ES2934936T3 - Método y sistema de control de turbinas eólicas - Google Patents

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Abstract

Y (d) aplicar el segundo valor de ganancia a señales de control para el sistema de regulación de tono generado por el segundo controlador. Además, se describen un controlador de turbina eólica y una turbina eólica que comprende dicho controlador. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método y sistema de control de turbinas eólicas
Campo de la invención
La presente invención se refiere al campo de las turbinas eólicas, en particular, a un método para controlar una turbina eólica. Además, la presente invención se refiere a un sistema para controlar una turbina eólica y a una turbina eólica que comprende dicho sistema de control.
Antecedentes de la técnica
Es generalmente conocido operar turbinas eólicas en varios tipos de modos seguros para proteger las turbinas eólicas en ciertas situaciones. Dicho modo seguro de operación puede incluir alguna forma de restricción, tal como:
• Reducción de la velocidad del rotor
• Reducción de la potencia
• Ángulo de inclinación aumentado (ángulo de atracción reducido y menos agresivo)
También puede incluir:
• Umbral modificado para la función de monitorización (exceso de velocidad, vibración, etc.)
• Intervalo de velocidad del viento permitido modificado (desconexión previa para detener la turbina a altas velocidades del viento)
• Desactivación de ciertas funciones
Todos los límites anteriores pueden modificarse en función de las condiciones ambientales, tal como la turbulencia del viento, la velocidad del viento, la cizalladura del viento, la densidad del aire, la dirección del viento, la temperatura ambiente, la carga medida de los componentes principales. También se pueden usar estimaciones de lo anterior. Además, se pueden usar diferentes niveles de modo seguro. Por ejemplo, uno que asegure una carga estructural final aceptable y otro que reduzca aún más la carga final y de fatiga. Se pueden incluir etapas adicionales. Los diferentes modos se pueden usar en función de la duración esperada del modo seguro requerido. Esto puede determinarse manualmente por parte de un operador o basado en el modo de fallo y/o la duración del fallo(s), etc.
Sin embargo, con la creciente complejidad de los modernos sistemas de control de turbinas eólicas, puede existir la necesidad de una forma de proporcionar modos de funcionamiento seguros y efectivos en turbinas eólicas que usen dichos sistemas de control.
El control conjunto de un sistema de regulación de flujo adaptable y un sistema de regulación de cabeceo se muestra en el documento EP 3290688 A1.
Sumario de la invención
Esta necesidad puede satisfacerse mediante el objeto según las reivindicaciones independientes. Realizaciones ventajosas de la presente invención se describen mediante las reivindicaciones dependientes.
De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un método para controlar una turbina eólica, comprendiendo la turbina eólica una pluralidad de palas de rotor, un primer controlador para controlar un sistema de regulación de flujo adaptable que tiene una pluralidad de dispositivos de regulación de flujo adaptable controlables individualmente dispuestos en las palas de rotor, y un segundo controlador para controlar un sistema de regulación de cabeceo para regular un ángulo de cabeceo de cada pala de rotor. El método comprende (a) determinar un valor de diagnóstico indicativo de una eficiencia operativa del sistema de regulación de flujo adaptable, (b) determinar un primer valor de ganancia para el primer controlador y un segundo valor de ganancia para el segundo controlador en base al valor de diagnóstico, (c) aplicar el primer valor de ganancia a señales de control para el sistema de regulación de flujo adaptable generado por el primer controlador, y (d) aplicar el segundo valor de ganancia a señales de control para el sistema de regulación de cabeceo generado por el segundo controlador.
Este aspecto de la invención se basa en la idea de que ambos controladores (el primero y el segundo) están activos, pero que se les aplican valores (o ponderaciones) de ganancia respectivos dependiendo de la eficiencia operativa del sistema de regulación de flujo adaptable. De este modo, dependiendo de dicha eficiencia operativa, se pueden modificar las contribuciones de los respectivos primer y segundo controladores. Por ejemplo, si la eficiencia operativa es baja (por ejemplo, debido a un error o defecto en el sistema de regulación de flujo adaptable), la contribución del segundo controlador se puede aumentar para compensar esto. En muchos casos, esto permitirá que un generador de turbina eólica permanezca activo hasta que se realice la reparación.
En el presente contexto, el término "dispositivos de regulación de flujo adaptables" puede referirse, en particular, a un dispositivo capaz de influir en las características de flujo en una sección dada de la superficie de la pala de rotor. En algunas realizaciones, los dispositivos de regulación de flujo adaptables pueden implementarse como alerones o aletas ajustables, que pueden, por ejemplo, elevarse de forma selectiva y ajustable (por ejemplo, mediante accionamiento neumático) por encima de la superficie de la pala de rotor.
En el presente contexto, el término "eficiencia operativa" puede indicar, en particular, una capacidad del sistema de regulación de flujo adaptable para operar según lo previsto. Así, la máxima eficiencia operativa corresponde a un estado sin errores ni defectos, mientras que un error o defecto, por ejemplo, uno o más dispositivos de regulación de flujo adaptables defectuosos, causará una reducción correspondiente de la eficiencia operativa. El valor de diagnóstico puede obtenerse, en particular, sobre la base de señales de estado y de retroalimentación del sistema de regulación de flujo adaptable.
Según una realización de la invención, el primer valor de ganancia se establece en un primer valor de ganancia máxima y el segundo valor de ganancia se establece en un segundo valor de ganancia mínima cuando el valor de diagnóstico es igual a un valor de diagnóstico máximo, y el primer valor de ganancia se establece en un primer valor de ganancia mínimo y el segundo valor de ganancia se establece en un segundo valor de ganancia máximo cuando el valor de diagnóstico es igual a un valor de diagnóstico mínimo.
En otras palabras, la influencia del primer controlador será máxima cuando la eficacia operativa del sistema de regulación de flujo adaptable sea máxima y mínima cuando la eficacia operativa del sistema de regulación de flujo adaptable sea mínima. Al mismo tiempo, la influencia del segundo controlador será mínima cuando la eficacia operativa del sistema de regulación de flujo adaptable sea máxima y máxima cuando la eficacia operativa del sistema de regulación de flujo adaptable sea mínima. Por lo tanto, el segundo controlador se hace cargo cuando el sistema de regulación de flujo adaptable es ineficaz.
Según otra realización de la invención, el primer valor de ganancia disminuye y el segundo valor de ganancia aumenta cuando disminuye el valor de diagnóstico.
Por lo tanto, la eficiencia reducida del sistema de regulación de flujo adaptable es compensada por el sistema de regulación de cabeceo.
Según otra realización de la invención, el primer valor de ganancia aumenta y el segundo valor de ganancia disminuye cuando aumenta el valor de diagnóstico.
Por lo tanto, cuando aumenta la eficiencia del sistema de regulación de flujo adaptable, por ejemplo, después de un problema o error temporal, se reduce la asistencia proporcionada por el sistema de regulación de cabeceo.
Según otra realización de la invención, la turbina eólica comprende además un tercer controlador para controlar un sistema de regulación de potencia de salida de la turbina eólica, y el método comprende además (a) determinar un tercer valor de ganancia para el tercer controlador basado en el valor de diagnóstico y (b) aplicar el tercer valor de ganancia a una señal de control para el sistema de regulación de potencia de salida generada por el tercer controlador.
Aquí, el sistema de regulación de potencia de la turbina eólica se usa además del sistema de regulación del ángulo de cabeceo como se ha descrito anteriormente. Esto puede mejorar aún más la compensación, en particular, en casos en los que la eficiencia operativa del sistema de regulación de flujo adaptable es baja.
Según otra realización de la invención, el tercer valor de ganancia se establece en un tercer valor de ganancia mínimo cuando el valor de diagnóstico es igual al valor de diagnóstico máximo, y el tercer valor de ganancia se establece en un tercer valor de ganancia máximo cuando el valor de diagnóstico es igual al valor mínimo de diagnóstico.
Según otra realización de la invención, el tercer valor de ganancia aumenta cuando el valor de diagnóstico disminuye, y/o el tercer valor de ganancia disminuye cuando aumenta el valor de diagnóstico.
Según otra realización de la invención, el valor de diagnóstico máximo corresponde al 100 % de eficiencia operativa del sistema de regulación de flujo adaptable, y el valor de diagnóstico mínimo corresponde al 0 % de eficiencia operativa del sistema de regulación de flujo adaptable.
Según otra realización de la invención, el primer valor de ganancia máxima, el segundo valor de ganancia máxima y el tercer valor de ganancia máxima son iguales a uno, y el primer valor de ganancia mínima, el segundo valor de ganancia mínima y el tercer valor de ganancia mínima son iguales a cero.
Según otra realización de la invención, el método comprende además determinar un valor de diagnóstico adicional indicativo de una eficiencia operativa del sistema de regulación de cabeceo, en el que el primer valor de ganancia y el segundo valor de ganancia se basan además en el valor de diagnóstico adicional.
En esta realización, el sistema de regulación de flujo adaptable se puede usar para compensación en situaciones en las que la eficiencia operativa del sistema de regulación de cabeceo disminuye, por ejemplo, debido a un error.
Según un segundo aspecto de la invención, se proporciona un sistema de control para una turbina eólica, comprendiendo la turbina eólica una pluralidad de palas de rotor, un sistema de regulación de flujo adaptable que tiene una pluralidad de dispositivos de regulación de flujo adaptable controlables individualmente dispuestos en las palas de rotor y un sistema de regulación de cabeceo para regular un ángulo de cabeceo de cada pala de rotor. El sistema de control comprende (a) un primer controlador para controlar el sistema de regulación de flujo adaptable, (b) un segundo controlador para controlar el sistema de regulación de cabeceo, (c) una unidad de diagnóstico para determinar un valor de diagnóstico indicativo de una eficiencia operativa del sistema de regulación de flujo adaptable, y (d) una unidad de ganancia del controlador adaptada para determinar un primer valor de ganancia para el primer controlador y un segundo valor de ganancia para el segundo controlador en función del valor de diagnóstico, en el que (e) el primer controlador está adaptado para aplicar el primer valor de ganancia para controlar señales para el sistema de regulación de flujo adaptable, y en el que (f) el segundo controlador está adaptado para aplicar el segundo valor de ganancia para controlar señales para el sistema de regulación de cabeceo.
Este aspecto de la invención se basa esencialmente en la misma idea que el primer aspecto discutido anteriormente.
De acuerdo con un tercer aspecto de la invención, se proporciona una turbina eólica que comprende un sistema de control de acuerdo con el segundo aspecto discutido anteriormente.
Debe señalarse que se han descrito realizaciones de la invención con referencia a diferentes objetos. En particular, algunas realizaciones se han descrito con referencia a reivindicaciones de tipo de método, mientras que otras realizaciones se han descrito con referencia a reivindicaciones de tipo de aparato. Sin embargo, un experto en la materia deducirá de la descripción anterior y siguiente que, a menos que se indique lo contrario, además de cualquier combinación de características pertenecientes a un tipo de objeto, también cualquier combinación de características relacionadas con diferentes objetos, en particular, a combinaciones de características de las reivindicaciones de tipo de método y características de las reivindicaciones de tipo de aparato, es parte de la divulgación del presente documento.
Los aspectos definidos anteriormente y aspectos adicionales de la presente invención son evidentes a partir de los ejemplos de realizaciones que se describirán a continuación y se explican con referencia a los ejemplos de realizaciones. La invención se describirá con más detalle a continuación con referencia a ejemplos de realizaciones. Sin embargo, se indica explícitamente que la invención no se limita a los ejemplos de realización descritos.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 muestra un diagrama de bloques de un sistema de control según una realización de la presente invención.
La figura 2 muestra un diagrama de flujo de un método de control de una turbina eólica según una realización de la presente invención.
Descripción detallada
La ilustración en el dibujo es esquemática. Se observa que, en diferentes figuras, elementos similares o idénticos se proporcionan con los mismos números de referencia o con números de referencia que difieren solo en el primer dígito.
La figura 1 muestra un diagrama de bloques funcional de un sistema 100 de control según una realización de la presente invención. Más específicamente, el sistema 100 de control comprende un primer controlador 110 para generar y suministrar señales 112 de control a un sistema 101 de regulación de flujo adaptable, un segundo controlador 120 para generar y suministrar señales 122 de control a un sistema 102 de regulación de ángulo de cabeceo, una unidad 130 de diagnóstico para determinar un valor 132 de diagnóstico indicativo de una eficiencia operativa del sistema 101 de regulación de flujo adaptable basado en la señal 104 de retroalimentación, y una unidad 140 de ganancia de controlador adaptada para determinar un primer valor 142 de ganancia para el primer controlador 110 y un segundo valor 144 de ganancia para el segundo controlador 120 basado en el valor 132 de diagnóstico. El primer controlador 110 aplica el primer valor de ganancia a las señales de control para el sistema 101 de regulación de flujo adaptable, por ejemplo, por multiplicación, para generar señal(es) 112 de control, y el segundo controlador aplica el segundo valor 144 de ganancia a las señales de control para el sistema 102 de regulación de ángulo de cabeceo, por ejemplo, por multiplicación, para generar señal(es) 122 de control. Opcionalmente, el sistema 100 de control puede comprender además un tercer controlador 150 para generar señales 152 de control para el sistema 103 de regulación de potencia de salida. En este caso, la unidad 140 de ganancia del controlador está además adaptada para determinar un tercer valor 146 de ganancia para el tercer controlador 150 basado en el valor 132 de diagnóstico. Más opcionalmente, el sistema 100 de control puede comprender además una unidad 160 de diagnóstico adicional para determinar un valor 162 de diagnóstico adicional indicativo de una eficiencia operativa del sistema 102 de regulación de ángulo de cabeceo basado en la señal 105 de retroalimentación.
Ahora se describirá la operación y el funcionamiento del sistema 100 de control con referencia a la figura 2, que muestra un diagrama de flujo de un método 200 para controlar una turbina eólica según una realización de la presente invención. El método 200 comienza en S1, donde la unidad 130 de diagnóstico determina un valor 132 de diagnóstico indicativo de una eficiencia de operación del sistema 101 de regulación de flujo adaptable basado en la señal 104 de retroalimentación. La señal 104 de retroalimentación puede, por ejemplo, contener información sobre el estado funcional de cada dispositivo de regulación de flujo adaptable en el sistema de regulación de flujo adaptable. Basándose en esta información, la unidad 130 de diagnóstico determina el valor 132 de diagnóstico, que puede, por ejemplo, ser un valor entre un 0 % y un 100 %, donde el 0 % corresponde a un sistema de regulación de flujo adaptable que no funciona mientras que el 100 % corresponde a un sistema de regulación de flujo adaptable que funciona perfectamente. En otras palabras, cualquier valor entre el 0 % y el 100 % indica cuántos de los dispositivos de regulación de flujo adaptables están funcionando y lo bien que lo hacen.
El método 200 continúa en S2, donde la unidad 140 de ganancia de controlador determina un primer valor 142 de ganancia para el primer controlador 110 y un segundo valor 144 de ganancia para el segundo controlador 120 en función del valor 132 de diagnóstico. Si el tercer controlador 150 opcional está presente, en esta etapa también se puede determinar un tercer valor 146 de ganancia para este tercer controlador 150. Cuando el valor 132 de diagnóstico es igual al 100 %, el primer valor 142 de ganancia se establece en su valor máximo, por ejemplo, 1 (uno) y el segundo valor 144 de ganancia se establece en su valor mínimo, por ejemplo, 0 (cero). Por otro lado, cuando el valor 132 de diagnóstico es igual al 0 %, el primer valor 142 de ganancia se establece en su valor mínimo, por ejemplo, 0 y el segundo valor 144 de ganancia se establece en su valor máximo, por ejemplo, 1. Para un valor 132 de diagnóstico entre el 0 % y el 100 %, digamos un 50 %, tanto el primer valor 142 de ganancia como el segundo valor 144 de ganancia se establecen en un valor entre los respectivos valores máximo y mínimo, de forma que ambos sean iguales a 0,5. Generalmente, cuando el valor 132 de diagnóstico disminuye, el primer valor 142 de ganancia disminuye y el segundo valor 144 de ganancia aumenta. De manera similar, cuando el valor 132 de diagnóstico aumenta, el primer valor 142 de ganancia aumenta y el segundo valor 144 de ganancia disminuye.
El método 200 continúa en S3, donde el primer controlador 110 aplica el primer valor 142 de ganancia para generar señal(es) 112 de control, y en S4, donde el segundo controlador 120 aplica el segundo valor 144 de ganancia para generar señal(es) 122 de control. Esto da como resultado una ponderación de la influencia del primer 110 y segundo 120 controladores. Más específicamente, cuando el primer valor 142 de ganancia es igual a 1 y el segundo valor 144 de ganancia es igual a 0, solo el primer controlador 110 tiene una influencia real. Por lo tanto, en este caso, el sistema 101 de regulación de flujo adaptable que funciona al 100 % es el único responsable. En la otra situación extrema, donde el primer valor 142 de ganancia es igual a 0 y el segundo valor 144 de ganancia es igual a 1, solo el sistema 102 de regulación de cabeceo está activo. Para el primer y segundo valores de ganancia entre 0 y 1, tanto el sistema 101 de regulación de flujo adaptable como el sistema 102 de regulación de ángulo de cabeceo estarán activos. Por lo tanto, en este caso, cuando la eficiencia operativa del sistema 101 de regulación de flujo adaptable es inferior al 100 %, el sistema 102 de regulación del ángulo de cabeceo toma el control y ayuda al sistema 101 de regulación de flujo adaptable, que solo funciona parcialmente.
El método 200 ahora puede volver a S1 y repetir las etapas y las operaciones discutidas anteriormente. Sin embargo, si el tercer controlador 150 opcional está presente y se ha determinado un tercer valor 146 de ganancia correspondiente en S2 como se explicó anteriormente, entonces el tercer controlador 150 aplica dicho tercer valor 146 de ganancia para generar señal(es) 152 de control para el sistema 103 de regulación de potencia de salida, por ejemplo, para aplicar restricciones adicionales en determinadas situaciones. Posteriormente, el método 200 vuelve a S1 como se explicó anteriormente.
En las realizaciones que comprenden la unidad 160 de diagnóstico adicional opcional, el valor 162 de diagnóstico adicional se puede usar en S1 del método 200 en lugar, o, además, del valor 132 de diagnóstico. Por lo tanto, en los casos en los que el sistema 102 de regulación del ángulo de cabeceo no funciona de manera óptima, es decir, con menos del 100 % de eficiencia operativa, el sistema 101 de regulación de flujo adaptable puede compensar esto de manera similar a la discutida anteriormente para el caso en el que el sistema 101 de regulación de flujo adaptable no está funcionando de manera óptima.
En general, la presente invención es capaz de garantizar un funcionamiento seguro y continuo de una turbina eólica en un caso en el que el sistema 101 de regulación de flujo adaptable o el sistema 102 de regulación de ángulo de cabeceo funcionan con una eficiencia inferior a la óptima, por ejemplo, debido a uno o más componentes defectuosos.
Debe indicarse que el término "que comprende" no excluye otros elementos o etapas, y el uso de los artículos "un" o "una" no excluye una pluralidad. Además, se pueden combinar elementos descritos en asociación con diferentes realizaciones. Se observa además que los signos de referencia en las reivindicaciones no deben interpretarse como limitantes del alcance de las reivindicaciones.

Claims (10)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Método para controlar una turbina eólica, comprendiendo la turbina eólica una pluralidad de palas de rotor, un primer controlador para controlar un sistema de regulación de flujo adaptable que tiene una pluralidad de dispositivos de regulación de flujo adaptable controlables individualmente dispuestos en las palas de rotor, y un segundo controlador para controlar un sistema de regulación de cabeceo para regular un ángulo de cabeceo de cada pala de rotor, comprendiendo el método
    determinar un valor de diagnóstico indicativo de una eficiencia operativa del sistema de regulación de flujo adaptable,
    determinar un primer valor de ganancia para el primer controlador y un segundo valor de ganancia para el segundo controlador en base al valor de diagnóstico,
    aplicar el primer valor de ganancia a señales de control para el sistema de regulación de flujo adaptable generado por el primer controlador, y
    aplicar el segundo valor de ganancia a señales de control para el sistema de regulación de cabeceo generado por el segundo controlador.
  2. 2. Método según la reivindicación anterior, en el que el primer valor de ganancia se establece en un primer valor de ganancia máxima y el segundo valor de ganancia se establece en un segundo valor de ganancia mínima cuando el valor de diagnóstico es igual a un valor de diagnóstico máximo, y en el que el primer el valor de ganancia se establece en un primer valor de ganancia mínimo y el segundo valor de ganancia se establece en un segundo valor de ganancia máximo cuando el valor de diagnóstico es igual a un valor de diagnóstico mínimo.
  3. 3. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el primer valor de ganancia disminuye y el segundo valor de ganancia aumenta cuando disminuye el valor de diagnóstico.
  4. 4. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el primer valor de ganancia aumenta y el segundo valor de ganancia disminuye cuando aumenta el valor de diagnóstico.
  5. 5. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la turbina eólica comprende además un tercer controlador para controlar un sistema de regulación de potencia de salida de la turbina eólica, comprendiendo además el método
    determinar un tercer valor de ganancia para el tercer controlador basado en el valor de diagnóstico, y
    aplicar el tercer valor de ganancia a una señal de control para el sistema de regulación de potencia de salida generada por el tercer controlador.
  6. 6. Método según la reivindicación anterior, en el que el tercer valor de ganancia se establece en un tercer valor de ganancia mínimo cuando el valor de diagnóstico es igual al valor de diagnóstico máximo, y en el que el tercer valor de ganancia se establece en un tercer valor de ganancia máximo cuando el valor de diagnóstico es igual al valor de diagnóstico mínimo.
  7. 7. Método según la reivindicación 5 o 6, en el que el tercer valor de ganancia aumenta cuando el valor de diagnóstico disminuye y/o en el que el tercer valor de ganancia disminuye cuando el valor de diagnóstico aumenta.
  8. 8. Método según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, en el que el valor de diagnóstico máximo corresponde al 100 % de eficiencia operativa del sistema de regulación de flujo adaptable, y en el que el valor de diagnóstico mínimo corresponde al 0 % de eficiencia operativa del sistema de regulación de flujo adaptable.
  9. 9. Método según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8, en el que el primer valor de ganancia máxima, el segundo valor de ganancia máxima y el tercer valor de ganancia máxima son iguales a uno, y en el que el primer valor de ganancia mínima, el segundo valor de ganancia mínima y el tercer valor de ganancia mínima son iguales a cero.
  10. 10. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además
    determinar un valor de diagnóstico adicional indicativo de una eficiencia operativa del sistema de regulación de cabeceo,
    en el que el primer valor de ganancia y el segundo valor de ganancia se basan además en el valor de diagnóstico adicional.
    Sistema de control para una turbina eólica, comprendiendo la turbina eólica una pluralidad de palas de rotor, un sistema de regulación de flujo adaptable que tiene una pluralidad de dispositivos de regulación de flujo adaptable controlables individualmente dispuestos en las palas de rotor, y un sistema de regulación de cabeceo para regular un ángulo de cabeceo de cada pala de rotor, comprendiendo el sistema de control un primer controlador para controlar el sistema de regulación de flujo adaptable,
    un segundo controlador para controlar el sistema de regulación de cabeceo,
    una unidad de diagnóstico para determinar un valor de diagnóstico indicativo de una eficiencia operativa del sistema de regulación de flujo adaptable, y
    una unidad de ganancia del controlador adaptada para determinar un primer valor de ganancia para el primer controlador y un segundo valor de ganancia para el segundo controlador en base al valor de diagnóstico, en el que el primer controlador está adaptado para aplicar el primer valor de ganancia a señales de control para el sistema de regulación de flujo adaptable, y
    en el que el segundo controlador está adaptado para aplicar el segundo valor de ganancia a señales de control para el sistema de regulación de cabeceo.
    Turbina eólica que comprende un sistema de control según la reivindicación anterior.
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