ES2927770T3 - Método de operación de aerogenerador basado en el límite de empuje máximo - Google Patents

Método de operación de aerogenerador basado en el límite de empuje máximo Download PDF

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Abstract

Un método para operar una turbina eólica que tiene un rotor. Los datos del sensor se reciben de uno o más sensores de la turbina eólica y los valores máximos de carga se obtienen sobre la base de los datos del sensor. Los valores de carga máxima son indicativos de las cargas máximas que actúan sobre un componente de la turbina eólica, como una pala de rotor. Se obtiene un valor de carga extrema estimado, como una carga de retorno de 50 años, sobre la base de los valores de carga máxima y se compara con un valor de referencia. Se establece un límite de empuje máximo sobre la base de la comparación, y la turbina eólica funciona de acuerdo con el límite de empuje máximo de modo que la fuerza de empuje del viento que actúa sobre el rotor no supere el límite de empuje máximo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método de operación de aerogenerador basado en el límite de empuje máximo
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método de operación de un aerogenerador en el que se usa un límite de empuje máximo para limitar la fuerza de empuje del viento que actúa sobre un rotor del aerogenerador.
Antecedentes de la invención
El documento EP2799711 describe un método de operación de un aerogenerador que tiene un rotor con una pluralidad de palas, un sistema para determinar una o más cargas en el aerogenerador, un registro histórico de datos sobre la operación del aerogenerador y un sistema de control para controlar uno o más parámetros operativos del aerogenerador. El método comprende determinar las cargas en el aerogenerador y almacenar las cargas determinadas en el aerogenerador en el registro histórico. El método comprende además obtener, a partir del registro histórico, una característica indicativa de las cargas sobre el aerogenerador acumuladas con el tiempo, y determinar uno o más límites de empuje del viento dependiendo de la característica obtenida indicativa de las cargas acumuladas con el tiempo. Uno o más parámetros operativos del aerogenerador se controlan para mantener el empuje del viento sobre el aerogenerador dentro del límite de empuje del viento determinado.
La Publicación de Patente Internacional n° WO 2018/233787 describe un método para determinar señales de recurrencia de carga en el sentido del borde que actúan sobre una pala de aerogenerador. En particular, el método incluye obtener una pluralidad de medidas de un parámetro para derivar una señal de carga en el sentido del borde que actúa sobre la pala de aerogenerador, y filtrar las señales de carga en el sentido del borde derivadas para separar el contenido de frecuencia para proporcionar una señal de carga de componente en el sentido del borde. El método incluye identificar una señal de carga de componente en el sentido del borde pico en la señal de carga de componente en el sentido del borde, y ajustar una pluralidad de señales de carga de componente en el sentido del borde pico a una función de distribución. Los primeros componentes en el sentido del borde pico ajustados se extrapolan para estimar una recurrencia de carga en el sentido del borde.
Compendio de la invención
Un primer aspecto de la invención proporciona un método de operación de un aerogenerador que tiene un rotor, el método que comprende: recibir datos de sensor de uno o más sensores del aerogenerador; obtener valores de carga máxima sobre la base de los datos de sensor, en donde los valores de carga máxima son indicativos de cargas máximas que actúan sobre un componente del aerogenerador; obtener un valor de carga extrema estimado sobre la base de los valores de carga máxima, en donde el valor de carga extrema estimado es un valor de carga de retorno indicativo de una carga con un período de retorno estimado de una duración dada; acceder a una base de datos de un conjunto de simulaciones que se han ejecutado en base a un modelo del aerogenerador y a un conjunto histórico de datos climáticos asociados con un emplazamiento del aerogenerador para obtener valores de referencia respectivos, en donde cada simulación se basa en un límite de empuje máximo respectivo, y en donde cada valor de referencia es un valor de carga de retorno de referencia; comparar el valor de carga extrema estimado con el valor de referencia que se obtuvo mediante la simulación en base al límite de empuje máximo respectivo correspondiente a un límite de empuje máximo actual del aerogenerador; establecer un nuevo límite de empuje máximo sobre la base de la comparación; y operar el aerogenerador de acuerdo con el nuevo límite de empuje máximo de modo que una fuerza de empuje del viento que actúa sobre el rotor no supere el nuevo límite de empuje máximo.
La presente invención establece el límite de empuje máximo sobre la base de un valor de carga extrema estimado, en lugar de una característica indicativa de las cargas acumuladas con el tiempo como en el documento EP2799711. Opcionalmente, el componente del aerogenerador es una pala del rotor, y los valores de carga máxima son indicativos de las fuerzas o momentos máximos que actúan sobre la pala del rotor en la dirección en el sentido del batimiento, por ejemplo medidos por un sensor de carga en la pala. Alternativamente, los valores de carga máxima pueden ser indicativos de las cargas máximas que actúan sobre otro componente tal como el rotor, o una torre que lleva un conjunto de rotor-góndola.
Opcionalmente, el componente de la carga de aerogenerador es una pala del rotor, y el valor de carga extrema estimado es indicativo de una fuerza o momento estimado que actúa sobre la pala del rotor en la dirección en el sentido del batimiento. Alternativamente, el valor de carga extrema estimada puede ser indicativo de una carga extrema que actúa sobre otro componente, tal como el rotor o una torre que lleva un conjunto de rotor-góndola. Opcionalmente, cada valor de carga máxima es indicativo de la carga más alta que actúa sobre un componente del aerogenerador durante un intervalo respectivo, tal como un intervalo de 10 minutos o un intervalo de cualquier otra duración.
El valor de carga extrema estimado puede ser indicativo de una carga extrema estimada que actúa sobre el componente del aerogenerador, o sobre otro componente del aerogenerador. Por ejemplo, los valores de carga máxima y el valor de carga extrema estimado pueden ser ambos valores de carga de pala, o los valores de carga máxima pueden ser valores de carga de pala mientras que el valor de carga extrema estimado puede ser un valor de fuerza de empuje indicativo de una fuerza de empuje del viento que actúa sobre otro componente, tal como el rotor, o una torre que lleva un conjunto de rotor-góndola.
Opcionalmente, el valor de carga extrema estimado se obtiene mediante un análisis estadístico de los valores de carga máxima, por ejemplo, mediante extrapolación, mediante un análisis basado en una distribución de Gumbel, o mediante la operación de un modelo sustituto.
Opcionalmente, la duración dada es, por ejemplo, una duración de 50 años o cualquier otra duración dada, tal como 30 o 40 años.
Opcionalmente, comparar el valor de carga extrema estimado con el valor de referencia comprende obtener una relación entre el valor de carga extrema estimado y el valor de referencia; y establecer el límite de empuje máximo sobre la base de la comparación comprende establecer el límite de empuje máximo sobre la base de la relación. La relación puede ser una relación simple de los dos valores, o puede incluir un factor de seguridad.
Preferiblemente, cada valor de carga máxima y/o el valor de carga extrema estimado son indicativos de una magnitud instantánea de una fuerza o momento, tal como un momento de flexión de pala.
Un aspecto adicional de la invención proporciona un aerogenerador o un sistema de control de aerogenerador configurado para realizar el método del primer aspecto.
Breve descripción de los dibujos
Ahora se describirán realizaciones de la invención con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que: la Figura 1 muestra un aerogenerador;
la Figura 2 es un diagrama esquemático que muestra un sistema de control de aerogenerador para controlar la operación del aerogenerador de la Figura 1;
la Figura 3 muestra un método de operación del aerogenerador de la Figura 1; y
la Figura 4 muestra un método alternativo de operación del aerogenerador de la Figura 1.
Descripción detallada de la realización o realizaciones
La Figura 1 muestra un aerogenerador 1 y la Figura 2 muestra un sistema de control de aerogenerador configurado para controlar el aerogenerador 1 realizando el método mostrado en la Figura 3 o la Figura 4.
El aerogenerador 1 incluye una torre 2 montada sobre unos cimientos; y un conjunto de rotor-góndola 3, 4 en el vértice de la torre 2. El aerogenerador 1 representado aquí es un aerogenerador terrestre de manera que los cimientos están incrustados en el suelo, pero el aerogenerador 1 podría ser una instalación en alta mar en cuyo caso los cimientos se proporcionarían por una plataforma marina adecuada.
Un rotor 4 está acoplado operativamente a través de una caja de engranajes a un generador alojado dentro de la góndola 3. El rotor 4 incluye un buje central 5 y una pluralidad de palas de rotor 6, que se proyectan hacia fuera desde el buje central 5. Se observará que el aerogenerador 1 es el tipo común de aerogenerador de eje horizontal (HAWT) de manera que el rotor 4 esté montado en la góndola 3 para girar alrededor de un eje sustancialmente horizontal definido en el centro del buje 5. Si bien el ejemplo mostrado en la Figura 1 tiene tres palas, el experto en la técnica se dará cuenta de que son posibles otros números de palas.
Cuando el viento sopla contra el aerogenerador 1, las palas 6 generan una fuerza de sustentación que hace que el rotor 4 gire, lo que a su vez causa la rotación de los componentes dentro de un tren de transmisión con el fin de permitir que un generador dentro de la góndola 3 genere energía eléctrica.
El aerogenerador 1 tiene diversos sensores mostrados en la Figura 2, incluyendo un sensor de potencia 7 que mide la potencia generada por el generador, un sensor de paso 8 que mide el ángulo de paso de las palas 6, un sensor de velocidad 9 que mide la velocidad de rotación del rotor 4, y sensores de carga de pala 10, cada uno que mide un momento de flexión (en kNm) que actúa sobre una pala 6 respectiva en la dirección en el sentido del batimiento. Los sensores 7-10 generan datos de sensor. Los datos de sensor de cada sensor pueden ser una serie temporal de valores de datos, por ejemplo, un valor por segundo. Los datos de sensor se pueden analizar en intervalos de 10 minutos para obtener para cada intervalo de 10 minutos un valor de datos máximo (el valor de datos más alto en el intervalo), un valor de datos mínimo (el valor de datos más bajo en el intervalo) y una desviación estándar. Los valores de datos máximos, los valores de datos mínimos y las desviaciones estándar se registran en el centro de datos 20, opcionalmente junto con los datos de sensor.
Los valores de datos máximos asociados con los sensores de carga de pala 10 se refieren a continuación como valores de carga de pala máxima. Cada valor de carga de pala máxima es indicativo del momento de flexión más alto (en kNm) que actúa sobre una pala respectiva del rotor en una dirección en el sentido del batimiento (es decir, una dirección fuera del plano del rotor) durante un intervalo dado de 10 minutos. De este modo, cada valor de carga de pala máxima es indicativo de una magnitud instantánea del momento de flexión en el sentido del batimiento en un punto particular dentro del intervalo de 10 minutos.
Un limitador de empuje 30 opera el aerogenerador de acuerdo con un límite de empuje máximo de modo que la fuerza de empuje del viento que actúa sobre el rotor 4 no supere el límite de empuje máximo. Específicamente, el limitador de empuje 30 ajusta un ángulo de paso de las palas 6 a través de un controlador de paso 31 a medida que la fuerza de empuje del viento se acerca al límite de empuje máximo para evitar superar el límite de empuje máximo. La fuerza de empuje del viento se puede estimar a partir de la velocidad del viento, el ángulo de paso de pala y la velocidad de rotación del rotor o generador. El límite de empuje máximo se puede calcular a partir de la velocidad del viento y la desviación estándar de carga de pala.
Un simulador de turbina 40 ejecuta un conjunto de simulaciones basadas en un modelo de aerogenerador 41 y un conjunto histórico de datos climáticos 42 asociados con el emplazamiento del aerogenerador. La salida de cada simulación es un valor de carga de retorno de 50 años de referencia que se almacena en una base de datos 43. Algunos elementos del sistema de control de la Figura 1 (por ejemplo, los sensores 7-10, el limitador de empuje 20 y el controlador de paso 31) pueden ser parte del aerogenerador 1, mientras que otros (por ejemplo, el centro de datos 20 y el simulador de turbina 40) se pueden situar de manera remota del aerogenerador 1.
Cada simulación se basa en un límite de empuje máximo respectivo. La Tabla 1 a continuación da un ejemplo en el que el simulador de turbina 40 ejecuta cuatro simulaciones, cada una basada en un valor límite de empuje respectivo. Cada simulación genera un conjunto de valores de carga de pala máxima simulados sobre la base del modelo de aerogenerador 41 y el conjunto histórico de datos meteorológicos 42, luego usa los valores de carga de pala máxima simulados para obtener un valor de carga de retorno de 50 años de referencia mediante extrapolación o análisis de Gumbel que se muestra en la Tabla 1. El valor de carga de retorno de 50 años de referencia es un valor de carga extrema indicativo de la magnitud de una carga de pala con un período de retorno estimado de 50 años. En este caso, el valor límite de empuje de 300 N está asociado con una carga de retorno de 50 años de referencia de 1000 knM, y el valor límite de empuje de 320N está asociado con una carga de retorno de 50 años de referencia de 1200 knM. La Tabla 1 también incluye una carga de retorno de 50 años estimada que se explicará más adelante.
Tabla 1
Figure imgf000004_0001
El limitador de empuje 30 está configurado para ajustar el límite de empuje máximo por el método de la Figura 3. En un primer período de operación (digamos 1000 minutos), el limitador de empuje 30 opera el aerogenerador de acuerdo con el límite de empuje máximo más bajo, en el ejemplo de la Tabla 1, este es de 300 N.
Los datos de carga de pala se adquieren durante el primer período de operación y se almacenan en el centro de datos 20 junto con los 100 valores de carga de pala máxima medidos para ese período de operación. Los valores de carga de pala máxima medidos 50 se usan luego para obtener un valor de carga de retorno de 50 años estimado en el paso 51 mediante un planteamiento estadístico tal como extrapolación o análisis de Gumbel. El valor de carga de retorno de 50 años estimado es un valor de carga extrema indicativo de la magnitud de una carga de pala con un periodo de retorno estimado de 50 años.
En el ejemplo anterior, el primer período de operación es relativamente corto (1000 minutos), pero si es necesario establecer una estimación precisa de carga de retorno de 50 años, el primer período de operación puede ser mucho más largo, potencialmente de uno o más años.
En el paso 52, el valor de carga de retorno de 50 años estimado obtenido en el paso 51 se compara con un valor de carga de retorno de 50 años de referencia 53 de la base de datos 43 que se ha obtenido mediante simulación con el mismo límite de empuje máximo. Las simulaciones se pueden ejecutar fuera de línea por el simulador de turbina 40, antes de que se opere el aerogenerador 1 y antes de que se realice el método de la Figura 3.
En el paso 54, se identifica un nuevo límite de empuje máximo sobre la base de la comparación en el paso 52. Por ejemplo, si el valor de carga de retorno de 50 años estimado es menor que el valor de carga de retorno de 50 años de referencia, entonces se puede aumentar el límite de empuje máximo, y si el valor de carga de retorno de 50 años estimado es mayor que el valor de carga de retorno de 50 años de referencia, entonces se puede disminuir el límite de empuje máximo.
También el valor de carga de retorno de 50 años estimado se puede comparar en el paso 52 con un valor de referencia límite de diseño. Si el valor de carga de retorno de 50 años estimado es menor que tanto el valor de carga de retorno de 50 años de referencia como el valor de referencia de límite de diseño, entonces se puede aumentar el límite de empuje máximo. Si el valor de carga de retorno de 50 años estimado es mayor que el valor de referencia de límite de diseño, entonces se puede disminuir el límite de empuje máximo.
En el paso 55, el nuevo límite de empuje máximo se cambia en el limitador de empuje 30, de modo que durante un período de operación posterior indicado en 56, el aerogenerador se opere de modo que una fuerza de empuje del viento que actúa sobre el rotor no supere el nuevo límite de empuje máximo.
En el caso de la Tabla 1, el valor de carga de retorno de 50 años estimado es de 600 knM, que es menor que el valor de carga de retorno de 50 años de referencia, por lo que se aumenta el límite de empuje máximo a 340 N para el período de operación posterior. Para el período de operación posterior, el valor de carga de retorno de 50 años estimado aumenta a 1300 knM, como se muestra en la Tabla 2 a continuación.
Tabla 2
Figure imgf000005_0001
Aumentando el límite de empuje máximo en el controlador, se puede mejorar el rendimiento de potencia de la turbina en el período de operación posterior sin exponer las palas a cargas de flexión excesivas y potencialmente dañinas.
Obsérvese que los límites de empuje y las cargas mostrados en las Tablas 1 y 2 son puramente con propósitos ilustrativos, y los valores reales pueden diferir de los mostrados.
La Figura 4 ilustra un método similar a la Figura 3, y se da a las características equivalentes el mismo número de referencia.
El simulador de turbina 40 genera tres valores de carga de retorno de 50 años de referencia, cada uno asociado con un límite de empuje máximo diferente. Se hace referencia a estos valores de carga de retorno de 50 años de referencia como A, B y C en la Figura 4. Los valores de carga de pala máxima medidos 50 se usan para obtener un valor de carga de retorno de 50 años estimado, que está etiquetado como A1 en la Figura 4.
El valor de carga de retorno de 50 años estimado A1 se compara con los valores de carga de retorno de 50 años de referencia A, B, C calculando las relaciones asociadas: (A1)/(A*factor de seguridad); (A1)/(B*factor de seguridad); y (A1)/(C*factor de seguridad). El factor de seguridad es un coeficiente tal como 1,2 o 1,35. Si la relación es menor que uno, entonces se puede aumentar el límite de empuje máximo; y si la relación es mayor que uno, entonces se puede disminuir el límite de empuje máximo.
Opcionalmente, el factor de seguridad se puede cambiar mediante recalibración considerando las incertidumbres del emplazamiento, las incertidumbres de medición, etc.
En los ejemplos dados anteriormente, los valores de carga máxima 50 y el valor de carga de retorno de 50 años estimado A1 son indicativos de los momentos que actúan sobre una pala 6 del rotor en la dirección en el sentido del batimiento. En otras realizaciones de la invención, los valores de carga máxima 50 y/o el valor de carga de retorno de 50 años estimado A1 pueden ser indicativos de las cargas máximas que actúan sobre un componente diferente del aerogenerador.
De manera similar, el valor de carga de retorno de 50 años de referencia 53, A/B/C es indicativo de un momento que actúa sobre una pala 6 del rotor en la dirección en el sentido del batimiento. En otras realizaciones de la invención, el valor de carga de retorno de 50 años de referencia 53, A/B/C puede ser indicativo de una carga que actúa sobre un componente diferente del aerogenerador.
En el ejemplo anterior, las cargas de retorno de 50 años se comparan en el paso 52. En otras realizaciones de la invención, se pueden calcular diferentes valores de carga extrema mediante análisis estadístico y luego comparar unos con otros. Por ejemplo, los valores de carga de pala máxima medidos 50 se pueden extrapolar para establecer una distribución de valores de carga de pala máxima estimados durante un período futuro (por ejemplo, 50 años) y el valor de carga del percentil 90 en comparación con un valor de carga del percentil 90 equivalente obtenido por el simulador de turbina 40.
Aunque la invención se ha descrito anteriormente con referencia a una o más realizaciones preferidas, se apreciará que se pueden hacer diversos cambios o modificaciones sin apartarse del alcance de la invención que se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un método de operación de un aerogenerador (1) que tiene un rotor (4), el método que comprende:
recibir datos de sensor de uno o más sensores (7-10) del aerogenerador (1);
obtener (50) valores de carga máxima sobre la base de los datos de sensor, en donde los valores de carga máxima son indicativos de las cargas máximas que actúan sobre un componente del aerogenerador (1);
obtener (51) un valor de carga extrema estimado sobre la base de los valores de carga máxima, en donde el valor de carga extrema estimado es un valor de carga de retorno indicativo de una carga con un período de retorno estimado de una duración dada;
acceder (53) a una base de datos de un conjunto de simulaciones que se han ejecutado en base a un modelo (41) del aerogenerador (1) y a un conjunto histórico de datos climáticos asociados con un emplazamiento del aerogenerador (1) para obtener valores de referencia respectivos, en donde cada simulación se basa en un límite de empuje máximo respectivo, y en donde cada valor de referencia es un valor de carga de retorno de referencia; comparar (52) el valor de carga extrema estimado con el valor de referencia que se obtuvo mediante la simulación basada en el límite de empuje máximo respectivo correspondiente a un límite de empuje máximo actual del aerogenerador (1);
establecer (55) un nuevo límite de empuje máximo sobre la base de la comparación; y
operar (56) el aerogenerador (1) de acuerdo con el nuevo límite de empuje máximo de modo que una fuerza de empuje del viento que actúa sobre el rotor (4) no supere el nuevo límite de empuje máximo.
2. Un método según la reivindicación 1, en donde el componente de la carga de aerogenerador es una pala (6) del rotor (4), y los valores de carga máxima (50) son indicativos de las fuerzas o momentos máximos que actúan sobre la pala (6) del rotor (4) en una dirección en el sentido del batimiento.
3. Un método según la reivindicación 1 o 2, en donde el componente de la carga de aerogenerador es una pala (6) del rotor (4), y el valor de carga extrema estimado es indicativo de un fuerza o momento estimado que actúa sobre la pala (6) del rotor (4) en la dirección en el sentido del batimiento.
4. Un método según cualquier reivindicación anterior, en donde el valor de carga extrema estimado es indicativo de una carga extrema estimada que actúa sobre el componente del aerogenerador (1) o sobre otro componente del aerogenerador (1).
5. Un método según cualquier reivindicación anterior, en donde el valor de carga extrema estimado se obtiene mediante un análisis estadístico de los valores de carga máxima (50).
6. Un método según cualquier reivindicación anterior, en donde la duración dada es de 50 años, y el valor de carga extrema estimado es un valor de carga de retorno de 50 años.
7. Un método según cualquier reivindicación anterior, en donde comparar (52) el valor de carga extrema estimado con el valor de referencia comprende obtener una relación entre el valor de carga extrema estimado y el valor de referencia; y establecer (55) el límite de empuje máximo sobre la base de la comparación comprende establecer el límite de empuje máximo sobre la base de la relación.
8. Un método según cualquier reivindicación anterior, en donde cada valor de carga máxima (50) y/o el valor de carga extrema estimado es indicativo de una magnitud instantánea de una fuerza o momento.
9. Un método según cualquier reivindicación anterior, en donde cada valor de carga máxima (50) es indicativo de una carga más alta que actúa sobre un componente del aerogenerador (1) durante un intervalo respectivo.
10. Un aerogenerador (1) o un sistema de control de aerogenerador configurado para realizar el método de cualquier reivindicación anterior.
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