ES3035804T3 - Wind turbine control based on optimising and non-optimising controller routines - Google Patents
Wind turbine control based on optimising and non-optimising controller routinesInfo
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Abstract
Se describe el control de turbinas eólicas basado en rutinas de controlador optimizadoras y no optimizadoras. Un primer controlador implementa una rutina de control predictivo por modelos (MPC) para calcular un primer valor de control predicho. Un segundo controlador implementa una rutina de control no optimizadora para calcular un segundo valor de control. Una unidad controladora del actuador determina una señal de control del actuador combinando el primer valor de control predicho y el segundo valor de control. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Control de aerogenerador basado en rutinas de controlador optimizadoras y no optimizadoras
Campo de la invención
La presente invención se relaciona con el control de aerogeneradores, y en particular con aerogeneradores con sistemas de control que comprenden tanto unidades de control optimizadoras, tales como unidades de control de MPC, como unidades de control no optimizadoras.
Antecedentes de la invención
Los aerogeneradores se usan comúnmente para suministrar electricidad a la red eléctrica. En general, un aerogenerador o un parque de aerogeneradores se opera con el objetivo de obtener el máximo rendimiento del capital invertido en él y, en consecuencia, los sistemas de control de aerogeneradores están configurados para maximizar la potencia de salida, es decir, para operar el aerogenerador para capturar la máxima potencia que está disponible en el viento, con la debida consideración en mantener el aerogenerador dentro de los límites operativos. Existen diferentes tipos de aerogeneradores, los aerogeneradores modernos a menudo son del tipo de velocidad variable. Para tal aerogenerador, el par del generador y el ángulo de paso de las palas se controlan para mantener tales parámetros como el par aerodinámico, la velocidad del rotor y la potencia eléctrica dentro de una envolvente operativa, dependiendo de los parámetros de diseño y las condiciones de operación.
Los aerogeneradores modernos se operan mediante una serie de controladores informatizados que, en base a las señales de entrada, determinan las señales de salida del actuador. Muchos controladores de aerogeneradores se implementan como controladores de realimentación del tipo PID. Los controladores de tipo PID son controladores bien conocidos y fiables. Los aerogeneradores son máquinas bastante complejas que operan en entornos complejos, variables y, a menudo, impredecibles. Por lo tanto, puede haber una ventaja en aplicar técnicas de control más avanzadas del tipo de entrada múltiple, salida múltiple (MIMO). Un ejemplo de tal controlador avanzado es un controlador basado en la denominada metodología de Control Predictivo de Modelos (MPC).
El documento WO2011/076295 describe un aerogenerador que tiene un método de control y un controlador para realizar un control predictivo, en lo sucesivo MPC, de un generador de aerogenerador en base a la velocidad del viento obtenida a una distancia predeterminada enfrente del rotor.
El documento WO2016/023561 describe un aerogenerador que tiene un sistema de control dispuesto para controlar una trayectoria de control predicha, por ejemplo, mediante un controlador de MPC, y un controlador de seguridad para controlar el aerogenerador de acuerdo con una trayectoria de control en modo seguro. La trayectoria de control en modo seguro se puede calcular o no mediante un controlador de optimización. En la descripción, el aerogenerador se controla o bien en base a la trayectoria de control predicha o bien en base a la trayectoria de control en modo seguro.
El documento US2017/248124 A1 describe un sistema de control para un aerogenerador donde un controlador principal está calculando trayectorias de control predichas a ser validadas por un controlador de seguridad. El sistema de control controla el aerogenerador con la trayectoria de control predicha si es válida, de otro modo, con una trayectoria de control en modo seguro.
El control de aerogenerador basado en MPC es desafiante por los cálculos bastante complejos para ejecutar un algoritmo de MPC para un control en tiempo real, donde los puntos de ajuste del actuador a menudo se calculan entre unos pocos Hz y 100 Hz.
Es en este contexto en el que se ha concebido la invención.
Compendio de la invención
Sería ventajoso lograr el control de un aerogenerador que sea capaz de soportar un control avanzado en tiempo real basado en modelos de al menos unas características de control seleccionadas.
Por consiguiente, en un primer aspecto, se proporciona un sistema de control de aerogenerador, de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende: una primera unidad de control que implementa una rutina de control predictivo de modelos (MPC) para calcular una trayectoria operativa predicha de una señal operativa predicha, donde una trayectoria comprende una serie temporal de al menos una variable, y donde una trayectoria incluye un primer valor de control predicho; una segunda unidad de control que implementa un controlador no optimizador para calcular un segundo valor de control; y una unidad de control de actuador dispuesta para determinar una señal de control de actuador combinando el primer valor de control predicho y el segundo valor de control.
El inventor de la presente invención se ha dado cuenta de que las señales de control de actuador se pueden dividir en subseñales que están determinadas por diferentes unidades de control implementadas de acuerdo con diferentes principios de control. Basando parte de la señal de actuador en valores determinados por una rutina de MPC, se pueden obtener los beneficios del MPC para las variables de control seleccionadas que forman parte de la señal de control de actuador combinada, mientras que otras variables de control seleccionadas se pueden manejar mediante el tipo de control no optimizador más simple computacional. De esta manera, el MPC se puede aplicar al control de aerogeneradores en tiempo real sin depender de la potencia de cálculo que no está disponible en los aerogeneradores modernos. Además, en general, ciertos aspectos del control se pueden manejar de manera beneficiosa mediante una rutina de control no optimizadora, mientras que otros aspectos del control se manejan de manera beneficiosa mediante una rutina de control optimizadora. Las realizaciones de la presente invención permiten, por ello, seleccionar qué tipo de rutina de control se usa para las diferentes tareas de control, independientemente de la potencia de cálculo disponible en el aerogenerador.
A este respecto, un controlador no optimizador se ha de entender como un controlador que, en base a una entrada, determina una salida, donde la salida se determina en base a un cálculo que no se puede entender como una optimización numérica. En particular, la cual no se basa en una optimización en tiempo real o en una optimización en línea. El algoritmo de controlador no optimizador puede haber sido sometido antes a ajuste o puede incluir parámetros de ajuste que se varían en base a la entrada. Tal ajuste no se ha de entender como una optimización. En general, el controlador no optimizador se puede basar en cálculos aritméticos, cálculos lógicos, bucles de control de realimentación, bucles de control anticipativo, en adelante PID, PI u otros controladores de realimentación.
El sistema de control comprende, de este modo, tres unidades de control, no obstante, pueden estar presentes unidades adicionales. La primera unidad de control es un controlador de MPC, la segunda unidad de control es una unidad de control clásica que se basa en un control no optimizador, y la tercera unidad de control es un controlador de actuador. El controlador de actuador puede ser un controlador para cualquier actuador en el aerogenerador, incluyendo, pero no limitado a, actuadores de paso y actuadores de potencia. El actuador de potencia puede ser un elemento del sistema generador-convertidor, que es decisivo para el par generador resultante. El par generador se puede controlar a través de un punto de ajuste de potencia o un punto de ajuste de par recibido por el controlador del convertidor, dispuesto para controlar los elementos relevantes del sistema generador-convertidor. También se pueden concebir actuadores adicionales, tales como elementos aerodinámicos activos, elementos de amortiguación mecánicos, etc.
La señal de control de actuador se obtiene combinando el primer valor de control predicho y el segundo valor de control. De esta manera, la señal de control de actuador comprende una contribución de señal del primer valor de control y una contribución de señal del segundo valor de control. La combinación del primer y del segundo valor de control se puede hacer mediante hardware apropiado, no obstante, típicamente se implementa como una combinación de software. La combinación se puede obtener mediante una implementación funcional donde una función matemática toma como entrada el primer valor de control y el segundo valor de control, opcionalmente junto con valores adicionales para determinar la señal de control de actuador. En una implementación, la combinación de los valores de control puede comprender una suma del primer y del segundo valor de control, y una suma ponderada del primer y segundo valores de control. En las realizaciones, las ponderaciones pueden ser ponderaciones escalares; no obstante, las ponderaciones también se pueden programar (por ejemplo, escalar) según un punto operativo del aerogenerador, tal como programar según la velocidad del viento, la velocidad del rotor, la salida de potencia, etc. En un ejemplo general, la combinación puede comprender la superposición de una función matemática dependiente del primer valor de control y una función matemática dependiente del primer valor de control.
El sistema de control puede manejar más de dos valores de control y la señal de control de actuador resultante se puede basar en una serie de valores de control predichos y una serie de valores de control adicionales que se determinan por unidades de control no optimizadoras.
La rutina de control predictivo de modelos se puede implementar para optimización en línea, tal como optimización en tiempo real. El primer y segundo controladores se pueden implementar para operar en paralelo. Esto se puede lograr mediante procesamiento en paralelo en un equipo de procesamiento dedicado, o se puede lograr mediante una programación adecuada para el procesamiento en paralelo en el mismo equipo de procesamiento.
Las diversas unidades de control del sistema de control pueden operar a diferentes frecuencias de muestreo y ventajosamente, la unidad de control de actuador comprende una unidad de muestreo que está dispuesta para recibir el primer valor de control predicho a una primera frecuencia de muestreo y está dispuesta para recibir el segundo valor de control a una segunda frecuencia de muestreo, y en donde la unidad de muestreo está dispuesta para ajustar la frecuencia de muestreo de al menos uno del primer valor de control predicho y el segundo valor de control, para emitir la señal de control de actuador a una frecuencia de muestreo de salida.
En las realizaciones, un ajuste de actuador se puede basar en diferentes valores de control que se combinan en un único punto de ajuste de actuador. De este modo, el valor de control predicho puede relacionarse con un primer valor de control, y el segundo valor de control puede relacionarse con un segundo valor de control diferente. Por ejemplo, el primer valor de control puede relacionarse con un valor de paso colectivo dirigido a controlar la absorción de energía aerodinámica del rotor, mientras que el segundo valor de control puede relacionarse con un valor de paso cíclico dirigido a amortiguar las vibraciones de la torre. El segundo valor de control también puede relacionarse con un valor determinado por un sistema de supervisión para asegurar una reacción rápida a un estado de aerogenerador dado.
En las realizaciones, los segundos valores de control se determinan para reducir las fuerzas del rotor fuera del plano y/o para reducir las vibraciones de la torre.
En las realizaciones, el primer valor de control predicho es al menos uno del valor de control para ajustar el paso colectivo y el valor de control para ajustar la potencia de salida. Para el primer valor de control predicho que es el valor de control para ajustar el paso colectivo, el segundo valor de control puede ser un valor de variación cíclica para superponer la variación de paso cíclica al valor de paso colectivo. Para el primer valor de control predicho que es el valor de control para ajustar la potencia de salida, el segundo valor de control puede ser un valor de variación cíclica para superponer la variación de potencia cíclica a la potencia de salida.
En las realizaciones, el sistema de control puede estar conectado comunicativamente a un sistema de supervisión que, en base a las entradas de sensores y/u otras entradas, tales como las entradas de estado de actuador, determina el estado de aerogenerador y compara este estado de aerogenerador con diversos límites o umbrales operativos. En tal realización, los segundos valores de control son valores relacionados con la supervisión, para asegurar una señal de control de actuador predefinida en vista de un estado de aerogenerador que está fuera de un estado operativo predefinido, supervisado por un sistema de supervisión asociado. En una realización, la segunda unidad de control recibe una entrada del sistema de supervisión y, en base a esa entrada, calcula un segundo valor de control. Esto se puede implementar ventajosamente para asegurar una reacción rápida ante una situación dada. Por ejemplo, una reacción rápida ante una situación meteorológica, por ejemplo, una ráfaga fuerte, una reacción rápida ante un componente defectuoso u otras situaciones donde pueda ser ventajoso asegurar una respuesta rápida de actuador.
El sistema de control tiene en cuenta una situación en la que una solución válida para el problema de optimización o bien no existe o bien en la que no hay suficiente potencia de cálculo disponible con el fin de encontrar una solución válida en un tiempo aceptable. La primera unidad de control comprende una unidad de fallos que monitoriza una rutina de optimización de la rutina de MPC, y si la rutina de optimización no proporciona una solución válida a la optimización durante un tiempo predeterminado, la unidad de fallos envía una señal de fallo. En una realización, la unidad de fallos puede monitorizar un solucionador implementado por la rutina de MPC para asegurar que el solucionador proporcione una solución válida.
La señal de fallo comprende un valor de control de anulación para sustituir el valor de control predicho, el valor de control de anulación que es el último valor de control predicho válido determinado. Esto puede asegurar que, si bien no está disponible un valor de control válido actual, el aerogenerador, sin embargo, está siendo controlado de acuerdo con un valor de control validado. Un valor de control determinado anterior puede ser válido, pero la validez puede durar solamente un tiempo dado. La unidad de fallos monitoriza el número de muestras que pasan sin que se obtenga una solución válida, y si el número de muestras es mayor que un valor umbral predefinido, la señal de fallo es una señal de apagado del aerogenerador. De esta manera, se puede asegurar que el aerogenerador solamente se opere en base a valores de control a los que se pueda asignar una alta certeza de validez.
En un segundo aspecto, la invención se relaciona con un método de control de un sistema de control de aerogenerador, de acuerdo con la reivindicación 12, el método que comprende: calcular, usando una rutina de control predictivo de modelos (MPC), una trayectoria operativa predicha de una señal operativa predicha, donde una trayectoria comprende una serie temporal de al menos una variable, y donde una trayectoria incluye un primer valor de control predicho; calcular, usando una rutina de control no optimizadora, un segundo valor de control; y combinar el primer valor de control predicho y el segundo valor de control con una señal de control de actuador.
En general, un controlador puede ser una unidad o colección de unidades funcionales que comprende uno o más procesadores, una interfaz o interfaces de entrada/salida y una memoria capaz de almacenar instrucciones que se pueden ejecutar por un procesador.
Estos y otros aspectos, características y/o ventajas de la invención serán evidentes y se dilucidarán con referencia a las realizaciones que se describen de aquí en adelante.
Breve descripción de los dibujos
Las realizaciones de la invención se describirán, a modo de ejemplo solamente, con referencia a los dibujos, en los que
la Figura 1 ilustra esquemáticamente una realización de un sistema de control junto con elementos de un aerogenerador;
la Figura 2 ilustra una realización del sistema de control de aerogenerador;
la Figura 3 ilustra además elementos de la realización de la Fig. 2; y
la Figura 4 ilustra una realización de la unidad de control de MPC que se implementa para emitir dos valores de control predichos.
Descripción de las realizaciones
La Figura 1 ilustra esquemáticamente una implementación de un sistema de control 6 junto con elementos de un aerogenerador. El aerogenerador comprende las palas de rotor 1, que están conectadas mecánicamente a un generador eléctrico 2 a través de la caja de engranajes 3. En sistemas de accionamiento directo, y otros sistemas, la caja de engranajes puede no estar presente. La potencia eléctrica generada por el generador 2 se inyecta en la red eléctrica 4 a través de un convertidor eléctrico 5. El generador eléctrico 2 y el convertidor 5 se pueden basar en una arquitectura de convertidor a plena escala o en una arquitectura de generador de inducción de doble alimentación (DFIG), pero se pueden usar otros tipos.
El sistema de control 6 comprende una serie de elementos, incluyendo un procesador y una memoria, de modo que las subunidades del sistema de control son capaces de ejecutar tareas de cálculo en base a instrucciones almacenadas en la memoria. En general, el controlador del aerogenerador 6 asegura que, en operación, el aerogenerador genere un nivel de salida de potencia solicitado dentro de los límites de diseño. Esto se obtiene ajustando el ángulo de paso y/o la extracción de potencia del convertidor. Con este fin, el sistema de control 6 da instrucciones a un sistema de paso usando una referencia de paso 8, y a un sistema de potencia usando una referencia de potencia 10. El sistema de control recibe una serie de señales de entrada, en lo sucesivo las posiciones de paso 7 de cada pala del rotor, la potencia de red 9 y la velocidad del rotor 11. Además, se ponen a disposición de los elementos del sistema de control una serie de otros valores de sensores. En la figura se muestran dos palas de rotor, no obstante, se puede usar cualquier número de palas de rotor, en particular tres palas de rotor. El rotor de aerogenerador comprende palas de rotor que se pueden cabecear mediante un mecanismo de paso. El rotor puede comprender un sistema de paso común que ajusta al mismo tiempo todos los ángulos de paso en todas las palas de rotor, así como, además de ello, un sistema de paso individual que es capaz de cabecear individualmente las palas de rotor. La división entre el sistema de paso común y el sistema de paso individual es, en cierta medida, lógica o basada en el controlador, en la medida que solamente se envía una única referencia de paso a cada actuador de paso de las palas. Esta referencia de paso única puede ser una señal combinada de la referencia de paso común, la referencia de paso individual y, potencialmente, también otras contribuciones. También, la referencia de paso común y la referencia de paso individual se pueden basar en contribuciones de diferentes determinaciones.
El paso común se establece como un ajuste de paso común para todas las palas y se usa para controlar el par aerodinámico del rotor y el empuje del rotor. El paso individual se establece como un ajuste de paso individual para cada pala. El paso individual se puede implementar como un ajuste de paso cíclico que se basa en un valor de referencia común que está ajustado en fase 120°. La señal ajustada en fase impondrá una variación cíclica si se superpone al paso colectivo. El sistema de paso individual se usa a menudo para actividades de alivio de carga. La Figura 2 ilustra una implementación del sistema de control de aerogenerador 6, que comprende una primera unidad de control 20, implementada como una unidad de control de MPC para calcular un valor de control predicho 24, y una segunda unidad de control no optimizadora 21, implementada para calcular un segundo valor de control 25. En la implementación ilustrada de la Fig. 2 y la Fig. 3, la unidad de control de MPC 20 se implementa para calcular el valor de control predicho en forma de la referencia de paso colectivo, mientras que el segundo controlador 21 se implementa para calcular un segundo valor de control diferente en forma de unas señales de paso para reducir las vibraciones laterales de la torre. Los dos controladores están implementados para operar en paralelo, lo que significa que ambos están activos al mismo tiempo siendo capaces de operar de una manera independiente.
A continuación se proporcionan ejemplos adicionales de implementaciones alternativas.
El MPC (primera unidad de control) calcula un valor de control predicho 24 en forma de una referencia de paso colectivo, y la unidad de vibración lateral de la torre (segunda unidad de control) calcula una contribución de paso para cada pala para reducir la vibración lateral de la torre. Las dos señales de paso se introducen en una unidad de control de actuador 22 en forma de un controlador de paso, que combina las señales en una señal de control de actuador 26 para ser introducidas en los actuadores de paso reales 23 de cada pala.
La rutina de MPC y la rutina de control no optimizadora se basan en diversas entradas 27-29, tales como una entrada de estado de aerogenerador, una entrada de sensor y una entrada de actuador. Dependiendo de las implementaciones específicas, las entradas pueden ser una entrada 27 dedicada al MPC, una entrada 28 dedicada a la rutina de control no optimizadora o una entrada compartida 29.
La Figura 3 ilustra aún más los elementos de la realización de la Fig. 2, incluyendo las señales implicadas en la determinación de la señal de control de actuador de paso.
La Figura 3 ilustra el controlador de MPC 20, que calcula repetidamente una trayectoria operativa predicha 31, a la que también se hace referencia algunas veces como horizonte de predicción. Una rutina de MPC es una rutina de control de horizonte en retroceso que optimiza el intervalo de tiempo actual, k, al tiempo que tiene en cuenta los intervalos de tiempo futuros, mostrados aquí como el horizonte de predicción 32 que comprende k+N pasos. Esto se logra optimizando un horizonte de tiempo finito, usando el intervalo de tiempo actual 30 como el valor de control 24, y luego optimizando de nuevo, repetidamente. La trayectoria operativa comprende una serie temporal de al menos una variable, aquí el punto de ajuste de paso colectivo, e incluye un valor de control predicho 24, 30, tomado como el valor de control predicho actual. Esto se ilustra en la Fig. 3, donde para cada optimización actual y la trayectoria predicha resultante, el valor predicho 30 actual se toma como el punto de ajuste de actuador 24 para el paso colectivo, mostrado como punto de ajuste de actuador para los intervalos de tiempo k-3 a k.
La unidad de vibración lateral de la torre 21 recibe como entrada una señal que representa la vibración lateral de la torre. Esta puede ser, por ejemplo, una señal que representa la velocidad lateral de la parte superior de la torre del aerogenerador, y como salida 25 está una señal de corrección de paso para cada pala. Esta señal de corrección de paso generará una fuerza que da como resultado una amortiguación del movimiento lateral de la parte superior de la torre. Esta unidad de control es una unidad de control no optimizadora, dado que el valor de salida no es el resultado de una optimización. En su lugar, el valor de salida se calcula en base a una señal de sensor de entrada. Posiblemente se procesan los datos de esta señal, incluyendo el ajuste de ganancia, para generar una señal de control.
La señal de paso colectivo, determinada por el MPC, y la señal de amortiguación lateral, determinada por la unidad de vibración lateral de la torre, se introducen en una unidad de control de actuador 22, que combina las dos señales para generar una señal de control de actuador 26 para el actuador de paso 23.
La Figura 3 muestra una única variable de control calculada por MPC, pero el sistema de control generalmente operará con una serie de trayectorias operativas, tanto de las variables operativas como de los valores de control. Las trayectorias operativas y las trayectorias de control pueden incluir, pero no se limitan a, uno o más de los siguientes parámetros: valor de paso, incluyendo valores de paso colectivo y valores de paso individual, velocidad del rotor, aceleración del rotor, movimiento de la torre, parámetros relacionados con la potencia, parámetros relacionados con el par y derivadas de estos parámetros, así como parámetros tales como la potencia generada Pg, la potencia extraída del viento Pw, la potencia disponible en el viento Pav y la energía cinética en el sistema de rotación K.
En una realización, la trayectoria operativa es una trayectoria de estado operativo predicha. Un estado es una colección, a menudo expresada como un vector, de parámetros operativos. Un estado de aerogenerador de ejemplo es:
r0(t)i
m
M (t)
x '
s(t)
S(0
.5 ( 0 -
que comprende el valor de paso, 0, la velocidad angular del rotor, u>, y la posición superior de la torre, s, así como las derivadas en el tiempo de estos parámetros. Otros y más parámetros se pueden usar para definir el estado de aerogenerador, x*. En general, la trayectoria operativa incluye parámetros operativos que se usan para calcular la medida de carga de fatiga deseada. ;Los valores de estado del estado operativo actual del aerogenerador se pueden basar en las lecturas de sensores medidas desde sensores dispuestos para medir los datos de sensores relacionados con los valores de estado físico de aerogenerador. Además, también se pueden usar valores estimados o valores calculados. En una realización, el estado se puede determinar mediante una calculadora de estado, por ejemplo, en forma de una unidad de cálculo dedicada a cargo de la determinación del estado operativo actual, tal como un observador o un filtro de Kalman. La trayectoria se puede expresar como una trayectoria de control. Una trayectoria de control de ejemplo puede ser: ;;; ;;
que comprende la señal de referencia de paso colectivo y la señal de referencia de potencia. Otros y más parámetros se pueden usar para definir la señal de control de aerogenerador, u-i*.
La Figura 3 muestra una trayectoria 31 de un valor de control para una serie de pasos de tiempo discretos. La figura muestra el tiempo actual, k, así como una serie de pasos de tiempo pasados y una serie de pasos de tiempo futuros 32. Los valores conocidos se marcan con un círculo macizo, mientras que los valores predichos se marcan con un círculo abierto. Una trayectoria puede comprender una serie temporal de valores predichos, es decir, solamente los círculos abiertos. La trayectoria no necesita incluir los valores pasados y conocidos, pero puede hacerlo en ciertas realizaciones. La trayectoria puede abarcar una serie temporal de unos pocos segundos, tal como 5-10 segundos. No obstante, la trayectoria puede ser más larga o más corta dependiendo de la implementación dada.
El Control Predictivo de Modelos (MPC) es un algoritmo de control multivariable que usa una función de coste de optimización J sobre el horizonte de predicción en retroceso para calcular los movimientos de control óptimos.
La función de coste de optimización se puede dar por:
N
J = 'YJwyi (n - yd2+ wuAut2
i - 1
donde n es el punto de ajuste para la variable de orden i, yi y ui que son las variables de trayectoria de orden i, y Wyi que es la matriz de ponderación que define la importancia relativa de esta variable, y Wu que es la matriz de ponderación que define la penalización relacionada con los cambios en esta variable.
En otra realización, el MPC se puede implementar como un denominado MPC de optimización económica o solo MPC económico. En el MPC económico, la optimización se basa en la maximización de la función de coste en la forma:
maximizar (Potencia - Ai Fatiga - Á2 Ruido - A3 Tasa de paso -...), donde Ai - A3 son variables ajustables. Tal función de coste a menudo se denomina función objetivo.
El problema de optimización, en una realización, se puede resolver mediante un cambio de variables, a una formulación donde el paso y el par se tratan como variables derivadas de las potencias, por ejemplo, en un espacio de parámetros donde se optimiza la potencia del generador, la potencia extraída del viento y la energía cinética. Esto se describe, por ejemplo, por T. Hovgaard, S. Boyd y J. J0rgensen en Model Predictive Control for Wind Power Gradients. Wind Energy, 18(6):991-1006, 2015. En tal realización, el cálculo de MPC puede comprender tres capas: una capa de procesamiento previo, una capa de resolución y una capa de procesamiento posterior. En el procesamiento previo, se realizan pasos tales como la transformación de los valores medidos de paso y velocidad del generador en las potencias correspondientes. También se determinan las restricciones, se estima el estado de aerogenerador, etc. Un resultado del procesamiento previo es que la función objetivo se defina de forma que se pueda introducir en un solucionador. En la capa de resolución, se encuentra un máximo de la función de objetividad. El solucionador, que es una unidad de cálculo dispuesta para encontrar un óptimo, preferiblemente un óptimo global de la función objetivo. Este óptimo será un óptimo expresado en variables de potencia. En el procesamiento posterior, los valores de optimización se transforman de vuelta a los valores de control, en forma de paso y velocidad del generador. Estos valores optimizados se usan luego en el control.
En una realización, el controlador de MPC 20 opera a una primera frecuencia de muestreo. Debido a los cálculos más bien complejos que están implicados en la optimización de la función de coste, la frecuencia de muestreo normalmente se establece en un compromiso entre los recursos informáticos disponibles y la frecuencia de muestreo ideal. El controlador no optimizador, por otro lado, típicamente no está limitado en la frecuencia de muestreo, dado que los cálculos implicados son de tipo filtro digital, tales como FFT, filtrado paso banda, así como cálculos aritméticos. En un ejemplo, la frecuencia de muestreo del controlador de MPC es de unos pocos Hz, mientras que la frecuencia de muestreo del controlador no optimizador es de unas pocas decenas de Hz.
En una realización, la unidad de control de actuador 22 comprende una unidad de muestreo 33 que está dispuesta para recibir el primer valor de control predicho a una primera frecuencia de muestreo y el segundo valor de control a una segunda frecuencia de muestreo. Generalmente, la unidad de muestreo está dispuesta para ajustar la frecuencia de muestreo de al menos uno del primer valor de control predicho y el segundo valor de control, para emitir la señal de control de actuador a una frecuencia de muestreo de salida. En la Fig. 3, la frecuencia de muestreo del primer valor de control predicho se ajusta para que coincida con el segundo valor de control, de modo que la frecuencia de muestreo del actuador de paso coincida con la frecuencia de muestreo del controlador no optimizador. En la figura, la unidad de muestreo 33 opera como una unidad de muestreo ascendente, pero alternativamente también puede operar como una unidad de muestreo descendente. Dependiendo de las circunstancias, la unidad de muestreo se implementa de una manera de modo que pueda tomar señales a diferentes frecuencias de muestreo y emitir una señal combinada a una frecuencia de muestreo de salida seleccionada. La frecuencia de muestreo de salida se selecciona de modo que coincida con la frecuencia de muestreo relevante del actuador en cuestión, aquí el actuador de paso.
La rutina de control predictivo de modelos 20 se implementa para la optimización en línea. De este modo, el controlador de MPC está determinando valores de control para su uso en tiempo real, por ejemplo, como se mencionó, valores de control con una frecuencia de muestreo de entre unos pocos Hz y 100 Hz.
El MPC opera en base a realizar la optimizando de una función de coste multidimensional. En el caso de que no se pueda encontrar una solución válida al problema de optimización, o bien porque no está presente una solución válida o bien porque una solución válida puede tardar demasiado tiempo, la unidad de control incluye una unidad de fallos que monitoriza la rutina de optimización del MPC, y si la rutina de optimización no proporciona una solución válida a la optimización durante un tiempo predeterminado, la unidad de fallos envía una señal de fallo. Esto se puede implementar, por ejemplo, en la capa de resolución como una rutina de monitorización que monitoriza si el solucionador alcanza o no una solución válida dentro de un tiempo predefinido.
La unidad de fallos almacena al menos los valores del último horizonte de predicción válido, y en el caso de que no esté disponible un valor actual válido, la señal de fallo es un valor de control de anulación para sustituir el valor de control predicho, el valor de control de anulación que es el último valor de control predicho válido determinado, es decir, los valores 31 del último horizonte de predicción válido.
La unidad de fallos monitoriza el número de muestras que pasan sin que se obtenga una solución válida, y si el número de muestras es mayor que un valor umbral predefinido, la señal de fallo es una señal de apagado del aerogenerador. Por ejemplo, si 5 muestras han pasado sin obtener una nueva solución válida, el aerogenerador se apaga. El primer par de valores en el horizonte de predicción pueden tener la suficiente credibilidad como para que el aerogenerador pueda operar en base a esos.
La Figura 4 ilustra una realización donde el MPC se implementa para emitir dos valores de control predichos, es decir, un primer valor de control predicho y un segundo valor de control predicho. Un valor de control predicho es el paso colectivo, 0col, y el otro valor de control predicho es la referencia de potencia de salida para el generador Pref. La Figura 4 muestra además dos controladores no optimizadores. Un controlador 40 para calcular una contribución de paso individual para superposición sobre el paso colectivo, 01- 03. En las realizaciones, la contribución de paso individual se puede determinar como valores variables cíclicos superpuestos sobre el valor de paso colectivo para proporcionar los valores de actuador 0<a>- 0<c>para los tres actuadores de paso. En las realizaciones, las contribuciones de paso individual se pueden determinar por una serie de razones. Dependiendo del objetivo de las contribuciones de paso individual, se pueden usar diferentes señales de entrada 41 por el controlador de paso individual.
En una realización, las contribuciones de paso individual se pueden determinar para reducir el cizallamiento o la desviación. En tal realización, la posición angular en el plano del rotor o los sensores de carga de pala se pueden usar como entrada, y en base a ello, se determina una contribución de paso individual para reducir el cizallamiento o la desviación.
En otra realización, la contribución de paso individual puede ser de naturaleza general de reducción de carga fuera del plano para reducir las cargas en el cojinete principal, a la que a menudo se hace referencia como control de inclinación-guiñada. En tal realización, los sensores de carga de pala o los sensores de carga axial se pueden usar como entradas.
En otra realización más, la contribución de paso individual puede ser de naturaleza de reducción de carga de la torre, tal como la amortiguación de vibraciones del movimiento de la torre. Tanto para el movimiento de proa a popa como para el movimiento lateral, la entrada puede ser datos de acelerómetro, y la salida son contribuciones de paso individual que generan una fuerza en la dirección pertinente. En relación con la amortiguación de vibraciones de proa a popa, la salida puede ser una modulación de paso única para modular el paso colectivo para proporcionar una modulación de empuje en el rotor.
Pueden estar presentes más ejemplos y ejemplos adicionales de contribuciones de paso individual. En todas las situaciones, se implementa un controlador para tomar una o más entradas 41 y proporcionar contribuciones de paso individual como salida (01, 02, 03). Las contribuciones de paso individual se superponen sobre el valor de paso colectivo 0col para proporcionar señales de control de actuador, aquí en forma de tres señales de actuador de paso (0<a>, 0<b>, 0<c>) para los actuadores de paso de las palas individuales.
Como también se muestra en la Fig. 4, está una segunda unidad de control 42 para calcular un valor de control para modificar la referencia de potencia predicha (Pref).
En una realización, el controlador de potencia es un controlador para calcular una señal para reducir las vibraciones laterales de la torre. En esta realización, una señal que representa las vibraciones laterales de la torre, por ejemplo, una señal de acelerómetro, se introduce 43, y la variación de potencia cíclica para reducir las vibraciones de la torre se calcula y se superpone a la referencia de potencia para proporcionar un punto de ajuste de potencia, Pajust. El punto de ajuste de potencia que es una señal con una componente de DC correspondiente a la referencia de potencia, y una modulación de potencia superpuesta para reducir el movimiento lateral de la torre.
En otra realización, el controlador de potencia es un controlador para calcular una amplificación de potencia temporal. En esta situación, la entrada puede ser una entrada de comunicación externa que solicita una sobreproducción temporal. En esta situación, el controlador de potencia calcula un pulso de potencia a ser superpuesto sobre la referencia de potencia.
Claims (12)
1. Un sistema de control de aerogenerador (6) que comprende:
una primera unidad de control (24) que implementa una rutina de control predictivo de modelos (MPC) para calcular una trayectoria operativa predicha (31) de una señal operativa predicha, donde una trayectoria comprende una serie temporal de al menos una variable, y donde una trayectoria incluye un primer valor de control predicho (24); una segunda unidad de control (21) que implementa un controlador no optimizador para calcular un segundo valor de control (25); y
una unidad de control de actuador (22) dispuesta para determinar una señal de control de actuador (26) combinando el primer valor de control predicho y el segundo valor de control,
caracterizado por que
la primera unidad de control comprende además una unidad de fallos dispuesta para monitorizar una rutina de optimización de la rutina de MPC y, si la rutina de optimización no proporciona una solución válida a la optimización durante un tiempo predeterminado, parar enviar una señal de fallo, la señal de fallo que comprende un valor de control de anulación para sustituir el primer valor de control predicho, el valor de control de anulación que es el último valor de control predicho válido determinado, y por que la unidad de fallos está dispuesta para monitorizar el número de muestras que pasan sin que se obtenga una solución válida, y si el número de muestras es mayor que un valor umbral predefinido, la señal de fallo es una señal de apagado del aerogenerador.
2. El sistema de control según la reivindicación 1, en donde la unidad de control de actuador (22) comprende una unidad de muestreo (33) que está dispuesta para recibir el primer valor de control predicho a una primera frecuencia de muestreo y está dispuesta para recibir el segundo valor de control a una segunda frecuencia de muestreo, y en donde la unidad de muestreo está dispuesta para ajustar la frecuencia de muestreo de al menos uno entre el valor de control predicho y el segundo valor de control, para emitir la señal de control de actuador a una frecuencia de muestreo de salida.
3. El sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el valor de control predicho se relaciona con un primer valor de control, y donde el segundo valor de control se relaciona con un segundo valor de control, el primer y segundo valores de control que son valores de control diferentes.
4. El sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la rutina de control predictivo de modelos se implementa para una optimización en línea.
5. El sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el primer y segundo controladores están implementados para operar en paralelo.
6. El sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el primer valor de control predicho es al menos uno entre el valor de control para ajustar el paso colectivo (0col) y el valor de control para ajustar la potencia de salida (Pref).
7. El sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el primer valor de control predicho es el valor de control para ajustar el paso colectivo (0col) y el segundo valor de control es un valor de variación cíclica (01, 02, 03) para superponer la variación de paso cíclica al valor de paso colectivo.
8. El sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el primer valor de control predicho es el valor de control para ajustar la potencia de salida (Pref) y el segundo valor de control es un valor de variación cíclica para superponer la variación de potencia cíclica a la potencia de salida.
9. El sistema de control según la reivindicación 7, en donde los segundos valores de control se determinan para reducir las fuerzas del rotor fuera del plano.
10. El sistema de control según la reivindicación 7 u 8, en donde los segundos valores de control se determinan para reducir las vibraciones de la torre.
11. El sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los segundos valores de control son valores relacionados con la supervisión, para asegurar una señal de control de actuador predefinida en vista de un estado de aerogenerador que está fuera de un estado operativo predefinido, supervisado por un sistema de supervisión asociado.
12. Un método de control de un sistema de control de aerogenerador (6), el método que comprende:
calcular, usando una rutina de control predictivo de modelos (MPC), una trayectoria operativa predicha (31) de una señal operativa predicha, donde una trayectoria comprende una serie temporal de al menos una variable, y donde una trayectoria incluye un primer valor de control predicho (24);
calcular, usando una rutina de control no optimizadora, un segundo valor de control (25); y
combinar el primer valor de control predicho y el segundo valor de control con una señal de control de actuador (26); caracterizado por que
el método comprende además, en una unidad de fallos, monitorizar una rutina de optimización de la rutina de MPC y, si la rutina de optimización no proporciona una solución válida a la optimización durante un tiempo predeterminado, enviar una señal de fallo, la señal de fallo que comprende un valor de control de anulación para sustituir el primer valor de control predicho, el valor de control de anulación que es el último valor de control predicho válido determinado, y por que el método comprende,
en la unidad de fallos, monitorizar el número de muestras que pasan sin que se obtenga una solución válida, y si el número de muestras es mayor que un valor umbral predefinido, la señal de fallo es una señal de apagado del aerogenerador.
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