ES2902912T3

ES2902912T3 - Sistema de gestión de potencia para aerogeneradores con control de guiñada

Info

Publication number: ES2902912T3
Application number: ES12728120T
Authority: ES
Inventors: Silvestro Caruso; Martin Jakubowski; Luciano Caioli
Original assignee: Seawind Ocean Tech Holding Bv
Current assignee: Seawind Ocean Tech Holding Bv
Priority date: 2011-05-11
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2022-03-30
Anticipated expiration: 2032-05-10
Also published as: WO2012153185A1; EP2712403B1; EP2712403A1; US20140217742A1; DK2712403T3; US9879653B2

Abstract

Un sistema de control de potencia para optimizar la producción de energía de un aerogenerador de dos palas y con control de guiñada, el aerogenerador tiene un buje basculante y opera en cuatro modalidades de funcionamiento, respectivamente desde la velocidad del viento de conexión (1) a la velocidad del viento cuasi nominal (2), desde la velocidad del viento cuasi nominal a la velocidad del viento nominal (3), desde la velocidad del viento nominal a la velocidad del viento de cuasi desconexión (4) y desde la velocidad del viento de cuasi desconexión a la velocidad del viento de desconexión (5), comprendiendo dicho sistema de control de potencia un controlador, un subsistema de accionamiento de guiñada y un subsistema de par de retención del tren de transmisión, en donde el controlador está adaptado para: - recibir como entrada la potencia de salida detectada, la velocidad de funcionamiento del rotor detectada y la dirección del viento detectada en relación con la dirección del eje del rotor; - dirigir el subsistema de par de retención del tren de transmisión y el subsistema de accionamiento de guiñada para modificar las condiciones de funcionamiento del aerogenerador en función de los cambios en la potencia de salida detectada, la velocidad de funcionamiento del rotor detectada y la dirección del viento detectada en relación con la dirección del eje del rotor; caracterizado por que el controlador dirige el subsistema de par de retención del tren de transmisión para mantener el par de retención del tren de transmisión constante en su valor nominal cuando la turbina funciona desde las modalidades de funcionamiento de velocidad del viento cuasi nominal (2) a velocidad del viento de desconexión (5).

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de gestión de potencia para aerogeneradores con control de guiñada

Referencia a las solicitudes relacionadas

Esta solicitud reivindica la prioridad de la solicitud provisional de EE. UU. n.° 61/484.800, presentada el 11 de mayo de 2011.

Campo de la invención

La invención hace referencia en general a la gestión de potencia de los aerogeneradores con control de guiñada.

Antecedentes

La mayoría de las turbinas de dos y tres palas se equipan con un sistema de guiñada para poder cambiar la orientación del eje del rotor con el fin de que sigan la dirección del viento y garantizar que el rotor se oriente a favor del viento, maximizando de este modo la producción de energía. La mayoría de las turbinas de dos y tres palas modulan el cabeceo de las palas del rotor para controlar la velocidad de la turbina y, por lo tanto, la salida de potencia de la turbina, así como para su desconexión. En la mayoría de los casos, los aerogeneradores funcionan con una velocidad del rotor parcial o totalmente variable entre la velocidad del viento de conexión y la velocidad del viento nominal, mientras que después de la velocidad del viento nominal, el controlador mantiene la potencia y la velocidad de funcionamiento constantes.

En los aerogeneradores de dos palas, es posible hacer guiñar la turbina a favor del viento o en contra del viento para controlar también la velocidad de la turbina y, por lo tanto, la salida de potencia, sin necesidad de controlar el cabeceo. Esto es posible cuando la turbina de dos palas utiliza una bisagra de balanceo (o bisagra "balancín") para unir las palas de la turbina al tren de transmisión de la turbina. La bisagra de balanceo proporciona al rotor un grado de libertad adicional, lo que permite a la turbina superar las fuerzas giroscópicas y modular el ángulo de guiñada con la suficiente rapidez para controlar la velocidad del rotor de la turbina. Al controlar la velocidad del rotor de la turbina, además del par del rotor, es posible optimizar la potencia también cuando la velocidad del viento sea mayor que la velocidad del viento nominal (es decir, la velocidad del viento a la que la turbina produce la máxima potencia posible cuando la turbina está orientada a favor del viento (con ángulo de guiñada cero)). En "The history and state of the art of variable speed wind turbine technology" de P.W. Carlin ET AL., páginas 129 a 159 de "Wind Energy" 2003, se menciona un ejemplo de aerogenerador de dos palas con bisagra de balanceo.

Cuando la velocidad del viento es inferior a la velocidad nominal, el control de guiñada se utiliza para mantener la turbina orientada a favor del viento, mientras que el par del eje de transmisión se modula para que el rotor trabaje con su máximo rendimiento aerodinámico, independientemente de las variaciones de la velocidad del viento. En otras palabras, cuando la velocidad del viento es inferior a la velocidad nominal, la turbina se mantiene orientada a favor del viento y la potencia, que se produce con el máximo rendimiento, sube y baja con la velocidad del viento.

Resumen

Esta solicitud de patente describe ciertas técnicas para maximizar la productividad de energía de los aerogeneradores con control de guiñada y bisagra de balanceo de dos palas, con una estrategia de control de velocidad totalmente variable. Utilizando los sistemas descritos, el par del rotor y la guiñada del rotor se pueden variar para maximizar la producción eléctrica en un rango de velocidades del viento.

El sistema de control de una turbina con control de guiñada y bisagra de balanceo de dos palas se basa en dos bucles de control interconectados: el primer bucle, que controla el par eléctrico de retención a través del inversor eléctrico, y un segundo bucle, que controla el ángulo de guiñada entre el eje del rotor y la dirección del viento a través de los motores de guiñada. El sistema de control, con su software, permite que la turbina funcione, desde el punto de vista de la gestión de la turbina, con cualquier combinación de par y velocidad de funcionamiento. La invención requiere la implementación de una estrategia de control adecuada mediante un software a medida para aumentar la velocidad de funcionamiento del rotor incluso por encima de la velocidad nominal y, por tanto, aumentar la salida de potencia de la turbina, sin aumentar el par del rotor por encima de su valor nominal

En un aspecto, la invención incluye un sistema de control de potencia para optimizar la producción de energía de un aerogenerador con control de guiñada. El sistema de control de potencia se coordina mediante un controlador que activa un subsistema de accionamiento de guiñada y un subsistema de par de retención del tren de transmisión. El controlador recibe entradas de una potencia de salida detectada, una velocidad de funcionamiento del rotor detectada y una dirección del viento detectada en relación con la dirección del eje del rotor, y determina un modo de funcionamiento óptimo. El controlador dirige el subsistema de accionamiento de guiñada y el subsistema de par de retención del tren de transmisión para modificar las condiciones de funcionamiento de la turbina basándose en los cambios de la potencia de salida detectada, la velocidad de funcionamiento del rotor detectada y la dirección del viento detectada en relación con la dirección del eje del rotor. En una forma de realización, el controlador compara la potencia de salida detectada con una potencia cuasi nominal, una potencia nominal y una potencia máxima para determinar un modo de funcionamiento preferido. El controlador permite a la turbina maximizar la producción de energía.

En otro aspecto, la invención incluye un sistema de gestión de potencia para un aerogenerador con control de guiñada. El sistema de gestión de potencia comprende un sensor de potencia que puede detectar la potencia de salida de la turbina, un sensor de velocidad de funcionamiento del rotor que puede medir una velocidad de un eje de transmisión del rotor del aerogenerador, un sensor de ángulo de guiñada que puede medir el ángulo entre la dirección del viento y la dirección del eje del rotor, un convertidor de potencia acoplado de forma operativa al eje de transmisión del rotor y que puede aplicar el par de retención deseado en el eje de transmisión del rotor, un subsistema de accionamiento de guiñada acoplado de forma operativa al eje de transmisión del rotor y que puede hacer girar el eje de transmisión del rotor cambiando de este modo el ángulo de guiñada, y un controlador. El controlador se conecta de forma operativa al sensor de potencia, al convertidor de potencia, al subsistema de accionamiento de guiñada, y al sensor de velocidad de funcionamiento del rotor y al sensor de ángulo de guiñada. El controlador recibe señales indicativas de la potencia de salida, la velocidad del eje de transmisión del rotor y, opcionalmente, el ángulo de guiñada. Después de recibir estas señales, el controlador determina un modo de funcionamiento óptimo para la turbina y emite señales para cambiar el par de retención y/o el ángulo de guiñada según sea necesario.

Utilizando los sistemas y métodos descritos en la presente memoria, se puede maximizar la salida de potencia y la producción de energía de un aerogenerador con control de guiñada y bisagra de balanceo de dos palas. Además, la invención permite que una turbina con control de guiñada y bisagra de balanceo de dos palas funcione a velocidades superiores a la velocidad nominal del rotor. Al funcionar a una velocidad superior a la velocidad nominal del rotor, la turbina puede producir más energía sin necesidad de aumentar el tamaño del rotor y del tren de transmisión. Es decir, sólo hay que dimensionar el sistema eléctrico en función del aumento de la salida de potencia. El diseño reduce el coste global para una potencia nominal, en comparación con otros aerogeneradores de potencia nominal similar.

Breve descripción de los dibujos

La Fig. 1 muestra la dependencia de la velocidad de funcionamiento del rotor con respecto a la velocidad del viento en cuatro modalidades conceptuales de actuación.

La Fig. 2 muestra la dependencia del par del rotor de la velocidad del viento en cuatro modalidades conceptuales de actuación.

La Fig. 3 muestra la dependencia de la potencia de salida de la velocidad del viento en cuatro modalidades conceptuales de actuación.

La Fig.4 muestra la dependencia del ángulo de guiñada de la velocidad del viento en cuatro modalidades conceptuales de actuación.

La Fig. 5 muestra la relación entre la energía eólica captada por el aerogenerador y la relación de velocidad específica (TSR) para diferentes modos de funcionamiento.

La Fig. 6 es una ilustración de una turbina que funciona a favor del viento con un ángulo de guiñada de cero.

La Fig. 7 es una ilustración de una turbina que funciona en contra del viento con un ángulo de guiñada de p .

La Fig. 8 es un diagrama de control para el funcionamiento con potencias de salida inferiores a la potencia cuasi nominal.

La Fig. 9 es un diagrama de control para el funcionamiento con potencias de salida superiores a la potencia cuasi nominal e inferiores a la potencia nominal.

La Fig. 10 es un diagrama de control para el funcionamiento con potencias de salida superiores a la potencia nominal e inferiores o iguales a la potencia máxima.

Descripción detallada

La invención hace referencia a las turbinas en contra del viento con control de guiñada y con bisagra de balanceo, de dos palas. En un aerogenerador con control de guiñada y con bisagra de balanceo, de dos palas, la potencia se controla haciendo guiñar el rotor en contra del viento cuando la velocidad del viento es superior a la nominal. Los aerogeneradores con control de guiñada y bisagra de balanceo, de dos palas tienen las palas unidas de forma rígida al buje, sin la interposición de cojinetes ni mecanismos de cabeceo. Estos aerogeneradores necesitan utilizar, para obtener el mayor rendimiento del rotor, palas de gran cuerda y espesor. Por consiguiente, pueden funcionar a velocidad variable no sólo desde la velocidad del viento de conexión hasta la velocidad del viento nominal, sino también por encima de la velocidad del viento nominal hacia la velocidad del viento de desconexión con una lógica de control, que es el objetivo de esta invención. El funcionamiento de estos aerogeneradores de dos palas a una velocidad de funcionamiento por encima de la velocidad del viento nominal tiene ventajas no sólo para la productividad, sino también para limitar la amplitud máxima del ángulo de balanceo con niveles de potencia elevados. Cuanto mayor es la velocidad de funcionamiento, menor es la amplitud de balanceo de la bisagra. El espacio libre entre la punta de la pala y la torre aumenta y se consigue un mayor margen en la vida útil de la bisagra de balanceo.

En las turbinas con control de guiñada y con bisagra de balanceo, de dos palas, las palas se unen de forma rígida al buje, y este último se acopla al eje de transmisión a través de una bisagra cuyo eje es perpendicular al eje del eje de transmisión. El grado de libertad introducido por la bisagra, aunque ésta tenga una rigidez torsional # 0, reduce drásticamente las cargas giroscópicas de la turbina; por lo tanto, el par de guiñada necesario para accionar la velocidad de guiñada necesaria, y la consiguiente aceleración, es limitado. Se puede conseguir una mayor reducción del par de guiñada mediante una combinación adecuada entre la posición de un rotor en contra del viento con respecto a la dirección del viento y la dirección de la velocidad de funcionamiento del eje de transmisión.

La invención se puede aplicar a las turbinas con control de guiñada y bisagra de balanceo de dos palas, que pueden soportar una alta velocidad de funcionamiento. La invención se ejecuta normalmente por medio de un controlador, que puede contener una lógica de referencia -basada en parámetros clave predefinidos como la potencia cuasi nominal, la potencia nominal, la potencia máxima, la velocidad nominal de funcionamiento del rotor, la velocidad máxima de funcionamiento del rotor y el par nominal de retención del tren de transmisión- y puede recibir entradas operativas de los sensores de la turbina. El controlador puede ser una unidad central de procesamiento con memoria e interfaces de entrada y salida, por ejemplo, un ordenador personal. El controlador se puede conectar a una red, por ejemplo, Internet o una red inalámbrica o una red por satélite.

Conceptualmente, el sistema de gestión de potencia opera en cuatro modalidades, dependiendo de la velocidad del viento, descritas en las Fig. 1-5: 1) Desde la velocidad del viento de conexión a la velocidad del viento cuasi nominal, con el rotor a favor del viento, y con la relación de velocidad específica de las palas (TSR) correspondiente al máximo rendimiento de captación de la energía eólica incidente; 2) Desde la velocidad del viento cuasi nominal a la velocidad del viento nominal, con el rotor a favor del viento y con el par nominal; 3) Desde la velocidad del viento nominal a la velocidad del viento de cuasi desconexión, con el rotor en contra del viento y con el par nominal, aumentando de forma gradual la velocidad de funcionamiento y la potencia; 4) Desde la velocidad del viento de cuasi conexión a la velocidad del viento de desconexión, con el rotor en contra del viento, con el par nominal y a velocidad de funcionamiento constante, por lo que la potencia es constante a menos que se produzcan efectos de turbulencia.

Las cuatro modalidades se describen adicionalmente más adelante, con referencia a las Fig. 1-7, que describen el funcionamiento de la turbina con respecto a la velocidad y dirección del viento. La Fig. 1 es un gráfico conceptual de la velocidad de funcionamiento del rotor en función de la velocidad del viento. La Fig. 2 es un gráfico conceptual del par del rotor en función de la velocidad del viento. La Fig. 3 es un gráfico conceptual de la potencia de salida en función de la velocidad del viento. La Fig. 4 es un gráfico conceptual del ángulo guiñada en función de la velocidad del viento.

La Fig. 5 es un gráfico del rendimiento del rotor en la captación de la energía eólica en función de la relación de velocidad específica de las palas (TSR), es decir, la velocidad de la punta de la pala dividida por la velocidad real del viento, y en función del ángulo de guiñada, correspondiendo la curva 25 a un ángulo de guiñada cero y las curvas 26, 27 a valores superiores del ángulo de guiñada. Debido a la conformación de las palas, la parte superior de la curva óptima Cp en función de la TSR (25), correspondiente al rotor a favor del viento (ángulo de guiñada cero), se vuelve casi plana. Como resultado, el rendimiento se ve poco penalizado por las fluctuaciones transitorias de la velocidad del viento y, por tanto, de la TSR, por ejemplo, debido a las turbulencias. A una velocidad del viento elevada, superior a la nominal, la potencia del viento incidente es superior a la potencia correspondiente al tamaño de la turbina. Por lo tanto, se hace guiñar a la turbina para reducir el rendimiento del rotor. El cambio en el ángulo de guiñada se ilustra como un movimiento entre los puntos 22 y 23 de la Fig. 4. Como consecuencia de los cambios, la curva de funcionamiento de la Fig. 5 se desplaza hacia abajo, por ejemplo, de 25 a 26 a 27, a medida que aumenta el ángulo de guiñada.

La Fig. 6 muestra el funcionamiento de la turbina a favor del viento, es decir, el ángulo de guiñada es cero y la velocidad del eje de transmisión es inferior o igual a la velocidad nominal del eje de transmisión. La Fig. 7 muestra el funcionamiento de la turbina fuera del eje del viento, es decir, el ángulo de guiñada es mayor que cero y la velocidad del eje de transmisión entre la velocidad máxima del eje de transmisión y la velocidad nominal del eje de transmisión.

Modalidades conceptuales

Modalidad 1: (Corresponde a las regiones comprendidas entre los puntos 1 y 2 del eje x de las Fig. 1-4). Cuando la velocidad del viento se encuentra entre la velocidad de conexión y la velocidad cuasi nominal, el controlador de la turbina mantiene el rotor 33 (Fig. 6) a favor del viento 32 (Fig. 6), es decir, con ángulo de guiñada cero, y modula la velocidad de funcionamiento de forma proporcional a la velocidad del viento. En esta modalidad, la relación de velocidad específica de las palas (TSR) se mantiene constante y corresponde a la máxima captación de potencia (rendimiento) del rotor a favor del viento. El concepto de rendimiento máximo se ilustra en el punto 28 de la curva 25 de la Fig. 5. En esta modalidad, el par T (Fig. 2) aumenta con el cuadrado de la velocidad del viento W (es decir, de los puntos 11 a 12 de la Fig. 2), mientras que la potencia P (Fig. 3) aumenta con el cubo de la velocidad del viento (es decir, de los puntos 16 a 17 de la Fig. 3). Dado que el rotor se mantiene a favor del viento en esta modalidad, (O) permanece en cero grados, según se muestra en la Fig. 4.

Modalidad 2: (Corresponde a las regiones comprendidas entre los puntos 2 y 3 del eje x de las Fig. 1-4). Cuando la velocidad del viento se encuentra entre la velocidad cuasi nominal y la velocidad nominal, el controlador de la turbina sigue manteniendo el rotor a favor del viento, es decir, con ángulo de guiñada cero, mientras que el par del eje de transmisión T se mantiene constante en el valor nominal (es decir, de los puntos 12 a 13 de la Fig. 2), por lo que la velocidad de funcionamiento del rotor aumenta de forma proporcional a la velocidad del viento (Fig. 1 como en los puntos 7 a 8) y la potencia P también aumenta proporcionalmente a la velocidad del viento (es decir, de los puntos 17 a 18 de la Fig. 3). En esta modalidad, la TSR aumenta en función de la velocidad del viento y el Cp, debido a la curva de Cp casi plana en función de la TSR, disminuye un poco desde su valor máximo a lo largo de la curva 25 del Cp en función de la TSR (es decir, desde los puntos 28 a 29 a lo largo de la curva 25 en la Fig. 5).

Modalidad 3: (Corresponde a las regiones comprendidas entre los puntos 3 y 4 del eje x de las Fig. 1-4). Cuando la velocidad del viento se encuentra entre la velocidad nominal y la velocidad de cuasi desconexión, el ángulo de guiñada se modifica, de forma gradual y proporcional a la velocidad del viento, para permitir que la turbina aumente de forma gradual la salida de potencia, por encima del valor nominal, a medida que aumenta la velocidad del viento. En este rango, la potencia del viento incidente es superior a la correspondiente al tamaño de la turbina. Por lo tanto, se hace guiñar a la turbina para reducir el rendimiento del rotor. Esto se muestra en la Fig. 1, donde la curva de Cp en función de la TSR se desplaza hacia abajo (es decir, de los puntos 29 a 30 de la Fig. 5), donde el punto 29 se encuentra en la curva de Cp en función de la TSR con un ángulo de guiñada cero (25), mientras que el punto 30 se encuentra en la curva de Cp en función de la TSR (26), con un ángulo de guiñada mayor. El cambio en el ángulo de guiñada se ilustra como un movimiento entre los puntos 22 y 23 de la Fig. 4. Además, el controlador de la turbina sigue manteniendo el par T en su valor nominal (es decir, de los puntos 13 a 14 de la Fig. 2) y permite un aumento de la velocidad de funcionamiento N en función de la velocidad del viento W (es decir, de los puntos 8 a 9 de la Fig. 1). Por lo tanto, en esta región la potencia P aumenta de forma proporcional con la velocidad del viento (es decir, de los puntos 18 a 19 de la Fig. 3), lo que el controlador de la turbina puede aceptar para cubrir con seguridad cualquier transitorio, por ejemplo, debido a condiciones extremas.

Modalidad 4: (Corresponde a las regiones comprendidas entre los puntos 4 y 5 del eje x de las Fig. 1-4). Cuando la velocidad del viento se encuentra entre la velocidad de cuasi desconexión y la velocidad de desconexión, el controlador de la turbina mantiene el par T en su valor nominal (es decir, de los puntos 14 a 15 de la Fig. 2) y, al aumentar el ángulo de guiñada (es decir, de los puntos 23 a 24 de la Fig. 4), mantiene la velocidad de funcionamiento constante en su valor máximo (es decir, de los puntos 9 a 10 de la Fig. 1). Dado que el par y la velocidad de funcionamiento son constantes, la potencia también se mantiene constante (es decir, de los puntos 19 a 20 de la Fig. 3). El resultado final es que el aumento del ángulo de guiñada hace que la curva de reducción de Cp en función de la TSR se reduzca aún más (es decir, de los puntos 30 a 31 de la Fig. 5) a medida que la turbina alcanza la desconexión, correspondiente a (O) aproximadamente igual a 60 grados.

Diagramas de control

En realidad, no es posible medir directamente la velocidad del viento incidente en el rotor. Los sistemas de control se basan en las mediciones de la potencia eléctrica detectada (salida del generador), la velocidad de funcionamiento del rotor detectada (según se mide con captadores eléctricos en el eje de transmisión del rotor) y el ángulo de guiñada detectado (es decir, la dirección del viento en relación con la dirección del eje del rotor, según se mide con una veleta montada en la góndola). Con esta información, la turbina puede optimizar su rendimiento utilizando sólo dos bucles de control interconectados: el primer bucle (subsistema de par de retención del tren de transmisión) controla el par eléctrico de retención en el eje de transmisión del rotor, y el segundo bucle (subsistema de accionamiento de guiñada) controla el ángulo de guiñada entre el eje del rotor y la dirección del viento mediante un sistema de accionamiento de guiñada. El subsistema de par de retención del tren de transmisión se basa normalmente en un generador eléctrico acoplado a un convertidor eléctrico. Los conceptos de restricción del par eléctrico son generalmente conocidos en el campo de los motores y generadores eléctricos. Un ejemplo de restricción del par eléctrico para el control de una máquina eléctrica se puede encontrar en la patente de EE. UU. n.° 6.094.364, que se incorpora por referencia en la presente memoria en su totalidad. El subsistema de accionamiento de guiñada se puede accionar de forma hidráulica o eléctrica. Se pueden encontrar detalles adicionales del subsistema de accionamiento de guiñada en el documento PCT/US2012/36637, "Systems for Minimizing Yaw Torque Needed to Control Power Output in Two-Bladed, Teetering Hinge Wind Turbines that Control Power Output by Yawing", presentado el 4 de mayo de 2012, y que se incorpora por referencia a la presente memoria en su totalidad.

Si bien son posibles múltiples formas de realización de la invención, los modos de funcionamiento del sistema de gestión de potencia, basados en el control del par de restricción y el control de la guiñada, se describen en las Fig. 8 10. En el rango entre la velocidad del viento de conexión y la velocidad del viento cuasi nominal, el objetivo es maximizar el rendimiento del rotor: por lo tanto, el controlador mantiene el rotor a favor del viento y varía el par para mantener la TSR correspondiente al Cp máximo. En el intervalo entre la velocidad del viento cuasi nominal y la velocidad del viento nominal, el objetivo es maximizar la potencia cumpliendo el límite de par nominal: por lo tanto, el controlador mantiene el rotor a favor del viento y permite ligeros aumentos de la velocidad de funcionamiento hasta un valor de velocidad de funcionamiento que permita la desconexión segura de la turbina en caso de condiciones de funcionamiento extremas. En el rango entre la velocidad del viento nominal y la velocidad del viento de cuasi desconexión, el objetivo es aumentar la potencia por encima de la potencia nominal bajo la restricción del par nominal: por lo tanto, el controlador permite aumentos adicionales en la velocidad de funcionamiento y reacciona a los aumentos de la velocidad del viento haciendo guiñar la turbina en contra del viento con un ángulo de guiñada que varía de forma proporcional a la velocidad del viento. En el intervalo de velocidad del viento entre la velocidad de cuasi desconexión y la velocidad de desconexión, el controlador mantiene el par nominal y la velocidad máxima de funcionamiento del rotor, correspondientes a la potencia máxima de diseño de la turbina. En todos los casos, la velocidad máxima de funcionamiento del rotor de diseño se ajusta para tener en cuenta el sobreimpulso que pueda experimentar el rotor, durante un transitorio causado por una ráfaga o una desconexión (la cual se acciona haciendo guiñar el rotor a 90 grados de la dirección del viento).

El funcionamiento del sistema de control de potencia con potencias detectadas inferiores a la potencia cuasi nominal se muestra en la Fig. 8. Cuando se opera en este modo, la lógica de referencia 1.2 recibe un valor de la potencia eléctrica detectada 1.1, y lo utiliza para calcular el ángulo de guiñada deseado y la velocidad de funcionamiento del rotor deseada. En este caso, el ángulo de guiñada se ajustará a cero 1.5 y la velocidad de funcionamiento del rotor deseada será la necesaria para optimizar la TSR 1.7. La velocidad de funcionamiento del rotor deseada se compara con la velocidad de funcionamiento del rotor detectada 1.3. Si las velocidades no coinciden, se genera un error de velocidad 1.9, momento en el que el controlador cambia el par de restricción 1.10 para que la velocidad de funcionamiento del rotor detectada 1.3 y la velocidad de funcionamiento del rotor deseada coincidan. Por lo tanto, cuando funciona en este modo, la turbina maximiza el rendimiento de la captación de energía eólica y su conversión en energía eléctrica.

El funcionamiento del sistema de control de potencia con potencias detectadas superiores a la potencia cuasi nominal e inferiores a la potencia nominal se muestra en la Fig. 9. Cuando se opera en este modo, la lógica de referencia 1.2 recibe un valor de la potencia eléctrica detectada 1.1, y solicita ajustar el ángulo de guiñada a cero 1.5 y mantener el par del rotor constante en su valor nominal. Como el ángulo de guiñada y el par son constantes, la velocidad de funcionamiento del rotor sólo es función de la velocidad del viento. En este modo, la turbina maximiza la producción de energía eléctrica manteniendo el par en el valor nominal.

El funcionamiento del sistema de control de potencia con potencias detectadas superiores a la potencia nominal e inferiores o iguales a la potencia max (máxima) se muestra en la Fig. 10. Cuando se opera en este modo, la lógica de referencia 1.2 recibe un valor de la potencia eléctrica detectada 1.1, y sobre esta base calcula la velocidad de funcionamiento deseada del rotor en el rango entre la velocidad nominal y la velocidad máxima 1.8 y solicita ajustar el par nominal de retención 1.6. La velocidad de funcionamiento del rotor deseada se compara con la velocidad de funcionamiento del rotor detectada 1.3. Si las velocidades no coinciden, se genera un error de velocidad 1.9, momento en el que el controlador cambia el ángulo de guiñada 1.10 para que la velocidad de funcionamiento del rotor detectada 1.3 y la velocidad de funcionamiento del rotor deseada coincidan. En algunas formas de realización, la lógica de referencia 1.2 también recibirá una medición del ángulo de guiñada detectado 1.4, que se utiliza para calcular la velocidad de funcionamiento deseada del rotor 1.8. De este modo, cuando se opera en este modo, la turbina maximiza la producción eléctrica permitiendo que la producción de energía supere el valor nominal.

Por lo tanto, utilizando los sistemas descritos es posible maximizar la producción de energía de un aerogenerador con control de guiñada y bisagra de balanceo de dos palas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de control de potencia para optimizar la producción de energía de un aerogenerador de dos palas y con control de guiñada, el aerogenerador tiene un buje basculante y opera en cuatro modalidades de funcionamiento, respectivamente desde la velocidad del viento de conexión (1) a la velocidad del viento cuasi nominal (2), desde la velocidad del viento cuasi nominal a la velocidad del viento nominal (3), desde la velocidad del viento nominal a la velocidad del viento de cuasi desconexión (4) y desde la velocidad del viento de cuasi desconexión a la velocidad del viento de desconexión (5), comprendiendo dicho sistema de control de potencia un controlador, un subsistema de accionamiento de guiñada y un subsistema de par de retención del tren de transmisión, en donde el controlador está adaptado para:

- recibir como entrada la potencia de salida detectada, la velocidad de funcionamiento del rotor detectada y la dirección del viento detectada en relación con la dirección del eje del rotor;

- dirigir el subsistema de par de retención del tren de transmisión y el subsistema de accionamiento de guiñada para modificar las condiciones de funcionamiento del aerogenerador en función de los cambios en la potencia de salida detectada, la velocidad de funcionamiento del rotor detectada y la dirección del viento detectada en relación con la dirección del eje del rotor;

caracterizado por que el controlador dirige el subsistema de par de retención del tren de transmisión para mantener el par de retención del tren de transmisión constante en su valor nominal cuando la turbina funciona desde las modalidades de funcionamiento de velocidad del viento cuasi nominal (2) a velocidad del viento de desconexión (5).

2. El sistema de control de potencia de la reivindicación 1, en donde el subsistema de accionamiento de guiñada puede ser de tipo hidráulico o eléctrico y el subsistema de par de retención del tren de transmisión se basa en un generador eléctrico acoplado con un convertidor eléctrico.

3. El sistema de control de potencia de la reivindicación 2, en donde el controlador se ajusta con los valores de: la potencia cuasi nominal, la potencia nominal, la potencia máxima, la velocidad nominal de funcionamiento del rotor, la velocidad máxima de funcionamiento del rotor y el par nominal de retención del tren de transmisión.

4. El sistema de control de potencia de la reivindicación 1, en donde cuando el valor de la potencia de salida detectada es inferior a la potencia cuasi nominal, el controlador se programa para:

ordenar al subsistema de accionamiento de guiñada que mantenga el eje del rotor alineado con el viento (es decir, el ángulo de guiñada de cero);

calcular la velocidad de funcionamiento del rotor correspondiente a la relación de velocidad específica (TSR) óptima;

comparar la velocidad de funcionamiento del rotor calculada con la velocidad de funcionamiento del rotor detectada; y

ordenar al subsistema de par de retención del tren de transmisión que modifique el par de retención del tren de transmisión hasta que la velocidad real de funcionamiento del rotor alcance el valor calculado correspondiente a la TSR óptima.

5. El sistema de control de potencia de la reivindicación 1, en donde cuando el valor de la potencia de salida detectada es mayor que la potencia cuasi nominal pero menor que la potencia nominal, el controlador se programa para:

ordenar al subsistema de accionamiento de guiñada que mantenga un ángulo de guiñada de cero; y

ordenar al subsistema de par de retención del tren de transmisión que mantenga el par de retención del tren de transmisión constante en su valor nominal.

6. El sistema de control de potencia de la reivindicación 1, en donde cuando la potencia de salida detectada es mayor que la potencia nominal pero menor que la potencia máxima, el controlador se programa para:

calcular una velocidad de funcionamiento del rotor deseada, que deberá estar entre la velocidad nominal de funcionamiento del rotor y la velocidad máxima de funcionamiento del rotor, en función del nivel de potencia y el ángulo de guiñada detectado;

comparar la velocidad de funcionamiento del rotor deseada con la velocidad de funcionamiento del rotor detectada; y ordenar al subsistema de accionamiento de guiñada que cambie el ángulo de guiñada hasta que la velocidad de funcionamiento del rotor detectada alcance la velocidad de funcionamiento del rotor deseada.

7. El sistema de control de potencia de la reivindicación 6, en donde cuando la potencia de salida detectada se encuentra, en esencia, en la potencia máxima, el controlador se programa para:

ordenar al subsistema de par de retención del tren de transmisión que mantenga el par de retención del tren de transmisión constante y en su valor nominal;

establecer la velocidad de funcionamiento del rotor deseada a la velocidad máxima de funcionamiento; comparar la velocidad máxima de funcionamiento del rotor con la velocidad de funcionamiento del rotor detectada; y ordenar al subsistema de accionamiento de guiñada que cambie el ángulo de guiñada hasta que la velocidad de funcionamiento del rotor detectada y la velocidad máxima de funcionamiento del rotor sean, en esencia, iguales.

8. Un sistema de control de potencia para un aerogenerador con control de guiñada de dos palas, el aerogenerador tiene un buje basculante y funciona en cuatro modalidades de funcionamiento, respectivamente, desde la velocidad del viento de conexión hasta la velocidad del viento cuasi nominal, desde la velocidad del viento cuasi nominal hasta la velocidad del viento nominal, desde la velocidad del viento nominal hasta la velocidad del viento de cuasi desconexión y desde la velocidad del viento de cuasi desconexión hasta la velocidad del viento de desconexión, comprendiendo dicho sistema de gestión de potencia:

un sensor de potencia que puede detectar la potencia de salida de la turbina;

un sensor de velocidad de funcionamiento del rotor que puede medir una velocidad de un eje de transmisión del rotor del aerogenerador;

un sensor de ángulo de guiñada que puede medir el ángulo entre la dirección del viento y la dirección del eje del rotor;

un convertidor de potencia acoplado de forma operativa al eje de transmisión del rotor y que puede restringir el par en el eje de transmisión del rotor;

un subsistema de accionamiento de guiñada acoplado de forma operativa al eje de transmisión del rotor y que puede hacer girar el eje del rotor cambiando de este modo un ángulo de guiñada; y

un controlador conectado de forma operativa al sensor de potencia, al convertidor de potencia, al subsistema de accionamiento de guiñada, al sensor de velocidad de funcionamiento del rotor y al sensor de ángulo de guiñada; pudiendo el controlador recibir una señal indicativa de la potencia de salida y de la velocidad del eje de transmisión del rotor y, opcionalmente, una señal indicativa del ángulo de guiñada, y de emitir una señal directa al convertidor de potencia y al subsistema de accionamiento de guiñada para modificar el par de retención y el ángulo de guiñada;

caracterizado por que la señal que se emite desde el controlador se dirige al convertidor de potencia para que mantenga el par de retención en el eje de transmisión del rotor constante en su valor nominal cuando la turbina funciona desde las modalidades de funcionamiento de la velocidad del viento cuasi nominal hasta la velocidad del viento de desconexión.

9. El sistema de gestión de potencia de la reivindicación 8, en donde el controlador compara la potencia de salida con una potencia cuasi nominal, una potencia nominal y una potencia máxima y determina un modo de funcionamiento óptimo.

10. El sistema de gestión de potencia de la reivindicación 8, en donde cuando la potencia de salida es inferior a la potencia cuasi nominal, el subsistema de accionamiento de guiñada mantiene un ángulo de guiñada de cero y el convertidor de potencia cambia el par de retención del tren de transmisión para lograr una velocidad del rotor correspondiente a la relación de velocidad específica (TSR).

11. El sistema de gestión de potencia de la reivindicación 8, en donde cuando la potencia de salida es mayor que la potencia cuasi nominal, pero menor que la potencia nominal, el subsistema de accionamiento de guiñada mantiene un ángulo de guiñada de cero y el convertidor de potencia mantiene el par de retención del tren de transmisión constante en el valor nominal.

12. El sistema de gestión de potencia de la reivindicación 9, en donde cuando la potencia de salida es mayor que la potencia nominal, pero menor o igual que la potencia máxima, el convertidor de potencia mantiene el par de retención del tren de transmisión constante en el valor nominal y el subsistema de accionamiento de guiñada cambia el ángulo de guiñada para mantener la potencia de salida mayor que la potencia nominal.