ES2902370T3 - Amortiguación de torre en la producción de potencia de turbina eólica - Google Patents

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Abstract

Un método que comprende: generar, usando al menos una primera señal de sensor, una primera señal de referencia de paso (255) para una o más palas de rotor de una turbina eólica durante el funcionamiento de carga parcial; determinar, usando al menos una segunda señal de sensor, información de estado dinámico para una torre de la turbina eólica; generar una segunda señal de referencia de paso (510) adaptando la primera señal de referencia de paso usando la información de estado dinámico; seleccionar una señal de referencia de paso máximo de la segunda señal de referencia de paso (510) y una señal de referencia de paso de saturación (515); y comunicar la señal de referencia de paso máximo (520) para controlar un paso de las una o más palas de rotor.

Description

DESCRIPCIÓN
Amortiguación de torre en la producción de potencia de turbina eólica
Antecedentes
Campo de la invención
Las realizaciones presentadas en esta divulgación generalmente se refieren a turbinas eólicas y, más específicamente, a controlar la producción de potencia de una turbina eólica usando información de estado dinámico para una torre de la turbina eólica.
Descripción de la técnica relacionada
Las turbinas eólicas normalmente comprenden una torre y una góndola ubicada en la parte superior de la torre. Las torres más altas son generalmente beneficiosas para producir mayores cantidades de energía eléctrica con la turbina eólica, ya que una torre más alta puede soportar el uso de un rotor de mayor diámetro y/o disponer el rotor más lejos de los efectos negativos en flujo de viento libre que se producen cerca del suelo (como resistencia de suelo y turbulencia).
Las torres más altas tienden a ser más flexibles, lo que puede dar lugar a interacciones dinámicas entre el movimiento de torre y la velocidad de rotor. Por ejemplo, la velocidad del viento (y el par de fuerzas aerodinámico) que experimenta el rotor está influenciada por el movimiento de la parte superior de la torre. La producción de potencia de la turbina eólica puede controlarse regulando el paso de las palas de turbina eólica para contrarrestar el par de fuerzas aerodinámico. La regulación de paso de las palas de turbina eólica influye en las fuerzas que actúan sobre la torre y, por lo tanto, el movimiento de la parte superior de la torre, lo que a su vez afecta la velocidad del viento experimentada y el par de fuerzas aerodinámico. En algunos casos, las interacciones dinámicas pueden introducir inestabilidad en el control de la turbina eólica.
Los documentos EP 1952 017 A1, EP 1719 910 A1 y EP 2 679 810 A2 muestran ejemplos de turbinas eólicas con control de paso destinadas a proporcionar amortiguación estructural a turbinas eólicas.
Sumario
Una realización de la presente divulgación es un método que comprende generar, usando al menos una primera señal de sensor, una primera señal de referencia de paso para una o más palas de rotor de una turbina eólica durante el funcionamiento de carga parcial. El método comprende además determinar, usando al menos una segunda señal de sensor, información de estado dinámico para una torre de la turbina eólica. El método comprende además generar una segunda señal de referencia de paso adaptando la primera señal de referencia de paso usando la información de estado dinámico. El método comprende además seleccionar una señal de referencia de paso máximo de la segunda señal de referencia de paso y una señal de referencia de paso de saturación. El método comprende además comunicar la señal de referencia de paso máximo para controlar un paso de las una o más palas de rotor.
Beneficiosamente, el método permite mitigar una inestabilidad introducida en el control de la turbina eólica que resulta de interacciones dinámicas que se producen entre el rotor y la torre. Además, teniendo en cuenta los efectos de la dinámica de rotor y/o la relación rotor-viento, la turbina eólica puede ajustarse de manera más enérgica, lo que da como resultado una mayor producción de energía de la que sería posible de otro modo.
Otra realización descrita en el presente documento es un controlador para una turbina eólica, comprendiendo el controlador uno o más procesadores informáticos, y una memoria que comprende código legible por ordenador que, cuando se ejecuta usando el uno o más procesadores informáticos, realiza una operación. La operación comprende generar, usando al menos una primera señal de sensor, una primera señal de referencia de paso para una o más palas de rotor de la turbina eólica durante el funcionamiento de carga parcial. La operación comprende además determinar, usando al menos una segunda señal de sensor, información de estado dinámico para una torre de la turbina eólica. La operación comprende además generar una segunda señal de referencia de paso adaptando la primera señal de referencia de paso usando la información de estado dinámico. La operación comprende además seleccionar una señal de referencia de paso máximo de la segunda señal de referencia de paso y una señal de referencia de paso de saturación. La operación comprende además comunicar la señal de referencia de paso máximo para controlar un paso de las una o más palas de rotor.
Beneficiosamente, el controlador permite mitigar una inestabilidad introducida en el control de la turbina eólica que resulta de interacciones dinámicas que se producen entre el rotor y la torre. Además, teniendo en cuenta los efectos de la dinámica de rotor y/o la relación rotor-viento, la turbina eólica puede ajustarse de manera más enérgica, lo que da como resultado una mayor producción de potencia de la que sería posible de otro modo.
Breve descripción de los dibujos
Para que la manera en la que las características mencionadas anteriormente de la presente descripción puedan entenderse en detalle, una descripción más particular de la divulgación, brevemente resumida anteriormente, puede tenerse por referencia a realizaciones, algunas de las cuales se ilustran en los dibujos adjuntos. Debe observarse, sin embargo, que los dibujos adjuntos ilustran solo realizaciones típicas de esta divulgación y, por lo tanto, no deben considerarse limitantes de su alcance, puesto que la divulgación puede admitir otras realizaciones igualmente efectivas.
La figura 1 ilustra una vista esquemática de una turbina eólica a modo de ejemplo, según una o más realizaciones.
La figura 2 es un diagrama de bloques de una turbina eólica a modo de ejemplo, según una o más realizaciones.
La figura 3 es un diagrama de bloques que ilustra el control de una velocidad de rotación de un rotor de turbina eólica usando información de estado dinámico de una torre de turbina eólica, según una o más realizaciones.
La figura 4 es un diagrama de bloques que ilustra la determinación de valores de ganancia de bucle de control usando información de estado dinámico de una torre de turbina eólica, según una o más realizaciones.
La figura 5 es un diagrama de bloques que ilustra la adaptación de una señal de referencia de paso durante el funcionamiento de carga parcial, según una o más realizaciones.
La figura 6 ilustra un método a modo de ejemplo para controlar una velocidad de rotación de un rotor de turbina eólica usando información de estado dinámico de una torre de turbina eólica, según una o más realizaciones.
La figura 7 ilustra un método a modo de ejemplo para adaptar una señal de referencia de paso durante el funcionamiento de carga parcial, según una o más realizaciones.
Para facilitar la comprensión, se han usado números de referencia idénticos, donde es posible, para designar elementos idénticos que son comunes a las figuras. Se contempla que los elementos dados a conocer en una realización pueden utilizarse beneficiosamente en otras realizaciones sin mención específica.
Descripción de realizaciones de ejemplo
Las realizaciones dadas a conocer en el presente documento describen técnicas para adquirir información de estado dinámico para una torre de una turbina eólica durante la producción de potencia, y para controlar el funcionamiento de la turbina eólica basándose en la información de estado dinámico.
La figura 1 ilustra una vista esquemática de una turbina eólica 100 a modo de ejemplo. Aunque la turbina eólica 100 se ilustra como una turbina eólica de eje horizontal, los principios y técnicas descritos en el presente documento pueden aplicarse a otras implementaciones de turbina eólica, tales como turbinas eólicas de eje vertical. La turbina eólica 100 normalmente comprende una torre 102 y una góndola 104 ubicada en la parte superior de la torre 102. Un rotor 106 puede estar conectado con la góndola 104 a través de un árbol de baja velocidad que se extiende fuera de la góndola 104. Como se muestra, el rotor 106 comprende tres palas de rotor 108 montadas en un buje común 110 que rotan en un plano de rotor, pero el rotor 106 puede comprender cualquier número adecuado de palas, tal como una, dos, cuatro, cinco o más palas. Las palas 108 (o perfil aerodinámico) normalmente tienen cada una una forma aerodinámica con un borde de ataque 112 para orientarse en contra del viento, un borde de salida 114 en el extremo opuesto de una cuerda para las palas 108, una punta 116 y una raíz 118 para unirse al buje 110 de cualquier manera adecuada.
Para algunas realizaciones, las palas 108 pueden estar conectadas al buje 110 usando cojinetes de paso 120, de tal manera que cada pala 108 puede hacerse rotar alrededor de su eje longitudinal para ajustar el paso de la pala. El ángulo de paso de una pala 108 con respecto al plano de rotor puede controlarse mediante accionadores lineales, accionadores hidráulicos, o motores paso a paso, por ejemplo, conectados entre el buje 110 y las palas 108.
Aunque no se representa en la figura 1, implementaciones alternativas de la turbina eólica 100 pueden incluir múltiples rotores 106 conectados con la góndola 104 (o con múltiples góndolas 104). En tales implementaciones, la torre 102 puede comprender uno o más elementos estructurales que están configurados para dotar a los múltiples rotores 106 de una disposición deseada (por ejemplo, con planos de rotor no superpuestos).
La figura 2 es un diagrama de bloques de una turbina eólica 200 a modo de ejemplo, según una o más realizaciones. La turbina eólica 200 puede usarse junto con otras realizaciones descritas en el presente documento. Por ejemplo, la turbina eólica 200 representa una posible implementación de la turbina eólica 100 ilustrada en la figura 1. La turbina eólica 200 comprende un controlador 205 acoplado con un controlador de paso 210 y con un generador de turbina eólica 215. El controlador 205 está configurado para recibir una o más señales de sensor 280, y generar una o más señales de control para controlar una velocidad de rotación de un rotor de la turbina eólica 200.
El controlador 205 comprende uno o más procesadores informáticos (o “procesadores”) y una memoria. El uno o más procesadores representan cualquier número de elementos de procesamiento, de los que cada uno puede incluir cualquier número de núcleos de procesamiento. Algunos ejemplos no limitantes del uno o más procesadores incluyen un microprocesador, un procesador de señal digital (DSP), un chip integrado específico de aplicación (ASIC), y una matriz de puertas programable en campo (FPGA), o combinaciones de los mismos.
La memoria puede incluir elementos de memoria volátil (tales como memoria de acceso aleatorio), elementos de memoria no volátil (tales como almacenamiento basado en estado sólido, magnético, óptico, o flash), y combinaciones de los mismos. Además, la memoria puede distribuirse a través de diferentes medios (por ejemplo, almacenamiento en red o discos duros externos). La memoria puede incluir una pluralidad de “módulos” para realizar diversas funciones descritas en el presente documento. En una realización, cada módulo incluye código de programa que es ejecutable por uno o más de los procesadores. Sin embargo, otras realizaciones pueden incluir módulos que se implementan parcial o totalmente en hardware (es decir, conjunto de circuitos) o firmware.
La una o más señales de sensor 280 pueden comprender cualquier información adecuada relacionada con la dinámica de rotor y/o la dinámica de torre. En un ejemplo no limitante, las una o más señales de sensor 280 comprenden una velocidad de generador del generador de turbina eólica 215 y una aceleración de torre.
En algunas realizaciones, el controlador 205 comprende un módulo de control de carga completa 225, un módulo de control de carga parcial 230, y un módulo de amortiguación de torre 235. El módulo de control de carga completa 225 está configurado para controlar la producción de potencia por el generador de turbina eólica 215 durante condiciones de viento que son adecuadas para producir al menos una potencia nominal de la turbina eólica 200. El módulo de control de carga parcial 230 está configurado para controlar la producción de potencia por el generador de turbina eólica 215 durante condiciones de viento que no son adecuadas para producir la potencia nominal de la turbina eólica 200. Por ejemplo, el módulo de control de carga completa 225 puede controlar la producción de potencia cuando una velocidad de viento medida es mayor o igual que una velocidad de viento nominal de la turbina eólica 200, y el módulo de control de carga parcial 230 puede controlar la producción de potencia cuando la velocidad de viento medida es menor que la velocidad de viento nominal.
El generador de turbina eólica 215 puede tener cualquier implementación adecuada, tal como un generador síncrono, un generador de inducción, un generador de imanes permanentes, etcétera. Además, el generador de turbina eólica 215 puede configurarse como un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG), para conversión de potencia a gran escala, etcétera.
En algunas realizaciones, el módulo de control de carga completa 225 se hace funcionar para controlar un paso de las una o más palas de rotor para evitar condiciones no deseadas de la turbina eólica 200. Por ejemplo, el módulo de control de carga completa 225 puede regular el paso de las palas del rotor a favor del viento para impedir que el generador de turbina eólica 215 tenga una condición de exceso de velocidad. En algunas realizaciones, el módulo de control de carga parcial 230 se hace funcionar para controlar un paso de las una o más palas de rotor a un ángulo de paso óptimo. Aunque el generador de turbina eólica 215 no puede producir la potencia nominal mientras que funciona en el régimen de control de carga parcial, el ángulo de paso óptimo permite que se capture una cantidad máxima de energía del viento mientras aumenta la velocidad de generador de turbina eólica 215. Como se mencionó anteriormente, el controlador 205 puede pasar del régimen de control de carga parcial al régimen de control de carga completa cuando la velocidad de viento medida alcanza una velocidad de viento nominal de la turbina eólica.
En algunas realizaciones, el módulo de control de carga completa 225 y el módulo de control de carga parcial 230 pueden implementarse dentro de un controlador de velocidad de rotor 220. El controlador de velocidad de rotor 220 generalmente responde a la dinámica de rotor y puede ser insensible a o independiente de la dinámica de torre. El controlador de velocidad de rotor 220 puede comprender además lógica de conmutación configurada para determinar cuándo conmutar entre los respectivos regímenes de control proporcionados por el módulo de control de carga completa 225 y el módulo de control de carga parcial 230. En algunas realizaciones, la lógica de conmutación recibe la velocidad de viento medida como entrada y puede recibir información tanto de las condiciones de viento como de las condiciones de turbina eólica.
El módulo de amortiguación de torre 235 está configurado para determinar la información de estado dinámico (información de estado 240) para una torre de la turbina eólica 200, y generar una o más señales de control para controlar la velocidad de rotación del rotor. En algunas realizaciones, la información de estado 240 comprende una o más de información de aceleración, información de velocidad, e información de posición para la torre a lo largo de una o más dimensiones adecuadas. En algunas realizaciones, los sensores 250 incluyen un acelerómetro dispuesto en una ubicación de referencia de la torre, y las una o más señales de sensor 280 comprenden información de aceleración proporcionada por el acelerómetro. Por ejemplo, el acelerómetro puede estar dispuesto en la parte superior de la torre, aunque también son posibles otras ubicaciones. En algunas realizaciones, el módulo de amortiguación de torre 235 está configurado para generar información de velocidad y/o información de posición usando la información de aceleración recibida. En otras realizaciones, los sensores 250 pueden comprender uno o más sensores que están configurados para medir directamente la información de velocidad y/o la información de posición para la torre, que puede proporcionarse al módulo de amortiguación de torre 235.
En algunas realizaciones, la información de estado 240 comprende una frecuencia de torre 245 a lo largo de una o más dimensiones adecuadas. La frecuencia de torre 245 puede comprender una frecuencia fundamental de la torre. Algunos ejemplos no limitantes de las dimensiones adecuadas incluyen una dimensión hacia adelante y hacia atrás que generalmente corresponde a la dirección del viento en la turbina eólica 200 (por ejemplo, suponiendo que el rotor se somete a guiñada para alinearse con la dirección del viento), y una dimensión de lado a lado que es generalmente ortogonal con respecto a la dirección del viento. En otro ejemplo que implica una turbina eólica que comprende múltiples rotores, la frecuencia de torre 245 puede comprender una torsión alrededor de la torre.
En algunas realizaciones, el módulo de amortiguación de torre 235 está configurado para determinar la frecuencia de torre 245 usando al menos una de información de velocidad e información de posición. Por ejemplo, el módulo de amortiguación de torre 235 puede determinar la información de frecuencia (o “contenido de frecuencia”) que se incluye en la información de posición, por ejemplo, realizando una transformada rápida de Fourier (FFT) en la información de posición. También son posibles otras técnicas de análisis de frecuencia. Generalmente, una frecuencia de torre mayor 245 corresponde a una torre más rígida, y una frecuencia de torre menor 245 corresponde a una torre más flexible. En un ejemplo no limitante, la determinación de la frecuencia de torre 245 puede realizarse dinámicamente por el módulo de amortiguación de torre 235 durante la producción de energía de la turbina eólica. En otro ejemplo no limitante, la determinación de la frecuencia de torre 245 puede realizarse por el módulo de amortiguación de torre 235 durante un período de parada de la turbina eólica. En otro ejemplo no limitante, la determinación de la frecuencia de torre 245 puede realizarse durante un proceso de puesta en marcha para la turbina eólica. En otro ejemplo no limitante, la frecuencia de torre 245 puede proporcionarse al módulo de amortiguación de torre 235 a través de la entrada de usuario.
Como se mencionó anteriormente, el módulo de amortiguación de torre 235 está configurado para generar una o más señales de control usando la información de estado 240. En algunas realizaciones, el controlador de velocidad de rotor 220 (más específicamente, uno seleccionado del módulo de control de carga completa 225 y el módulo de control de carga parcial 230) está configurado para generar una señal de referencia de paso 255, y el módulo de amortiguación de torre 235 está configurado para producir una señal de desplazamiento de referencia de paso 260 que se combina con la señal de referencia de paso 255. En algunas realizaciones, la señal de referencia de paso 255 corresponde a una producción de potencia ordenada de la turbina eólica, ya sea desde el módulo de control de carga completa 225 o desde el módulo de control de carga parcial 230. En algunas realizaciones, el controlador 205 puede añadir la señal de referencia de paso 255 con la señal de desplazamiento de referencia de paso 260 en un sumador 265, que emite una señal de referencia de paso 270.
En algunas realizaciones, el controlador 205 proporciona la señal de referencia de paso 270 a un controlador de paso 210 para controlar un paso de una o más palas de rotor de la turbina eólica 200. A su vez, el controlador de paso 210 emite valores de paso 275 para controlar el generador de turbina eólica 215 (más específicamente, una velocidad de rotación del rotor). En algunas realizaciones, el controlador de paso 210 se implementa separado del controlador 205. En realizaciones alternativas, la funcionalidad del controlador de paso 210 puede integrarse en el controlador 205.
Por lo tanto, con la funcionalidad proporcionada por el módulo de amortiguación de torre 235, el controlador 205 puede responder a la dinámica de rotor, dinámica de torre, y una relación de rotor-viento. En algunas realizaciones, la relación de rotor-viento comprende una velocidad de viento efectiva experimentada en el rotor, que puede representarse como una diferencia entre la velocidad de viento libre y una velocidad de la torre. Además, teniendo en cuenta los efectos de la dinámica de rotor y/o la relación de rotor-viento usando el módulo de amortiguación de torre 235 permite que el módulo de control de carga completa 225 se ajuste de manera más enérgica de lo que sería posible de otro modo. Aún más, aunque se describió anteriormente en términos de dinámica de torre, se observará que las técnicas comentadas con relación al módulo de amortiguación de torre 235 pueden ser aplicables a otros tipos de estructuras para mitigar las inestabilidades torsionales.
La figura 3 es un diagrama de bloques 300 que ilustra el control de una velocidad de rotación de un rotor de turbina eólica usando información de estado dinámico de una torre de turbina eólica, según una o más realizaciones. Las características ilustradas en el diagrama de bloques 300 pueden usarse junto con otras realizaciones descritas en el presente documento, tal como el controlador 205 representado en la figura 2.
El controlador de velocidad de rotor 220 está configurado para recibir una velocidad de generador o desde un sensor de velocidad de rotor 350, y una velocidad de generador de referencia roref. Un restador 340 del controlador de velocidad de rotor 220 genera una señal de error basándose en una diferencia de la velocidad de generador o y la velocidad de generador de referencia roref. Un controlador proporcional-integral 345 (P1) genera una señal de referencia de paso 255 usando la señal de error.
El módulo de amortiguación de torre 235 está configurado para recibir un átomo de aceleración de torre ajorre desde un acelerómetro de torre 355. El módulo de amortiguación de torre 235 comprende un módulo de filtro 302 configurado para filtrar la aceleración de torre ajorre para producir información de aceleración filtrada 304. Un primer integrador 305 está configurado para producir información de velocidad 310 a partir de la información de aceleración filtrada 304, y un segundo integrador 315 está configurado para producir información de posición 320 a partir de la información de velocidad 310. Como se comentó anteriormente, en otras realizaciones, los sensores 250 pueden comprender uno o más sensores que están configurados para medir directamente la información de velocidad 310 y/o la información de posición 320.
El módulo de filtro 302 puede comprender una o más etapas de filtrado para producir la información de aceleración filtrada 304. En algunas realizaciones, el módulo de filtro 302 puede configurarse para eliminar componentes de baja frecuencia de la aceleración de torre aTorre, tales como componentes constantes. En algunas realizaciones, el módulo de filtro 302 puede configurarse para realizar un antisolapamiento de la aceleración de torre aTorre. En algunas realizaciones, el módulo de filtro 302 puede configurarse para filtrar componentes de frecuencia asociadas con la rotación del rotor, tal como una frecuencia 3P. Puede seleccionarse cualquier frecuencia de corte adecuada para las diversas etapas de filtrado. Además, las etapas de filtrado pueden actualizarse de manera adaptativa durante el funcionamiento de la turbina eólica, por ejemplo, basándose en condiciones de viento.
En algunas realizaciones, el primer integrador 305 y/o el segundo integrador 310 pueden implementarse como integradores “permeables” (por ejemplo, un filtro de paso bajo (LPF) de primer orden que tiene una frecuencia de corte significativamente menor que las frecuencias de interés). Por ejemplo, las frecuencias de corte para el primer integrador 305 y/o el segundo integrador 310 pueden seleccionarse para impedir introducir demasiado avance de fase a frecuencias cercanas a la frecuencia de torre 245.
Un primer amplificador 325 del módulo de amortiguación de torre 235 tiene un primer valor de ganancia de bucle de control (es decir, ganancia de velocidad Av) que va a aplicarse a la información de velocidad 310. Un segundo amplificador 330 del módulo de amortiguación de torre 235 tiene un segundo valor de ganancia de bucle de control (es decir, ganancia de posición Ap) que va a aplicarse a la información de posición 320. Un sumador 335 suma las salidas del primer amplificador 325 y el segundo amplificador 330 para producir la señal de desplazamiento de referencia de paso 260. El sumador 265 recibe la señal de referencia de paso 255 y la señal de desplazamiento de referencia de paso 260, y emite la señal de referencia de paso 270.
En algunas realizaciones, el primer valor de ganancia de bucle de control y/o el segundo valor de ganancia de bucle de control pueden actualizarse dinámicamente usando la información de estado dinámico para la torre de la turbina eólica. Por ejemplo, al menos un valor de ganancia de bucle de control puede determinarse usando una frecuencia de torre determinada.
Como se muestra, el módulo de amortiguación de torre 235 está configurado para emitir una señal de desplazamiento de referencia de paso 260 que tiene una componente de velocidad basada en la información de velocidad 310 y una componente de posición basada en la información de posición 320. En una implementación alternativa, la señal de desplazamiento de referencia de paso 260 puede tener solo una de la componente de velocidad y la componente de posición. En otra implementación alternativa, la señal de desplazamiento de referencia de paso 260 puede tener una componente de aceleración basada en la aceleración de torre aTorre. La componente de aceleración puede ser adicional a, o puede ser independiente de, la componente de velocidad y/o la componente de posición.
En algunas realizaciones, el módulo de amortiguación de torre 235 tiene un ajuste predefinido específico para la plataforma de turbina eólica. El ajuste predefinido puede comprender un primer conjunto predefinido de valores (por ejemplo, la ganancia de velocidad Av y/o la ganancia de posición Ap), que luego puede actualizarse de manera adaptativa durante el funcionamiento de la turbina eólica. De esta manera, el módulo de amortiguación de torre 235 puede implementarse para diversas turbinas eólicas independientemente de su ubicación geográfica. Dicho de otra manera, el módulo de amortiguación de torre 235 no requiere que se realice un ajuste específico del sitio antes del funcionamiento de la turbina eólica.
La figura 4 es un diagrama de bloques 400 que ilustra la determinación de valores de ganancia de bucle de control usando información de estado dinámico de una torre de turbina eólica, según una o más realizaciones. Las características ilustradas en el diagrama de bloques 400 pueden usarse junto con otras realizaciones descritas en el presente documento, tal como se implementa en el módulo de amortiguación de torre 325 representado en la figura 3. Además, las características ilustradas en el diagrama de bloques 400 pueden usarse durante el funcionamiento de carga completa y/o durante el funcionamiento de carga parcial de la turbina eólica.
En algunas realizaciones, un módulo de adaptación 405 está configurado para determinar al menos un valor de ganancia de bucle de control usando una frecuencia de torre fTorre. Como se comentó anteriormente, la frecuencia de torre fTorre puede determinarse usando información de frecuencia incluida en la información de posición. El módulo de adaptación 405 comprende un primer módulo de planificación de ganancia 415 configurado para planificar un primer valor de ganancia de bucle de control (es decir, ganancia de velocidad Av), y un segundo módulo de planificación de ganancia 420 configurado para planificar un segundo valor de ganancia de bucle de control (es decir, ganancia de posición Ap).
Como se muestra, el primer valor de ganancia de bucle de control y el segundo valor de ganancia de bucle de control se seleccionan cada uno dentro de un intervalo entre cero (0) y uno (1). Implementaciones alternativas pueden programar el primer valor de ganancia de bucle de control y/o el segundo valor de ganancia de bucle de control a partir de cualquier intervalo(s) adecuado(s). Además, el intervalo para el primer valor de ganancia de bucle de control y el intervalo para el segundo valor de ganancia de bucle de control no es necesario que sean los mismos.
Para valores de la frecuencia de torre frorre que son menores que una primera frecuencia umbral fapagado,v, la ganancia de velocidad Av tiene un valor de cero. Para valores de la frecuencia de torre frorre que son mayores que una segunda frecuencia umbral fencendido,v, la ganancia de velocidad Av tiene un valor de uno. Para valores de la frecuencia de torre frorre entre la primera frecuencia umbral fapagado,v y la segunda frecuencia umbral fencendido,v, la ganancia de velocidad Av tiene valores adaptados según una función predefinida. Por lo tanto, en algunas realizaciones, el módulo de adaptación 405 está configurado para, en respuesta a la determinación de que la frecuencia de torre frorre es menor que una primera frecuencia umbral fapagado,v, desactivar o desajustar un primer bucle de control asociado con el primer valor de ganancia de bucle de control (ganancia de velocidad Av). Beneficiosamente, determinados efectos de la retroalimentación basada en la velocidad pueden mitigarse desactivando o desajustando el primer bucle de control, tal como mitigando un efecto desestabilizante cuando se emplea con torres relativamente flexibles.
Para valores de la frecuencia de torre frorre que son menores que una primera frecuencia umbral fencendido,p, la ganancia de posición Ap tiene un valor de uno. Para valores de la frecuencia de torre frorre que son mayores que una segunda frecuencia umbral fapagado,p, la ganancia de posición Ap tiene un valor de cero. Para valores de la frecuencia de torre frorre entre la primera frecuencia umbral fencendido,p y la segunda frecuencia umbral fapagado,p, la ganancia de posición Ap tiene valores adaptados según una función predefinida. Por lo tanto, en algunas realizaciones, el módulo de adaptación 405 está configurado para, en respuesta a la determinación de que la frecuencia de torre frorre es mayor que una segunda frecuencia umbral fapagado,p, desactivar o desajustar un segundo bucle de control asociado con el segundo valor de ganancia de bucle de control (ganancia de posición Ap).
En algunas realizaciones, las funciones predefinidas asociadas con la ganancia de velocidad Av y la ganancia de posición Ap son sustancialmente lineales. Sin embargo, también se contempla cualquier otra función adecuada (por ejemplo, cuadrática).
En algunas realizaciones, un módulo de adaptación opcional 410 está configurado para recibir el primer valor de ganancia de bucle de control (ganancia de velocidad Av) y el segundo valor de ganancia de bucle de control (ganancia de posición Ap), y para generar valores de ganancia de bucle de control adaptados A'v, A'p para aplicar a los respectivos bucles de control. De esta manera, el módulo de adaptación 410 puede mitigar determinados efectos de la retroalimentación basada en la velocidad y/o la retroalimentación basada en la posición. Por ejemplo, el módulo de adaptación 410 puede limitar la aplicación de valores de ganancia de bucle de control para mitigar el desgaste en el sistema de paso. El módulo de adaptación 410 comprende un primer módulo de planificación de ganancia 425 configurado para planificar un primer valor de ganancia adaptado, y un segundo módulo de planificación de ganancia 430 configurado para planificar un segundo valor de ganancia adaptado.
Para valores de una aceleración de torre media arorrê MS que son menores que una primera aceleración umbral RMSapagado,v, el primer módulo de planificación de ganancia 425 emite un valor de cero. Para valores de la aceleración de torre promedio arorre,RMs que son mayores que una segunda aceleración umbral RMSencendido,v, el primer módulo de planificación de ganancia 425 emite un valor de uno. Para valores de la aceleración de torre promedio arorre,RMs entre la primera aceleración umbral RMSapagado,v, y la segunda aceleración umbral RMSencend¡do,v, el primer módulo de planificación de ganancia 425 emite valores adaptados según una función predefinida. El valor emitido por el primer módulo de planificación de ganancia 425 y el primer valor de ganancia de bucle de control (ganancia de velocidad Av) se comparan en un bloque mínimo 435 y el valor mínimo se emite como el valor de ganancia de bucle de control adaptado A'v.
Por lo tanto, en algunas realizaciones, el primer módulo de planificación de ganancia 425 está configurado para habilitar, deshabilitar, o limitar de otro modo la funcionalidad del primer módulo de planificación de ganancia 415. Por ejemplo, el primer módulo de planificación de ganancia 425 puede mitigar el desgaste en el sistema de paso habilitando el primer módulo de planificación de ganancia 415 solo cuando las oscilaciones de la torre exceden una amplitud predefinida.
Para valores de la aceleración de torre promedio arorre,RMS que son menores que una primera aceleración umbral RMSapagado,p, el segundo módulo de planificación de ganancia 430 emite un valor de cero. Para valores de la aceleración de torre promedio arorre,RMS que son mayores que una segunda aceleración umbral RMSencendido,p, el segundo módulo de planificación de ganancia 430 emite un valor de uno. Para valores de la aceleración de torre promedio arorre,RMS entre la primera aceleración umbral RMSapagado,p, y la segunda aceleración umbral RMSencendido,p, el segundo módulo de planificación de ganancia 430 emite valores adaptados según una función predefinida. El valor emitido por el segundo módulo de planificación de ganancia 430 y el segundo valor de ganancia de bucle de control (ganancia de posición Ap) se comparan en un bloque mínimo 440 y el valor mínimo se emite como el valor de ganancia de bucle de control adaptado A'p.
Por lo tanto, en algunas realizaciones, el segundo módulo de planificación de ganancia 430 está configurado para habilitar, deshabilitar, o limitar de otro modo la funcionalidad del segundo módulo de planificación de ganancia 420. Por ejemplo, el primer módulo de planificación de ganancia 425 puede usarse para impedir la aplicación de valores pequeños de la señal de desplazamiento de referencia de paso que va a aplicarse durante el funcionamiento de carga completa.
Aunque no se muestra explícitamente, en algunas realizaciones, el módulo de adaptación 405 puede comprender un módulo de planificación de ganancia adicional que afecta a la ganancia de posición Ap en función del punto de funcionamiento de la turbina eólica. El módulo de control de carga completa (por ejemplo, el módulo de control de carga completa 225 de la figura 2) puede incluir una funcionalidad comparable. Los valores de salida del módulo de planificación de ganancia adicional no necesitan estar limitados a un intervalo cero a uno, sino que pueden tener cualquier valor adecuado.
La figura 5 es un diagrama de bloques 500 que ilustra la adaptación de una señal de referencia de paso durante el funcionamiento de carga parcial, según una o más realizaciones. Las características ilustradas en el diagrama de bloques 500 pueden usarse junto con otras realizaciones descritas en el presente documento, tal como se implementa en el controlador 205 representado en la figura 2.
El módulo de control de carga parcial 230 está configurado para producir la señal de referencia de paso 255. En algunas realizaciones, la señal de referencia de paso 255 refleja un ángulo de paso colectivo máximo a partir de una pluralidad de ángulos de paso calculados por el módulo de control de carga parcial 230 según uno o más parámetros predefinidos. Por ejemplo, el módulo de control de carga parcial 230 puede calcular un primer ángulo de paso correspondiente a un nivel máximo (u otro deseado) de producción de potencia, un segundo ángulo de paso correspondiente a un parámetro de limitación de empuje, un tercer ángulo de paso correspondiente a un parámetro de limitación de ruido, un cuarto ángulo de paso correspondiente a un parámetro de error de guiñada, etcétera.
El módulo de amortiguación de torre 235 está configurado para producir la señal de desplazamiento de referencia de paso 260, y el sumador 265 está configurado para emitir la señal de referencia de paso 510 a un bloque de saturación 505. La señal de referencia de paso 510 y una señal de referencia de paso de saturación 515 se comparan en el bloque de saturación 505 y el valor máximo se emite como una señal de referencia de paso máximo 520. El uso de la señal de referencia de paso máximo 520 puede ser beneficioso para impedir una interrupción de flujo de pala de rotor, para reducir las emisiones de ruido, etcétera.
En algunas realizaciones, la señal de referencia de paso de saturación 515 comprende, o es, la señal de referencia de paso 255. En este caso, la salida en 255 se introducirá en 515. Por lo tanto, el controlador 205 permite que las palas de rotor solo se regulen en paso a favor del viento desde el ángulo de inclinación ordenado por la señal de referencia de paso 255. Dicho de otra manera, el valor de la señal de referencia de paso máximo 520 no será menor que la señal de referencia de paso 255 antes de la aplicación de la funcionalidad de amortiguación de torre. En una realización, la señal de referencia de paso de saturación 515 se establece como un límite de interrupción de flujo, es decir, el ángulo de paso más bajo permitido para evitar la interrupción de flujo de pala. En otras realizaciones, la señal de referencia de paso de saturación 515 comprende una señal de referencia de paso correspondiente a un nivel de producción de potencia máxima para un punto de funcionamiento de la turbina eólica. El nivel de producción de potencia máxima generalmente corresponde a un ángulo de paso en el que la turbina eólica extrae tanta potencia como sea posible del viento. En este caso, la señal de referencia de paso de saturación 515 puede comprender además un desplazamiento de paso. Para una implementación de este tipo, el controlador 250 permite que las palas de rotor se regulen en paso en contra del viento dependiendo del punto de funcionamiento (por ejemplo, durante el funcionamiento de empuje limitado). Dicho de otra manera, para una implementación del módulo de control de carga parcial 230 que comprende un primer ángulo de paso correspondiente al nivel de producción de potencia máxima y al menos un segundo ángulo de paso correspondiente a otro parámetro operativo (tal como limitación de empuje, limitación de ruido, error de guiñada, etc.), el valor de la señal de referencia de paso máximo 520 puede ser menor que la señal de referencia de paso 255 cuando el módulo de control de carga parcial 230 se controla según el segundo ángulo de paso. Otras implementaciones del controlador 205 pueden incluir cualquier otra señal adecuada como la señal de referencia de paso de saturación 515.
Durante el funcionamiento de carga parcial, el módulo de amortiguación de torre 235 puede experimentar errores de estimación para frecuencias que son más bajas que la frecuencia de torre 245. Estos errores de estimación pueden amplificarse cuando se estima la información de velocidad y la información de posición a partir de información de aceleración medida, y puede reflejarse en la señal de desplazamiento de referencia de paso 260. Los errores de estimación pueden no tener un efecto sustancial durante el funcionamiento de carga completa, ya que la señal de desplazamiento de referencia de paso 260 puede verse como una perturbación que se produce entre el controlador 205 y el sistema de paso. Sin embargo, los errores de estimación pueden tener un efecto más sustancial durante el funcionamiento de carga parcial.
Normalmente, el módulo de control de carga parcial 230 puede controlar la velocidad de rotor regulando una referencia de potencia, mientras que el ángulo de paso correspondiente puede determinarse a través de tablas de consulta y/o relaciones con cantidades medidas a partir de una o más señales de sensor 280 (por ejemplo, velocidad de rotor, velocidad del viento, etc.). Durante el funcionamiento de carga parcial, ya que no hay un control de bucle cerrado para el ángulo de paso (por ejemplo, incluyendo un integrador), las variaciones de baja frecuencia introducidas por el módulo de amortiguación de torre 235 pueden introducirse directamente en el ángulo de paso ordenado de la señal de desplazamiento de referencia de paso 260, lo que provoca variaciones de empuje de baja frecuencia y puede dificultar el rendimiento de la turbina eólica.
Para mitigar la amplificación del contenido de baja frecuencia que puede producirse durante el funcionamiento de carga parcial, en algunas realizaciones, el controlador 205 está configurado para volver a ajustar el/los filtro(s) del módulo de amortiguación de torre 235 (por ejemplo, el módulo de filtro 302, el primer integrador 305, y/o el segundo integrador 310 de la figura 3). Por ejemplo, el controlador 205 puede volver a ajustar uno o más filtros de paso alto (HPF) del módulo de amortiguación de torre 235 para que esté más cerca de la región de funcionamiento para mitigar el contenido de baja frecuencia a expensas del avance de fase a frecuencias cercanas a la frecuencia de torre 245. Sin embargo, en algunos casos, el/los filtro(s) reajustado(s) puede(n) corresponder a un rendimiento reducido durante el funcionamiento de carga completa. Por lo tanto, en algunas realizaciones, el controlador 205 puede volver a ajustar el/los filtro(s) en respuesta a la transición al funcionamiento de carga parcial. En algunas realizaciones, el controlador 205 puede volver a ajustar el/los filtro(s) (por ejemplo, devolver el/los filtro(s) a su ajuste original) en respuesta a la transición al funcionamiento de carga completa.
La figura 6 ilustra un método 600 a modo de ejemplo para controlar una velocidad de rotación de un rotor de turbina eólica usando información de estado dinámico de una torre de turbina eólica, según una o más realizaciones. El método 600 puede usarse junto con otras realizaciones, tal como al realizarse usando el controlador 205 representado en la figura 2.
El método 600 comienza en el bloque 605, donde el controlador determina, usando una o más señales de sensor, información de estado dinámico para una torre de una turbina eólica durante la producción de potencia. En algunas realizaciones, la información de estado dinámico comprende una frecuencia de torre. En el bloque 615, el controlador determina al menos un valor de ganancia de bucle de control usando la frecuencia de torre. En algunas realizaciones, el controlador determina un primer valor de ganancia de bucle de control que va a aplicarse a la información de velocidad correspondiente a una ubicación de referencia de la torre, y un segundo valor de ganancia de bucle de control que va a aplicarse a la información de posición correspondiente a la ubicación de referencia. En el bloque 625, el controlador genera, usando el al menos un valor de ganancia de bucle de control, una o más señales de control para controlar una velocidad de rotación de un rotor de la turbina eólica. En algunas realizaciones, las una o más señales de control comprenden una señal de referencia de paso para controlar un paso de una o más palas de rotor de la turbina eólica. El método 600 finaliza después de la finalización del bloque 625.
La figura 7 ilustra un método 700 a modo de ejemplo para adaptar una señal de referencia de paso durante el funcionamiento de carga parcial, según una o más realizaciones. El método 600 puede usarse junto con otras realizaciones, tal como al realizarse usando el controlador 205 representado en la figura 5.
El método 700 comienza en el bloque 705, donde el controlador genera, usando al menos una primera señal de sensor, una primera señal de referencia de paso para una o más palas de rotor de una turbina eólica durante el funcionamiento de carga parcial. En algunas realizaciones, la primera señal de sensor comprende una señal de velocidad de rotación. En el bloque 715, el controlador determina, usando al menos una segunda señal de sensor, información de estado dinámico para una torre de la turbina eólica. En algunas realizaciones, la segunda señal de sensor comprende una señal de aceleración de torre. En algunas realizaciones, la información de estado dinámico comprende una frecuencia de torre.
En el bloque 725, el controlador genera una segunda señal de referencia de paso adaptando la primera señal de referencia de paso usando la información de estado dinámico. En algunas realizaciones, generar la segunda señal de referencia de paso comprende generar una señal de desplazamiento de referencia de paso usando la información de estado dinámico. En algunas realizaciones, adaptar la primera señal de referencia de paso comprende sumar la señal de desplazamiento de referencia de paso con la primera señal de referencia de paso.
En el bloque 735, el controlador selecciona una señal de referencia de paso máximo de la segunda señal de referencia de paso y una señal de referencia de paso de saturación. En algunas realizaciones, la señal de referencia de paso de saturación es la misma que la primera señal de referencia de paso. En otras realizaciones, la señal de referencia de paso de saturación corresponde a un nivel de producción de potencia máxima.
En el bloque 745, el controlador comunica la señal de referencia de paso máximo para controlar un paso de las una o más palas de rotor. En algunas realizaciones, el controlador comunica la señal de referencia de paso máximo con un controlador de paso externo. El método 700 finaliza después de la finalización del bloque 745.
En lo anterior, se hace referencia a realizaciones presentadas en esta divulgación. Sin embargo, el alcance de la presente divulgación no se limita a las realizaciones descritas específicas. En su lugar, cualquier combinación de las características y elementos proporcionados anteriormente, ya sea relacionada con diferentes realizaciones o no, se contempla para implementar y poner en práctica realizaciones contempladas. Además, aunque las realizaciones dadas a conocer en el presente documento pueden lograr ventajas sobre otras posibles soluciones o sobre la técnica anterior, que se logre o no una ventaja particular mediante una realización dada no limita el alcance de la presente divulgación. Por lo tanto, los aspectos, características, realizaciones, y ventajas descritas en el presente documento son meramente ilustrativos y no se consideran elementos o limitaciones de las reivindicaciones adjuntas, excepto cuando se mencionan explícitamente en una(s) reivindicación/reivindicaciones.
Como apreciará un experto en la técnica, las realizaciones dadas a conocer en el presente documento pueden realizarse como un sistema, método, o producto de programa informático. Por consiguiente, los aspectos pueden tomar la forma de una realización completamente de hardware, una realización completamente de software (incluyendo firmware, software residente, microcódigo, etc.) o una realización que combina aspectos de software y hardware que generalmente pueden denominarse en el presente documento “circuito”, “módulo” o “sistema”. Adicionalmente, los aspectos pueden tomar la forma de un producto de programa informático incorporado en uno o más medios legibles por ordenador que tienen código de programa legible por ordenador incorporado en los mismos.
La presente invención puede ser un sistema, un método, y/o un producto de programa informático. El producto de programa informático puede incluir un medio (o medios) de almacenamiento legible(s) por ordenador (por ejemplo, un disquete de ordenador portátil, un disco duro, una memoria de acceso aleatorio (RAM), una memoria de solo lectura (ROM), una memoria de solo lectura programable borrable (EPROM o memoria flash), una fibra óptica, una memoria de solo lectura de disco compacto portátil (CD-ROM), un dispositivo de almacenamiento óptico, un dispositivo de almacenamiento magnético, o cualquier combinación adecuada de lo anterior) que tenga instrucciones de programa legibles por ordenador para hacer que un procesador lleve a cabo aspectos de la presente invención.
Aspectos de la presente divulgación se describen con referencia a ilustraciones de diagrama de flujo y/o diagramas de bloques de métodos, aparatos (sistemas) y productos de programa informático según realizaciones presentadas en esta divulgación. Se entenderá que cada bloque de las ilustraciones de diagrama de flujo y/o diagramas de bloques, y combinaciones de bloques en las ilustraciones de diagrama de flujo y/o diagramas de bloques, puede implementarse mediante instrucciones de programa informático. Estas instrucciones de programa informático pueden proporcionarse a un procesador de un ordenador de propósito general, ordenador de propósito especial, u otro aparato de procesamiento de datos programable para producir una máquina, de modo que las instrucciones, que se ejecutan a través del procesador del ordenador u otro aparato de procesamiento de datos programable, crear medios para implementar las funciones/actos especificados en el diagrama de flujo y/o bloque o bloques del diagrama de bloques.m
El diagrama de flujo y los diagramas de bloques en las figuras ilustran la arquitectura, funcionalidad y funcionamiento de posibles implementaciones de sistemas, métodos y productos de programa informático según diversas realizaciones. A este respecto, cada bloque en el diagrama de flujo o diagramas de bloques puede representar un módulo, segmento o parte de código, que comprende una o más instrucciones ejecutables para implementar la función/funciones lógica(s) especificada(s). También debe tenerse en cuenta que, en algunas implementaciones alternativas, las funciones indicadas en el bloque pueden ocurrir fuera del orden indicado en las figuras. Por ejemplo, dos bloques mostrados en sucesión pueden, de hecho, ejecutarse sustancialmente de manera concurrente, o los bloques a veces pueden ejecutarse en el orden inverso, dependiendo de la funcionalidad involucrada. También se observará que cada bloque de los diagramas de bloques y/o la ilustración del diagrama de flujo, y combinaciones de bloques en los diagramas de bloques y/o la ilustración del diagrama de flujo, puede implementarse mediante sistemas basados en hardware de propósito especial que realizan las funciones o actos especificados, o combinaciones de hardware de propósito especial e instrucciones informáticas.
En vista de lo anterior, el alcance de la presente divulgación está determinado por las siguientes reivindicaciones.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un método que comprende:
generar, usando al menos una primera señal de sensor, una primera señal de referencia de paso (255) para una o más palas de rotor de una turbina eólica durante el funcionamiento de carga parcial; determinar, usando al menos una segunda señal de sensor, información de estado dinámico para una torre de la turbina eólica;
generar una segunda señal de referencia de paso (510) adaptando la primera señal de referencia de paso usando la información de estado dinámico;
seleccionar una señal de referencia de paso máximo de la segunda señal de referencia de paso (510) y una señal de referencia de paso de saturación (515); y
comunicar la señal de referencia de paso máximo (520) para controlar un paso de las una o más palas de rotor.
2. El método según la reivindicación 1, en el que la primera señal de referencia de paso indica un ángulo de paso correspondiente a una producción de potencia máxima de la turbina eólica durante el funcionamiento de carga parcial.
3. El método según las reivindicaciones 1 o 2, en el que generar la segunda señal de referencia de paso comprende:
generar una señal de desplazamiento de referencia de paso usando la información de estado dinámico; y adaptar la primera señal de referencia de paso usando la señal de desplazamiento de referencia de paso.
4. El método según la reivindicación 3, en el que adaptar la primera señal de referencia de paso comprende:
sumar la señal de desplazamiento de referencia de paso con la primera señal de referencia de paso.
5. El método según la reivindicación 4, en el que generar la señal de desplazamiento de referencia de paso comprende realizar el filtrado de la información de estado dinámico usando uno o más filtros.
6. El método según la reivindicación 5, que comprende, además:
volver a ajustar el uno o más filtros antes de generar la señal de desplazamiento de referencia de paso.
7. El método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la señal de referencia de paso de saturación es la misma que la primera señal de referencia de paso.
8. Un controlador para una turbina eólica, comprendiendo el controlador:
uno o más procesadores informáticos; y
una memoria que comprende código legible por ordenador que, cuando se ejecuta usando el uno o más procesadores informáticos, realiza una operación que comprende:
generar, usando al menos una primera señal de sensor, una primera señal de referencia de paso para una o más palas de rotor de la turbina eólica durante el funcionamiento de carga parcial;
determinar, usando al menos una segunda señal de sensor, información de estado dinámico para una torre de la turbina eólica;
generar una segunda señal de referencia de paso adaptando la primera señal de referencia de paso usando la información de estado dinámico;
seleccionar una señal de referencia de paso máximo de la segunda señal de referencia de paso y una señal de referencia de paso de saturación; y
comunicar la señal de referencia de paso máximo para controlar un paso de las una o más palas de rotor.
9. El controlador según la reivindicación 8, en el que la primera señal de referencia de paso indica un ángulo de paso correspondiente a una producción de potencia máxima de la turbina eólica durante el funcionamiento de carga parcial.
10. El controlador según las reivindicaciones 8 o 9, en el que generar la segunda señal de referencia de paso comprende:
generar una señal de desplazamiento de referencia de paso usando la información de estado dinámico; y adaptar la primera señal de referencia de paso usando la señal de desplazamiento de referencia de paso.
11. El controlador según la reivindicación 10, en el que adaptar la primera señal de referencia de paso comprende:
sumar la señal de desplazamiento de referencia de paso con la primera señal de referencia de paso.
12. El controlador según la reivindicación 11, en el que la señal de desplazamiento de referencia de paso comprende una señal de desplazamiento de referencia de paso filtrada.
13. El controlador según la reivindicación 12, comprendiendo además el funcionamiento:
volver a ajustar un filtro antes de generar la señal de desplazamiento de referencia de paso filtrada.
14. El controlador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la señal de referencia de paso de saturación es la misma que la primera señal de referencia de paso.
15. Una turbina eólica que comprende:
una torre;
un rotor que comprende una o más palas de rotor;
uno o más sensores configurados para generar una o más señales de sensor; y
el controlador según la reivindicación 8.
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