmisión.
[0060] Además, los ejemplos, demostraciones y etapas de proceso anteriores, tales como los que puede realizar el sistema, pueden implementarse mediante un código adecuado en un sistema basado en procesador, tal como un ordenador de uso general o de uso especial. También debe señalarse que diferentes implementaciones de la presente técnica pueden realizar algunas o todas las etapas descritas en el presente documento en diferentes órdenes o de forma sustancialmente concurrente, es decir, en paralelo. Además, las funciones pueden implementarse en una variedad de lenguajes de programación, incluyendo, pero sin limitarse a, C++ o Java. Dicho código puede almacenarse o adaptarse para su almacenamiento en uno o más medios tangibles legibles por máquina, tales como en chips de depósito de datos, discos duros locales o remotos, discos ópticos (es decir, CD o DVD), memoria u otros medios, a los que puede acceder un sistema basado en procesador para ejecutar el código almacenado. Cabe señalar que los medios tangibles pueden comprender papel u otro medio adecuado sobre el que se imprimen las instrucciones. Por ejemplo, las instrucciones pueden capturarse electrónicamente mediante escaneo óptico del papel u otro medio, a continuación compilarse, interpretarse o procesarse de otro modo de una manera adecuada si es necesario, y a continuación almacenarse en un depósito de datos o memoria.
[0061] Además, las diversas tablas de búsqueda se pueden incorporar en cualquier sistema de depósito de datos. Por ejemplo, estas tablas de búsqueda pueden implementarse en una memoria de sólo lectura, memoria de acceso aleatorio, memoria flash, bases de datos relacionales o cualquier otra forma de memoria sin apartarse del alcance de la presente divulgación. Además, estas tablas de búsqueda se pueden almacenar en un único depósito de datos o en depósitos de datos individuales.
[0062] Los bucles de velocidad del rotor convencionales típicamente ignoran parámetros tales como la velocidad de la parte superior de la torre (Xfa) y el ángulo de pitch calculado por el bucle de amortiguación de torre (6twr) mientras se determina el ángulo de pitch para controlar la velocidad del rotor. Dicho desprecio puede inducir una amplificación de energía en el rotor a las frecuencias de resonancia de la torre. La amplificación de energía repentina puede ser perjudicial para el rotor, el tren de transmisión y el generador. Además, el análisis lineal revela que la interdependencia entre la dinámica del rotor y la dinámica de la torre da como resultado una dinámica del rotor inestable. El bucle de velocidad del rotor ejemplar del sistema de control de pitch de la presente divulgación reduce/elimina eficazmente los efectos de la dinámica de la torre sobre la dinámica del rotor y, por lo tanto, reduce la amplificación de energía en el rotor a la resonancia de la torre. Además, el sistema de control de pitch ejemplar puede emplearse para estabilizar la dinámica del rotor. Además, las cargas de fatiga experimentadas por las turbinas eólicas también pueden reducirse de modo que las cargas de fatiga estén dentro de los límites de trabajo deseados. Por ejemplo, los sistemas y procedimientos descritos aquí pueden reducir la fatiga de la torre en aproximadamente un 17 %. Si bien solo determinadas características de la invención se han ilustrado y descrito en el presente documento, a los expertos en la técnica se les ocurrirán muchas modificaciones y cambios.

Claims (4)

REIVINDICACIONES
1. Una turbina eólica (100), que comprende:
un rotor (104), que comprende una o más palas de rotor (106);
una torre (102) acoplada operativamente al rotor (104);
un sistema de control de pitch (116) configurado para reducir las oscilaciones (114) de la torre (102) en la turbina eólica (100), comprendiendo el sistema de control de pitch (116):
una unidad de rotor (502) configurada para determinar una velocidad del rotor; una unidad de torre (504) configurada para determinar al menos una de una velocidad de la parte superior de la torre y un segundo ángulo de pitch;
una unidad de desacoplamiento (510) configurada para determinar una velocidad del rotor modificada en base a al menos una de la velocidad de la parte superior de la torre y el segundo ángulo de pitch, comprendiendo la unidad de desacoplamiento:
una unidad de cálculo (514) para determinar un primer componente de velocidad del rotor en base a la velocidad de la parte superior de la torre y un segundo componente de velocidad del rotor en base al segundo ángulo de pitch; y
una unidad de sustracción (516) configurada para deducir una combinación del primer componente de velocidad del rotor y el segundo componente de velocidad del rotor de la velocidad del rotor, para determinar la velocidad del rotor modificada; y un controlador (506) configurado para determinar un primer ángulo de pitch en base a la velocidad del rotor modificada; en la que
la unidad de rotor (502) comprende además un accionador de pitch configurado para pitchear una o más palas (106) de la turbina eólica en base al primer ángulo de pitch; en la que
la unidad de cálculo (514) está configurada además para determinar el primer componente de velocidad del rotor y el segundo componente de velocidad del rotor utilizando un modelo lineal de dinámica del rotor, en el que el modelo lineal está representado por:
Figure imgf000013_0001
o aproximaciones de la misma, donde J r es el momento de inercia de un rotor, S ú rc es una combinación del primer componente de velocidad del rotor y el segundo componente de velocidad del rotor, Swrc es la tasa de cambio de la combinación del primer componente de velocidad del rotor y el segundo componente de velocidad del rotor, 8Xfa es la velocidad de la parte superior de la torre y 89 tw r es el segundo ángulo de pitch.
2. La turbina eólica (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el sistema de control de pitch (116) comprende, además:
una unidad de amortiguación de torre (508) configurada para determinar el segundo ángulo de pitch y
un sumador (512) configurado para combinar el primer ángulo de pitch y el segundo ángulo de pitch para generar un ángulo de pitch combinado.
3. La turbina eólica (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la unidad de cálculo (514) está configurada para:
recibir la velocidad de la parte superior de la torre desde la unidad de rotor (502);
recibir el segundo ángulo de pitch desde la unidad de amortiguación de torre (504).
4. La turbina eólica (100) de acuerdo con la reivindicación 2, en la que
el accionador de pitch está configurado además para pitchear una o más palas de la turbina eólica (100) en base al ángulo de pitch combinado.
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