ES2941726T3

ES2941726T3 - Control predictivo de velocidad de un sistema de paso hidráulico

Info

Publication number: ES2941726T3
Application number: ES19731144T
Authority: ES
Inventors: Christian Jeppesen; Fabio Caponetti
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2019-06-07
Publication date: 2023-05-25
Anticipated expiration: 2039-06-07
Also published as: EP3803110A1; US11530683B2; EP3803110B1; WO2019238187A1; US20210246872A1; CN112384694A

Abstract

Las realizaciones de este documento describen un sistema de paso hidráulico donde una velocidad (por ejemplo, la velocidad de un cilindro hidráulico o el vástago del pistón en el cilindro) se alimenta hacia adelante y se combina con un ajuste emitido por un controlador de paso. La velocidad del cilindro hidráulico se deriva del ángulo de paso de referencia o de una señal de paso continua (p. ej., un paso cíclico o una rampa) en el sistema de control. En cualquier caso, la velocidad puede determinarse monitoreando el cambio en el ángulo de paso de referencia o la señal de paso continuo. Utilizando un control de ganancia, la velocidad se convierte en un ajuste de posición del sistema de paso hidráulico (p. ej., un ajuste de carrete en una válvula) que se combina con otro ajuste de posición generado por el controlador de paso. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Control predictivo de velocidad de un sistema de paso hidráulico

Antecedentes

Campo de la invención

Las realizaciones presentadas en esta descripción se refieren de manera general a la predicción de una velocidad asociada con un cilindro hidráulico cuando se controla un sistema de paso hidráulico que establece un ángulo de paso de una pala de aerogenerador.

Descripción de la técnica relacionada

Muchos aerogeneradores usan un sistema de paso hidráulico para controlar los ángulos de paso de las palas de rotor con el fin de optimizar la producción de energía eólica y asegurar que las palas de rotor no están sometidas a cargas extremas durante vientos fuertes. Cada pala tiene una disposición de paso que incluye un cojinete de paso entre un buje de rotor y la pala, y un mecanismo de paso en forma de un actuador hidráulico que proporciona fuerza para inclinar la pala y mantenerla en una posición dada. Este actuador hidráulico se alimenta típicamente por una bomba hidráulica y una válvula hidráulica.

El artículo “Modeling and loading compensation of a rotary valve-controlled pitch system for wind turbines”, de YIN XIU-XING et al, JOURNAL OF ZHEJIANG UNIVERSITY SCIENCE A, ZHEJIANG UNIV PRESS, CN, vol. 18, n° 9.

8.09.2017, páginas 718-727, XP036314592, es un ejemplo de control de un actuador de paso hidráulico.

Compendio

Una realización de la presente descripción es un método según la reivindicación 1 para controlar un paso de una pala en un aerogenerador. El método incluye recibir un ángulo de paso de referencia, comparar al menos uno del ángulo de paso de referencia y una señal derivada del mismo con un ajuste real del aerogenerador para emitir una señal de error de paso y generar, en base a la señal de error de paso, un primer ajuste para un cilindro hidráulico, donde el cilindro hidráulico control el paso de la pala. El método incluye además generar un segundo ajuste para el cilindro hidráulico usando un camino predictivo donde el segundo ajuste se basa en una velocidad del cilindro hidráulico, combinar el primer y segundo ajustes para emitir un ajuste combinado y controlar el cilindro hidráulico en base al ajuste combinado.

Otra realización descrita en la presente memoria es un sistema de control según la reivindicación 5 para controlar un paso de una pala en un aerogenerador. El sistema de control incluye un cilindro hidráulico configurado para controlar el paso de la pala, un primer módulo sumatorio configurado para comparar al menos uno de un ángulo de paso de referencia y una señal derivada del mismo con un ajuste real del aerogenerador para emitir una señal de error de paso, un controlador de paso configurado para generar, en base a la señal de error de paso, un primer ajuste para el cilindro hidráulico, un camino predictivo configurado para generar un segundo ajuste para el cilindro hidráulico donde el segundo ajuste se basa en una velocidad del cilindro hidráulico. El sistema de control incluye además un segundo módulo sumatorio configurado para combinar el primer y segundo ajustes para emitir un ajuste combinado y unos controles hidráulicos configurados para controlar el cilindro hidráulico en base al ajuste combinado.

Otra realización descrita en la presente memoria es un medio de almacenamiento legible por ordenador según la reivindicación 9 que almacena instrucciones, que, cuando se ejecutan en un procesador, realizan una operación para controlar un paso de una pala en un aerogenerador, la operación incluye recibir un ángulo de paso de referencia, comparar al menos uno del ángulo de paso de referencia y una señal derivada del mismo con un ajuste real del aerogenerador para emitir una señal de error de paso, y generar, en base a la señal de error de paso, un primer ajuste para un cilindro hidráulico, donde el cilindro hidráulico controla el paso de la pala. La operación incluye también generar un segundo ajuste para el cilindro hidráulico usando un camino predictivo donde el segundo ajuste se basa en una velocidad del cilindro hidráulico, combinar el primer y segundo ajustes para emitir un ajuste combinado y controlar el cilindro hidráulico en base al ajuste combinado.

Breve descripción de los dibujos

Como la manera en que las características citadas anteriormente de la presente descripción se puedan comprender en detalle, se puede tener una descripción más particular de la descripción, resumida brevemente anteriormente, con referencia a las realizaciones, algunas de las cuales se ilustran en los dibujos adjuntos. Se ha de indicar, no obstante, que los dibujos adjuntos solamente ilustran realizaciones típicas de esta descripción y por lo tanto no se han de considerar limitantes de su alcance, ya que la descripción puede admitir otras realizaciones igualmente efectivas.

La Figura 1 ilustra una vista esquemática de un aerogenerador, según una realización descrita en esta presente descripción.

La Figura 2 ilustra una vista esquemática de los componentes internos de la góndola y torre de un aerogenerador, según una realización descrita en esta presente descripción.

La Figura 3 ilustra un diagrama de un sistema de paso hidráulico, según una realización descrita en esta presente descripción.

La Figura 4 es un diagrama de flujo para controlar un sistema de paso hidráulico usando una velocidad de referencia predictiva, según una realización descrita en esta presente descripción.

La Figura 5 ilustra un sistema de control para controlar un sistema de paso hidráulico usando una velocidad predictiva, según una realización descrita en esta presente descripción.

La Figura 6 ilustra un sistema de control para controlar un sistema de paso hidráulico usando una velocidad predictiva, según una realización descrita en esta presente descripción.

La Figura 7 ilustra un sistema de control con control de ganancia activo en el camino predictivo, según una realización descrita en esta presente descripción.

La Figura 8 ilustra un sistema de control con control de ganancia activo en el camino predictivo, según una realización descrita en esta presente descripción.

Para facilitar la comprensión, se han usado números de referencia idénticos, donde sea posible, para designar elementos idénticos que son comunes a las figuras. Se contempla que los elementos descritos en una realización se puedan utilizar beneficiosamente en otras realizaciones sin una cita específica.

Descripción de las realizaciones ejemplares

Las realizaciones en la presente memoria describen un sistema de paso hidráulico donde una velocidad (por ejemplo, la velocidad de referencia de un cilindro hidráulico o la barra de pistón en el cilindro) se predice y combina con un ajuste emitido por un controlador de paso. Establecer el camino predictivo puede reducir el ancho de banda usado en un bucle de realimentación donde un valor medido (por ejemplo, un valor real) correspondiente al ángulo de paso se usa para generar una señal de error de paso. En una realización, el aerogenerador incluye un sensor de paso directamente en la barra de pala que proporciona una medida más precisa del ángulo de paso en relación con estimar el ángulo de paso usando sensores en el sistema de paso hidráulico. Aunque el ángulo de paso es más preciso, situar un sensor en la pala introduce dinámicas estructurales que aumentan el ancho de banda usado en el bucle de realimentación. No obstante, predecir la velocidad de referencia reduce el ancho de banda en el bucle de realimentación y mitiga cualquier impacto negativo causado por las dinámicas estructurales. Como resultado, el sistema de control de aerogenerador puede reaccionar más rápido a cambios en el entorno (por ejemplo, cambios en la velocidad del viento) y cambios en las señales de control (por ejemplo, cambios en una señal de referencia de paso de pala).

La velocidad de referencia del cilindro hidráulico (u otro tipo de actuador hidráulico) se puede derivar del ángulo de paso de referencia o una señal de paso continua (por ejemplo, una relación de rampa o paso cíclico) en el sistema de control. En cualquier caso, la velocidad de referencia se puede determinar monitorizando el cambio en el ángulo de paso de referencia o la señal de paso continua. Usando un control de ganancia, la velocidad se convierte en un ajuste de posición del sistema de paso hidráulico (por ejemplo, un ajuste de carrete en una válvula) que se combina con otro ajuste de posición generado por un controlador de paso. De esta manera, la velocidad de referencia se predice lo que puede reducir los requisitos de ancho de banda de un bucle de realimentación correspondiente en el sistema de control que proporciona un ajuste de posición real del sistema de paso hidráulico.

Realizaciones de ejemplo

La Figura 1 ilustra una vista esquemática de un generador de aerogenerador de eje horizontal 100. El generador de aerogenerador 100 comprende típicamente una torre 102 y una góndola de aerogenerador 104 situada en la parte superior de la torre 102. Un rotor de aerogenerador 106 puede estar conectado con la góndola 104 a través de un eje de baja velocidad que se extiende fuera de la góndola 104. El rotor de aerogenerador 106 comprende tres palas de rotor 108 montadas en un buje común 110 que rotan en un plano de rotor, pero puede comprender cualquier número adecuado de palas, tal como una, dos, cuatro, cinco o más palas. Las palas 108 (o perfil aerodinámico) tienen típicamente una forma aerodinámica con un borde de ataque 112 para enfrentarse al viento, un borde de salida 114 en el extremo opuesto de una cuerda de las palas 108, una punta 116 y una raíz 118 para unirse al buje 110 de cualquier manera adecuada.

Para algunas realizaciones, las palas 108 se pueden conectar al buje 110 usando cojinetes de paso 120 de manera que cada pala 108 se pueda rotar alrededor de su eje longitudinal para ajustar el paso de la pala. El ángulo de paso de una pala 108 con relación al plano de rotor se puede controlar por actuadores lineales, actuadores hidráulicos o motores paso a paso, por ejemplo, conectados entre buje 110 y las palas 108.

La Figura 2 ilustra una vista esquemática de componentes típicos internos de la góndola 104 y la torre 102 de un generador de aerogenerador 100. Cuando el viento 200 empuja sobre las palas 108, el rotor 106 gira y rota un eje de baja velocidad 202. Los engranajes en una caja de engranajes 204 convierten mecánicamente la velocidad de rotación baja del eje de baja velocidad 202 en una velocidad de rotación relativamente alta de un eje de alta velocidad 208 adecuado para generar electricidad usando un generador 206.

Un controlador 210 puede detectar la velocidad de rotación de uno o ambos de los ejes 202, 208. Si el controlador decide que el eje o ejes están rotando demasiado rápido, el controlador puede señalar a un sistema de frenado 212 que ralentice la rotación de los ejes, lo que ralentiza la rotación del rotor 106 - es decir, reduce las revoluciones por minuto (RPM). El sistema de frenado 212 puede evitar daños a los componentes del generador de aerogenerador 100. El controlador 210 también puede recibir entradas de un anemómetro 214 (que proporciona la velocidad del viento) y/o una veleta de viento 216 (que proporciona la dirección del viento). En base a la información recibida, el controlador 210 puede enviar una señal de control a una o más de las palas 108 en un esfuerzo de ajustar el paso 218 de las palas usando, por ejemplo, un sistema de paso hidráulico. Ajustando el paso 218 de las palas con respecto a la dirección del viento, la velocidad de rotación del rotor (y, por lo tanto, de los ejes 202, 208) se puede aumentar o disminuir. En base a la dirección del viento, por ejemplo, el controlador 210 puede enviar una señal de control a un conjunto que comprende un motor de guiñada 220 y un controlador de guiñada 222 para rotar la góndola 104 con respecto a la torre 102, de manera que el rotor 106 se pueda colocar para enfrentarse más (o, en ciertas circunstancias, menos) contra el viento arriba.

La Figura 3 ilustra un diagrama de un sistema de paso hidráulico 300, según una realización descrita en esta presente descripción. El sistema 300 incluye un cilindro hidráulico 305 a través del cual se extiende una barra de pistón 330 (a la que también se hace referencia simplemente como “pistón 330”). El cilindro hidráulico 305 se divide en dos cámaras dependiendo de la ubicación del pistón 330: Cámara A 310 y Cámara B 315. Es decir, el extremo izquierdo de la barra de pistón 330 divide la Cámara A 310 de la Cámara B 315. De este modo, a medida que el pistón 330 se mueve de izquierda a derecha o de derecha a izquierda, el pistón 330 cambia el tamaño de las cámaras. Por ejemplo, mover el pistón 330 a la derecha como se muestra por la flecha 170 aumenta el tamaño de la Cámara A 310 pero disminuye el tamaño de la Cámara B 315.

El cilindro hidráulico 305 incluye un primer extremo 325 y un segundo extremo 320 (dispuesto en un extremo distal del pistón 330). En una realización, el primer extremo 325 (que es parte del pistón 330) está acoplado al actuador de pala que cambia el paso de una pala de aerogenerador con relación al buje de rotor. El segundo extremo 320 del cilindro 305 se puede unir de manera fija a una parte del rotor de manera que el segundo extremo 320 no se mueva mientras el pistón 330 viaja dentro y fuera del cilindro 305. Alternativamente, el segundo extremo 320 se puede acoplar a un actuador de pala mientras el primer extremo 325 permanece estacionario.

La posición del cilindro 305 controla el paso de la pala. Es decir, por cada posición del cilindro 305 (o más específicamente, la posición del pistón 330 en el cilindro hidráulico 305), hay un ángulo de paso de la pala correspondiente. De este modo, moviendo el cilindro 305, el controlador de aerogenerador puede establecer el paso de la pala.

Para mover el pistón 330, el sistema 300 incluye una válvula 335, una bomba 350 y un tanque 360. La bomba 350 presuriza el fluido hidráulico (por ejemplo, aceite hidráulico) en el sistema 300. En este ejemplo, la bomba 350 bombea el fluido hacia la válvula 335 (por ejemplo, una válvula proporcional) que incluye un carrete 340 para dirigir el fluido o bien a la Cámara A 310 o bien a la Cámara B 315. En la Figura 3, el carrete 340 se ajusta para dirigir el fluido recibido de la bomba 350 a la Cámara A 310 como se muestra por las flechas. Es decir, el carrete 340 dirige el fluido recibido en el puerto 345B al puerto 345A. Como resultado, el fluido hidráulico empuja el pistón 330 a la derecha como se muestra por la flecha 170. El fluid hidráulico sale de la Cámara B 315, fluye hacia dentro de la válvula 335 en el puerto 345C, sale de la válvula 335 en el puerto 345D y fluye hacia dentro del tanque 360.

Este proceso se puede invertir para mover el pistón 330 en la dirección opuesta a la flecha 170. Es decir, el ajuste del carrete 340 puede cambiar de manera que el fluido recibido de la bomba 350 en el puerto 345B salga al puerto 345C y entre en la Cámara B 315. Entonces esto mueve el pistón 330 a la izquierda aumentando por ello la Cámara B 315 y reduciendo la Cámara A 310. El fluido que fluye fuera de la Cámara A 310 entra por el puerto 345A y sale por el puerto 345D a medida que fluye hacia dentro del tanque 360. De esta manera, la válvula 335, y más específicamente, la posición del carrete 340 en la válvula 335, controla el flujo del fluido hidráulico hacia dentro y fuera de las Cámara A y B lo que controla la posición del pistón 330 y el paso de la pala.

La Figura 4 es un diagrama de flujo de un método 400 para controlar un sistema de paso hidráulico (tal como el ilustrado en la Figura 3) usando una velocidad predictiva, según una realización descrita en esta presente descripción. Por claridad, la Figura 4 se discute en tándem con un sistema de control de paso de pala 500 ilustrado en la Figura 5. En general, el sistema de control 500 en la Figura 5 puede controlar un sistema de paso hidráulico usando una velocidad predictiva, según una realización descrita en la presente descripción.

En el bloque 405 del método 400, el sistema de control de paso de pala 500 recibe un ángulo de paso de referencia ^{(Q re f)} de un sistema de control aguas arriba (por ejemplo, un controlador de aerogenerador para controlar el aerogenerador general o un controlador de planta eólica que controla una pluralidad de aerogeneradores en una planta). En general, el ángulo de paso de referencia indica un ángulo de paso deseado de las palas. El ángulo de paso de referencia puede cambiar debido a condiciones de viento cambiantes o una demanda de potencia cambiante en la red.

En el bloque 410, el sistema de control 500 convierte el ángulo de paso de referencia en un ajuste de posición del cilindro hidráulico ^(xp,ref). Aunque se describe específicamente un cilindro hidráulico, las realizaciones en la presente memoria se pueden usar con cualquier tipo de actuador hidráulico que ajuste el ángulo de paso de una pala de aerogenerador. En la Figura 5, un convertidor de posición 505 convierte el ángulo de paso de referencia en un ajuste de posición de referencia del cilindro hidráulico. En una realización, cada ángulo de paso de referencia corresponde a una posición particular del cilindro hidráulico con relación al pistón. Por ejemplo, para lograr un paso de pala particular (por ejemplo, 3 grados), hay un ajuste de posición correspondiente del cilindro hidráulico y el pistón donde mover el cilindro y el pistón uno con relación a otro da como resultado el paso de pala deseado. El convertidor de posición 505 puede almacenar un mapeado entre los ángulos de paso de referencia y los ajustes de posición del cilindro hidráulico.

En el bloque 415, el sistema de control 500 compara el ajuste de posición con un ajuste de posición real del cilindro hidráulico para emitir una señal de error de paso. Como se muestra en la Figura 5, el sistema de control 500 incluye un módulo sumatorio 525 que recibe el ajuste de posición ^{( x p ,e )} del convertidor de posición 505 y el ajuste real (que se puede medir o derivar) de la posición del cilindro hidráulico (xp) usando un bucle de realimentación 560. Dicho de otra manera, el bucle de realimentación 560 permite que el valor actual del ajuste de posición (xp) del cilindro hidráulico se realimente y se compare con el valor de referencia o deseado del ajuste de posición (xpref). La señal de error de paso emitida por el módulo sumatorio 525 representa la diferencia entre el valor actual del ajuste de posición y el valor deseado del ajuste de posición.

En el bloque 420, el sistema de control 500 genera un primer ajuste de posición para el cilindro hidráulico usando la señal de error de paso. En la Figura 5, esto se realiza por un controlador de paso 530 que recibe la señal de error de paso y emite el primer ajuste de posición. En este ejemplo, el controlador de paso 530 emite una posición de carrete de válvula ^(xs,pc). Es decir, en esta realización, el primer ajuste de posición es un ajuste de posición para el carrete en la válvula que controla el flujo del fluido hidráulico hacia dentro del cilindro hidráulico. Si bien la Figura 5 ilustra el control de la posición del cilindro hidráulico usando la posición del carrete, las realizaciones en la presente memoria no están limitadas a esto y se puede usar cualquier técnica para controlar el ajuste de posición de un cilindro hidráulico.

En el bloque 425, el sistema de control 500 genera un segundo ajuste de posición para el cilindro hidráulico usando un camino predictivo 510. Como se mencionó anteriormente, usar un camino predictivo 510 que prediga la velocidad reduce el ancho de banda en el bucle de realimentación 560. Como resultado, el sistema de control de aerogenerador puede reaccionar más rápido a cambios en el entorno (por ejemplo, cambios en la velocidad del viento) y cambios en las señales de control (por ejemplo, cambios en el paso de pala de referencia).

En la Figura 5, el camino predictivo 510 incluye una calculadora de velocidad 515 y un control de ganancia 520. La calculadora de velocidad 515 recibe el ajuste de posición de referencia del cilindro hidráulico ^{(xp re f)} y genera una velocidad de referencia del cilindro hidráulico (o una velocidad de referencia de la barra de pistón en el cilindro) ( ^{X p r e f} ). En una realización, esta velocidad de referencia se calcula comparando el ajuste de posición deseado actual con al menos un ajuste de posición deseado anterior. Por ejemplo, la calculadora de velocidad 515 puede almacenar valores de ajustes de posición anteriores derivados de señales de referencia de paso anteriores. En una realización, la calculadora de velocidad 515 realiza una aproximación de Euler inversa usando el ajuste de posición actual y un ajuste o ajustes de posición anteriores (o históricos) para derivar la velocidad de referencia. Aunque se menciona específicamente una aproximación de Euler inversa, la calculadora de velocidad 515 puede usar cualquier algoritmo o técnica de control para derivar la velocidad de referencia usando valores actuales e históricos de un ajuste de control (por ejemplo, un ángulo de paso de referencia o un ajuste de posición del cilindro hidráulico).

La velocidad de referencia del cilindro hidráulico se proporciona entonces al control de ganancia 520 que modifica la velocidad de referencia usando una ganancia de flujo del cilindro hidráulico para emitir un segundo ajuste de posición del cilindro - por ejemplo, una posición de carrete de válvula ( x f generada usando el camino predictivo 510. No obstante, el cilindro hidráulico puede carecer de sensores que puedan medir de manera precisa la ganancia de flujo. En una realización, el cilindro hidráulico tiene un sensor solamente en una de las cámaras (es decir, solamente la Cámara A o la Cámara B pero no ambas) lo que significa que no se puede medir de manera precisa una ganancia de flujo. Como tal, el control de ganancia 520 puede estimar la ganancia de flujo con el fin de generar la posición de carrete de válvula ( x f

Antes de estimar la ganancia de flujo, se proporciona una breve descripción de la relación de la posición de carrete de válvula y el flujo del fluido hidráulico en el cilindro hidráulico. La Ecuación 1 indica que el flujo hacia dentro de una cámara de un cilindro hidráulico (la Cámara A en este ejemplo) produce un movimiento de cilindro mediante la siguiente relación:

É, • A^{a =}Q^a (1)

En la Ecuación 1, ^x es la velocidad del cilindro, ^{A a e s} el área de sección transversal de la Cámara A en el cilindro, y ^{Q a} es el flujo del fluido hidráulico hacia dentro de la Cámara A. El flujo también se puede expresar de la siguiente manera cuando la posición de carrete de válvula conecta la bomba a la Cámara A:

En la Ecuación 2, Xs es la posición de carrete de válvula, ^{A (x s )} es el área de la abertura de carrete en esa posición, ^{P s} es la presión de bomba, ^{P a} es la presión en la Cámara A y ^{C d} es un coeficiente de descarga escalar. Aunque la Ecuación 2 define el flujo hacia dentro y fuera de la Cámara A (y una ecuación similar se podría escribir para la Cámara B), la ecuación es no lineal. En su lugar, se puede usar una aproximación lineal de la Ecuación 2 para identificar una ganancia lineal para calcular cuál debería de ser la abertura de carrete para una velocidad de cilindro dada. Esto se ilustra en las Ecuaciones 3 y 4.

^{Q a} ~ ^{K q ~ S} (4)

En la Ecuación 3, se puede asumir que la presión en la Cámara A no cambia (es decir, ^{P a ,} ⁰) de modo que se pueda hacer la aproximación en la Ecuación 4. No obstante, esto es una simplificación en exceso dado que la presión en la Cámara A puede cambiar dependiendo de las condiciones operativas del aerogenerador que es por lo que la Ecuación 4 es una aproximación o estimación (como se indica por ~) de la posición de carrete de válvula. Sin embargo, usando la Ecuación 4, la Ecuación 1 se puede reformatear a:

^{X cil} ■ ^{A A = K q X S} (5)

En la Ecuación 5, ^{x t í l} es la velocidad del cilindro hidráulico para un punto operativo dado y Kq es un valor de ganancia que puede variar dependiendo del cilindro hidráulico particular que se use. El valor de ganancia varía dependiendo de la dirección en la que se mueve el pistón. La Ecuación 5 se puede reorganizar para producir:

Usando la Ecuación 6, la velocidad del cilindro hidráulico ( x ) se puede usar para identificar una posición de carrete de válvula. Como tal, la salida del control de ganancia 520 en la Figura 5 (es decir, ^xs,ff) se puede representar por:

En la Ecuación 7, Kff es la ganancia de flujo aproximada o estimada de la Cámara A en el cilindro hidráulico. La ganancia de flujo es diferente cuando el cilindro hidráulico se mueve en diferentes direcciones como es a menudo el caso en sistemas hidráulicos donde las áreas de válvula y cilindro no son coincidentes. Por ejemplo, tanto ^{A a} como ^Kq pueden ser diferentes dependiendo de la dirección de movimiento de la barra de pistón. Como tal, el control de ganancia 520 puede almacenar dos válvulas de la ganancia de flujo que se aplican dependiendo de la dirección actual en la que se está moviendo el pistón. Dicho de manera diferente, el control de ganancia 520 usa diferentes ganancias de flujo dependiendo de si la velocidad de referencia es positiva o negativa.

No obstante, la presión en la Cámara A (P^a) puede ser diferente de la presión en la Cámara B (Pe) que, no obstante, puede producir un valor de ganancia ^Kq diferente que cambia el valor de la ganancia de flujo ^Kff. En cualquier caso, la Ecuación 7 ilustra que usando una ganancia de flujo predefinida (que se puede calcular cuando el aerogenerador se instala por primera vez o se configura inicialmente) y la velocidad de referencia actual, el control de ganancia 520 puede generar un valor de posición de carrete ^{xs ,ff} para esa velocidad.

Aunque el bloque 425 se describe como que usa una velocidad de referencia para generar un segundo ajuste de posición para el cilindro hidráulico usando un camino predictivo 510, el sistema de control 500 también puede usar una aceleración de referencia del cilindro hidráulico para generar el segundo ajuste de posición. Por ejemplo, la aceleración de referencia se podría filtrar para obtener una señal similar a la velocidad de referencia que se puede pasar al control de ganancia 520 para generar un valor de posición de carrete ^{x s f}

En el bloque 430, el sistema de control 500 combina el primer y segundo ajustes para emitir un ajuste combinado. En la Figura 5, el primer ajuste (por ejemplo, el valor de posición de carrete ^xs,pc) se combina con el segundo ajuste (por ejemplo, el valor de posición de carrete ^xs,ff) mediante un módulo sumatorio 535 para producir un ajuste combinado ^{Xs,combinado.} De esta manera, el valor predictivo (por ejemplo, el valor de posición de carrete ^Xs,ff) se puede generar sin depender del valor de posición realimentado del sistema de paso - por ejemplo, la posición real del cilindro hidráulico ^Xp. Una vez el controlador de paso 530 emite su ajuste de control (por ejemplo, el valor de posición de carrete ^Xs,pc) entonces este valor se combina con el valor de posición de carrete proporcionado por el camino predictivo 510. Este valor combinado ^Xs,combinado representa el ajuste de control del carrete que mueve el cilindro a la posición deseada a la velocidad de referencia correspondiente mientras se tiene en cuenta el bucle de realimentación 560 que mitiga las perturbaciones y la incertidumbre que puede ocurrir en el camino predictivo 510. En el bloque 435, el sistema de control 500 controla el cilindro hidráulico usando el ajuste combinado. En el ejemplo mostrado en la Figura 5, el sistema 500 controla la posición o abertura en el carrete en la válvula que afecta al flujo del fluido hidráulico en el cilindro, cambiando por ello la posición de la barra de pistón en el cilindro. Como se muestra, la salida del módulo sumatorio 535 se proporciona a un generador de referencia de carrete 540 que calcula una referencia de posición de carrete de válvula ^Xs,ref. En una realización, el generador de referencia de carrete 540 incluye un compensador de banda muerta que ajusta ^Xs,combinado para compensar una banda muerta donde el flujo no cambia (por ejemplo, -10% a 10%).

La salida del generador de referencia de carrete 540 se proporciona a los controles de válvula 545 que ajustan la posición de válvula de carrete según ^Xs,ref. Este ajuste entonces afecta a los controles hidráulicos 550 (por ejemplo, el sistema de paso hidráulico 300) y hace que el cilindro cambie su posición ^Xp - por ejemplo, la barra de pistón se mueve con relación al cilindro - causando por ello un movimiento correspondiente en un actuador de pala 555 que ajusta el paso de la pala. En una realización, el momento en la pala ^Mpaia es el momento alrededor del eje central de la pala. Como se muestra, el momento ^Mpaia puede afectar al cilindro hidráulico con una fuerza que afecta a la presión en ambas cámaras.

La Figura 6 ilustra un sistema de control de paso de pala 600 para controlar un sistema de paso hidráulico usando una velocidad predictiva, según una realización descrita en esta presente descripción. El sistema de control 600 incluye muchos de los mismos componentes que el sistema de control 500 y se usan los mismos números de referencia para indicar estas similitudes. Dado que estos componentes realizan una función similar, no se describen en detalle aquí.

El sistema de control 600 incluye un camino predictivo 610 que incluye una calculadora de velocidad 615 y el control de ganancia 520 para predecir una posición de carrete de válvula ^Xs,ff similar al sistema de control 500. No obstante, la posición de válvula de carrete se calcula de manera diferente. En la Figura 5, la calculadora de velocidad 515 deriva la velocidad de referencia del cilindro hidráulico del ajuste de posición de referencia del cilindro hidráulico que es una señal muestreada que se proporciona por intervalos. En el sistema de control 600, no obstante, la calculadora de velocidad 615 deriva el cilindro hidráulico de una señal de paso continua. Es decir, al contrario que una velocidad derivada de un valor de paso o posición de referencia muestreado, la señal de paso continua es una señal continua (por ejemplo, una señal de seno o coseno) que es diferenciable. La señal de paso continua puede ser una señal de paso cíclica, una relación de rampa o cualquier otra señal continua en el controlador de aerogenerador que se puede usar para derivar una velocidad de referencia del cilindro hidráulico.

Además, en lugar de identificar la posición de referencia del cilindro hidráulico, el sistema de control 600 introduce el ángulo de paso de referencia ^{( © e )} directamente en un módulo sumatorio 625 que compara el ángulo de paso de referencia con un ángulo de paso real (©esí) proporcionado por un bucle de realimentación 660. El ángulo de paso actual se deriva por un convertidor de paso 620 que convierte la posición actual del cilindro hidráulico ^Xp al ángulo de paso real o actual de la pala. El resultado de comparar el ángulo de paso de referencia con el ángulo de paso real da cómo resultado una señal de error de paso que se proporciona al controlador de paso 530 cuya salida entonces se combina con la posición de carrete de válvula proporcionada por el camino predictivo 610.

Algunas ventajas no limitantes de los sistema de control 500 y 600 en las Figuras 5 y 6 incluyen una respuesta de controlador mejorada para ángulos de referencia de paso variables - es decir, mejor seguimiento en términos de error más pequeño frente a referencia para entrada de rampa, una ganancia de bucle de realimentación más pequeña que puede mejorar los márgenes de estabilidad y ningún sensor adicional comparado con soluciones anteriores - es decir, no requiere múltiples sensores de presión para las cámaras en el cilindro hidráulico.

La Figura 7 ilustra un sistema de control de paso de pala 700 con control de ganancia activo en el camino predictivo, según una realización descrita en esta presente descripción. El sistema de control 700 es similar al sistema de control 500 en la Figura 5 donde un ángulo de paso de referencia se convierte en una velocidad de referencia y luego en una posición de carrete de válvula que entonces se predice y combina con el valor de posición de carrete generado por el controlador de paso 530. Como tal, el sistema de control 700 incluye muchos de los mismos componentes que el sistema de control 500 y se usan los mismos números de referencia para indicar estas similitudes. Dado que estos componentes realizan una función similar, no se describen en detalle aquí.

En lugar de usar una ganancia de flujo predefinida cuando se calcula la posición de carrete de válvula, el sistema de control 700 incluye un control de ganancia activo 705 que calcula dinámicamente la ganancia de flujo y luego combina esa ganancia de flujo con la velocidad de referencia del cilindro hidráulico generada por la calculadora de velocidad 515. Es decir, al contrario que en el sistema de control 500 donde el control de ganancia 520 depende de una o más ganancias de flujo ^{K ff} predefinidas (o constantes), el sistema de control 700 calcula dinámicamente la ganancia de flujo usando un camino de realimentación 720. Específicamente, el sistema de control 700 incluye controles hidráulicos 710 que incluyen múltiples sensores de presión de cámara 715. Por ejemplo, los controles hidráulicos 710 pueden incluir un primer sensor que mide la presión en la Cámara A (P^a) y un segundo sensor las medidas la presión en la Cámara B (P^a). De este modo, al contrario que en los sistemas de control 500 y 600 que pueden incluir solamente un sensor de presión, el sistema de control 700 incluye sensores de presión para cada cámara en el cilindro hidráulico. Además, los controles 710 pueden incluir un tercer sensor que mide la presión generada por la bomba ^{( P s)} en el sistema de paso hidráulico. Como se muestra por el camino de realimentación 720, las presiones se retroalimentan al control de ganancia activo 705 que puede calcular dinámicamente la ganancia de flujo del cilindro hidráulico.

Por ejemplo, la Ecuación 1 y 2 se pueden combinar para producir:

* pA A = C DA ( X S ) (8)

Aunque la Ecuación 8 se expresa en términos de la Cámara A, la siguiente ecuación se puede usar para la Cámara B cuando hay una velocidad negativa (por ejemplo, cuando la barra de pistón viaja en la otra dirección):

2

XpA B = C DA ( X S ) ^{- ( P s - P b} ) (9)

P

Las Ecuaciones 8 y 9 se pueden simplificar para definir una ganancia de flujo dinámica K como se muestra en las Ecuaciones 10 y 11, respectivamente.

Las Ecuaciones 10 y 11 se pueden modificar para generar el valor de posición de carrete cuando la barra de pistón tiene una velocidad positiva (Ecuación 12) y cuando la barra de pistón tiene una velocidad negativa (Ecuación 13).

Usando las Ecuaciones 12 y 13, el control de ganancia activo 705 puede calcular la posición de carrete de válvula para velocidades positivas y negativas del cilindro hidráulico. Como se discutió anteriormente, la posición de carrete proporcionada por el control de ganancia activo 705 se combina entonces con la posición de carrete de válvula emitida por el controlador de paso 530. Este valor combinado se usa entonces para cambiar el ajuste de carrete, cambiando por ello la posición del cilindro hidráulico.

La Figura 8 ilustra un sistema de control de paso de pala 800 con control de ganancia activo en el camino predictivo, según una realización descrita en esta presente descripción. El sistema de control 800 es similar al sistema de control 600 en la Figura 6 donde una señal de paso continua se convierte en una velocidad y una posición de carrete de válvula que entonces se predice y combina con la posición de válvula de carrete generada por el controlador de paso 530. Como tal, el sistema de control 800 incluye muchos de los mismos componentes que el sistema de control 600 y se usan los mismos números de referencia para indicar estas similitudes. Debido a que estos componentes realizan una función similar, no se describen en detalle aquí.

Como el sistema de control 700, el sistema de control 800 incluye el control de ganancia activa 705 que calcula dinámicamente la ganancia de flujo y luego combina esa ganancia de flujo con la velocidad de cilindro hidráulico generada por la calculadora de velocidad 515 en lugar de usar una ganancia de flujo predefinida cuando se calcula la posición de carrete de válvula ^{x s f} Es decir, el sistema de control 800 calcula dinámicamente la ganancia de flujo ^{K y} usando el camino de realimentación 720. Específicamente, el sistema de control 700 incluye controles hidráulicos 710 que incluyen múltiples sensores de presión de cámara 715. Por ejemplo, los controles hidráulicos 710 pueden incluir un primer sensor que mide la presión en la Cámara A (P^a) y un segundo sensor las medidas la presión en la Cámara B (P^a). Además, los controles 710 pueden incluir un tercer sensor que mide la presión generada por la bomba ^{( P s)} en el sistema de paso hidráulico. Como se muestra por el camino de realimentación 720, las presiones se retroalimentan al control de ganancia activo 705 que puede calcular dinámicamente la ganancia de flujo del cilindro hidráulico como se describió anteriormente en la Figura 7.

En lo anterior, se hizo referencia a realizaciones presentas en esta descripción. No obstante, el alcance de la presente descripción no está limitado a realizaciones descritas específicas. En su lugar, se contempla cualquier combinación de las características y los elementos proporcionados anteriormente, ya sea o no relacionados con diferentes realizaciones, para implementar y practicar las realizaciones contempladas. Además, aunque las realizaciones descritas en la presente memoria pueden lograr ventajas sobre otras soluciones posibles o sobre la técnica anterior, que se logre o no una ventaja particular por una realización dada no es limitante del alcance de la presente descripción. De este modo, los aspectos, características, realizaciones y ventajas descritos en la presente memoria son meramente ilustrativos y no se consideran elementos o limitaciones de las reivindicaciones adjuntas excepto cuando se cite expresamente en la reivindicación o reivindicaciones.

Como se apreciará por un experto en la técnica, las realizaciones descritas en la presente memoria se pueden realizar como un sistema, método o producto de programa informático. Por consiguiente, los aspectos pueden tomar la forma de una realización totalmente de hardware, una realización totalmente de software (incluyendo microprograma, software residente, microcódigo, etc.) o una realización que combine aspectos de software y hardware a todas las cuales se puede hacer referencia en general en la presente memoria como “circuito”, “módulo” o “sistema”. Además, los aspectos pueden tomar la forma de un producto de programa informático incorporado en uno o más medios legibles por ordenador que tiene un código de programa legible por ordenador incorporado en los mismos.

La presente invención puede ser un sistema, un método y/o un producto de programa informático. El producto de programa informático puede incluir un medio (o medios) de almacenamiento legible por ordenador (por ejemplo, un disquete de ordenador portátil, un disco duro, una memoria de acceso aleatorio (RAM), una memoria de solo lectura (ROM), una memoria de solo lectura programable borrable (EPROM o memoria Flash), una fibra óptica, una memoria de solo lectura de disco compacto portátil (CD-ROM), un dispositivo de almacenamiento óptico, un dispositivo de almacenamiento magnético o cualquier otra combinación de los anteriores) que tiene instrucciones de programa legibles por ordenador en el mismo para hacer que un procesador lleve a cabo aspectos de la presente invención.

Los aspectos de la presente descripción se describen con referencia a ilustraciones de diagrama de flujo y/o diagramas de bloques de métodos, aparatos (sistemas) y productos de programas informáticos según realizaciones presentadas en esta descripción. Se comprenderá que cada bloque de las ilustraciones de diagrama de flujo y/o diagramas de bloque, y combinaciones de bloques en las ilustraciones de diagrama de flujo y/o diagramas de bloques, se pueden implementar por instrucciones de programa informático. Estas instrucciones de programa informático se pueden proporcionar a un procesador de un ordenador de propósito general, ordenador de propósito especial u otros aparatos de procesamiento de datos programables para producir una máquina, de manera que las instrucciones, que se ejecutan a través del procesador del ordenador u otros aparatos de procesamiento de datos programables, creen medios para implementar las funciones/acciones especificadas en el bloque o bloques del diagrama de flujo y/o diagrama de bloques.

El diagrama de flujo y los diagramas de bloques en las Figuras ilustran la arquitectura, funcionalidad y operación de posibles implementaciones de sistemas, métodos y productos de programa informático según diversas realizaciones. A este respecto, cada bloque en el diagrama de flujo o los diagramas de bloques puede representar un módulo, segmento o parte de código, que comprende una o más instrucciones ejecutables para implementar la función o funciones lógicas especificadas. También se debería observar que, en algunas implementaciones alternativas, las funciones señaladas en el bloque pueden ocurrir fuera del orden señalado en las figuras. Por ejemplo, dos bloques mostrados en sucesión, de hecho, se pueden ejecutar de manera sustancialmente concurrente, o los bloques se pueden ejecutar algunas veces en el orden inverso, dependiendo de la funcionalidad implicada. También se señalará que cada bloque de la ilustración de diagrama de flujo y/o diagramas de bloques, y combinaciones de bloques en la ilustración de diagrama de flujo y/o diagramas de bloques, se puede implementar mediante sistemas basados en hardware de propósito especial que realizan las funciones o acciones especificadas o combinaciones de hardware de propósito especial e instrucciones de ordenador.

En vista a lo anterior, el alcance de la presente descripción se determina por las reivindicaciones que siguen.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para controlar un paso de una pala en un aerogenerador, que comprende:

recibir un ángulo de paso de referencia;

comparar al menos uno de entre el ángulo de paso de referencia y una señal derivada del mismo con un ajuste real del aerogenerador para emitir una señal de error de paso;

generar, en base a la señal de error de paso, un primer ajuste para un actuador hidráulico, en donde el actuador hidráulico controla el paso de la pala;

generar un segundo ajuste para el actuador hidráulico en base a al menos una de una velocidad de referencia y una aceleración de referencia del actuador hidráulico, la generación del segundo ajuste para el actuador hidráulico comprende ajustar la velocidad de referencia usando una ganancia predictiva predefinida para generar el segundo ajuste, en donde la ganancia predictiva se basa en un área de sección transversal de al menos dos cámaras en el actuador hidráulico, la ganancia predictiva que es diferente dependiendo de si el actuador hidráulico está moviéndose actualmente en una primera dirección o una segunda dirección opuesta;

combinar el primer y segundo ajustes para emitir un ajuste combinado; y

controlar el actuador hidráulico en base al ajuste combinado.

2. El método de la reivindicación 1, que comprende, además:

estimar la velocidad de referencia del actuador hidráulico en base al ángulo de paso de referencia y al menos un valor histórico del ángulo de paso de referencia.

3. El método de la reivindicación 1, que comprende, además:

estimar la velocidad de referencia del actuador hidráulico en base a una señal de paso continua en un sistema de control del aerogenerador.

4. El método de las reivindicaciones 1-3, que comprende, además:

recibir una primera medición de presión de una primera cámara en el actuador hidráulico;

recibir una segunda medición de presión de una segunda cámara en el actuador hidráulico;

recibir una tercera medición de presión de una bomba que suministra fluido al actuador hidráulico; y

generar una ganancia predictiva en base a la primera, segunda y tercera mediciones de presión y a un área de sección transversal del actuador hidráulico; y

ajustar la velocidad de referencia usando la ganancia predictiva para generar el segundo ajuste.

5. Un sistema de control para controlar un paso de una pala en un aerogenerador, el sistema de control que comprende:

un actuador hidráulico configurado para controlar el paso de la pala;

un primer módulo sumatorio configurado para comparar al menos uno de un ángulo de paso de referencia y una señal derivada del mismo con un ajuste real del aerogenerador para emitir una señal de error de paso;

un controlador de paso configurado para generar, en base a la señal de error de paso, un primer ajuste para el actuador hidráulico;

un camino predictivo configurado para generar un segundo ajuste para el actuador hidráulico, en donde el segundo ajuste se basa en al menos una de una velocidad de referencia y una aceleración de referencia del actuador hidráulico, la generación del segundo ajuste para el actuador hidráulico comprende ajustar la velocidad de referencia usando una ganancia predictiva predefinida para generar el segundo ajuste, en donde la ganancia predictiva se basa en un área de sección transversal de al menos dos cámaras en el actuador hidráulico, la ganancia predictiva que es diferente dependiendo de si el actuador hidráulico está moviéndose actualmente en una primera dirección o una segunda dirección opuesta;

un segundo módulo sumatorio configurado para combinar el primer y segundo ajustes para emitir un ajuste combinado; y

controles hidráulicos configurados para controlar el actuador hidráulico en base al ajuste combinado.

6. El sistema de control de la reivindicación 5, que comprende, además:

una calculadora de velocidad en el camino predictivo configurada para estimar la velocidad de referencia del actuador hidráulico en base al ángulo de paso de referencia y al menos un valor histórico del ángulo de paso de referencia.

7. El sistema de control de cualquiera de las reivindicaciones 5-6, que comprende, además:

una calculadora de velocidad en el camino predictivo configurada para estimar la velocidad de referencia del actuador hidráulico en base a una señal de paso continua en un sistema de control del aerogenerador.

8. El sistema de control de las reivindicaciones 5-7, que comprende, además:

un primer sensor configurado para emitir una primera medición de presión de una primera cámara en el actuador hidráulico;

un segundo sensor configurado para emitir una segunda medición de presión de una segunda cámara en el actuador hidráulico;

un tercer sensor configurado para emitir una tercera medición de presión de una bomba que suministra fluido al actuador hidráulico; y

un control de ganancia activo en el camino predictivo configurado para:

generar una ganancia predictiva en base a la primera, segunda y tercera mediciones de presión y a un área de sección transversal del actuador hidráulico y

9. Un medio de almacenamiento legible por ordenador que almacena instrucciones, que, cuando se ejecutan por un procesador, realizan una operación para controlar un paso de una pala en un aerogenerador, la operación que comprende:

recibir un ángulo de paso de referencia;

comparar al menos uno del ángulo de paso de referencia y una señal derivada del mismo con un ajuste real del aerogenerador para emitir una señal de error de paso;

combinar el primer y segundo ajustes para emitir un ajuste combinado; y

controlar el actuador hidráulico en base al ajuste combinado.