ES2937043T3 - Procedimiento para controlar una turbina eólica al producirse un cambio del valor nominal de potencia - Google Patents

Procedimiento para controlar una turbina eólica al producirse un cambio del valor nominal de potencia Download PDF

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Abstract

Procedimiento para el control de un aerogenerador, que dispone de una torre y un motor equipado con al menos una pala de rotor cuyo ángulo de paso de pala es regulable, cuando se produce un cambio de consigna de potencia, produciéndose el cambio de consigna de potencia en un tiempo predeterminado. intervalo de tiempo y mediante el control de uno o más parámetros operativos que determinan la potencia, caracterizado por los siguientes pasos del método: - Se especifica una función de tiempo parametrizada de la deflexión de la torre para el intervalo de tiempo predeterminado, con una serie de condiciones límite que se especifican para el tiempo parametrizado función de la flecha de la torre,- se determina un empuje del rotor sobre la torre de la turbina eólica para la función de tiempo parametrizada de la desviación de la torre y - a partir del empuje del rotor se calcula una función para controlar el parámetro de funcionamiento o los parámetros de funcionamiento. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento para controlar una turbina eólica al producirse un cambio del valor nominal de potencia
La presente invención se refiere a un procedimiento para controlar una turbina eólica al producirse un cambio en el valor nominal de potencia. Un cambio en el valor nominal de potencia puede producirse por varias razones, por ejemplo, el cambio en el valor nominal de potencia puede especificarse externamente o puede obedecer al funcionamiento de la propia turbina eólica. Se toman en consideración los cambios de valor nominal de potencia en los debe alcanzarse un valor nominal de potencia modificado dentro de un intervalo de tiempo predeterminado.
Un planteamiento sencillo para implementar un cambio en la potencia de la turbina eólica consiste en acercarse a un nuevo valor nominal de potencia con una rampa que presente una subida constante o una caída constante dentro del intervalo de tiempo predeterminado cambiando uno o más parámetros de funcionamiento. En este sentido, deben distinguirse dos tipos diferentes de casos: En un primer caso, el valor real de potencia se regula a través del parámetro o los parámetros de funcionamiento de tal manera que el valor real de potencia se regula de forma lineal a lo largo de una rampa al nuevo valor nominal de potencia. Esto se corresponde con una regulación en forma de rampa del valor real de potencia. Alternativamente, también es posible determinar el parámetro o parámetros de funcionamiento que se correspondan con el nuevo valor nominal de potencia. Para alcanzar el nuevo valor nominal de potencia, los parámetros de funcionamiento actuales pueden ajustarse, por ejemplo, linealmente, dentro del intervalo de tiempo predeterminado, a los nuevos valores de los parámetros de funcionamiento para el valor nominal de potencia modificado. Este cambio en los parámetros de funcionamiento no conduce necesariamente a un cambio lineal del valor nominal de potencia, ya que las relaciones entre los parámetros de funcionamiento y el valor nominal de potencia también pueden ser no lineales.
Por el documento WO 2016/198077 A1 se conoce un sistema de control para una turbina eólica que presenta un limitador de cambio de rampa que limita la tasa de cambio en función de la diferencia de potencia entre el valor nominal de potencia y una potencia eólica disponible estimada.
Por el documento WO 2017/190744 A1 se conoce un control para una turbina eólica que usa control predicativo en caso de un fallo de red con baja tensión.
Por el documento EP 3165765 A1 se conoce un procedimiento y un sistema de control para controlar un ángulo de inclinación de una pala de rotor, en el que se especifica una velocidad nominal dependiente del tiempo como una variable de referencia de un controlador de velocidad de la turbina eólica durante una operación de frenado, regulándose la velocidad del rotor de una turbina eólica por medio de un regulador de velocidad que cambia el ángulo de inclinación de la pala del rotor para regular la velocidad.
Por el documento WO 2015/078478 A1, se conoce un procedimiento de control en el que se determina un valor nominal para un ángulo de ajuste de pala a través del control de avance.
Por el documento WO 2016/138906 A1 se conoce un procedimiento para una turbina eólica en el que se mantiene la capacidad de control de la turbina eólica para un modo de baja energía.
El documento WO 2016/198076 A1 describe un sistema de control para una turbina eólica en el que el ángulo de ajuste de pala se cambia en función de una potencia requerida.
Por el documento EP 2 224 129 B1 se conoce un procedimiento de control para una turbina eólica con el que se pueden amortiguar vibraciones. Para ello, partiendo de un par inicial, se determina una variación máxima del par.
Por el documento EP 3156646 B1, se conoce una turbina eólica que dispone de prealimentación con un sistema de regulación inverso. El sistema de regulación inverso determina un par de potencia a partir del valor nominal de velocidad y el valor nominal de potencia, así como un par de aceleración a partir del cambio temporal del valor nominal de velocidad.
Por el documento DE 102016212362 A1, se conoce un control multivariable de prealimentación basado en lidar. En este sentido, se utiliza un regulador de prealimentación basado en la planitud para diseñar trayectorias de la velocidad de las palas de rotor y del movimiento de la torre durante el funcionamiento en función de la previsión de la velocidad del viento y teniendo en cuenta las limitaciones del sistema con ayuda de un modelo de turbina eólica inverso.
La invención se basa en el objetivo de proporcionar un procedimiento para una turbina eólica que, en caso de cambio de un valor de potencia nominal para la turbina eólica, implemente el cambio de forma fiable utilizando medios sencillos.
De acuerdo con la invención, el objetivo se consigue mediante un procedimiento con las características de la reivindicación 1. Configuraciones ventajosas constituyen el objeto de las reivindicaciones dependientes.
El procedimiento de acuerdo con la invención está previsto y destinado a controlar una turbina eólica cuando se produce un cambio de valor nominal de potencia para la potencia que ha de ser alimentada por la turbina eólica, debiendo producirse el cambio de valor nominal de potencia dentro de un intervalo de tiempo predeterminado. La duración del intervalo de tiempo puede ser especificada, por ejemplo, externamente por una empresa de suministro de energía o puede seleccionarse libremente. La turbina eólica presenta una torre con un rotor en el que está prevista al menos una pala de rotor para el accionamiento del rotor. Uno o varios parámetros de funcionamiento que determinan la potencia que debe ser alimenta por la turbina eólica se controlan en respuesta a la modificación prevista del valor nominal de potencia para el intervalo de tiempo predeterminado. A partir de la fuerza de empuje del rotor, se calcula una función para el control del parámetro o parámetros de funcionamiento. La función para controlar el parámetro o parámetros de funcionamiento indica de forma adecuada el curso temporal del parámetro o parámetros de funcionamiento para alcanzar el valor nominal de potencia modificado en el intervalo de tiempo predeterminado. El valor nominal de potencia modificado puede representar en este sentido un aumento o una reducción del valor nominal de potencia. La función para el control describe cómo la turbina eólica puede alcanzar el valor nominal de potencia modificado con ayuda del parámetro o parámetros de funcionamiento. En el procedimiento de acuerdo con la invención se determina en primer lugar una fuerza de empuje del rotor sobre la masa de la turbina eólica con torre y góndola. La fuerza de empuje que actúa en este sentido a través de la fuerza absorbida del viento sobre la masa con capacidad oscilante de la turbina eólica, que también se conoce de manera abreviada como cabeza de torre. A partir de la fuerza de empuje determinada del rotor sobre la cabeza de torre de la turbina eólica se determina la función de control para el parámetro o parámetros de funcionamiento que se han de controlar. Al determinar la fuerza de empuje, a partir de las condiciones de funcionamiento actuales de la turbina eólica, puede representarse correspondientemente la fuerza de empuje efectiva del rotor. Entre las posibles funciones, se selecciona una función técnicamente posible que conduzca a una fuerza de empuje del rotor que se puede representar en la turbina eólica con los parámetros de funcionamiento. En otra etapa del procedimiento de acuerdo con la invención, se determina a continuación la función para el control del parámetro o parámetros de funcionamiento para el desarrollo de la fuerza de empuje. El curso de movimiento de la torre de la turbina eólica se contempla como una curva de oscilación, aunque esta no tiene por qué ser una oscilación periódica o armónica. Por el contrario, la curva de oscilación también puede corresponderse con un movimiento de la torre hacia una nueva posición que resulta de la fuerza de empuje del rotor para el valor nominal de potencia modificado.
El curso temporal de movimiento de la torre o de la cabeza de torre se especifica mediante una función de tiempo parametrizada de la desviación de torre de tal resulta una carga reducida para la torre de la turbina eólica. La idea central del procedimiento de acuerdo con la invención es establecer el cambio en los parámetros de funcionamiento sobre la base de la función de tiempo parametrizada de la desviación de torre para el cual se produzca una carga reducida para la turbina eólica. El núcleo de la reflexión es, en este sentido, que, debido a un comportamiento no lineal en un sistema oscilante, como la torre de una turbina eólica, el cambio en el parámetro de funcionamiento o los parámetros de funcionamiento puede tener diferentes efectos y puede adaptarse al sistema no lineal a través de la función de tiempo parametrizada predefinida de la desviación de torre. La función de tiempo parametrizada de la desviación de torre está determinada por una serie de condiciones marco. Las condiciones marco comprenden, por ejemplo, los valores de la función de tiempo parametrizada de la desviación de torre en un punto inicial y en un punto final de tiempo o la velocidad de la desviación de torre en ese momento.
En un diseño preferente del procedimiento de acuerdo con la invención, un ángulo de ajuste de pala de al menos una pala de rotor de la turbina eólica constituye el parámetro de funcionamiento que se ha de controlar. Es bien conocido controlar el valor nominal de potencia para una turbina eólica cambiando el ángulo de ajuste de pala. Con un cambio del ángulo de ajuste de pala, la potencia absorbida del viento cambia, al igual que la fuerza de empuje del rotor que actúa sobre la pala de rotor y, por lo tanto, también sobre la torre de la turbina eólica. A este respecto, existe una relación clara entre el ángulo de ajuste de pala y la fuerza de empuje del rotor, que puede utilizarse para convertir la fuerza de empuje del rotor determinada para la función de tiempo parametrizada de la desviación de torre en el control de los parámetros de funcionamiento.
En un perfeccionamiento preferente del procedimiento de acuerdo con la invención, la función de tiempo parametrizada de la desviación de torre describe una o varias constantes específicas de la torre como, por ejemplo, la primera frecuencia propia, la constante de amortiguación de la vibración de la torre y/o también las dimensiones geométricas de la torre. Por regla general, el intervalo de tiempo predeterminado en el que debe implementarse el cambio del valor nominal de potencia determina la rapidez o la lentitud con la que debe cambiarse el valor nominal de potencia. Correspondientemente, la función parametrizada es también una función de tiempo, pudiendo extenderse esta durante un período de tiempo más largo o más corto que el intervalo de tiempo predeterminado.
En un diseño preferente, la función de tiempo parametrizada de la desviación de torre cumple las condiciones marco que caracterizan el movimiento de la torre. Al determinar la función de tiempo deseada, los parámetros se definen por las condiciones marco, de modo que la función de tiempo parametrizada describe una curva de movimiento clara para la torre a través de la aplicación de las condiciones marco. El número de las posibles condiciones marco depende del número de parámetros en la función de tiempo parametrizada para la desviación de torre y de la relación entre la fuerza de empuje y la desviación de la torre. Si se parte como relación de una ecuación diferencial de segundo orden, entonces ya son necesarias dos condiciones marco para una solución unívoca de la ecuación diferencial.
Una posible clase de funciones de tiempo parametrizadas consiste, por ejemplo, en funciones compuestas que tienen una parte linealmente creciente y una parte oscilatoria. Ambas partes están parametrizadas propiamente y también pueden ponderarse adecuadamente entre sí para garantizar que la carga para la torre sea la mínima posible.
En un perfeccionamiento preferente del procedimiento de acuerdo con la invención, la función de tiempo parametrizada describe una o varias constantes específicas de la torre como, por ejemplo, la primera frecuencia propia, la constante de amortiguación de la vibración de la torre y/o también las dimensiones geométricas de la torre. Como condición marco, se ha puesto de manifiesto que es particularmente ventajoso limitar la desviación máxima de la torre y preferentemente permitir que oscile solo hasta su posición final. Como ya se ha mencionado, el término "vibración de torre" no significa en este caso necesariamente que haya una vibración periódica u armónica. De vibración de torre se habla ya cuando la torre de la turbina eólica cambia de posición con el tiempo. La desviación máxima es una medida posible de la carga en la torre debido al cambio de potencia.
Una constante específica de la torre que tiene un significado especial en la clase de funciones de tiempo parametrizadas es la primera frecuencia propia de la torre. Con la primera frecuencia propia de la torre se considera directamente un parámetro que describe el comportamiento vibratorio de la torre y que, además, afecta a la curva temporal durante el control de los parámetros de funcionamiento. Adicionalmente, la amortiguación de la torre también se puede incluir en las funciones de tiempo parametrizadas.
El procedimiento de acuerdo con la invención se describe con más detalle a continuación. En este sentido, muestran:
la Figura 1 el desarrollo temporal de la desviación de torre con diferentes curvas de fuerza aplicadas, y
la Figura 2 otro ejemplo de la desviación de la torre a lo largo del tiempo con una curva de fuerza no lineal.
La idea central del procedimiento de acuerdo con la invención es definir la función de tiempo parametrizada L(t) que determine un cambio en los parámetros de funcionamiento. Para el cambio de los parámetros de funcionamiento, se calcula la fuerza de empuje que actúa sobre la torre de la turbina eólica a lo largo del tiempo. A continuación, la vibración de la torre se puede determinar con la ayuda de las condiciones iniciales a partir de la curva temporal de la fuerza y con el conocimiento de la ecuación de vibración para la torre de la turbina eólica. La curva de vibración de la torre determina a este respecto la carga mecánica sobre la torre.
Básicamente, tales problemas se pueden formular matemáticamente de diferentes maneras. Para una buena comprensión, en este caso se utiliza la ecuación diferencial para la desviación de la torre. Se trata de la ecuación diferencial de segundo orden para una oscilación armónica amortiguada con una excitación marcada. Sea L(t) una función de tiempo que describe la desviación de torre, y sea F(t) una función de tiempo que describe la fuerza sobre la cabeza de la torre. Partiendo de condiciones iniciales definidas para t = 0, como, por ejemplo, L(0) =L (0) = 0, el comportamiento de la vibración de la torre en el tiempo se puede describir mediante las siguientes ecuaciones diferenciales:
2D . L
L +----- L +— j = F.
Para simplificar, la constante de resorte de la torre se ha establecido en este caso en uno, de tal modo que la vibración es determinada por la frecuencia propia de la torre. mt y la amortiguación D de la vibración de la torre.
Las condiciones secundarias indican en este sentido que la torre está en reposo al comienzo de la observación (t = 0) y no tiene ninguna velocidad inicial. Por supuesto, también podría seleccionarse una posición inicial que se corresponda con la posición y velocidad actuales de la torre. La función de tiempo L(t), que describe la desviación de torre, se usa en la ecuación diferencial y, por lo tanto, especifica la función de fuerza F(t).
Para aclarar la relación entre la desviación de la torre en la función de tiempo y fuerza, se expondrá esto con una solución de la ecuación diferencial. Se asume que la siguiente función de tiempo parametrizada es ventajosa para la desviación de torre:
L e í2 n ,
L = — t — b * sen ( — t ) ,
Te \Te h
donde Le es en este caso la posición final de la desviación de la torre en el tiempo t = Te. Te describe en este caso la duración del intervalo de tiempo predeterminado en el que debe tener lugar el cambio en el valor nominal de potencia; b es un parámetro que pondera la parte oscilatoria de la función de tiempo. La primera derivada de la función de tiempo L(t) es:
Figure imgf000005_0001
La segunda derivada de la función de tiempo L(t) es:
Figure imgf000005_0002
Considerando la condición marco L(Te) = Le, según la cual en el tiempo final Te la desviación de la torre ha alcanzado su posición final Le, resulta la siguiente condición para el parámetro b:
Figure imgf000005_0003
Con este valor de b, la primera derivada también es 0 en el punto inicial y final, por lo que la cabeza de la torre está en reposo al principio (t=0) y al final (t= Te) con una velocidad de cero.
Ahora deben distinguirse dos casos para la curva de fuerza. El primer caso es cuando se selecciona el período de tiempo Te para = ~ . Con el valor del parámetro Te = (~ ~ ) = ~ , utilizado en la ecuación anterior, resulta la siguiente curva de fuerza F(t):
Figure imgf000005_0004
Sin embargo, esta ecuación solo es cierta si
Figure imgf000005_0005
El segundo caso es cuando Te se define independientemente de la frecuencia propia de la torre wr, por ejemplo, mediante requisitos de red u otras especificaciones. En este caso, en general se cumple lo siguiente:
Figure imgf000005_0006
Esta curva de fuerza en la turbina eólica conduce a la desviación de torre, que se puede describir con la función de tiempo L(t).
Si se parte de una amortiguación de torre D = 3 x 10-3y Te = 2n/wr, entonces se puede despreciar el término oscilante y hay un aumento aproximadamente lineal de la fuerza de rampa. La línea 10 de la figura 1 muestra la curva de fuerza en el tiempo, mientras que la línea discontinua 12 muestra la desviación de torre en el tiempo. La línea 14 muestra la velocidad a la que se mueve la torre.
La figura 2 muestra el comportamiento de la torre con amortiguación de torre D = 2 x 10-1 y Te < 2n/wr. Esta amortiguación significativamente mayor de la torre y el tiempo más corto Te hacen que el término coseno y el término seno entren en juego en el término F(t), por lo que la torre oscila. La figura 2 muestra para la desviación de torre 18 representada por líneas discontinuas que la fuerza 20 que actúa sobre la torre no aumenta linealmente, sino que cambia de manera oscilatoria. También se puede ver claramente que en este caso está presente un perfil de velocidad 22 diferente. Cabe señalar que el tiempo de finalización especificado en la figura 2 debe alcanzarse antes que en la figura 1, es decir, que el período Te se ha elegido más corto.
La relación entre el ángulo de ajuste de pala como parámetro de funcionamiento y la fuerza de empuje del rotor sobre la torre Fs de la turbina eólica viene dada por la siguiente ecuación:
Fs = ct(tono, TSR) * 0,5 * A * rho * v2,
donde A es el área del rotor, v es la velocidad del viento, pitch es el ángulo de ajuste de pala, TSR es la relación de velocidad y rho, la densidad. En este sentido, ct designa el coeficiente de empuje que resulta en función del ángulo de ajuste de pala y la relación de velocidad TSR.
A partir de la ecuación anterior, se puede determinar la relación entre el cambio en el parámetro de funcionamiento como, por ejemplo, el ángulo de ajuste de pala pitch, y la fuerza de empuje del rotor sobre la torre Fs. Por supuesto, esta relación también se puede usar en la dirección opuesta si, por ejemplo, se presenta una curva de fuerza para la torre preferentemente en relación con el tiempo. A partir de esto, se puede calcular a qué relación de velocidad TSR y qué ángulo de ajuste de pala pitch debe especificarse en la turbina eólica para lograr la curva deseada de fuerza relacionada con el tiempo.
Lista de referencias
10 Curva de fuerza lineal
12 Desviación de la torre
14 Velocidad
18 Desviación de la torre
20 Curva de fuerza
22 Velocidad

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para controlar una turbina eólica, que presenta una torre y un rotor equipado con al menos una pala de rotor regulable en su ángulo de ajuste de pala, cuando hay un cambio de un valor nominal de potencia, efectuándose el cambio en el valor nominal de potencia en un intervalo de tiempo predeterminado (Te) y mediante el control de uno o varios parámetros de funcionamiento que determinan una potencia que ha de ser alimentada por la turbina eólica, caracterizado por las siguientes etapas de procedimiento:
- se establece una función de tiempo parametrizada de la desviación de torre (12, 18) para el intervalo de tiempo predeterminado (Te), estableciéndose una serie de condiciones marco para la función de tiempo parametrizada de la desviación de torre (12, 18),
- se determina una fuerza de empuje del rotor (10, 20) sobre la torre de la turbina eólica para la función de tiempo parametrizada de la desviación de torre (12, 18) y
- a partir de la fuerza de empuje del rotor (10, 20), se calcula una función para el control del parámetro o parámetros de funcionamiento.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que el cambio del ángulo de ajuste de pala de al menos una pala de rotor constituye la función para el control del parámetro de funcionamiento.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que la función de tiempo parametrizada de la desviación de torre (12, 18) presenta una o varias constantes (wr) específicas de la torre.
4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que la función de tiempo parametrizada de la desviación de torre (12, 18) cumple unas condiciones marco, según las cuales la primera y la segunda derivada de la función de tiempo parametrizada de la desviación de torre (12, 18) desaparecen cuando se alcanza el nuevo valor nominal de potencia.
5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado por que la función de tiempo parametrizada de la desviación de torre (12, 18) presenta una componente creciente de manera lineal y una componente oscilatoria.
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que la función de tiempo parametrizada de la desviación de torre (12, 18) presenta una desviación máxima de torre que no sobrepasa la desviación de torre en la posición final.
7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que la función de tiempo parametrizada de la desviación de torre (12, 18) no supera una variación máxima del valor nominal de potencia en un intervalo de tiempo predeterminado.
ES19165511T 2019-03-27 2019-03-27 Procedimiento para controlar una turbina eólica al producirse un cambio del valor nominal de potencia Active ES2937043T3 (es)

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