ES2945881T3 - Turbina eólica y procedimiento para controlar una turbina eólica - Google Patents

Turbina eólica y procedimiento para controlar una turbina eólica Download PDF

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Bo Qu
Xiongzhe Huang
Xu Fu
Shuang Gu
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Abstract

Se proporciona una turbina eólica (10). El aerogenerador (10) incluye un sistema mecánico (14), un sistema eléctrico (16) y uno controlado (18). el controlador (18) es para determinar un limite de capacidad electrica del sistema electrico (16) segun al menos en parte a una o mas condiciones de operacion de la turbina eolica (10) y una o mas condiciones ambientales de un sitio de la turbina eolica (10), comparando el límite de capacidad eléctrica del sistema eléctrico (16) y un límite de capacidad mecánica del sistema mecánico (14), y controlando el sistema eléctrico (16) para que opere en el límite de capacidad eléctrica y el límite más pequeño. límite de capacidad mecánica. También se proporciona un método para controlar una turbina eólica (10) que comprende un sistema mecánico (14) y un sistema eléctrico (16). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Turbina eólica y procedimiento para controlar una turbina eólica
Antecedentes
[0001] Los modos de realización de la invención se refieren a una turbina eólica y a un procedimiento para controlar la turbina eólica.
[0002] Las turbinas eólicas convierten la energía eólica en energía eléctrica y transmiten la energía eléctrica a un sistema de potencia. Una turbina eólica incluye un sistema mecánico, un sistema eléctrico y un sistema de control. El sistema de control incluye un controlador de turbina para controlar el sistema mecánico y un controlador de convertidor para controlar el sistema eléctrico, por ejemplo, un generador y un convertidor. Durante el funcionamiento, el controlador de la turbina envía comandos, por ejemplo, un comando de par de torsión o potencia al controlador de convertidor, y el controlador de convertidor sigue el comando para controlar el sistema eléctrico para suministrar potencia eléctrica al sistema de potencia (por ejemplo, una red eléctrica). Sin embargo, el controlador de turbina no tiene información detallada y dinámica del sistema eléctrico, por ejemplo, la potencia activa máxima que se puede suministrar a través del sistema eléctrico. Por lo tanto, por un lado, el controlador de turbina normalmente usa límites fijos conservadores del sistema eléctrico para controlar la turbina eólica. Además, los límites usados en el controlador de turbina normalmente mantienen grandes márgenes de los límites físicos de los sistemas eléctricos. Por otro lado, la capacidad del sistema eléctrico varía a medida que cambian las condiciones ambientales y de la red, por ejemplo, aumenta el voltaje de red o baja la temperatura ambiente, a su vez, los márgenes eléctricos descritos anteriormente también cambian. Hay oportunidades para gestionar mejor estos márgenes dinámicos para aumentar la potencia de salida de la turbina cuando el sistema mecánico también tiene la capacidad de capturar más energía eólica. Es decir, a medida que cambian la red y el entorno, la turbina eólica puede aumentar dinámicamente su potencia de salida en lugar de seguir una curva de potencia fija o predeterminada.
[0003] Es deseable proporcionar una turbina eólica y un procedimiento para abordar al menos uno de los problemas mencionados anteriormente.
[0004] El documento EP2323251A1 divulga un procedimiento y un aparato para controlar una turbina eólica. El documento US4339666A divulga un control de ángulo de pitch de pala para un generador de turbina eólica Breve descripción
[0005] De acuerdo con un modo de realización divulgado en el presente documento, se proporciona una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 1. La turbina eólica incluye un sistema mecánico, un sistema eléctrico y un controlador. El controlador es para determinar un límite de capacidad eléctrica del sistema eléctrico de acuerdo al menos en parte con una o más condiciones operativas de la turbina eólica y una o más condiciones ambientales de un sitio de la turbina eólica, comparar el límite de capacidad eléctrica del sistema eléctrico y un límite de capacidad mecánica del sistema mecánico, y controlar el sistema eléctrico para que funcione en el menor del límite de capacidad eléctrica y el límite de capacidad mecánica.
[0006] De acuerdo con otro modo de realización divulgado en el presente documento, se proporciona un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7 para controlar una turbina eólica que comprende un sistema mecánico y un sistema eléctrico. El procedimiento incluye determinar un límite de capacidad eléctrica del sistema eléctrico de acuerdo al menos en parte con una o más condiciones operativas de la turbina eólica y una o más condiciones ambientales de un sitio de la turbina eólica, comparar el límite de capacidad eléctrica del sistema eléctrico y un límite de capacidad mecánica del sistema mecánico, y controlar el sistema eléctrico para que funcione en el menor del límite de capacidad eléctrica y el límite de capacidad mecánica.
Dibujos
[0007] Estas y otras características y aspectos de la presente divulgación se entenderán mejor cuando se lea la siguiente descripción detallada con referencia a los dibujos adjuntos, en los que caracteres similares representan partes similares en todos los dibujos, en los que:
la fig. 1 es un diagrama esquemático de una turbina eólica para suministrar potencia eléctrica a una red eléctrica de acuerdo con un modo de realización;
la fig. 2 es un ejemplo gráfico que ilustra una curva de potencia frente a la velocidad del viento de acuerdo con un modo de realización.
la fig. 3 es un diagrama de bloques de la turbina eólica de la fig. 1 de acuerdo con un modo de realización; la fig. 4 es un diagrama de bloques de un optimizador de sistema eléctrico de la turbina eólica de la fig. 1 de acuerdo con un modo de realización; y
la fig. 5 es un diagrama de bloques de un controlador de sistema mecánico de la turbina eólica de la fig. 1 de acuerdo con un modo de realización.
Descripción detallada
[0008] A menos que se defina de otro modo, los términos técnicos y científicos usados en el presente documento tienen el mismo significado entendido comúnmente por un experto en la técnica a la que pertenece la divulgación. Los términos "un" y "una" no indican una limitación de cantidad, sino más bien indican la presencia de al menos uno de los elementos referenciados. El uso de los términos "que incluye", "que comprende" o "que tiene" y de variaciones de los mismos en el presente documento pretende englobar los elementos enumerados después de esto y equivalentes de los mismos así como elementos adicionales. Los términos "conectado" y "acoplado" no están restringidos a conexiones o acoplamientos físicos o mecánicos, y pueden incluir conexiones o acoplamientos eléctricos, ya sean directos o indirectos. Los términos "primero", "segundo" y similares en la descripción y las reivindicaciones no significan ningún orden secuencial, número o importancia, sino que solo se usan para distinguir diferentes componentes.
[0009] La fig. 1 ilustra un diagrama esquemático de una turbina eólica 10 para suministrar potencia eléctrica a una red eléctrica 12 de acuerdo con un modo de realización. La turbina eólica 10 descrita y mostrada en el presente documento es un generador de turbina eólica para generar potencia eléctrica a partir de energía eólica. La turbina eólica 10 incluye un sistema mecánico 14, un sistema eléctrico 16 y un controlador 18. El sistema mecánico 14 transforma la energía eólica en un par de torsión o fuerza de rotación que acciona uno o más generadores del sistema eléctrico 16 que pueden estar acoplados rotacionalmente a un rotor 20 a través de una multiplicadora 28. El sistema eléctrico 16 transforma el par de torsión o fuerza de rotación del sistema mecánico 14 en potencia eléctrica para la red eléctrica 12. El controlador 18 controla el sistema mecánico 14 y el sistema eléctrico 16.
[0010] El sistema mecánico 14 incluye el rotor 20 que incluye un buje 22 y múltiples palas 24 (a veces denominadas "álabes aerodinámicos" (“airfoils”)) que se extienden radialmente hacia afuera desde el buje 22 para convertir la energía eólica en energía de rotación. El rotor 20 generalmente puede estar orientado a barlovento para aprovechar la energía eólica, y/o el rotor 20 puede generalmente estar orientado a sotavento para aprovechar la energía eólica. Por supuesto, en cualquier modo de realización, puede que el rotor 20 no esté exactamente orientado a barlovento y/o a sotavento, pero puede estar orientado, en general, en cualquier ángulo (que puede ser variable) con respecto a una dirección del viento para aprovechar la energía del mismo. El rotor 20 incluye un eje de rotor 26 acoplado al buje de rotor 22 para una rotación con el mismo. En un modo de realización, el sistema mecánico 14 incluye la multiplicadora 28 acoplada con el eje de rotor 26, lo que aumenta la velocidad de rotación inherentemente baja del rotor 20 para que el generador 30 convierta eficientemente la energía mecánica en energía eléctrica. En otros modos de realización, se puede omitir la multiplicadora 28. En un modo de realización, el sistema mecánico 14 puede incluir otros componentes que no se muestran en la fig. 1, tales como una góndola, una torre.
[0011] El sistema eléctrico 16 incluye un generador 30 acoplado al rotor 20 para generar potencia eléctrica a partir de la energía de rotación generada por el rotor 20. El generador 30 puede ser cualquier tipo adecuado de generador eléctrico, tal como, pero sin limitarse a, un generador de inducción de rotor bobinado, un generador de inducción de doble alimentación (DFIG, también conocido como generadores asíncronos de doble alimentación), un generador síncrono de imán permanente (PM), un generador síncrono excitado eléctricamente y un generador de reluctancia conmutada.
[0012] El generador 30 incluye un rotor de generador 32 y un estator de generador 34 con un entrehierro incluido entre ellos. El generador 30 está acoplado al eje de rotor 26 de modo que la rotación del eje de rotor 26 acciona la rotación del rotor de generador 32 y, por lo tanto, el funcionamiento del generador 30. En un modo de realización, el rotor de generador 32 tiene un eje de generador 36 acoplado al mismo y acoplado al eje de rotor 26 de modo que la rotación del eje de rotor 26 acciona la rotación del rotor de generador 32. En el modo de realización ilustrado, el eje de generador 36 está acoplado al eje de rotor 26 a través de la multiplicadora 28. En otro modo de realización, el rotor de generador 32 está acoplado directamente al eje de rotor 26, a veces denominado "turbina eólica de accionamiento directo". El par de torsión del rotor 20 acciona el rotor de generador 32 para generar así potencia eléctrica de corriente alterna (CA) de frecuencia variable a partir de la rotación del rotor 20. El estator de generador 34 está acoplado a la red eléctrica 12 a través de un transformador 38.
[0013] El sistema eléctrico 16 incluye una unidad convertidora 40 acoplada al generador 30 para convertir la CA de frecuencia variable en una CA de frecuencia fija para suministrarla a la red eléctrica 12. En un modo de realización, la unidad convertidora 40 puede incluir un convertidor monofásico o un convertidor multifásico configurado para convertir la electricidad generada por el generador 30 en electricidad adecuada para el suministro a través de la red eléctrica 12. En el modo de realización ilustrado, la unidad convertidora 40 puede incluir un convertidor 42 del lado del rotor, un convertidor 44 del lado de la línea y un enlace de corriente continua (CC) 46. El enlace de CC 46 conecta el convertidor 42 del lado del rotor y el convertidor 44 del lado de la línea. El convertidor 42 del lado del rotor está configurado para convertir la potencia de CA del rotor 32 del generador del generador 30 en potencia de CC. El convertidor 44 del lado de la línea está configurado para convertir la potencia de CC en potencia de CA a una frecuencia compatible con la red 12.
[0014] El convertidor 42 del lado del rotor puede incluir un convertidor de CA-CC que convierte un voltaje de CA del generador 30 en un voltaje de CC en el enlace de CC 46. El enlace de CC 46 puede incluir uno o más condensadores acoplados en serie o en paralelo para mantener el voltaje de CC del enlace de CC 46 en un determinado nivel y, por tanto, se puede gestionar el flujo de energía desde el enlace de CC 46 a la red 12. El convertidor 44 del lado de la línea puede incluir un inversor de CC-CA que convierte el voltaje de CC en el enlace de CC 46 en voltaje de CA con una frecuencia, fase y magnitud adecuadas para alimentar a la red eléctrica 12. En otro modo de realización, la unidad convertidora 40 puede incluir un convertidor de CA-CA.
[0015] El transformador 38 está configurado para proporcionar transformación de voltaje o corriente de la potencia procedente de la unidad convertidora 40 y la potencia procedente del estator de generador 34. El transformador 38 está configurado para aumentar la magnitud de los voltajes de CA que salen del convertidor 44 del lado de la línea y el estator de generador 34 para que coincida con la red eléctrica 12. El sistema eléctrico 16 en el modo de realización ilustrado es solo un ejemplo no limitado, pero en algunos otros modos de realización el sistema eléctrico 16 puede incluir uno o más elementos o tener otras conexiones entre elementos.
[0016] El controlador 18 es para determinar un límite de capacidad eléctrica del sistema eléctrico 16 de acuerdo al menos en parte con una o más condiciones operativas de la turbina eólica 10 y una o más condiciones ambientales de un sitio de la turbina eólica 10, comparar el límite de capacidad eléctrica del sistema eléctrico 16 y un límite de capacidad mecánica del sistema mecánico 14, y controlar el sistema eléctrico 16 para que funcione en el menor entre el límite de capacidad eléctrica y el límite de capacidad mecánica. El término "límite de capacidad eléctrica" se refiere a el o los parámetros operativos máximos en los que el sistema eléctrico 16 puede funcionar en las condiciones operativas actuales del mismo y las condiciones ambientales actuales, que son dinámicas. El límite de capacidad eléctrica incluye al menos uno de un límite de par de torsión y un límite de velocidad de rotación del generador 30. El término "límite de capacidad mecánica" se refiere a el o los parámetros operativos máximos que el sistema mecánico 14 puede proporcionar al sistema eléctrico 16, que pueden ser predeterminados y fijos en un ejemplo no limitado. El límite de capacidad mecánica incluye al menos uno de un límite de par de torsión y un límite de velocidad de rotación proporcionados por el sistema mecánico 14.
[0017] El controlador 18 incluye un controlador de sistema mecánico 48, un controlador de sistema eléctrico 50 y un optimizador de sistema eléctrico 52. El controlador de sistema mecánico 48 está configurado para controlar el sistema mecánico 14. El controlador de sistema mecánico 48 es para controlar (por ejemplo, cambiar) ángulos de pitch de las palas 24 con respecto a una dirección del viento. El controlador de sistema mecánico 48 puede controlar accionadores de pitch (no mostrados) acoplados al buje 22 y las palas 24 para cambiar el ángulo de pitch de las palas 24 haciendo girar las palas 24 con respecto al buje 22. Los accionadores de pitch pueden incluir cualquier estructura, configuración, disposición, medios y/o componentes adecuados, ya sea descritos y/o mostrados en el presente documento, tales como, pero sin limitarse a, motores eléctricos, cilindros hidráulicos, resortes y/o servomecanismos. Además, los accionadores de pitch se pueden accionar por cualquier medio adecuado, ya sea descrito y/o mostrado en el presente documento, tal como, pero sin limitarse a, fluido hidráulico, potencia eléctrica, potencia electroquímica y/o potencia mecánica, tal como, pero sin limitarse a, fuerza de resorte.
[0018] El controlador de sistema mecánico 48 está programado para generar señales de comando al controlador de sistema eléctrico 50 mediante la implementación de circuitos analógicos y/o algoritmos de control digital basados al menos en parte en la velocidad de viento del viento, el par de torsión actual del generador 30, la velocidad de rotación actual del generador 30, y el límite de capacidad eléctrica del sistema eléctrico 16 a partir del optimizador de sistema eléctrico 52.
[0019] El controlador de sistema eléctrico 50 está configurado para controlar el sistema eléctrico 16. En un modo de realización, el controlador de sistema eléctrico 50 está configurado para controlar las operaciones de la unidad convertidora 40 mediante la implementación de circuitos analógicos y/o algoritmos de control digital en respuesta a las señales de comando procedentes del controlador de sistema mecánico 48. El controlador de sistema eléctrico 50 monitoriza el funcionamiento del sistema eléctrico 16. Por ejemplo, el controlador de sistema eléctrico 50 monitoriza el par de torsión actual y la velocidad de rotación actual del generador 30 por medio de sensores 35 en el eje de generador 36, y monitoriza un voltaje de red de la red eléctrica 12 a través de un sensor 37, pero no está limitado.
[0020] El optimizador de sistema eléctrico 52 es para determinar el límite de capacidad eléctrica del sistema eléctrico 16 y proporcionar el límite de capacidad eléctrica al controlador de sistema mecánico 48. El controlador de sistema mecánico 48 es para comparar el límite de capacidad eléctrica del sistema eléctrico 16 y el límite de capacidad mecánica del sistema mecánico 14 y proporciona señales de comando optimizadas basadas en el menor del límite de capacidad eléctrica y el límite de capacidad mecánica al controlador de sistema eléctrico 50. El controlador de sistema eléctrico 50 controla la unidad convertidora 40 del sistema eléctrico 16 en respuesta a las señales de comando optimizadas procedentes del controlador de sistema mecánico 48, de modo que el generador 30 funciona en el menor del límite de capacidad eléctrica y el límite de capacidad mecánica.
[ 0021] Con referencia a la fig. 2, cuando la velocidad del viento es inferior a un umbral de velocidad del viento, la potencia eléctrica generada por la turbina eólica 10 aumenta rápidamente a medida que aumenta la velocidad del viento. Sin embargo, cuando la velocidad del viento supera el umbral de velocidad del viento, la turbina eólica 10 genera sustancialmente la misma potencia eléctrica debido a los límites del sistema eléctrico 16 y el sistema mecánico 14. El umbral de velocidad del viento puede ser 12 m/s, por ejemplo. En la condición de que la velocidad del viento sea mayor que el umbral de velocidad del viento, el límite eléctrico del sistema eléctrico 16 es dinámico con las condiciones operativas y las condiciones ambientales, el optimizador de sistema eléctrico 52 puede determinar un límite de capacidad eléctrica más alto que un límite eléctrico fijo tradicional, y el controlador de sistema mecánico 48 puede generar un comando de par de torsión más alto para el sistema eléctrico 16 y un comando de velocidad de rotación más alto para el sistema mecánico 14 bajo el límite de capacidad mecánica del sistema mecánico 14, por lo que el par de torsión del generador 30 es potenciado y una potencia eléctrica Pnueva generada por la turbina eólica 10 de la fig. 1 es superior a una potencia eléctrica Pantigua generada por la turbina eólica tradicional. En consecuencia, aumenta la producción anual de energía (AEP).
[0022] La fig. 3 ilustra un diagrama de bloques de la turbina eólica 10 de acuerdo con un modo de realización. El controlador de sistema mecánico 48 determina un primer comando de par de torsión Ti , que es un comando de par de torsión inicial, de acuerdo con la velocidad del viento, el par de torsión Tactual y la velocidad de rotación actual t actual del generador 30. La velocidad de viento del viento puede ser detectada por uno o más sensores cerca del rotor 20 de la turbina eólica 10. El par de torsión actual Tactual y la velocidad de rotación actual wactuai del generador 30 pueden ser proporcionadas por el controlador de sistema eléctrico 50.
[0023] El primer comando de par de torsión Ti se proporciona al optimizador de sistema eléctrico 52. El optimizador de sistema eléctrico 52 es para generar una o más variables de estado del sistema eléctrico 16 de acuerdo al menos en parte con el primer comando de par de torsión Ti y las condiciones operativas de la turbina eólica, determinar un margen de comando AT de acuerdo al menos en parte con las variables de estado y las condiciones ambientales, y ajustar el primer comando de par de torsión Ti usando el margen de comando AT en un procedimiento de iteración hasta que al menos una de las variables de estado alcance sustancialmente un límite de variable de estado correspondiente para obtener un comando de par de torsión optimizado Toptimizado.
[0024] El optimizador de sistema eléctrico 52 incluye una unidad de juicio 53, una unidad de modelo de sistema 54, una unidad de gestión de márgenes 56 y una unidad de determinación de límites 57. En un modo de realización, la unidad de juicio 53, la unidad de modelo de sistema 54 y la unidad de gestión de márgenes 56 del optimizador de sistema eléctrico 52 funcionan en bucles en el procedimiento de iteración para generar el comando de par de torsión optimizado Toptimizado a una velocidad de rotación correspondiente del generador 30. En un modo de realización, la velocidad de rotación en el presente documento se puede seleccionar a partir de una serie de velocidades de rotación [wo, w i , •••, wn] (n es un número entero positivo). Se genera una serie de comandos de par de torsión optimizados [Toptimizado,o, Toptimizado, i , •", Toptimizado, n] a las velocidades de rotación correspondientes [wo, Wi , •••, Wn] respectivamente en dicho procedimiento.
[0025] La unidad de juicio 53 juzga si un comando estimado Testimado es el comando optimizado Toptimizado, donde el comando estimado Testimado es una suma del margen de comando AT determinado por la unidad de gestión de márgenes 56 y el primer comando de par de torsión Ti . En un primer bucle del procedimiento de iteración, el margen de comando inicial AT se puede establecer en cero, por lo que el comando estimado Testimado es igual al primer comando de par de torsión Ti . Si el comando estimado Testimado es el comando optimizado Toptimizado, el comando estimado Testimado se proporciona a la unidad de determinación de límites 57 como el comando optimizado Toptimizado, de lo contrario, el comando estimado Testimado se proporciona a la unidad de modelo de sistema 54 para entrar en el siguiente bucle.
[0026] La unidad de modelo de sistema 54 es para generar las variables de estado de la turbina eólica 10 de acuerdo con el comando estimado Testimado y una o más condiciones operativas de la turbina eólica 10. La unidad de modelo de sistema 54 puede incluir al menos uno de un modelo de control de convertidor del controlador de sistema eléctrico 50, un modelo eléctrico del sistema eléctrico 16 y un modelo térmico del sistema eléctrico 16, y generar las variables de estado basadas en al menos un modelo del mismo.
[0027] En un modo de realización, la unidad de modelo de sistema 54 incluye el modelo de control de convertidor y los modelos eléctricos de la unidad convertidora 40 y el generador 30. Las condiciones operativas de la turbina eólica 10 incluyen al menos uno del voltaje de red de la red eléctrica 12, la serie de velocidades de rotación [wo, w i , •••, wn] del generador 30, y un factor de potencia del generador 30. Las variables de estado pueden ser las variables de estado eléctrico que incluyen al menos una de corrientes del generador 30, corrientes de la unidad convertidora 40 y voltajes del generador 30 en un modo de realización.
[0028] En otro modo de realización, la unidad de modelo de sistema 54 incluye el modelo térmico del sistema eléctrico 16 que puede incluir un modelo térmico del generador 30, un modelo térmico de cables del sistema eléctrico 16 y cualquier otro modelo térmico de componentes eléctricos, tales como reactor, fusible, circuito puente. La unidad de modelo de sistema 54 genera las variables de estado de acuerdo con el primer comando de par de torsión Ti y las condiciones operativas basadas en el modelo térmico del sistema eléctrico 16. Las variables de estado pueden incluir variables de estado térmico que indican temperaturas de los componentes en las condiciones operativas. En otro modo de realización, la unidad de modelo de sistema 54 puede incluir uno o más modelos del sistema eléctrico 16.
[0029] Las variables de estado procedentes de la unidad de modelo de sistema 54 se proporcionan a la unidad de gestión de márgenes 56. La unidad de gestión de márgenes 56 es para determinar el margen de comando AT de acuerdo al menos en parte con las variables de estado y las condiciones ambientales. En un modo de realización, el margen de comando AT es un margen de par de torsión. El margen de comando AT de la unidad de gestión de márgenes 56 se envía de vuelta para ajustar el primer comando Ti, es decir, estimar el comando estimado Testimado que se proporciona a la unidad de juicio 53 nuevamente.
[0030] La unidad de juicio 53, la unidad de modelo de sistema 54 y la unidad de gestión de márgenes 56 funcionan en dichos bucles hasta que al menos una de las variables de estado alcanza sustancialmente un límite de variable de estado correspondiente para obtener el comando de par de torsión optimizado Toptmzado en dicho procedimiento de iteración. Y se genera la serie de los comandos de par de torsión optimizados [Toptmzado,o, Toptimizado.i, •••, Toptimizadon] correspondientes a la serie de velocidades de rotación [wo, wi, •••, wnj.
[0031] La unidad de determinación de límites 57 puede almacenar los comandos de par de torsión optimizados [Toptimizado,o, Toptimizado.i, •••, Toptimzado.n] y las velocidades de rotación correspondientes [wo, wi, •••, wn] en una tabla. La unidad de determinación de límites 57 estima una serie de potencias [Po, Pi, •••, Pn] a partir de los comandos de par de torsión optimizados [Toptimizado,o, Toptimizado.i, • •, Toptimizado.n] y las correspondientes velocidades de rotación [wo, wi, •••, wn], y determina la potencia máxima Pk (k es un número entero de 0 a n) a partir de las potencias [Po, Pi, •••, Pn]. La potencia máxima Pk es un límite de potencia del límite de capacidad eléctrica. La unidad de determinación de límites 57 determina el comando de par de torsión optimizado que es el límite de par de torsión Toptmzado.k y el comando de velocidad de rotación optimizado que es el límite de velocidad de rotación wk al controlador de sistema mecánico 48. El límite de par de torsión Toptimizado.k y el límite de velocidad de rotación correspondiente wk son el límite de capacidad eléctrica del sistema eléctrico 16 en un modo de realización.
[0032] El controlador de sistema mecánico 48 genera un segundo comando de par de torsión T2 de acuerdo con el límite de capacidad eléctrica que es el límite de par de torsión Toptmzado.k en el presente documento y el primer comando de par de torsión Ti para el controlador de sistema eléctrico 50. Y el controlador de sistema mecánico 48 también genera un nuevo comando de velocidad de rotación wnuevo de acuerdo con el límite de capacidad eléctrica que es el límite de velocidad de rotación wk en el presente documento y el límite de capacidad mecánica para el sistema mecánico 14. El controlador de sistema mecánico 48 puede controlar el sistema mecánico 14 para cambiar los ángulos de pitch de las palas 24 de acuerdo con el nuevo comando de velocidad de rotación wnuevo.
[0033] El controlador de sistema eléctrico 50 controla la unidad convertidora 40 de acuerdo con el segundo comando de par de torsión T2. El controlador de sistema eléctrico 50 genera señales de modulación de ancho de pulso (PWM) bajo límites de corrientes, voltajes y/o temperaturas del sistema eléctrico 16 a la unidad convertidora 40 de acuerdo con el segundo comando de par de torsión T2 y la unidad convertidora 40 convierte los voltajes para el generador 30. El generador 30 y la unidad convertidora 40 como se muestran en la fig. 1 ambos proporcionan la potencia eléctrica a la red eléctrica 12. En otro modo de realización, el generador 30 proporciona la potencia eléctrica a la red eléctrica 12.
[0034] La fig. 4 ilustra un diagrama de bloques del optimizador de sistema eléctrico 52 de acuerdo con un modo de realización. En el modo de realización ilustrado, la unidad de módulo de sistema 54 incluye el modelo de control de convertidor 58 y el modelo de sistema eléctrico 60. El modelo de control de convertidor 58 genera señales de control de convertidor de acuerdo con las condiciones operativas y el comando estimado Testimado, estimado a partir del primer comando de par de torsión Ti y el margen de comando AT. Las señales de control de convertidor se proporcionan al modelo de sistema eléctrico 60 para generar las variables de estado [xi, X2, •••, xm] (m es un número entero positivo) del sistema eléctrico 16 en las condiciones operativas.
[0035] La unidad de gestión de márgenes 56 incluye una unidad de generación de restricciones 62 y un administrador de márgenes 64. La unidad de generación de restricciones 62 genera primeros límites de las variables de estado de acuerdo con las condiciones ambientales y la serie de velocidades de rotación [wo, wi, •••, wn] bajo límites físicos del sistema eléctrico 16. Los límites físicos son variables de estado máximas a las que puede funcionar el sistema eléctrico 16. Por ejemplo, el primer límite de corriente de un generador no puede superar el límite físico de corriente del generador, el primer límite de voltaje del generador no puede superar el límite físico de voltaje del generador, el primer límite de calor del sistema eléctrico 16 no puede superar el calor que el sistema eléctrico 16 puede permitirse.
[0036] El administrador de márgenes 64 determina los márgenes por debajo de los primeros límites de las variables de estado para generar segundos límites [xium, X2iim, •••, xmiím] de las variables de estado para mantener los márgenes en diferentes condiciones, por ejemplo, para mantener los márgenes actuales en caso de eventos transitorios. Los márgenes pueden determinarse de acuerdo con aplicaciones particulares.
[0037] Las diferencias entre los segundos límites [x i m X2iím, ■■■, xmiím] y las correspondientes variables de estado [x i , X2, •••, xm] se estiman respectivamente mediante un sumador 70. La unidad de gestión de márgenes 56 incluye una unidad de determinación 72 y un regulador de márgenes 74. La unidad de determinación 72 determina una diferencia mínima A xmín a partir de las diferencias. El regulador de márgenes 74 estima el margen de comando AT de acuerdo con la diferencia mínima A xmín a través de un controlador PI. Una unidad de valor absoluto 68 estima un valor absoluto de la diferencia mínima |Axmn| procedente de la unidad de determinación 72. El comando estimado Testimado es el comando de par de torsión optimizado Toptimizado proporcionado a la unidad de determinación de límites 57 a través de la unidad de juicio 53 hasta que la diferencia mínima |Axmín| es cero o inferior a un umbral, tal como 0,1, 0,2, es decir, al menos una de las variables de estado alcanza sustancialmente el segundo límite correspondiente de las mismas.
[0038] La fig. 5 ilustra un diagrama de bloques del controlador de sistema mecánico 48 de acuerdo con un modo de realización. El controlador de sistema mecánico 48 incluye una unidad de determinación de par de torsión 76 y una unidad de determinación de velocidad 78. La unidad de determinación de par de torsión 76 es para determinar el segundo comando de par de torsión T2 para el controlador de sistema eléctrico 50 de acuerdo con el primer comando de par de torsión Ti y el límite de par de torsión Toptimizado,k. La unidad de determinación de par de torsión 76 incluye un sumador 80 para calcular una diferencia entre el primer comando de par de torsión Ti y el comando de par de torsión optimizado Toptimizado y un filtro 82 para filtrar la diferencia procedente del sumador 80. La unidad de determinación de par de torsión 76 incluye un sumador 84 para calcular una suma de la diferencia filtrada procedente del filtro 82 y el primer comando de par de torsión Ti . La unidad de determinación de par de torsión 76 incluye una primera unidad de límite 86 para limitar la suma procedente del sumador 84 por debajo del límite mecánico y una segunda unidad de límite 88 para limitar la suma procedente del sumador 84 por debajo del límite de comando de par de torsión Toptimizado,k para obtener el segundo comando de par de torsión T2.
[0039] La unidad de determinación de velocidad 78 es para determinar el nuevo comando de velocidad de rotación Wnuevo de acuerdo con un antiguo comando de velocidad de rotación Santiguo y el límite de velocidad de rotación Wk correspondiente al límite de par de torsión Toptimizado,k. La unidad de determinación de velocidad 78 incluye un sumador 90 para calcular una diferencia entre el antiguo comando de velocidad de rotación Wantiguo y el límite de velocidad de rotación Wk y un filtro 92 para filtrar la diferencia procedente del sumador 90. La unidad de determinación de velocidad 78 incluye un sumador 94 para calcular una suma de la diferencia filtrada procedente del filtro 92 y el antiguo comando de velocidad de rotación Wantguo. La unidad de determinación de velocidad 78 incluye una tercera unidad de límite 96 para limitar la suma procedente del sumador 94 por debajo del límite mecánico y una cuarta unidad de límite 98 para limitar la suma procedente de la tercera unidad de límite 96 por debajo del límite de velocidad de rotación Wk para obtener el nuevo comando de velocidad de rotación Wnuevo. El controlador de sistema mecánico 48 controla el rotor 20 de acuerdo con el nuevo comando de velocidad de rotación Wnuevo.
[0040] Si bien en el presente documento se han descrito modos de realización de la invención, los expertos en la técnica entenderán que se pueden realizar diversos cambios y se pueden sustituir elementos de la misma por equivalentes sin apartarse del alcance de la invención. Además, se pueden hacer muchas modificaciones para adaptar una situación o material particulares a las enseñanzas de la invención sin apartarse de su alcance esencial. Por lo tanto, se pretende que la invención no se limite a el modo de realización particular divulgada como el mejor modo contemplado para llevar a cabo la presente invención, sino que la invención incluya todas los modos de realización que se encuentran dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.
[0041] Además, el experto en la materia reconocerá la intercambiabilidad de diversas características de diferentes modos de realización. Las diversas características descritas, así como otras equivalentes conocidas para cada característica, pueden mezclarse y equipararse por un experto en la técnica, para construir sistemas y técnicas adicionales de acuerdo con los principios de esta divulgación.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Una turbina eólica (10), que comprende:
un sistema mecánico (14);
un sistema eléctrico (16); y
un controlador (18) para,
determinar un límite de capacidad eléctrica del sistema eléctrico de acuerdo al menos en parte con una o más condiciones operativas de la turbina eólica y una o más condiciones ambientales de un sitio de la turbina eólica,
comparar el límite de capacidad eléctrica del sistema eléctrico y un límite de capacidad mecánica del sistema mecánico, y
controlar el sistema eléctrico para que funcione en el menor del límite de capacidad eléctrica y el límite de capacidad mecánica;
y en la que el controlador comprende, un controlador de sistema mecánico para determinar un primer comando de par de torsión de acuerdo al menos en parte con una velocidad de viento del viento;
un optimizador de sistema eléctrico (52) para generar el límite de capacidad eléctrica del sistema eléctrico de acuerdo con el primer comando de par de torsión, la una o más condiciones operativas y la una o más condiciones ambientales al controlador de sistema mecánico, determinando el controlador de sistema mecánico un segundo comando de par de torsión de acuerdo con el primer comando de par de torsión y el límite de capacidad eléctrica; y
un controlador de sistema eléctrico (50) para controlar el sistema eléctrico de acuerdo con el segundo comando de par de torsión;
y en la que el optimizador de sistema eléctrico (52) es para,
generar una o más variables de estado del sistema eléctrico de acuerdo al menos en parte con el primer comando de par de torsión y la una o más condiciones operativas de la turbina eólica,
determinar un margen de comando de acuerdo al menos en parte con la una o más variables de estado y la una o más condiciones ambientales, y,
ajustar el primer comando de par de torsión usando el margen de comando en un procedimiento de iteración hasta que al menos una de la una o más variables de estado alcanza sustancialmente un límite de variable de estado correspondiente para obtener un comando de par de torsión optimizado.
2. La turbina eólica de la reivindicación 1, en la que el sistema eléctrico comprende un generador, y el límite de capacidad eléctrica del sistema eléctrico comprende al menos uno de un límite de par de torsión y un límite de velocidad de rotación del generador; y/o,
en la que el límite de capacidad mecánica del sistema mecánico comprende al menos uno de un límite de par de torsión y un límite de velocidad de rotación proporcionados por el sistema mecánico.
3. La turbina eólica de la reivindicación 1, en la que la una o más condiciones operativas de la turbina eólica comprenden al menos uno de un voltaje de red de una red eléctrica, una velocidad de rotación de un generador del sistema eléctrico y un factor de potencia del generador; y/o,
en la que la una o más condiciones ambientales comprenden al menos una de una temperatura ambiente alrededor de la turbina eólica, una altitud de la turbina eólica y una velocidad de viento del viento.
4. La turbina eólica de la reivindicación 1, en la que el optimizador de sistema eléctrico es para determinar una serie de comandos de par de torsión optimizados correspondientes a una serie de velocidades de rotación de un generador del sistema eléctrico.
5. La turbina eólica de la reivindicación 4, en la que el optimizador de sistema eléctrico es para estimar una serie de potencias a partir de los comandos de par de torsión optimizados y las velocidades de rotación, determinar una potencia máxima a partir de la serie de potencias, y determinar el comando de par de torsión optimizado y la velocidad de rotación correspondientes a la potencia máxima para obtener un límite de par de torsión y un límite de velocidad de rotación del límite de capacidad eléctrica.
La turbina eólica de la reivindicación 1, en la que la una o más variables de estado comprenden al menos una de una corriente de estator y una corriente de rotor de un generador del sistema eléctrico.
Un procedimiento para controlar una turbina eólica (10) que comprende un sistema mecánico (14) y un sistema eléctrico (16), que comprende:
determinar un límite de capacidad eléctrica del sistema eléctrico de acuerdo al menos en parte con una o más condiciones operativas de la turbina eólica y una o más condiciones ambientales de un sitio de la turbina eólica;
comparar el límite de capacidad eléctrica del sistema eléctrico y un límite de capacidad mecánica del sistema mecánico; y
controlar el sistema eléctrico para que funcione en el menor del límite de capacidad eléctrica y el límite de capacidad mecánica;
y en el que el límite de capacidad eléctrica del sistema eléctrico comprende al menos uno de un par de torsión y una velocidad de rotación de un generador del sistema eléctrico; y/o,
en el que el límite de capacidad mecánica del sistema mecánico comprende al menos uno de un límite de par de torsión y un límite de velocidad de rotación proporcionados por el sistema mecánico; y/o
en el que la una o más condiciones operativas de la turbina eólica comprenden al menos uno de un voltaje de red de una red eléctrica, una velocidad de rotación de un generador del sistema eléctrico y un factor de potencia del generador; y/o
en el que la una o más condiciones ambientales comprenden al menos una de una temperatura ambiente alrededor de la turbina eólica, una altitud de la turbina eólica y una velocidad de viento del viento;
comprendiendo además el procedimiento,
determinar un primer comando de par de torsión de acuerdo al menos en parte con una velocidad de viento del viento;
generar el límite de capacidad eléctrica del sistema eléctrico de acuerdo con el primer comando de par de torsión, la una o más condiciones operativas y la una o más condiciones ambientales, y
determinar un segundo comando de par de torsión de acuerdo con el primer comando de par de torsión y el límite de capacidad eléctrica; y
controlar el sistema eléctrico de acuerdo con el segundo comando de par de torsión; y en el que determinar el límite de capacidad eléctrica comprende,
generar una o más variables de estado del sistema eléctrico de acuerdo al menos en parte con el primer comando de par de torsión y la una o más condiciones operativas de la turbina eólica,
determinar un margen de comando de acuerdo al menos en parte con la una o más variables de estado y la una o más condiciones ambientales, y
ajustar el primer comando de par de torsión usando el margen de comando en un procedimiento de iteración hasta que al menos una de la una o más variables de estado alcanza sustancialmente un límite de variable de estado correspondiente para obtener un comando de par de torsión optimizado.
El procedimiento de la reivindicación 7, en el que determinar el límite de capacidad eléctrica comprende determinar una serie de los comandos de par de torsión optimizados correspondientes a una serie de velocidades de rotación de un generador del sistema eléctrico.
El procedimiento de la reivindicación 8, en el que determinar el límite de capacidad eléctrica comprende, estimar una serie de potencias a partir de los comandos de par de torsión optimizados y las velocidades de rotación,
determinar una potencia máxima a partir de la serie de potencias, y
determinar el comando de par de torsión optimizado y la velocidad de rotación correspondientes a la potencia máxima para obtener un límite de par de torsión y un límite de velocidad de rotación del límite de capacidad eléctrica.
10. El procedimiento de la reivindicación 7, en el que la una o más variables de estado comprenden al menos una de una corriente de estator y una corriente de rotor de un generador del sistema eléctrico.
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