ES2942017T3 - Un método para controlar un parque de energía eólica teniendo en cuenta efectos de estela - Google Patents
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Abstract
Se describe un método para controlar un parque de energía eólica. Se determina un estado de estela del parque de energía eólica, incluida la determinación de cadenas de estela que definen las relaciones de estela entre las turbinas eólicas (1) del parque eólico en las condiciones de viento actuales. Para al menos una de las turbinas eólicas (1) del parque de energía eólica, se estima un uso de por vida, en base a una medida de carga acumulada para la turbina eólica (1). En el caso de que el uso de vida estimado esté por debajo de un límite de uso de vida predefinido, la turbina eólica (1) se opera en un estado sobrevalorado, mientras se monitorean los efectos de estela en cada una de las turbinas eólicas (1). En el caso de que un aerogenerador aguas abajo (1) detecte efectos de estela por encima de un nivel de umbral de estela predefinido, (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Un método para controlar un parque de energía eólica teniendo en cuenta efectos de estela
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método para controlar un parque de energía eólica en el que se permite la sobreestimación de los aerogeneradores del parque de energía eólica con la debida consideración a los efectos de estela creados por los mismos.
Antecedentes de la invención
Los aerogeneradores normalmente están diseñados para producir un nivel de potencia específico cuando la velocidad del viento está por encima de una cierta velocidad del viento a lo que se hace referencia algunas veces como velocidad del viento nominal del aerogenerador. A este nivel de potencia específico se hace referencia algunas veces como la potencia nominal del aerogenerador.
En algunos casos, se puede permitir que el aerogenerador produzca potencia a un nivel de potencia más alto que la potencia nominal. Se hace referencia a esto algunas veces como el aerogenerador que se operan en un estado sobreestimado. La potencia nominal se selecciona normalmente de tal manera que no se excedan las cargas de diseño del aerogenerador, y de tal manera que las cargas de fatiga acumuladas no excedan un límite que reduzca la vida útil esperada del aerogenerador. Por lo tanto, un aerogenerador normalmente solamente se opera en un estado sobreestimado durante períodos de tiempo limitados.
Cuando se disponen aerogeneradores en un parque de energía eólica, los aerogeneradores del parque de energía eólica se colocan unos cerca de otros. Por ello, algunos de los aerogeneradores se pueden disponer en la estela de uno o más de los otros aerogeneradores. Los aerogeneradores dispuestos en la estela de uno o más de los otros aerogeneradores recibirán viento con un menor potencial para extraer energía, porque los aerogeneradores aguas arriba ya han extraído algo de la energía del viento. Además, los aerogeneradores aguas arriba pueden crear turbulencias que a su vez pueden dar lugar a cargas en los aerogeneradores dispuestos en la estela.
Esto no es deseable y, por lo tanto, los aerogeneradores aguas arriba algunas veces se rebajan, es decir, operan con una producción de potencia menor que la potencia nominal, con el fin de reducir los efectos de estela para los aerogeneradores aguas abajo.
El documento WO 2011/160634 A1 describe un parque eólico que comprende una pluralidad de aerogeneradores. Un aerogenerador aguas abajo incluye un Lidar u otro dispositivo para detectar las características de la estela producida por un aerogenerador aguas arriba y proporciona una salida a un controlador de turbina o parque eólico indicativa de la estela medida. El controlador controla los parámetros de la turbina aguas abajo de acuerdo con las señales indicativas de estela. El control puede incluir sobreestimar la turbina aguas abajo si la señal indicativa de estela indica que hay un bajo riesgo de daño por fatiga a los componentes del aerogenerador aguas abajo. El documento WO 2017/000950 A1 describe un control de parque eólico que permite sobreestimar el aerogenerador mientras que se optimiza la potencia frente a la fatiga y también se tiene en cuenta la estela.
Descripción de la invención
Es un objeto de las realizaciones de la invención proporcionar un método para controlar un parque de energía eólica en el que la producción de potencia total del parque de energía eólica se maximiza sin correr el riesgo de efectos de estela no deseados.
La invención proporciona un método para controlar un parque de energía eólica, el parque de energía eólica que comprende dos o más aerogeneradores, el método que comprende los pasos de:
- determinar un estado de estela del parque de energía eólica, incluyendo determinar cadenas de estela que definen las relaciones de estela entre los aerogeneradores del parque eólico bajo las condiciones de viento actuales, - para al menos uno de los aerogeneradores del parque de energía eólica, estimar un uso de vida útil, en base a una medida de carga acumulada para el aerogenerador, y en el caso de que el uso de vida útil estimado esté por debajo de un límite de uso de vida útil predefinido, operando el aerogenerador en un estado sobreestimado,
- monitorizar los efectos de estela en cada uno de los aerogeneradores,
- en el caso de que un aerogenerador aguas abajo, con respecto al aerogenerador que opera en un estado sobreestimado, detecte efectos de estela por encima de un nivel de umbral de estela predefinido, generar una señal de control para el aerogenerador que opera en un estado sobreestimado y que tiene una relación de estela aguas arriba con el aerogenerador aguas abajo, la señal de control que solicita al aerogenerador que opera en un estado sobreestimado que interrumpa la operación en un estado sobreestimado, causando por ello una disminución en la estela generada, y
- controlar los aerogeneradores del parque de energía eólica de acuerdo con las señales de control generadas. De este modo, la invención proporciona un método para controlar un parque de energía eólica. En el contexto actual, el término 'parque de energía eólica' se debería interpretar que significa un grupo de aerogeneradores dispuestos dentro de un área geográfica limitada. Los aerogeneradores del parque de energía eólica pueden compartir además alguna infraestructura, tal como carreteras, conexiones a la red eléctrica, transformadores, líneas de suministro, líneas de comunicación, etc. Por consiguiente, el parque de energía eólica comprende dos o más aerogeneradores. En el método según la invención, se determina inicialmente un estado de estela del parque de energía eólica. Esto incluye determinar las cadenas de estela que definen las relaciones de estela entre los aerogeneradores del parque de energía eólica bajo las condiciones de viento actuales. De este modo, el estado de estela contiene información con respecto a cuáles de los aerogeneradores del parque de energía eólica están dispuestos actualmente en la estela de qué otros aerogeneradores del parque de energía eólica. Para un aerogenerador dado, el estado de estela contendrá, de este modo, información con respecto a cuáles de los otros aerogeneradores crean efectos de estela para el aerogenerador dado, así como qué otros aerogeneradores se ven afectados por la estela del aerogenerador dado.
Además, el estado de estela puede contener información con respecto a en qué medida los aerogeneradores del parque de energía eólica se ven afectados por la estela de los otros aerogeneradores del parque de energía eólica. En resumen, la información de estado de estela con respecto a los efectos de estela que afectan a al menos algunos de los aerogeneradores del parque de energía eólica, bajo las condiciones del viento actuales, es decir, en la dirección del viento actual, la velocidad del viento, el nivel de turbulencia, la cizalladura del viento, etc. El estado de estela puede proporcionar una imagen completa de los efectos de estela que afectan a cada uno de los aerogeneradores del parque de energía eólica, o puede proporcionar esta información para un subconjunto de los aerogeneradores del parque de energía eólica.
A continuación, se estima un uso de vida útil para al menos uno de los aerogeneradores del parque de energía eólica. El uso de vida útil estimado se basa en una medida de carga acumulada para el aerogenerador. En el presente contexto, el término 'uso de vida útil' se debería interpretar que significa una medida de la parte de la vida útil de diseño del aerogenerador que ya se ha usado. Como se describió anteriormente, los aerogeneradores normalmente se diseñan con una vida útil esperada y, durante la operación, el aerogenerador se controla de acuerdo con los parámetros de diseño, por ejemplo, con respecto a diversas cargas en diversos componentes o partes de los aerogeneradores, que aseguran que el aerogenerador dure toda su vida útil esperada, pero preferiblemente no más que eso. Si el aerogenerador, durante un período de tiempo, se ha operado con cargas que están por debajo de las cargas de diseño, entonces el uso de vida útil del aerogenerador durante este intervalo de tiempo es menor que la duración del intervalo de tiempo. De manera similar, si el aerogenerador se ha operado, durante un período de tiempo, con cargas que exceden las cargas de diseño, entonces el uso de vida útil del aerogenerador durante este intervalo de tiempo es mayor que la duración del intervalo de tiempo. Tales desviaciones del uso de vida útil se pueden compensar operando el aerogenerador con cargas más altas o más bajas durante un intervalo de tiempo posterior.
Por consiguiente, el uso de vida útil estimado proporciona una medida de si el aerogenerador se ha operado o no hasta ahora de una manera que permita una estrategia de control más agresiva durante un período de tiempo. Por lo tanto, en el caso de que el uso de vida útil estimado esté por debajo de un límite de uso de vida útil predefinido, el aerogenerador se opera en un estado sobreestimado, es decir, en un estado en el que la producción de potencia del aerogenerador es más alta que la potencia nominal. Por consiguiente, se aumenta la producción de potencia total del parque de energía eólica, al tiempo que se asegura que no se ve afectado el impacto sobre la vida útil esperada de los aerogeneradores del parque de energía eólica.
Se puede estimar un uso de vida útil para cada uno de los aerogeneradores del parque de energía eólica. Alternativamente, un uso de vida útil solamente se puede estimar para algunos de los aerogeneradores, por ejemplo, los que son más probables que sean adecuados para operar en un estado sobreestimado.
Luego se monitorizan los efectos de estela en cada uno de los aerogeneradores, con el fin de asegurar que ninguno de los aerogeneradores del parque de energía eólica se vea afectado por la estela creada por cualquiera de los otros aerogeneradores del parque de energía eólica, en una medida que pueda causar daño o fatiga, o que limite seriamente la capacidad del aerogenerador para extraer energía del viento.
De este modo, en el caso de que un aerogenerador aguas abajo detecte efectos de estela por encima de un nivel de umbral de estela predefinido, se genera una señal de control para al menos un aerogenerador que tiene una relación de estela aguas arriba con el aerogenerador aguas abajo, la señal de control que solicita una disminución de la estela generada.
En el presente contexto, el término 'aerogenerador aguas abajo' se debería interpretar que significa un aerogenerador que está dispuesto detrás de otro aerogenerador, a lo largo de la dirección del viento entrante, y en la estela del otro aerogenerador. De manera similar, en el presente contexto, el término 'aerogenerador aguas arriba' se debería interpretar que significa un aerogenerador que está dispuesto delante de otro aerogenerador, a lo largo
de la dirección del viento entrante, y que crea una estela para el otro aerogenerador. Por consiguiente, los aerogeneradores aguas abajo se disponen en la estela de los aerogeneradores aguas arriba, y los aerogeneradores aguas arriba crean efectos de estela para los aerogeneradores aguas abajo. Qué aerogeneradores se han de considerar como aerogeneradores aguas abajo o aerogeneradores aguas arriba unos con respecto a otros se define por el estado de estela determinado previamente del parque de energía eólica, y depende de la dirección actual del viento entrante.
Se debería señalar que un aerogenerador dado del parque de energía eólica puede muy bien ser un aerogenerador aguas abajo con respecto a uno o más de los otros aerogeneradores, así como un aerogenerador aguas arriba con respecto a uno o más de los otros aerogeneradores.
De este modo, durante la operación del parque de energía eólica, si uno de los aerogeneradores detecta que está gravemente afectado por la estela combinada creada por los aerogeneradores dispuestos aguas arriba con relación al aerogenerador, entonces se requiere que al menos uno de estos aerogeneradores aguas arriba ajuste su operación de tal manera que se disminuya la estela creada para el aerogenerador afectado, reduciendo por ello las consecuencias no deseadas en el aerogenerador afectado.
El nivel de umbral de estela predefinido podría incluir, por ejemplo, una cierta disminución en la energía del viento que llega al aerogenerador aguas abajo, lo que evita que el aerogenerador produzca la potencia nominal. Alternativamente o además podría incluir un nivel de turbulencia que cause cargas en el aerogenerador aguas abajo por encima de un nivel aceptable.
El método puede incluir la identificación de cada aerogenerador del parque de energía eólica que tenga una relación aguas arriba con el aerogenerador aguas abajo. Alternativamente, solamente se pueden identificar algunos de los aerogeneradores aguas arriba, por ejemplo, los que están dispuestos más cerca del aerogenerador aguas abajo y/o los que crean los efectos de estela más graves.
De manera similar, se puede generar una señal de control para cada uno de los aerogeneradores aguas arriba identificados. Alternativamente, una señal de control solamente se puede generar para algunos de los aerogeneradores aguas arriba identificados, por ejemplo, los dispuestos más cerca del aerogenerador aguas abajo y/o los que crean los efectos de estela más graves.
Finalmente, los aerogeneradores del parque de energía eólica se controlan de acuerdo con las señales de control generadas.
De este modo, según el método de la invención, los aerogeneradores del parque de energía eólica se operan con una producción de potencia tan alta como sea posible, con la debida consideración a la vida útil esperada de los aerogeneradores, y con la debida consideración a los efectos de estela creados por ello para los aerogeneradores dispuestos aguas abajo. Por consiguiente, la producción de potencia total del parque de energía eólica se maximiza sin afectar a la vida útil esperada de los aerogeneradores.
El paso de monitorizar los efectos de estela en cada uno de los aerogeneradores puede comprender monitorizar las cargas en una o más partes de los aerogeneradores. Las partes de los aerogeneradores que se monitorizan, por ejemplo, podrían incluir la torre del aerogenerador, los cimientos, las palas del aerogenerador, el tren de transmisión, el eje principal, el buje, el sistema de paso y/o el convertidor. Las cargas que se monitorizan, por ejemplo, podrían incluir cargas debidas a momentos de flexión, cargas de torsión, deflexiones, etc. Las cargas se podrían medir directamente o se podrían estimar a partir de mediciones de otros parámetros, tales como la velocidad del generador, la velocidad del rotor, la producción de energía, la velocidad del viento, las turbulencias, las aceleraciones de la torre, el ángulo de paso, etc.
El paso de determinar un estado de estela del parque de energía eólica puede comprender detectar efectos de estela en los aerogeneradores del parque de energía eólica. Esto se puede hacer, por ejemplo, de la manera descrita anteriormente. Según esta realización, determinar si un aerogenerador dado está dispuesto o no en la estela de uno o más de otros aerogeneradores no se basa únicamente en modelos de estela, diseño del sitio, dirección del viento, velocidad del viento, etc. En su lugar, para cada aerogenerador se mide si ese aerogenerador se ve afectado o no realmente por los efectos de estela. Esto proporciona una imagen más precisa del estado de estela del parque de energía eólica.
El paso de estimar el uso de vida útil para un aerogenerador dado puede comprender los pasos de:
- medir o estimar un momento de flexión del aerogenerador,
- calcular una carga de fatiga en el aerogenerador, en base al momento de flexión medido o estimado, y
- comparar la carga de fatiga calculada con una carga de fatiga esperada en el aerogenerador, en base a la edad del aerogenerador.
Según esta realización, el uso de vida útil estimado de un aerogenerador dado se basa en una carga de fatiga aplicada al aerogenerador, debido a un momento de flexión que actúa sobre una parte del aerogenerador. Las cargas de fatiga son consecuencias a largo plazo de la operación del aerogenerador. Si las cargas de fatiga acumuladas exceden una carga de fatiga acumulada de diseño, esto afectará a la vida útil esperada del aerogenerador. Por lo tanto, las cargas de fatiga son una medida adecuada para el uso de vida útil del aerogenerador.
El momento de flexión puede ser un momento de flexión de la parte inferior de la torre. Alternativamente, el momento de flexión puede ser un momento de flexión introducido en otra parte de los aerogeneradores, tal como el eje principal, las palas del aerogenerador, el buje, etc.
El paso de calcular una carga de fatiga en el aerogenerador se puede realizar usando un recuento de flujo de lluvia. El algoritmo de recuento de flujo de lluvia se usa a menudo en el análisis de datos de fatiga con el fin de reducir un espectro de tensión variable como un juego de inversiones de tensión simples. Es adecuado para evaluar la vida de fatiga de una estructura sometida a cargas complejas. De este modo, un recuento de flujo de lluvia es muy adecuado para calcular la carga de fatiga en el aerogenerador.
Como alternativa, el paso de estimar un uso de vida útil para un aerogenerador dado se puede realizar de la siguiente manera. Se puede monitorizar un par del aerogenerador, por ejemplo, un par de engranaje o un par de generador, y se puede calcular una distribución de duración de carga en base al mismo. Esto puede incluir, por ejemplo, hacer una matriz de Markov que muestre los niveles de carga a lo largo del tiempo, ponderar la matriz de Markov con un coeficiente de Wohler y resumir el resultado. El resultado sumado se puede comparar con una distribución de la duración de la carga del par esperada en función de la vida útil. Si el resultado sumado está por debajo de la distribución de la duración de la carga del par esperada, entonces se puede suponer que el aerogenerador se puede operar con un par más alto sin afectar a la vida útil esperada del aerogenerador. De manera similar, si el resultado sumado está por encima de la distribución de la duración de la carga del par esperada, entonces el aerogenerador se debe operar con un par más bajo con el fin de evitar afectar a la vida útil esperada del aerogenerador.
El método puede comprender además el paso de, en el caso de que un aerogenerador se opere en un estado sobreestimado, volver a estimar el uso de vida útil, y en el caso de que el uso de vida útil estimado alcance el límite de uso de vida útil predefinido, interrumpir la operación del aerogenerador en el estado sobreestimado.
Según esta realización, se evalúa repetidamente si todavía es adecuado o no operar los aerogeneradores en el estado sobreestimado. Por ello, se asegura que un aerogenerador solamente se opere en el estado sobreestimado siempre que no se espere reducir la vida útil esperada del aerogenerador, y se asegura que ninguno de los aerogeneradores esté sometido a cargas que reduzcan su vida útil esperada.
El paso de generar una señal de control para al menos un aerogenerador que tenga una relación de estela aguas arriba con el aerogenerador aguas abajo puede comprender los pasos de:
- el aerogenerador aguas abajo reenvía una señal detectada de estela a un controlador central del parque de energía eólica, la señal detectada de estela que indica que el aerogenerador aguas abajo ha detectado efectos de estela por encima de un nivel de umbral de estela predefinido,
- en respuesta a recibir la señal detectada de estela, el controlador central del parque de energía eólica que identifica al menos un aerogenerador del parque de energía eólica que tenga una relación de estela aguas arriba con el aerogenerador aguas abajo, en base al estado de estela determinado del parque de energía eólica, y - el controlador central del parque de energía eólica que genera una señal de control para al menos al menos uno del aerogenerador o aerogeneradores identificados y reenviar las señales de control generadas al aerogenerador o aerogeneradores identificados.
Según esta realización, un controlador central del parque de energía eólica maneja el control general del parque de energía eólica. Esto incluye generar las señales de control para los aerogeneradores aguas arriba, solicitando una reducción de la estela generada, en respuesta a una señal detectada de estela de uno de los aerogeneradores del parque de energía eólica. El controlador central del parque de energía eólica puede tener además acceso al estado de estela del parque de energía eólica y, por ello, a información con respecto a cuáles de los aerogeneradores está generándose estela para el aerogenerador aguas abajo que ha reenviado la señal detectada de estela. Esto permite que el controlador central del parque de energía eólica identifique los aerogeneradores que están creando estela para el aerogenerador aguas abajo, y que, por lo tanto, deberían recibir una señal de control que solicita una reducción de la estela generada.
Como se describió anteriormente, el controlador central del parque de energía eólica puede identificar todos los aerogeneradores que tienen una relación aguas arriba con el aerogenerador aguas abajo, o puede identificar un subconjunto de los aerogeneradores aguas arriba. De manera similar, el controlador central del parque de energía eólica puede generar una señal de control para cada uno de los aerogeneradores aguas arriba identificados, o solamente para un subconjunto de los aerogeneradores aguas arriba identificados.
Como alternativa, las señales de control se pueden generar por un controlador local del aerogenerador aguas abajo y reenviar directamente desde el aerogenerador aguas abajo a cada uno de los aerogeneradores que tengan una relación de estela aguas arriba con el aerogenerador aguas abajo.
Al menos una de las señales de control generadas puede solicitar una disminución de producción de potencia del aerogenerador aguas arriba. Según esta realización, la estela generada por los aerogeneradores aguas arriba se disminuye disminuyendo la producción de potencia de al menos uno de los aerogeneradores aguas arriba. Esto podría incluir, por ejemplo, rebajar el aerogenerador o interrumpir la operación del aerogenerador en un estado sobreestimado.
El método puede comprender además el paso de identificar al menos un aerogenerador que no tenga una relación de estela aguas arriba con ninguno de los otros aerogeneradores del parque de energía eólica, y el paso de estimar el uso de vida útil para al menos uno de los aerogeneradores del parque de energía eólica puede incluir estimar un uso de vida útil para el al menos un aerogenerador identificado.
Según esta realización, se identifican uno o más aerogeneradores que no tienen una relación de estela aguas arriba con ninguno de los otros aerogeneradores del parque de energía eólica. Se puede hacer referencia a estos aerogeneradores como 'nodos de hoja' de las cadenas de estela. Tales aerogeneradores no están creando estela para ningún otro aerogenerador y, por lo tanto, operar estos aerogeneradores en un estado sobreestimado no se espera que tenga un efecto adverso sobre ninguno de los otros aerogeneradores del parque de energía eólica. Por consiguiente, siempre que el uso de vida útil estimado de tal aerogenerador esté por debajo del límite de uso de vida útil predefinido, debería ser seguro operar el aerogenerador en un estado sobreestimado. Por lo tanto, es ventajoso seleccionar inicialmente estos aerogeneradores para una operación sobreestimada y, posteriormente, investigar si alguno de los otros aerogeneradores, que están dispuestos más arriba en las cadenas de estela, se podría operar o no en un estado sobreestimado. Esto se podría hacer, por ejemplo, eliminando los nodos de hoja de las cadenas de estela, dejando por ello los aerogeneradores que solamente tienen una relación de estela aguas arriba con los nodos de hoja eliminados como los nuevos nodos de hoja de las cadenas de estela, y estos aerogeneradores se podrían identificar como los siguientes candidatos para operar en un estado sobreestimado. Los pasos descritos anteriormente se podrían repetir entonces para estos nuevos nodos de hoja. Además, este proceso se podría repetir hasta se alcancen las raíces de las cadenas de estela, es decir, los aerogeneradores que no tienen una relación de estela aguas abajo con cualquier otro aerogenerador.
Breve descripción de los dibujos
La invención se describirá ahora con más detalle con referencia a los dibujos que se acompañan en los que las Figs. 1-3 ilustran cadenas de estela en un parque de energía eólica que se controla de acuerdo con un método según una realización de la invención,
la Fig. 4 es un diagrama de bloques que ilustra un método según una realización de la invención.
la Fig. 5 ilustra la determinación del uso de vida útil para su uso en un método según una realización de la invención, y
la Fig. 6 es un diagrama de flujo que ilustra un método según una realización de la invención.
Descripción detallada de los dibujos
Las Figs. 1-3 ilustran cuatro aerogeneradores 1a, 1b, 1c, 1d dispuestos en un parque de energía eólica que se controla de acuerdo con un método según una realización de la invención. Las Figs. 1-3 ilustran las cadenas de estela de los aerogeneradores 1a, 1b, 1c, 1d bajo diversas condiciones de operación.
La dirección del viento entrante se ilustra mediante la flecha 2, y la estela generada por los respectivos aerogeneradores 1a, 1b, 1c, 1d se ilustra mediante conos 3 conectados a los respectivos aerogeneradores 1a, 1b, 1c, 1d.
En la situación ilustrada en la Fig. 1, todos los aerogeneradores 1a, 1b, 1c, 1d se guiñan correctamente hacia el viento entrante 2, es decir, el rotor de cada aerogenerador 1a, 1b, 1c, 1d se enfrenta directamente al viento entrante 2. Por consiguiente, los conos 3 que ilustran la estela generada por los aerogeneradores 1a, 1b, 1c, 1d están apuntando sustancialmente en la misma dirección que el viento entrante 2.
Cuando un aerogenerador 1a, 1b, 1c, 1d se dispone en la estela creada por uno de los otros aerogeneradores 1a, 1b, 1c, 1d, existe una relación de estela entre los dos aerogeneradores 1a, 1b, 1c, 1d. En la situación ilustrada en la Fig. 1, el aerogenerador 1d está dispuesto en la estela de los aerogeneradores 1a, 1b y 1c. De este modo, el aerogenerador 1d se puede considerar como un aerogenerador aguas abajo con respecto a cada uno de los aerogeneradores 1a, 1b y 1c, y cada uno de los aerogeneradores 1a, 1b y 1c se puede considerar como aerogenerador aguas arriba con respecto al aerogenerador 1d. Ningún aerogenerador está dispuesto en la estela
del aerogenerador 1d y, por lo tanto, el aerogenerador 1d no es un aerogenerador aguas arriba con respecto a uno o más de otros aerogeneradores cuando la dirección del viento es como se muestra en la Fig. 1.
De manera similar, el aerogenerador 1c está dispuesto en la estela del aerogenerador 1a. Por consiguiente, el aerogenerador 1c se puede considerar como un aerogenerador aguas abajo con respecto al aerogenerador 1a, y el aerogenerador 1a se puede considerar como un aerogenerador aguas arriba con respecto al aerogenerador 1c. Y, como se describió anteriormente, el aerogenerador 1c también se puede considerar como un aerogenerador aguas arriba con respecto al aerogenerador 1d.
Los aerogeneradores 1a y 1b no están dispuestos en la estela de ningún otro aerogenerador. Por consiguiente, los aerogeneradores 1a y 1b no son aerogeneradores aguas abajo con respecto a uno o más de otros aerogeneradores. No obstante, el aerogenerador 1d está dispuesto en la estela del aerogenerador 1b, y los aerogeneradores 1c y 1d están dispuestos ambos en la estela del aerogenerador 1a. Por consiguiente, como se describió anteriormente, el aerogenerador 1b se puede considerar como un aerogenerador aguas arriba con respecto al aerogenerador 1d, y el aerogenerador 1a se puede considerar como un aerogenerador aguas arriba con respecto a cada uno de los aerogeneradores 1c y 1d.
Las relaciones de estela descritas anteriormente se ilustran mediante las flechas 4, que indican cuáles de los aerogeneradores 1a, 1b, 1c, 1d se ven afectados por los efectos de estela generados por cuáles de los otros aerogeneradores 1a, 1b, 1c, 1d. Se puede hacer referencia a las flechas 4 como cadenas de estela.
En la situación ilustrada en la Fig. 2, la dirección del viento 2 es sustancialmente la misma que en la situación ilustrada en la Fig. 1. No obstante, en la situación ilustrada en la Fig. 2, un error de guiñada está presente en el aerogenerador 1c, es decir, el rotor del aerogenerador 1c no está apuntando directamente hacia el viento entrante 2. Como consecuencia, el cono 3 que ilustra la estela creada por el aerogenerador 1c no está apuntando en la misma dirección que el viento entrante 2. Por ello, el aerogenerador 1d ya no está dispuesto en la estela del aerogenerador 1c. Las relaciones de estela de los aerogeneradores 1a, 1b, 1c, 1d en la Fig. 2 son, por ello, de la siguiente manera. El aerogenerador 1d es un aerogenerador aguas abajo con respecto a los aerogeneradores 1a y 1b, y no es un aerogenerador aguas arriba con respecto a ningún otro aerogenerador. El aerogenerador 1c es un aerogenerador aguas abajo con respecto al aerogenerador 1a, y no es un aerogenerador aguas arriba con respecto a ningún otro aerogenerador. El aerogenerador 1b es un aerogenerador aguas arriba con respecto al aerogenerador 1d, y no es un aerogenerador aguas abajo con respecto a ningún otro aerogenerador. Finalmente, el aerogenerador 1a es un aerogenerador aguas arriba con respecto a los aerogeneradores 1c y 1d, y no es un aerogenerador aguas abajo con respecto a ningún otro aerogenerador.
En la situación ilustrada en la Fig. 3, la dirección del viento entrante 2 ha cambiado en comparación con la situación ilustrada en la Fig. 1. Todos los aerogeneradores 1a, 1b, 1c, 1d están guiñados correctamente hacia el viento entrante 2, es decir, el rotor de cada aerogenerador 1a, 1b, 1c, 1d se enfrenta directamente al viento entrante 2. Como consecuencia de la dirección cambiada del viento entrante 2, también se han cambiado las direcciones de los conos 3 que ilustran la estela generada por los aerogeneradores 1a, 1b, 1c, 1d. Por ello, las relaciones de estela de los aerogeneradores 1a, 1b, 1c, 1d en la Fig. 3 son de la siguiente manera. El aerogenerador 1d es un aerogenerador aguas abajo con respecto al aerogenerador 1b, y no es un aerogenerador aguas arriba con respecto a ningún otro aerogenerador. El aerogenerador 1c es un aerogenerador aguas abajo con respecto al aerogenerador 1b, y no es un aerogenerador aguas arriba con respecto a ningún otro aerogenerador. El aerogenerador 1b es un aerogenerador aguas arriba con respecto a los aerogeneradores 1c y 1d, y no es un aerogenerador aguas abajo con respecto a ningún otro aerogenerador. Finalmente, el aerogenerador 1a no es ni un aerogenerador aguas abajo ni un aerogenerador aguas arriba con respecto a ningún otro aerogenerador.
Las cadenas de estela ilustradas en las Figs. 1-3, de este modo, se definen por las condiciones del viento actuales, incluyendo la dirección del viento 2 actual. Además, la velocidad del viento actual y posiblemente las condiciones de turbulencia predominantes, tendrán una influencia en las longitudes de los conos 3 y, por ello, tendrán un impacto en las cadenas de estela.
Las cadenas de estela se pueden obtener detectando los efectos de estela en cada uno de los aerogeneradores 1a, lb, 1c, 1d. Esto, por ejemplo, podría incluir monitorizar cargas en una o más partes de los aerogeneradores 1a, 1b, lc, 1d que son características de efectos de estela específicos, tales como el aumento de la turbulencia, que ocurren en la posición del aerogenerador 1a, 1b, 1c, 1d.
La Fig. 4 es un diagrama de bloques que ilustra el control de un parque de energía eólica de acuerdo con un método según una realización de la invención. El parque de energía eólica comprende una serie de aerogeneradores 1, cuatro de los cuales se ilustran. El parque de energía eólica comprende además un controlador central del parque de energía eólica 5 dispuesto para manejar el control general del parque de energía eólica, que incluye la coordinación del control de los aerogeneradores 1 individuales del parque de energía eólica. Por consiguiente, cada uno de los aerogeneradores 1 del parque de energía eólica está dispuesto para comunicarse con el controlador central del parque de energía eólica 5.
En el método ilustrado en la Fig. 4, cuando uno de los aerogeneradores 1 del parque de energía eólica detecta efectos de estela por encima de un umbral predefinido, reenvía una señal detectada de estela al controlador central del parque de energía eólica 5. Los efectos de estela detectados podrían ser, por ejemplo, en forma de una detección de cargas específicas en una o más partes del aerogenerador 1, las cargas que son características de efectos de estela no deseados que ocurren en el aerogenerador 1. Alternativamente o además, los efectos de estela detectados podrían incluir detectar un cierto patrón de turbulencia en el aerogenerador 1.
En respuesta a la recepción de una señal detectada de estela de un aerogenerador 1, el controlador central de la planta de energía 5 identifica al menos un aerogenerador 1 del parque de energía eólica que tiene una relación de estela aguas arriba con el aerogenerador 1 que reenvió la señal detectada de estela. Por consiguiente, se identifican al menos algunos de los aerogeneradores 1 que contribuyen a la estela que ocurre en el aerogenerador 1 que reenvió la señal detectada de estela. Esta identificación, por ejemplo, se podría realizar usando cadenas de estela determinadas previamente del tipo ilustrado en las Figs. 1-3. Se pueden identificar todos los aerogeneradores 1 que contribuyen a la estela, o se pueden identificar solamente algunos de estos aerogeneradores 1, por ejemplo, los que proporcionan las mayores contribuciones.
Luego, el controlador central del parque de energía eólica 5 genera una señal de control para al menos uno de los aerogeneradores 1 aguas arriba identificados y reenvía las señales de control generadas a los respectivos aerogeneradores 1 aguas arriba. Las señales de control solicitan a los aerogeneradores 1 aguas arriba que disminuyan la estela generada. Esto podría incluir, por ejemplo, disminuir la producción de potencia de los aerogeneradores 1. Las señales de control se pueden generar para todos los aerogeneradores 1 aguas arriba identificados, o solamente para algunos de los aerogeneradores 1 aguas arriba identificados, por ejemplo, los que proporcionan las mayores contribuciones a los efectos de estela.
Además, el controlador central del parque de energía eólica 5 puede solicitar que uno o más de los aerogeneradores 1 del parque de energía eólica operen en un estado sobreestimado si se puede suponer que esto no disminuirá la vida útil esperada de los aerogeneradores 1. Con este fin, se estima el uso de vida útil de los aerogeneradores 1, en base a una medida de carga acumulada para los aerogeneradores 1. Si el uso de vida útil estimado para un aerogenerador 1 dado está por debajo de un límite de uso de vida útil predefinido, se considera seguro operar el aerogenerador 1 en un estado sobreestimado, y el controlador central del parque de energía eólica 5, por lo tanto, reenvía una señal de control al aerogenerador 1, solicitándole que opere en un estado sobreestimado. No obstante, si un aerogenerador 1 aguas abajo detecta posteriormente que esto da como resultado efectos de estela por encima de un nivel de umbral de estela predefinido, entonces el controlador del parque de energía eólica 5 puede solicitar que el aerogenerador 1 aguas arriba deje de operar en un estado sobreestimado.
La Fig. 5 muestra tres curvas, que ilustran la determinación del uso de vida útil para su uso en un método según una realización de la invención. La curva superior 6 muestra el par del generador medido de un aerogenerador en función del tiempo. La curva intermedia 7 muestra una tasa de daño estimada en el generador de un aerogenerador, causada por el par del generador, en función del tiempo. La curva inferior 8 muestra el daño acumulado en el generador en función del tiempo.
Se puede ver a partir de la curva superior 6 que el par del generador es sustancialmente constante durante la mayor parte del tiempo. No obstante, aparece un aumento en el par del generador durante un período de tiempo desde aproximadamente t=54 hasta aproximadamente t=85. Esto se podría deber, por ejemplo, a que el aerogenerador se opere en un estado sobreestimado, o debido a que el aerogenerador esté dispuesto en la estela de uno o más de otros aerogeneradores.
Se puede ver a partir de la curva intermedia 7 que el aumento en el par del generador da como resultado un aumento correspondiente en la tasa de daño estimada en el generador.
Se puede ver a partir de la curva inferior 8 que el daño acumulado en el generador aumenta constantemente durante la mayor parte del tiempo. No obstante, durante el intervalo de tiempo en el que se aumenta el par del generador, el daño acumulado en el generador aumenta más rápido, reflejando el aumento de la tasa de daño estimada ilustrada en la curva intermedia 7.
El daño acumulado en el generador ilustrado en la curva inferior 8 se puede usar para estimar el uso de vida útil para el aerogenerador. Con el fin de asegurar que el aerogenerador sea capaz de operar durante toda la vida útil de diseño del aerogenerador sin introducir cargas de fatiga excesivas, el daño acumulado se debería mantener por debajo de un nivel correspondiente a un daño acumulado esperado en cualquier momento dado durante la vida útil del aerogenerador. Si el aerogenerador, durante un período de tiempo, se ha operado con una tasa de daño que está por debajo de una tasa de daño de diseño, el aerogenerador se puede operar posteriormente a una tasa de daño más alta durante un período de tiempo limitado, sin hacer que el daño acumulado exceda el daño acumulado de diseño en ese punto en el tiempo. De este modo, cuando este es el caso, se puede permitir, por ejemplo, que el aerogenerador opere en un estado sobreestimado. Además, un aumento de la tasa de daño se puede permitir bajo ciertas condiciones de viento o si el aerogenerador se puede operar posteriormente de una manera menos agresiva.
La Fig. 6 es un diagrama de flujo que ilustra un método según una realización de la invención. El proceso se inicia en el paso 9. En el paso 10 se determina un estado de estela para el parque de energía eólica. Esto se podría hacer, por ejemplo, de la manera descrita anteriormente con referencia a las Figs. 1-3.
En el paso 11, se determina un uso de vida útil para uno de los aerogeneradores del parque de energía eólica. Esto se podría hacer, por ejemplo, de la manera descrita anteriormente con referencia a la Fig. 5.
En el paso 12, se investiga si el uso de vida útil estimado está o no por debajo de un límite de uso de vida útil predefinido. Si este no es el caso, la operación del aerogenerador en un estado sobreestimado muy probablemente disminuirá la vida útil esperada del aerogenerador. Por lo tanto, en este caso, el proceso se reenvía al paso 13, y el aerogenerador se opera de una manera normal, y el proceso se termina en el paso 14.
En el caso de que el paso 12 revele que el uso de vida útil estimado esté por debajo del límite de uso de vida útil predefinido, se considera seguro operar el aerogenerador en un estado sobreestimado, en el sentido de que este no se espera que cause una disminución significativa en la vida útil esperada del aerogenerador. Por lo tanto, en este caso, el proceso se reenvía al paso 15, y el aerogenerador se opera en un estado sobreestimado, aumentando por ello la salida de potencia total del parque de energía eólica.
Mientras que el aerogenerador se opera en el estado sobreestimado, los efectos de estela se monitorizan en los aerogeneradores dispuestos aguas abajo con respecto al aerogenerador, en el paso 16. Esto, por ejemplo, podría incluir monitorizar diversas cargas en los aerogeneradores aguas abajo.
En el paso 17 se investiga si uno o más de los aerogeneradores aguas abajo han detectado o no efectos de estela por encima de un nivel de umbral de estela predefinido. Si este no es el caso, se considera seguro continuar operando el aerogenerador en el estado sobreestimado y, por lo tanto, el proceso se devuelve al paso 15.
En el caso de que el paso 17 revele que uno o más de los aerogeneradores aguas abajo han detectado efectos de estela por encima del nivel de umbral de estela predefinido, ya no se considera seguro operar el aerogenerador en el estado sobreestimado. Por lo tanto, el proceso, en este caso, se reenvía al paso 18, donde se disminuye la producción de potencia del aerogenerador, por ejemplo, al nivel de producción de potencia nominal, y el proceso se termina en el paso 14.
Los pasos 11-18 se pueden repetir o realizar simultáneamente para uno o más aerogeneradores adicionales de los aerogeneradores del parque de energía eólica, por ejemplo, para cada uno de los aerogeneradores del parque de energía eólica.
Claims (10)
1. Un método para controlar un parque de energía eólica, el parque de energía eólica que comprende dos o más aerogeneradores (1), el método que comprende los pasos de:
- determinar un estado de estela del parque de energía eólica, incluyendo determinar cadenas de estela que definen las relaciones de estela entre los aerogeneradores (1) del parque eólico bajo las condiciones de viento actuales, - para al menos uno de los aerogeneradores (1) del parque de energía eólica, estimar un uso de vida útil, en base a una medida de carga acumulada para el aerogenerador (1), y en el caso de que el uso de vida útil estimado esté por debajo de un límite de uso de vida útil predefinido, operar el aerogenerador (1) en un estado sobreestimado, - monitorizar los efectos de estela en cada uno de los aerogeneradores (1),
- en el caso de que un aerogenerador (1) aguas abajo, con respecto al aerogenerador (1) que opera en un estado sobreestimado, detecte efectos de estela por encima de un nivel de umbral de estela predefinido, generar una señal de control para el aerogenerador (1) operando en un estado sobreestimado y teniendo una relación de estela aguas arriba con el aerogenerador (1) aguas abajo, la señal de control que solicita al aerogenerador (1) que opere en un estado sobreestimado para interrumpir la operación en un estado sobreestimado, causando por ello una disminución en la estela generada, y
- controlar los aerogeneradores (1) del parque de energía eólica de acuerdo con las señales de control generadas.
2. Un método según la reivindicación 1, en donde el paso de monitorización de los efectos de estela en cada uno de los aerogeneradores (1) comprende monitorizar las cargas en una o más partes de los aerogeneradores (1).
3. Un método según la reivindicación 1 o 2, en donde el paso de determinar un estado de estela del parque de energía eólica comprende detectar efectos de estela en los aerogeneradores (1) del parque de energía eólica.
4. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el paso de estimar el uso de vida útil para un aerogenerador (1) dado comprende los pasos de:
- medir o estimar un momento de flexión del aerogenerador (1),
- calcular una carga de fatiga en el aerogenerador (1), en base al momento de flexión medido o estimado, y - comparar la carga de fatiga calculada con una carga de fatiga esperada en el aerogenerador (1), en base a la edad del aerogenerador (1).
5. Un método según la reivindicación 4, en donde el momento de flexión es un momento de flexión de la parte inferior de la torre.
6. Un método según la reivindicación 4 o 5, en donde el paso de calcular una carga de fatiga en el aerogenerador (1) se realiza usando un recuento de flujo de lluvia.
7. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además el paso de, en el caso de que un aerogenerador (1) se opere en un estado sobreestimado, volver a estimar el uso de vida útil, y en el caso de que el uso de vida útil estimado alcance el límite de uso de vida útil predefinido, interrumpir la operación del aerogenerador (1) en el estado sobreestimado.
8. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el paso de generar una señal de control para al menos un aerogenerador (1) que tiene una relación de estela aguas arriba con el aerogenerador (1) aguas abajo comprende los pasos de:
- el aerogenerador (1) aguas abajo que reenvía una señal detectada de estela a un controlador central del parque de energía eólica (5), la señal detectada de estela que indica que el aerogenerador (1) aguas abajo ha detectado efectos de estela por encima de un nivel de umbral de estela predefinido,
- en respuesta a la recepción de la señal detectada de estela, el controlador central del parque de energía eólica (5) que identifica al menos un aerogenerador (1) del parque de energía eólica que tiene una relación de estela aguas arriba con el aerogenerador (1) aguas abajo, en base al estado de estela determinado del parque de energía eólica, y
- el controlador central del parque de energía eólica (5) que genera una señal de control para al menos uno de los aerogeneradores (1) identificados y que envía las señales de control generadas al aerogenerador o aerogeneradores (1) identificados.
9. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde al menos una de las señales de control generadas solicitan una disminución en la producción de potencia del aerogenerador (1) aguas arriba.
10. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además el paso de identificar al menos un aerogenerador (1) que no tiene una relación de estela aguas arriba con ninguno de los otros aerogeneradores (1) del parque de energía eólica, y en donde el paso de estimar un uso de vida útil para al menos uno de los aerogeneradores (1) del parque de energía eólica incluye estimar un uso de vida útil para el al menos un aerogenerador (1) identificado.
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