ES2899983T3 - Método para la monitorización de aerogeneradores - Google Patents

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Abstract

Métodos de monitorización de aerogeneradores (11) de velocidad variable que comprenden medios de control para una regulación por "pitch" siguiendo una curva de potencia vs. velocidad del generador (21) en función de la velocidad del viento expresada por una función de transferencia (TF) aplicada a la velocidad del viento medida por un sensor de viento situado en una ubicación en la que el flujo del viento está distorsionado, que comprenden los siguientes pasos: a) proporcionar una función de relación óptima (F

Description

DESCRIPCIÓN
Método para la monitorización de aerogeneradores
La invención se refiere a métodos de monitorización de aerogeneradores y, más en particular, a métodos de monitorización de la Función de Transferencia de la velocidad del viento.
Antecedentes
Los aerogeneradores son dispositivos que convierten energía del viento en energía eléctrica. Un aerogenerador típico incluye una góndola montada sobre un alojamiento de torre, un tren de potencia para transmitir la rotación de un rotor a un generador eléctrico y otros componentes tales como un mecanismo de orientación que orienta el aerogenerador, varios accionadores y sensores y un freno. El rotor soporta varias palas que se extienden radialmente desde el mismo para capturar la energía cinética del viento y causan un movimiento rotatorio del tren de potencia. Las palas del rotor tienen una forma aerodinámica de manera que cuando el viento pasa a través de la superficie de la pala se genera una fuerza ascensional que causa la rotación de un eje al que está conectado, directamente o a través de una disposición de multiplicación, al generador eléctrico situado dentro de la góndola. La cantidad de energía producida por los aerogeneradores depende de la superficie de barrido de las palas del rotor que recibe la acción del viento y, consecuentemente, el incremento de la longitud de las palas implica normalmente un incremento de la producción de energía del aerogenerador.
Bajo métodos de control conocidos, la energía producida por un aerogenerador se incrementa con la velocidad del viento hasta que se alcanza una producción de energía nominal homologada y a partir de ahí se mantiene constante. En aerogeneradores regulados por el paso (“piteh”), eso se hace regulando la acción de cambio de paso de las palas de manera se optimice la captura de energía independientemente de la velocidad del viento.
La velocidad del viento es pues un parámetro de control importante para el funcionamiento de aerogeneradores de velocidad variable. En muchos de los aerogeneradores ya instalados, la velocidad del viento usada por el sistema de control del aerogenerador es la velocidad de viento calculada aplicando una Función de Transferencia (en adelante TF) a la velocidad del viento medida por un anemómetro situado en la góndola del aerogenerador.
La TF se define como la función que expresa la velocidad de la corriente libre del viento como una función de la velocidad del viento medida por el sensor de viento utilizado por el sistema de control del aerogenerador. Esta función está destinada a la corrección del efecto del rotor del aerogenerador y la distorsión de flujo alrededor del aerogenerador. La TF depende de las características del aerogenerador, del modelo y la localización del sensor de viento, y de las características del viento en el sitio del aerogenerador.
Como el flujo de viento alrededor de la góndola resulta distorsionado por el rotor del aerogenerador y la góndola, es muy importante aplicar una TF apropiada para corregir la distorsión del flujo.
Para obtener la TF apropiada debe medirse la velocidad del viento libre delante del rotor del aerogenerador (usando un anemómetro de cazoleta o un anemómetro sónico instalado en un mástil meteorológico, o un sensor remoto de la velocidad del viento, o mediante otros medios, incluyendo una calibración local si es necesario) y la velocidad del viento medida por el anemómetro del aerogenerador. La función de correlación obtenida, después del correspondiente análisis de los datos y el rechazo de los datos inválidos, es la que debe aplicarse a los datos proporcionados por el anemómetro del aerogenerador para obtener la velocidad real del viento delante del rotor del aerogenerador.
Un método conocido para obtener una TF apropiada para un aerogenerador sin medir la velocidad del viento libre delante del aerogenerador es el método de calibración de anemómetro descrito en el documento US 2008/0307853 que comprende las etapas de obtener pares de mediciones de la velocidad del viento y de una variable del aerogenerador dependiente de la velocidad del viento, comparar dichos pares de valores medidos con pares de la velocidad del viento y de la variable del aerogenerador obtenidos de una curva esperada de dicha variable del aerogenerador para determinar una diferencia entre el valor medido de la velocidad del viento y el valor esperado de la velocidad del viento para un valor de variable del aerogenerador dado, y ajustar una función de calibración de dicho anemómetro en base a dicha diferencia determinada.
El documento JP2002048050 describe un método para restringir la fluctuación de la energía de generación sin un retardo de la respuesta en un método y un dispositivo para controlar el ángulo de paso de una central eólica.
Aunque se conoce la importancia de utilizar una TF apropiada para optimizar la producción de energía por aerogeneradores, entre los métodos de monitorización conocidos para evaluar diferentes aspectos del rendim ie nto de los aerogeneradores no se encuentra ningún método específico para monitorizar la TF aplicada a un aerogenerador.
Esta invención está dirigida a la solución de ese problema utilizando medios de control conocidos de manera que pueda implementarse en los aerogeneradores que ya están instalados.
Sumario de la invención
Es un objeto de la presente invención proporcionar un método de monitorización del rendimiento de un aerogenerador controlado p or “pitch”.
Es otro objeto de la presente invención proporcionar un método de monitorización de la TF aplicada a un aerogenerador controlado por “pitch”.
Estos y otros objetos se consiguen proporcionando un método de monitorización de un aerogenerador de velocidad variable que comprende medios de control para una regulación por “pitch” siguiendo una curva de pot encia vs. velocidad del generador en función de la velocidad del viento expresada por una TF aplicada a la velocidad del viento medida por un sensor de viento situado en una ubicación en la que el flujo del viento está distorsionado, que comprende las siguientes etapas:
a) Proporcionar una función de relación óptima F1 entre una variable V dependiente de la velocidad del viento y una variable P dependiente del rendimiento del aerogenerador.
b) Medir continuamente dicha variable V dependiente de la velocidad del viento y dicha variable P dependiente del rendimiento del aerogenerador y obtener una función de relación F2 entre ellas.
c) Obtener continuamente un parámetro D indicativo de las diferencias entre dichas funciones de relación F1, F2. d) Generar un mensaje de aviso cuando el valor de dicho parámetro D es mayor de un valor predeterminado.
En una realización preferente, en dicha etapa b) dicha función de relación F2 se obtiene usando valores promediados de dichas variables V, P en períodos de al menos 10 minutos. Se consigue con ello un método que asegura que los datos usados para obtener dicha función de relación F2 no están influenciados por fluctuaciones temporales.
En otra realización preferente, en dicha etapa c) dicho parámetro D se obtiene para las diferencias entre dichas funciones de relación F1, F2 en un rango predeterminado de valores de una de dichas variables V, P. Se consigue con ello un método aplicable únicamente a un rango seleccionado de una de dichas variables donde debe esperarse una mejor detección de dichas diferencias.
En otra realización preferente, dicha variable V dependiente de la velocidad del viento es el ángulo de paso de pala y dicha variable P dependiente del rendimiento del aerogenerador es la velocidad del generador. Se consigue con ello un método que usa un par de variables particularmente relevantes para mostrar las diferencias entre dichas funciones de relación F1, F2 porque, en particular, hay un rango significativo de velocidades del viento en el que el ángulo de paso de pala debe permanecer constante (en promedios estadísticos de 10 minutos) en condiciones óptimas de rendimiento, permitiendo por tanto una fácil detección de desviaciones cuando se usa una TF inapropiada o cuando el aerogenerador tiene otro problema.
En otra realización preferente, la TF implementada en los medios de control del aerogenerador es una TFv prevalidada. Se consigue con ello un método apropiado para detectar problemas diferentes al uso de una TF inapropiada en el aerogenerador.
Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la siguiente descripción detallada en relación con las figuras que se acompañan.
Breve descripción de las figuras
La Figura 1 muestra esquemáticamente los componentes principales de un aerogenerador.
La Figura 2 muestra una curva Potencia vs. Velocidad del generador de la técnica anterior que se usa para controlar aerogeneradores de velocidad variable.
La Figura 3 muestra una curva típica Potencia vs. Velocidad del viento.
La Figura 4 muestra una función de relación óptima F1 entre la velocidad de ángulo de paso de pala y la ve locidad del generador en el aerogenerador que está siendo monitorizado.
La Figura 5 muestra una función de relación F2 entre el ángulo de paso de pala y la velocidad del generador obtenida en el aerogenerador en funcionamiento que está siendo monitorizado.
Descripción detallada de realizaciones preferidas
Un aerogenerador 11 convencional comprende una torre 13 que soporta una góndola 21 que alberga un generador 19 para convertir la energía rotacional del rotor del aerogenerador en energía eléctrica. El rotor del aerogenerador comprende un buje 15 de rotor y, normalmente, tres palas 17. El buje 15 de rotor está conectado o bien directamente o bien a través de una multiplicadora al generador 19 del aerogenerador para transferir el par motor generado por el rotor 15 al generador 19 y aumentar la velocidad del eje a fin de alcanzar una velocidad rotacional apropiada del rotor del generador.
La producción de energía por un aerogenerador moderno está controlada normalmente por medio de un sistem a de control para regular el ángulo de paso de las palas del rotor y el par motor del generador. La velocidad rotacional del rotor y la producción de energía de un aerogenerador pueden ser pues controladas inicialmente, es decir, antes de una transferencia de energía a una red de distribución eléctrica a través de un convertidor. En esta descripción se hace referencia a un ángulo de paso de pala común para todas las palas del rotor pero el experto en la materia apreciará fácilmente que esta invención también es aplicable a aerogeneradores con medios individuales para controlar el ángulo de paso de cada pala del rotor.
El objetivo básico de los métodos de funcionamiento de aerogeneradores de velocidad variable es alcanzar un funcionamiento con la producción aerodinámicamente ideal el mayor tiempo posible.
Como es sabido, la energía cinética asociada con el viento entrante depende del área barrida por las palas de roto r, de la densidad del aire y del cubo de la velocidad del viento y se considera que los aerogeneradores pueden extraer hasta el 59% de dicha energía. Por ello, se representa la capacidad de cada aerogenerador para aproximarse a dicho límite por el llamado coeficiente de potencia Cp que está determinado por sus características aerodinámicas, particularmente por el ratio X de su velocidad en la punta que se define como la relación entre la velocidad tangencial de la punta de la pala y la velocidad del viento incidente. Si se mantiene ese ratio en su valor óptimo, de manera que la velocidad del rotor sigue a la velocidad del viento, se obtiene el máximo coeficiente de potencia Cp del aerogenerador consiguiendo una conversión de energía muy eficiente.
La estrategia de control usada generalmente en los aerogeneradores de velocidad variable está basada en a justar eléctricamente el par motor del generador para alcanzar la máxima producción y esto se lleva a cabo usando un controlador que recibe señales que indican la velocidad del generador y la potencia producida por el generador y que proporciona una señal de referencia del par motor al convertidor para obtener la potencia requerida.
Consecuentemente, el controlador del aerogenerador usa una curva que define la relación funcional deseable entre potencia y velocidad para alcanzar la producción ideal.
Para una mejor comprensión de la presente invención, se hace seguidamente una breve descripción de una típica curva 21 potencia vs. velocidad mostrada en la Figura 2.
Esta curva comprende una primera zona 23 subnominal en la que la velocidad del viento alcanza el nivel mínimo para comenzar el funcionamiento del aerogenerador. En esta zona, el control del aerogenerador es limitado ya que el aerogenerador no puede capturar la máxima energía. La segunda zona 25 subnominal corresponde a bajas velocidades del viento en las que la velocidad del generador se incrementa y el aerogenerador funciona con un óptimo coeficiente de potencia Cp. La tercera zona 27 subnominal corresponde a velocidades medias del viento en las que se mantiene constante la velocidad del generador nr1 mientras la potencia se incrementa hasta la potencia nominal. En esta zona el ángulo de paso es fijo y la velocidad del generador se controla a través del par motor. En la zona 29 nominal, tiene lugar el funcionamiento del aerogenerador a plena carga bajo el control del paso para evitar sobrecargas.
En condiciones ideales, la curva de potencia promedio resultante será la curva 31 de la Figura 3 pero si la TF no proporciona un valor correcto de velocidad de la corriente libre del viento habrá pérdidas de energía respecto a la producción ideal de energía.
La TF aplicada inicialmente a un aerogenerador es normalmente una TF obtenida en una posición del aerogenerador diferente de la posición de trabajo del aerogenerador. La TF depende, entre otras variables, de las condiciones del viento (intensidad de la turbulencia, componente vertical de la velocidad del viento) y de características topográficas de la ubicación del aerogenerador. Como estas variables pueden variar de una posición del aerogenerador a otra posición del aerogenerador incluso a una distancia de pocos metros entre ellas, puede suceder que la TF aplicada inicialmente a un aerogenerador no sea la más apropiada para su ubicación con la consecuencia de que el rendimiento del aerogenerador estará por debajo de su nivel óptimo.
La idea básica de esta invención es proporcionar un método de monitorización de la TF basado en la relación entre una variable V dependiente de la velocidad del viento y una variable P dependiente del rendimiento del aerogenerador. Cuando la TF no estima correctamente la velocidad del viento delante del rotor, la relación entre dichas variables V, P no es la óptima. Así pues se puede monitorizar si el aerogenerador está trabajando o no con la TF apropiada comparando los valores esperados de dichas variables V, P con los valores medidos de dichas variables V, P en el aerogenerador.
Variables V apropiadas son las siguientes: velocidad del viento, ángulo de paso de la pala o cualquier otra variable relacionada con la velocidad del viento medida por el sensor de viento.
Variables P apropiadas son las siguientes: velocidad del generador, energía producida, par motor, velocidad del rotor o cualquier otra variable relacionada con el rendimiento del aerogenerador.
En una realización preferente de esta invención, se ha encontrado que el par, ángulo de paso de pala como la variable V dependiente de la velocidad del viento y la velocidad del generador como la variable P dependiente del rendimiento del generador, es particularmente apropiado para detectar desviaciones de la TF.
La primera etapa de un método de monitorización según una realización preferente de la presente invención es por tanto proporcionar una función de relación óptima F1 (es decir, una relación con una TF apropiada) entre el ángulo de paso de pala y la velocidad del generador, tal como la función F1 ilustrada en la Figura 4.
Dicha función F1 se obtiene como la función entre dichas variables resultante de un comportamiento teórico del aerogenerador. Como puede advertirse fácilmente la función F1 de la Figura 4 y la curva 21 potencia vs. velocidad del generador de la Figura 3 muestran vistas diferentes del comportamiento teórico del aerogenerador.
En la segunda etapa de un método de monitorización según la presente invención, los valores del ángulo de paso de pala y de la velocidad del generador se miden continuamente y se obtiene la función de relación F2 entre ellos como la función F2 de la Figura 5 (que ilustra una relación con una t F inapropiada).
Los valores del ángulo de paso de pala y de la velocidad del generador deben medirse tan frecuentemente como sea posible, típicamente 1 Hz y se calculan unos valores promediados, por ejemplo los valores promediados de 10 minutos. Estos valores promediados de las dos variables ángulo de paso de pala y velocidad del generador se usan para obtener la función F2.
En el marco de la presente invención, las funciones F1 y F2 mencionadas anteriormente deben entenderse en sentido amplio incluyendo por ejemplo conjuntos de pares de valores de ángulo de paso de pala y velocidad del generador y funciones matemáticas obtenidas mediante un análisis de regresión de dichos datos.
En el tercer paso de un método de monitorización según la presente invención, se obtiene continuamente un parámetro D indicativo de las diferencias entre dichas funciones F1, F2 utilizando herramientas matemáticas convencionales y datos filtrados después de eliminar valores no significativos.
Dicho parámetro D puede ser obtenido como un valor promediado para un período predeterminado (por ejemplo, una hora o un día) que también es útil para análisis de tendencias.
Dicho parámetro D también puede ser obtenido para un rango predeterminado de valores, por ejemplo en referencia a las Figuras 4 y 5, solo para pares de valores en los que la velocidad del generador esté comprendida entre G3-G5 donde debe esperarse una clara diferencia entre F1 y F2 cuando el aerogenerador está usando una TF inapropiada. Esa diferencia puede apreciarse gráficamente comparando las Figuras 4 y 5. El valor esperado para el ángulo de paso de pala tiene un valor constante P2 mientras que su valor real, cuando el aerogenerador usa una TF inapropiada, es mayor de P3.
En la cuarta etapa de un método de monitorización según la presente invención se genera un mensaje de aviso cuando el valor de dicho parámetro D es mayor de un valor predeterminado que debe ser establecido para cada modelo de aerogenerador.
Tras la detección de una diferencia relevante entre dichas funciones F1, F2, la TF debe ser corregida para maximizar el rendimiento de potencia del aerogenerador según alguno de los métodos conocidos que se mencionaron en los Antecedentes.
Puede suceder que ejecutando el método de monitorización de esta invención utilizando una TFv validada haya todavía diferencias relevantes entre dichas funciones F1, F2 debido a razones tales como desalineaciones del aerogenerador o problemas mecánicos en el aerogenerador. De esta manera, puede usarse el método de monitorización según la presente invención para detectar dichos problemas.
Como entenderá fácilmente el experto en la materia, este método puede ser implementado en el SCADA del aerogenerador para monitorizar el rendimiento del aerogenerador y enviar mensaj es de aviso para advertir que el aerogenerador no está trabajando en óptimas condiciones. La detección de este tipo de problemas puede evitar un decremento significativo del rendimiento energético del aerogenerador.
Aunque la presente invención se ha descrito enteramente en conexión con realizaciones preferidas, es evidente que se pueden introducir modificaciones dentro de su alcance, no considerando esto como limitado por las anteriores realizaciones, sino por el contenido de las reivindicaciones siguientes.

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Método de monitorización de un aerogenerador (11) de velocidad variable que comprende medios de control para una regulación por “piteh” siguiendo una curva de potencia vs. velocidad del generador (21) en función de la velocidad del viento expresada por una función de transferencia (TF) aplicada a la velocidad del viento medida por un sensor de viento situado en una ubicación en la que el flujo del viento está distorsionado, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
a) proporcionar una función de relación óptima (F1) entre una variable (V) dependiente de la velocidad del viento y una variable (P) dependiente del rendimiento del aerogenerador;
b) medir continuamente dicha variable (V) dependiente de la velocidad del viento y dicha variable (P) dependiente del rendimiento del aerogenerador y obtener una función de relación (F2) entre ellas;
c) obtener continuamente un parámetro (D) indicativo de las diferencias entre dichas funciones de relación (F1, F2);
d) generar un mensaje de aviso cuando el valor de dicho parámetro (D) es mayor de un valor predeterminado.
2. Método de monitorización de un aerogenerador (11) de velocidad variable según la reivindicación 1, caracterizado porque en dicha etapa b) dicha función de relación (F2) se obtiene usando valores promediados de dichas variables (V, P) en períodos de al menos 10 minutos.
3. Método de monitorización de un aerogenerador (11) de velocidad variable según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado porque en dicha etapa c) dicho parámetro (D) se obtiene para las diferencias entre dichas funciones de relación (F1, F2) en un rango predeterminado de valores de una de dichas variables (V, P).
4. Método de monitorización de un aerogenerador (11) de velocidad variable según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque dicha variable (V) dependiente de la velocidad del viento es el ángulo de paso de pala y dicha variable (P) dependiente del rendimiento del aerogenerador es la velocidad del generador.
5. Método de monitorización de un aerogenerador (11) de velocidad variable según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque la función de transferencia (TF) implementada en los medios de control del aerogenerador es una función de transferencia prevalidada (tFv).
6. Un aerogenerador (11) de velocidad variable que comprende medios para realizar un método de monitorización según cualquiera de las reivindicaciones 1 -5.
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