ES2967632T3 - Procedimiento para determinar la velocidad del viento en el plano del rotor de un aerogenerador - Google Patents

Procedimiento para determinar la velocidad del viento en el plano del rotor de un aerogenerador Download PDF

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Abstract

La presente invención se refiere a un método para determinar la velocidad del viento en el plano de un rotor (PR) de un aerogenerador (1), mediante la medición de la velocidad de rotación del rotor, el ángulo de las palas y de la potencia. generado. El método según la invención implementa un modelo dinámico de la turbina eólica, un modelo dinámico del viento y un filtro Kalman sin fragancia. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento para determinar la velocidad del viento en el plano del rotor de un aerogenerador
Campo técnico
La presente invención se refiere al campo de las energías renovables y más particularmente se refiere a la medida del recurso de los aerogeneradores, el viento, con objetivos de predicción del viento, de control (orientación, regulación del par y de la velocidad) y/o diagnóstico y/o de vigilancia del aerogenerador.
Un aerogenerador permite transformar la energía cinética del viento en energía eléctrica o mecánica. Para la conversión de viento, se compone de los siguientes elementos:
• un mástil que permite colocar un rotor a una altitud suficiente para permitir su movimiento (necesario para los vientos del horizonte horizontal ) o colocar este rotor a una altitud que permita disponerlo para un movimiento más alto y más regular que en el nivel de la superficie. El material proviene generalmente de los componentes eléctricos y electrónicos (modulador, control, multiplicador, generador, etc.) ;
• una góndola montada en la parte superior del mástil, que alberga componentes mecánicos, neumáticos y ciertos componentes eléctricos y electrónicos necesarios para el funcionamiento del aerogenerador. La góndola puede girar para orientar el aerogenerador en la dirección correcta;
• un rotor, unido a la góndola, que incluye varias palas (generalmente muy) y el morro del aerogenerador. El rotor es arrastrado por la energía del viento y está conectado mediante un árbol mecánico directa o indirectamente (a través de un sistema de caja de cambios y un árbol mecánico) a una máquina eléctrica (generador eléctrico, etc.), o cualquier otro tipo de máquina de conversión, que convierte la energía recogida en energía eléctrica o cualquier tipo de energía. El rotor tiene potencialmente sistemas de control como palas de ángulo variable o frenos aerodinámicos;
• una transmisión, compuesta por dos ejes (árbol mecánico del rotor y árbol mecánico de la máquina de conversión) conectados por una transmisión (caja de cambios) formando así una cadena cinemática entre el árbol mecánico del rotor y el árbol mecánico de la máquina de conversión.
Desde principios de los años 90, la energía eléctrica ha experimentado un renovado interés, particularmente en la Unión Europea, donde la tasa de aumento anual es de aproximadamente el 20%. Este aumento se atribuye a la posibilidad inherente de generar electricidad sin emisiones de carbono. Para hacer frente a este aumento es necesario mejorar el rendimiento de los aerogeneradores. La perspectiva de aumentar la producción de energía eléctrica requiere el desarrollo de equipos de producción eficientes, y de herramientas de control avanzadas para mejorar el rendimiento de las máquinas. Los aerogeneradores están diseñados para producir electricidad al precio más bajo posible. Por lo tanto, los aerogeneradores generalmente se construyen de manera a permitir su máxima potencia con una velocidad del viento de alrededor de 15 m/s. No es necesario diseñar aerogeneradores que maximicen su rendimiento a velocidades de viento más altas, ya que éstas son poco frecuentes. En caso de velocidades del viento superiores a 15 m/s, es necesario perder parte de la energía adicional contenida en el viento para evitar cualquier daños al aerogenerador. Todos los aerogeneradores están por lo tanto diseñados con un sistema de regulación de potencia.
Para esta regulación de potencia, se designan controladores para aerogeneradores de velocidad variable. Los objetivos de los controladores son maximizar la energía eléctrica recuperada, minimizar las fluctuaciones de velocidad del rotor y minimizar la fatiga y momentos extremos de la estructura (palas, mástil y plataforma).
Técnica anterior
Para optimizar el control es importante considerar la velocidad del viento a nivel del rotor del aerogenerador. Por este motivo se han implementado diversas técnicas.
Existe una primera tecnología, el uso de un anemómetro permite estimar la velocidad del viento en un punto, pero esta tecnología imprecisa no permite meditar sobre la combinación del campo de viento ni reconocer los componentes tridimensionales de la velocidad del viento.
Según una segunda técnica, se puede utilizar un sensor LIDAR (acrónimo de la expresión en inglés “light detecting and ranging” que puede traducirse como teledetección por Láser). El LIDAR es una tecnología de teledetección o de medida óptica basada en el análisis de las propiedades de un haz devuelto a su transmisor. Este método se utiliza especialmente para determinar la distancia a un objeto mediante un impulso láser. A diferencia del radar que se basa en un principio similar, el sensor LIDAR utiliza luz visible o infrarroja en lugar de ondas de radio. La distancia a un objeto o superficie se obtiene a medio camino entre el pulso y la detección de la señal reflejada.
En el ámbito de los aerogeneradores, el sensor LIDAR se anuncia como siendo un sensor indispensable para el correcto funcionamiento de los grandes aerogeneradores, muy particularmente a medida que aumentan su tamaño y su potencia (hoy en día, 5 MW, pronto 12 MW en offshore). Este sensor permite que el viento se mueva, permitiendo en primer lugar calibrar los aerogeneradores para que puedan proporcionar la máxima potencia (optimización de la curva de potencia). Para esta etapa de calibración, el sensor puede posicionarse en el suelo y orientarse verticalmente (perfilador), lo que me permite medir la velocidad del viento y su dirección, así como la pendiente del viento dependiendo de las altitudes. Esta aplicación es muy particularmente crítica ya que nos permite conocer el recurso productor de energía. Esto es importante para proyectos eléctricos, ya que condiciona la fiabilidad financiera del proyecto. Una segunda aplicación es la ubicación de este sensor en la góndola del aerogenerador, para influir en el lateral del aerogenerador cuando está orientado horizontalmente. A priori, medir el campo de viento en la parte delantera del aerogenerador permite conocer de antemano las turbulencias que encontrará el aerogenerador unos instantes después. Sin embargo, las técnicas actuales de control y seguimiento de un aerogenerador no permiten tener en cuenta una medida realizada por un sensor LIDAR estimando con precisión la velocidad del viento a nivel del rotor, es decir en el plano del rotor. Tal aplicación se describe en particular en la solicitud de patente FR 3013777 (US 2015145253).
No obstante, el sensor LIDAR es un sensor costoso. Además, como el desarrollo de tal sensor LIDAR es relativamente reciente, todavía es difícil saber, transformando las medidas brutas del sensor LIDAR, cómo aprovechar las características del campo de viento, como la velocidad del viento, la dirección del viento, el cizallamiento del viento y la turbulencia, el factor de inducción, etc. Por lo tanto, tal sensor LIDAR requiere una implementación compleja para determinar la velocidad del viento en el plano del rotor. Por este motivo, existe la necesidad de determinar la velocidad del viento en el plano del rotor de forma económica, fiable y directamente utilizable, por ejemplo para el control y/o el diagnóstico del aerogenerador.
El documento CA3 053 618 A1 describe un método para definir la potencia disponible de un parque eólico y, en particular, la determinación de las velocidades del viento de diferentes aerogeneradores en el plano de su rotor.
Resumen de la invención
La presente invención tiene como objetivo determinar, en tiempo real, de forma económica y fiable , la velocidad del viento en el plano del rotor. Con este objetivo, la presente invención se refiere a un procedimiento para determinar la velocidad del viento en el plano de un rotor de un aerogenerador, mediante la medición de la velocidad de rotación del rotor, del ángulo de las palas y de la potencia generada. El procedimiento según la invención implementa un modelo dinámico del aerogenerador, un modelo dinámico del viento y un filtro de Kalman sin perfume. Los modelos dinámicos permiten una determinación fiable de la velocidad del viento en el plano del rotor.
El filtro de Kalman sin perfume permite una determinación sin discrepancia en los resultados. Además, el procedimiento según la invención no usa ningún sensor costoso.
La invención se refiere a un procedimiento para determinar la velocidad del viento en el plano del rotor de un aerogenerador, para este procedimiento se implementan las siguientes etapas:
a) medir la velocidad de rotación de dicho rotor de dicho aerogenerador, el ángulo de inclinación de las palas de dicho aerogenerador y la potencia generada por una máquina de conversión de dicho aerogenerador;
b) construir un modelo dinámico de dicho aerogenerador que relaciona la velocidad de rotación de dicho rotor de dicho aerogenerador con dicha velocidad del viento en dicho plano del rotor, con dicho ángulo de inclinación de dichas palas de dicho aerogenerador y con dicha potencia generada por dicha máquina de conversión de dicho aerogenerador;
c) construir un modelo de viento dinámico mediante un modelo de funcionamiento aleatorio de segundo orden; y
d) determinar dicha velocidad del viento sobre dicho plano de dicho rotor mediante un filtro de Kalman sin perfume aplicado a dicho modelo dinámico de dicho aerogenerador, dicho modelo dinámico de viento, y a partir de dichas medidas de dicha velocidad de rotación de dicho rotor, de dicho ángulo de inclinación de dichas palas de aerogenerador, y de dicha energía generada por dicha máquina de conversión del aerogenerador.
Según una realización, dicho modelo de viento dinámico se escribe
con vi(t) la velocidad del viento en el plano del rotor, v<2>(t) la derivada de la velocidad del viento en el plano del rotor, n(t) un ruido blanco de promedio cero, y v(t) = v1 (t).
Ventajosamente, dicho modelo dinámico de dicho aerogenerador se escribe:
siendo w(t) la velocidad de rotación de dicho rotor, J es el momento de inercia de la cadena cinemática de dicho aerogenerador, p es la densidad del aire, R es el radio de dicho rotor, Cq es el coeficiente de potencia, P(t) es dicho ángulo de inclinación de dichas palas, A(t) es la relación entre la velocidad en la punta de la pala y dicha velocidad del viento en dicho plano del rotor, Pg(t) dicha potencia generada por dicha máquina de conversión de dicho aerogenerador, v(t) dicha velocidad del viento en dicho plano del rotor, y Tl(t) el par de pérdidas a lo largo de dicha cadena cinemática de dicho aerogenerador. Preferiblemente, dicho par de pérdidas Tl(t) se considera como ruido. De manera ventajosa, dicho coeficiente de potencia Cq se obtiene mediante un mapa de dicho aerogenerador. Según un aspecto, dicho procedimiento determina el componente longitudinal de la velocidad del viento promedio en dicho plano del rotor.
Según una implementación, se aplica dicho filtro de Kalman sin perfume a la ecuación de estado:
con x<1>(t) = w(t), x<2>(t) = v(t),
dv(t)
* s (0 =■dt
, w(t) la velocidad de rotación de dicho rotor, J es el momento de inercia de la cadena cinemática de dicho aerogenerador, p es la densidad del aire, R es el radio de dicho rotor, Cq es el coeficiente de potencia, P(t) es dicho ángulo de inclinación de dichas palas, Pg(t) dicha potencia generada por dicha máquina de conversión de dicho aerogenerador, v(t) dicha velocidad del viento en dicho plano del rotor, p<1>(t) y p<2>(t) son ruidos blancos independientes de promedio cero, y(t) la salida medida que se identifica con dicha velocidad del rotor w(t) corrompida por el ruido blanco g(t).
Según una realización, se determina dicha velocidad del viento mediante las siguientes etapas:
i) se inicializa k=0, el vector de estado xa(0|0) = m(0) y un estado de la matriz de covarianza P(0|0) = P<0>; ii) en cada instante k distinto de 0, se adquieren dichas medidas y(k); y
iii) en cada instante k distinto de 0, se determina la velocidad del viento v(k) en el plano del rotor promedio a partir de las siguientes ecuaciones:
•v( k) =[0 1 - 0 ] x
siendo K la ganancia del filtro de Kalman, P la covarianza de un ruido gaussiano g, P(k|k-1) la varianza del error a partir de las medidas de dicho instante k-1, P(klk) la varianza del error a partir de las medidas de dicho instante k, x(klk) la estimación de x(k) a partir de las medidas del tiempo k, x(k|k-1) la estimación de x(k) a partir de las medidas del tiempo k-1, R la covarianza de un ruido gaussiano £C= [1 00], I<3>la matriz de identidad de dimensión 3.
La invención se refiere también a un procedimiento para controlar un aerogenerador. Para este procedimiento, se implementan las siguientes etapas:
a) determinar dicha velocidad del viento en dicho plano del rotor del aerogenerador mediante el procedimiento según una de las características anteriores;
b) controlar dicho aerogenerador en función de dicha velocidad del viento en dicho plano del rotor de dicho aerogenerador.
Además, la invención se refiere a un producto de programa informático que comprende instrucciones de código dispuestas para implementar las etapas de un procedimiento según una de las características anteriores, cuando el programa se ejecuta en una unidad de control y/o de diagnóstico de dicho aerogenerador.
Además, la invención se refiere a un aerogenerador que comprende medios para medir la velocidad de rotación de dicho rotor, medios para medir el ángulo de inclinación de las palas del aerogenerador, medios para medir la potencia generada por la máquina de conversión dicho aerogenerador, y medios para determinar la velocidad del viento en el plano del rotor del aerogenerador capaces de implementar el procedimiento según una de las características anteriores.
Según una realización de la invención, el aerogenerador comprende un sistema de control y de adquisición de datos en tiempo real que comprende dichos medios para medir la velocidad de rotación de dicho rotor, dichos medios para medir el ángulo de inclinación de las palas del aerogenerador , y dichos medios para medir la potencia generada por la máquina de conversión de dicho aerogenerador.
Otras características y ventajas del método de acuerdo con la invención se pondrán de manifiesto con la lectura de la siguiente descripción de ejemplos no restrictivos de formas de realización, con referencia a las figuras adjuntas y descritas a continuación.
Lista de las figuras
La Figura 1 ilustra un aerogenerador según una realización de la invención.
La Figura 2 ilustra las etapas del procedimiento según una realización de la invención.
La Figura 3 ilustra un ejemplo de mapeo del coeficiente de potencia Cq.
La Figura 4 ilustra una curva de potencia generada por una máquina de conversión (eléctrica) en función del tiempo medido para un ejemplo de aplicación.
La Figura 5 ilustra una curva de la velocidad de rotación del rotor en función del tiempo medida para el ejemplo de la Figura 4.
La Figura 6 ilustra una curva del ángulo de inclinación de las palas en función del tiempo medido para el ejemplo de las Figuras 4 y 5.
La Figura 7 ilustra curvas de velocidad del viento en el plano del rotor en función del tiempo, obtenidas mediante el procedimiento según una realización de la invención y mediante un sensor LIDAR, para el ejemplo de las Figuras 4 a 6.
Descripción de realizaciones
La presente invención se refiere a un procedimiento para determinar en tiempo real la velocidad del viento en el plano del rotor Tiempos reales de un aerogenerador..
La Figura 1 representa, de manera esquemática y no limitativa, un aerogenerador 1 de eje horizontal para el procedimiento según una realización de la invención. Clásicamente, un aerogenerador 1 permite transformar la energía cinética del viento en energía eléctrica o mecánica. Para la conversión de viento, se compone de los siguientes elementos:
• un mástil 4 que permite colocar un rotor (no representado) a una altura suficiente para permitir su movimiento (necesario para los aerogeneradores de eje horizontal) o colocar este rotor a una altura que le permita ser impulsado por un viento más fuerte y regular que a nivel del suelo 6. El mástil 4 alberga generalmente parte de los componentes eléctricos y electrónicos (modulador, control, multiplicador, generador, etc.) ;
• una góndola 3 montada en la parte superior del mástil 4, que alberga componentes mecánicos, neumáticos, ciertos componentes eléctricos y electrónicos (no representados), necesarios para el funcionamiento de la máquina de conversión. La góndola 3 puede girar para orientar el rotor en la dirección correcta;
• El rotor, unido a la góndola, que comprende varias palas 7(generalmente tres) y el morro del aerogenerador. El rotor es arrastrado por la energía del viento y está conectado mediante un árbol mecánico directa o indirectamente (a través de un sistema de caja de cambios y un árbol mecánico) a una máquina eléctrica (generador eléctrico, etc..) o cualquier otra máquina de conversión (por ejemplo máquina hidráulica o neumática) que convierte la energía recogida en energía eléctrica o cualquier otra energía (por ejemplo hidráulica o neumática). El rotor tiene potencialmente sistemas de control como palas de ángulo variable o frenos aerodinámicos;
• una transmisión (no representada), compuesta por dos ejes (árbol mecánico del rotor y árbol mecánico de la máquina de conversión) conectados, formando así una cadena cinemática entre el árbol mecánico del rotor y el árbol mecánico de la máquina de conversión.
En esta figura también están representados los ejes x, y, z. El punto de referencia para esta marca es el centro del rotor. La dirección x es la dirección longitudinal, que corresponde a la dirección del eje del rotor, aguas arriba del aerogenerador. La dirección y, perpendicular a la dirección x, es la dirección lateral situada en un plano horizontal (las direcciones x, y forman un plano horizontal). La dirección z es la dirección vertical (que corresponde sustancialmente a la dirección del mástil 4) dirigida hacia arriba, el eje z es perpendicular a los ejes x e y. El plano del rotor está indicado por el rectángulo en línea discontinua PR, está definido por las direcciones y, z para un valor de x nulo.
Según la invención, el procedimiento para determinar la velocidad del viento comprende las siguientes etapas:
1) Medir
2) Construir el modelo dinámico del aerogenerador
3) Construir el modelo dinámico de viento.
4) Determinar la velocidad del viento.
Las etapas 1) y 4) se pueden implementar en tiempo real. Las etapas 2) y 3) se pueden implementar previamente sin conexión. Estas etapas se detallan a continuación en la descripción.
La Figura 2 ilustra, esquemáticamente y de manera no limitativa, las etapas del procedimiento para determinar la velocidad del viento según una realización de la invención. Previamente, se puede construir un modelo dinámico del aerogenerador MEO, que relaciona la velocidad de rotación del rotor con la velocidad del viento en el plano del rotor, con el ángulo de inclinación de las palas y con la potencia generada por la máquina de conversión. Además, se puede construir previamente un modelo dinámico del viento MVE. El procedimiento también implementa una etapa de medir MES de la velocidad de rotación del rotor w, el ángulo de inclinación de las palas p y la potencia generada Pg por la máquina de conversión. Después, se implementa un filtro de Kalman sin perfume UKF aplicado al modelo dinámico del aerogenerador MEO, al modelo dinámico de viento MVE y a las medidas w, p, Pg. El filtro de Kalman sin perfume permite determinar la velocidad del viento en el plano del rotor v.
1- Medidas
Durante esta etapa, se mide:
• La velocidad de rotación del rotor,
• El ángulo de inclinación de las palas, y
• La potencia generada por la máquina de conversión (en otras palabras, la potencia generada por la aerogenerador).
Según una realización de la invención, al menos una de las medidas se puede obtener a partir de un sistema de control y adquisición de datos en tiempo real (SCADA). Un sistema de control y adquisición de datos en tiempo real (SCADA) (del inglés: “Supervisory Control And Data Acquisition”) es un sistema de gestión remota a gran escala que permite procesar en tiempo real un gran número de telemetrías y controlar remotamente instalaciones técnicas. Es una tecnología industrial en el campo de la instrumentación, cuyas implementaciones pueden considerarse como estructuras de instrumentación que incluyen una capa de tipo soporte intermedio (del inglés «middleware»). Preferiblemente, todas las medidas se pueden obtener a partir del sistema SCADA, lo que facilita la implementación del procedimiento sin instrumentación particular. Además, el sistema SCADA puede permitir tener en cuenta al menos otra medida para hacer más precisa la determinación de la velocidad del viento en el plano del rotor. Puede tratarse en particular de temperaturas, datos eléctricos, vibraciones, etc. Las temperaturas pueden proporcionar información sobre las pérdidas mecánicas reales, y así permitir perfeccionar la modelización del aerogenerador. La acelerometría, asociada a una comprensión modal y vibratoria suficientemente detallada y fiel de la estructura, puede proporcionar una estimación del estado del viento y de las turbulencias que impactan en el aerogenerador.
Alternativamente, al menos una de las medidas puede obtenerse mediante un sensor dedicado. Para esta realización:
• para medir la velocidad de rotación del rotor, se puede utilizar un sensor de rotación angular del rotor, y/o
• para medir el ángulo de inclinación de las palas se puede utilizar un sensor angular de pala, y/o
• para medir la potencia generada por la máquina de conversión se puede utilizar un sensor de tensión conocido y controlado, y un sensor de intensidad para medir la corriente entregada por el generador.
2- Construcción del modelo dinámico del aerogenerador
Durante esta etapa, se construye un modelo dinámico del aerogenerador que relaciona la velocidad de rotación del rotor con la velocidad del viento en el plano del rotor, con el ángulo de inclinación de las palas del aerogenerador y con la potencia generada por la máquina de conversión del aerogenerador. Se denomina modelo dinámico del aerogenerador un modelo obtenido aplicando el principio fundamental de la dinámica aplicado al aerogenerador.
Según una realización de la invención, el modelo dinámico del aerogenerador se puede escribir:
siendo w(t) la velocidad de rotación del rotor, J es el momento de inercia de la cadena cinemática del aerogenerador, p es la densidad del aire, R es el radio del rotor, Cq es el coeficiente de potencia, p(t) es dicho ángulo de inclinación de las palas, A(t) es la relación entre la velocidad en la punta de la pala y la velocidad del viento en el plano del rotor (es decir,
), Pg(t) la potencia generada por la máquina de conversión del aerogenerador, v(t) dicha velocidad del viento en el plano del rotor, y Tl(t) el par de pérdida a lo largo de la cadena cinemática del aerogenerador.
Preferiblemente, para esta realización, el par de pérdidas Tl(t) puede considerarse como ruido. Así, la determinación de la velocidad del viento en el plano del rotor está simplificada. Alternativamente, se puede medir el par de pérdida Tl(t).
Conforme con una implementación de esta realización, el coeficiente de potencia Cq se puede obtener mediante mapeo del aerogenerador. Tal mapeo vincula el coeficiente de potencia Cq con el ángulo de inclinación de las palas p y con la relación de velocidad en la punta de la pala con respecto a dicha velocidad del viento en dicho plano del rotor A. Según un ejemplo no limitativo, el mapeo se puede construir previamente utilizando un modelo aerodinámico del aerogenerador considerado. La Figura 3 ilustra, esquemáticamente y de manera no limitativa, un ejemplo de tal mapeo que vincula el coeficiente de potencia Cq en función del ángulo de inclinación de las palas p (en grados) y la relación de velocidad A en la punta de la pala con dicha velocidad del viento en dicho plano del rotor.
En efecto, el modelo dinámico del aerogenerador según esta realización se puede obtener a partir de la ecuación del principio fundamental de la dinámica:
siendo w(t) la velocidad de rotación de dicho rotor, J es el momento de inercia de la cadena cinemática del aerogenerador, Tr(t) es el par aerodinámico producido por el rotor, Tg(t) es el par generado por el máquina de conversión, TI(t) el par de pérdidas a lo largo de la cadena cinemática del aerogenerador.
En esta ecuación, el par aerodinámico se puede escribir:
con p la densidad del aire, R es el radio del rotor, Cq es el coeficiente de potencia, p(t) es el ángulo de inclinación de las palas, A(t) es la relación entre la velocidad en la punta de la pala y la velocidad del viento en dicho plano del rotor (es decir,
) y v(t) es dicha velocidad del viento en el plano del rotor.
Además, el par generado por la máquina de conversión Tg se puede escribir
con w(t) la velocidad de rotación del rotor y Pg(t) la potencia generada por la máquina de conversión del aerogenerador. La combinación de estas ecuaciones permite llegar al modelo dinámico del aerogenerador descrito anteriormente. El procedimiento según la invención no se limita a este modelo dinámico de aerogenerador y puede implementarse para cualquier otro modelo dinámico de aerogenerador.
3 - Construcción del modelo de viento
Durante esta etapa, se construye un modelo de viento dinámico mediante un modelo de paso aleatorio de segundo orden. Un modelo de viento dinámico es un modelo que representa la evolución del viento a lo largo del tiempo. Un modelo de paso aleatorio es un modelo con dinámica discreta compuesto por una sucesión de pasos de tiempo aleatorios. Para tal modelo, el futuro del sistema depende de su estado presente pero no de su pasado. El uso de un modelo de paso aleatorio permite una buena modelización del viento, y tal modelo es adecuado para representar curvas suaves con una segunda derivada al cuadrado. Tal modelo no requiere conocimientos previos de las características del viento tales como velocidad media, turbulencia, etc.
Según una realización de la invención, el modelo dinámico del viento se puede escribir:
con vi(t) la velocidad del viento en el plano del rotor, v<2>(t) la derivada de la velocidad del viento en el plano del rotor, n(t) un ruido blanco de promedio cero.
4 - Determinación de la velocidad del viento
Durante esta etapa, se determina la velocidad del viento en el plano del rotor del aerogenerador mediante un filtro de Kalman sin perfume (denominado UKF por "Unscented Kalman Filter"). El filtro de Kalman sin perfume se aplica al modelo dinámico de aerogenerador construido en la etapa 2) y al modelo dinámico de viento construido en la etapa 3) y tiene en cuenta las medidas realizadas en la etapa 1). El filtro de Kalman sin perfume es un algoritmo de filtrado que utiliza un modelo de sistema para estimar el estado oculto actual de un sistema y después corrige la estimación utilizando las medidas disponibles. La filosofía UKF se diferencia del filtro de Kalman extendido en que utiliza la transformación sin perfume para aproximar directamente la media y la covarianza de la distribución diana. El filtro de Kalman sin perfume puede comprender las etapas de predicción de estado y de corrección de las medidas, estando precedidas estas dos etapas por una etapa preliminar para el cálculo de los “puntos sigma”. Los puntos sigma son un conjunto de muestras calculadas de tal manera que pueden propagar con precisión las informaciones de media y varianza en el espacio de una función no lineal.
Así, tal filtro es muy adecuado para determinar rápidamente la velocidad del viento en el plano del rotor.
Según una realización de la invención, durante esta etapa es posible determinar el componente longitudinal de la velocidad media del viento en el plano del rotor, denominada REWS (del inglés "Rotor equivalente wind speed"), que corresponde al estado de funcionamiento y de producción del aerogenerador en un momento dado. Se trata de una velocidad del viento comúnmente utilizada para controlar y/o monitorear un aerogenerador.
Según una implementación de la invención, se puede aplicar dicho filtro de Kalman sin perfume a la ecuación de estado siguiente:
, w(t) la velocidad de rotación del rotor, J es el momento de inercia de la cadena cinemática del aerogenerador, p es la densidad del aire, R es el radio del rotor, Cq es el coeficiente de potencia, P(t) es dicho ángulo de inclinación de las palas, Pg(t) la potencia generada por la máquina de conversión de dicho aerogenerador, v(t) la velocidad del viento en dicho plano del rotor, p<1>(t) y p<2>(t) son ruidos blancos independientes de promedio cero, y(t) la salida medida que se identifica con dicha velocidad del rotor w(t) corrompida por el ruido blanco g(t).
En otras palabras :
y{t.) = u ( t ) ^(t)
en otros términos;
Esta ecuación de estado se puede obtener combinando los modelos dinámicos respectivamente del aerogenerador y del viento determinados en las etapas anteriores.
Con esta ecuación de estado, el problema de estimar la velocidad del viento en el plano del rotor se convierte en el problema de estimar el estado, es decir, estimar el estado desconocidox(t)=[x1(t) x2(t) X3(t)]Ten cada momento de muestreo usando esta ecuación y la salida medida y(t).
Para implementar el filtro de Kalman sin perfume, se puede discretizar la ecuación de estado usando un método de discretización de Euler, se obtiene:
siendo Ts el periodo de muestreo.
En este modelo de estado discretizado, se puede suponer que p(t) y £(/) son ruidos gaussianos con promedio cero y que las matrices de covarianza respectivas Q y R.
Cabe señalar:
es la estimación de x(k) a partir de medidas del tiempo k-1.
es la estimación de x(k) a partir de medidas del tiempo k.
es la varianza del error de las medidas de tiempo k-1. P(k|k) es la varianza del error a partir de las medidas del tiempo k.
Para la estimación de estado dada x(k - 1|k - 1) y la estimación de la varianza del error dadaP(k- 1|k - 1) en el momento k-1, hay dos etapas en UKF: la predicción y la corrección.
Después de la etapa de corrección en el momento k-1, la distribución de x(k-1) se puede dar de la siguiente manera:
con
que denota una distribución gaussiana.
Los puntos sigma vinculados a la mediax(k -1 |k-1) y a la matriz de covarianzaP(k -1|k - 1) se pueden calcular de la siguiente manera:
En nuestro caso n = 3 y Si es la i-ésima columna de S, con
Los puntos sigma se propagan en la ecuación de estado de la siguiente manera:Y(k)=f(x,<j>3(k - 1),Pg(k- 1)) conY ilas realizaciones de x(k|k - 1) para cualquier i variando de 0 a 2n.
La siguiente etapa consiste en calcular la media predicha x(k|k - 1) y la covarianza predicha P(k|k - 1) mediante:
Dado que la ecuación de salida es lineal, la etapa de corrección es similar a la de un filtro de Kalman lineal. La ganancia del filtro de Kalman se puede calcular de la siguiente manera:
Después, la estimación del estado x(k|k) y la estimación de la covarianza P(klk) en el momento k se pueden calcular mediante:
con I<3>la matriz de identidad de dimensión 3.
Una vez determinada la estimación del estado x = x(k|k), la velocidad del viento en el plano del rotor se puede calcular implementando:u(k)= [010]x.
La presente invención se refiere también a un procedimiento para controlar un aerogenerador. Para este procedimiento, se pueden implementar las siguientes etapas:
• se determina la velocidad del viento en el plano del rotor del aerogenerador mediante el procedimiento de determinación de la velocidad del viento según una cualquiera de las variantes o combinaciones de variantes descritas anteriormente; y
• se controla el aerogenerador en función de la velocidad del viento en el plano del rotor del aerogenerador. La predicción precisa y en tiempo real de la velocidad del viento en el plano del rotor del aerogenerador permite un adecuado control del aerogenerador, en términos de minimizar los efectos sobre la estructura del aerogenerador y maximizar la potencia recuperada. En efecto, mediante este control se pueden adaptar los equipos del aerogenerador para que el aerogenerador esté en la configuración óptima para este viento.
Según una realización de la invención, se puede controlar el ángulo de inclinación de las palas y/o el par de recuperación eléctrico del aerogenerador y/o la orientación de la góndola en función de la velocidad del viento y de la dirección del viento. Preferiblemente, se puede controlar el ángulo de inclinación individual de las palas. Se pueden utilizar otros tipos de dispositivos de regulación. El control de la inclinación de las palas permite optimizar la recuperación de energía en función del viento que incide sobre las palas.
Según una realización de la invención, el ángulo de inclinación de las palas y/o el par de recuperación eléctrico se pueden determinar mediante mapas del aerogenerador en función de la velocidad del viento a nivel del rotor. Por ejemplo, se puede aplicar el procedimiento de control descrito en la solicitud de patente FR 2976630 A1 (US 2012 0321463).
La presente invención se refiere también a un procedimiento para monitorear y/o diagnosticar al menos un aerogenerador. Para este procedimiento, se pueden implementar las siguientes etapas:
• se determina la velocidad del viento en el plano del rotor del aerogenerador mediante el procedimiento de determinación de la velocidad del viento según una cualquiera de las variantes o combinaciones de variantes descritas anteriormente; y
• el funcionamiento del aerogenerador se monitorea y/o se diagnostica en función de la velocidad del viento en el plano del rotor.
La monitorización y/o el diagnóstico pueden corresponder, por ejemplo, a la tensión mecánica que experimenta la estructura del aerogenerador en función de la velocidad del viento en el plano del rotor del aerogenerador.
Además, la invención se refiere a un producto de programa informático, que comprende instrucciones de códigos dispuestas para implementar las etapas de uno de los procedimientos descritos anteriormente (procedimiento para determinar la dirección del viento, procedimiento de control, procedimiento de diagnóstico). El programa se ejecuta en una unidad de control y/o de diagnóstico de un aerogenerador.
La invención también se refiere a un aerogenerador, en particular a un aerogenerador offshore (en el mar) u onshore (en tierra). El aerogenerador está equipado con medios para medir la rotación del rotor, medios para medir el ángulo de inclinación de las palas y medios para medir la potencia generada por la máquina de conversión. Además, el aerogenerador comprende medios para determinar la velocidad del viento en el plano del rotor capaces de implementar el procedimiento de determinación del viento según una de las variantes o combinaciones de variantes descritas anteriormente. Según una realización, el aerogenerador puede ser conforme al aerogenerador ilustrado en la Figura 1.
Según una realización de la invención, el aerogenerador puede comprender un sistema de control y de adquisición de datos en tiempo real (SCADA) que tiene al menos un medio de medición entre los medios para medir la rotación del rotor, los medios para medir el ángulo de inclinación de las palas, y los medios para medir la potencia generada por la máquina de conversión. Preferiblemente, el sistema SCADA puede tener todas estas medidas. Además, el sistema SCADA puede comprender medios de medición adicionales (por ejemplo temperaturas, medidas eléctricas, etc.) que pueden hacer más precisa la determinación de la velocidad del viento en el plano del rotor.
Alternativamente, el aerogenerador puede comprender al menos un sensor para realizar al menos una de estas medidas. Por lo tanto, puede tratarse:
• para medir la velocidad de rotación del rotor, de un sensor de rotación angular del rotor, y/o
• para medir el ángulo de inclinación de las palas de un sensor angular de palas, y/o
• para medir la potencia generada por la máquina de conversión de un sensor de tensión conocido y controlado, y un sensor de intensidad para medir la corriente entregada por el generador.
Para la realización del procedimiento de control, el aerogenerador puede comprender medios de control, por ejemplo el control del ángulo de inclinación (que puede traducirse como ángulo de cabeceo) de al menos una pala del aerogenerador o el control del par eléctrico, para implementar el procedimiento de control según a la invención. Como es evidente, la invención no se limita sólo a las formas de realización de los procedimientos descritos anteriormente a modo de ejemplo, sino que abarca por el contrario todas las variantes de realización.
Ejemplo
Las características y ventajas del procedimiento según la invención aparecerán más claramente con la lectura del ejemplo de aplicación siguiente.
El ejemplo se refiere a la determinación de la velocidad del viento REWS en el plano del rotor del aerogenerador (del inglés “Rotor equivalente wind speed”), que corresponde al estado de funcionamiento y de producción del aerogenerador en un momento dado. El aerogenerador está equipado con un sistema SCADA que dispone de medidas de la rotación del rotor, medidas de la potencia generada por la máquina de conversión, en este caso una máquina eléctrica, y medidas del ángulo de inclinación de las palas.
La Figura 4 ilustra las medidas de la potencia generada Pg en W por la máquina de conversión (para este ejemplo, una máquina eléctrica) en función del tiempo T en s.
La Figura 5 representa las medidas de la velocidad de rotación del rotor w en rad/s en función del tiempo T en s.
La figura 6 representa las medidas del ángulo de inclinación de las palas p en grados en función del tiempo T en s.
Mediante la aplicación del procedimiento según una realización de la invención, se determina la velocidad del viento REWS en el plano del rotor. Esta velocidad determinada por la invención se compara con la velocidad del viento REWS en el plano del rotor obtenida mediante un sensor LIDAR de cuatro haces colocado en la góndola del aerogenerador.
La Figura 7 representa las dos curvas de la velocidad del viento REWS en función del tiempo T en s obtenidas mediante los dos métodos, según la invención denominada INV y mediante un sensor LIDAR (esta curva se denomina LID). Se observa que las dos curvas están casi superpuestas, lo que refleja que la invención, aunque no utiliza ningún sensor costoso, permite determinar de manera precisa la velocidad del viento en el plano del rotor del aerogenerador.

Claims (12)

  1. REIVINDICACIONES 1. Procedimiento para determinar la velocidad del viento en el plano del rotor (PR) de un aerogenerador(1), en el que se implementan las siguientes etapas: a) medir (MES) la velocidad de rotación de dicho rotor de dicho aerogenerador, el ángulo de inclinación de las palas de dicho aerogenerador y la potencia generada por una máquina de conversión de dicho aerogenerador; b) construir un modelo dinámico de dicho aerogenerador (MEO) que relaciona la velocidad de rotación de dicho rotor de dicho aerogenerador con dicha velocidad del viento en dicho plano del rotor, con dicho ángulo de inclinación de dichas palas de dicho aerogenerador y con dicha potencia generada por dicha máquina de conversión de dicho aerogenerador; c) construir un modelo de viento dinámico (MVE) mediante un modelo de funcionamiento aleatorio de segundo orden; y d) determinar dicha velocidad del viento sobre dicho plano de dicho rotor (PR) mediante un filtro de Kalman sin perfume aplicado a dicho modelo dinámico de dicho aerogenerador (MEO), dicho modelo dinámico de viento (MVE), y a partir de dichas medidas (MES) de dicha velocidad de rotación de dicho rotor, de dicho ángulo de inclinación de dichas palas de aerogenerador, y de dicha energía generada por dicha máquina de conversión del aerogenerador.
  2. 2. Procedimiento para determinar la velocidad del viento según la reivindicación 1, en el que dicho modelo dinámico de viento (MVE) se escribe
    con v<1>(t) la velocidad del viento en el plano del rotor, v<2>(t) la derivada de la velocidad del viento en el plano del rotor, n(t) un ruido blanco de promedio cero, y v(t) = v1 (t).
  3. 3. Procedimiento para determinar la velocidad del viento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho modelo dinámico de dicho aerogenerador (MEO) se escribe:
    siendo w(t) la velocidad de rotación de dicho rotor, J es el momento de inercia de la cadena cinemática de dicho aerogenerador, p es la densidad del aire, R es el radio de dicho rotor, Cq es el coeficiente de potencia, P(t) es dicho ángulo de inclinación de dichas palas, A(t) es la relación entre la velocidad en la punta de la pala y dicha velocidad del viento en dicho plano del rotor, Pg(t) dicha potencia generada por dicha máquina de conversión de dicho aerogenerador, v(t) dicha velocidad del viento en dicho plano del rotor, y Tl(t) el par de pérdidas a lo largo de dicha cadena cinemática de dicho aerogenerador.
  4. 4. Procedimiento para determinar la velocidad del viento según la reivindicación 3, en el que dicho par de pérdida Tl(t) se considera como ruido.
  5. 5. Procedimiento para determinar la velocidad del viento según una de las reivindicaciones 3 o 4, en el que dicho coeficiente de potencia Cq se obtiene mediante un mapeo de dicho aerogenerador.
  6. 6. Procedimiento para determinar la velocidad del viento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho procedimiento determina el componente longitudinal de la velocidad media del viento en dicho plano del rotor.
  7. 7. Procedimiento para determinar la velocidad del viento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que se aplica dicho filtro de Kalman sin perfume a la ecuación de estado:
    con xi(t) = w(t), x<2>(t) = v(t), dv(t) * 3 ( O =dt , w(t) la velocidad de rotación de dicho rotor, J es el momento de inercia de la cadena cinemática de dicho aerogenerador, p es la densidad del aire, R es el radio de dicho rotor, Cq es el coeficiente de potencia, P(t) es dicho ángulo de inclinación de dichas palas, Pg(t) dicha potencia generada por dicha máquina de conversión de dicho aerogenerador, v(t) dicha velocidad del viento en dicho plano del rotor, gi(t) y g<2>(t) son ruidos blancos independientes de promedio cero, y(t) la salida medida que se identifica con dicha velocidad del rotor w(t) corrompida por el ruido blanco g(t).
  8. 8. Procedimiento para determinar la velocidad del viento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha velocidad del viento se determina mediante las siguientes etapas: i) se inicializa k=0, el vector de estado xa(0|0) = m(0) y un estado de la matriz de covarianza P(0|0) = P<0>; ii) en cada instante k distinto de 0, se adquieren dichas medidas y(k); y iii) en cada instante k distinto de 0, se determina la velocidad del viento v(k) en el plano del rotor promedio a partir de las siguientes ecuaciones:
    siendo K la ganancia del filtro de Kalman, P la covarianza de un ruido gaussiano g, P(k|k-1) la varianza del error a partir de las medidas de dicho instante k-1, P(klk) la varianza del error a partir de las medidas de dicho instante k, x(klk) la estimación de x(k) a partir de las medidas del tiempo k, x(k|k-1) la estimación de x(k) a partir de las medidas del tiempo k-1, R la covarianza de un ruido gaussiano £C= [101], I<3>la matriz de identidad de dimensión 3.
  9. 9. Procedimiento para controlar un aerogenerador (1), caracterizado por que se implementan las siguientes etapas: a) determinar la velocidad del viento en el plano del rotor (PR) del aerogenerador (1) mediante el procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores; b) controlar dicho aerogenerador (1) en función de dicha velocidad del viento en dicho plano del rotor de dicho aerogenerador (1).
  10. 10. Producto de programa informático que comprende instrucciones de código dispuestas para implementar las etapas procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, cuando el programa se ejecuta en una unidad de control y/o de diagnóstico de dicho aerogenerador (1).
  11. 11. Aerogenerador (1) que comprende medios para medir la velocidad de rotación del rotor, medios para medir el ángulo de inclinación de las palas del aerogenerador, medios para medir la potencia generada por la máquina de conversión dicho aerogenerador, y medios para determinar la velocidad del viento en el plano del rotor del aerogenerador capaces de implementar el procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8.
  12. 12. Aerogenerador según la reivindicación 11, que comprende un sistema de control y de adquisición de datos en tiempo real que comprende dichos medios para medir la velocidad de rotación de dicho rotor, dichos medios para medir el ángulo de inclinación de las palas del aerogenerador , y dichos medios para medir la potencia generada por la máquina de conversión de dicho aerogenerador.
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