ES2932607T3 - Modificación de la estrategia de control para el control de un aerogenerador usando la probabilidad de carga y el límite de carga de diseño - Google Patents

Modificación de la estrategia de control para el control de un aerogenerador usando la probabilidad de carga y el límite de carga de diseño Download PDF

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Abstract

La presente descripción se refiere al control del funcionamiento de una turbina eólica. Se determina una primera pluralidad de medidas de carga extrema indicativas de cargas extremas experimentadas por al menos parte de la turbina eólica durante el primer período de tiempo y luego se determina una característica de probabilidad de carga en base a un análisis estadístico de la distribución de la primera pluralidad de cargas extremas. medidas de carga. A continuación, se modifica una estrategia de control para controlar el funcionamiento de la turbina eólica basándose, al menos en parte, en una comparación de la característica de probabilidad de carga y un límite de carga de diseño y, posteriormente, la turbina eólica se controla de acuerdo con la estrategia de control modificada durante un segundo. período de tiempo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Modificación de la estrategia de control para el control de un aerogenerador usando la probabilidad de carga y el límite de carga de diseño
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método y sistema de control para controlar una operación de un aerogenerador.
Antecedentes de la invención
En general, un aerogenerador o un parque de aerogeneradores se opera con el objetivo de obtener el máximo rendimiento del capital invertido en él y, en consecuencia, los sistemas de control del aerogenerador están configurados para maximizar la potencia de salida, es decir, para operar el aerogenerador para capturar la potencia máxima que está disponible en el viento, con la debida consideración al mantenimiento del aerogenerador dentro de los límites operativos.
Durante su operación, un aerogenerador experimenta condiciones climáticas variables y el sistema de control del aerogenerador está diseñado para tener en cuenta estas variaciones. Con ese fin, los aerogeneradores existentes pueden incluir un sistema de monitorización que monitoriza las condiciones operativas y climáticas y controla la operación del aerogenerador para maximizar la salida de potencia, mientras que se mantiene dentro de límites operativos seguros. El documento EP2249030 A2 describe un método de control de un aerogenerador diseñado para una carga nominal, determinando una carga actual que actúa sobre al menos una parte del aerogenerador; de cálculo de un error de carga que representa la diferencia entre la carga nominal y la carga actual; de control del aerogenerador en base al error de carga.
No obstante, los inventores se han dado cuenta de que los límites operativos seguros se basan en suposiciones de diseño para una operación segura, que pueden coincidir o no con los límites operativos seguros reales de cada aerogenerador instalado. Por lo tanto, existe la necesidad de una forma mejorada de control de la operación del aerogenerador que responda mejor a los verdaderos límites operativos seguros del aerogenerador.
Compendio de la invención
Un primer aspecto de la presente descripción proporciona un método de control de una operación de un aerogenerador, el método que comprende: controlar la operación del aerogenerador de acuerdo con una estrategia de control durante un primer período de tiempo; obtener una primera pluralidad de medidas de carga extrema indicativas de cargas extremas experimentadas por al menos parte del aerogenerador durante el primer periodo de tiempo; determinar, mediante análisis estadístico, una característica de probabilidad de carga en base a una distribución de al menos la primera pluralidad de medidas de carga extrema; comparar la característica de probabilidad de carga y un límite de carga de diseño; modificar la estrategia de control en base, al menos en parte, a la comparación de la característica de probabilidad de carga y el límite de carga de diseño; y controlar la operación del aerogenerador de acuerdo con la estrategia de control modificada durante un segundo período de tiempo. Modificando la estrategia de control de esta forma, la carga extrema real experimentada por el aerogenerador durante el primer período de tiempo se puede usar para reducir de manera segura el margen de seguridad empleado por la estrategia de control. Reduciendo el margen de seguridad, debería ser posible un mayor lapso de control, lo que debería permitir que el aerogenerador sea accionado más fuerte y generar más potencia.
La característica de probabilidad de carga puede comprender un valor de carga extrema máximo indicativo de un valor de carga extrema correspondiente a un percentil de umbral de la distribución de la pluralidad de medidas de carga extrema.
La comparación de la característica de probabilidad de carga y el límite de carga de diseño puede comprender una diferencia entre el valor de carga extrema máximo y el límite de carga de diseño.
La modificación de la estrategia de control se puede basar además, al menos en parte, en una magnitud y/o un signo de la diferencia entre el valor de carga extrema máximo y el límite de carga de diseño.
El límite de carga de diseño se puede basar, al menos en parte, en un valor de carga de fallo del material, un valor de incertidumbre de ubicación y un margen de seguridad simulado.
La pluralidad de medidas de carga extrema puede comprender una pluralidad de estimaciones de carga extrema, y en donde el método comprende además: recibir una pluralidad de mediciones de estado operativo del aerogenerador durante el primer período de tiempo; y determinar la pluralidad de medidas de carga extrema en base, al menos en parte, a la pluralidad de mediciones de estado operativo.
El método puede comprender además: obtener una segunda pluralidad de medidas de carga extrema indicativas de cargas extremas experimentadas por al menos parte del aerogenerador durante el segundo período de tiempo; determinar una característica de probabilidad de carga actualizada en base a una distribución de la primera pluralidad de medidas de carga extrema y la segunda pluralidad de medidas de carga extrema; comparar la característica de probabilidad de carga actualizada frente al límite de carga de diseño; modificar además la estrategia de control en base, al menos en parte, a la comparación de la característica de probabilidad de carga actualizada frente al límite de carga de diseño; y controlar la operación del aerogenerador usando la estrategia de control modificada adicional durante un tercer período de tiempo.
La estrategia de control y la estrategia de control modificada están definidas dentro de una rutina de control predictivo modelo, MPC. La modificación de la estrategia de control en base, al menos en parte, a la comparación de la característica de probabilidad de carga y el límite de carga de diseño puede comprender ajustar al menos una ponderación de costes dentro de la rutina de MPC en base, al menos en parte, a la comparación de la característica de probabilidad de carga y el límite de carga de diseño. Además, o alternativamente, la modificación de la estrategia de control en base, al menos en parte, a la comparación de la característica de probabilidad de carga y el límite de carga de diseño puede comprender ajustar al menos una restricción de la rutina de MPC en base, al menos en parte, a la comparación de la característica de probabilidad de carga y el límite de carga de diseño.
La distribución de al menos la primera pluralidad de cargas extremas se puede determinar en base a la primera pluralidad de cargas extremas y una distribución de carga simulada.
El análisis estadístico puede comprender además un análisis bayesiano.
Un segundo aspecto de la presente descripción proporciona un programa informático configurado para realizar el método según el primer aspecto, cuando se ejecuta en un procesador de un dispositivo electrónico.
Un tercer aspecto de la descripción proporciona un sistema de control para un aerogenerador, que comprende: un controlador configurado para: controlar la operación del aerogenerador usando una estrategia de control durante un primer período de tiempo; obtener una primera pluralidad de medidas de carga extrema indicativas de cargas extremas experimentadas por al menos parte del aerogenerador durante el primer período de tiempo; determinar, mediante análisis estadístico, una característica de probabilidad de carga en base a una distribución de la primera pluralidad de medidas de carga extrema; comparar la característica de probabilidad de carga frente a un límite de carga de diseño; modificar la estrategia de control en base, al menos en parte, a la comparación de la característica de probabilidad de carga frente al límite de carga de diseño; y controlar la operación del aerogenerador usando la estrategia de control modificada durante un segundo periodo de tiempo.
El controlador se puede configurar además para: obtener una segunda pluralidad de medidas de carga extrema indicativas de cargas extremas experimentadas por al menos parte del aerogenerador durante el segundo período de tiempo; determinar una característica de probabilidad de carga actualizada en base a una distribución de la primera pluralidad de medidas de carga extrema y la segunda pluralidad de medidas de carga extrema; comparar la característica de probabilidad de carga actualizada frente al límite de carga de diseño; modificar además la estrategia de control en base, al menos en parte, a la comparación de la característica de probabilidad de carga actualizada frente al límite de carga de diseño; y controlar la operación del aerogenerador usando la estrategia de control modificada adicional durante un tercer período de tiempo.
Un cuarto aspecto de la presente descripción proporciona un aerogenerador que comprende el control sistema del tercer 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 ilustra un ejemplo de un aerogenerador;
la Figura 2 ilustra una realización de un sistema de control junto con elementos de un aerogenerador;
la Figura 3 ilustra detalles de un controlador en el sistema de control de la Figura 2;
la Figura 4 ilustra una representación gráfica de una distribución de una primera pluralidad de medidas de carga extrema determinadas por el controlador de las distribuciones de la Figura 3;
la Figura 5 ilustra una estrategia de control inicial de ejemplo del controlador de la Figura 3;
la Figura 6 ilustra una estrategia de control modificada de ejemplo del controlador de la Figura 3; y
la Figura 7 ilustra un diagrama de flujo de elementos de la presente descripción.
Descripción detallada de la realización o realizaciones
La estrategia de control usada para controlar la operación de aerogeneradores típicamente se establece inicialmente en base a la carga de aerogenerador simulada, con seguridad integrada teniendo en cuenta las incertidumbres de ubicación y los márgenes de seguridad simulados. No obstante, los inventores se han dado cuenta de que la integración de seguridad a menudo da como resultado que el aerogenerador se opere de manera demasiado conservadora, lo que puede dar como resultado oportunidades de generación de energía desperdiciadas. Por lo tanto, han ideado una técnica de medición/estimación de cargas extremas experimentadas durante un período de tiempo y realización de un análisis estadístico sobre la distribución de las cargas extremas con el fin de identificar el margen de seguridad oculto e innecesario integrado en la estrategia de control. La estrategia de control entonces se puede modificar para reducir ese margen de seguridad oculto, que debería permitir una mayor flexibilidad en el control y un aumento en la generación de potencia del aerogenerador, sin poner en peligro la seguridad.
La Figura 1 ilustra, en una vista esquemática en perspectiva, un ejemplo de un aerogenerador 1. El aerogenerador 1 incluye una torre 2, una góndola 3 dispuesta en el vértice de la torre y un rotor 4 acoplado operativamente a un generador alojado dentro de la góndola 3. Además del generador, la góndola aloja diversos componentes requeridos para convertir la energía eólica en energía eléctrica y varios componentes necesarios para operar, controlar y optimizar el rendimiento del aerogenerador 1. El rotor 4 del aerogenerador incluye un buje central 5 y una pluralidad de palas 6 que se proyectan hacia fuera del buje central 5. En la realización ilustrada, el rotor 4 incluye tres palas 6, pero el número puede variar. Además, el aerogenerador comprende un sistema de control. El sistema de control se puede colocar dentro de la góndola o distribuir en una serie de ubicaciones dentro del aerogenerador y conectar comunicativamente.
El aerogenerador 1 se puede incluir entre una colección de otros aerogeneradores pertenecientes a una planta de energía eólica, a la que también se hace referencia como granja eólica o parque eólico, que sirven como planta de generación de energía conectada por líneas de transmisión con una red eléctrica. La red eléctrica generalmente consiste en una red de centrales eléctricas, circuitos de transmisión y subestaciones acopladas por una red de líneas de transmisión que transmiten la energía a las cargas en forma de usuarios finales y otros clientes de las empresas de servicios públicos eléctricas.
La Figura 2 ilustra esquemáticamente una realización de un sistema de control 20 junto con elementos de un aerogenerador. El aerogenerador comprende las palas de rotor 21 que están conectadas mecánicamente a un generador eléctrico 22 a través de la caja de engranajes 23. La energía eléctrica generada por el generador 22 se inyecta en una red eléctrica 24 a través de un convertidor eléctrico 25. El generador eléctrico 22 puede ser un generador de inducción doblemente alimentado, pero se pueden usar otros tipos de generadores. Además, no necesita estar presente una caja de engranajes.
El sistema de control comprende una serie de elementos, incluyendo al menos un controlador 200 con un procesador y una memoria, de modo que el procesador sea capaz de ejecutar tareas informáticas en base a instrucciones almacenadas en la memoria. En general, el controlador de aerogenerador 200 asegura que, en operación, el aerogenerador genera un nivel de salida de potencia requerido. Esto se obtiene ajustando el ángulo de paso y/o la extracción de potencia del convertidor. Con este fin, el sistema de control 20 comprende un sistema de paso que incluye un controlador de paso 27 que usa una referencia de paso 28, y un sistema de potencia que incluye un controlador de potencia 29 que usa una referencia de potencia 26. El rotor del aerogenerador comprende palas de rotor que se pueden inclinar por un mecanismo de paso. El rotor puede comprender un sistema de paso común que ajusta todos los ángulos de paso en todas las palas de rotor al mismo tiempo, así como en adición al mismo un sistema de paso individual que es capaz de inclinación individual de las palas de rotor.
La Figura 3 ilustra esquemáticamente los detalles del controlador 200 de acuerdo con una realización. El controlador 200 comprende una unidad de control predictivo modelo (MPC) 310, una unidad adaptadora 320 y un estimador de carga 330.
La unidad de MPC 310 está configurada para determinar una señal de control, tal como las señales 26 y 28, para controlar una operación del aerogenerador, tal como el paso de pala y/o la extracción de potencia del convertidor. La unidad de MPC 310 determina la señal de control en base, al menos en parte, a una rutina de MPC que usa una función de costes que comprende un coste con relación a uno o más tipos de carga del aerogenerador (por ejemplo, la carga en una o más partes/componentes diferentes del aerogenerador) y/o una o más medidas de la operación del aerogenerador (por ejemplo, el estado operativo, como se explica con más detalle más adelante). El experto en la técnica apreciará fácilmente cómo se pueden usar las rutinas de MPC para determinar la señal de control. No obstante, a modo de breve explicación, MPC es un algoritmo de control multivariable que usa una función de costes de optimización J sobre el horizonte de predicción de retroceso, para calcular los movimientos de control óptimos. La función de costes de optimización puede estar dada por:
J = min(Ai*Carga - Potencia)
En este ejemplo, 'Carga' es el coste de carga con relación a uno o más tipos de carga del aerogenerador, por ejemplo carga en la torre y/o carga en una pala, etc. Además o alternativamente, 'Carga' puede ser el coste de carga con relación a una o más medidas operativas del aerogenerador. A1 es la ponderación de coste correspondiente a 'Carga'. 'Potencia' es la salida de potencia eléctrica del aerogenerador. Por lo tanto, minimizando A-i*Carga-Potencia, la función de costes está optimizada para lograr la mejor salida de potencia para niveles particulares de carga en el aerogenerador.
Se apreciará fácilmente que en una implementación equivalente, se puede usar una función de beneficio de optimización para obtener exactamente el mismo resultado. Una función de beneficio de optimización equivalente puede estar dada por
B = max(Potencia -Ai*Carga)
Por lo tanto, se entenderá que el término 'función de costes' como se usa a lo largo de esta descripción abarca la 'función de beneficio' equivalente.
La unidad de MPC 310 de la Figura 3 está configurada para recibir una señal de estado operativo del aerogenerador, que comprende una o más medidas de uno o más estados operativos del aerogenerador. No obstante, la unidad de MPC 310 se puede configurar además o alternativamente para recibir al menos una medida de carga 335 del estimador de carga 330. La señal de estado operativo puede comprender, por ejemplo, una o más medidas del valor de paso, la velocidad angular del rotor, la posición superior de la torre, la salida de potencia, derivados de esos parámetros, etc. Las mediciones en la señal de estado operativo se pueden basar en lecturas de sensor de sensores dispuestos para medir datos de sensor con relación a los valores de estado físico del aerogenerador. La unidad de MPC 310 entonces utiliza los estados operativos recibidos (y/o medidas de carga) y la rutina de optimización de MPC para determinar la señal de control.
Inicialmente, la rutina de MPC se puede configurar para tener una estrategia de control inicial en base a suposiciones de diseño. La estrategia de control inicial se puede definir en la rutina de MPC por medio de diversos parámetros que se establecen en la rutina de MPC, tales como ponderaciones de costes y/o restricciones. Las suposiciones de diseño que se utilizan con el fin de establecer la estrategia de control inicial se explicarán ahora con referencia a la Figura 4.
La Figura 4 muestra una representación de la carga en el aerogenerador (eje y) frente al tiempo de operación del aerogenerador (eje x). Antes de la instalación del aerogenerador, se puede determinar una simulación de una distribución de carga a lo largo del tiempo, que se representa en la Figura 4 como 'distribución de carga simulada'. Esto representa cómo una carga en particular (por ejemplo, carga de torre o carga de pala, etc.) puede variar con el tiempo. Cuando un percentil de umbral de fallo de la distribución es igual a o está por encima del límite de carga de diseño, entonces se puede esperar el fallo de la pieza del aerogenerador. Por ejemplo, cuando el percentil de umbral de fallo es 90 %, si el 10 % superior o más de la distribución está por encima del límite de carga de diseño, entonces se puede esperar que el fallo de la pieza. Si solo el 9 % superior, o solo el 5 % superior, etc. de la distribución está por encima del límite de carga de diseño, entonces puede que no se espere el fallo de la pieza. Por lo tanto, durante la fase de diseño, la rutina de MPC se puede configurar para definir una estrategia de control inicial que se espera que dé como resultado que la distribución de carga simulada se coloque de manera segura con relación al límite de carga de diseño (es decir, de modo que el percentil de umbral de fallo de la distribución simulada esté en o por debajo del límite de carga de diseño). No obstante, dado que las consecuencias del fallo del aerogenerador debido a la sobrecarga del aerogenerador son graves, la incertidumbre de ubicación (por ejemplo, la incertidumbre en las condiciones ambientales que se experimentarán por el aerogenerador, tales como el campo de viento y/o la incertidumbre climática) y un margen de seguridad en base a las simulaciones también se integran en la estrategia de control inicial para ayudar a asegurar que, después de la instalación, el aerogenerador no se ponga en riesgo accidentalmente en virtud de que la estrategia de control inicial sea demasiado agresiva.
Volviendo a la Figura 3, el estimador de carga 330 está configurado para recibir la señal de estado operativo del aerogenerador. Luego, se determina al menos una medida de carga 335 con relación a una o más piezas del aerogenerador y se proporciona a la unidad adaptadora 320 y a la unidad de MPC 310. Por ejemplo, la al menos una medida de carga 335 puede relacionarse con la carga en la torre, o la carga en una pala, etc. La al menos una medida de carga 335 se puede determinar regularmente en base a la señal de estado operativo actual, por ejemplo, cada segundo, o cada tres segundos, o cada diez segundos, etc. Se apreciará que, como alternativa, el estado operativo puede comprender una medida directa de una o más cargas en el aerogenerador, en cuyo caso el controlador 200 puede no comprender el estimador de carga 330 y la unidad adaptadora 320 puede, en su lugar, recibir directamente la al menos una medida de carga en el estado operativo del aerogenerador.
En el controlador 200 de la presente descripción, se ha implementado y configurado una unidad adaptadora 320 para determinar una medida de carga extrema para cada tipo de medida de carga recibida del estimador de carga 330. Por ejemplo, la medida de carga 335 puede comprender medidas de la carga en la torre de aerogenerador y la unidad adaptadora 320 puede recibir una nueva medida de carga 335 cada segundo. La unidad adaptadora 320 puede determinar una medida de carga extrema indicativa de la carga extrema experimentada por la torre del aerogenerador durante una cantidad de tiempo particular, tal como un período de 10 minutos, en base a las medidas de carga 335 recibidas durante esa cantidad de tiempo en particular. La medida de carga extrema en este ejemplo es la carga máxima durante el período de tiempo particular. Se apreciará que un período de 10 minutos es meramente un ejemplo no limitativo y que, alternativamente, se pueden usar diferentes duraciones de tiempo. La unidad adaptadora 320 continúa determinando las medidas de carga extrema durante un primer período de tiempo, tal como un mes o tres meses, o seis meses, o un año, etc. De este modo, la unidad adaptadora 320 determinará una primera pluralidad de medidas de carga extrema durante el primer período de tiempo - una medida de carga extrema cada 10 minutos en este ejemplo particular.
En la Figura 4 se puede ver una distribución de estas medidas de carga extrema. En particular, después de la instalación del aerogenerador, se determinan más y más medidas de carga extrema a medida que pasa el tiempo. Como se puede ver, en el transcurso del primer período de tiempo, a medida que se añaden a la distribución más y más medidas de carga extrema, la varianza dentro de la distribución se reduce y los niveles medios tienden gradualmente a un nivel más bajo que la distribución simulada. Esto se debe a que no hay incertidumbre de ubicación o incertidumbre del modelo aeroelástico añadida a la distribución de la primera pluralidad de medidas de carga extrema, dado que la primera pluralidad de medidas de carga extrema se basan en mediciones in situ reales.
Al final del primer período de tiempo, se determina el valor de carga extrema máximo de la distribución de la primera pluralidad de mediciones de carga extrema. Este es el valor de carga extrema que corresponde al percentil de umbral de fallo (por ejemplo, el percentil 90 %) de la distribución. Los inventores se han dado cuenta de que cuando se realiza este análisis estadístico sobre las medidas de carga extrema reales, el valor de carga extrema máximo tiende a estar muy por debajo del límite de carga de diseño, representando una seguridad oculta e innecesaria integrada en la estrategia de control de la unidad de MPC 310. Esto significa que la unidad de MPC 310 podría permitir con seguridad cargas extremas más grandes sin poner en riesgo la seguridad, lo que daría un mayor lapso de control para la unidad de MPC 310 y permitiría potencialmente que el aerogenerador genere más potencia.
En consecuencia, la unidad adaptadora 320 genera ajustes de MPC 325 adaptados con el fin de modificar la estrategia de control de la unidad de MPC 310 en base, al menos en parte, a una comparación del valor de carga extrema máximo y el límite de carga de diseño. Los ajustes de MPC 325 adaptados se pueden basar, al menos en parte, en una magnitud y/o signo de la diferencia entre el límite de carga de diseño y el valor de carga extrema máximo (por ejemplo, si el valor de carga extrema máximo está muy por debajo del límite de carga de diseño, los ajustes de MPC 325 adaptados se pueden establecer para realizar un gran cambio en la estrategia de control de MPC, mientras que si la diferencia es pequeña, los ajustes de MPC 325 adaptados se pueden establecer para hacer un pequeño cambio en la estrategia de control de MPC).
Este análisis estadístico para determinar una distribución a partir de la cual se determina el valor de carga extrema máximo se puede basar además en la distribución de carga simulada y puede utilizar análisis bayesiano. Por ejemplo, la distribución de carga simulada puede representar 'conocimiento anterior' en el análisis bayesiano y esa distribución se puede modificar eficazmente realizando un proceso bayesiano usando la primera pluralidad de medidas de carga extrema. En este sentido, la distribución determinada en base a la distribución de carga simulada y la primera pluralidad de cargas extremas es una 'distribución de probabilidad posterior'. El valor de carga extrema máximo se puede determinar entonces a partir de esa distribución.
Después de la modificación de la estrategia de control, el aerogenerador se operará entonces usando la estrategia de control modificada, que debería dar como resultado que las futuras distribuciones de carga extrema se desplacen hacia arriba en el gráfico representado en la Figura 4, cerrando por ello el hueco entre el valor de carga extrema máximo y el límite de carga de diseño y permitiendo una mayor salida de potencia sin poner en peligro la seguridad.
Opcionalmente, después de que se haya modificado la estrategia de control, se puede determinar una segunda pluralidad de medidas de carga extrema por la unidad adaptadora 320 durante un segundo período de tiempo que sigue al primer período de tiempo. Luego, se puede determinar un valor de carga extrema máximo actualizado en base a una distribución de la primera pluralidad de medidas de carga extrema y la segunda pluralidad de medidas de carga extrema (por ejemplo, el valor de carga extrema máximo se puede encontrar encontrando el valor de carga correspondiente al 90 % de la distribución de la primera y segunda pluralidad de medidas de carga extrema). Opcionalmente, esta distribución se puede determinar usando un análisis bayesiano, donde la distribución antes del inicio del segundo período de tiempo representa un 'conocimiento anterior' en el análisis bayesiano (esa distribución se puede haber determinado a sí misma antes usando un análisis bayesiano de la distribución de carga simulada y la primera pluralidad de cargas extremas, como se ha descrito anteriormente), y la segunda pluralidad de cargas extremas se usa para modificar esa distribución para obtener una 'distribución probabilidad posterior', usando la cual se determina el valor de carga extrema máximo actualizado. Luego, la estrategia de control se puede modificar además en base, al menos en parte, a una comparación del valor de carga extrema máximo actualizado y el límite de carga de diseño y el control posterior del aerogenerador se puede basar en la estrategia de control modificada adicional. De esta forma, la estrategia de control se puede refinar gradualmente con el tiempo a medida que el aerogenerador envejece y llegan a estar disponibles más y más datos de carga extrema.
El primer período de tiempo y el segundo período de tiempo, y cualquier período de tiempo adicional durante el cual se determinen y usen medidas de carga extrema en el análisis estadístico para determinar valores de carga extrema máximos actualizados adicionales, pueden ser cualquier período de tiempo adecuado. Por ejemplo, pueden ser del orden de segundos, minutos, horas, días, meses o años, de manera que la estrategia de control se pueda actualizar y refinar con cualquier frecuencia adecuada.
La Figura 5 muestra una representación gráfica de ejemplo de cómo se puede modificar la estrategia de control de la unidad de MPC 310. En este ejemplo, las medidas de carga extrema se relacionan con la carga de la torre y la unidad de MPC 310 considera la deflexión de la torre cuando se ejerce el control del aerogenerador, pero los mismos principios pueden aplicarse igualmente a la carga en cualquier otra parte del aerogenerador, por ejemplo, la carga en las palas. El eje x de la Figura 5 representa la deflexión de la torre (por ejemplo, medida en mm, cm, metros, etc.). El eje y representa la penalización de costes aplicada al coste de carga de la torre en la rutina de MPC.
El Límite de TdMax de MPC representa una restricción de MPC. Se puede ver que mientras que la cantidad de deflexión de la torre Td está por debajo de este límite, no se aplica ninguna penalización de costes. Tan pronto como Td excede este límite, se aplica una penalización de costes al coste de carga de la torre en la rutina de MPC, con la consecuencia intencionada de hacer que las señales de control generadas por la unidad de MPC 310 cambien con el fin de evitar que la carga de la torre alcance un nivel peligroso.
En la estrategia de control inicial que se determina en base a la distribución simulada de cargas extremas, la incertidumbre de ubicación y el margen de seguridad de simulación, TdMax de MPC se establece en 'Límite de TdMax de MPC inicial'. Se puede ver que el Límite de TdMax de MPC inicial se establece de manera que:
Límite de TdMax de MPC inicial = Fallo del material - incertidumbre de ubicación - margen de seguridad (simulación) donde el fallo del material es la cantidad de deflexión de la torre a la que se espera el fallo del material.
Como se explicó anteriormente, a través de una comparación del valor de carga extrema máximo y el límite de carga de diseño, se puede reducir o eliminar la incertidumbre de ubicación. Además, el tamaño del margen de seguridad se puede ajustar, si se desea, y observar los efectos en la deflexión de la torre real, para asegurar que el margen de seguridad siga siendo lo suficientemente grande para permitir una operación segura del aerogenerador. Por lo tanto, la modificación de la estrategia de control puede implicar mover el límite de TdMax de MPC, de manera que la estrategia de control modificada tenga una restricción de 'límite de TdMax de MPC modificado'.
La Figura 6 muestra una representación gráfica de ejemplo de la estrategia de control modificada de la unidad de MPC 310. El límite de TdMax de MPC modificado se establece de manera que:
Límite de TdMax de MPC modificado = Fallo de material - margen de seguridad (modificado) De este modo, se puede ver que dado que ya no hay ninguna incertidumbre de ubicación, y debido a que el margen de seguridad se puede establecer en mediciones reales de carga extrema, más que una simulación, la restricción del límite de TdMax de MPC se puede mover aún más hacia arriba en el eje x para permitir mayores deflexiones de la torre antes de que comiencen a ser aplicadas penalizaciones de costes. Esto significa que después de que se haya modificado la estrategia de control, el valor de carga extrema máximo en la distribución de medidas de carga extrema en la Figura 4 debería comenzar a moverse con el tiempo hacia arriba en la dirección del eje y con el tiempo, reduciendo por ello la cantidad de seguridad oculta. Usando la estrategia de control modificada, la unidad de MPC 310 puede ser capaz de accionar el aerogenerador más fuerte y emitir más potencia, mientras que se sigue operando de manera segura.
La Figura 7 ilustra elementos de un método de control de un aerogenerador para realizar diversas realizaciones de la presente descripción. Los elementos del método se pueden implementar mediante software como un producto de programa informático, hardware o una combinación de software y hardware. El software puede comprender un código legible por ordenador, que cuando se ejecuta en el procesador de cualquier dispositivo electrónico, realiza la funcionalidad de los elementos representados en la Figura 7. El software se puede almacenar en cualquier medio legible por ordenador adecuado, por ejemplo, un medio legible por ordenador no transitorio, tal como memoria de solo lectura, memoria de acceso aleatorio, CD-ROM, DVD, Blue-rays, cinta magnética, unidades de disco duro, unidades de estado sólido y unidades ópticas. Típicamente, el software se almacena y ejecuta por un sistema de control de aerogenerador.
En el Paso S710, el sistema de control 20 controla la operación del aerogenerador de acuerdo con una estrategia de control (por ejemplo, la estrategia de control inicial).
En el Paso S720, se obtiene una pluralidad de medidas de carga extrema (por ejemplo, la primera pluralidad de medidas de carga extrema) durante un período de tiempo (por ejemplo, el primer período de tiempo).
En el Paso S730, se determina una característica de probabilidad (por ejemplo, el valor de carga extrema máximo) en base a una distribución de la pluralidad de medidas de carga extrema.
En el Paso S740, la característica de probabilidad de carga determinada se compara con el límite de carga de diseño y en el Paso S750, la estrategia de control se modifica en base a esa comparación. Luego, el método vuelve al Paso S710 para controlar el aerogenerador en base a la estrategia de control, excepto que la estrategia de control se haya modificado ahora en el Paso S750.
Se apreciará que este bucle se puede repetir muchas veces, potencialmente durante toda la vida útil del aerogenerador (por ejemplo, si el aerogenerador tiene una vida operativa de 20 años, la estrategia de control se puede modificar de acuerdo con este método cada minuto, o cada hora, o cada día, o cada semana, o cada mes, o cada 3 meses, o cada 6 meses, o cada año, o cada dos años, etc. durante toda la vida útil del aerogenerador). El período de tiempo entre cada modificación puede ser igual o puede variar durante de la vida útil del aerogenerador.
En consecuencia, la estrategia de control se puede refinar gradualmente con el fin de obtener la mejor salida de potencia del aerogenerador mientras que sigue operando dentro de límites seguros.
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 como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Por ejemplo, mientras que la descripción anterior se centra particularmente en la primera pluralidad de medidas de carga extrema con relación al período de tiempo inmediatamente posterior a la instalación del aerogenerador y la modificación de la estrategia de control que es la modificación de la estrategia de control de etapa de diseño inicial, la primera pluralidad de medidas de carga extrema puede relacionarse con las medidas de carga extrema obtenidas durante cualquier período de tiempo durante la vida útil del aerogenerador. En este caso, la modificación de la estrategia de control es una modificación de cualquier estrategia de control que esté actualmente en marcha (que puede ser la estrategia de control de etapa de diseño inicial, o puede ser alguna otra estrategia de control ya modificada anteriormente).
Aunque se da un ejemplo particular de modificación de la estrategia de control con referencia al cambio de una restricción dentro de la rutina de MPC, se apreciará que la estrategia de control se puede modificar de cualquier otra forma adecuada en base a la comparación del valor de carga extrema máximo y el límite de carga de diseño, por ejemplo modificando una o más ponderaciones de costes dentro de la rutina de MPC.
Además, mientras que en la descripción anterior, el valor de carga extrema máximo se determina en base a la distribución de medidas de carga extrema y luego se compara con el límite de carga de diseño, en una alternativa, se puede realizar cualquier otro análisis estadístico en la distribución de las medidas de carga extrema con el fin de determinar cualquier otra característica probabilidad de carga adecuada. Por ejemplo, se puede usar un percentil de umbral diferente, o se puede determinar una característica de probabilidad con relación a la media, o varianza, o mediana, etc. de la distribución. Esto se puede comparar entonces con el límite de carga de diseño, según sea apropiado. Por lo tanto, también se puede apreciar que mientras que la comparación de la característica de probabilidad de carga y el límite de carga de diseño se describe de manera general anteriormente como un hallazgo de la diferencia entre los dos, la comparación puede tomar alternativamente cualquier otra forma adecuada dependiendo de la naturaleza de la característica de probabilidad de carga.
En la explicación anterior, la unidad adaptadora determina la pluralidad de medidas de carga extrema en base a la una o más medidas de carga 335. No obstante, en una alternativa, la unidad adaptadora 320 puede recibir simplemente la pluralidad de medidas de carga extrema, por ejemplo, del estimador de carga (que se puede configurar para determinar las medidas de carga extrema y proporcionarlas a la unidad adaptadora 320), o desde cualquier otra unidad o entidad adecuada. Por lo tanto, la unidad adaptadora 320 está configurada para obtener la pluralidad de medidas de carga extrema o bien determinándolas por sí misma, o recibiéndolas de otra unidad/entidad.

Claims (16)

REIVINDICACIONES
1. Un método de control de una operación de un aerogenerador, el método que comprende:
controlar la operación del aerogenerador de acuerdo con una estrategia de control para un primer periodo de tiempo; obtener una primera pluralidad de medidas de carga extrema indicativas de cargas extremas experimentadas por al menos parte del aerogenerador durante el primer período de tiempo;
determinar, mediante análisis estadístico, una característica de probabilidad de carga en base a una distribución de al menos la primera pluralidad de medidas de carga extrema;
comparar la característica de probabilidad de carga y un límite de carga de diseño;
modificar la estrategia de control en base, al menos en parte, a la comparación de la característica de probabilidad de carga y el límite de carga de diseño; y
controlar la operación del aerogenerador de acuerdo con la estrategia de control modificada durante un segundo período de tiempo.
2. El método de la reivindicación 1, en donde:
la característica de probabilidad de carga comprende un valor de carga extrema máximo indicativo de un valor de carga extrema correspondiente a un percentil de umbral de la distribución de la pluralidad de medidas de carga extrema.
3. El método de la reivindicación 2, en donde la comparación de la característica de probabilidad de carga y el límite de carga de diseño comprende una diferencia entre el valor de carga extrema máximo y el límite de carga de diseño.
4. El método de la reivindicación 3, en donde la modificación de la estrategia de control se basa además, al menos en parte, en una magnitud y/o un signo de la diferencia entre el valor de carga extrema máximo y el límite de carga de diseño.
5. El método de cualquier reivindicación anterior, en donde el límite de carga de diseño se basa, al menos en parte, en un valor de carga de fallo del material, un valor de incertidumbre de ubicación y un margen de seguridad simulado.
6. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la pluralidad de medidas de carga extrema comprende una pluralidad de estimaciones de carga extrema, y en donde el método comprende además: recibir una pluralidad de mediciones de estado operativo del aerogenerador durante el primer período de tiempo; y determinar la pluralidad de medidas de carga extrema en base, al menos en parte, a la pluralidad de mediciones de estado operativo.
7. El método de cualquier reivindicación anterior, que comprende además:
obtener una segunda pluralidad de medidas de carga extrema indicativas de cargas extremas experimentadas por al menos parte del aerogenerador durante el segundo periodo de tiempo;
determinar, mediante análisis estadístico, una característica de probabilidad de carga actualizada en base a una distribución de al menos la primera pluralidad de medidas de carga extrema y la segunda pluralidad de medidas de carga extrema;
comparar la característica de probabilidad de carga actualizada frente al límite de carga de diseño;
modificar además la estrategia de control en base, al menos en parte, a la comparación de la característica de probabilidad de carga actualizada frente al límite de carga de diseño; y
controlar la operación del aerogenerador usando la estrategia de control modificada adicional durante un tercer período de tiempo.
8. El método de cualquier reivindicación anterior, en donde la estrategia de control y la estrategia de control modificada se definen dentro de una rutina de control predictivo modelo, MPC.
9. El método de la reivindicación 8, en donde modificar la estrategia de control en base, al menos en parte, a la comparación de la característica de probabilidad de carga y el límite de carga de diseño comprende ajustar al menos una ponderación de costes dentro de la rutina de MPC en base, al menos en parte, a la comparación de la característica de probabilidad de carga y el límite de carga de diseño.
10. El método de la reivindicación 8 o la reivindicación 9, en donde modificar la estrategia de control en base, al menos en parte, a la comparación de la característica de probabilidad de carga y el límite de carga de diseño comprende ajustar al menos una restricción de la rutina de MPC en base, al menos en parte, a la comparación de la característica de probabilidad de carga y el límite de carga de diseño.
11. El método de cualquier reivindicación anterior, en donde la distribución de al menos la primera pluralidad de cargas extremas se determina en base a la primera pluralidad de cargas extremas y una distribución de carga simulada.
12. El método de cualquier reivindicación anterior, en donde el análisis estadístico comprende además un análisis bayesiano.
13. Un programa informático configurado para realizar el método de cualquier reivindicación anterior, cuando se ejecuta en un procesador de un dispositivo electrónico.
14. Un sistema de control para un aerogenerador, que comprende:
un controlador configurado para:
controlar la operación del aerogenerador usando una estrategia de control durante un primer periodo de tiempo; obtener una primera pluralidad de medidas de carga extrema indicativas de cargas extremas experimentadas por al menos parte del aerogenerador durante el primer período de tiempo;
determinar, mediante análisis estadístico, una característica de probabilidad de carga en base a una distribución de la primera pluralidad de medidas de carga extrema;
comparar la característica de probabilidad de carga frente a un límite de carga de diseño;
modificar la estrategia de control en base, al menos en parte, a la comparación de la característica de probabilidad de carga frente al límite de carga de diseño; y
controlar la operación del aerogenerador usando la estrategia de control modificada durante un segundo período de tiempo.
15. El sistema de control de la reivindicación 14, en donde el controlador está configurado además para: obtener una segunda pluralidad de medidas de carga extrema indicativas de cargas extremas experimentadas por al menos parte del aerogenerador durante el segundo período de tiempo;
determinar una característica de probabilidad de carga actualizada en base a una distribución de la primera pluralidad de medidas de carga extrema y la segunda pluralidad de medidas de carga extrema;
comparar la característica de probabilidad de carga actualizada frente al límite de carga de diseño;
modificar además la estrategia de control en base, al menos en parte, a la comparación de la característica de probabilidad de carga actualizada frente al límite de carga de diseño; y
controlar la operación del aerogenerador usando la estrategia de control modificada adicional para un tercer período de tiempo.
16. Un aerogenerador que comprende el sistema de control de la reivindicación 14 o la reivindicación 15.
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