ES2974957T3 - Sistema y procedimiento de control para mitigar el desequilibrio del rotor en una turbina eólica - Google Patents
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Abstract
Una turbina eólica 10 incluye múltiples palas 141, 142, 143, múltiples Unidades de Medición Micro Inercial (MIMU) 20 para detectar señales de parámetros de las palas, y un sistema de control 30. El sistema de control 30 incluye una unidad de cálculo del momento de flexión de la pala 31, una unidad de cálculo de señal de error de momento de flexión de pala, y una unidad de cálculo de comando de compensación de ángulo de paso 32. La unidad de cálculo de momento de flexión de pala 31 se utiliza para calcular los valores de momento de flexión de pala de las palas basándose al menos en los parámetros detectados. La unidad de cálculo de la señal de error del momento flector de las palas se utiliza para calcular las señales de error del momento flector de las palas en función de los valores calculados del momento flector de las palas y de múltiples comandos de momento flector de las palas. La unidad de cálculo de comandos de compensación del ángulo de paso 32 se usa para calcular los comandos de compensación del ángulo de paso de las palas basándose en las señales de error del momento flector de las palas calculadas para ajustar los ángulos de paso de las palas 141, 142, 143 respectivamente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema y procedimiento de control para mitigar el desequilibrio del rotor en una turbina eólica
[0001]Diversos modos de realización de la divulgación se refieren, en general, a turbinas eólicas y, más en particular, se refieren a la mitigación del desequilibrio del rotor en turbinas eólicas.
[0002]Una turbina eólica a escala comercial típicamente incluye un conjunto de dos o tres palas de rotor grandes montadas en un buje. Las palas de rotor y el buje se denominan conjuntamente rotor. Las palas de rotor interactúan aerodinámicamente con el viento y crean sustentación y arrastre, que, a continuación, se traduce en un par de torsión de accionamiento por el rotor. El rotor está fijado a y acciona un eje principal, que, a su vez, está conectado operativamente, por medio de un tren de potencia, a un generador o a un conjunto de generadores que producen potencia eléctrica. El eje principal, el tren de potencia y el/los generador(es) están situados dentro de una góndola, que descansa en un sistema de orientación (“yaw system”) que, en algunos modos de realización, pivota continuamente a lo largo de un eje vertical para mantener las palas de rotor orientadas en la dirección de la corriente de viento predominante para generar el máximo par de torsión de accionamiento.
[0003]En determinadas circunstancias, la dirección del viento puede variar muy rápidamente, más rápido que la respuesta del sistema de orientación, lo que puede dar como resultado un error de orientación que puede generar un desequilibrio del rotor (o desequilibrio de carga). El desequilibrio del rotor se debe a la variación de la velocidad del viento con la altura o alineación errónea de orientación en las turbinas eólicas operativas. Durante dichos acontecimientos de viento transitorios mencionados anteriormente, el desequilibrio del rotor, que se puede mantener durante unos segundos o minutos, podría dañar la turbina eólica si continúa la operación de la turbina eólica. Específicamente, durante dicha operación de la turbina eólica, el desequilibrio del rotor puede dar como resultado cargas inaceptablemente altas en las palas de rotor, buje, torre y otros componentes de la misma, lo que puede dar como resultado daños. El documento WO 2012/083958 A2 se refiere a un procedimiento de control para una turbina eólica, que comprende obtener datos de carga de pala a partir de un sensor de carga de pala. El documento US 2012/128488 A1 se refiere al control basado en sector de rotor de turbinas eólicas, en el que un sistema de control depitchincluye un estimador de carga de pala.
[0004]Por lo tanto, existe la necesidad de obtener sistemas y procedimientos de control nuevos y mejorados para mitigar el desequilibrio del rotor en las turbinas eólicas.
[0005]De ahí que se proporcione la presente invención, como se define por las reivindicaciones adjuntas.
[0006]Diversos rasgos característicos y aspectos de modos de realización de la presente invención se entenderán mejor cuando se lea la siguiente descripción detallada con referencia a los dibujos adjuntos, en los que caracteres similares representan piezas similares en todos los dibujos, en los que:
la FIG. 1 es una vista esquemática de una turbina eólica de acuerdo con un modo de realización.
La FIG. 2 es una vista esquemática de una pala de la turbina eólica de la FIG. 1 de acuerdo con un modo de realización.
La FIG. 3 es un diagrama de control de un sistema de control de la turbina eólica de la FIG. 1, de acuerdo con un modo de realización.
La FIG. 4 es un diagrama de control de un sistema de control de la turbina eólica de la FIG. 1, de acuerdo con otro modo de realización.
La FIG. 5 es un diagrama parcial de una unidad de cálculo de momento de flexión de pala del sistema de control de la FIG. 3, de acuerdo con un modo de realización.
La FIG. 6 es un diagrama de flujo de un procedimiento de control de la turbina eólica de la FIG. 1, de acuerdo con un modo de realización.
La FIG. 7 es una vista esquemática de un modelo basado en física que se usa en una unidad de estimación basada en modelo del sistema de control de la FIG. 3 de acuerdo con un modo de realización.
La FIG. 8 es un diagrama detallado de una unidad de estimación basada en el modelo de la unidad de cálculo de momento de flexión de pala de la FIG. 5 de acuerdo con un modo de realización.
La FIG. 9 son cuatro diagramas comparativos de valores de momento de flexión de pala calculados y valores de momento de flexión de pala simulados con diferentes intervalos de tiempo.
[0007]Los modos de realización divulgados en el presente documento se refieren, en general, a turbinas eólicas con capacidades de compensación de desequilibrios del rotor mejoradas. Como se usa en el presente documento, "unidad de medición microinercial (“Micro Inertial Measurement Unit” or MIMU)" se refiere a un aparato de detección de captura de movimiento, que puede detectar señales de orientación tridimensional (3D)(pitch,balanceo, orientación), señales de aceleración 3D, señales de velocidad de giro 3D, señales de campo magnético 3D y/u otras señales de parámetros relacionados en tiempo real. Las MIMU pueden incluir al menos o cualquier combinación de un acelerómetro 3D, un giroscopio 3D y un magnetómetro 3D.
[0008]Los modos de realización de ejemplo de las capacidades de compensación de desequilibrios del rotor mejoradas descritas en el presente documento se basan en sistemas y procedimientos de control que pueden producir instrucciones (“commands”) de compensación de ángulo depitchusadas para compensar el desequilibrio del rotor generado durante acontecimientos de error de orientación (“yaw”) o debido a acontecimientos de variación de la velocidad del viento con la altura estacionaria, estelas o ráfagas de viento bruscas y/o fuertes. Las instrucciones de compensación de ángulo depitchse calculan en base a al menos las señales de parámetros detectadas a partir de las MIMU montadas en las palas de la turbina eólica.
[0009]A continuación se describirán uno o más modos de realización específicos de la presente divulgación. En un esfuerzo por proporcionar una descripción concisa de estos modos de realización, no todos los rasgos característicos de una implementación real se describen en la memoria descriptiva. Se debe apreciar que en el desarrollo de cualquiera de dicha implementación real, como en cualquier proyecto de ingeniería o diseño, se deben tomar numerosas decisiones específicas de implementación para lograr los objetivos específicos de los desarrolladores, tales como el cumplimiento con las restricciones relacionadas con el sistema y la empresa, que pueden variar de una implementación a otra. Además, se debe apreciar que dicho esfuerzo de desarrollo podría ser complejo y llevar mucho tiempo, pero, no obstante, sería una tarea rutinaria de diseño, fabricación y elaboración para los expertos en la técnica que se benefician de esta divulgación.
[0010]A menos que se defina de otro modo, los términos técnicos y científicos usados en el presente documento tienen el mismo significado que como se entiende comúnmente por un experto en la técnica a la que pertenece esta divulgación. Los términos "primero", "segundo" y similares, tal como se usa en el presente documento, no indican ningún orden, cantidad o importancia, sino que se usan para distinguir un elemento de otro. Además, los términos "un" y "una" no indican una limitación de cantidad, sino que, en cambio, indican la presencia de al menos uno de los elementos a los que se hace referencia. El término "o" pretende ser inclusivo y quiere decir cualquiera o todos los elementos enumerados. El uso de "que incluye", "que comprende" o "que tiene" y variaciones de los mismos en el presente documento pretende englobar los elementos enumerados después de esto y equivalentes de los mismos, así como elementos adicionales.
[0011]En referencia a la FIG. 1, se muestra una vista esquemática de una turbina eólica 10 de ejemplo. La turbina eólica 10 puede incluir una sección de torre 12 y un rotor 14. El rotor 14 puede incluir algunas palas, tal como tres palas 141, 142 y 143 conectadas a un buje 144. Las palas 141, 142 y 143 pueden rotar con energía eólica, y el rotor 14 puede transferir esa energía a un eje principal (no mostrado) situado dentro de una góndola 16. La góndola 16 puede incluir opcionalmente un tren de potencia (no mostrado), que puede conectar el eje principal en un extremo a uno o más generadores (no mostrados) en el otro extremo. De forma alternativa, el/los generador(es) se puede(n) conectar directamente al eje principal en una configuración de accionamiento directo. El/los generador(es) puede(n) generar potencia, que se puede transmitir a través de la sección de torre 12 a un panel de distribución de potencia (“power distribution panel” o PDP) y a un transformador montado en poste (“pad mount transformer” o<p>M<t>) para su transmisión a una red (no mostrada). La góndola 16 se puede situar en un sistema de orientación, que puede pivotar alrededor de un eje vertical para orientar la turbina eólica 10 en la dirección de la corriente del viento. En otros modos de realización, la turbina eólica 10 puede comprender un tipo diferente de turbina eólica.
[0012]En referencia a la FIG. 2, una vista esquemática de una pala 142 de la turbina eólica 10 de la FIG. 1 se muestra con propósitos de ejemplo. En el modo de realización ilustrado de la FIG. 2, la pala 142 incluye una unidad de medición microinercial (MIMU) 20 montada en una pared externa de la pala 142. En otros modos de realización, la MIMU 20 se puede montar en una pared interior de la pala 142, o la MIMU 20 se puede incrustar en la pared de la pala 142. Se pueden montar o incrustar una o más MIMU en cada pala. En algunos modos de realización, el número y las posiciones de las MIMU 20 se pueden ajustar de acuerdo con los requisitos de diseño o para obtener resultados deseados. Por ejemplo, la pala 142 puede incluir tres o más MIMU 20 montadas en diferentes posiciones de la misma. En otros modos de realización, otras piezas de la turbina eólica 10, tales como la sección de torre 12 y la góndola 16, también pueden incluir las MIMU 20 para proporcionar señales de parámetros según sea necesario.
[0013]En referencia a la FIG. 3, se muestra un diagrama de control de un sistema de control 30 de la turbina eólica 10, de acuerdo con un modo de realización. En al menos algunos modos de realización, el sistema de control 30 incluye una unidad de cálculo de momento de flexión de pala 31, una unidad de cálculo de instrucciones de compensación de ángulo depitch32, un primer elemento de suma 33, un segundo elemento de suma 34 y un tercer elemento de suma 35.
[0014]La unidad de cálculo de momento de flexión de pala 31 se usa para recibir señales de parámetros detectadas a partir de las MIMU 20 de las palas 141, 142 y 143 respectivamente. En base a una o más de las señales de parámetros recibidas que pueden comprender, por ejemplo, una o más señales de pendiente (“slope signals”) de deformación de pala, señales de aceleración de pala, señales de ángulo depitchy señales de posición de rotor, o combinaciones de las mismas (mostradas como S1, S2,<s>3 respectivamente correspondientes a las palas 141, 142, 143), la unidad de cálculo de momento de flexión de pala 31 puede calcular los valores de momento de flexión de pala M1, M2, M3 de las tres palas 141, 142 y 143 respectivamente. A continuación se describirán con mayor detalle modos de realización de ejemplo de cálculo de los valores de momento de flexión de pala M1, M2, M3.
[0015]En el modo de realización ilustrado de la FIG. 3, el primer elemento de suma 33 resta el valor de momento de flexión de pala M1 calculado a partir de una instrucción de momento de flexión de pala M1<cmd>y proporciona una señal de error de momento de flexión de pala AM1 que representa una diferencia entre la instrucción de momento de flexión de pala M1<cmd>y el valor de momento de flexión de pala M1 calculado. El momento de flexión de pala M1<cmd>representa el momento de flexión de pala deseado que se va a generar en la pala 141 y se puede dictar por un operador de red o un parámetro de diseño, tal como cero kNm, por ejemplo. De forma similar, el segundo elemento de suma 34 resta el valor de momento de flexión de pala M2 calculado a partir de una instrucción de momento de flexión de pala M2<cmd>y proporciona una señal de error de momento de flexión de pala AM2 que representa una diferencia entre la instrucción de momento de flexión de pala M2<cmd>y el valor de momento de flexión de pala M2 calculado. El tercer elemento de suma 35 resta el valor de momento de flexión de pala M3 calculado a partir de una instrucción de momento de flexión de pala M3<cmd>y proporciona una señal de error de momento de flexión de pala AM3 que representa una diferencia entre la instrucción de momento de flexión de pala M3<cmd>y el valor de momento de flexión de pala M3 calculado. En este modo de realización ilustrado de la FIG. 3, los elementos de suma 33, 34, 35 actúan como una unidad de cálculo de señal de error de momento de flexión de pala para calcular las señales de error de momento de flexión de pala AM1, AM2 y AM3. En otros modos de realización, la unidad de cálculo de señal de error de momento de flexión de pala puede usar otros tipos de elementos, tales como usar un procesador para calcular las tres señales de error de momento de flexión de pala AM1, AM2 y AM3.
[0016]La unidad de cálculo de instrucciones de compensación de ángulo depitch32 recibe, a continuación, la información de desequilibrio del rotor, a saber, las tres señales de error de momento de flexión de pala AM1, AM2 y AM3, y, a continuación, calcula respectivamente tres instrucciones de compensación de ángulo depitchAp1, Ap2 y Ap3. Las instrucciones de compensación de ángulo depitchAp1, Ap2 y Ap3 se usan para ajustar los ángulos depitchde las tres palas 141, 142 y 143 respectivamente, para compensar el desequilibrio del rotor de las mismas. Además, debido a que las MIMU 20 pueden detectar los parámetros más rápidamente que cualquier otro sensor instalado en otras localizaciones, tales como los componentes del tren de potencia o eje principal, las instrucciones de compensación de ángulo depitchAp1, Ap2 y Ap3 pueden mitigar más rápidamente el desequilibrio del rotor. Además de mitigar el desequilibrio del rotor, las instrucciones de compensación de ángulo depitchAp1, Ap2 y Ap3 también pueden mitigar cargas extremas en las palas 141, 142, 143, tales como ráfagas de viento fuertes y repentinas y fallos en la red repentinos, para también proteger la turbina eólica 10.
[0017]Se debe entender que las instrucciones de compensación de ángulo depitchAp1, Ap2 y Ap3 se transmiten a una unidad de control depitch39 usada para ajustar los ángulos depitchde las tres palas 141, 142 y 143. La unidad de cálculo de instrucciones de compensación de ángulo depitch32 puede transformar las tres señales de error de momento de flexión de pala a M1, AM2 y AM3 en las instrucciones de compensación de ángulo depitchAp1, Ap2 y Ap3 por cualquier algoritmo apropiado en base a la tecnología de turbinas eólicas.
[0018]En el modo de realización ilustrado de la FIG. 3, los valores de momento de flexión de pala M1, M2, M3 calculados se calculan en un sistema de coordenadas trifásico, tal como un sistema de coordenadas abc, que puede requerir cálculos complejos. Para simplificar los cálculos, los valores de momento de flexión de pala M1, M2, M3 calculados se pueden calcular en otros sistemas de coordenadas, tales como, por ejemplo, un sistema de coordenadas bifásico, tal como un sistema de coordenadas d-q.
[0019]En referencia a la FIG. 4, se muestra un diagrama de control de un sistema de control 40 de la turbina eólica 10, de acuerdo con otro modo de realización. La diferencia entre este modo de realización de la FIG. 4 y el modo de realización anterior de la FIG. 3 es que el modo de realización de la FIG. 4 obtiene los valores de momento de flexión de pala M1, M2, M3 calculados en coordenadas d-q. El sistema de control 40 incluye una unidad de cálculo de momento de flexión de pala 41, una primera unidad de transformación de coordenadas 42, una unidad de cálculo de instrucciones de compensación de ángulo depitch43, una segunda unidad de transformación de coordenadas 44 y dos elementos de suma 45, 46. La unidad de cálculo de momento de flexión de pala 41, la unidad de cálculo de instrucciones de compensación de ángulo depitch43 y los elementos de suma 45, 46 tienen funciones similares a las de la unidad de cálculo de momento de flexión de pala 31, la unidad de cálculo de instrucciones de compensación de ángulo depitch33 y los elementos de suma 34-36 respectivamente de la FIG. 3.
[0020]En el sistema de control 40 de la FIG. 4, la primera unidad de transformación de coordenadas 42 se usa para transformar los valores de momento de flexión de pala M1, M2, M3 calculados a partir de coordenadas abc en coordenadas d-q, es decir, transformarlos en dos valores de momento de flexión de pala M<d>y M<q>. A continuación, se obtienen dos señales de error de momento de flexión de pala AM<d>, AM<q>a través de los elementos de suma 45, 46 en base a dos instrucciones de momento de flexión de pala M<cmd_d>y M<cmd_q>predeterminadas. Las dos señales de error de momento de flexión de pala AM<d>, AM<q>se transforman en dos instrucciones de compensación de ángulo depitchAp<d>y Ap<q>correspondientes que, a continuación, se transforman en tres instrucciones de compensación de ángulo depitchAp1, Ap2 y Ap3 a través de la segunda unidad de transformación de coordenadas 44. Las instrucciones de compensación de ángulo depitchApi, Ap2 y Ap3 se transmiten a una unidad de control depitch49 (similar a la unidad de control depitch39) usada para ajustar los ángulos depitchde las tres palas 141, 142 y 143. En un modo de realización, las fórmulas para transformar M1, M2, m 3 en M<d>, M<q>y para transformar Ap<d>, Ap<q>en Ap1, Ap2 y Ap3 se pueden escribir como sigue, donde 0 representa la posición del rotor.
[0021]En referencia a la FIG. 5, se muestra un diagrama parcial de la unidad de cálculo de momento de flexión de pala 31 del sistema de control 30 de la FIG. 3 de acuerdo con un modo de realización. La unidad de cálculo de momento de flexión de pala 31 incluye una unidad de recepción de señales de parámetros 312, una unidad de almacenamiento de parámetros físicos de pala 314 y una unidad de estimación basada en modelo 316. La unidad de recepción de señales de parámetros 312 se usa para recibir señales de parámetros S1 detectadas a partir de la MIMU 20 de la pala 141; la unidad de almacenamiento de parámetros físicos de pala 314 se usa para almacenar algunos parámetros físicos de pala P1 de la pala 141; la unidad de estimación basada en modelo 316 se usa para calcular el valor de momento de flexión de pala M1 de la pala 141 en base a una o más señales de parámetros S1_e detectadas seleccionadas y uno o más de los parámetros físicos de pala P1 prealmacenados usando al menos un algoritmo de estimación basada en modelo. En algunos modos de realización, puede que los parámetros físicos de pala P1 no se usen en absoluto y, por tanto, la unidad de almacenamiento de parámetros físicos de pala 314 se omite en consecuencia. Los valores de momento de flexión de pala M2 y M3 para las palas 142 y 143 se pueden calcular de forma similar.
[0022]En referencia a la FIG. 6, se muestra un diagrama de flujo de un procedimiento de control de turbina eólica 60 de ejemplo. En al menos algunos modos de realización, el sistema de control 30 de la FIG. 3 usa este procedimiento de control 60 para realizar el procedimiento de compensación de desequilibrios del rotor. En la etapa 61, las señales de parámetros de cada una de las palas 141, 142 y 143 se reciben a partir de las MIMU 20 correspondientes. En la etapa 62, los valores de momento de flexión de pala M1, M2, M3 de cada una de las palas 141, 142 y 143 se calculan en base a una o más de las señales de parámetros S1_e detectadas y uno o más de los parámetros físicos de pala P1 prealmacenados usando al menos un algoritmo de estimación basada en modelo. En la etapa 63, se generan tres señales de error de momento de flexión de pala AM1, AM2, AM3 respectivamente correspondientes a las palas 141, 142, 143 en base a los valores de momento de flexión de pala M1, M2, M3 calculados y tres instrucciones de momento de flexión de pala M1<cmd>, M2<cmd>, M3<cmd>predeterminadas. En la etapa 64, se calculan tres instrucciones de compensación de ángulo depitchAp1, Ap2 y Ap3 respectivamente correspondientes a las palas 141, 142, 143 en base a las señales de error de momento de flexión de pala AM1, AM2, AM3 generadas.
[0023]Como se menciona anteriormente, la unidad de estimación basada en modelo 316 de la FIG. 5 almacena al menos un algoritmo de estimación basada en modelo (o función de transferencia) usado para calcular los valores de momento de flexión de pala M1, M2, M3. Se debe apreciar que los algoritmos de estimación basada en modelo se configuran en base a las características de los parámetros de momento de flexión de pala de la turbina eólica. Se describirán con más detalle dos modos de realización de ejemplo de los algoritmos de estimación basada en modelo con respecto a las FIGS. 7 y 8.
[0024]En referencia a la FIG. 7, se muestra una vista esquemática de un modelo basado en física. En el modo de realización ilustrado de la FIG. 7, el modelo basado en física comprende un modelo de viga de Euler que usa una viga de Euler 70 para simular cada una de las palas 141, 142 y 143. Aquí, se supone que la distribución de carga en el sentido perpendicular al eje entre el borde de ataque y salida en la viga de Euler 70 es uniforme, simbolizada como 'w'. La fuerza en el sentido perpendicular al eje entre el borde de ataque y salida F y el momento de flexión en el sentido perpendicular al eje entre el borde de ataque y salida M se pueden calcular de acuerdo con las siguientes dos ecuaciones: F = w(L-x); M =w/2(x2-2Lx+L2), en la que L es la longitud de la viga de Euler 70 y x representa las posiciones de pala, tales como x1, x2, x3, x4, x5, x6 mostradas en la FIG. 7. Por ejemplo, si se necesita calcular un momento de flexión de raíz, x es la x1 mostrada en la FIG. 7. Aquí, solo se calcula el momento de flexión en el sentido perpendicular al eje entre el borde de ataque y salida, y las otras dos orientaciones de los momentos de flexión (a saber, el momento de flexión en el sentido del eje entre el borde de ataque y salida y el momento de flexión depitch)se omiten debido a que los dos momentos de flexión son muy pequeños. En otros modos de realización, las otras piezas de los momentos de flexión también se pueden calcular en el modelo basado en física para incrementar la exactitud.
[0025]La distribución de carga en el sentido perpendicular al eje entre el borde de ataque y salida 'w' se puede obtener directamente a partir de la MIMU 20 o calcular en base a algunas señales de parámetros relacionados, tales como la pendiente de deformación de pala, a partir de la MIMU 20 y algunos parámetros físicos de pala prealmacenados. La longitud L de la viga Euler 70 se puede prealmacenar en la unidad de almacenamiento de parámetros físicos de pala 314. La ventaja de este modelo de viga de Euler es que el modelo es simple y directo. En otros modos de realización, la unidad de estimación basada en modelo 316 puede usar otros tipos de modelos de viga físicos teóricos para calcular los valores de momento de flexión. Por ejemplo, los modelos físicos pueden ser un modelo bidimensional o tridimensional, y el modelo aplicado puede obtener suficientes señales de parámetros a partir de la MIMU 20 y parámetros físicos de pala a partir de la unidad de almacenamiento de parámetros físicos de pala 314 para calcular los momentos de flexión en base a algoritmos adecuados.
[0026]En otro modo de realización, el modelo matemático programado en la unidad de estimación basada en modelo 316 puede comprender un modelo basado en datos o un modelo híbrido, tal como una combinación de modelos tanto basados en física como basados en datos. En referencia a la FIG. 8, se muestra un diagrama detallado de otra unidad de estimación basada en modelo 316. En al menos algunos modos de realización, la unidad de estimación basada en modelo 316 aplica un modelo híbrido e incluye una subunidad de simulación 3161, una subunidad de selección de señales de parámetros 3162, una subunidad de selección de parámetros físicos de pala 3163, una subunidad de aprendizaje de datos 3164 y una subunidad de cálculo de momento de flexión de pala 3165.
[0027]La subunidad de simulación 3161 se usa para simular las palas 141, 142, 143 de la turbina eólica 10 usando un programa informático de simulación, tal como el programa informático de simulación FlexSim disponible de FlexSim Software Products, Inc. La subunidad de aprendizaje de datos 3164 se usa para extraer un valor de simulación de momento de flexión de pala y al menos una señal de simulación de parámetro relacionado en base al modelo de turbina eólica simulado en la subunidad de simulación 3161 y para calcular la relación entre el valor de simulación de momento de flexión de pala y las señales de simulación de parámetro relacionado. Las señales de simulación de parámetro relacionado corresponden a una o más señales de parámetros detectadas por la MIMU 20 o a datos preprocesados de una o más señales de parámetros detectadas por la MIMU 20. La relación calculada, a continuación, se suministra a la subunidad de cálculo de momento de flexión de pala 3165.
[0028]La subunidad de selección de señales de parámetros 3162 se usa para obtener señales de parámetros S1_e correspondientes a las señales de simulación de parámetro relacionado a partir de la unidad de recepción de señales de parámetros 312. La subunidad de selección de parámetros físicos de pala 3163 se usa para obtener los parámetros físicos de pala P1 relacionados con la relación entre el valor de simulación de momento de flexión de pala y las señales de simulación de parámetro relacionado. En algunos modos de realización, la subunidad de selección de parámetros físicos de pala 3163 se puede omitir si la relación entre el valor de simulación de momento de flexión de pala y las señales de simulación de parámetro relacionado se puede determinar sin ninguna información de parámetros físicos de pala. Cuando se omite la subunidad de selección de parámetros físicos de pala 3163, el modelo híbrido se convierte en un modelo matemático individual basado en datos. Debido a que las MIMU 20 pueden detectar múltiples tipos de señales de parámetros S1, la subunidad de selección de señales de parámetros 3162 puede seleccionar las señales de parámetros S1_e requeridas de acuerdo con las señales de simulación de parámetro relacionado.
[0029]La subunidad de cálculo de momento de flexión de pala 3165 obtiene la relación calculada entre el valor de simulación de momento de flexión de pala y las señales de simulación de parámetro relacionado de la subunidad de generación de parámetros de aprendizaje de datos 3164. La subunidad de cálculo de momento de flexión de pala 3165 aplica esta relación calculada para obtener valores de momento de flexión de pala (M1, M2, M3) reales en base a señales de parámetros reales recibidas a partir de la MIMU 20 y los parámetros físicos reales de pala prealmacenados en la unidad de almacenamiento de parámetros físicos de pala 314.
[0030]Por ejemplo, la subunidad de aprendizaje de datos 3164 puede calcular una distribución de carga w simulada y una pendiente de deformación de pala a simulada usando análisis de espectros por transformada rápida de Fourier (“Fast Fourier Transform” o FFT) en base al modelo de turbina eólica en la subunidad de simulación 3161. La distribución de carga w simulada está relacionada con el valor de simulación de momento de flexión de pala, y la pendiente de deformación de pala a simulada está relacionada con la al menos una señal de simulación de parámetro relacionado (señal de pendiente de deformación de pala). La distribución de carga w simulada y la pendiente de deformación de pala a simulada se pueden escribir como:
w=A_wsen(p b_w;
cr=A_aseno b_a.
[0031]En las que $ representa la posición de rotor de pala. A partir del análisis, b_a tiene la relación polinómica con A_w y b_w, que se puede escribir como:
[0032]A continuación, dos coeficientes C<i>y C<2>se calculan en consecuencia.
[0033]Después del aprendizaje de datos, se puede determinar la relación (C<i>y C<2>) entre la distribución de carga w y la pendiente de deformación de pala a. A continuación, la subunidad de cálculo de momento de flexión de pala 3165 puede obtener la pendiente de deformación de pala a' real y la distribución de carga w' real se puede calcular en base a las cuatro ecuaciones anteriores. A saber, w' = A_w'sen$' b_w' = C<i>*b_a'sen$' C<2>*b_a'. Debido a que los dos coeficientes C<i>y C<2>se determinan en la subunidad de aprendizaje de datos 3164, y las señales de parámetros reales de la pendiente de deformación de pala b_a' y la posición de rotor de pala $' se pueden obtener a partir de las MIMU 20, la distribución de carga w' real se determina en consecuencia. A continuación, el momento de flexión de pala M' se puede calcular de acuerdo con la distribución de carga w' en base a la fórmula de cálculo de momento de flexión de pala. Por ejemplo, M'=ZF'*AL; F'= Zw'*AL, donde F representa la fuerza en el sentido perpendicular al eje entre el borde de ataque y salida de pala y L representa la longitud de envergadura de pala. El parámetro físico de pala L se puede obtener a partir de la unidad de almacenamiento de parámetros físicos de pala 314. En otros modos de realización, los parámetros físicos de pala pueden incluir además la masa de pala y la rigidez de pala, por ejemplo, para incrementar su exactitud.
[0034]Se debe apreciar que el modelo matemático utilizado por la unidad de estimación basada en modelo 316 se puede validar y/o calibrar antes de almacenarse dentro de la unidad de estimación basada en modelo. Por ejemplo, la FIG. 9 muestra cuatro diagramas de comparación de valores de momento de flexión de pala calculados y valores de momento de flexión de pala simulados con diferentes intervalos de tiempo, por ejemplo, 11 s, 14 s, 17 s y 21 s, que se usan para validar y/o calibrar el modelo matemático programado en la unidad de estimación basada en modelo 316 de la FIG. 8. En estos cuatro diagramas de comparación, los valores de momento de flexión de pala calculados tienen tendencias comunes con los valores de momento de flexión de pala simulados (véanse las dos curvas en cada diagrama de comparación de la FIG. 9), lo que puede validar y/o calibrar que el modelo matemático programado en la unidad de estimación basada en modelo 316 es adecuado para calcular los valores de momento de flexión de pala M1, M2 y M3.
[0035]Aunque la invención se ha descrito con referencia a modos de realización de ejemplo, se entenderá por los expertos en la técnica que se pueden realizar diversos cambios y se pueden sustituir equivalentes por elementos de los mismos sin apartarse del alcance de la invención. Además, se pueden realizar muchas modificaciones para adaptar una situación o material particulares a las enseñanzas de la invención sin apartarse del alcance esencial de la misma. Por lo tanto, se pretende que la invención no se limite a cualquier modo de realización particular divulgada como el modo preferente contemplado para llevar a cabo la presente invención, sino que la invención incluirá todos los modos de realización que entran dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.
Claims (15)
1. Una turbina eólica (10) que comprende:
una pluralidad de palas (141, 142, 143);
una pluralidad de unidades de medición microinercial (MIMU) (20) montadas en la pluralidad de palas (141, 142, 143) para detectar señales de parámetros de la pluralidad de palas; y
un sistema de control (30), que comprende:
una unidad de cálculo de momento de flexión de pala (31) para calcular valores de momento de flexión de pala de la pluralidad de palas (141, 142, 143) en base a al menos los parámetros detectados, en la que la unidad de cálculo de momento de flexión de pala (31) comprende una unidad de recepción de señales de parámetros (312) para recibir las señales de parámetros detectadas a partir de la pluralidad de MIMU (20);
una unidad de cálculo de señal de error de momento de flexión de pala para calcular señales de error de momento de flexión de pala de la pluralidad de palas (141, 142, 143) en base a los valores de momento de flexión de pala calculados de la pluralidad de palas y una pluralidad de instrucciones de momento de flexión de pala; y
una unidad de cálculo de instrucciones de compensación de ángulo depitch(32) para calcular instrucciones de compensación de ángulo depitchde la pluralidad de palas en base a las señales de error de momento de flexión de pala calculadas de la pluralidad de palas (141, 142, 143); y
una unidad de control depitch(39), usando la unidad de control depitch(39) las instrucciones de compensación de ángulo depitchpara ajustar los ángulos depitchde la pluralidad de palas para compensar un desequilibrio del rotor en la pluralidad de palas (141, 142, 143).
2. La turbina eólica (10) de la reivindicación 1, en la que la unidad de cálculo de señal de error de momento de flexión de pala (31) comprende una pluralidad de elementos de suma, cada uno para restar un valor de momento de flexión de pala calculado de una instrucción de momento de flexión de pala correspondiente y proporcionar una señal de error de momento de flexión de pala correspondiente.
3. La turbina eólica (10) de cualquier reivindicación precedente, en la que los valores de momento de flexión de pala calculados se calculan en un sistema de coordenadas bifásico transformado a partir de un sistema de coordenadas trifásico.
4. La turbina eólica (10) de cualquier reivindicación precedente, en la que la unidad de cálculo de momento de flexión de pala (31) comprende: una unidad de estimación basada en modelo (316) para calcular los valores de momento de flexión de pala de la pluralidad de palas en base a los parámetros detectados usando un algoritmo de estimación basada en modelo.
5. La turbina eólica (10) de la reivindicación 4, en la que la unidad de cálculo de momento de flexión de pala (31) comprende además una unidad de almacenamiento de parámetros físicos de pala (3163) para almacenar parámetros físicos de pala de la pluralidad de palas aplicados en el algoritmo de estimación basada en modelo.
6. La turbina eólica (10) de las reivindicaciones 4-5, en la que el algoritmo de estimación basada en modelo comprende un modelo matemático basado en física.
7. La turbina eólica (10) de la reivindicación 6, en la que el modelo matemático basado en física comprende un modelo de física teórica usado para simular cada una de la pluralidad de palas.
8. La turbina eólica (10) de cualquiera de las reivindicaciones 4-7, en la que el algoritmo de estimación basada en modelo comprende un modelo matemático basado en datos o un modelo matemático de modelo híbrido.
9. La turbina eólica (10) de cualquiera de las reivindicaciones 4-8, en la que la unidad de estimación basada en modelo (316) comprende:
una subunidad de simulación para simular la pluralidad de palas (141, 142, 143) de la turbina eólica (10);
una subunidad de aprendizaje de datos para extraer un valor de simulación de momento de flexión de pala y al menos una señal de simulación de parámetro relacionado en base al modelo de turbina eólica simulado en la subunidad de simulación y para calcular la relación entre el valor de simulación de momento de flexión de pala y la al menos una señal de simulación de parámetro relacionado; una subunidad de selección de señales de parámetros para obtener señales de parámetros correspondientes a la al menos una señal de simulación de parámetro relacionado a partir de la unidad de recepción de señales de parámetros; y
una subunidad de cálculo de momento de flexión de pala para calcular los valores de momento de flexión de pala de la pluralidad de palas en base a las señales de parámetros obtenidas y la relación calculada entre el valor de simulación de momento de flexión de pala y la al menos una señal de simulación de parámetro relacionado.
10. La turbina eólica (10) de cualquiera de las reivindicaciones 4-9, en la que la unidad de estimación basada en modelo (316) comprende:
una subunidad de simulación para simular la pluralidad de palas de la turbina eólica;
una subunidad de aprendizaje de datos para extraer un valor de simulación de momento de flexión de pala y al menos una señal de simulación de parámetro relacionado en base al modelo de turbina eólica simulado en la subunidad de simulación y para calcular la relación entre el valor de simulación de momento de flexión de pala y la al menos una señal de simulación de parámetro relacionado; una subunidad de selección de señales de parámetros para obtener señales de parámetros correspondientes a la al menos una señal de simulación de parámetro relacionado a partir de la unidad de recepción de señales de parámetros;
una subunidad de selección de parámetros físicos de pala para obtener uno o más parámetros físicos de pala relacionados con la relación entre el valor de simulación de momento de flexión de pala y la al menos una señal de simulación de parámetro relacionado; y
una subunidad de cálculo de momento de flexión de pala para calcular los valores de momento de flexión de pala de la pluralidad de palas en base a las señales de parámetros obtenidas, los uno o más parámetros físicos de pala obtenidos, y la relación calculada entre el valor de simulación de momento de flexión de pala y la al menos una señal de simulación de parámetro relacionado.
11. Un procedimiento de control (60) para mitigar el desequilibrio de un rotor en una pluralidad de palas (141, 142, 143) de una turbina eólica (10), comprendiendo el procedimiento:
detectar señales de parámetros de la pluralidad de palas (141, 142, 143) a través de una pluralidad de unidades de medición microinercial (MIMU) (20);
calcular (62) valores de momento de flexión de pala de la pluralidad de palas en base a al menos los parámetros detectados, en el que calcular los valores de momento de flexión de pala (62) de la pluralidad de palas en base a al menos los parámetros detectados comprende recibir señales de parámetros detectadas a partir de la pluralidad de MIMU (20);
calcular (63) señales de error de momento de flexión de pala de la pluralidad de palas (141, 142, 143) en base a los valores de momento de flexión de pala calculados de la pluralidad de palas y una pluralidad de instrucciones de momento de flexión de pala;
calcular (64) instrucciones de compensación de ángulo depitchde la pluralidad de palas en base a las señales de error de momento de flexión de pala calculadas; y
usar las instrucciones de compensación de ángulo depitchpara ajustar los ángulos depitchde la pluralidad de palas (141, 142, 143) para compensar el desequilibrio del rotor.
12. El procedimiento (60) de la reivindicación 11, en el que calcular (63) cada una de las señales de error de momento de flexión de pala comprende restar un valor de momento de flexión de pala calculado de una instrucción de momento de flexión de pala correspondiente y proporcionar una señal de error de momento de flexión de pala.
13. El procedimiento (60) de la reivindicación 11 o reivindicación 12, en el que los valores de momento de flexión de pala calculados se calculan en un sistema de coordenadas bifásico transformado a partir de un sistema de coordenadas trifásico.
14. El procedimiento (60) de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, en el que calcular los valores de momento de flexión de pala (62) de la pluralidad de palas en base a al menos los parámetros detectados comprende:
calcular los valores de momento de flexión de pala de la pluralidad de palas (141, 142, 143) en base a los parámetros detectados usando un algoritmo de estimación basada en modelo.
15. El procedimiento (60) de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, en el que calcular los valores de momento de flexión de pala (62) de la pluralidad de palas en base a los parámetros detectados usando un algoritmo de estimación basada en modelo comprende:
simular la pluralidad de palas de la turbina eólica (10);
extraer un valor de simulación de momento de flexión de pala y al menos una señal de simulación de parámetro relacionado en base al modelo de turbina eólica simulado;
calcular la relación entre el valor de simulación de momento de flexión de pala y la al menos una señal de simulación de parámetro relacionado;
obtener señales de parámetros correspondientes a la al menos una señal de simulación de parámetro relacionado; y
calcular los valores de momento de flexión de pala de la pluralidad de palas (141, 142, 143) en base a las señales de parámetros obtenidas y la relación calculada entre el valor de simulación de momento de flexión de pala y la al menos una señal de simulación de parámetro relacionado.
al menos una señal de simulación de parámetro relacionado.
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