ES2947412T3 - Métodos y sistemas para el funcionamiento una turbina eólica - Google Patents

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Abstract

Se describen métodos para operar una turbina eólica de velocidad variable en caso de una limitación del punto de ajuste de potencia. Los métodos pueden comprender determinar si el punto de ajuste de potencia es inferior o igual a una capacidad teórica de la turbina eólica de acuerdo con las condiciones predominantes del viento. Si el punto de ajuste de potencia está por debajo de la capacidad teórica, operar la turbina eólica para generar energía de acuerdo con el punto de ajuste de potencia, incluido el funcionamiento de la turbina eólica de acuerdo con un par del generador y una velocidad del rotor del generador predefinidos para el punto de ajuste de potencia. Cada consigna de potencia está definida por una combinación de una velocidad del rotor del generador y un par del generador, estando la velocidad del rotor del generador (ωmin, ω1, ω2, ω3, ωmax) fuera de una banda de exclusión. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Métodos y sistemas para el funcionamiento una turbina eólica
[0001] La presente divulgación se refiere a métodos y sistemas para hacer funcionar una turbina eólica. La presente divulgación se refiere más específicamente a métodos y sistemas para hacer funcionar una turbina eólica de acuerdo con una consigna de potencia.
ANTECEDENTES
[0002] Las turbinas eólicas modernas se utilizan habitualmente para suministrar electricidad a la red eléctrica. Las palas de una turbina eólica suelen estar unidas, por la parte de la raíz de la pala, al buje del rotor, bien directamente o a través de un extensor, es decir, un elemento cilíndrico dispuesto entre la parte de la raíz de la pala y el buje para aumentar el diámetro de la zona barrida por el rotor. El rotor se pone en rotación bajo la influencia del viento sobre las palas. La rotación del eje del rotor acciona el rotor del generador directamente (turbina eólica de "accionamiento directo") o mediante el uso de una caja de engranajes. El funcionamiento del generador produce la electricidad que se suministra a la red eléctrica.
[0003] Una turbina eólica de velocidad variable puede controlarse normalmente variando el par del generador y el ángulo de paso de las palas. Como resultado, variarán el par aerodinámico, la velocidad del rotor y la potencia eléctrica.
[0004] Una estrategia de control común en la materia de una turbina eólica de velocidad variable se describe con referencia a la figura 3, que representa una curva comúnmente conocida como "curva de potencia" que describe el funcionamiento en función de la velocidad del viento predominante. En la figura 3, se ilustra el funcionamiento de una turbina eólica típica de velocidad variable en términos del ángulo de paso (p), la potencia eléctrica generada (P), el par del generador (M) y la velocidad de rotación del rotor (w), en función de la velocidad del viento.
[0005] Aunque la velocidad del viento se determina normalmente de forma indirecta determinando la velocidad de rotación del rotor, por ejemplo midiendo la velocidad de rotación del generador, puede considerarse que el control se lleva a cabo en función de la velocidad del viento. Basándose, por ejemplo, en la velocidad de rotación del generador, el control puede llevarse a cabo variando el par del generador y/o el ángulo de paso de las palas.
[0006] En un primer intervalo operativo, desde la velocidad de conexión hasta una primera velocidad del viento (por ejemplo, aproximadamente 5 o 6 m/s), el rotor puede controlarse para que gire a una velocidad sustancialmente constante que sea lo suficientemente alta como para poder controlarlo con precisión. La velocidad de conexión puede ser, por ejemplo, de aproximadamente 3 m/s.
[0007] En un segundo intervalo de operación, desde la primera velocidad del viento (por ejemplo, aproximadamente 5 o 6 m/s) hasta una segunda velocidad del viento (por ejemplo, aproximadamente 8,5 m/s), el objetivo suele ser maximizar la potencia manteniendo constante el ángulo de paso de las palas para captar la máxima energía. En general, en el segundo intervalo de operación, el ángulo de inclinación de las palas puede ser sustancialmente constante, mientras que para lograr el objetivo de máxima energía, el par del generador y, por tanto, la velocidad del rotor pueden variar para mantener constante el coeficiente de velocidad específica A (velocidad tangencial de la punta de las palas del rotor dividida por la velocidad del viento predominante) con el fin de maximizar el coeficiente de potencia Cp.
[0008] Para maximizar la potencia y mantener Cp constante en su valor máximo, el par del rotor puede ajustarse de acuerdo con la siguiente ecuación:
Figure imgf000002_0001
donde k es una constante, y w es la velocidad de rotación del generador. En una turbina eólica de transmisión directa, la velocidad del generador es sustancialmente igual a la velocidad del rotor. En una turbina eólica con caja de engranajes, normalmente existe una relación sustancialmente constante entre la velocidad del rotor y la velocidad del generador.
[0009] Esto significa que manteniendo la velocidad específica A en un valor óptimo constante se puede optimizar el coeficiente de potencia Cp en este intervalo de operación. Por ello, las palas de las turbinas eólicas suelen diseñarse especialmente para su funcionamiento en este rango.
[0010] En un tercer intervalo de operación, que comienza al alcanzar la velocidad de giro nominal del rotor y se extiende hasta alcanzar la potencia nominal, la velocidad del rotor puede mantenerse constante y el par del generador puede variar a tal efecto. En términos de velocidades del viento, este tercer rango operativo se extiende sustancialmente desde la segunda velocidad del viento hasta la velocidad nominal del viento, por ejemplo, desde aproximadamente 8,5 m/s hasta aproximadamente 11 m/s.
[0011] En un cuarto rango operativo, que puede extenderse desde la velocidad nominal del viento hasta la velocidad de desconexión (por ejemplo, desde aproximadamente 11 m/s hasta 25 m/s), las palas pueden girar ("cambio de paso") para mantener sustancialmente constante el par aerodinámico suministrado por el rotor. En la práctica, el cambio de paso puede accionarse para mantener la velocidad del rotor sustancialmente constante. A la velocidad de desconexión, se interrumpe el funcionamiento de la turbina eólica.
[0012] En la primera, segunda y tercera zonas de funcionamiento, es decir, a velocidades del viento inferiores a la nominal (la zona de funcionamiento subnominal), las palas pueden mantenerse en una posición de paso constante, a saber, la "posición de paso por debajo de la nominal". Dicha posición del ángulo de paso por defecto puede ser generalmente cercana a un ángulo de paso de 0°. No obstante, el ángulo de paso exacto en condiciones "por debajo de la nominal" depende del diseño completo de la turbina eólica.
[0013] El ejemplo de funcionamiento antes descrito puede traducirse en una denominada curva de potencia, como la que se muestra en la figura 3. Dicha curva de potencia puede reflejar el funcionamiento óptimo de la turbina eólica en condiciones ideales de diseño, es decir, las curvas de funcionamiento teóricas/de diseño para el ángulo de paso (p), la velocidad de rotación del rotor (w), la potencia eléctrica generada (P) y el par del generador (M) en condiciones estacionarias, en función de la velocidad del viento.
[0014] En la zona de funcionamiento supranominal de acuerdo con este ejemplo de funcionamiento, es decir, a velocidades del viento iguales o superiores a la velocidad nominal, no se capta de forma muy consciente la máxima energía disponible en la corriente de viento. Es decir, las palas se giran activamente a una posición en la que "captan" menos viento y generan menos par del posible. Esto se hace principalmente para limitar las cargas estructurales de la turbina eólica.
[0015] La fig. 4 ilustra el par del generador (Tgen) frente a la velocidad del generador wgen correspondiente sustancialmente al funcionamiento de la turbina eólica mostrado en la fig. 3. Un primer tramo vertical corresponde al primer intervalo operativo, justo por encima de la conexión, en el que la velocidad de giro del rotor puede controlarse para que sea sustancialmente constante.
[0016] La parte curva indica que con el aumento de la velocidad del viento (por debajo de la velocidad nominal del viento), la velocidad de rotación del rotor del generador aumenta hasta que se alcanza la velocidad nominal del rotor. Al mismo tiempo, el par del generador aumenta gradualmente.
[0017] A velocidades del viento superiores a una velocidad del viento correspondiente a una velocidad nominal del rotor, pero inferiores a la velocidad nominal del viento (es decir, utilizando los mismos números que antes, entre 8,5 m/s y 11 m/s), el ángulo de paso de las palas puede mantenerse igual, y el control se lleva a cabo aumentando el par del generador. Esto corresponde a la parte vertical de la curva.
[0018] Una vez alcanzada la velocidad nominal del viento, se modifica el ángulo de paso de las palas para mantener constante la velocidad de giro a la velocidad nominal del rotor. Asimismo, el par del generador se mantiene constante. En la figura 4, este rango de funcionamiento corresponde al punto final de la curva, en la esquina superior derecha de la figura. Esto corresponde a una velocidad de rotación de wN, la velocidad nominal del rotor del generador.
[0019] Durante el funcionamiento de una turbina eólica, su estructura y sus componentes pueden sufrir movimientos no deseados, es decir, desplazamientos oscilatorios o repetitivos en cualquier dirección (vibraciones proa-popa, vibraciones de lado a lado o laterales, vibraciones longitudinales, vibraciones de torsión, ...) de cualquier magnitud y de cualquier frecuencia (alta o baja, constante o variable). Si una turbina eólica está sometida a estos movimientos y vibraciones durante un periodo prolongado de tiempo, pueden producirse daños por fatiga.
[0020] Los movimientos indeseados pueden producirse más fácilmente a determinadas velocidades del rotor (rpms) que, dependiendo de la configuración particular de la turbina eólica, pueden inducir fenómenos de resonancia estructural. En la mayoría de los casos, debido a la variabilidad inherente del viento, las turbinas eólicas modernas de velocidad variable no funcionan a esas rpms potencialmente peligrosas durante un periodo de tiempo prolongado. A medida que se producen turbulencias y cambia el viento, varían las rpms.
[0021] Las turbinas eólicas suelen agruparse en los llamados parques eólicos. El control de un parque eólico suele tener como objetivo gestionar y/o controlar de forma centralizada el parque eólico para que éste en su conjunto genere, normalmente de acuerdo con una generación de potencia planificada, una potencia total que se suministrará a la red. Este control centralizado del parque eólico puede generar órdenes o consignas individuales adecuadas para que los sistemas de control individuales de cada turbina eólica provoquen la generación de una cantidad correspondiente de potencia activa. La potencia total generada por el parque eólico debería entonces corresponder sustancialmente a la potencia activa prevista para el parque eólico en su conjunto.
[0022] En caso de desequilibrios imprevistos de la red, un operador de red puede emitir una o varias solicitudes en línea para que el parque eólico varíe su producción de potencia para compensar dichos desequilibrios. La mayoría de los desequilibrios de la red pueden referirse a un exceso de potencia en la red, en cuyo caso el operador de la red puede generar una solicitud en línea para que el parque eólico reduzca la potencia (activa) que está generando.
[0023] Estas "correcciones" en línea pueden hacer que al menos algunas de las turbinas eólicas generen menos potencia de la que podrían, lo que en la mayoría de los casos se consigue reduciendo la velocidad de rotación (rpms) del rotor y normalmente implicará también cambiar otros ajustes como los ángulos de paso o el par del generador.
[0024] Así, puede ordenarse que las turbinas eólicas funcionen en un rango en el que podría producirse una resonancia estructural y producirse un fallo estructural o daños por fatiga superiores a los previstos. Además, puede ser necesario mantener el funcionamiento de una turbina eólica en dicho régimen durante un periodo de tiempo prolongado. Una variación del viento, incluidas, por ejemplo, las turbulencias, durante este periodo no influye necesariamente en el rendimiento de la turbina eólica, puesto que la turbina ya está produciendo menos de lo que potencialmente podría y la velocidad de rotación del rotor podría mantenerse al mismo nivel aunque se produzcan variaciones de la velocidad del viento.
[0025] Aunque en este ejemplo, la limitación de la consigna de potencia viene impuesta por la red eléctrica, pueden producirse limitaciones de consigna similares, por ejemplo, en caso de avería en una turbina eólica. El control de una turbina eólica puede limitar el funcionamiento de una turbina eólica a una potencia máxima específica cuando se produce una avería. Dependiendo de la avería, la turbina eólica puede así seguir funcionando hasta que tenga lugar el mantenimiento planificado a pesar de la avería. De este modo, puede seguir generando potencia eléctrica aunque no alcance su potencia nominal (o "nominal"). Puede haber una serie de razones o acontecimientos en los que una turbina eólica tenga que funcionar de acuerdo con una limitación de consigna. Estas razones pueden ser internas o externas a la turbina eólica.
[0026] A medida que las turbinas eólicas se hacen más grandes y altas, y las palas más largas, hay más modos estructurales que pueden excitarse en el funcionamiento normal de la turbina eólica y, en consecuencia, hay más velocidades de rotación del rotor que deben evitarse. El documento de patente WO 2012/139584 y el artículo "Comparative studies on control systems for a two-blade variable-speed wind turbine with a speed exclusión zone" de Yang Jian et al, ENERGY, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 109, 20 de mayo de 2016, páginas 294-309, son ejemplos de estrategias de control de turbinas eólicas que incluyen zonas de exclusión de velocidad.
RESUMEN
[0027] De acuerdo con un primer aspecto, se proporciona un método según la reivindicación 1 para hacer funcionar una turbina eólica de velocidad variable en caso de limitación de la consigna de potencia. La turbina eólica tiene un rotor con una pluralidad de palas y un generador y un controlador de turbina eólica para controlar un par del generador y un ángulo de paso de las palas. La turbina eólica tiene un rango de velocidad de rotor operativo que se extiende desde una velocidad de rotor mínima hasta una velocidad de rotor máxima, el rango de velocidad de rotor operativo incluye una o más bandas de exclusión de velocidades de rotor relacionadas con la excitación de modos estructurales.
[0028] Y el método comprende determinar si la consigna de potencia es inferior o igual a una capacidad teórica de la turbina eólica de acuerdo con las condiciones de viento existentes, y si la consigna de potencia es inferior a la capacidad teórica, entonces el método comprende hacer funcionar la turbina eólica para generar potencia de acuerdo con la consigna de potencia. El funcionamiento de acuerdo con la consigna de potencia incluye el funcionamiento de la turbina eólica de acuerdo con un par del generador de consigna y una velocidad del rotor del generador de consigna predefinidos para la consigna de potencia, en los que la velocidad del rotor de consigna está fuera de las bandas de exclusión.
[0029] De acuerdo con este aspecto, sólo se define un rango limitado de velocidades del rotor del generador para su funcionamiento en caso de limitación de la consigna. Para cada una de las velocidades del rotor puede haber un rango de pares del generador, es decir, para cada una de las posibles velocidades del rotor, se define un rango de potencia. En el caso de la limitación de la consigna de potencia, el período de la turbina eólica puede funcionar durante un tiempo prolongado a una velocidad del rotor específica. Dado que las velocidades de consigna del rotor permitidas se definen fuera de los rangos de velocidad del rotor potencialmente problemáticos, y que con estos rotores se cubre todo el rango de consignas de potencia, la turbina eólica sólo puede funcionar durante un periodo de tiempo prolongado (es decir, cuando funciona de acuerdo con una limitación de consigna) a estas velocidades de rotor seleccionadas. Estas velocidades del rotor pueden seleccionarse para evitar el riesgo de excitación de los modos vibratorios de la turbina eólica. De este modo, puede evitarse o, al menos, reducirse el riesgo o el alcance de los daños por fatiga y los fallos estructurales.
[0030] En otro aspecto, se proporciona una turbina eólica de velocidad variable que comprende un rotor con una pluralidad de palas, un generador y un controlador de turbina eólica para controlar un par del generador y un ángulo de paso de las palas. El controlador de la turbina eólica está configurado para hacer funcionar la turbina eólica de acuerdo con una limitación de la potencia de consigna, que incluye la determinación de si la potencia de consigna es inferior o igual a una capacidad teórica de la turbina eólica de acuerdo con las condiciones de viento predominantes. Si la consigna de potencia está por debajo de la capacidad teórica, hace funcionar la turbina eólica para generar potencia de acuerdo con la consigna de potencia, lo que incluye hacer funcionar la turbina eólica de acuerdo con una consigna de par del generador y una consigna de velocidad del rotor predefinidas para la consigna de potencia. En este caso, cada consigna de potencia se define mediante una combinación de una velocidad de consigna del rotor y un par de consigna del generador, siendo la velocidad de consigna del rotor una de un número limitado de velocidades de rotor predefinidas.
[0031] En otro aspecto más, un método de funcionamiento de una turbina eólica de velocidad variable en función de la velocidad del viento, teniendo la turbina eólica un rotor con una pluralidad de palas y un generador, y teniendo la turbina eólica una curva de potencia teórica predefinida que define una potencia de la turbina eólica en función de la velocidad del viento en estado estacionario. Cada potencia de la turbina eólica en la curva de potencia teórica se define por una combinación del par teórico del generador y la velocidad teórica del rotor. El método comprende el funcionamiento de la turbina eólica según la curva de potencia teórica predefinida en ausencia de una limitación de la consigna de potencia y, en caso de una limitación de la consigna de potencia, la determinación de si la potencia de consigna es igual o inferior a una capacidad de potencia instantánea de la turbina eólica según la curva de potencia. En caso de resultado positivo, la turbina eólica funciona a la potencia consignada, a una velocidad de rotor consignada que es diferente de la velocidad de rotor teórica para la potencia consignada.
[0032] "Estado estable", tal como se utiliza aquí con respecto a la curva teórica de potencia, se refiere a un estado teórico en el que la velocidad del viento no varía. En la realidad, la velocidad del viento (casi) nunca será realmente constante, pero para el funcionamiento teórico de la turbina eólica, puede suponerse que la velocidad del viento es constante y uniforme. El término "estado estable" se utiliza para distinguirlo de las condiciones transitorias del viento, por ejemplo, las ráfagas de viento, u otros cambios significativos en la velocidad del viento.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
[0033] A continuación se describirán ejemplos no limitativos de la presente divulgación, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 ilustra una vista en perspectiva de un ejemplo de turbina eólica;
La figura 2 ilustra una vista interior simplificada de un ejemplo de góndola de la turbina eólica de la figura 1;
La figura 3 muestra una curva de potencia típica de una turbina eólica;
La figura 4 muestra la misma curva de potencia de la figura 3, con la velocidad de giro del rotor a lo largo de un eje horizontal, y el par del generador a lo largo del eje vertical;
La figura 5 muestra un ejemplo de posibles operaciones de una turbina eólica según diferentes consignas de potencia; y
La figura 6 muestra un ejemplo de funcionamiento de una turbina eólica que incluye una transición hacia una limitación de la consigna de potencia; y
La figura 7 muestra otro ejemplo de funcionamiento de una turbina eólica que incluye una transición hacia una limitación de la consigna de potencia; y
La figura 8 ilustra otro ejemplo de definición de operaciones en función de diferentes consignas.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LOS EJEMPLOS
[0034] A continuación se hará referencia en detalle a ejemplos, uno o más de los cuales se ilustran en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la divulgación, no de limitación de la misma. De hecho, será evidente para los expertos en la materia que pueden realizarse diversas modificaciones y variaciones sin apartarse del alcance de la invención. Por ejemplo, las características ilustradas o descritas como parte de un ejemplo pueden utilizarse con otro ejemplo para obtener otro ejemplo más. Así pues, se pretende que la presente divulgación abarque las modificaciones y variaciones que entren dentro del ámbito de las reivindicaciones adjuntas.
[0035] La figura 1 ilustra una vista en perspectiva de un ejemplo de turbina eólica 200. Como se muestra, la turbina eólica 200 incluye una torre 210 que se extiende desde una superficie de apoyo 211, una góndola 220 montada en la torre 210 y un rotor 230 acoplado a la góndola 220. El rotor 230 incluye un buje giratorio 231 y al menos una pala 232 acoplada al buje 231 y que se extiende hacia el exterior. Por ejemplo, en la realización ilustrada, el rotor 230 incluye tres palas 232. Sin embargo, en una realización alternativa, el rotor 230 puede incluir más o menos de tres palas 232. Cada pala 232 puede estar espaciada alrededor del buje 231 para facilitar la rotación del rotor 230 y permitir que la energía cinética se transfiera del viento a energía mecánica utilizable y, posteriormente, a energía eléctrica. Por ejemplo, el buje 231 puede acoplarse de forma giratoria a un generador eléctrico 221 (figura 2) situado dentro de la góndola 220 para permitir la producción de energía eléctrica.
[0036] La turbina eólica 200 también puede incluir un controlador de turbina eólica 240 centralizado dentro de la góndola 220. Sin embargo, en otros ejemplos, el controlador de la turbina eólica 240 puede estar situado dentro de cualquier otro componente de la turbina eólica 200 o en un lugar exterior a la turbina eólica. Además, el controlador 240 puede estar acoplado comunicativamente a cualquier número de componentes de la turbina eólica 200 con el fin de controlar el funcionamiento de dichos componentes y/o determinar la fatiga acumulada real de los mismos. En algunos ejemplos, el controlador puede estar configurado además para realizar una operación de mantenimiento en un componente de la turbina eólica. En algunos ejemplos, el controlador de la turbina eólica puede estar acoplado comunicativamente a sensores para obtener la velocidad del viento o la intensidad de las turbulencias. El controlador de la turbina eólica se explicará con más detalle a continuación.
[0037] La figura 2 ilustra una vista interna simplificada de un ejemplo de la góndola 220 de la turbina eólica 200 de la figura 1. Como se muestra, el generador 221 puede estar dispuesto dentro de la góndola 220. En general, el generador 221 puede estar acoplado al rotor 230 de la turbina eólica 200 para generar potencia eléctrica a partir de la energía de rotación generada por el rotor 230. Por ejemplo, el rotor 230 puede incluir un eje principal 222 acoplado al buje 231 para girar con él. El generador 221 puede estar acoplado al eje del rotor 222 de manera que la rotación del eje del rotor 222 accione el generador 221. Por ejemplo, en la forma de realización ilustrada, el generador 221 incluye un eje generador 223 acoplado de forma giratoria al eje rotor 222 a través de una caja de engranajes 224. Debe apreciarse que el eje del rotor 222, la caja de engranajes 223 y el generador 221 pueden estar generalmente soportados dentro de la góndola 220 por un bastidor de soporte o bancada 225 colocado encima de la torre de la turbina eólica 210.
[0038] Las palas 232 están acopladas al buje 231 con un rodamiento de cambio de paso entre la pala 232 y el buje 231 y pueden realizar un movimiento de rotación relativo con respecto al buje 231 cuando se acciona el sistema de ángulo de paso 233.
[0039] Como ya se ha comentado, la Fig. 3 ilustra una curva de potencia de una turbina eólica que describe el funcionamiento de una turbina eólica y la generación de potencia eléctrica en función de la velocidad del viento. La misma figura ilustra cómo la curva de potencia se traduce en curvas que describen el ángulo de paso de las palas y el par del generador, así como la velocidad del rotor en función de la velocidad del viento.
[0040] La figura 4 muestra la misma curva de potencia de la figura 3, con la velocidad de giro teórica del rotor a lo largo de un eje horizontal, y el par teórico del generador a lo largo del eje vertical. En la técnica anterior, para cada consigna de potencia teórica, existe una única combinación de velocidad teórica del rotor y par teórico del generador que describe el funcionamiento de la turbina eólica. Por lo tanto, en la técnica anterior, en el caso de una limitación de la consigna de potencia, puede mantenerse una velocidad teórica específica del rotor durante un periodo prolongado. Si esta velocidad de rotor específica coincide o se aproxima a una frecuencia de excitación problemática, pueden producirse fallos estructurales o daños por fatiga.
[0041] Por lo tanto, de acuerdo con un aspecto de la presente divulgación, a la potencia de consigna, la turbina eólica puede funcionar a una velocidad de rotor de consigna diferente de la velocidad de rotor teórica para esa potencia de consigna. Es decir, para un funcionamiento conforme a una imitación de la consigna, pueden definirse una o varias curvas de potencia alternativas. Es posible que estas curvas de potencia alternativas sólo permitan el funcionamiento en subrangos seleccionados del intervalo total de velocidades del rotor. Estos subrangos pueden seleccionarse de tal manera que se alejen de las velocidades del rotor que podrían provocar un aumento de las respuestas estructurales. Por lo tanto, un funcionamiento prolongado en uno de estos subrangos no provocará fallos estructurales ni daños excesivos por fatiga.
[0042] Los subrangos seleccionados pueden ser estrechos, por ejemplo, tener una anchura de 1 rpm, o de 0,5 rpm o menos. En algunos ejemplos, pueden definirse múltiples subrangos separados de este tipo. En algunos ejemplos, los subrangos pueden reducirse a una sola velocidad, de modo que el funcionamiento en limitación de consigna sólo se permita a un número limitado de velocidades de giro.
[0043] Las curvas de potencia que describen el funcionamiento de la turbina eólica en función de la velocidad del viento pueden representarse en el plano par / velocidad del rotor, como se muestra en la figura 4. En lugar de "curva de potencia", estas curvas que describen el funcionamiento de la turbina eólica también pueden denominarse "curvas de par".
[0044] La figura 5 muestra un ejemplo de posibles operaciones de una turbina eólica según diferentes consignas de potencia en un ejemplo de la presente divulgación. La figura 5 muestra en la misma una curva de potencia tradicional (o "curva de par") que comprende las porciones 10, 5 y 50. La porción vertical 10 corresponde a un primer intervalo de funcionamiento a bajas velocidades del viento, en el que se mantiene una velocidad mínima del rotor. La porción 5 corresponde a un funcionamiento de velocidad específica constante. La velocidad del rotor y el par del generador se varían de modo que se mantenga una relación de velocidad de punta A óptima (velocidad tangencial de la punta de las palas del rotor dividida por la velocidad del viento predominante) para maximizar el coeficiente de potencia Cp. Para maximizar la potencia y mantener Cp constante en su valor máximo, el par del rotor puede ajustarse de acuerdo con la siguiente ecuación:
T = k.w2, donde k es una constante, y w es la velocidad de rotación del generador. En una turbina eólica de transmisión directa, la velocidad del generador es sustancialmente igual a la velocidad del rotor. En una turbina eólica con caja de engranajes, normalmente existe una relación sustancialmente constante entre la velocidad del rotor y la velocidad del generador. En algunos ejemplos, el ajuste del par del rotor puede incluir también la torsión inducida.
[0045] La porción vertical 50 corresponde al funcionamiento de una turbina eólica a la velocidad nominal del rotor.
[0046] Además del funcionamiento normal (que tendría lugar en ausencia de una limitación de la consigna de potencia), en la Fig. 5 se ilustra un método de funcionamiento de una turbina eólica de velocidad variable en caso de limitación de la consigna de potencia.
[0047] Se muestra un número limitado de velocidades predefinidas del rotor, wmin, wi, W2, W3 y wmax. En algunos ejemplos, el número de velocidades predefinidas del rotor puede estar comprendido entre dos y ocho (incluyendo la velocidad mínima del rotor y la velocidad nominal del rotor), más concretamente entre tres y seis.
[0048] Para cada una de las velocidades del rotor predefinidas, wmin, wi, W2, W3 y wmax, se define un intervalo de par del generador. Estos se indican con los signos de referencia 10, 20, 30, 40 y 50 respectivamente. Cada consigna de potencia posible hasta la potencia nominal puede definirse mediante una combinación del par del generador y la velocidad del rotor.
[0049] Para una velocidad del rotor W2 por ejemplo, el par del generador puede variar entre un valor mínimo 32 y un valor máximo 34. Para una velocidad del rotor W2, el rango de consigna de potencia se define entre un valor mínimo de potencia (en el valor de par 32) y un valor máximo (en el valor de par 34). Del mismo modo, para una velocidad del rotor W3, el par del generador puede variar entre un valor mínimo 42 y un valor máximo 44. En este ejemplo, la potencia máxima para la velocidad del rotor W2 (en el valor de par 34) corresponde a la potencia mínima para la velocidad del rotor W3 (en el valor de par 44). Los puntos están conectados por las curvas de isopotencia 25, 35 y 45 respectivamente, las curvas de isopotencia indican combinaciones de par del generador y velocidad del rotor que dan como resultado la misma potencia del generador.
[0050] En este ejemplo concreto, los rangos de consigna de potencia para cada una de las velocidades predefinidas del rotor no se solapan entre sí. En ejemplos alternativos, los rangos de consignas de potencia podrían solaparse. Es decir, para determinadas consignas, podría haber más de una combinación de velocidad del rotor y par del generador. Sería necesaria una lógica adicional para determinar la combinación más adecuada en cada ocasión.
[0051] Un método de funcionamiento de la turbina eólica en el caso de una limitación de la consigna de potencia puede incluir la determinación de si la consigna de potencia es inferior o igual a una capacidad teórica de la turbina eólica de acuerdo con las condiciones de viento predominantes. Si la consigna de potencia está por debajo de la capacidad teórica, entonces se hace funcionar la turbina eólica según la consigna de potencia, es decir, según la combinación de par del generador y velocidad del rotor predefinida en una cualquiera de las líneas verticales 10, 20, 30, 40 y 50 para la consigna de potencia.
[0052] En algunos ejemplos, el número limitado de velocidades de giro predefinidas puede determinarse en función de un diagrama de Campbell para la turbina eólica. Un diagrama de Campbell representa el espectro de respuesta de un sistema en función de su régimen de oscilación. En el caso de una turbina eólica, los modos antepuesto y lateral de la torre, así como los modos de pala en dirección de abatimiento y de canto, pueden estar excitados por diferentes armónicos (1p, 3p, 6p, etc.) de la velocidad del rotor. El análisis del diagrama de Campbell puede revelar las velocidades del rotor que pueden causar fenómenos de resonancia. Las velocidades del rotor para el funcionamiento en el caso de una limitación de la consigna de potencia pueden así seleccionarse para evitar estas velocidades del rotor potencialmente problemáticas.
[0053] En algunos casos, especialmente en las aplicaciones marinas, el diagrama de Campbell puede desplazarse a lo largo de la vida útil de una turbina eólica, es decir, los modos estructurales y las frecuencias pueden cambiar con el tiempo. En consecuencia, también pueden redefinirse las bandas de exclusión de las velocidades del rotor que deben evitarse durante la limitación de la consigna de potencia.
[0054] En algunos ejemplos, el método puede comprender la recepción de la limitación de la consigna de potencia desde un sistema de control central o desde un operador de red. Por ejemplo, en el caso de un problema en la red eléctrica, el operador de red o el código de red pueden prescribir el funcionamiento de acuerdo con una consigna de potencia reducida. Del mismo modo, esa consigna reducida puede definirse para un parque eólico compuesto por una pluralidad de turbinas eólicas. Un controlador del parque eólico puede distribuir las necesidades de potencia de la red entre los distintos aerogeneradores, definiendo una consigna para cada uno de los aerogeneradores individuales.
[0055] En otros ejemplos, un controlador de la turbina eólica puede determinar la limitación de la consigna de potencia. Un controlador local de una turbina eólica (por ejemplo, un SCADA) puede determinar una limitación de la consigna de potencia en caso de avería en un componente. Esto puede permitir que la turbina eólica siga funcionando a pesar del fallo hasta que se realice el mantenimiento planificado.
[0056] En algunos ejemplos, el funcionamiento de la turbina eólica puede comprender además el funcionamiento según una curva de potencia predefinida en ausencia de una limitación de la consigna, definiendo la curva de potencia predefinida combinaciones de los ángulos de paso de las palas y del par del generador en función de una velocidad del viento. La curva de potencia predefinida puede incluir la curva 5 de velocidad específica sustancialmente constante. Mientras la capacidad de potencia teórica (es decir, el funcionamiento según la curva de potencia) de la turbina eólica esté por debajo de la consigna de potencia, el funcionamiento podrá seguir siendo normal, y sólo cuando la capacidad de potencia de la turbina eólica esté por encima de la consigna de potencia, se podrá conmutar a una de las velocidades del rotor seleccionadas. La variación normal de la velocidad del viento garantizará que el riesgo o resonancia en el funcionamiento normal sea muy bajo, mientras que la resonancia puede evitarse seleccionando adecuadamente la pluralidad de velocidades del rotor wmin, wi, W2, W3 y wmax.
[0057] Pueden definirse diferentes métodos de transición entre el funcionamiento según la curva de potencia ("funcionamiento normal") y la limitación de la consigna. Dos ejemplos de tales transiciones se explicarán con referencia a las figuras 6 y 7.
[0058] La figura 6 muestra un ejemplo de funcionamiento de una turbina eólica que incluye una transición hacia una limitación de la consigna de potencia. En el ejemplo particular, ilustrado la limitación de la consigna de potencia es Pi. Para la limitación de consigna a Pi, se han predefinido la velocidad de giro W2 y el par del generador Ti. Mientras las condiciones del viento sean tales que la potencia que pueda producir la turbina eólica sea inferior a Pi, el funcionamiento podría seguir sustancialmente la curva de potencia original, es decir, los ajustes originales del cambio de paso y del par del generador.
[0059] En algunos ejemplos de funcionamiento, si la limitación de la consigna de potencia está por encima de la capacidad teórica, la turbina eólica puede funcionar según la curva de potencia predefinida hasta una primera velocidad del viento Vi, y luego pasar a la consigna de potencia para velocidades del viento superiores a la primera velocidad del viento.
[0060] En algunos ejemplos, el funcionamiento puede ser "normal" (según la curva de potencia predefinida), hasta que se alcance una de las velocidades predefinidas del rotor a la primera velocidad del viento. En el ejemplo de la figura 6, puede alcanzarse W2 a la velocidad del viento Vi. A continuación, la transición puede comprender el mantenimiento de la velocidad predefinida del rotor W2 (a medida que aumenta la velocidad del viento) y la variación del par hasta que se alcance la consigna de potencia a una segunda velocidad del viento V2.
[0061] Para velocidades del viento superiores a la velocidad del viento V2, los ángulos de paso de las palas pueden variar para mantener la consigna de potencia y mantener constante la velocidad del rotor. Este funcionamiento puede considerarse comparable al funcionamiento en el rango supranominal de funcionamiento 50 según la curva de potencia tradicional.
[0062] Como puede verse en la Fig. 6, una curva de funcionamiento modificada describe ahora el funcionamiento de la turbina eólica. Para velocidades del viento inferiores a Vi, la curva de potencia predefinida describe el funcionamiento. Para velocidades del viento superiores a V2, la consigna de potencia se mantiene manteniendo constantes la velocidad del rotor y el par del generador. Y una transición intermedia en la que se aumenta el par del generador para mantener constante la velocidad del rotor. Observe que esta transición puede ser especialmente adecuada para consignas de potencia que se sitúan por encima de la curva 5 que representa un coeficiente de potencia y una velocidad específica óptimos, es decir, la velocidad específica es menor en la consigna de potencia que en el caso de la curva de potencia predefinida.
[0063] La fig. 7 muestra otro ejemplo de funcionamiento de una turbina eólica que incluye una transición hacia una limitación de la consigna de potencia. Durante el funcionamiento, se determina o se recibe una consigna P2. Para la consigna de potencia P2, se han predefinido la velocidad del rotor W2 y el par del generador T2.
[0064] En el ejemplo de la Fig. 7, según la curva de potencia predefinida, la potencia de consigna P2 se alcanza a la velocidad del viento V3. A medida que aumenta la velocidad del viento, se abandona la curva de potencia tradicional (o "curva de par") y la transición comprende mantener la potencia P2 y aumentar la velocidad del rotor y reducir el par del generador hasta alcanzar la potencia de consigna a una velocidad del viento V4. Si la velocidad del viento aumenta aún más, se pueden variar los ángulos de paso de las palas para mantener la consigna de potencia P2 y mantener constante la velocidad del rotor.
[0065] En este ejemplo de la Fig. 7, la transición entre la curva de potencia predefinida (a la velocidad del viento V3) y la consigna de potencia (a la velocidad del viento V4) se produce a lo largo de una curva isopotencia 25. Durante esta transición, los ángulos de paso de las palas pueden variar para controlar la velocidad del rotor. Y el par del generador puede variarse en función de la velocidad del rotor para mantener una potencia constante. Esta transición es especialmente adecuada de consignas de potencia que caen por debajo de la curva 5 de coeficiente de potencia máxima y velocidad específica óptima.
[0066] La figura 8 ilustra otro ejemplo de definición de las operaciones en función de diferentes consignas. Se ilustra un método de funcionamiento de una turbina eólica de velocidad variable en caso de limitación de una consigna de potencia. La turbina eólica puede tener un rotor con una pluralidad de palas y un generador y un controlador de turbina eólica para controlar un par del generador y un ángulo de paso de las palas.
[0067] La turbina eólica puede tener un rango de velocidad operativa del rotor que se extiende desde una velocidad mínima del rotor Wm¡n hasta una velocidad máxima del rotor Wnom. El rango de velocidad operativa del rotor incluye una o varias bandas de exclusión de velocidades del rotor relacionadas con la excitación de los modos estructurales. En el ejemplo de la figura 8, se ilustran siete bandas de exclusión o "muertas". Debe quedar claro que puede haber muchas más bandas muertas. En general, el número de bandas muertas puede depender de la flexibilidad de la estructura. La anchura de las bandas muertas puede depender de cómo interactúen los diversos modos estructurales y puedan reforzarse mutuamente y también de la extensión del daño por fatiga que pueda definirse como aceptable.
[0068] En las aplicaciones marinas, debido a la interacción de los cimientos con el suelo, los modos estructurales pueden cambiar con el tiempo. Por lo tanto, las bandas muertas pueden redefinirse periódicamente. En algunos ejemplos, el aumento de las vibraciones puede ser un desencadenante para redefinir las bandas muertas. Las bandas muertas podrían redefinirse, por ejemplo, durante un mantenimiento planificado a través de un cambio en el controlador de la turbina eólica (por ejemplo, SCADA).
[0069] El método comprende determinar si la consigna de potencia es inferior o igual a una capacidad teórica de la turbina eólica de acuerdo con las condiciones de viento predominantes, y si la consigna de potencia es inferior a la capacidad teórica, la turbina eólica se hace funcionar para generar potencia de acuerdo con la consigna de potencia. Esto incluye el funcionamiento de la turbina eólica de acuerdo con una consigna de velocidad del rotor y una consigna de par del generador predefinidas para la consigna de potencia, estando la consigna de velocidad del rotor fuera de las bandas de exclusión.
[0070] La consigna de velocidad del rotor puede estar en uno o más subrangos de velocidad seleccionados, definidos entre las bandas de exclusión. A diferencia de los ejemplos anteriores, en la figura 8 no hay un número limitado de velocidades de giro, sino que se muestran subrangos estrechos que se extienden, por ejemplo, desde w la y w1b, y otro rango que se extiende desde w2a y w2b.
[0071] Las porciones de la curva de potencia con signos de referencia 10 y 50 son verticales como antes, es decir, de velocidad constante. Sin embargo, las porciones de la curva de potencia con signos de referencia 20, 30 y 40 no son verticales como en los ejemplos anteriores. La velocidad del rotor no es exactamente constante, sino que puede variar en un estrecho margen. Cada consigna de potencia posible hasta la potencia nominal puede definirse mediante una combinación del par del generador y la velocidad del rotor.
[0072] Para el rango de velocidad del rotor W2a a W2b, por ejemplo, el par del generador puede variar entre un valor mínimo 32 y un valor máximo 34. En este subrango, la consigna de potencia se define entre un valor mínimo de potencia (en el valor de par 32) y un valor máximo (en el valor de par 34). Del mismo modo, alrededor de la velocidad del rotor w3, el par del generador puede variar entre un valor mínimo 42 y un valor máximo 44. En este ejemplo, la potencia máxima para la velocidad del rotor W2 (en el valor de par 34) corresponde a la potencia mínima para la velocidad del rotor W3 (en el valor de par 44). Los puntos están conectados por las curvas de isopotencia 25, 35 y 45 respectivamente, las curvas de isopotencia indican combinaciones de par del generador y velocidad del rotor que dan como resultado la misma potencia del generador.
[0073] Aunque en este ejemplo, las líneas 20, 30 y 40 son diagonales (es decir, de velocidad del rotor y par del generador en constante aumento), no tiene por qué ser así. Las líneas 20, 30 y 40 pueden tener formas diferentes. En lugar de diagonales pueden incorporar porciones verticales y curvas. En particular, en algunos ejemplos, una porción puede seguir una parte de la curva 5 de coeficiente de potencia máxima.
[0074] En otro aspecto de la presente divulgación, se proporciona una turbina eólica de velocidad variable que comprende un rotor con una pluralidad de palas, un generador y un controlador de turbina eólica para controlar un par del generador y un ángulo de paso de las palas. El controlador puede estar configurado para llevar a cabo cualquiera de los métodos aquí divulgados.
[0075] El controlador de la turbina eólica puede incluir uno o más procesador(es) y dispositivo(s) de memoria asociado(s) configurado(s) para realizar una variedad de funciones implementadas por ordenador (por ejemplo, realizar los métodos, etapas, cálculos y similares y almacenar los datos pertinentes según se describe en el presente documento) de acuerdo con cualquiera de los métodos aquí descritos. Según este aspecto, el controlador puede realizar varias funciones diferentes, como recibir, transmitir y/o ejecutar señales de control de la turbina eólica, por ejemplo, determinar o recibir una limitación de la consigna de potencia, y cambiar los ajustes de control de la turbina eólica en respuesta a la limitación de la consigna. Por ejemplo, el controlador puede estar configurado para controlar el cambio de paso o el ángulo de paso de cada una de las palas para controlar la potencia generada por la turbina eólica ajustando una posición angular de al menos una pala con respecto al viento. Como resultado, el funcionamiento de la turbina eólica puede aumentar o disminuir.
[0076] El controlador también puede incluir un módulo de comunicaciones para facilitar las comunicaciones entre el controlador y los componentes de la turbina eólica. Además, el módulo de comunicaciones puede incluir una interfaz de sensor (por ejemplo, uno o más convertidores analógico-digitales) para permitir que las señales transmitidas desde uno o más sensores se conviertan en señales que puedan ser comprendidas y procesadas por los procesadores. Debe apreciarse que los sensores pueden acoplarse comunicativamente al módulo de comunicaciones utilizando cualquier medio adecuado como, por ejemplo, una conexión por cable o una conexión inalámbrica. Como tal, el procesador puede estar configurado para recibir una o más señales de los sensores. Las señales de uno o más de los sensores pueden indicar un posible fallo de un componente. En respuesta, puede activarse una limitación de la consigna de potencia.
[0077] Tal y como se utiliza en el presente documento, el término "procesador" se refiere no sólo a los circuitos integrados mencionados en la materia como incluidos en un ordenador, sino también a un controlador, un microcontrolador, un microordenador, un controlador lógico programable (PLC), un circuito integrado de aplicación específica y otros circuitos programables. El procesador también está configurado para calcular algoritmos de control avanzados y comunicarse con diversos protocolos basados en Ethernet o en serie (Modbus, OPC, CAN, etc.). Además, el/los dispositivo(s) de memoria puede(n) comprender elemento(s) de memoria que incluyan, entre otros, un medio legible por ordenador (por ejemplo, una memoria de acceso aleatorio (RAM)), un medio no volátil legible por ordenador (por ejemplo, una memoria flash), un disquete, una memoria de sólo lectura de disco compacto (CD-ROM), un disco magneto-óptico (MOD), un disco versátil digital (DVD) y/u otros elementos de memoria adecuados. Dicho(s) dispositivo(s) de memoria puede(n) estar configurado(s) para almacenar instrucciones legibles por ordenador adecuadas que, al ser implementadas por el (los) procesador(es), configuren el controlador para realizar las diversas funciones descritas en el presente documento.
[0078] En particular, el número limitado de velocidades de giro predefinidas puede determinarse en función de un diagrama de Campbell para la turbina eólica.
[0079] En todos los ejemplos aquí descritos, siempre que se describa el funcionamiento en función de la velocidad del viento, esto puede implicar medir la velocidad del viento (o una velocidad media del viento sobre un área barrida por el rotor) directamente utilizando, por ejemplo, anemómetros y/o un LIDAR o SONAR. Sin embargo, también puede implicar la medición indirecta de la velocidad del viento midiendo, por ejemplo, la velocidad del rotor del generador o la desviación de las palas.
[0080] Esta descripción escrita utiliza ejemplos para divulgar la invención, incluyendo las realizaciones preferidas, y también para permitir a cualquier persona experta en la materia poner en práctica la invención, incluyendo la fabricación y el uso de cualquier dispositivo o sistema y la realización de cualquier método incorporado. El alcance patentable de la invención está definido por las reivindicaciones. Si los signos de referencia relacionados con los dibujos se colocan entre paréntesis en una reivindicación, es únicamente para intentar aumentar la inteligibilidad de la reivindicación, y no se interpretará que limitan el alcance de la reivindicación.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Método de funcionamiento de una turbina eólica de velocidad variable (200), teniendo la turbina eólica un rotor (230) con una pluralidad de palas (232) y un generador (221) y un controlador de turbina eólica (240) para controlar un par del generador y un ángulo de paso de las palas,
teniendo la turbina eólica un rango operativo de velocidades del rotor que se extiende desde una velocidad mínima del rotor (wm¡n) hasta una velocidad máxima del rotor (Wnom), incluyendo el rango operativo de velocidades del rotor una o más bandas de exclusión de velocidades del rotor relacionadas con la excitación de modos estructurales,
el método comprendiendo
operar la turbina eólica según una curva de potencia predefinida (10, 5, 50) en ausencia de una limitación de la consigna de potencia, en la que la curva de potencia predefinida se extiende desde una velocidad mínima del rotor (wmin) hasta una velocidad máxima del rotor (Unom) incluyendo las bandas de exclusión,
definiendo la curva de potencia predefinida combinaciones de los ángulos de paso de las palas y del par del generador en función de una velocidad del viento, y
en caso de limitación de la consigna de potencia, determinar si la consigna de potencia es inferior o igual a una capacidad teórica de la turbina eólica de acuerdo con las condiciones de viento existentes; si la consigna de potencia está por debajo de la capacidad teórica, operar la turbina eólica para generar potencia de acuerdo con la consigna de potencia, lo que incluye hacer funcionar la turbina eólica de acuerdo con una consigna de velocidad del rotor y una consigna de par del generador predefinidas para la consigna de potencia,
estando la consigna de velocidad del rotor fuera de las bandas de exclusión, y donde si la limitación de la consigna de potencia está por encima de la capacidad teórica, operar la turbina eólica según la curva de potencia predefinida hasta una primera velocidad del viento (Vi, V3), y pasar a la consigna de potencia para velocidades del viento superiores a la primera velocidad del viento.
2. El método de la reivindicación 1, en el que la consigna de velocidad del rotor se encuentra en uno o más subrangos de velocidad seleccionados definidos entre las bandas de exclusión.
3. El método de la reivindicación 2, en el que los subrangos de velocidad seleccionados tienen una anchura de 1 rpm o menos, específicamente de 0,5 rpm o menos.
4. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 - 3, en el que la consigna de velocidad del rotor es una de entre un número limitado de velocidades predefinidas del rotor (wmin, W1, W2, W3, Um®<).
5. El método de la reivindicación 4, en el que el número limitado de velocidades predefinidas del rotor incluye entre dos y ocho velocidades predefinidas del rotor, específicamente entre tres y seis velocidades predefinidas del rotor.
6. El método de las reivindicaciones 4 o 5, en el que las velocidades predefinidas del rotor tienen una pluralidad de rangos de consigna de potencia asociados, y en el que ninguno de los rangos de consigna de potencia se solapa.
7. El método de cualquiera de las reivindicaciones 2 - 6, en el que, para cada subrango de velocidad, una consigna de potencia está entre una consigna de potencia mínima (32; 42) y una consigna de potencia máxima (34; 44), en el que
la consigna de potencia máxima para un primer subrango de velocidad es igual a una consigna de potencia mínima para un segundo de los subrangos de velocidad.
8. El método según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 7, en el que, según la curva de potencia predefinida, se alcanza una consigna de velocidad del rotor a la primera velocidad del viento (V1), y
la transición comprende mantener la consigna de velocidad del rotor y variar el par hasta alcanzar la consigna de potencia a una segunda velocidad del viento (V2).
9. El método de la reivindicación 8 comprendiendo además variar los ángulos de paso de las palas para mantener la consigna de potencia para velocidades del viento superiores a la segunda velocidad del viento (V2)
10. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 - 9, en el que, según la curva de potencia predefinida, la consigna de potencia se alcanza a la primera velocidad del viento (V3), y
la transición comprende el mantenimiento de la potencia y el aumento de la velocidad del rotor y la reducción del par del generador hasta que se alcance la velocidad de consigna del rotor a una segunda velocidad del viento (V4).
11. El método de la reivindicación 10 comprendiendo además variar los ángulos de paso de las palas para mantener la consigna de potencia para velocidades del viento superiores a la primera velocidad del viento.
12. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 - 11, que comprende además recibir la limitación de la consigna de potencia desde un sistema de control central o de un operador de red.
13. Una turbina eólica de velocidad variable (200) que comprende
un rotor (230) con una pluralidad de palas (232),
un generador (221), y
un controlador de turbina eólica (240) para controlar un par del generador y un ángulo de paso de las palas, en el que
el controlador de la turbina eólica está configurado para operar la turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 12.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019108244A1 (de) * 2019-03-29 2020-10-01 Wobben Properties Gmbh Verfahren zum Ermitteln einer Leistungskurve einer Windenergieanlage
EP3779182A1 (en) * 2019-08-14 2021-02-17 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Method for computer-implemented determination of control parameters for a turbine
CN113090453B (zh) * 2019-12-23 2023-03-03 新疆金风科技股份有限公司 风力发电机组的控制方法、装置和风力发电机组
JP7549966B2 (ja) * 2020-03-03 2024-09-12 日本製鋼所M&E株式会社 風力発電装置制御部、風力発電装置、風力発電装置制御方法および制御プログラム
EP3957851A1 (en) * 2020-08-17 2022-02-23 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Controlling a floating wind turbine at critical frequencies
CN114320741B (zh) * 2020-09-30 2024-09-24 金风科技股份有限公司 风力发电机组的功率控制方法及设备
CN112283025B (zh) * 2020-10-14 2021-10-12 明阳智慧能源集团股份公司 一种避免风电机组限功率运行在共振区域的控制方法
CN114673630A (zh) * 2020-12-24 2022-06-28 新疆金风科技股份有限公司 风电机组叶尖速比的确定方法、装置、主控制器
CN118765348A (zh) * 2021-12-29 2024-10-11 维斯塔斯风力系统集团公司 基于当前扭矩值的扭矩限制器

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012139584A1 (en) * 2011-04-15 2012-10-18 Vestas Wind Systems A/S A method for adapting wind turbine power production to a power demand
ITMI20121666A1 (it) * 2012-10-05 2014-04-06 Wilic Sarl Impianto eolico per la generazione di energia elettrica
CA2931690C (en) * 2013-12-09 2020-08-04 General Electric Company System and method for reducing oscillation loads of wind turbine
DK2905864T3 (da) * 2014-02-06 2021-02-08 Ge Renewable Tech Wind Bv Fremgangsmåder til drift af et sæt af vindmøller og systemer
DK179069B1 (en) * 2015-09-04 2017-10-02 Envision Energy Denmark Aps A wind turbine and a method of operating a wind turbine with a rotational speed exclusion zone
JP6559559B2 (ja) * 2015-12-11 2019-08-14 株式会社日立製作所 風力発電システムおよび風力発電システムの運転方法

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