ES2949536T3

ES2949536T3 - Control de potencia de salida de una turbina eólica a velocidad del viento por debajo de la nominal

Info

Publication number: ES2949536T3
Application number: ES20740532T
Authority: ES
Inventors: Fabio Caponetti; James Alexander Nichols; Benjamin Rowlinson
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2023-09-29
Anticipated expiration: 2040-06-22
Also published as: EP3990777A1; EP3990777C0; US20220260053A1; US12006914B2; CN114303012A; EP3990777B1; WO2020259774A1

Abstract

Se proporciona un método (70) para controlar la producción de energía de una turbina eólica (10) a una velocidad del viento inferior a la nominal, comprendiendo el método (70): determinar (710) una indicación de la torsión de la pala de una o más palas del rotor (18)) de la turbina eólica (10) en función de la velocidad del viento y/o de la velocidad del rotor; determinar (720) un paso de pala corregido por torsión basándose en la indicación de torsión de pala; y usar (730) el paso de pala corregido por torsión para controlar el paso de una o más palas de rotor (18). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Control de potencia de salida de una turbina eólica a velocidad del viento por debajo de la nominal

Campo técnico

La presente invención se refiere en general al control de potencia de salida de una turbina eólica en condiciones de velocidad del viento por debajo de la nominal.

Antecedentes

Turbinas eólicas conocidas en la técnica comprenden una torre que soporta una góndola y un rotor con un número de palas de rotor. Las palas de rotor son normalmente ajustables en paso; cada pala puede hacerse rotar alrededor de su eje longitudinal usando un actuador de paso. El paso de cada pala se ajusta para cambiar el ángulo de ataque de la pala, normalmente, se regulan en paso palas en una dirección del viento entrante. Cambiar el ángulo de ataque de la pala cambia la carga aerodinámica experimentada por la pala, y, por lo tanto, la potencia generada por la turbina eólica.

Se conoce proporcionar palas de turbina eólica que se deforman de una manera deseada, por ejemplo, torsión y/o flexión de pala, bajo carga, lo que puede mejorar el rendimiento de turbina eólica y aumentar la vida útil de las palas. En particular, se conoce proporcionar palas que exhiben la denominada deformación de 'acoplamiento de flexiónretorcimiento' para reducir la carga incidente sobre la pala, es decir, cuando la pala se flexiona, también experimenta retorcimiento, y viceversa. Tal deformación puede cambiar el ángulo de ataque de una pala acoplada por flexiónretorcimiento.

Como se conoce bien, por encima de una velocidad del viento nominal de una turbina eólica, la turbina se controla generalmente para mantener la salida del generador a un nivel constante igual al límite que el generador es capaz de producir. Por el contrario, por debajo de la velocidad del viento nominal, la velocidad del viento no es lo suficientemente alta como para generar la salida de potencia máxima que el generador es capaz de producir. Como tal, cuando la velocidad del viento está por debajo de la velocidad del viento nominal, generalmente se hace funcionar una turbina eólica para maximizar la salida de potencia del generador que está disponible basándose en la velocidad del viento real. Normalmente, esto se logra manteniendo el paso de pala en un ángulo constante, y variar el par de fuerzas de generador y la velocidad de rotor para mantener el coeficiente de potencia en un máximo.

Sin embargo, debido a la flexión y/o retorcimiento de palas acopladas por flexión-retorcimiento en respuesta a la carga, la salida de potencia de las palas acopladas por flexión-retorcimiento mantenida a un paso constante para velocidades del viento por debajo de la velocidad del viento nominal es menor en comparación con la salida de potencia de palas estándar que no están acopladas por flexión-retorcimiento cuando se mantienen a paso constante para las mismas velocidades del viento por debajo de la velocidad del viento nominal. Además, las palas acopladas por flexiónretorcimiento se vuelven más compatibles con la torsión durante su vida útil, por lo que la salida de potencia cambia a lo largo del tiempo.

El paso de palas acopladas por flexión-retorcimiento puede alterarse para mejorar la salida de potencia a estas velocidades eólicas por debajo de la velocidad del viento nominal. Por ejemplo, el documento EP 2848805 enseña que el ángulo de paso de pala de palas acopladas por flexión-retorcimiento puede ajustarse basándose en una deformación de torsión de pala detectada usando sensores de torsión de pala integrados en la pala. La deformación de torsión medida por los sensores de torsión corresponde a un ángulo de paso particular que da como resultado una salida de potencia mejorada.

Sin embargo, los sensores de torsión de pala pueden ser poco fiables, y no son equipos estándar para palas de turbina eólica. Su incorporación en palas de turbina eólica también es costosa, o no es posible en algunas turbinas eólicas. Algunos sensores de torsión también son incapaces de funcionar o inexactos en condiciones climáticas particulares.

El documento EP3346125 A1 da a conocer un método de funcionamiento de una turbina eólica en el que un controlador compensa el retorcimiento de pala inducido por torsión. El método incluye ajustar el valor de empuje máximo en el programa de control para compensar el retorcimiento inducido. El documento EP2096300 A2 da a conocer el control de carga aerodinámica de una pala de turbina eólica controlando la relación de velocidad de punta (TSR) teniendo en cuenta una respuesta aeroelástica que incluye desviación y retorcimiento.

La presente invención se ha desarrollado en este contexto.

Sumario de la invención

Según un aspecto de la presente invención, se proporciona un método de control de la salida de potencia de una turbina eólica a una velocidad del viento por debajo de la nominal según la reivindicación 1. El método comprende calcular una relación de velocidad de punta basada en la velocidad de rotor y la velocidad del viento. El paso de pala corregido por torsión se determina basándose en la relación de velocidad de punta y la indicación de torsión de pala.

La determinación del paso de pala corregido por torsión comprende determinar un primer paso de pala basándose en la relación de velocidad de punta, determinar un segundo paso de pala basándose en la indicación de torsión de pala, y comparar los pasos de pala primero y segundo para determinar el paso de pala corregido por torsión.

Uno o ambos de los pasos de pala primero y segundo pueden determinarse usando una tabla de consulta.

El segundo paso de pala puede ser un desplazamiento de paso de pala. La determinación del paso de pala corregido por torsión puede comprender ajustar el primer paso de pala mediante el desplazamiento de paso de pala.

La determinación del segundo paso de pala puede comprender determinar un desplazamiento de paso de pala de velocidad del viento basándose en una indicación de torsión de pala determinada en función de la velocidad del viento, determinar un desplazamiento de paso de pala de velocidad de rotor basándose en una indicación de torsión de pala determinada en función de la velocidad de rotor, y calcular el segundo paso de pala como una suma de los desplazamientos de paso de pala de velocidad del viento y velocidad de rotor.

La determinación del primer paso de pala puede comprender determinar un paso de pala de relación de velocidad de punta basándose en la relación de velocidad de punta, determinar un paso de pala de velocidad del viento basándose en la velocidad del viento y/o determinar un paso de pala de velocidad de rotor basándose en la velocidad de rotor, y calcular el primer paso de pala como el mínimo del paso de pala de relación de velocidad de punta y el paso de pala de velocidad del viento y/o el paso de pala de velocidad de rotor determinado.

Puede determinarse que el paso de pala corregido por torsión es un mínimo de los pasos de pala primero y segundo.

La indicación de torsión de pala de una o más palas de rotor de la turbina eólica se basa en una relación predeterminada entre la torsión de pala y al menos una de la velocidad del viento y la velocidad de rotor. La relación predeterminada puede ser una relación funcional. La indicación de torsión de pala puede calcularse basándose en un modelo de la una o más palas de rotor. En esta situación, el modelo incluye una relación predeterminada que expresa la torsión de pala en condiciones de funcionamiento.

Un enfoque de este tipo proporciona una fuente fiable de una indicación de torsión de pala, y es adecuado para su uso en turbinas eólicas que no tienen sensores dedicados en las palas para medir la torsión.

En realizaciones, pueden usarse parámetros adicionales a la velocidad del viento y/o la velocidad de rotor como parámetros de entrada. Según tales realizaciones, la indicación de torsión de pala puede determinarse en función del momento de flexión en sentido de la aleta de raíz de pala. Además, la indicación de torsión de pala puede determinarse en función de un punto de funcionamiento actual de la turbina eólica. Pueden usarse otros parámetros y/o adicionales para parámetros de entrada a la relación predeterminada para determinar la indicación de torsión de pala de una o más palas de rotor.

La determinación del paso de pala corregido por torsión comprende calcular una torsión promedio a lo largo de la longitud de la una o más palas de rotor basándose en la indicación de torsión de pala, y determinar el paso de pala corregido por torsión basándose en la torsión promedio a lo largo de la longitud de la una o más palas de rotor.

El control de la una o más palas de rotor puede comprender regular el paso de la una o más palas de rotor al ángulo de paso corregido por torsión.

Según otro aspecto de la presente invención, se proporciona un medio de almacenamiento legible por ordenador no transitorio que almacena instrucciones en el mismo que, cuando se ejecutan por un procesador, hacen que el procesador realice el método descrito anteriormente.

Según otro aspecto de la invención, se proporciona un controlador para controlar la salida de potencia de una turbina eólica a una velocidad del viento por debajo de la nominal según la reivindicación 13. El controlador puede configurarse para determinar una indicación de torsión de pala de una o más palas de rotor de la turbina eólica en función de la velocidad del viento y la velocidad de rotor. El controlador puede configurarse para determinar un paso de pala corregido por torsión basándose en la indicación de torsión de pala. El controlador puede configurarse para enviar una señal de control para dar instrucciones de control de paso de la una o más palas de rotor usando el paso de pala corregido por torsión para controlar la salida de potencia de la turbina eólica.

Según otro aspecto de la presente invención, se proporciona una turbina eólica que comprende un controlador como se describió anteriormente.

Breve descripción de los dibujos

Ahora se describirán una o más realizaciones de la invención, solo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 muestra una turbina eólica según un ejemplo de la invención;

la figura 2 muestra un controlador de la turbina eólica de la figura 1, y un sistema de actuador de paso de la turbina eólica para controlarse por el controlador;

las figuras 3(a) a 3(c) son gráficos de trayectoria de paso óptimo de potencia para palas de la turbina eólica de la figura 1; en particular, la figura 3(a) muestra la trayectoria de paso óptimo de potencia frente a la relación de velocidad de punta, la figura 3(b) muestra la trayectoria de paso óptimo de potencia frente a la velocidad del viento, la figura 3(c) muestra la trayectoria de paso óptimo de potencia frente a la velocidad de rotor;

la figura 4 ilustra una estrategia de control para el controlador de la figura 2 para determinar el paso de pala según un ejemplo de la invención;

la figura 5 ilustra una estrategia de control para el controlador de la figura 2 para determinar el paso de pala según otro ejemplo de la invención;

la figura 6 ilustra una estrategia de control para el controlador de la figura 2 para determinar el paso de pala según otro ejemplo de la invención; y,

la figura 7 presenta las etapas de un método ejecutado por el controlador de la figura 2 según un ejemplo de la invención.

Descripción detallada de las realizaciones

La figura 1 muestra una turbina eólica 10 en la que puede incorporarse un ejemplo de la invención. La turbina eólica 10 comprende una torre 12 que soporta una góndola 14 en la que está montado un rotor 16. El rotor 16 comprende una pluralidad de palas 18 de turbina eólica que se extienden radialmente desde un buje 20. En particular, cada una de las palas 18 es una pala acoplada de flexión-retorcimiento, es decir, una pala que se retuerce fuera con respecto al viento para aliviar la carga sobre la pala. En este ejemplo, el rotor 16 comprende tres palas 18, aunque son posibles otras configuraciones.

La turbina eólica 10 incluye un detector de velocidad del viento de rotor 201, la medición de velocidad del viento puede realizarse de varias maneras como apreciará el experto en la técnica, siendo una a través de LIDAR como apreciará el experto en la técnica a partir de la bibliografía de diseño y control de turbina eólica. La turbina eólica 10 también incluye un sensor de velocidad de rotación 202, esto puede ser, por ejemplo, en forma de un codificador rotatorio en un árbol de generador de la turbina 10; sin embargo, la velocidad de rotor puede determinarse de cualquier manera adecuada.

Dentro de cada pala 18 se muestra un sensor de carga de pala 181, en otros ejemplos puede haber múltiples sensores de carga de pala que permiten que las cargas de pala se representen por más de una sola variable. El elemento de detección puede ser una galga extensiométrica de fibra óptica, una galga extensiométrica resistiva, o cualquier otro detector apropiado.

La figura 2 muestra un sistema de control de turbina eólica 22 según un ejemplo de la invención que puede implementarse en la turbina eólica 10 de la figura 1. En este caso, el sistema de control 22 incluye un sistema de actuador de paso 24 que se controla por un controlador 26. El sistema de actuador de paso 24 es, o incluye, un sistema para controlar el paso de una o más de las palas 18 de rotor de turbina eólica que a su vez puede incluir un actuador hidráulico 28 dispuesto para ajustar el paso de pala de una manera conocida. La posición real del actuador 28 puede controlarse por una unidad de control de posición de actuador 30 que proporciona una señal de instrucción de posicionamiento al actuador hidráulico 28.

Una o más unidades funcionales del controlador 26 pueden proporcionarse mediante software adecuado que se ejecuta en cualquier sustrato informático adecuado usando procesadores y memoria convencionales o de cliente. Diferentes unidades funcionales del controlador 26 pueden usar un sustrato informático común (por ejemplo, pueden ejecutarse en el mismo servidor) o sustratos separados, o uno o cada uno puede distribuirse entre múltiples dispositivos informáticos.

Debe apreciarse que el controlador 26 y el sistema de actuador de paso 24 pueden replicarse para cada una de las palas 18 de la turbina eólica 10 de modo que la posición de cada pala 18 puede controlarse independientemente, en algunos ejemplos, esto puede hacerse para proporcionar control o ajuste de paso individual para cada pala 18.

Como se describió anteriormente, turbinas eólicas, tal como la turbina eólica 10 mostrada en la figura 1, tienen una velocidad del viento nominal por encima de la cual puede lograrse una salida de potencia máxima del generador. Por encima de la velocidad del viento nominal, la salida de potencia se mantiene en el máximo prescrito para la velocidad del viento nominal ajustando el paso de las palas 18, entre otras medidas para mantener una salida de potencia constante. Por debajo de la velocidad del viento nominal, el ángulo de paso también puede ajustarse para las palas acopladas por flexión-retorcimiento para tener en cuenta la torsión de pala. Como se describió anteriormente, la torsión de pala puede medirse directamente usando sensores de torsión de pala directos, tales como galgas extensiométricas.

En un método de ejemplo de la invención, la velocidad del viento y/o la velocidad de rotor medida o estimada pueden utilizarse como medidas indirectas, es decir, aproximativas, para proporcionar una indicación de torsión de pala. El uso de la velocidad del viento y/o la velocidad de rotor, y/o cualquier otra medida indirecta de torsión de pala, por lo tanto, puede determinarse una indicación de torsión de pala para ajustar el paso de pala por consiguiente cuando la turbina eólica 10 está haciéndose funcionar a velocidad del viento por debajo de la nominal. Un enfoque de este tipo proporciona una fuente más fiable de una indicación de torsión de pala, y es adecuado para su uso en turbinas eólicas que no tienen sensores dedicados en las palas para medir la torsión.

Las figuras 3(a) a 3(c) ilustran gráficos de trayectoria de paso óptimo de potencia para las palas 18 acopladas por flexión-retorcimiento de la turbina eólica 10 de la figura 1. La figura 3(a) muestra la trayectoria de paso óptimo de potencia frente a la relación de velocidad de punta (TSR). TSR, como se entiende bien en la técnica, es la relación de la velocidad de punta de las palas 18, que puede determinarse a partir de la velocidad de rotor y el diámetro de rotor, con respecto a la velocidad del viento incidente en la turbina eólica 10. Se ve en la figura 3(a) que un valor o valores dados de TSR puede(n) corresponder a un número de diferentes ángulos de paso óptimos. En particular, esto puede ocurrir para ángulos de paso cercanos a 0 grados en una denominada 'región de paso óptimo'. En la figura 3, la región de paso óptimo se indica mediante el signo de referencia 32. Por lo tanto, se ve que una indicación de TSR puede no ser suficiente para determinar un único ángulo de paso óptimo. Es decir, valores de TSR en la región de potencia óptima pueden corresponder a un conjunto de ángulos de paso, cada uno correspondiente a una diferente carga y torsión de pala. Esto puede explicarse por el hecho de que TSR es una relación de dos variables, concretamente, velocidad del viento y velocidad de rotor, y por lo tanto una TSR particular puede corresponder a más de un ángulo de paso óptimo, dependiendo de las posibles combinaciones de velocidad del viento y velocidad de rotor. Esto puede verse en la figura 3(a) para el valor de TSR óptimo, indicado por el signo de referencia D, y donde se proporciona una línea vertical en un intervalo de ángulos de paso.

Adicionalmente, la figura 3(b) muestra la trayectoria de paso óptimo de potencia frente a la velocidad del viento y la figura 3(c) muestra la trayectoria de paso óptimo de potencia frente a la velocidad de rotor. Como puede verse en las figuras 3(b) y 3(c), los valores individuales de velocidad del viento y velocidad de rotor corresponden a un ángulo de paso particular.

Por consiguiente, en un método a modo de ejemplo de la invención, a velocidades del viento por debajo de la velocidad del viento nominal, el paso de pala de una o más de las palas 18 se ajusta para tener en cuenta la torsión de la pala, basándose en medidas indirectas de torsión de pala. En particular, se determina una indicación de torsión de pala de la una o más palas 18, en función de la velocidad del viento y/o la velocidad de rotor. Un paso ajustado, es decir, un paso de pala corregido por torsión, de la pala 18 se determina basándose en la indicación de torsión de pala. El paso de pala corregido por torsión se usa para controlar el paso de la una o más palas 18. Esto se describe con mayor detalle a continuación.

El presente método describe la utilización de la relación identificada entre la torsión de pala y la velocidad del viento y/o la velocidad de rotor para tener en cuenta la autodescarga de las palas y la salida de potencia subóptima resultante. En un ejemplo específico, como se describió anteriormente, el método describe determinar una indicación de torsión de pala basándose en la velocidad del viento y/o la velocidad de rotor, determinar un ángulo de paso ajustado basándose en esa indicación, y luego usar el ángulo de paso ajustado para controlar la turbina eólica 10.

En otros ejemplos, el método describe determinar una indicación de torsión de pala basándose en la velocidad del viento y/o la velocidad de rotor y determinar un paso de pala corregido basándose en un valor de TSR y la indicación de torsión de pala. La determinación de un paso corregido se basa tanto en la TSR como en la indicación de torsión de pala para tener en cuenta el conjunto de ángulos de paso en la TSR óptima. En particular, un método de este tipo puede comprender determinar un primer ángulo de paso basándose en la TSR, y un segundo ángulo de paso basándose en la indicación de torsión de pala. El segundo ángulo de paso puede ser un ángulo de paso desplazado, es decir, una corrección, que puede aplicarse al primer ángulo de paso, o puede ser un ángulo de paso absoluto que se usa en lugar del primer ángulo de paso.

En algunos ejemplos, el segundo ángulo de paso en sí mismo puede considerarse como la indicación de torsión de pala.

En otros ejemplos adicionales, el método describe determinar una indicación de torsión de pala basándose en un modelo de la pala formulado basándose en parámetros tales como velocidad del viento, velocidad de rotor, momento en sentido de la aleta de raíz de pala, y salida de potencia activa.

La figura 4 ilustra una estrategia de control de ejemplo 40 para el controlador 26. Ejemplos específicos de estrategias de control 50, 60 para el controlador 26 se comentan más adelante en relación con las figuras 5 y 6.

En la estrategia de control 40 de la figura 4, valores medidos o estimados de velocidad de rotor, etiquetada como 'rpm', y velocidad del viento, etiquetada como 'v', se proporcionan como entradas al bloque 410. Usando las entradas, se calcula una TSR y se emite en el bloque 410 basándose en la velocidad de rotor de entrada y la velocidad del viento. La TSR se proporciona como una entrada al bloque 420, donde un primer ángulo de paso, 01, se determina basándose en la TSR de entrada. El primer ángulo de paso correspondiente a la TSR se determina según una tabla de consulta predeterminada o por otros medios, tal como un modelo predictivo.

Al menos una entrada, etiquetada como 'a', se proporciona en el bloque 430. Un segundo ángulo de paso, 02, se determina en el bloque 430 basándose en la entrada al bloque. El segundo ángulo de paso puede determinarse basándose en una tabla de consulta para la entrada o de otro modo, por ejemplo, usando un modelo o una función particular que representa la torsión de pala de modo que el bloque 430 puede representarse mediante una fórmula: 02=fr(a) donde T es la torsión de pala.

Los ángulos de paso primero y segundo, 0i y 02, se proporcionan como entradas al bloque 440, donde una determinación de un ángulo de paso final, 0f¡nal, se realiza usando una función predefinida y basándose en los dos ángulos de paso de entrada, 0i y 02. El ángulo de paso final se proporciona como una salida del controlador 26 al sistema de actuador de paso 24. El sistema de actuador de paso 24 usa el ángulo de paso final para controlar el paso de la(s) pala(s) 18 de la turbina eólica 10.

En ejemplos específicos, la entrada, a, proporcionada al bloque 430 para determinar el segundo ángulo de paso, 02, es la velocidad del viento, v. En otros ejemplos, la entrada, a, proporcionada al bloque 430 para determinar el segundo ángulo de paso, 02, es la velocidad de rotor, rpm. También pueden proporcionarse otras medidas indirectas de torsión de pala como entradas al bloque 430, tal como el momento de flexión en sentido de la aleta de raíz de pala.

En el bloque 440, se realiza una función en los ángulos de paso primero y segundo, 01 y 02, para determinar el ángulo de paso final 0final. La función puede comprender una adición o una resta para aplicar el segundo ángulo de paso como un desplazamiento con respecto al primer ángulo de paso. Por ejemplo, el primer ángulo de paso se determina como un ángulo de paso absoluto de modo que se especifica un ángulo de paso al que puede accionarse la pala 18. El segundo ángulo de paso se determina como un desplazamiento que va a aplicarse al ángulo de paso absoluto, de modo que el primer ángulo de paso se ajusta o se corrige según el segundo ángulo de paso. Volviendo brevemente a la figura 3(a), si se determina que la TSR es la TSR óptima, el bloque 420 puede entonces determinar que el primer ángulo de paso es 0, por ejemplo. En el bloque 430, el desplazamiento se determina basándose en la velocidad del viento, y el desplazamiento puede identificarse como -0,5, por ejemplo. Por lo tanto, donde el bloque 440 es una función de adición, la salida de ángulo de paso final para el sistema de actuador de paso 24 sería -0,5 grados.

La función puede ser alternativamente una función de mínimo. En este caso, ambos ángulos de paso primero y segundo se proporcionan como ángulos de paso absolutos. La función en el bloque 440 determina cuál de los ángulos de paso primero y segundo es el ángulo de paso mínimo y ese ángulo de paso se proporciona como el ángulo de paso final de salida. El ángulo de paso final se proporciona al sistema de actuador de paso 24, y el sistema de actuador de paso 24 hace funcionar el actuador hidráulico 28 usando el sistema de control 30 para ajustar el paso de una o más de las palas 18 según sea necesario.

Un ejemplo específico que implementa el enfoque presentado anteriormente se muestra en la figura 5. En la figura 5, la velocidad del viento, v, y la velocidad de rotor, rpm, se proporcionan como entradas al bloque 510 para calcular la TSR. La TSR se proporciona al bloque 511, donde se realiza una determinación de un ángulo de paso de TSR preliminar, 01.1. El ángulo de paso de TSR se determina basándose en una tabla de consulta.

La velocidad del viento se proporciona como una entrada al bloque 512 para identificar un ángulo de paso de velocidad del viento, 01.2. El ángulo de paso de velocidad del viento se determina con referencia a una tabla de consulta.

Tanto la TSR absoluta como los ángulos de paso de velocidad del viento, 01.1 y 01.2, se proporcionan como entradas al bloque 513. El primer ángulo de paso, 01, se determina como un mínimo de los dos ángulos de paso de entrada, 01.1 y 01.2, usando una función de mínimo de modo que el mínimo del ángulo de paso de TSR y el ángulo de paso de velocidad del viento se usan como el primer ángulo de paso.

El segundo ángulo de paso, 02, que es un ángulo de paso desplazado, se determina basándose en dos ángulos de paso desplazados preliminares. Un desplazamiento de ángulo de paso de velocidad del viento, 02.1, se determina en el bloque 521 basándose en una tabla de consulta que usa la velocidad del viento, v, como una entrada. Un desplazamiento de ángulo de paso de velocidad de rotor, 02.2, se determina en el bloque 522 basándose en una tabla de consulta que usa la velocidad de rotor, rpm, como una entrada. El desplazamiento de ángulo de paso de velocidad de rotor y el desplazamiento de ángulo de paso de velocidad del viento, 02.1 y 02.2, se proporcionan como entradas al bloque 523, donde los desplazamientos de ángulo de paso de velocidad del viento y velocidad de rotor se suman entre sí para proporcionar el segundo ángulo de paso 02 como salida.

Los ángulos de paso primero y segundo de salida, 01 y 02, se proporcionan al bloque 540, donde, como el bloque 440 en la figura 4, el segundo ángulo de paso de desplazamiento, 02, se aplica al primer ángulo de paso absoluto, 01, para emitir un ángulo de paso final 0final. El ángulo de paso final se proporciona al sistema de actuador de paso 24 para alterar el paso de una o más de las palas 18. El sistema de actuador de paso 24 hace funcionar el actuador hidráulico 28 usando el sistema de control 30 correspondientemente.

La figura 6 ilustra otra realización específica de la invención. En la figura 6, el primer ángulo de paso, 01, se determina en el bloque 620 basándose en un valor de TSR calculado en el bloque 610 y con referencia a una tabla de consulta.

En este ejemplo, el segundo ángulo de paso, 02, se determina en el bloque 630. El bloque 630 representa un observador que recibe al menos una entrada basándose en un parámetro de funcionamiento indicativo de un punto de funcionamiento actual de la turbina eólica y utiliza ese al menos un parámetro para determinar el segundo ángulo de paso basándose en el valor para el parámetro. El observador determina el segundo ángulo de paso introduciendo el valor para el parámetro o parámetros en un modelo de la turbina eólica o un modelo de una pala de turbina eólica individual y recibiendo una estimación o indicación de torsión de pala, normalmente una torsión de pala promedio o media, experimentada por la pala. El observador determina un ángulo de paso correspondiente a la torsión de pala estimada y este valor se emite desde el bloque 630 como el segundo ángulo de paso. El segundo ángulo de paso de salida puede ser un desplazamiento o un valor absoluto. El observador, en este ejemplo, recibe entradas de velocidad del viento v, velocidad de rotor rpm, momento de flexión en sentido de la aleta de raíz de pala M, y potencia activa P. En otros ejemplos, el observador puede recibir más o menos entradas y puede recibir valores para una variedad de parámetros de entrada diferentes.

El primer ángulo de paso y el segundo ángulo de paso se proporcionan al bloque 640. Como en la figura 4 y el bloque 440, se realiza una función en el bloque 640 usando ambos ángulos de paso primero y segundo. Si el segundo ángulo de paso es un ángulo de paso desplazado, el primer ángulo de paso se ajusta por la cantidad especificada por el segundo ángulo de paso para producir el ángulo de paso final. Si el segundo ángulo de paso es un ángulo de paso absoluto, se realiza una comparación y, por ejemplo, el valor mínimo seleccionado como el ángulo de paso final.

La figura 7 resume las etapas de un método 70 realizado por el controlador 26 para determinar una referencia de paso de corregida por torsión para cada una de las palas 18 de la turbina eólica 10. El método 70 de la figura 7 son etapas realizadas en cada una de las estrategias de control de las figuras 4 a 6.

En la etapa 710, se determina una indicación de torsión de pala basándose en la velocidad del viento y la velocidad de rotor. La indicación de torsión de pala no es una torsión de pala medida, sino más bien una medida aproximativa de la misma. Por ejemplo, la indicación puede incluir un valor de torsión de pala estimado obtenido a partir de un modelo, o una indicación basada en una tabla de consulta. La indicación puede incluir varios valores que son medidas indirectas de torsión de pala. En los ejemplos descritos anteriormente, la velocidad del viento se recibe del detector de velocidad del viento 201 y la velocidad de rotor se recibe del detector de velocidad de rotor 202. En otros ejemplos, la velocidad del viento y/o la velocidad de rotor pueden determinarse usando otros detectores o calculadoras. En los ejemplos descritos, el método puede comprender calcular una relación de velocidad de punta basándose en la velocidad de rotor y la velocidad del viento.

En la etapa 720, se determina un paso de pala corregido por torsión usando la indicación de torsión de pala determinada en la etapa 710. Como se describió anteriormente, el ángulo de paso final, denominado en el presente documento paso de pala corregido por torsión, es generalmente una función de al menos un primer ángulo de paso de pala y un segundo ángulo de paso de pala. En los ejemplos descritos anteriormente, el paso de pala corregido por torsión es el mínimo de dos pasos de pala absolutos o un primer paso de pala corregido por un segundo paso de pala. Puede usarse cualquier función apropiada para determinar un paso de pala corregido por torsión.

Se determina que el paso de pala corregido por torsión tiene en cuenta la autodescarga de una pala bajo una carga particular que conduce a una reducción en el potencial de salida de potencia. El paso de pala corregido por torsión tiene en cuenta la torsión que experimenta la pala en respuesta a la carga a medida que cambia el ángulo de ataque de la pala con respecto a la dirección del viento, mejorando de ese modo la salida de potencia máxima que puede lograrse usando la pala.

En la etapa 730, el paso de pala corregido por torsión se usa para controlar el paso de las palas de rotor. En los ejemplos descritos anteriormente, usar el paso de pala corregido por torsión incluye emitir el paso de pala corregido por torsión al sistema de actuador de paso 26 y ajustar el paso de una o más de las palas 18 usando el actuador hidráulico 28 bajo el control del sistema de control 30. El paso de las palas 18 se ajusta al paso de pala corregido por torsión en los ejemplos anteriores.

Etapas 710, 720 y 730 pueden repetirse con tanta frecuencia como sea necesario para tener en cuenta el cambio de la velocidad del viento y/o la velocidad de rotor.

Ejemplos de la invención son ventajosos porque el paso de pala se corrige para tener en cuenta la torsión de pala sin la necesidad de sensores o detectores de torsión dedicados. Mediante el uso de una indicación de torsión de pala, es decir, una medida indirecta en lugar de una medida directa, la salida de potencia puede controlarse de manera precisa y fiable a través de ajustes de paso de pala.

Además, la indicación de torsión de pala de la una o más palas se basa en al menos una o ambas de la velocidad del viento y la velocidad de rotor. Ambos de estos parámetros ya se miden o calculan durante el funcionamiento normal de las turbinas eólicas convencionales, y los sensores usados para medir o calcular estos parámetros son precisos en sus mediciones. También es importante tener en cuenta que los sensores de velocidad del viento y velocidad de rotor son comunes en todas las turbinas eólicas, incluyendo modelos más antiguos, mientras que los sensores de torsión son un desarrollo relativamente reciente. Como tal, el método anterior también es adecuado para aplicar a turbinas eólicas existentes sin que se requiera ninguna modificación de la turbina eólica.

De manera importante, los sensores para medir la velocidad del viento y la velocidad de rotor también son fiables, y normalmente más fiables que los sensores de torsión sobre las palas. Como estos sensores están generalmente separados de las palas de la turbina eólica, las palas no se ven afectadas por su uso en el método.

Un método de este tipo es particularmente útil en palas acopladas por flexión-retorcimiento, que actúan para descargar cargas aerodinámicas incidentes sobre las mismas por deformación, como ángulo de paso óptimo o deseable para las palas acopladas por flexión-retorcimiento puede depender del valor de una condición de funcionamiento particular de la turbina eólica distinta de la torsión de pala. Tener en cuenta al menos la velocidad del viento y la velocidad de rotor, y usar estas para determinar un paso de pala, permite una salida de potencia mejorada con turbinas eólicas con palas acopladas por flexión-retorcimiento.

Se apreciará que se pueden hacer diversos cambios y modificaciones a la presente invención sin apartarse del alcance de la presente solicitud.

En algunos ejemplos, el paso de pala final o corregido por torsión puede determinarse usando una función apropiada. Por ejemplo, donde se encuentra un mínimo, o una resta o adición realizada en las estrategias de control anteriores, puede identificarse una media o mediana de ángulo de paso, o un cálculo más complejo realizado para identificar un ángulo de paso apropiado.

En algunos ejemplos, el método puede comprender una etapa de validación, por lo que se usa una torsión de pala medida recibida de los detectores de torsión de pala para determinar un ángulo de paso corregido que puede compararse con el ángulo de paso corregido por torsión obtenido usando la velocidad del viento y la velocidad de rotor. Los detectores de torsión de pala pueden montarse periódicamente en las palas, o pueden ser integrales con las mismas, tal como las galgas extensiométricas 181 en la figura 1. Cuando están presentes diferencias de en los ángulos de paso determinados, el controlador 26 mejora iterativamente los modelos y/o tablas de consulta con los que se realizan sus determinaciones para mejorar la precisión del sistema. Un sistema de este tipo puede emplear aprendizaje automático para identificar el cambio de torsión de pala a lo largo del tiempo, de modo que pueden realizarse ajustes adicionales en el futuro.

En algunos ejemplos, un controlador de parque eólico centralizado realiza los métodos y estrategias de control anteriores en lugar de un controlador de turbina eólica individual.

En algunos ejemplos, se incluyen uno o más conmutadores para permitir diferentes combinaciones de ángulos de paso para su uso en la determinación del ángulo de paso corregido por torsión. Los conmutadores pueden responder a las condiciones de funcionamiento o instrucciones de control centralizados.

Claims

REIVINDICACIONES

i. Método (70) de control de potencia de salida de una turbina eólica (10) a una velocidad del viento por debajo de la nominal, comprendiendo el método (70):

calcular una relación de velocidad de punta basada en la velocidad de rotor y la velocidad del viento: determinar (710) una indicación de torsión de pala de una o más palas de rotor (18) de la turbina eólica (10) basándose en una relación predeterminada entre la torsión de pala y al menos una de la velocidad del viento y la velocidad de rotor;

determinar (720) un paso de pala corregido por torsión basándose en la indicación de torsión de pala; y usar (730) el paso de pala corregido por torsión para controlar el paso de la una o más palas de rotor (18) caracterizado porque el paso de pala corregido por torsión se determina basándose en la relación de velocidad de punta y la indicación de torsión de pala, y en el que determinar (720) el paso de pala corregido por torsión comprende determinar un primer paso de pala basándose en la relación de velocidad de punta, determinar un segundo paso de pala basándose en la indicación de torsión de pala, y comparar los pasos de pala primero y segundo para determinar el paso de pala corregido por torsión.
2. Método (70) de la reivindicación 1, en el que uno o ambos de los pasos de pala primero y segundo se determinan usando una tabla de consulta.
3. Método (70) de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el segundo paso de pala es un desplazamiento de paso de pala, y en el que determinar (720) el paso de pala corregido por torsión comprende ajustar el primer paso de pala mediante el desplazamiento de paso de pala.
4. Método (70) de la reivindicación 3, en el que determinar el segundo paso de pala comprende:

determinar un desplazamiento de paso de pala de velocidad del viento basándose en una indicación de torsión de pala determinada en función de la velocidad del viento;

determinar un desplazamiento de paso de pala de velocidad de rotor basándose en una indicación de torsión de pala determinada en función de la velocidad de rotor; y,

calcular el segundo paso de pala como una suma de los desplazamientos de paso de pala de velocidad del viento y velocidad de rotor.
5. Método (70) de la reivindicación 3 o la reivindicación 4, en el que determinar el primer paso de pala comprende:

determinar un paso de pala de relación de velocidad de punta basándose en la relación de velocidad de punta;

determinar un paso de pala de velocidad del viento basándose en la velocidad del viento y/o determinar un paso de pala de velocidad de rotor basándose en la velocidad de rotor; y,

calcular el primer paso de pala como el mínimo del paso de pala de relación de velocidad de punta y el paso de pala de velocidad del viento y/o el paso de pala de velocidad de rotor determinado.
6. Método (70) de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que se determina que el paso de pala corregido por torsión es un mínimo de los pasos de pala primero y segundo.
7. Método (70) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la indicación de torsión de pala se determina en función del momento de flexión de en sentido de la aleta de raíz de pala.
8. Método (70) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la indicación de torsión de pala se determina en función de un punto de funcionamiento actual de la turbina eólica (10).
9. Método (70) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que determinar (720) el paso de pala corregido por torsión comprende:

calcular una torsión promedio a lo largo de la longitud de la una o más palas de rotor (18) basándose en la indicación de torsión de pala; y,

determinar el paso de pala corregido por torsión basándose en la torsión promedio a lo largo de la longitud de la una o más palas de rotor (18).
10. Método (70) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la indicación de torsión de pala se calcula basándose en un modelo de la una o más palas de rotor (18).
11. Método (70) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que controlar la una o más palas de rotor (18) comprende regular el paso de la una o más palas de rotor (18) al ángulo de paso corregido por torsión.
12. Medio de almacenamiento legible por ordenador no transitorio que almacena instrucciones en el mismo que, cuando se ejecutan por un procesador, hacen que el procesador realice el método según las reivindicaciones 1 a 11.
13. Controlador (26) de control de potencia de salida de una turbina eólica (10) a una velocidad del viento por debajo de la nominal, estando configurado el controlador (26) para:

calcular una relación de velocidad de punta basándose en la velocidad de rotor y la velocidad del viento;

determinar (710) una indicación de torsión de pala de una o más palas de rotor (18) de la turbina eólica (10) en función de la velocidad del viento y la velocidad de rotor;

determinar (720) un paso de pala corregido por torsión basándose en la indicación de torsión de pala; y,

enviar (730) una señal de control para dar instrucciones de control de paso de la una o más palas de rotor (18) usando el paso de pala corregido por torsión

caracterizado porque el paso de pala corregido por torsión se determina basándose en la relación de velocidad de punta y la indicación de torsión de pala, y en el que determinar (720) el paso de pala corregido por torsión comprende determinar un primer paso de pala basándose en la relación de velocidad de punta, determinar un segundo paso de pala basándose en la indicación de torsión de pala, y comparar los pasos de pala primero y segundo para determinar el paso de pala corregido por torsión.
14. Turbina eólica (10) que comprende el controlador (26) de la reivindicación 13.