ES2937262T3 - Sistema de control dinámico de inclinación - Google Patents

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Abstract

La presente invención se refiere a un sistema de control de paso dinámico principalmente para palas de turbinas eólicas, cuyo sistema calcula la posición de paso de las palas de turbinas eólicas de forma independiente, cuyo sistema de control realiza la regulación por realimentación. El objeto de la solicitud de patente pendiente es realizar una regulación eficaz del paso y, por lo tanto, reducir el empuje sobre la torre y el rotor. Esto se puede lograr si el sistema realiza una regulación de avance del paso de las palas, basándose en la carga de la pala anterior en sustancialmente la misma posición. De este modo se puede lograr que la carga real sobre la pala anterior haya pasado la misma posición en relación con el viento que sopla alrededor de la turbina eólica. De este modo se puede lograr que los parámetros medidos se utilicen después de un breve retraso para realizar un ajuste muy preciso y altamente eficiente de la siguiente pala de turbina eólica que pasa por la misma posición. La regulación de avance se puede combinar con parámetros de control ya existentes para el control de paso de palas de aerogeneradores. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de control dinámico de inclinación
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un sistema de control dinámico de la inclinación (“pitch”) de las palas de un aerogenerador, que calcula la posición de inclinación de las palas del aerogenerador de forma independiente, y cuyo sistema de control realiza una regulación por retroalimentación basada en al menos algunos de los siguientes parámetros de entrada: algoritmo de control individual de la inclinación (IPC, por sus siglas en inglés) basado en la inclinación/viraje, desplazamiento de la inclinación, nivel de carga de cada pala, nivel de carga de la torre, producción de energía y velocidad del rotor.
Antecedentes de la invención
El documento WO 2013/182204 describe un método de operación de un aerogenerador. El aerogenerador comprende un rotor con al menos dos palas, cada una de las cuales tiene un ángulo de inclinación variable. El método comprende la determinación de las cargas mecánicas sobre las palas, la determinación de un momento de carga asimétrico experimentado por el rotor de la turbina basado en las cargas mecánicas sobre las palas, la determinación de armónicos de alto orden a partir del momento de carga asimétrico, y la determinación de una señal de control de inclinación individual para cada una de las palas para variar el ángulo de inclinación de cada pala para compensar el momento de carga asimétrico. La señal de control de inclinación individual para cada pala se determina al menos basándose en los armónicos de alto orden.
DE 102010027229 se refiere a un método para poner a disposición una señal de corrección del ángulo de ataque para una pala de rotor predeterminada de una pluralidad de palas de rotor de un aerogenerador. La señal de corrección del ángulo de ataque para modificar una señal se proporciona para controlar un ángulo de ataque individual de la pala del rotor. El método comprende los siguientes pasos: lectura de una señal de posición de la pala del rotor que representa una posición angular de la pala del rotor con respecto a un eje de rotación del rotor del aerogenerador y/o lectura de una velocidad de rotación de la pala del rotor con respecto al eje de rotación. El método comprende además una etapa de determinación de la señal de corrección del ángulo de ataque para la pala del rotor predeterminada del aerogenerador utilizando una correlación entre una posición angular y un factor de corrección del ángulo de ataque guardado en una memoria, representando la señal de corrección del ángulo de ataque el factor de corrección del ángulo de ataque que, cuando se utiliza, solicita la corrección de la señal para controlar el ángulo de ataque individual de la pala del rotor predeterminada, de modo que el impacto de un par de fuerza en la pala del rotor predeterminada coincida con el impacto de un par de fuerza en al menos otra pala del rotor de la turbina eólica; la determinación se lleva a cabo utilizando la señal de posición de la pala del rotor leída y/o la velocidad de rotación leída.
El documento WO2012/083958 describe un método de control de un aerogenerador que comprende palas unidas a un buje del rotor para girar en un plano del rotor y un sistema de control para la inclinación individual de las palas con respecto al buje. El método comprende dividir el plano del rotor en un número de sectores, determinar los sectores individuales para cada pala durante la rotación por medio de un sensor de ángulo de azimut, y obtener datos del sensor de pala a partir de un sensor de pala en una pala individual relativa a un sector, y comparar los datos obtenidos con datos relativos al mismo sector y que representan datos del sensor de pala en otras palas. Cuando se detecta un evento en un sector dado, se determina una contribución de inclinación individual en el sector, y las palas se inclinan de acuerdo con esta contribución de inclinación individual para ese sector dado al menos parcialmente durante el paso del sector.
Objetivo de la invención
El objetivo de la presente invención es llevar a cabo una regulación eficaz de la inclinación y reducir así el empuje sobre la torre y el rotor. Otro objeto de la invención es aumentar la producción de energía de un aerogenerador.
Descripción detallada de la invención
Esto se puede conseguir si el sistema regula la inclinación de las palas en función de la carga de las palas anteriores que se encuentran prácticamente en la misma posición. De este modo se consigue que la carga real de las palas anteriores haya pasado por la misma posición en relación con el viento que sopla alrededor del aerogenerador. De este modo se consigue que los parámetros medidos se utilicen después de un breve retardo para realizar un ajuste muy preciso y altamente eficaz de la siguiente pala del aerogenerador que pase por la misma posición. La regulación de alimentación directa (feed forward) se puede combinar con parámetros de control ya existentes para el control de inclinación de los aerogeneradores. De este modo, se pueden utilizar otros parámetros que representen la situación operativa real del aerogenerador, que sigue teniendo un efecto sobre la regulación de cada una de las palas. Todas las regulaciones comunes del sistema de control del aerogenerador pueden seguir teniendo una prioridad alta combinadas con la regulación de alimentación directa. Además, el algoritmo de avance puede utilizar un factor de escala para reducir la señal de alimentación directa. Mediante el uso de un factor de escala se consigue que también la regulación de inclinación tradicional, como la regulación de inclinación común y la regulación de la producción de potencia o las regulaciones de potencia externas, sigan teniendo influencia en la regulación de inclinación en la actividad de alimentación directa.
En una realización preferida de la invención, el algoritmo de alimentación directa puede utilizar la demanda de inclinación resultante de la pala precedente. De este modo puede conseguirse que su demanda, así como su carga real, se puedan utilizar como parámetros para la regulación de la alimentación directa.
En otra realización preferida de la invención, el algoritmo de alimentación directa puede utilizar un retardo variable para adaptar la posición acimutal del rotor y la dinámica del actuador de inclinación. De este modo se puede conseguir que la regulación de la alimentación directa se retrase correctamente, dependiendo de las diferentes velocidades del rotor que se utilizan en los aerogeneradores modernos, con el fin de utilizar el mayor rendimiento en la situación de viento dada.
En otra realización preferida de la invención, el servo de inclinación puede recibir información de al menos un sistema de control de inclinación colectivo, un sistema IPC y un sistema de control de inclinación cíclico para la regulación de la alimentación directa. De este modo, las señales de retroalimentación existentes se pueden combinar con la regulación de alimentación directa como se ha divulgado anteriormente.
La solicitud de patente pendiente divulga además un método para el control dinámico de la inclinación según lo divulgado previamente y modificado en los pasos siguientes de la operación,
a. introducción al sistema el nivel de carga real de cada pala,
b. introducción al sistema la producción de energía del aerogenerador,
c. la velocidad del rotor introducida en el sistema,
d. realizar una regulación basada en la entrada y realizar una regulación de alimentación directa de la inclinación de las palas del aerogenerador,
e. en función de la carga en una pala real y en la pala anterior en relación con la velocidad angular del rotor, realizar una regulación dinámica de la inclinación de la pala real.
De este modo se puede conseguir una regulación de la inclinación basada en una regulación por retroalimentación tradicional modificada por una regulación de alimentación directa.
La función del controlador superpondrá una referencia de inclinación a la referencia de inclinación existente. Esta referencia de inclinación adicional se basará en la señal de carga de cada pala, y no en los momentos de inclinación/viraje resultantes, como ocurre con los controladores actuales. Este algoritmo de control se denominará "alimentación directa de control de inclinación individual" o "alimentación de IPC".
El algoritmo existente de control individual del inclinación (IPC, por sus siglas en inglés) aplicado a un aerogenerador adopta la forma de control cíclico de la inclinación para controlar la carga estática de inclinación/viraje utilizando una sinusoide en la referencia de inclinación. El contenido 3p en la carga de inclinación/viraje estimada se elimina mediante filtrado para evitar la reacción a los efectos de sombra de la torre. Se trata de un algoritmo de eficacia probada para controlar la inclinación/viraje estático y la fatiga de las palas resultante. En gran medida, esto también reducirá las cargas extremas en las palas debido a la compensación del cizallamiento. En el caso de los rotores grandes, es un fenómeno diferente el que origina algunas de las cargas extremas de las palas.
Un gráfico representativo de este fenómeno es el que muestra el comportamiento de la carga de las palas y de la carga de inclinación en torno a la carga extrema de las palas. Cerca de la carga extrema de las palas, la inclinación está expuesta a una resonancia 3p que se acumula t = 90-100 s y se extingue cerca de t = 115 s. En este periodo, se producen varios picos de carga de las palas casi extremos. Como se indica en las señales de carga de las palas, la media entre las tres palas no está en un nivel severo, por lo que el limitador de empuje no reaccionará o lo hará sólo ligeramente.
La idea conceptual de este algoritmo de control de inclinación individual es aumentar el algoritmo IPC basado en inclinación/viraje con una compensación de inclinación basada en el nivel de carga actual de cada pala (control de retroalimentación). Como extensión natural de esta idea, el comportamiento de inclinación de la pala precedente se introducirá en el control de carga y en el control de alimentación directa. El concepto de control es un algoritmo de control de inclinación individual. A continuación se ofrece una breve descripción del algoritmo para una de las palas (existe el mismo algoritmo para cada pala).
El algoritmo IPC de alimentación directa calcula una demanda de inclinación que se sumará a la demanda de inclinación/viraje cíclico. Esta demanda de inclinación es la suma de una parte de retroalimentación y una parte de alimentación directa.
Parte de retroalimentación
La medición de la carga de las palas se hace pasar por un filtro de paso alto para eliminar el nivel medio de carga, que suele ser poco fiable. Se añade un compensador de avance para aumentar la reacción del controlador a señales dinámicas elevadas. Además, la ganancia del compensador de avance se programa en función del nivel de carga de las palas para limitar la actividad de inclinación.
Parte de alimentación directa
El algoritmo de alimentación directa utiliza la demanda de inclinación resultante de la pala precedente con un factor de escala, retardado de forma variable para adaptarse a la posición acimutal del rotor y a la dinámica del actuador de inclinación.
Descripción del dibujo
La Fig. 1 muestra un aerogenerador, y
La Fig. 2 muestra una posible integración conceptual de algoritmos IPC.
Descripción detallada de la invención
La Fig. 1 muestra un aerogenerador 4 que comprende una torre 6, una góndola 8, y un rotor con palas 12. Además, se indica un sistema de control de potencia e inclinación 14.
Mediante la presente invención es posible reducir el empuje máximo, tanto en la torre 6 como en las palas 12. La ventaja de la presente invención es que se puede realizar esta reducción del empuje, y tal vez aumentar la producción de energía.
La Fig. 2 muestra una posible integración conceptual de algoritmos IPC. La figura muestra el punto de integración de las desviaciones de inclinación y, por tanto, las señales correspondientes. Los dos conjuntos de vectores se denominan IPCA e IPCB para los dos algoritmos IPC.
A continuación se describen los problemas y retos que plantea la superposición de las referencias de inclinación individuales con un desplazamiento de inclinación. Los problemas de integración son de carácter general para muchos algoritmos IPC. Es preferible evitar el acoplamiento cruzado con el control de inclinación colectivo (control de velocidad).
Una contribución a la referencia del ángulo de inclinación puede perturbar el control colectivo de la inclinación (es decir, el control de la velocidad). Otros tipos de algoritmos IPC, como el actual control cíclico de la inclinación, han garantizado una media = 0 en las tres palas en todo momento, con lo que se reduce el riesgo de perturbar el control colectivo de la inclinación. El IPC no está diseñado para garantizar que la media = 0 en las tres palas, por lo que puede haber una perturbación del control de velocidad. Sin embargo, el iPc está diseñado para reaccionar únicamente a los cambios en la carga de las palas, es decir, no al nivel medio, por lo que se espera que la media = 0 para cada pala a lo largo del tiempo. Para que el control colectivo de inclinación se vea influido por el IPC, las condiciones externas deben ser tales que las tres palas estén expuestas al mismo cambio de carga, por ejemplo, una ráfaga coherente que haga que el IPC de todas las palas sea positivo. Es importante tener en cuenta que el IPC descargará las palas en una situación de este tipo y, por lo tanto, ayudará a controlar la velocidad.
El IPC está pensado para coexistir con el control cíclico de inclinación existente. En resumen, las diferencias entre los dos algoritmos es que el control de inclinación cíclico intenta minimizar las cargas de inclinación/viraje de la góndola mediante la compensación de inclinación cíclica de las tres palas, mientras que el IPC intenta minimizar las variaciones de carga en el sistema de coordenadas local de las palas mediante los algoritmos de alimentación directa y retroalimentación descritos anteriormente. No hay nada añadido específicamente al diseño de IPC que elimine las interferencias no deseadas entre el IPC y el control cíclico de inclinación.
Otra opción para minimizar el riesgo de efectos de acoplamiento cruzado entre los dos controladores es simplemente incluir un filtro en la medición de la carga de las palas. La motivación para ello es que las cargas 1p son cargas estáticas de inclinación/viraje que son el ámbito del control cíclico de la inclinación. Sin embargo, dicha solución no se incluye en el diseño ya que introduce un retardo de fase en el tiempo de respuesta del IPC para todas las frecuencias dentro del rango en el que debe reaccionar. De este modo, la capacidad de soportar cargas extremas se puede ver comprometida.
Evitar la inclinación resultante de la entrada con estancamiento
El control colectivo de la inclinación tiene cierto nivel de protección contra la entrada en pérdida de la inclinación de las palas mediante la restricción de la inclinación mínima. El diseño del IPC tiene cierto nivel de protección contra la entrada en pérdida, ya que no se le permite ir por debajo de una contribución mínima, por ejemplo, 0:5deg. Una vez más, el IPC reacciona sólo a los cambios que eliminan un funcionamiento estático en pérdida debido al IPC
Lista de números de referencia
4 aerogenerador
torre
góndola
palas
sistema de control de potencia e inclinación

Claims (4)

REIVINDICACIONES
1. Sistema (14) adaptado para el control dinámico de la inclinación principalmente de las palas (12) del aerogenerador, cuyo sistema (14) está configurado para calcular la posición de avance del ángulo de inclinación de las palas (12) del aerogenerador de forma independiente, cuyo sistema de control (14) está configurado para realizar una regulación por retroalimentación de la regulación de inclinación de cada pala (12) de forma independiente, basándose en al menos los siguientes parámetros de entrada:
nivel de carga en cada pala (12)
producción de energía del aerogenerador (4), velocidad del rotor,
alimentación directa de la acción de control desde el controlador de la pala precedente (12),
caracterizado porque el sistema (14) está configurado además para realizar una regulación de alimentación directa de la inclinación de las palas del aerogenerador (12) en función de la carga en la pala y la pala anterior en relación con la velocidad angular del rotor, donde el algoritmo de regulación de alimentación directa utiliza un factor de escala para ampliar el algoritmo de regulación de alimentación directa en función del funcionamiento del aerogenerador (4).
2. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el algoritmo de regulación de alimentación directa utiliza el ángulo de inclinación resultante de al menos el álabe precedente (12).
3. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que el algoritmo de regulación de alimentación directa utiliza un retardo variable basado en la medición de la velocidad angular del rotor.
4. Método para el control dinámico de la inclinación en un sistema para el control dinámico de la inclinación de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por los siguientes pasos de funcionamiento:
a. entrada del nivel de carga real en cada pala (12) al sistema (14),
b. introducir la producción de potencia del aerogenerador (4) en el sistema (14),
c. introducir la velocidad del rotor en el sistema (14),
d. realizar una regulación basada en la entrada y en la alimentación directa de la inclinación de las palas del aerogenerador (12),
e. en función de la carga en una pala real (12) y en la pala anterior (12) en relación con la velocidad angular del rotor realizar la regulación dinámica de la inclinación de la pala real (12).
ES15728399T 2014-06-20 2015-06-08 Sistema de control dinámico de inclinación Active ES2937262T3 (es)

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