ES2924494T3 - Sistema de diagnóstico, sistema de aerogenerador, método para uso en un aerogenerador y producto de programa informático - Google Patents

Sistema de diagnóstico, sistema de aerogenerador, método para uso en un aerogenerador y producto de programa informático Download PDF

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ES2924494T3 ES17735383T ES17735383T ES2924494T3 ES 2924494 T3 ES2924494 T3 ES 2924494T3 ES 17735383 T ES17735383 T ES 17735383T ES 17735383 T ES17735383 T ES 17735383T ES 2924494 T3 ES2924494 T3 ES 2924494T3
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Martin Ansbjerg Kjær
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Abstract

Un sistema de diagnóstico para usar en un sistema de guiñada de turbina eólica, que comprende: un sensor de movimiento de la torre configurado para emitir una señal indicativa de la oscilación de la torre, en particular, aunque no exclusivamente, la oscilación de la torre de lado a lado, y un módulo de diagnóstico configurado para: analizar el movimiento de la torre señal del sensor para identificar el contenido de frecuencia de la señal que no está asociado con la oscilación de la torre; y correlacionar el contenido de frecuencia identificado con el funcionamiento del sistema de guiñada para determinar de ese modo que el sistema de guiñada requiere mantenimiento. Ventajosamente, la invención prevé que la salud del sistema de guiñada pueda determinarse analizando el movimiento oscilatorio de la torre medido por un sensor de movimiento de torre instalado en una ubicación adecuada, por ejemplo, en la parte superior de la torre o en la góndola, por ejemplo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de diagnóstico, sistema de aerogenerador, método para uso en un aerogenerador y producto de programa informático
Campo técnico
La presente invención se refiere a un sistema de diagnóstico para un sistema de control de aerogenerador y también a un método de operación de un sistema de diagnóstico para validar una señal de sensor de movimiento que es indicativa de la oscilación de lado a lado de la torre del sistema de aerogenerador.
Antecedentes de la invención
Los aerogeneradores generalmente toman la forma de estructuras altas y esbeltas que comprenden una góndola montada en la parte superior de una torre, la góndola que lleva el rotor del aerogenerador. Como con todas las estructuras altas y esbeltas, la torre tiene una tendencia a balancearse con el uso.
La torre puede oscilar en un movimiento predominantemente de lado a lado de acuerdo con su frecuencia natural (o 'frecuencia propia'), que está determinada en gran medida por las características de la torre, tales como su altura, diámetro, material de fabricación, estructura interior, rigidez torsional, masa de la góndola, etc. Las grandes oscilaciones también se pueden causar por la carga dinámica generada debida al movimiento del rotor que está montado en la góndola del aerogenerador, que está diseñado típicamente para girar a una velocidad de rotación o frecuencia angular predeterminada, a la que se hace referencia comúnmente como frecuencia 1P.
Las grandes oscilaciones de lado a lado generan tensiones significativas a través de la torre que, a lo largo del tiempo, pueden afectar a su integridad estructural. Los sistemas modernos de aerogeneradores utilizan sistemas de amortiguación de movimiento de la torre para contrarrestar el movimiento de la torre. Tales sistemas de amortiguación de movimiento de la torre ajustan activamente la electrónica de potencia de la turbina con el fin de controlar el par del generador. También actúan a través de un sistema de control de paso para controlar el ángulo de paso de las palas (o bien de manera individual o bien colectiva). No obstante, los sistemas de amortiguación de movimiento de la torre dependen en gran medida de medir las oscilaciones con precisión, típicamente a través del uso de un sensor de movimiento de la torre situado o bien en la góndola o bien en la parte superior de la torre. Dado que la efectividad del sistema de amortiguación de movimiento de la torre y, de hecho, otros sistemas de aerogeneradores, se basa en la precisión de la señal de aceleración proporcionada por el sensor de movimiento de la torre, es importante asegurarse de que el sistema pueda determinar si se puede confiar en la señal de aceleración. Es en este contexto en el que se ha ideado la invención.
El documento JP2016031047 se refiere a un sistema de monitorización para un aerogenerador que comprende una pluralidad de sensores de vibración dedicados a componentes específicos del aerogenerador.
Compendio de la invención
En este contexto, la invención proporciona un sistema de diagnóstico para su uso en un sistema de guiñada de aerogenerador, que comprende: un sensor de movimiento de la torre configurado para emitir una señal indicativa de la oscilación de la torre, en particular, aunque no exclusivamente, la oscilación de lado a lado de la torre, y un módulo de diagnóstico configurado para: analizar la señal de sensor de movimiento de la torre para identificar el contenido de frecuencia de la señal que no está asociado con la oscilación de la torre; y correlacionar el contenido de frecuencia identificado con la operación del sistema de guiñada para determinar por ello que el sistema de guiñada requiere mantenimiento.
La invención también se puede expresar como un método de validación de una señal de sensor de movimiento de la torre indicativa de la oscilación de la torre de un sistema de aerogenerador, el método que incluye: analizar la señal de sensor de movimiento de la torre para identificar el contenido de frecuencia que no está asociado con la oscilación de la torre; y correlacionar el contenido de frecuencia identificado con la operación del sistema de guiñada para determinar por ello que el sistema de guiñada requiere lubricación.
De manera beneficiosa, la invención se da cuenta de que la salud del sistema de guiñada se puede determinar analizando el movimiento oscilatorio de la torre según se mide por un sensor de movimiento de la torre instalado en una ubicación adecuada, por ejemplo, en la parte superior de la torre o en la góndola, por ejemplo. Adecuadamente, el movimiento de la torre puede ser un movimiento de lado a lado de la torre según se mide por un acelerómetro adecuado u otros sensores tales como un giroscopio o un magnetómetro. En otro sentido, por lo tanto, el sistema se puede considerar que es un sistema de diagnóstico que está configurado para identificar que el sistema de guiñada tiene un requisito de mantenimiento.
Además, el módulo de diagnóstico se puede configurar para: identificar una primera parte del contenido de frecuencia que es indicativa de la oscilación de la torre y una segunda parte que es indicativa de la operación del sistema de guiñada; y generar una señal de error en dependencia de la detección de la segunda parte de la señal, en donde la segunda parte del contenido de frecuencia tiene una frecuencia que está fuera del rango de sensibilidad del sensor de movimiento.
Se pueden usar diversas técnicas para lograr esto. Por ejemplo, el sistema de diagnóstico puede implementar un algoritmo de detección de cambio estadístico para analizar la señal de movimiento de la torre, en donde la señal de movimiento de la torre se analiza para detectar cambios en un valor medio de la misma desde un valor medio idealizado. Alternativamente, el módulo de diagnóstico puede implementar un algoritmo de análisis de espectro de potencia para analizar la señal de movimiento de la torre, para identificar aumentos en la potencia a una o más frecuencias de interés que son indicativas de falta de lubricación del sistema de guiñada y, de este modo, la necesidad de mantenimiento.
El sistema de diagnóstico puede comprender además un módulo de manejo de errores configurado para desencadenar un evento de manejo de errores en dependencia de la recepción de la señal de error, en donde el evento de manejo de errores comprende realizar cualquiera de: a) registrar la señal de error, b) proporcionar una alerta a un operador externo, y c) desactivar un sistema de amortiguación de movimiento de la torre del aerogenerador. El operador externo puede ser un operador del sistema de transmisión, que puede necesitar tal información de modo que pueda tomar las medidas apropiadas, o el operador puede ser un sistema de mantenimiento que marca que el sistema de guiñada requiere un régimen de mantenimiento diferente o mejorado. La señal de error se puede mantener como activa durante un período de espera predeterminado para asegurar que se actúa sobre la señal y no se la pasa por alto.
Las realizaciones de la invención encuentran una utilidad particular con sensores de movimiento de una sensibilidad baja de manera que las vibraciones de alta frecuencia del sistema de guiñada, indicativas de la necesidad de mantenimiento, puedan enmascarar el contenido de señal que proporciona la información de oscilación de la torre. La invención también se puede expresar como un producto de programa informático descargable desde una red de comunicación y/o almacenado en un medio legible por máquina, que comprende instrucciones de código de programa para implementar un método como se ha descrito anteriormente.
Breve descripción de los dibujos
Con el fin de que la invención se entienda más plenamente, se describirá ahora a modo de ejemplo solamente con referencia a los siguientes dibujos, en los cuales:
la Figura 1 es una vista de un sistema de aerogenerador;
la Figura 2 es una vista esquemática del sistema de aerogenerador mostrado en la Figura 1,
la Figura 3 es un diagrama de proceso que ilustra una estrategia para validar las señales que se emiten desde un sensor de movimiento del sistema de aerogenerador; y
la Figura 4 es un diagrama de proceso que ilustra una estrategia para generar una señal de error como parte de la estrategia de validación mostrada en la Figura 3.
Descripción detallada de realizaciones de la invención
Las Figuras 1 y 2 muestran vistas esquemáticas de un sistema de aerogenerador 2. Cada figura describe características que son significativas para esta discusión, aunque se debería apreciar que muchas características que son comunes a los aerogeneradores no se muestran aquí por brevedad, por ejemplo, la red de control de aerogenerador, la red de distribución de energía, etc. No obstante, los expertos en la técnica entenderán que estas características están presentes implícitamente en un sistema de aerogenerador convencional como se describe en la presente memoria.
Con referencia en primer lugar a la Figura 1, el sistema de aerogenerador 2 incluye una góndola 7 montada en la parte superior de una torre 3. La góndola 7 puede girar alrededor de la vertical de la torre 3, definiendo por ello un movimiento de guiñada de la góndola 7 con respecto a la torre. 3. Un rotor 4 que comprende un conjunto de palas 5 está montado en la góndola 7 de la forma habitual.
El sistema de aerogenerador 2 puede incluir además un sistema de guiñada activa (no mostrado), que se proporciona para girar la góndola 7 contra la torre estacionaria 3. El sistema de guiñada activa incluye un medio de conexión giratoria entre la góndola 7 y la torre 3 (un cojinete de guiñada), un medio de variación activa de la orientación del rotor (un accionamiento de guiñada), un medio de restricción de la rotación de la góndola (freno de guiñada) y un sistema de control de guiñada que está configurado, en uso, para girar automáticamente la góndola 7 en dependencia de recibir una señal de entrada de un sensor de dirección del viento, por ejemplo. Alternativamente, el sistema de guiñada activa 7 puede controlar la rotación de la góndola 7 en respuesta a la recepción de una demanda de un sistema de control de viento 20 del aerogenerador.
El cojinete de guiñada incluye una interfaz deslizante 9 entre la góndola 7 y la torre 3. En particular, una parte de esa interfaz deslizante 9 está definida por una superficie superior de la torre 3 que se opone a una segunda parte de la interfaz 9 en la parte inferior de la góndola 7. La interfaz deslizante se lubrica para permitir que la góndola 7 gire libremente con respecto a la torre 3 durante la operación del sistema de aerogenerador 2.
Con referencia a la Figura 2, el sistema de aerogenerador 2 incluye el rotor 4 que acciona una caja de engranajes 6 por medio de un eje de entrada 8. Obsérvese que aunque aquí se muestra una caja de engranajes 6, también es sabido que los aerogeneradores tienen una arquitectura de transmisión directa en la que se omite una caja de engranajes. La caja de engranajes 6 tiene un eje de salida 10 que acciona un generador 12 para generar energía eléctrica. La generación de energía eléctrica trifásica es habitual en los sistemas de aerogeneradores a escala de empresa de servicios públicos, pero esto no es esencial para el propósito de esta discusión.
El generador 12 está conectado a un convertidor de frecuencia 14 mediante un conector eléctrico trifásico adecuado, tal como un cable o un bus 16. El convertidor de frecuencia 14 es de arquitectura convencional y, como es sabido, convierte la frecuencia de salida del generador 12 a un nivel de voltaje y frecuencia que sea adecuado para suministrar a la red 18. Se conocen en la técnica diversas arquitecturas de convertidores de frecuencia y el tipo particular seleccionado no es fundamental para la invención y, así, no se describirá aquí en detalle.
Aunque los aerogeneradores de velocidad fija son apropiados para aerogeneradores que tienen una salida de baja potencia, por ejemplo por debajo de 1 MW, en esta realización el sistema de aerogenerador 2 es capaz de operar a velocidad variable para ser más eficiente en la captura de energía del viento en un rango de velocidades del viento. Como es sabido, los aerogeneradores de velocidad variable típicamente operan bajo dos estrategias de control principales: potencia por debajo de la nominal y potencia por encima de la nominal. Como es sabido, el término 'potencia nominal' se usa aquí en su sentido aceptado para referirse a la salida de potencia a la que el sistema de aerogenerador está clasificado o certificado para producir bajo operación continua. De manera similar, el uso del término 'velocidad nominal del viento' se debería entender que significa la velocidad del viento más baja a la que se produce la potencia nominal de un aerogenerador.
Una potencia por debajo de la nominal ocurre a velocidades del viento entre la velocidad de conexión y la velocidad nominal del viento que, típicamente, está entre 10 y 17 ms-1. En esta región operativa, el sistema de aerogenerador 2 es operable para controlar la velocidad del rotor para maximizar la energía capturada del viento. Esto se logra controlando la velocidad del rotor de modo que la relación de velocidad de punta esté en un valor óptimo, esto es, entre 6 y 7. Para controlar la velocidad del rotor, el sistema de aerogenerador 20 está dotado con la instalación para controlar el par del generador para hacer el seguimiento de una referencia de potencia comandada.
Una potencia por encima de la nominal ocurre cuando la velocidad del viento ha aumentado o ha excedido la velocidad nominal del viento. En esta condición operativa, el objetivo del sistema de aerogenerador 2 es mantener una potencia de salida constante. Esto se logra controlando el par o la potencia del generador para que sean sustancialmente constantes, pero variando el ángulo de paso de las palas, lo que ajusta las fuerzas de arrastre y sustentación resultantes en el plano del rotor. Esto ralentizará la velocidad de rotación de la turbina o el par transferido al eje del rotor de modo que la velocidad de rotación o el par se mantenga constante por debajo de un umbral establecido.
Haciendo referencia de nuevo a la Figura 2, con el fin de lograr los objetivos de control de potencia por debajo de la nominal y por encima de la nominal, el sistema de control 20 comprende un controlador de velocidad 22 que es operable para controlar el convertidor de frecuencia 14 para influir en el par ejercido sobre el rotor 4 por el generador 12. El sistema de control 20 también está configurado para controlar el paso de las palas 5 a través de un sistema de ajuste de paso de pala que comprende un módulo de control de paso 24 y un módulo de accionamiento de paso 26.
Se debería observar en este punto que la arquitectura de un sistema de control de velocidad de aerogenerador que actúa a través de electrónica de potencia tal como un convertidor de frecuencia para controlar el par del generador y que también actúa a través de un sistema de control de paso para controlar el ángulo de paso de las palas es generalmente conocido en la técnica, por lo que solamente se proporcionará aquí una descripción general de la funcionalidad.
El controlador de velocidad 22 recibe una pluralidad de entradas de control, pero aquí se hace referencia específicamente a dos parámetros de entrada: un parámetro de entrada de velocidad del rotor que se proporciona por un medio de detección de velocidad del rotor 23, y un parámetro de entrada de potencia demandada o 'referencia de potencia' que se proporciona por un controlador de nivel más alto 25 del sistema de aerogenerador 2 o bien directamente al controlador de velocidad 22 o bien a través de una red de distribución de datos basada en un protocolo adecuado, tal como Ethernet.
El controlador de velocidad 22 es operable para controlar el par del generador emitiendo una señal de par demandado Tdem al convertidor de frecuencia 14, más específicamente un módulo de control vinculado operativamente al convertidor 14, durante la condición de operación de potencia por debajo de la nominal con el fin de minimizar el error entre el parámetro de entrada de velocidad del rotor y la referencia de velocidad y, de este modo, llevar la potencia generada para que coincida con la referencia de potencia. De manera similar, en condiciones de operación de potencia por encima de la nominal, el controlador de velocidad 22 es operable para mantener constante el par del generador pero para proporcionar una entrada de control al módulo de control de paso 24 para modular, colectivamente, los ángulos de paso de las tres palas 5 del rotor 4.
El módulo de control de paso 24 recibe la entrada de control del controlador de velocidad y convierte esto en un valor de ajuste de ángulo de paso para cada una de las palas 5. Estas entradas de control se alimentan al módulo de actuación de paso 26 que controla los motores de actuación de paso para las palas 5 respectivas.
Aunque en la realización anterior, el controlador de velocidad 22 se describe como que proporciona un valor de par demandado al convertidor de frecuencia, también es posible que el controlador de velocidad dote al convertidor de frecuencia con una referencia de potencia demandada, por lo que el controlador de velocidad calcularía el par necesario para aplicar a la caja de engranajes con el fin de hacer coincidir la salida de energía con la referencia de potencia demandada.
Como se apreciará a partir de la discusión anterior, el sistema de aerogenerador 2 está dotado con una instalación para controlar la velocidad del rotor durante una amplia gama de velocidades del viento con el fin de optimizar la generación de potencia del sistema. No obstante, durante la operación se entiende bien que la torre tiende a oscilar con un movimiento de lado a lado. Para abordar este problema, el sistema de control 20 incluye un controlador de amortiguación 28 que coopera con el controlador de velocidad 22 y el módulo de control de paso 24, como se explicará, con el fin de contrarrestar la oscilación de la torre 3.
En este punto se debería observar que aunque los sistemas 20, 24, 28 se han descrito como que están separados; esto no se pretende que confiera una estructura física particular a los módulos. Por ejemplo, los módulos pueden ser unidades de microprograma separadas o pueden ser unidades de software funcional individuales implementadas en una plataforma de procesamiento común.
Volviendo una vez más a la Figura 2, las operaciones del controlador de amortiguación activa 28 se describirán ahora con más detalle. El controlador de amortiguación activa 28 funciona para amortiguar las oscilaciones de la torre en direcciones que son tanto laterales como en línea con el eje del rotor; es decir, los movimientos de la torre 'de delante a atrás' y 'de lado a lado', respectivamente. Con el fin de hacer esto, el controlador 28 recibe una señal de sensor de un sensor de movimiento de la torre 30.
El sensor de movimiento de la torre 30 es un acelerómetro que está configurado para medir la aceleración axial y lateral de un punto o puntos adecuados en el aerogenerador. Típicamente tal sensor se montará hacia la parte superior de la torre 3, y posiblemente en la góndola 7, con el fin de maximizar las aceleraciones a las que está sometido. De esta forma, el acelerómetro está configurado para detectar el movimiento 'de delante a atrás' y 'de lado a lado' de la torre 3 del sistema de aerogenerador 2. En particular, el acelerómetro está configurado para detectar vibraciones que sean menores que 15 Hz, más particularmente menores que 10 Hz o 5 Hz.
El beneficio de usar un acelerómetro calificado para detectar vibraciones por debajo de 15 Hz es que tales sensores son de un coste relativamente bajo en comparación con los sensores que están calificados para detectar frecuencias mucho más altas, por ejemplo, 5 kHz. Los costes de los componentes son una consideración importante cuando se diseña un sistema de aerogenerador. Por lo tanto, es necesario elegir componentes que sean rentables y, todavía, proporcionen resultados satisfactorios. En este caso, un sensor de movimiento de 15 Hz es capaz de medir el movimiento típico de un sistema de aerogenerador 2 cuando está operando bajo condiciones normales.
Debido a diferencias pequeñas pero significativas en la distribución de la masa del rotor 4, causadas, por ejemplo, por una distribución de peso subóptima del rotor 4. La rotación del rotor 4 puede causar oscilaciones de muy baja frecuencia de la torre 3 tanto en un movimiento de delante a atrás como de lado a lado. Tales oscilaciones afectan sustancialmente a la operación del sistema de aerogenerador 2 durante las condiciones normales de operación, no obstante, a velocidades de rotor más altas (también conocidas como '1P' en la técnica), las oscilaciones pueden causar fatiga en los componentes del aerogenerador.
Si durante la operación del aerogenerador se determina que la velocidad del rotor no está dentro de un rango de velocidad predeterminado, el sistema de control 20 activa el controlador de amortiguación activa 28 con el fin de amortiguar activamente las oscilaciones de la torre. Dicho de otra manera, el controlador de amortiguación activa 28 es operable durante condiciones de operación de potencia por encima de la nominal para amortiguar el movimiento oscilatorio de la torre. El controlador de amortiguación activa 28 también opera a través del módulo de control de paso 24 para controlar los comandos de ajuste de paso para las palas 5, como se explicará ahora.
En respuesta a una señal de entrada del sensor de movimiento de la torre 30 que es indicativa de un oscilación de delante a atrás mejorada de la torre 3, el controlador de amortiguación activa 28 calcula el desplazamiento de par que se requiere para hacer que el rotor aplique una fuerza a la góndola que es contraria al movimiento de delante a atrás detectado. El controlador de amortiguación activa entonces es operable para emitir una señal de desplazamiento de par Tdesplazmiento que sirve para modular la salida del controlador de velocidad 22. La señal de salida modulada Tdem se acopla al convertidor de frecuencia 14 mediante el controlador de velocidad 22, que luego controla el generador 12 en consecuencia para contrarrestar la oscilación de la torre medida.
En respuesta a una señal de entrada del sensor de movimiento de la torre 30 que es indicativa de una oscilación de lado a lado mejorada de la torre 3, el controlador de amortiguación activa 28 calcula un cambio de paso colectivo que se requiere para hacer que el rotor aplique una fuerza a la góndola que es contraria al movimiento de lado a lado. El controlador de amortiguación activa 28 es operable para emitir una señal de desplazamiento de paso Pdesplazmiento que sirve para modular la salida del módulo de control de paso 24. La señal modulada se acopla al actuador de paso 26, a través de un controlador de paso 24, que luego ajusta el paso de las palas 5 en consecuencia.
La discusión anterior ha explicado la funcionalidad del controlador de amortiguación activa 28 para modular la demanda de par al generador y también el paso de las palas 5 con el fin de reducir la oscilación de la torre. Tal funcionalidad es generalmente conocida y así solamente se da aquí una descripción general.
Durante la operación del aerogenerador, es común que la góndola 7 gire alrededor del eje vertical de la torre 3 para que el rotor se enfrente hacia el viento. Esta guiñada de la góndola 7 con respecto a la torre 3 puede producir vibraciones de alta frecuencia causadas por la fricción entre las superficies opuestas de la torre y la góndola a medida se deslizan una con relación a la otra. Tales vibraciones pueden ser particularmente problemáticas si no hay suficiente lubricación entre las superficies deslizantes.
Se ha observado que las vibraciones de alta frecuencia pueden tener el efecto de saturar la salida del sensor de movimiento 30 y causar un solapamiento de señal de modo que las oscilaciones de baja frecuencia de lado a lado de la torre sean difíciles de detectar con precisión. Si el movimiento de la torre no se puede interpretar con precisión usando la señal del sensor 30, entonces hay un riesgo de que la funcionalidad de amortiguación de movimiento no se realice con la eficacia para la que está diseñada.
Para abordar este problema, el sistema de aerogenerador 2 de las realizaciones ilustradas incluye además un sistema de diagnóstico 31 que incluye un módulo de diagnóstico 32, que está configurado para recibir señales de sensor desde el sensor de movimiento 30 a lo largo del tiempo y generar una señal de error en dependencia de la validez de los datos de señal. De esta forma, el módulo de diagnóstico 32 está configurado para detectar lecturas incorrectas o engañosas del sensor de movimiento de la torre que pueden provenir, por ejemplo, de las vibraciones causadas debido a la escasa lubricación de la superficie de deslizamiento de guiñada. El sistema de diagnóstico 31 comprende además un módulo de manejo de errores 34, que está configurado para desencadenar un evento de manejo de errores en dependencia de la recepción de una señal de error desde el módulo de diagnóstico 32.
El módulo de diagnóstico 34 está configurado para analizar la señal de sensor de movimiento de la torre para identificar el contenido de frecuencia, incluyendo uno o más componentes de frecuencia, que no está asociada con la oscilación de lado a lado de la torre. El módulo de diagnóstico 32 es capaz correlacionar entonces el contenido de frecuencia identificado con la operación del sistema de guiñada con el fin de determinar que el sistema de guiñada requiere lubricación. Este proceso de diagnóstico, o validación del sensor, se puede lograr de muchas formas, y la discusión que sigue explica una técnica en detalle.
En una realización, el módulo de diagnóstico 32 se puede configurar para implementar un algoritmo de detección de cambio estadístico con el fin de analizar la señal de movimiento de la torre. Se calcula un valor medio promediando la señal de movimiento de la torre en una ventana de promediado predeterminada. La señal de movimiento de la torre entonces se analiza para detectar cambios en el valor medio de un valor medio idealizado.
En realizaciones alternativas, el módulo de diagnóstico 32 puede ser operable para implementar un algoritmo de análisis de espectro de potencia para analizar la señal de movimiento de la torre, para identificar aumentos en la potencia a una o más frecuencias de interés, que son indicativas de falta de lubricación del sistema de guiñada. En tal técnica, una técnica de transformada rápida de Fourier (FFT) conocida se podría aplicar a la señal de movimiento de la torre con el fin de dividir el contenido de frecuencia de esa señal en sus componentes de frecuencia individuales. La identificación adecuada de los componentes de frecuencia que no son atribuibles a la oscilación de lado a lado de la torre se puede usar de este modo para determinar que el sistema de guiñada de la torre está insuficientemente lubricado, conduciendo a vibraciones indeseables a través de la estructura de la torre.
De este modo, si la frecuencia de las vibraciones detectadas aumenta, esto es una indicación al operador del sistema de aerogenerador de que la superficie de deslizamiento de guiñada necesita lubricación. Alternativamente, podría indicar que para un sistema de aerogenerador en particular, la superficie de deslizamiento de guiñada requiere un régimen de mantenimiento más exhaustivo para evitar vibraciones indeseadas adicionales en el futuro. Se apreciará que el módulo de diagnóstico 32 se podría usar para determinar la validez de las señales de sensor de movimiento que son indicativas de una variedad de diferentes rangos de movimiento de la torre. Es una ventaja particular de la invención analizar las señales de sensor de movimiento que representan el movimiento de lado a lado, que son particularmente relevantes para la operación eficiente del sistema de aerogenerador 2.
La operación del módulo de diagnóstico 32 se describirá ahora con más detalle. La Figura 3 ilustra una estrategia o proceso de diagnóstico 100 que se implementa por el sistema de diagnóstico 32 de acuerdo con una realización de la invención.
La estrategia de diagnóstico 100 comienza en el paso 102 que corresponde a recibir la señal de sensor de movimiento de la torre no atenuada sin procesar desde el sensor de movimiento de la torre 30. La señal es indicativa de la aceleración de la torre debido a las oscilaciones de lado a lado de la torre.
Entonces, la señal de sensor de movimiento sin procesar pasa a través de un filtro paso alto 104 y/o paso bajo 106. Se apreciará por los expertos en la técnica que la señal de sensor de movimiento se puede modificar y modular de cualquier número de formas según la práctica común con señales de manejo producidas desde una disposición de sensor de movimiento de la torre como se describe en la presente memoria.
En el paso 108, el módulo de diagnóstico 32 monitoriza la señal muestreando la señal en una ventana de promediado predeterminada, o ventana de muestreo 110, muy similar a una función de 'promedio móvil', y genera un valor medio para cada ventana de promediado secuencial 110. La tasa de muestreo de la señal es dependiente de la aplicación para la que se usa el acelerómetro. Un ejemplo de una ventana de promediado adecuada es 0,02 s (es decir, una tasa de muestreo de 50 Hz).
Aunque la ventana de promediado 110 se puede configurar según sea necesario para la aplicación particular, en la realización ilustrada la ventana de promediado 110 se puede establecer igual al período de oscilación de la torre, es decir, el recíproco de la frecuencia de oscilación de la torre. La frecuencia de oscilación de la torre se define como la frecuencia de vibración natural de la masa combinada de la torre y la cabeza (es decir, incluyendo la góndola) del aerogenerador. Según la realización de la invención, el número de ciclos de torre usados para calcular la ventana de promediado 110 se establece en uno, con el fin de limitar el retraso de detección que, de otro modo, resultaría del promediado de múltiples ciclos de torre. La frecuencia de vibración natural de la torre de un aerogenerador a escala de empresa de servicios públicos típico, durante la operación normal, es de 0,2 Hz.
En el paso 112, los valores medios promedio se pasan luego a través de un filtro de muesca 114. El filtro de muesca es un filtro de supresión de banda, que permite que algunas frecuencias pasen inalteradas pero atenúa valores que tienen frecuencias en un rango específico a un nivel muy bajo. De esta forma, los valores medios que están asociados con la operación normal del aerogenerador se eliminan en gran medida del análisis, dejando atrás solamente los valores medios que son representativos de la señal de sensor de movimiento de la torre que se causa por eventos no estándar, tales como las vibraciones producidas por la guiñada de la góndola con respecto a la torre. El filtro de muesca es un filtro electrónico sintonizable, que es configurable para desconectar frecuencias de la señal de sensor que no son de interés. Por ejemplo, una frecuencia de muesca se puede centrar en la frecuencia de vibración natural de la torre, mientras que la ganancia y la forma del filtro de muesca se pueden establecer para controlar la nitidez del corte entre las frecuencias inalteradas y atenuadas.
En particular, el filtro de muesca se usa para eliminar las oscilaciones de los datos que probablemente hayan resultado de factores externos con los que no está relacionado el módulo de validación, tales como los efectos del viento y las olas golpeando la torre del aerogenerador. Se ha demostrado que el valor medio del sensor y la varianza del valor medio aumentan ambas linealmente con la velocidad del viento. Por lo tanto, el filtro de muesca se usa para modular (o aplanar) esta correlación dentro de los datos de modo que no pueda oscurecer el efecto de las vibraciones de alta frecuencia en la señal. En otras palabras, el filtro de muesca es capaz de extraer el 'ruido' de alta frecuencia de los datos de sensor de movimiento de modo que se puedan analizar de manera eficaz por el módulo de diagnóstico 32.
En el paso 114, el módulo de diagnóstico 32 implementa una estrategia de diagnóstico o de generación de errores 114, que se usa para decidir si se debería generar o no una señal de error. En esta realización, la estrategia de generación de errores 114 utiliza un algoritmo de Suma Acumulativa (CUSUM) para determinar la varianza de cada valor de señal promediado, con respecto a un valor medio nominalmente idealizado. Los métodos estadísticos tales como CUSUM son bien conocidos en la técnica y, como tal, estaría claro para los expertos en la técnica que se podrían usar métodos estadísticos similares para realizar el análisis de varianza incluyendo, por ejemplo, una prueba de relación de verosimilitud generalizada (GLRT).
Analizando la señal de sensor de movimiento de la torre de esta forma, la invención es capaz de identificar cuándo las vibraciones de frecuencia más baja, asociadas a la oscilación natural de la torre, están siendo enmascaradas o solapadas por las vibraciones de alta frecuencia correspondientes a las vibraciones causadas por la guiñada de la góndola 7 con respecto a la torre 3. De esta forma, la invención es capaz de detectar aberraciones en el movimiento de lado a lado de la torre 3. Esto es particularmente útil cuando hay un requisito de usar acelerómetros de bajo coste que pueden tener una sensibilidad limitada. Por ejemplo, un acelerómetro de torre que tiene una sensibilidad de frecuencia de 15 Hz, más particularmente, 10 Hz o incluso 5 Hz puede ser más susceptible al solapamiento que un sensor que tiene una sensibilidad de frecuencia de 5-10 kHz. No obstante, la invención es capaz de interpretar las señales de alta frecuencia en el rango de baja frecuencia, permitiéndola por ello operar usando un sensor menos sensible.
Los pasos de procesamiento que se llevan a cabo como parte de la estrategia de generación de errores 114, como se describe en la Figura 4, comienzan en el paso 200 en el que se recibe un valor escalar del filtro de muesca 112.
En la realización ilustrada, se implementa un algoritmo de detección de cambio estadístico adecuado (bloque 204). Este algoritmo puede ser el algoritmo de Suma Acumulativa (CUSUM) como se ha mencionado anteriormente. Como es sabido, tal algoritmo está diseñado para detectar variaciones en el valor medio medido que son mayores que una media 'defectuosa' predefinida mientras que tiene en cuenta una varianza de señal admitida o permitida. Como es sabido en la técnica, el algoritmo de CUSUM se puede expresar como:
Figure imgf000008_0001
donde:
• x[n] es la muestra media actual
• x0 es el valor medio idealizado
• x1 es el valor medio 'defectuoso' predeterminado, que se define como el valor medio que es indicativo de un problema con el sistema de guiñada, en esta realización específica,
• a2 es la varianza permitida o 'esperada' de la media idealizada que se podría esperar en una señal 'buena'.
• s[n] es la relación de verosimilitud
Así, en resumen, el módulo de diagnóstico 32 determina la diferencia entre el valor medio recibido a partir de un valor medio idealizado 202, menos el valor medio 'defectuoso', dividido por la varianza permitida. La diferencia entre el valor medio recibido (es decir, la 'media defectuosa') y el valor medio idealizado se escala entonces mediante una función de ganancia fija de la media defectuosa y la media idealizada dividida por la varianza permitida. El valor resultante se añade entonces al valor determinado en la iteración anterior, lo que proporciona una relación de verosimilitud acumulada.
Según esta realización de la invención, el valor idealizado se puede establecer en 0, que es representativo de una oscilación perfectamente simétrica de la torre alrededor de su eje z. Por lo tanto, cualquier desviación del movimiento oscilatorio de la torre desde esta condición de oscilación simétrica se detectará por el módulo de diagnóstico 32 cuando exceda una cantidad predeterminada. El valor medio defectuoso, que determina la sensibilidad de la detección, se puede establecer en cualquier valor apropiado que, a modo de ejemplo, puede ser 0,05. De esta forma, el módulo de diagnóstico 32 se sintoniza para distinguir valores medios que representan las condiciones oscilatorias normales del aerogenerador de aquellos que son representativos de oscilaciones anormales de la torre.
Mientras que se acumula el valor de relación de verosimilitud, se evalúa (bloque 206) para determinar si excede un umbral predeterminado. Si se encuentra que la relación de verosimilitud acumulada excede el valor umbral predeterminado, entonces se generará una señal de error (bloque 208).
Tras la generación, la señal de error se reenvía al módulo de manejo de errores 34 del sistema de diagnóstico 31. Con referencia a la Figura 3, el módulo de manejo de errores 34 está configurado para desencadenar el evento de manejo de errores en dependencia de la recepción de la señal de error. El evento de manejo de errores puede incluir uno de a) registrar la señal de error (bloque 1l8), b) proporcionar una alarma, por ejemplo a un operador de planta de energía, o a un proveedor de mantenimiento para identificar un requisito de mantenimiento, por ejemplo que el sistema de guiñada requiere lubricación (bloque 120), y c) proporcionar una señal de comando de desactivación al controlador de amortiguación activa 28 (bloque 122). De esta forma, el módulo de manejo de errores 34 proporciona un medio para que el módulo de diagnóstico 32 opere en tres modos de operación diferentes, esto es, un modo de registro de errores, un modo de mantenimiento de baja dependencia y un modo de operación de alta dependencia. En el modo de registro de errores, la emisión de señales de error desde el módulo de diagnóstico 32 se registra y almacena en un dispositivo de almacenamiento de memoria extraíble al que se puede acceder por un operador de aerogenerador para un análisis posterior. El modo de registro de errores permite que un operador de aerogenerador observe la calidad de las señales de movimiento de la torre a lo largo del tiempo. Esta información se podría usar, por ejemplo, para estudiar cualquier correlación potencial entre la calidad de señal de movimiento de la torre y cualquiera de los parámetros operativos del sistema de aerogenerador 2.
En el modo de mantenimiento, la señal de error se transmite a una alarma/alerta del sistema de aerogenerador 2. La alarma se activa en dependencia de la recepción de la señal de error y está configurada para alertar a un operador de aerogenerador del hecho de que el sensor de movimiento de la torre está emitiendo señales de sensor erróneas o engañosas. El módulo de diagnóstico 32 alerta por ello al operador de aerogenerador, es decir, un operador que es externo al sistema de aerogenerador en sí mismo, de la necesidad potencial de inspeccionar el aerogenerador y, en particular, la lubricación de la interfaz deslizante de guiñada. Convenientemente, el módulo de diagnóstico 32 también permite que el operario monitorice la frecuencia con la que se generan las señales de error, y luego adapte un régimen de mantenimiento en consecuencia en vista de la realimentación del sistema de diagnóstico, para compensar los mayores niveles de lubricación que se puedan requerir.
En el modo de operación, la señal de comando de desactivación del sistema de movimiento de la torre se envía al controlador de amortiguación activa 28 del sistema de aerogenerador 2 y se configura para desactivar las operaciones del controlador de amortiguación 28. En particular, la señal de comando de desactivación incluye una instrucción para imponer un comando de reducción de potencia al convertidor de frecuencia 14 a través del controlador de velocidad 22, que luego controla el generador 12 en consecuencia. Si el módulo de diagnóstico 32 determina que es probable que las señales de movimiento de la torre confundan al controlador de amortiguación activa de movimiento 28 para controlar el aerogenerador de manera que pueda causar daños a los componentes de potencia, entonces el módulo de diagnóstico 32 se puede configurar para emitir la señal de comando al controlador de amortiguación activa 28 con el fin de evitar que se cause ningún daño. De esta forma, el módulo de diagnóstico 32 es capaz de afectar indirectamente a la operación del aerogenerador a través de la operación del controlador de amortiguación activa de movimiento 28.
El valor umbral acumulativo se puede seleccionar dependiendo de la naturaleza del evento de manejo de errores que se puede desencadenar por el módulo de manejo de errores. Por ejemplo, es probable que un valor umbral acumulativo alto tarde mucho tiempo en desencadenar la generación de una señal de error, en la medida que requerirá la acumulación de un número relativamente grande de valores medios promedios erróneos con el fin de exceder el valor umbral acumulativo. No obstante, también es probable que el valor umbral acumulativo alto reduzca la probabilidad de generar una falsa alarma. Por esta razón, se selecciona un valor umbral relativamente alto para el modo de mantenimiento de baja dependencia, donde no hay necesidad de actuar rápidamente ante cualquier alarma dada, sino donde no se tolerarán falsas alarmas. El valor umbral acumulativo se puede establecer en un valor de 50 cuando se opera en el modo de mantenimiento de baja dependencia, a modo de ejemplo.
Por el contrario, cuando se opera en el modo de operación de alta dependencia, la detección de una señal de sensor de movimiento engañosa necesita ser transmitida rápidamente de modo que se puedan tomar medidas para mitigar cualquier riesgo potencial para los componentes del aerogenerador. Con el fin de lograr esto, se puede tolerar una probabilidad relativamente alta de recibir una falsa alarma. En tal situación, el valor umbral acumulativo se puede establecer en un valor de 5 cuando se opera en el modo de operación de alta dependencia, que se debería observar que es un orden de magnitud menor que el umbral en el modo de mantenimiento de baja dependencia.
El módulo de manejo de errores 34 está configurado además para mantener artificialmente la señal de error durante un período de espera predeterminado, con el fin de evitar el 'parpadeo' de la señal de error que podría causar que la señal se pierda o se malinterprete. Según la realización, el período de espera es proporcional al recíproco de la frecuencia de oscilación natural de la torre, es decir, la espera se basa en el periodo de oscilación de la torre. De esta forma se puede asegurar que la generación de una señal de error se registrará como un desencadenador para que ocurra un evento de manejo de errores.
Los expertos en la técnica entenderán que se podrían hacer variaciones a las realizaciones discutidas anteriormente sin apartarse del concepto inventivo que se define por las reivindicaciones.
En las realizaciones ilustradas descritas, el sistema de aerogenerador 2 comprende un sistema de amortiguación activa de turbina 20 que funciona junto con el sistema de diagnóstico 31. El sistema de amortiguación activa de turbina 20 coopera con el sistema de diagnóstico 31 porque necesita interpretar de manera eficaz las señales de movimiento indicativas de la oscilación de la torre, con el fin de que pueda amortiguar de manera segura el movimiento de la torre sin causar daños a ninguno de los componentes constituyentes de la torre. No obstante, también se contemplan realizaciones que no incluyen un sistema de amortiguación activa 20 en donde el módulo de diagnóstico 31 es operable por sí solo.

Claims (16)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de diagnóstico para uso en un sistema de guiñada de aerogenerador, que comprende:
un sensor de movimiento de la torre configurado para emitir una señal indicativa de la oscilación de la torre, y un módulo de diagnóstico configurado para:
analizar la señal de sensor de movimiento de la torre para identificar el contenido de frecuencia de la señal que no está asociado con la oscilación de la torre; y
correlacionar el contenido de frecuencia identificado con la operación del sistema de guiñada para determinar por ello que el sistema de guiñada requiere mantenimiento.
2. El sistema de diagnóstico de la reivindicación 1, en donde el módulo de diagnóstico está configurado además para:
identificar una primera parte del contenido de frecuencia que es indicativa de la oscilación de la torre y una segunda parte que es indicativa de la operación del sistema de guiñada; y
generar una señal de error en dependencia de la detección de la segunda parte de la señal,
en donde la segunda parte del contenido de frecuencia tiene una frecuencia que está fuera del rango de sensibilidad del sensor de movimiento.
3. El sistema de diagnóstico de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde el sistema de diagnóstico se compone además de un módulo de manejo de errores configurado para desencadenar un evento de manejo de errores en dependencia de la recepción de la señal de error, en donde el evento de manejo de errores comprende realizar cualquiera de: a) registrar la señal de error, b) proporcionar una alerta a un operador externo, y c) desactivar un sistema de amortiguación de movimiento de la torre del aerogenerador.
4. El sistema de diagnóstico de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el módulo de diagnóstico implementa un algoritmo de detección de cambios estadísticos para analizar la señal de movimiento de la torre, en donde la señal de movimiento de la torre se analiza para detectar cambios en un valor medio de la misma desde un valor medio idealizado.
5. El sistema de diagnóstico de la reivindicación 4, en donde el módulo de diagnóstico está configurado además para recibir la señal del sensor de movimiento de la torre; generar valores medios de las señales respectivas a partir de ventanas de promediado secuenciales; comparar los valores medios respectivos con un valor medio idealizado; acumular un valor de resultado en dependencia de la comparación, y generar la señal de error en dependencia del valor de resultado acumulado que excede un valor umbral predeterminado.
6. El sistema de diagnóstico de la reivindicación 5, en donde el valor umbral acumulado es seleccionable dependiendo de la naturaleza del evento de manejo de errores.
7. El sistema de diagnóstico de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el módulo de diagnóstico implementa un algoritmo de análisis de espectro de potencia para analizar la señal de movimiento de la torre, para identificar aumentos de potencia en una o más frecuencias de interés que son indicativas de la falta de lubricación del sistema de guiñada.
8. El sistema de diagnóstico de cualquier reivindicación anterior, en donde el sistema está configurado para mantener la señal de error durante un período de espera predeterminado.
9. El sistema de diagnóstico de la reivindicación 8, en donde el período de espera se basa en el período de oscilación de la torre.
10. El sistema de diagnóstico de cualquier reivindicación anterior, en donde el sensor de movimiento de la torre es un acelerómetro.
11. El sistema de diagnóstico de la reivindicación 10, en donde el acelerómetro está configurado para detectar vibraciones por debajo de una frecuencia de 15 Hz.
12. Un sistema de aerogenerador que comprende una torre, un generador eléctrico acoplado operativamente a un rotor que tiene una pluralidad de palas, unos medios de ajuste de paso de pala de rotor, unos medios de control de par del generador y un sistema de amortiguación de torre activo configurado para aplicar entradas de control de amortiguación a uno o ambos de los medios de ajuste de paso de pala de rotor y los medios de control de par del generador del sistema de aerogenerador, y que comprende además un sistema de diagnóstico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.
13. Un método de validación de una señal de sensor de movimiento de la torre indicativa de la oscilación de la torre de un sistema de aerogenerador, el método que incluye:
analizar la señal de sensor de movimiento de la torre para identificar el contenido de frecuencia que no está asociado con la oscilación de la torre; y
correlacionar el contenido de frecuencia identificado con la operación del sistema de guiñada para determinar por ello que el sistema de guiñada requiere lubricación.
14. El método de la reivindicación 13, en donde el método comprende además identificar una primera parte del contenido de frecuencia que es indicativa de la oscilación de la torre y una segunda parte que es indicativa de la operación del sistema de guiñada; y generar una señal de error en dependencia de la detección de la segunda parte de la señal, en donde la segunda parte del contenido de frecuencia tiene una frecuencia que está fuera del rango de sensibilidad del sensor de movimiento.
15. El método de la reivindicación 13 o la reivindicación 14, en donde el método comprende además desencadenar un evento de manejo de errores en dependencia de la recepción de la señal de error, en donde el evento de manejo de errores comprende realizar cualquiera de: a) registrar la señal de error, b) proporcionar una alerta a un operador externo, y c) desactivar un sistema de amortiguación de movimiento de la torre del aerogenerador.
16. Un producto de programa informático descargable desde una red de comunicación y/o almacenado en un medio legible por máquina, que comprende instrucciones de código de programa que, cuando el programa se ejecuta por un ordenador, hace que el ordenador implemente un método según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15.
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