ES2925024T3

ES2925024T3 - Sistema y procedimiento para frenar un rotor de turbina eólica en una condición de velocidad excesiva

Info

Publication number: ES2925024T3
Application number: ES13179572T
Authority: ES
Inventors: Thomas Franklin Perley; Brandon Shane Gerber; Aaron Yarbrough
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-08-16
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2022-10-13
Anticipated expiration: 2033-08-07
Also published as: CA2822976C; CN103670923B; DK2698534T3; US20140050579A1; US9759192B2; EP2698534A3; EP2698534A2; CN103670923A; CA2822976A1; EP2698534B1

Abstract

Un sistema y método para frenar una turbina eólica 10 incluye monitorear la rotación del rotor del generador de turbina eólica 18. Se aplica un par de frenado para reducir la velocidad de rotación del rotor 18 a una primera velocidad de rotación establecida. El par de frenado aumenta proporcionalmente a medida que la velocidad rotacional del rotor 18 aumenta más allá de la primera velocidad rotacional de punto de ajuste detectada hasta un par de frenado máximo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema y procedimiento para frenar un rotor de turbina eólica en una condición de velocidad excesiva [0001] La presente materia objeto se refiere, en general, a turbinas eólicas y, más en particular, a un sistema y procedimiento para frenar de forma controlable un rotor de turbina eólica en una condición detectada de velocidad excesiva.

[0002] La energía eólica se considera una de las fuentes de energía más limpias y más ecológicas disponibles en la actualidad, y las turbinas eólicas han obtenido una creciente atención a este respecto. Una turbina eólica moderna incluye típicamente una torre, un generador, una multiplicadora, una góndola y una o más palas de rotor. Las palas de rotor capturan la energía cinética del viento usando principios de perfil alar conocidos y transmiten la energía cinética a través de energía de rotación para hacer girar un eje que acopla las palas de rotor a una multiplicadora, o si no se usa una multiplicadora, directamente al generador. A continuación, el generador convierte la energía mecánica en energía eléctrica que se puede distribuir en una red de suministro.

[0003] Las turbinas eólicas modernas para servicios públicos incluyen generalmente sistemas de frenado redundantes. Véase, por ejemplo, el documento US 2011/169268. Un sistema de frenado aerodinámico ralentiza o detiene la rotación de las palas de rotor pitcheando las palas en una posición de bandera. Dichos sistemas pueden incluir una fuente de energía almacenada para permitir que las palas de rotor se pitcheen durante un fallo de potencia. También se proporciona, en general, un sistema de frenado mecánico, tal como un freno hidráulico, para detener el rotor contra la velocidad plena del viento. Una fuente de energía almacenada, tal como un acumulador hidráulico, puede permitir la activación del freno mecánico durante un fallo de potencia.

[0004] Se generan cargas extremas en diversos componentes de turbina eólica en condiciones de velocidad excesiva del rotor, en particular en condiciones de fallo por velocidad excesiva, y, por lo tanto, es una consideración operativa importante mantener un control estricto de la velocidad del rotor. Las cargas de fallo en las palas de rotor, el buje y el eje principal son típicamente las cargas de accionamiento diseñadas para estos componentes. Con los procedimientos tradicionales de control de frenado, el frenado aerodinámico se utiliza a velocidades de rotor superiores a la velocidad nominal de rotor, y el freno mecánico se aplica después de que se produzcan fallos en una turbina a una velocidad definida del rotor, que está establecida, típicamente, en un 111 % aproximadamente. El freno mecánico se activa de acuerdo con un perfil de frenado dependiente del tiempo. Sin embargo, con esta metodología de control, las cargas transitorias extremas experimentadas a la velocidad de fallo no se eliminan significativamente.

[0005] Por consiguiente, la tecnología acogería con agrado un sistema y/o procedimiento mejorado para frenar el rotor de una turbina eólica en condiciones de velocidad excesiva.

[0006] Diversos aspectos y ventajas de la invención se expondrán, en parte, en la siguiente descripción, o pueden resultar evidentes a partir de la descripción o se pueden aprender poniendo en práctica la invención.

[0007] La presente invención está definida por las reivindicaciones adjuntas.

[0008] Diversos rasgos característicos, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor con referencia a la siguiente descripción y reivindicaciones adjuntas. Los dibujos adjuntos, que están incorporados en, y constituyen una parte de, esta memoria descriptiva, ilustran modos de realización de la invención y, conjuntamente con la descripción, sirven para exponer los principios de la invención.

La fig. 1 ilustra una vista en perspectiva de un modo de realización de una turbina eólica convencional; la fig. 2 ilustra una vista interna simplificada de un modo de realización de una góndola de una turbina eólica; la fig. 3 es un diagrama de una curva de potencia convencional de un generador de turbina eólica;

la fig. 4 es un diagrama de bloques de componentes de control de turbina eólica de acuerdo con un modo de realización de la invención;

la fig. 5 es un diagrama de la activación del freno mecánico a lo largo del tiempo de acuerdo con modos de realización de la invención;

la fig. 6 es un diagrama de la velocidad del viento a lo largo del tiempo en relación con las figs. 7 a 9; la fig. 7 es un diagrama del par de torsión de un freno mecánico aplicado a lo largo del tiempo de acuerdo con modos de realización de la invención;

la fig. 8 es un diagrama de la velocidad del generador a lo largo del tiempo de acuerdo con modos de realización de la invención; y

la fig. 9 es un diagrama del ángulo de pitch a lo largo del tiempo de acuerdo con un modo de realización de la invención.

[0009] Ahora se hará referencia en detalle a modos de realización de la invención, de los que se ilustran uno o más ejemplos en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la invención, no de limitación de la invención. De hecho, resultará evidente para los expertos en la técnica que se pueden realizar diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance de la invención. Por ejemplo, se pueden usar los rasgos característicos ilustrados o descritos como parte de un modo de realización con otro modo de realización para proporcionar otro modo de realización adicional. Por tanto, se pretende que la presente invención cubra dichas modificaciones y variaciones que estén dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

[0010] En referencia a la fig. 3, las turbinas eólicas modernas para servicios públicos operan, en general, de acuerdo con una curva de potencia de diseño en la que, en una primera región (Región I), la velocidad del viento es demasiado baja para garantizar la operación de la turbina y las palas de turbina se pitchean a una posición de bandera completa correspondiente al ángulo de pitch que produce el par de torsión aerodinámico mínimo. A una velocidad del viento suficiente para la puesta en marcha (V^conexión), las palas se pitchean a un ángulo de pitch nominal de Región II en el que se genera una sustentación aerodinámica máxima para producir un par de torsión y hacer girar el rotor. En la Región II, la velocidad del viento y el par de torsión de generador están por debajo de valores "nominales", y el pitch de pala se mantiene, en general, constante en un ángulo óptimo para producir el par de torsión aerodinámico máximo. Con un incremento en la velocidad del viento en la Región II, la potencia capturada por la turbina eólica se incrementa junto con las cargas mecánicas en la estructura y los componentes de la turbina.

[0011] A la velocidad nominal del viento (V^nominal), la turbina eólica alcanza su potencia nominal en la Región III de la curva de potencia de diseño. En esta región, el generador se opera a la velocidad de rotación nominal y la potencia se limita a esta potencia nominal para mantener las cargas de la máquina dentro de los límites de diseño. El par de torsión de generador se mantiene constante y el pitch de pala se controla para regular la velocidad de la turbina a la velocidad nominal. Por consideraciones de seguridad y de carga de la máquina, la turbina eólica se apaga a velocidades del viento superiores a una velocidad de viento de desconexión (V^desconexión) definida, donde el generador alcanza una condición de fallo por velocidad excesiva, que está establecida típicamente en un 110 % de la velocidad nominal.

[0012] Los límites de fatiga y carga extrema durante la vida útil de diseño de la turbina eólica se generan, como se esperaba, principalmente a velocidades del viento superiores a V^nominal, en particular a velocidades del viento que se acercan V^desconexión, donde el generador se acerca a la velocidad de fallo.

[0013] En general, la presente materia objeto está dirigida a un sistema y procedimiento para controlar la velocidad de rotación de una turbina eólica, en particular en condiciones de velocidad excesiva del rotor. En un modo de realización particular, el procedimiento incluye detectar una característica de rotación del generador de turbina eólica (directa o indirectamente). Esta característica puede ser, por ejemplo, la velocidad de rotación o la aceleración. Un par de torsión de frenado se aplica al rotor mediante cualquier mecanismo de frenado adecuado, tal como un freno mecánico, un freno de motor eléctrico, un freno hidráulico, un freno de agua y similares, en una ubicación apropiada en el tren de potencia a una primera velocidad de rotación de consigna que es mayor que la velocidad de rotación nominal y menor que V^desconexión. El procedimiento incluye incrementar proporcionalmente el par de torsión de frenado en función de la velocidad de rotación del rotor a medida que la velocidad de rotación del rotor se incrementa más allá de la primera velocidad de rotación de consigna detectada.

[0014] En referencia ahora a los dibujos, la fig. 1 ilustra una vista en perspectiva de un modo de realización de una turbina eólica 10. Como se muestra, la turbina eólica 10 incluye, en general, una torre 12 que se extiende desde una superficie de soporte 14, una góndola 16 montada en la torre 12 y un rotor 18 acoplado a la góndola 16. El rotor 18 incluye un buje rotatorio 20 y al menos una pala de rotor 22 acoplada a, y que se extiende hacia fuera desde, el buje 20. Por ejemplo, en el modo de realización ilustrado, el rotor 18 incluye tres palas de rotor 22. Sin embargo, en un modo de realización alternativo, el rotor 18 puede incluir un número mayor o menor que tres palas de rotor 22. Cada pala de rotor 22 puede estar espaciada alrededor del buje 20 para facilitar la rotación del rotor 18 para permitir que la energía cinética del viento se convierta en energía mecánica utilizable y, posteriormente, en energía eléctrica. Por ejemplo, el buje 20 se puede acoplar de forma rotatoria a un generador eléctrico 24 (fig. 2) situado dentro de la góndola 16 para permitir que se produzca energía eléctrica.

[0015] La turbina eólica 10 puede incluir también un sistema de control de turbina o controlador principal 26 centralizado dentro de la góndola 16. En general, el controlador principal 26 puede comprender un ordenador u otra unidad de procesamiento adecuada. Por tanto, en varios modos de realización, el controlador principal 26 puede incluir instrucciones legibles por ordenador adecuadas que, cuando se implementan, configuran el controlador 26 para realizar diversas funciones diferentes, tales como recibir, transmitir y/o ejecutar señales de control de turbina eólica (por ejemplo, Instrucciones de pitch). Como tal, el controlador principal 26 se puede configurar, en general, para controlar los diversos modos operativos (por ejemplo, secuencias de arranque o de apagado) y/o componentes de la turbina eólica 10. Por ejemplo, el controlador 26 se puede configurar para ajustar el pitch de pala o el ángulo de pitch de cada pala de rotor 22 (es decir, un ángulo que determina una perspectiva de la pala 22 con respecto a la dirección del viento) alrededor de su eje de pitch 28 para controlar la velocidad de rotación de la pala de rotor 22, así como las cargas que actúan sobre la pala de rotor 22. Por ejemplo, el controlador principal 26 puede controlar de forma individual el ángulo de pitch de cada pala de rotor 22 transmitiendo instrucciones de pitch adecuadas a un sistema de pitch 30 (fig. 2) de la pala de rotor 22. Durante la operación de la turbina eólica 10, el controlador 26 puede transmitir, en general, instrucciones de pitch a cada sistema de pitch 30 para modificar el ángulo de pitch de cada pala de rotor 22 entre 0 grados (es decir, una posición de potencia de la pala de rotor 22) y 90 grados (es decir, una posición de bandera de la pala de rotor 22).

[0016] En referencia ahora a la fig. 2, se ilustra una vista interna simplificada de un modo de realización de la góndola 16 de la turbina eólica 10 mostrada en la fig. 1. Como se muestra, un generador 24 puede estar dispuesto dentro de la góndola 16. En general, el generador 24 se puede acoplar al rotor 18 por medio de un tren de potencia 54 (fig. 4) para producir potencia eléctrica a partir de la energía de rotación generada por el rotor 18. Por ejemplo, como se muestra en el modo de realización ilustrado, el rotor 18 puede incluir un eje de rotor 32 acoplado al buje 20 para su rotación con el mismo. El eje de rotor 32, a su vez, se puede acoplar de forma rotatoria a un eje de generador 34 del generador 24 a través de una multiplicadora 36. Como se entiende, en general, el eje de rotor 32 puede proporcionar una entrada de baja velocidad y alto par de torsión a la multiplicadora 36 en respuesta a la rotación de las palas de rotor 22 y del buje 20. A continuación, la multiplicadora 36 puede estar configurada para convertir la entrada de baja velocidad y alto par de torsión en una salida de alta velocidad y bajo par de torsión para accionar el eje de generador 34 y, por tanto, el generador 24.

[0017] Adicionalmente, el controlador principal 26 también puede estar ubicado dentro de la góndola 16. Como se entiende, en general, el controlador principal 26 se puede acoplar comunicativamente a cualquier pluralidad de los componentes de la turbina eólica 10 para controlar la operación de dichos componentes. Por ejemplo, como se indica anteriormente, el controlador principal 26 se puede acoplar comunicativamente a cada sistema de pitch 30 de la turbina eólica 10 (uno de los cuales se muestra) para facilitar la rotación de cada pala de rotor 22 alrededor de su eje de pitch 28.

[0018] Como se muestra en la fig. 2, cada sistema de pitch 30 puede incluir un mecanismo de ajuste de pitch 36 y un controlador de pitch 38 acoplado comunicativamente al mecanismo de ajuste de pitch 36. En general, cada mecanismo de ajuste de pitch 36 puede incluir cualesquiera componentes adecuados y puede tener cualquier configuración adecuada que permita que el mecanismo de ajuste de pitch 36 se opere como se describe en el presente documento. Por ejemplo, en varios modos de realización, cada mecanismo de ajuste de pitch 36 puede incluir un motor de accionamiento de pitch 40 (por ejemplo, cualquier motor eléctrico adecuado), una caja de engranajes de accionamiento de pitch 42 y un piñón de accionamiento de pitch 44. En dichos modos de realización, el motor de accionamiento de pitch 40 se puede acoplar a la caja de engranajes de accionamiento de pitch 42 de modo que el motor de accionamiento de pitch 40 confiera fuerza mecánica a la caja de engranajes de accionamiento de pitch 42. De forma similar, la caja de engranajes de accionamiento de pitch 42 se puede acoplar al piñón de accionamiento de pitch 44 para su rotación con el mismo. El piñón de accionamiento de pitch 44 puede estar, a su vez, en acoplamiento rotatorio con un rodamiento de pitch 46 acoplado entre el buje 20 y una pala de rotor 22 correspondiente de modo que la rotación del piñón de accionamiento de pitch 44 provoque la rotación del rodamiento de pitch 46. Por tanto, en dichos modos de realización, la rotación del motor de accionamiento de pitch 40 acciona la caja de engranajes de accionamiento de pitch 42 y el piñón de accionamiento de pitch 44, haciendo rotar, de este modo, el rodamiento de pitch 46 y la pala de rotor 22 alrededor del eje de pitch 28.

[0019] En modos de realización alternativos, se debe apreciar que cada mecanismo de ajuste de pitch 36 puede tener cualquier otra configuración adecuada que facilite la rotación de una pala de rotor 22 alrededor de su eje de pitch 28. Por ejemplo, se conocen mecanismos de ajuste de pitch 36 que incluyen un dispositivo accionado hidráulico o neumático (por ejemplo, un cilindro hidráulico o neumático) configurado para transmitir energía de rotación al rodamiento de pitch 46, provocando, de este modo, que la pala de rotor 22 rote alrededor de su eje de pitch 28. Por tanto, en varios modos de realización, en lugar del motor de accionamiento de pitch eléctrico 40 descrito anteriormente, cada mecanismo de ajuste de pitch 36 puede incluir un dispositivo accionado hidráulico o neumático que utilice presión de fluido para aplicar un par de torsión al rodamiento de pitch 46.

[0020] La operación del mecanismo de ajuste de pitch 36 para cada pala de rotor 22 se puede controlar, en general, por el controlador principal 26 por medio del controlador de pitch individual 38 para esa pala de rotor 22. Por tanto, en varios modos de realización, el controlador principal 26 y cada controlador de pitch 38 pueden estar en comunicación entre sí y/o con el mecanismo de ajuste de pitch 36 por medio de una conexión alámbrica, tal como usando un cable de comunicación adecuado. En otros modos de realización, el controlador principal 26 y cada controlador de pitch 38 pueden estar en comunicación entre sí y/o con el mecanismo de ajuste de pitch 36 por medio de una conexión inalámbrica, tal como usando cualquier protocolo de comunicaciones inalámbricas adecuado conocido en la técnica.

[0021] Debe apreciarse que, aunque el controlador principal 26 se puede utilizar, en general, para controlar los mecanismos de ajuste de pitch 36 por medio de los controladores de pitch 38, cada controlador de pitch 38 también puede estar configurado para controlar de forma independiente la operación de su respectivo mecanismo de ajuste de pitch 36. Por ejemplo, cuando se produce un fallo de comunicación entre el controlador principal 26 y uno o más de los controladores de pitch 38 (por ejemplo, debido a una pérdida de potencia, un fallo en el controlador, una interrupción en la comunicación y/o similares), los controladores de pitch 38 pueden estar configurados para implementar los procedimientos de parada descritos en el presente documento para detener la operación de la turbina eólica 10.

[0022] Con referencia todavía a la fig. 2, la turbina eólica 10 también puede incluir una pluralidad de sensores 48 para monitorizar una o más condiciones operativas de la turbina eólica 10 con los fines del presente procedimiento y sistema. Como se usa en el presente documento, una condición operativa de la turbina eólica 10 se "monitoriza" cuando se usa un sensor 48 para determinar su valor actual. Por tanto, el término "monitorizar" y variaciones del mismo se usan para indicar que los sensores 48 no necesitan proporcionar una medición directa de la condición operativa que se esté monitorizando. Por ejemplo, uno o más sensores 48 (tal como un codificador óptico) pueden configurarse de forma operativa en una ubicación adecuada a lo largo del tren de potencia 54 (fig. 4) para medir directa o indirectamente la velocidad de rotación del rotor de generador. Por ejemplo, la velocidad del rotor puede obtenerse con un sensor 48 que mide la velocidad de rotación del buje de rotor 20, del eje de baja velocidad 32, del eje del generador 34, etc.

[0023] Además, la turbina eólica 10 también puede incluir sensores adicionales para monitorizar otras diversas condiciones operativas de la turbina eólica 10. Por ejemplo, la turbina eólica 10 puede incluir uno o más sensores configurados para monitorizar la operación de los mecanismos de ajuste de pitch 36 (por ejemplo, monitorizando la entrada de corriente a y/o la salida de par de torsión de cada mecanismo de ajuste de pitch 36). Además, la turbina eólica 10 puede incluir uno o más sensores configurados para monitorizar la operación del controlador principal 26 y/o de los controladores de pitch 38, tal como monitorizando la potencia para y las instrucciones transmitidas desde dicho(s) controlador(es) 26, 38. Además, la turbina eólica 10 también puede incluir otros diversos sensores para monitorizar cualquier otra condición operativa adecuada de la turbina eólica 10, tal como el ángulo de pitch de cada pala de rotor 22, la velocidad del rotor 18 y/o del eje de rotor 32, la velocidad del generador 24 y/o del eje de generador 34, el par de torsión en el eje de rotor 32 y/o en el eje de generador 34, la velocidad del viento y/o la dirección del viento, las condiciones de la red, la potencia suministrada a los componentes de la turbina eólica 10 y/o cualquier otra condición operativa adecuada.

[0024] En referencia a la fig. 2, un sistema de frenado está configurado de forma operativa a lo largo del tren de potencia del generador e incluye un freno 52 controlado por un controlador de freno 50. Aunque no se limita a una construcción particular, el freno 52, en un modo de realización, puede ser una disposición de disco y pinza, tal como un freno de disco y pinza accionado hidráulicamente, que es suficiente para detener el rotor por completo y mantener el rotor en una condición de fallo, por ejemplo, un fallo por velocidad excesiva. En determinados modos de realización, el freno 52 puede estar configurado de forma operativa en el eje de baja velocidad 32, el eje de alta velocidad 34 o en el generador 24. Se puede hacer referencia a la patente de EE. UU. número 6.265.785 para una descripción más detallada de un sistema de frenado hidráulico adecuado que puede usarse en modos de realización de la presente invención. Como se mencionó anteriormente, el freno puede ser cualquier dispositivo o sistema adecuado que aplique un par de torsión de frenado al rotor en cualquier ubicación a lo largo del tren de potencia del generador.

[0025] En referencia ahora a la fig. 4, se ilustra un diagrama de bloques de un modo de realización de una configuración de sistema adecuada para lograr las funciones de control deseadas de acuerdo con aspectos de la invención, en el que el controlador principal 26 está interconectado con los controladores de pitch 38 y con el controlador de freno 50, así como con el sensor de velocidad de rotor 48. El controlador 26 puede incluir uno o más procesadores y dispositivos de memoria asociados, configurados para realizar una variedad de funciones implementadas por ordenador (por ejemplo, realizar los procedimientos, etapas, cálculos y similares divulgados en el presente documento). Como se usa en el presente documento, el término "procesador" no solo se refiere a circuitos integrados a los que se hace referencia en la técnica como incluidos en un ordenador, sino que también se refiere a un controlador, un microcontrolador, un microordenador, un controlador de lógica programable (PLC), un circuito integrado específico de la aplicación y otros circuitos programables. Adicionalmente, los dispositivos de memoria pueden comprender, en general, uno o más elementos de memoria que incluyen, pero sin limitarse a, un medio legible por ordenador (por ejemplo, una memoria de acceso aleatorio (RAM)), un medio no volátil legible por ordenador (por ejemplo, una memoria flash), un disquete, una memoria de solo lectura en disco compacto (CD-ROM), un disco magnetoóptico (MOD), un disco versátil digital (DVD) y/u otros elementos de memoria adecuados. Dichos dispositivos de memoria se pueden configurar, en general, para almacenar instrucciones adecuadas legibles por ordenador que, cuando se implementan por el/los procesador(es), configuran el controlador 26 para realizar diversas funciones que incluyen, pero no se limiten a, transmitir señales de control adecuadas a uno o más de los mecanismos de ajuste de pitch 37, controlar el par de torsión del generador, monitorizar diversas condiciones operativas de la turbina eólica 10 e implementar la secuencia de frenado divulgada por medio del controlador de freno 50 y el freno mecánico 52 de acuerdo con aspectos de la presente metodología.

[0026] Diversos aspectos de modos de realización de procedimiento y de sistema ejemplares se explican con referencia a las figs. 4 a 9. En el modo de realización representado, un sistema de control de freno 49 incluye el controlador de freno 50 interconectado con el controlador del sistema para controlar el freno 52. En un modo de realización alternativo, el controlador de freno 50 puede estar interconectado con un controlador dedicado separado. Debe entenderse que "sistema de control de freno" pretende abarcar cualquier configuración de componentes de hardware y software configurados de forma operativa para accionar y controlar el par de torsión de frenado aplicado por el freno mecánico. En respuesta a una señal de instrucción del controlador de sistema 26 (u otro controlador), el controlador de freno 50 acciona el freno 52 para aplicar un par de torsión de frenado al rotor del generador a una primera velocidad de rotación de consigna del rotor del generador (lo que puede depender de la señal generada por el sensor 48). Como se analiza anteriormente, el par de torsión de frenado se puede aplicar en varias ubicaciones a lo largo del tren de potencia 54. Como se muestra en la fig. 5, a medida que la velocidad de rotación del rotor detectada se incrementa más allá de la primera velocidad de rotación de consigna, el sistema de control 49 incrementa proporcionalmente el par de torsión de frenado aplicado por el freno 52.

[0027] Haciendo referencia a la fig. 5, en un modo de realización particular, la primera velocidad de rotación de consigna se define por encima de una velocidad nominal de rotor para la turbina eólica. Por ejemplo, de acuerdo con la invención, la primera velocidad de rotación de consigna se establece entre la velocidad nominal y un 103 % de la velocidad nominal.

[0028] En un modo de realización particular, la primera velocidad de rotación de consigna se establece en un 1 % o un 2 % por encima de la velocidad nominal de rotor. El sistema de control de freno 49 puede configurarse para aplicar inicialmente el par de torsión de frenado al rotor (por medio de un componente del tren de potencia 54) a la primera velocidad de rotación de consigna y para incrementar el par de torsión de frenado a un par de torsión de frenado total aplicado a una segunda velocidad de rotación de consigna que es menor que la velocidad de rotación de fallo de la turbina eólica. Por ejemplo, la velocidad de rotación de fallo de la turbina eólica se establece en aproximadamente un 110 % de la velocidad nominal, y la segunda velocidad de rotación de consigna es, como se define en la invención, inferior a un 110 % de la velocidad nominal.

[0029] El sistema de control de freno 49 puede configurarse para aplicar el incremento del par de torsión de frenado como una función lineal del incremento de la velocidad de rotación del rotor, como se muestra en la fig. 5. En un modo de realización alternativo, el sistema de control de freno 4 puede aplicar el incremento del par de torsión de frenado como una función exponencial u otra función proporcional no lineal del incremento de la velocidad de rotación del rotor.

[0030] Como se analiza anteriormente, el freno 52 puede ser cualquier freno adecuado usado convencionalmente en turbinas eólicas. Por ejemplo, el freno 52 puede ser un freno hidráulico configurado de forma operativa en el tren de potencia 54 de la turbina eólica para ralentizar o detener el rotor de forma efectiva. El freno hidráulico puede incluir cualquier combinación de características, incluido un acumulador para activar el freno en caso de fallo de la turbina o de pérdida de potencia en la red.

[0031] Las figs. 6 a 9 son gráficos dependientes del tiempo que ilustran varias características del presente procedimiento de frenado y control del sistema. La fig. 6 es un gráfico de la velocidad del viento a lo largo del tiempo. Después de un descenso inicial, la velocidad del viento supera la velocidad nominal del viento justo antes del momento "75". En referencia a la fig. 7, el par de torsión de frenado se aplica inicialmente en el momento "75" a la primera velocidad de rotación de consigna del rotor, que es una velocidad de rotor mayor que la velocidad nominal en el estado del viento que excede la V^nominal. En referencia a la fig. 8, esta primera velocidad de rotor de consigna es ligeramente mayor que la velocidad nominal de rotor (es decir, la velocidad del rotor en el momento "70").

[0032] A medida que la velocidad del rotor se sigue incrementando después de aplicar el par de torsión de frenado inicial (fig. 8) debido a que la velocidad del viento se sigue incrementando (fig. 6), el par de torsión de frenado se incrementa proporcionalmente (fig. 7) hasta un par de torsión máximo de frenado, aproximadamente en el momento " 76", a una segunda velocidad de rotación de consigna del rotor, que es menor que la velocidad de fallo.

[0033] En referencia a la fig. 7, el par de torsión máximo de frenado se mantiene durante un período de tiempo mientras la velocidad del rotor se sigue incrementando ligeramente (fig. 8) con un incremento continuo de la velocidad del viento (fig. 6). La velocidad del rotor no ha alcanzado la velocidad de fallo.

[0034] Mientras se mantiene el par de torsión máximo de frenado (fig. 7), la velocidad del rotor cambia, aproximadamente en el momento "77", con una disminución en la velocidad del viento al mismo tiempo (fig. 6). El par de torsión máximo de frenado se mantiene hasta que la velocidad del rotor disminuye por debajo de la segunda velocidad de rotación de consigna, aproximadamente en el momento "78". A medida que la velocidad del viento y del rotor siguen disminuyendo más allá del momento "78", el par de torsión de frenado disminuye de manera proporcional a la velocidad del rotor hasta que el rotor se detiene prácticamente en el momento "90".

[0035] En otro modo de realización, el par de torsión de frenado aplicado por el freno 52 se puede aumentar con el par de torsión de frenado aerodinámico aplicado al rotor por medio del controlador de pitch 38 y los mecanismos de ajuste de pitch asociados 37. La fig. 9 representa el ángulo de pitch de las palas de rotor 22 en función del tiempo junto con los gráficos de las figs. 6 a 8. La línea discontinua de "valor de referencia" representa el ángulo de pitch que se aplicaría para reducir la velocidad del rotor sin par de torsión de freno mecánico. La línea continua de "freno inteligente" representa el ángulo de pitch reducido cuando la fuerza de frenado aumenta con el par de torsión de frenado mecánico. Se necesita menos actividad de pitch como resultado de que el control de la velocidad del rotor se comparte entre el frenado aerodinámico y el frenado mecánico. Del mismo modo, se necesitaría menos par de torsión de frenado mecánico para lograr el mismo perfil de velocidad de rotor de la fig. 8, lo que puede dar como resultado una disminución de las cargas en el sistema de frenado mecánico (y, en consecuencia, límites de diseño más pequeños).

[0036] En esta descripción escrita se usan ejemplos para divulgar la invención, incluido el modo preferente, y también para permitir que cualquier experto en la técnica lleve a la práctica la invención, incluidos la fabricación y el uso de cualquier dispositivo o sistema y la realización de cualquier procedimiento incorporado. El alcance patentable de la invención se define por las reivindicaciones y puede incluir otros ejemplos concebidos por los expertos en la técnica.

Claims

REIVINDICACIONES

i. Una turbina eólica (10), que comprende:

un buje (20) con una pluralidad de palas de rotor (22) configuradas en el mismo, dicho buje conectado a un rotor de generador (18) por medio de un tren de potencia (54);

un sensor (48) dispuesto para monitorizar la rotación de dicho rotor (18);

un freno (52) configurado para reducir la velocidad de rotación de dicho rotor (18);

un sistema de control de freno (49) acoplado de forma operativa a dicho freno (52) y dicho sensor (48), dicho sistema de control de freno (49) configurado para aplicar un par de torsión de frenado a dicho rotor (18) por medio de dicho freno (52) a una primera velocidad de rotación de consigna y para incrementar proporcionalmente el par de torsión de frenado a medida que la velocidad de rotación detectada de dicho rotor (18) se incrementa más allá de la primera velocidad de rotación de consigna detectada, hasta una segunda velocidad de rotación de consigna; caracterizada por que:

la primera velocidad de rotación de consigna está entre la velocidad nominal y un 103 % de la velocidad nominal y dicha segunda velocidad de rotación de consigna es inferior a un 110 % de la velocidad nominal.
2. La turbina eólica (10) como en la reivindicación 1, en la que la primera velocidad de rotación de consigna se define por encima de una velocidad nominal de rotor para dicha turbina eólica (10), dicho sistema de control de freno (49) configurado para aplicar inicialmente el par de torsión de frenado a dicho rotor (18) a la primera velocidad de rotación de consigna y para incrementar el par de torsión de frenado hasta un par de torsión de frenado total aplicado a una segunda velocidad de rotación de consigna antes de que dicho rotor (18) alcance una velocidad de rotación de fallo.
3. La turbina eólica (10) como en cualquier reivindicación precedente, en la que dicho sistema de control de freno (49) está configurado para aplicar el incremento del par de torsión de frenado como una función lineal del incremento de la velocidad de rotación del rotor.
4. La turbina eólica (10) como en cualquier reivindicación precedente, en la que dicho sistema de control de freno (49) está configurado para aplicar el incremento del par de torsión de frenado como una función exponencial del incremento de la velocidad de rotación del rotor.
5. La turbina eólica (10) como en cualquier reivindicación precedente, en la que dicho freno (52) es un freno hidráulico.
6. Un procedimiento para controlar la velocidad de rotación de una turbina eólica (10) en una condición de velocidad excesiva, que comprende:

monitorizar la rotación de un rotor de generador de turbina eólica (18);

aplicar un par de torsión de frenado al rotor (18) a una primera velocidad de rotación de consigna; e incrementar proporcionalmente el par de torsión de frenado en función de la velocidad de rotación del rotor a medida que la velocidad de rotación del rotor (18) se incrementa más allá de la primera velocidad de rotación de consigna, hasta una segunda velocidad de rotación de consigna;

caracterizado por que:

la primera velocidad de rotación de consigna está entre la velocidad nominal y un 103 % de la velocidad nominal y la segunda velocidad de rotación de consigna es inferior a un 110 % de la velocidad nominal.
7. El procedimiento como en la reivindicación 6, en el que la primera velocidad de rotación de consigna se define por encima de una velocidad nominal de rotor para la turbina eólica, y que comprende además incrementar el par de torsión de frenado desde un valor inicial a la primera velocidad de rotación de consigna hasta un par de torsión de frenado total aplicado a una segunda velocidad de rotación de consigna antes de que el rotor (18) alcance una velocidad de rotación de fallo.
8. El procedimiento como en la reivindicación 6 o 7, en el que el par de torsión de frenado se incrementa como una función lineal del incremento de la velocidad de rotación del rotor (18) entre la primera y la segunda velocidad de rotación de consigna.
9. El procedimiento como en cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en el que el par de torsión de frenado se incrementa como una función exponencial del incremento de la velocidad de rotación del rotor (18) entre la primera y la segunda velocidad de rotación de consigna.
10. El procedimiento como en cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, que comprende aplicar un par de torsión de frenado aerodinámico al rotor (18) junto con un par de torsión de frenado mecánico.
11. El procedimiento como en cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10, en el que la primera velocidad de rotación de consigna se define por encima de una velocidad nominal del rotor (18) para la turbina eólica (10), y que comprende además incrementar el par de torsión de frenado para el rotor (18) desde un valor inicial a la primera velocidad de rotación de consigna hasta un par de torsión de frenado total aplicado a una segunda velocidad de rotación de consigna antes de que el rotor (18) alcance una velocidad de rotación de fallo.
12. El procedimiento como en cualquiera de las reivindicaciones 6 a 11, que comprende incrementar el par de torsión de frenado aerodinámico en función del incremento de la velocidad de rotación del rotor (18) entre la primera y la segunda velocidad de rotación de consigna de rotación.
13. El procedimiento como en cualquiera de las reivindicaciones 6 a 12, en el que el par de torsión de frenado aerodinámico se incrementa lineal o exponencialmente entre la primera y la segunda velocidad de rotación de consigna de rotación.