ES2928321T3

ES2928321T3 - Método y sistema para controlar una turbina eólica para reducir la vibración de la góndola

Info

Publication number: ES2928321T3
Application number: ES19724737T
Authority: ES
Inventors: Keld Hammerum; Jesper Sandberg Thomsen
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2018-05-17
Filing date: 2019-05-08
Publication date: 2022-11-17
Anticipated expiration: 2039-05-08
Also published as: US11754043B2; WO2019219137A1; US20210207584A1; CN112368477A; EP3794230A1; EP3794230B1

Abstract

Esta invención se refiere a un método para controlar una turbina eólica que comprende una torre que soporta un rotor que comprende una pluralidad de palas de rotor de paso ajustable. El método comprende obtener una señal de movimiento indicativa de un movimiento vibracional de la torre. Entonces se determina una señal de actuador en base a la señal de movimiento, determinándose la señal de actuador para producir una fuerza deseada para contrarrestar el movimiento vibratorio de la torre. A continuación, se determina una señal de compensación de referencia de paso para cada una de la pluralidad de palas de rotor de paso ajustable en base a la señal del actuador. A continuación, se aplica una integración a las señales de desviación de referencia de tono para determinar las señales de desviación de referencia de tono modificadas basándose en las señales de desviación de referencia de tono integradas. Se determina una señal de paso para cada una de la pluralidad de palas de rotor de paso ajustable en base a las señales de desplazamiento de referencia de paso modificadas, estando dispuestas las señales de paso para ajustar las palas de rotor de paso ajustable para proporcionar la fuerza que contrarresta el movimiento vibratorio de la Torre. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Método y sistema para controlar una turbina eólica para reducir la vibración de la góndola

Campo de la invención

Esta invención se refiere al control de una turbina eólica para reducir la vibración de la góndola.

Antecedentes

Las turbinas eólicas, como se conoce en la técnica, comprenden una torre que soporta una góndola y un rotor con un número de palas de rotor de paso ajustable. Tales turbinas eólicas son propensas a las vibraciones, ya que comprenden una gran masa posicionada en el extremo de una torre esbelta. Por esta razón, un requisito clave para controlar el comportamiento vibracional de tales turbinas eólicas es evitar que cualquier fuerza excitante del rotor, producida por desequilibrios en el rotor, resuene con las frecuencias de flexión naturales de la torre. Evitar que las fuerzas críticas excitantes del rotor coincidan con las frecuencias de flexión naturales de la torre impone restricciones de frecuencia en el diseño de las turbinas eólicas.

La publicación de patente estadounidense n.° US 2016/356266 A1 describe un sistema y un método para reducir las vibraciones de una torre de turbina eólica. El método incluye determinar de manera continua un movimiento torsional de la torre basándose, al menos en parte, en mediciones obtenidas de uno o más sensores. Otra etapa incluye determinar de manera continua, a través de un controlador, un comando de control para uno o más mecanismos impulsores de paso de la turbina eólica basándose en el movimiento torsional. Por tanto, el método también incluye operar el uno o más mecanismos impulsores de paso basándose en el comando de control con el objetivo de amortiguar el movimiento torsional de la torre.

Estos son los antecedentes a partir de los que se ha concebido la invención.

Declaraciones de la invención

De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un método de control de una turbina eólica que comprende una torre que soporta un rotor que comprende tres palas de rotor de paso ajustable, comprendiendo el método: obtener una señal de movimiento indicativa de un movimiento vibracional de la torre; determinar una señal de accionador basándose en la señal de movimiento, determinándose la señal de accionador para producir una fuerza deseada para contrarrestar el movimiento vibracional de la torre; determinar una señal de desplazamiento de referencia de paso para cada una de las tres palas de rotor de paso ajustable basándose en la señal de accionador; aplicar una integración de las señales de desplazamiento de referencia de paso; determinar señales de desplazamiento de referencia de paso modificadas basándose en las señales de desplazamiento de referencia de paso integradas; determinar una señal de paso para cada una de las tres palas de rotor de paso ajustable basándose en las señales de desplazamiento de referencia de paso modificadas, estando dispuestas las señales de paso para ajustar las palas de rotor de paso ajustable para proporcionar la fuerza que contrarresta el movimiento vibracional de la torre; y, ajustar un paso de cada una de las tres palas de rotor de paso ajustable basándose en las señales de paso determinadas respectivas.

Preferentemente, comprendiendo, además, el método aplicar una ganancia de ajuste a las señales de desplazamiento de referencia de paso y determinar las señales de desplazamiento de referencia de paso modificadas basándose en las señales de desplazamiento de referencia de paso integradas y en las señales de desplazamiento de referencia de paso con ganancia ajustada.

Preferentemente, el método comprende, además, obtener una señal de posición basándose en la señal de movimiento, la señal de posición indicativa de una posición de la parte superior de la torre durante el movimiento vibracional de la torre; determinar una primera señal basándose en la señal de posición; aplicar una ganancia de ajuste a la primera señal; y, determinar la señal de accionador basándose en la primera señal con ganancia ajustada.

Preferentemente, el método comprende, además, obtener una señal de velocidad basándose en la señal de movimiento, la señal de velocidad indicativa de una velocidad de la parte superior de la torre durante el movimiento vibracional de la torre; determinar una segunda señal basándose en la señal de velocidad; aplicar una ganancia de ajuste a la segunda señal; y, determinar la señal de accionador basándose en la primera señal con ganancia ajustada y en la segunda señal con ganancia ajustada.

Preferentemente, la señal de movimiento comprende una señal de aceleración y el método comprende, además, obtener la señal de velocidad como una señal de velocidad estimada aplicando una primera integración de la señal de aceleración; y, obtener la señal de posición como una señal de posición estimada aplicando una segunda integración de la señal de velocidad.

Preferentemente, el método comprende, además, determinar una frecuencia de excitación que afecta a la torre, en donde la ganancia de ajuste está definida por una separación entre la frecuencia de excitación y la frecuencia de vibración de la torre.

Preferentemente, la ganancia de ajuste comprende, además, un término de programación de ganancia, dependiendo el término de programación de ganancia de un punto operativo de la turbina eólica.

Preferentemente, la señal de accionador se determina en un marco de referencia no giratorio y el método comprende, además, transformar la señal de accionador del marco de referencia no giratorio a un marco de referencia giratorio para determinar las señales de desplazamiento de referencia de paso.

Preferentemente, el método comprende, además, determinar una señal de referencia de paso colectiva para las palas de rotor de paso ajustable, determinándose la señal de referencia de paso colectiva basándose en una velocidad de rotor, en donde las señales de paso se determinan basándose en una señal combinada de las señales de desplazamiento de referencia de paso modificadas y la señal de referencia de paso colectiva.

Preferentemente, la referencia de paso colectiva se determina mediante un control de retroalimentación basado en minimizar un error de velocidad entre la velocidad de rotor y una velocidad de rotor de referencia.

Preferentemente, la dirección del movimiento vibracional de la torre es una dirección lateral o una dirección torsional. De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporciona un controlador para un sistema de control de turbinas eólicas que comprende un procesador y un módulo de memoria, en donde el módulo de memoria comprende un conjunto de instrucciones de código de programa que, cuando son ejecutadas por el procesador, implementan un método de acuerdo con el primer aspecto de la invención.

De acuerdo con un tercer aspecto de la invención, se proporciona una turbina eólica que comprende una torre que soporta un rotor que comprende tres palas de rotor de paso ajustable y un controlador de acuerdo con el segundo aspecto de la invención.

De acuerdo con un cuarto aspecto, que no forma parte de la invención, se proporciona 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 de acuerdo con el primer aspecto de la invención.

Breve descripción de los dibujos

A continuación, se describirán los aspectos anteriores y otros de la invención, únicamente a modo de ejemplo, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 es una vista esquemática de una turbina eólica de acuerdo con una realización de la invención;

la figura 2 es una vista esquemática de los sistemas de la turbina eólica de la figura 1;

la figura 3 es una vista detallada esquemática de los sistemas de un sistema de monitorización y control del sistema de turbina eólica de la figura 2;

la figura 4 es una vista esquemática de un movimiento vibracional lateral (figura 4A) y un movimiento vibracional torsional (figura 4B) de la turbina eólica de la figura 1;

la figura 5 es una vista esquemática de un esquema de control de una realización de la invención;

la figura 6 es una vista esquemática de una realización de un bloque de reducción de vibración de torre lateral para su uso en el esquema de control de la figura 5;

la figura 7 es una vista esquemática de una realización de un bloque de control de desplazamiento de referencia de paso para su uso en el esquema de control de la figura 5; y,

la figura 8 es un gráfico que ilustra el efecto comparativo de usar el bloque de control de desplazamiento de referencia de paso de la figura 7.

En los dibujos, las características similares se indican con signos de referencia similares.

Descripción específica

La figura 1 muestra una turbina eólica, designada en general con el número 10, que comprende una torre 12. La torre 12 soporta una góndola 14 en la que está montado un rotor 16. El rotor 16 está acoplado operativamente a un generador alojado en el interior de la góndola 14. Además del generador, la góndola 14 aloja diversos componentes necesarios para convertir la energía eólica en energía eléctrica, junto con varios otros componentes necesarios para operar, controlar y optimizar el rendimiento de la turbina eólica 10. El rotor 16 comprende tres palas de rotor 18 que se extienden radialmente desde un buje central 20. En este ejemplo, el rotor 16 comprende tres palas de rotor 18, aunque será evidente para los expertos en la materia que son posibles otras configuraciones. Las palas de rotor 18 son de paso ajustable. Es decir, el paso de las palas de rotor 18 puede ajustarse de conformidad con un reglaje de paso colectivo, donde cada pala de rotor 18 se establece al mismo valor de paso con respecto al reglaje de paso colectivo. Además de eso, las palas de rotor 18 son ajustables de conformidad con reglajes de paso individuales, donde cada pala de rotor 18 puede establecerse a su propio valor de paso correspondiente a su reglaje de paso individual.

Haciendo referencia a la figura 2, que es una ilustración esquemática de la turbina eólica 10 a un nivel de sistemas, la turbina eólica 10 comprende, además, una caja de cambios 22 y un sistema de generación de potencia 24 que incluye un generador 26 y un sistema de convertidor de potencia 28. La caja de cambios 22 aumenta la velocidad rotacional del rotor 16 e impulsa el generador 26, que, a su vez, deriva la potencia generada al sistema de convertidor de potencia 28. Por lo general, un sistema de este tipo estará basado en potencia eléctrica trifásica, aunque no es esencial. Se conocen otros diseños de turbina eólicas, tales como los tipos "sin engranajes", también conocidos como "impulso directo", así como los tipos de transmisión de "impulso por correa".

El generador 26 y el sistema de convertidor de potencia 28 pueden, como ejemplo, basarse en una arquitectura de convertidor a escala total (FSC) o en una arquitectura de generador de inducción de doble alimentación (DFIG), aunque el experto en la materia conocerá otras arquitecturas.

En la realización ilustrada, la salida de potencia del sistema de convertidor de potencia 28 se transmite a una carga 30, que puede ser una red eléctrica. El experto en la materia sabrá que existen diferentes opciones de conversión y transmisión de potencia.

La turbina eólica 10 comprende, además, un medio de control 32 que puede operarse para monitorizar la operación de la turbina eólica 10 y para emitir comandos a la misma para lograr un conjunto de objetivos de control. Los medios de control 32 se muestran en la figura 2 como una visión simplificada y esquemática de una pluralidad de unidades y módulos de control, y también en la figura 3, como un ejemplo más detallado de cómo pueden disponerse unidades y módulos específicos con el fin de facilitar el intercambio de datos entre los mismos.

El medio de control 32 comprende un procesador 34 configurado para ejecutar instrucciones que se almacenan y se leen en un módulo de memoria 36 y/o un almacén de datos externo que forma parte de una red externa 38. Los datos de medición también pueden almacenarse en el módulo de memoria 36 y recuperarse con el fin de ejecutar procesos de acuerdo con las instrucciones que lleva a cabo el procesador 34.

También pueden recibirse instrucciones y datos de controladores o sensores externos que forman parte de la red externa 38, y pueden emitirse alertas y/o datos registrados a través de la red externa 38 para almacenarlos/visualizarlos en una fuente externa para su análisis y monitorización remotos.

Además, el procesador 34 está en comunicación con una pluralidad de sensores 40 que están dispuestos dentro de la turbina eólica 10. Por ejemplo, como se muestra en la figura 3, la pluralidad de sensores 40 puede comprender un acelerómetro de torre 42, un sensor de velocidad de rotor 44, un sensor de ángulo de paso de pala 46, un sensor de ángulo de guiñada de góndola 48 y un sensor de velocidad de viento 49.

El medio de control 32 de la turbina eólica 10 también incluye al menos una unidad de control 50.

En la configuración mostrada en la figura 3 se muestran cuatro unidades de control. Se trata de una unidad de control de ángulo de paso de pala 52, una unidad de control de ángulo de guiñada de góndola 54, una unidad de control de velocidad 56 y una unidad de control de paso cíclico de retroalimentación 57. La unidad de control de ángulo de paso de pala 52 y la unidad de control de ángulo de guiñada de góndola 54 están dispuestas para modificar el ángulo de paso de las palas de rotor 18 y el ángulo de paso de la góndola 14, respectivamente. La unidad de control de velocidad 56 funciona para controlar la velocidad rotacional del rotor 16 a través del control del convertidor y del control del paso. La función de la unidad de control de paso cíclico de retroalimentación 57 (en lo sucesivo, "la unidad de control de paso cíclico 57") se analiza a continuación. En la realización mostrada, la unidad de control de ángulo de paso de pala 52 y la unidad de control de paso cíclico 57 son unidades de control separadas. Sin embargo, el lector experto apreciará que las funcionalidades respectivas de estas unidades de control 52, 57 separadas podrían suministrarse desde una sola unidad de control.

Una red 58 forma una conexión central entre cada uno de los módulos (de acuerdo con un protocolo adecuado), permitiendo que los comandos y datos relevantes se intercambien entre cada uno de los módulos en consecuencia. Sin embargo, se apreciará que puede proporcionarse un cableado adecuado para interconectar las unidades. También se apreciará que la turbina eólica 10 podría incluir más unidades de control 50, y que la figura 3 se proporciona solo para ilustrar un ejemplo de una arquitectura de sistema en la que puede implementarse la invención.

Una función principal del medio de control 32 es controlar la generación de potencia de la turbina eólica 10, de modo que optimice la producción de potencia en las condiciones del viento ambiental en ese momento y de conformidad con la generación de potencia demandada por un operario de la red de transmisión. Sin embargo, además de sus principales tareas de control de potencia, el medio de control 32 puede ser operable para realizar un paquete de funciones de monitorización de seguridad y diagnóstico, y llevar a cabo acciones correctivas, si es necesario. En las realizaciones de la invención, una de estas funciones es evitar que cualquier fuerza excitante del rotor 16 resuene con las frecuencias de flexión de la torre 12. Un rotor puede experimentar fuerzas excitantes con su frecuencia rotacional a por asimetrías o desequilibrios en el rotor. Por ejemplo, pueden producirse asimetrías en el rotor debido a errores geométricos o desalineación de las palas del rotor, dando lugar a asimetrías aerodinámicas. Cualquier desequilibrio de masas en el rotor 16 también dará lugar a fuerzas excitantes del rotor.

Por lo general, debido al acoplamiento vibracional entre el rotor 16 y la torre 12, tales fuerzas excitantes del rotor pueden provocar al menos dos modos vibratorios en la torre 12, uno en una dirección lateral y otro en una dirección torsional. Un tercer modo vibracional puede dar lugar a una vibración en las direcciones longitudinales. Una vibración en una dirección lateral a veces se denomina vibración transversal. Los aspectos de esta vibración se ilustran esquemáticamente en la figura 4A. En esta figura, la turbina 10 se ilustra mediante una estructura de torre 60, que está fijada en su extremo inferior y provista de una masa en su extremo libre. Cuando la parte superior de la estructura de torre 60 vibra en la dirección lateral 7A, la posición, x, varía entre dos máximos definidos por la desviación máxima de la estructura de torre 60 durante la vibración. La posición, x, es representativa de la posición de la góndola 14 en una dirección definida por el movimiento lateral de la estructura de torre 60. La posición, x, puede indicar la posición del centro de masas de la góndola 14, la posición de un sensor alojado dentro de la góndola 14 o la posición de otros puntos fijos que representan el movimiento de la góndola 14 en la dirección lateral. Además de la vibración lateral, la turbina eólica 10 también puede experimentar una vibración a lo largo de una dirección torsional 7B, como se ilustra en la figura 4B. Tal vibración se denomina a menudo vibración torsional. En este sentido, la dirección torsional debe entenderse como el movimiento a lo largo de una trayectoria definida por un sector de arco o sector semicircular como se muestra en la figura 4B. Cuando la parte superior de la torre 12 vibra en la dirección torsional 7B, la posición, x', característica de la posición de la góndola 14 en la dirección torsional, varía entre dos máximos definidos por la torsión máxima experimentada por la torre 12 durante la vibración torsional. Podría usarse un acelerómetro o un giroscopio para determinar el movimiento de la góndola 14. En una realización de este tipo, el acelerómetro o giroscopio podría colocarse en un extremo de la góndola 14. En este sentido, puede que no sea necesario detectar directamente el movimiento en la dirección torsional 7B. En su lugar, puede usarse una detección indirecta del movimiento, siempre que el movimiento indirecto se correlacione con el movimiento en la dirección torsional 7B. Esto puede obtenerse usando un acelerómetro que detecte movimiento en la dirección lateral 7A, en combinación con información adicional para determinar que el movimiento también está relacionado con una vibración torsional. Tal información adicional puede estar relacionada con la frecuencia de la vibración.

En la práctica, las vibraciones lateral y torsional no son modos vibratorios distintos. Es decir, una vibración lateral también puede causar una vibración torsional y viceversa.

En una realización de la invención, las fuerzas excitantes experimentadas por el rotor 16 se compensan, en términos generales, determinado señales de paso para ajustar individualmente el paso de las palas de rotor 18 de paso ajustable para proporcionar una fuerza que amortigua el movimiento de la góndola 14 y, por lo tanto, de la torre 12. La unidad de control de paso cíclico 57 está configurada para llevar a cabo esta función y generalmente proporciona un sistema de circuito cerrado en el que el movimiento de la torre 12 se retroalimenta a las señales de paso para determinar los reglajes de paso individuales. La unidad de control de ángulo de paso de pala 52 aplica entonces las señales de paso resultantes a las palas de rotor 18 de paso ajustable.

La figura 5 es una ilustración detallada de una realización de la unidad de control de paso cíclico 57. En una implementación, la unidad de control de paso cíclico 57 minimiza un error de velocidad (w-w ^ref) entre la velocidad (u>) del generador 26 y una velocidad de referencia (w ^ref) con el fin de para generar una potencia solicitada o una referencia de potencia (P) y una referencia de paso colectiva (0^col). La unidad de control de paso cíclico 57 puede ser implementada por un PI, PID o esquemas de control similares.

La figura 5 ilustra un número de bloques de control de reducción de vibración. Se ilustra un bloque que muestra la reducción de vibración de torre lateral usando el paso (paso LTVR), donde las señales de accionamiento de paso para reducir las vibraciones de torre laterales se determinan basándose en una primera señal y, opcionalmente, de una segunda señal. Las realizaciones de las señales primera y segunda se ilustran en la figura 6.

El bloque de control de paso LVRT determina una señal de accionador (0^p) que se transforma en una unidad de transformación (T^p) en señales de desplazamiento de referencia de paso (0¹, 0², 0³) para cada una de las palas de rotor 18, de modo que las señales de paso resultantes (0^a, 0^b, 0^c) puedan aplicarse a las palas de rotor 18 de paso ajustable individualmente. Las señales de desplazamiento de referencia de paso (0¹, 0², 0³) se modifican en un bloque de control de desplazamiento de referencia de paso (PRO) para obtener señales de desplazamiento de referencia de paso modificadas (0^mod1, 0^mod2, 0^mod3). Cada señal de paso individual (0^a, 0^b, 0^c) se basa en las señales de desplazamiento de referencia de paso modificadas (0^mod1, 0^mod2, 0^mod3), y, por consiguiente, en una señal combinada de la referencia de paso colectiva (0^coi) y la primera señal, o en una señal combinada de la referencia de paso colectiva (0^coi) y la primera señal y la segunda señal como se determinan en el bloque de paso LTVR.

El bloque de paso LTVR determina una señal que representa una fuerza o par deseado en la dirección del movimiento de la góndola 14. La transformación es para obtener las contribuciones de paso resultantes (0¹, 0², 0³) para cada una de las palas de rotor 18 de paso ajustable.

La transformación (T^p) puede basarse en una transformación de coordenadas de múltiples palas del tipo transformación de Coleman o transformación de coordenadas de Fourier, que está dispuesta para tomar una señal en un marco de referencia no giratorio, es decir, la señal de accionador (0^p), y transformarla en una señal resultante en el marco giratorio, las señales de desplazamiento de referencia de paso (0¹, 0², 0³).

Además, o como alternativa, la vibración de torre lateral también puede reducirse usando la potencia como accionador (potencia LTVR), donde una señal de accionamiento de potencia para reducir las vibraciones de torre laterales mediante el uso de la referencia de potencia se determina basándose en la primera señal y, opcionalmente, en la segunda señal.

El bloque de control de potencia LVRT determina un desplazamiento de referencia de potencia (P^{desplazamiento}) a combinar con la referencia de potencia (P) para proporcionar una señal de referencia de potencia resultante (P^establecida). La señal de referencia de potencia resultante (P^establecida) se determina basándose en una señal combinada de la referencia de potencia (P) y la señal de accionador (P^{desplazamiento}), y, por consiguiente, en la primera señal, o en una señal combinada de la referencia de potencia (P) y la primera señal y la segunda señal. La señal de referencia de potencia resultante (P^establecida) se aplica al generador eléctrico 26. Las realizaciones de las señales primera y segunda se ilustran en la figura 6.

Además, o como alternativa, la vibración de torre torsional también puede reducirse usando el paso como accionador (torsión LTVR), donde las señales de accionamiento de paso para reducir las vibraciones de torre torsionales se determinan basándose en la primera señal y, opcionalmente, en la segunda señal.

El bloque de control de torsión LVRT determina una señal de accionador (0^t) que se transforma en una unidad de transformación (T^t) en señales de desplazamiento de referencia de paso (0^T1, 0^{t 2}, 0^{t 3}) para cada una de las palas de rotor 18, de modo que las señales de paso resultantes (0^a, 0^b, 0^c) puedan aplicarse a las palas de rotor 18 de paso ajustable individualmente. Las señales de desplazamiento de referencia de paso(0 ^T1, 0^T2, 0 ^{t 3}) se modifican en el bloque de control de desplazamiento de referencia de paso (PRO) para obtener señales de desplazamiento de referencia de paso modificadas (0^modT1, 0^modT2, 0^modT3). Cada señal individual de accionamiento de pala (0^a, 0^b, 0^c) estando basada en las señales de desplazamiento de referencia de paso modificadas (0^modT1, 0^modT2, 0^modT3), y, por consiguiente, en una señal combinada de la referencia de paso colectiva (0^col) y la primera señal, o en una señal combinada de la referencia de paso colectiva (0^col) y la primera señal y la segunda señal como se determinan en el bloque de torsión LTVR. Las realizaciones de las señales primera y segunda se ilustran en la figura 6.

El bloque de torsión LTVR corresponde al bloque de paso LTVR, y la transformación (T^t) es similar a la transformación (T^p), excepto que la implementación específica se realiza para el movimiento torsional.

Es más, la reducción de vibración en la dirección longitudinal también puede ser objetivo imponiendo una señal de desplazamiento de paso de reducción de vibración sobre la referencia de paso colectiva (0^col). Esta señal de desplazamiento de paso puede determinarse en un bloque de reducción de vibración longitudinal (FAVR), para proporcionar una reducción de la vibración o una amortiguación del movimiento de góndola, en la dirección longitudinal.

La referencia de paso colectiva (0^col) se determina mediante un controlador de velocidad en función de la velocidad de rotor y, opcionalmente, de otros valores de sensores, que en la figura 5 se denominan conjunto de mediciones, (ms).

La figura 6 ilustra una realización de un bloque de reducción de vibración de torre lateral (LTVR). A este respecto, se entiende que los bloques de reducción de vibración de torre relacionados con la potencia, el paso y la torsión, como se ilustra en la figura 5, podrían implementarse de acuerdo con este esquema general. Sin embargo, la implementación específica diferiría para los diferentes tipos de accionamiento. En particular, los diversos filtros y ganancias se adaptarían al bloque de accionamiento o tipo de accionamiento específico.

En la figura 6, una señal (a), indicativa de un movimiento vibracional de la torre 12, se usa como una entrada. En esta realización, la señal (a) es una señal de acelerómetro obtenida por un acelerómetro posicionado adecuadamente para medir la aceleración del movimiento de la góndola 14 en una dirección relevante.

La señal de aceleración (a) puede usarse como una señal en bruto; sin embargo, habitualmente la señal se preprocesa, como se indica con "PP" en la figura. Tal preprocesamiento puede ser la aplicación de un filtro antisolapamiento para eliminar cualquier contenido de alta frecuencia que no sea necesario para su uso posterior. Otros filtros, incluidos otros filtros de paso de banda, pueden aplicarse durante el preprocesamiento.

La señal de aceleración (a), o la versión preprocesada de la señal, se procesa aún más mediante la aplicación de una serie de filtros. En la realización ilustrada, una señal de posición estimada (x o x'), indicativa de una posición de la parte superior de la torre 12 en la dirección relevante se obtiene aplicando en serie una primera integración (F1) de la señal de aceleración para obtener una señal de velocidad estimada (v o v'), y una segunda integración (F2 ) de la señal de velocidad estimada para obtener la señal de posición estimada (x o x'). En este caso, la señal de velocidad estimada (v o v') es indicativa de una velocidad de la parte superior de la torre 12 durante el movimiento vibracional de la torre 12. Por lo general, puede aplicarse cualquier filtro adecuado que integre la señal de entrada. En una realización, las integraciones primera y segunda pueden implementarse como integradores con fugas. Los integradores con fugas pueden implementarse como filtros de paso bajo de primer orden sintonizados con una frecuencia de corte por debajo de la primera frecuencia de modo longitudinal, siendo la frecuencia la frecuencia de sistema que comprende la torre 12, el rotor 16, la góndola 14 y, opcionalmente, también una cimentación.

La primera señal al accionador capaz de reducir la vibración de la góndola 14 en la dirección relevante (paso o potencia) puede determinarse como la señal de posición estimada (x) multiplicada por una primera ganancia (G1).

En una realización, la señal de velocidad indicativa de una velocidad de un movimiento de la parte superior de la torre 12 en la dirección relevante puede obtenerse como la señal de velocidad estimada (v) que resulta después de la primera integración (F1).

La segunda señal puede determinarse como la señal de velocidad estimada (v) multiplicada por una segunda ganancia (G2).

En esta realización, la señal resultante es la suma de las señales primera (posición) y segunda (velocidad). Como se ha descrito, la invención puede implementarse en una realización usando solo la primera señal. En una realización de este tipo, esto puede obtenerse estableciendo la segunda ganancia (G2) en cero.

En una realización adicional, también ilustrada en la figura 6, la señal de posición se filtra en paso alto (HP) antes de determinar la primera señal.

La ganancia de ajuste se aplica a la primera señal (G1) y, opcionalmente, a la segunda señal (G2), con el fin de ajustar con ganancia la primera señal y, opcionalmente, la segunda señal, antes de aplicar las señales de paso (0^a, 0^b, 0^c) a un accionador de la turbina eólica 10 capaz de reducir la vibración de la góndola 14 en la dirección del movimiento de la góndola 14. En este sentido, se determina la frecuencia de vibración de torre de un modo propio de vibración de torre o una primera frecuencia de flexión natural, y se determina una frecuencia de rotor correspondiente a la velocidad de rotor. Basándose en estos valores, la ganancia de ajuste se determina por una separación entre la frecuencia de rotor y la frecuencia de vibración de torre.

Las ganancias de ajuste (G1, G2) se establecen en cero para frecuencias de rotor por debajo y por encima de umbrales predeterminados por debajo y por encima del primer modo propio, respectivamente. Las ganancias de ajuste (G1, G2) aumentan entonces a medida que las frecuencias de rotor cruzan los umbrales y se acercan al primer modo propio. En esta realización, la ganancia de ajuste creciente puede ser una función lineal por tramos. Sin embargo, esta función puede definirse de conformidad con cualquier función con una dependencia funcional de la velocidad de rotor que expresa que las ganancias de ajuste (G1, G2) están determinadas por una separación entre la frecuencia de excitación y la frecuencia de vibración de torre.

En las realizaciones, la separación entre la frecuencia de excitación y la frecuencia de vibración de torre se basa en una diferencia entre la frecuencia de excitación y la frecuencia de vibración de torre o en una relación entre la frecuencia de excitación y la frecuencia de vibración de torre.

En una realización, las ganancias de ajuste (G1, G2) pueden programarse con ganancia incluyendo en la ganancia de ajuste un término de programación de ganancia que depende de un punto operativo de la turbina eólica 10. Por ejemplo, el término de ajuste de ganancia puede multiplicarse por un factor que aumenta con el aumento de la aceleración en la dirección lateral.

La figura 7 ilustra una realización del bloque de control de desplazamiento de referencia de paso (PRO) de la figura 5, que puede implementarse mediante un esquema de control integral o tipo PI. Aquí, una señal de desplazamiento de referencia de paso, por ejemplo (01), se usa como entrada, aunque en la práctica todas las señales de desplazamiento de referencia de paso (01, 02, 03, 0^{t 1}, 0^{t 2}, 0^{t 3}) se usan como entradas. La señal de desplazamiento de referencia de paso se modifica entonces aplicando en serie una tercera integración (F3) de la señal de desplazamiento de referencia de paso (01) para obtener una señal de desplazamiento de referencia de paso modificada (0mod1) correspondiente. En una realización, la tercera integración (F3) puede implementarse como un integrador con fugas. El integrador con fugas puede implementarse como un filtro de paso bajo de primer orden sintonizado con una frecuencia de corte considerablemente más baja que la primera frecuencia de flexión natural de la torre 12. Por ejemplo, la frecuencia de corte puede ser de 0,01 Hz. Como alternativa, la señal de desplazamiento de referencia de paso modificada (0mod1) puede determinarse como una suma de la señal de desplazamiento de referencia de paso integrada y una señal de desplazamiento de referencia de paso con ganancia ajustada (01). En este caso, la señal de desplazamiento de referencia de paso (0i) se multiplica por una tercera ganancia (G3) y la señal de desplazamiento de referencia de paso con ganancia ajustada se suma a la señal de desplazamiento de referencia de paso integrada para determinar la señal de desplazamiento de referencia de paso modificada (0modi). En una realización, la señal de desplazamiento de referencia de paso modificada (0modi) está en ganancia unitaria. La realización del bloque de control de desplazamiento de referencia de paso (PRO) que se implementa usando solo un esquema de control integral puede obtenerse estableciendo la tercera ganancia (G3) en cero.

El impacto de cualquier asimetría y/o desequilibrio de masas en el rotor 16 puede representarse como una perturbación de fuerza externa (dx) que actúa sobre la parte superior de la torre 12 cuando el rotor 16 gira. La amplitud y la fase de la perturbación (dx) se determinan a partir de la magnitud de las asimetrías y de los desequilibrios de masas. Suponiendo que la velocidad o frecuencia (wr) del rotor 16 es constante, la perturbación (dx) aparece como una perturbación 1P sinusoidal. Es decir, la frecuencia de excitación del rotor 16 debido a la perturbación ocurre una vez por revolución del rotor 16.

La respuesta de la unidad de control de paso cíclico 57 a cualquier asimetría y/o desequilibrio de masas en el rotor 16 puede evaluarse como una función de transferencia de la perturbación (dx), como una entrada, a la velocidad (vx) de la parte superior de la torre 12 a la frecuencia (Wr) del rotor 16, como una salida. Considerando la función de transferencia como una función de sensibilidad, una métrica de rendimiento puede formularse de la siguiente manera:

|S(jW^r)| ^{Vx(¡M r )}

d x ( j“ r)

La figura 8 muestra un gráfico 62 que ilustra el efecto de aplicar una tercera integración (F3) de las señales de desplazamiento de referencia de paso (0¹, 0², 0³, 0^T1, 0^T2, 0^{t 3}) sobre la amortiguación de la perturbación de fuerza externa (dx) que actúa sobre la parte superior de la torre 12. El gráfico 62 muestra la función de sensibilidad, S(jW^r), trazado contra la frecuencia (Hz) en el eje x y la magnitud (dB) en el eje y, para tres turbinas eólicas diferentes, concretamente: i) una turbina eólica sin unidad de control para amortiguar el efecto de la perturbación; ii) una turbina eólica con una unidad de control que comprende únicamente un esquema de control proporcional para amortiguar el efecto de la perturbación; y, ii) una turbina eólica con una unidad de control que comprende un esquema de control integral para amortiguar el efecto de la perturbación. El gráfico 62 ilustra una situación en la que la frecuencia de rotor y la primera frecuencia de flexión natural de la torre coinciden sustancialmente. Específicamente, en este ejemplo, la frecuencia de rotor (w ^r) es de 0,22 Hz y la primera frecuencia de flexión natural de la torre es de 0,2244 Hz. Si esta situación no se controla, como se ilustra en la turbina eólica sin unidad de control, la perturbación que actúa en la parte superior de la torre 12 a partir de cualquier asimetría y/o desequilibrio de masas en el rotor 16 provocará una oscilación de gran amplitud de la torre 12. Una oscilación de este tipo puede dar lugar a un daño significativo de la torre 12, el rotor 16, la góndola 14 y sus componentes. En el gráfico 62 puede verse que esta oscilación puede amortiguarse en general usando una unidad de control que comprende un esquema de control proporcional, aunque todavía se observa un movimiento significativo de la parte superior de la torre 12 en la primera frecuencia de flexión de la torre 12. Sin embargo, el gráfico 62 muestra que puede obtenerse una amortiguación infinita usando un esquema de control integral. La razón es que la tercera integración (F3) tiene ganancia infinita a frecuencia cero. En el plano de frecuencias complejas, un integrador corresponde a un polo en cero. Un polo en cero en un sistema que experimenta una perturbación 1P sinusoidal aparecerá como dos polos a /-/1P en un sistema de circuito cerrado fijo. En consecuencia, dos ceros están presentes en el sistema de circuito cerrado fijo a+/-/1P, que corresponden a una amortiguación infinita a frecuencias iguales a 1P. Como un desequilibrio de rotor puede modelar como una perturbación de fuerza cíclica y lateral que actúa a la frecuencia de rotor, la acción integral proporciona así un medio extremadamente sencillo, pero potente, de compensar los desequilibrios de rotor, ya sean asimetrías de paso o desequilibrio de masas. Esto, a su vez, reduce drásticamente la cantidad de excitación de torre a la frecuencia de rotor, permitiendo una relajación significativa y posiblemente la eliminación de la restricción de frecuencia impuesta en los diseños de torres actuales. Esta relajación también aporta una mayor flexibilidad al configurar la operación de la turbina, permitiendo modos de ruido optimizados donde puede elegirse la velocidad de rotor sin preocuparse de que la velocidad de rotor coincida con la frecuencia de resonancia de la torre.

Los expertos en la materia apreciarán que la invención se ha descrito únicamente a modo de ejemplo y que pueden adoptarse una variedad de enfoques alternativos sin apartarse del alcance de la invención, como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método de control de una turbina eólica(10) que comprende una torre (12) que soporta un rotor(16) que comprende tres palas de rotor (18) de paso ajustable, comprendiendo el método:

obtener una señal de movimiento indicativa de un movimiento vibracional de la torre (12);

determinar una señal de accionador (0^p) basándose en la señal de movimiento, determinándose la señal de accionador (0^p) para producir una fuerza deseada para contrarrestar el movimiento vibracional de la torre (12); determinar una señal de desplazamiento de referencia de paso (0¹, 0², 0³) para cada una de las tres palas de rotor (18) de paso ajustable basándose en la señal de accionador (0^p);

aplicar una integración (F3) de las señales de desplazamiento de referencia de paso (0¹, 0², 0³); determinar señales de desplazamiento de referencia de paso modificadas (0^mod1, 0^mod2, 0^mod3) basándose en las señales de desplazamiento de referencia de paso integradas;

determinar una señal de paso (0^a, 0^b, 0^c) para cada una de las tres palas de rotor (18) de paso ajustable basándose en las señales de desplazamiento de referencia de paso modificadas (0^mod1, 0^mod2, 0^mod3); y,

ajustar un paso de las palas de rotor (18) de paso ajustable basándose en las señales de paso (0^a, 0^b, 0^c) determinadas respectivas.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además, aplicar una ganancia de ajuste (G3) a las señales de desplazamiento de referencia de paso (0¹, 0², 0³) y determinar las señales de desplazamiento de referencia de paso modificadas (0^mod1, 0^mod2, 0^mod3) basándose en las señales de desplazamiento de referencia de paso integradas y en las señales de desplazamiento de referencia de paso con ganancia ajustada.

3. El método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, que comprende, además:

obtener una señal de posición (x, x') basándose en la señal de movimiento, la señal de posición indicativa de una posición de la parte superior de la torre (12) durante el movimiento vibracional de la torre (12);

determinar una primera señal basándose en la señal de posición;

aplicar una ganancia de ajuste (G1) a la primera señal; y,

determinar la señal de accionador (0^p) basándose en la primera señal con ganancia ajustada.

4. El método de acuerdo con la reivindicación 3, que comprende, además:

obtener una señal de velocidad (v, v') basándose en la señal de movimiento, la señal de velocidad indicativa de una velocidad de la parte superior de la torre (12) durante el movimiento vibracional de la torre (12); determinar una segunda señal basándose en la señal de velocidad;

aplicar una ganancia de ajuste (G2) a la segunda señal; y,

determinar la señal de accionador (0^p) basándose en la primera señal con ganancia ajustada y en la segunda señal con ganancia ajustada.

5. El método de acuerdo con la reivindicación 4, en donde la señal de movimiento comprende una señal de aceleración (a), comprendiendo, además, el método:

obtener la señal de velocidad (v, v') como una señal de velocidad estimada aplicando una primera integración (F1) de la señal de aceleración (a); y,

obtener la señal de posición (x, x') como una señal de posición estimada aplicando una segunda integración (F2) de la señal de velocidad (v, v').

6. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, que comprende, además:

determinar una frecuencia de excitación que afecta a la torre (12), en donde la ganancia de ajuste está definida por una separación entre la frecuencia de excitación y la frecuencia de vibración de la torre.

7. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, en donde la ganancia de ajuste comprende, además, un término de programación de ganancia, dependiendo el término de programación de ganancia de un punto operativo de la turbina eólica (10).

8. El método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde la señal de accionador (0^p) se determina en un marco de referencia no giratorio, comprendiendo, además, el método:

transformar la señal de accionador (0^p) del marco de referencia no giratorio a un marco de referencia giratorio para determinar las señales de desplazamiento de referencia de paso (0¹, 0², 0³).

9. El método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, que comprende, además:

determinar una señal de referencia de paso colectiva (0^col) para las palas de rotor (18) de paso ajustable, determinándose la señal de referencia de paso colectiva (0^coi) basándose en una velocidad de rotor, en donde las señales de paso (0^a, 0^b, 0^c) se determinan basándose en una señal combinada de las señales de desplazamiento de referencia de paso modificadas (0^{m o d i}, 0^mod2, 0^mod3) y la señal de referencia de paso colectiva (0^col).

10. El método de acuerdo con la reivindicación 9, en donde la referencia de paso colectiva (0^col) se determina mediante un control de retroalimentación basado en minimizar un error de velocidad entre la velocidad de rotor y una velocidad de rotor de referencia.

11. El método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde la dirección del movimiento vibracional de la torre (12) es una dirección lateral o una dirección torsional.

12. Un controlador (32) para un sistema de control de turbinas eólicas que comprende un procesador (34) y un módulo de memoria (36), en donde el módulo de memoria (36) comprende un conjunto de instrucciones de código de programa que, cuando son ejecutadas por el procesador (34), implementan un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.

13. Una turbina eólica(10) que comprende una torre (12) que soporta un rotor (16) que comprende tres palas de rotor (18) de paso ajustable y el controlador (32) de la reivindicación 12.