MX2009001714A

MX2009001714A - Metodo para el amortiguamiento de las oscilaciones de la torre en instalaciones de energia eolica.

Info

Publication number: MX2009001714A
Application number: MX2009001714A
Authority: MX
Inventors: Bjoern Skaare
Original assignee: Statoilhydro Asa
Priority date: 2006-08-22
Filing date: 2007-08-20
Publication date: 2009-02-25
Also published as: JP4925071B2; BRPI0715895A2; BRPI0715895A8; ES2542994T3; CN101558233B; US8174137B2; PT2054620E; PL2054620T3; CN101558233A; WO2008023990A1; NO335851B1; CA2660771A1; EP2054620B1; JP2010501777A; EP2054620A4; US20100045038A1; CA2660771C; NO20063744L; EP2054620A1; BRPI0715895B1

Abstract

Esta invención se refiere a un método para controlar una instalación de una turbina de viento para el amortiguamiento de las oscilaciones de la torre, en particular a una instalación de una turbina de viento flotante que comprende un cuerpo flotante, una torre colocada sobre el cuerpo flotante, un generador montado sobre la torre que es giratorio con relación a la dirección del viento y equipado con una turbina del viento, y un arreglo de una línea de anclaje conectado a las anclas o cimientos sobre el lecho marino. Las oscilaciones de la torre son amortiguadas por el control con el controlador del ángulo del álabe en el intervalo de RPM o de potencia constante de la turbina de viento que es efectuada por la velocidad del rotor (que es la entrada al controlador del ángulo del álabe) que es estimada en un estimador para la turbina de viento. La entrada al estimador de la turbina de viento es el viento de entrada estimado, de modo que los movimientos de la torre no son visibles al controlador del ángulo del álabe. El amortiguamiento negativo no es introducido así en el sistema y la oscilación de la torre será amortiguada de manera adecuada, mientras que también existen una menor variación en el ángulo del álabe, el empuje sobre el rotor y la potencia suministrada.

Description

METODO PARA EL AMORTIGUAMIENTO DE LAS OSCILACIONES DE LA TORRE EN INSTALACIONES DE ENERGIA EOLICA Campo de la Invención La presente invención se refiere a un método para controlar una instalación de turbina de viento para el amortiguamiento de las oscilaciones de la torre, en particular una instalación de turbina de viento flotante que comprende un cuerpo flotante, una torre colocada sobre el cuerpo flotante, un generador montado sobre la torre que se puede hacer girar con relación a la dirección del viento y equipada con una turbina de viento, y un arreglo de línea de anclaje conectada a las anclas o cimientos sobre el lecho marino. El generador es controlado, con base en la velocidad del viento, por el control del ángulo del álabe de los álabes de la turbina, por medio de un controlador, preferentemente en el intervalo de RPM o de potencia constante de la turbina de viento. Antecedentes de la Invención El desarrollo de turbinas de viento ancladas, flotantes, que pueden ser utilizadas a grandes profundidades mejorará fuertemente el acceso a las áreas para la expansión de la energía eólica en el mar. La tecnología actual para las turbinas de viento localizadas en el mar está considerablemente limitada a las torres instaladas permanentemente a profundidades bajas, abajo de Ref .200230 aproximadamente 30 m. Las instalaciones permanentes a las profundidades arriba de 30 m generalmente conducen a problemas técnicos y costos elevados. Esto significa que, hasta ahora, las profundidades del mar de más de alrededor de 30 m han sido consideradas técnica y comercialmente desfavorables para la instalación de turbinas de viento. Con las soluciones flotantes en profundidades del mar más grandes, el problema de los cimientos y los costos asociados con las instalaciones complicadas, intensas en cuanto al trabajo, pueden ser evitados. Una turbina de viento que está montada sobre un cimiento flotante se moverá tomando en cuenta las fuerzas de las olas y del viento. Un buen diseño del cimiento de la turbina de viento asegurará que los eigenperiodos del sistema para los movimientos del cuerpo flotante rígido (marejadas, balanceo transversal, oscilación vertical, giros, inclinación longitudinal y vibración longitudinal) están fuera del intervalo de período para las olas marinas, que es de aproximadamente 5-20 segundos. Existirán fuerzas que actúan de manera relacionada con los eigenperiodos para el sistema (crecidas, fuerzas de olas no lineales, fluctuaciones en la velocidad del viento, fuerza de la corriente, etc.). Si tales fuerzas no van a producir movimientos inaceptables, las mismas no deben ser demasiado grandes, y el sistema debe tener un amortiguamiento para los periodos relevantes. Breve Descripción de la Invención La presente invención representa una solución, más preferentemente un método, para el amortiguamiento efectivo de la oscilación de la torre para las instalaciones de una turbina de viento. La presente invención está caracterizada por las particularidades especificadas en la reivindicación independiente 1 anexa. La reivindicación dependiente 2 indica una solución ventajosa con relación a la presente invención. Breve Descripción de las Figuras La presente invención será descrita con detalle adicional en los siguientes ejemplos de uso y con referencia a las figuras anexas, en donde: la figura 1 muestra un diagrama con varios intervalos de RPM para una turbina de viento con el control del paso del rotor y de las RPM, la figura 2 muestra una sección de un controlador del ángulo del álabe convencional, la figura 3 muestra un bosquejo general de un sistema con un controlador del ángulo del álabe, la turbina de viento y el estimador de la turbina de viento, la figura 4 muestra diagramas basados en las pruebas de simulación, con el estimador y el control convencional, enlazados al desplazamiento en la parte superior de la torre con una velocidad promedio del viento de 17 m/s y olas irregulares con una altura de la ola significativa de 3.5 m y un período de 9.8 s, la figura 5 muestra diagramas basados en pruebas de simulación, con el estimador y el control convencional, relacionados con el empuje sobre el rotor con una velocidad promedio del viento de 17 m/s y olas irregulares, con una altura de la ola de 3.5 m y un período de 9.8 s, la figura 6 muestra diagramas basados en las pruebas de simulación, con el estimador y el control convencional, relacionado con el ángulo del álabe con una velocidad promedio del viento de 17 m/s y olas irregulares con una altura de la ola significativa de 3.5 m y un período de 9.8 s, la figura 7 muestra un diagrama basado en las pruebas de simulación, con el estimador, el estabilizador y el control convencional, relacionados con la potencia activa suministrada a la rejilla con una velocidad promedio del viento de 17 m/s y olas irregulares con una altura de la ola significativa de 3.5 m y un período de 9.8 s, la figura 8 muestra un diagrama de la relación entre el coeficiente de empuje del rotor y la velocidad relativa del viento entre el viento y la turbina.

Descripción Detallada de la Invención Cuando el viento actúa sobre una instalación de la turbina de viento, las fuerzas del viento contribuirán al movimiento en el cimiento. Sin embargo, las fuerzas de la turbina del viento dependen de cómo sea controlada la turbina, es decir como las RPM y el paso de los álabes de la turbina varían con la velocidad del viento. Los algoritmos de control variarán con la velocidad del viento. Una filosofía de control típica para las turbinas de viento basadas en tierra es mostrada en la figura 1. Con referencia a esta figura, se puede observar que: • En el intervalo de arranque, actúan fuerzas pequeñas sobre la turbina de viento. Las fuerzas del viento tendrán un efecto pequeño sobre los movimientos. Si los movimientos son afectados por las fuerzas del viento, es posible controlar la turbina aproximadamente como en el intervalo de RPM variable.

• En el intervalo de RPM variable, existe un ángulo de paso aproximadamente constante para los álabes de la turbina. El objetivo es controlar las RPM para la turbina de modo que la potencia máxima puede ser producida en cualquier instante, dada la velocidad del viento relativa momentánea contra la turbina. La velocidad relativa del viento consiste de la velocidad del viento promedio, la variación en la velocidad del viento y el movimiento (velocidad) de la torre. Esto significa que existirá una potencia incrementada y un empuje incrementado desde la turbina cuando se incremente el viento. A su vez, el sistema (la turbina de viento, que incluye el cimiento) se mueve contra el viento con un movimiento de paso y marejadas, combinado, esto abarca una velocidad incrementada del viento para la turbina, y el empuje se incrementa. Esto es equivalente a una fuerza de amortiguamiento (una fuerza que actúa contra la velocidad) . En este intervalo de la velocidad del viento, las fuerzas del viento sobre la turbina contribuirán por lo tanto al amortiguamiento positivo para el sistema. Esto contribuirá a movimientos reducidos con relación a los eigenperiodos del sistema. • En el intervalo de momento constante, se alcanza la potencia nominal de la turbina. Entonces es usual mantener aproximadamente constantes las RPM y controlar el momento y por consiguiente la potencia por el control del ángulo de paso de los álabes de la turbina. El objeto es mantener aproximadamente constante la potencia. Si la velocidad del viento se incrementa, el ángulo de paso es incrementado para reducir el momento. Esto también produce un empuje reducido a pesar de la velocidad incrementada del viento. A diferencia de lo que sucede en el intervalo de RPM variable, el resultado es asi un efecto de amortiguamiento negativo. Un sistema de control estándar intentará ajustar todas las variaciones de la potencia que se deben a los cambios en la velocidad relativa del viento contra la turbina. Esto se hace por el cambio del ángulo de paso de los álabes de modo que el momento sobre la turbina sea mantenido constante a pesar de la variación en la velocidad relativa. Esto conducirá a que la turbina de viento contribuya al amortiguamiento negativo del sistema, lo cual incrementa asi el movimiento de la torre. Esto puede producir movimientos inaceptablemente grandes . Con la presente invención, se ha encontrado que los algoritmos de control deben ser modificados para prevenir la relación negativa entre el control de las turbinas de viento y los movimientos del sistema. Es deseable mantener aproximadamente las RPM y el momento en el intervalo de "momento constante", pero, utilizando un estimador de la turbina del viento, que será descrito con detalle adicional en lo que sigue, la turbina todavía evita que suministre un amortiguamiento negativo. La figura 2 muestra una sección de un controlador del ángulo del álabe, con un control proporcional e integral (PI) . La entrada al controlador es la velocidad del rotor, <ot , y la salida es el ángulo del álabe, ß. Este es el cambio requerido en el ángulo del álabe de la turbina para mantener constante la potencia sobre la turbina cuando cambia la velocidad relativa del viento. La figura 8 muestra un diagrama con la relación entre la velocidad relativa del viento y el coeficiente de empuje para una turbina de viento controlada en el ángulo del álabe, convencional, en el cual el empuje FT está dado como en donde p es la densidad del aire, A es el área de barrido del rotor, CT es el coeficiente de empuje de la turbina, ? es la relación de la velocidad de la velocidad, B es el ángulo del álabe de la turbina y ¾ es la velocidad relativa del viento entre la turbina y el viento. Este diagrama muestra que una velocidad relativa incrementada arriba de la velocidad nominal del viento puede producir un empuje reducido sobre la turbina. Esto conduce a que la turbina de viento sea suministrada con un amortiguamiento negativo cuando la misma se mueve hacia delante y hacia atrás en el viento. Si los movimientos de la turbina pueden ser ocultados desde el controlador del ángulo del álabe, el coeficiente del empuje no será cargado de la misma manera como una consecuencia de los movimientos de la turbina, la turbina suministrará un amortiguamiento positivo al sistema. Para impedir los movimientos de la turbina desde el controlador del ángulo del álabe, es posible utilizar un estimador de la turbina de viento (véase la figura 3) en la forma de un modelo numérico de la turbina de viento en cuestión. El estimador de la turbina de viento trabaja en tiempo real con el ángulo del álabe medido y el viento de entrada estimado como en la entrada. La velocidad estimada del rotor í¾_est no será afectada por los movimientos reales de la turbina y es utilizado como la entrada en el controlador del ángulo del álabe de la turbina real . El modelo de la turbina de viento numérica sobre el cual el estimador de la turbina de viento está basado, variará con las diferentes turbinas de viento y los diferentes niveles de detalle del modelo numérico. Un ejemplo de un modelo de turbina numérica simple basado en las relaciones estacionales se describe en lo que sigue. La potencia PtUrb transferida desde el viento hasta la turbina está dado por: en donde ut - Velocidad resultante del viento sobre la turbina p - densidad del aire ??(?,ß) - Coeficiente de la eficiencia de la turbina ? - Relación de la velocidad en la punta de la turbina ß - Ángulo de los álabes del rotor r - Radio de la turbina de viento (longitud de los álabes del rotor) . Esto produce el siguiente momento de la turbina sobre el eje: en donde cyt - RPM de la turbina Las características dinámicas del eje también pueden ser expresadas por las siguientes tres expresiones: (4) =(<¾-<»,)·<¾,. (5) en donde ú)g - RPM del generador Jt - momento de inercia de la turbina Jg - Momento de inercia del generador Ttu b - Momento de la turbina TEL - contramovimiento eléctrico del generador dm - amortiguamiento del eje k - rigidez del eje Í¾V - frecuencia eléctrica nominal Qtwis - ángulo de retorcimiento del eje Se supone que la velocidad de entrada del viento puede ser estimada utilizando varios métodos, por ejemplo combinando las mediciones del empuje sobre el rotor, el momento sobre el eje y la aceleración del cabezal del rotor. Un estimador de la turbina de viento en el cual los movimientos de la torre son ocultados desde el controlador del ángulo del álabe es logrado utilizando los modelos numéricos (1) - (5), con una velocidad de entrada del viento estimada, Y el ángulo del álabe real (medido) ß, como la entrada. Las cantidades restantes en los modelos (1) - (5) pueden ser expresados como "est" subrayado. El resultado del estimador de la turbina de viento (el cual es la entrada al controlador del ángulo del álabe) es entonces las RPM de la turbina estimada ú¾_est. El uso del estimador conduce a que la turbina experimente una velocidad relativa del viento con una influencia ampliamente reducida de las oscilaciones de la torre con relación a la situación en la cual el estimador no es utilizado. Además, la torre vibrará físicamente de una manera menos considerable. Existirá menor empuje sobre el rotor, menor variación en el ángulo del álabe y menor variación en la potencia producida cuando el estimador es utilizado . Pruebas de simulación Con base en la solución de control como se describió anteriormente, las pruebas de simulación fueron llevadas a cabo para una serie de vientos con una velocidad promedio del viento de 17 m/seg, y olas irregulares con una altura significativa de la ola de 3.5 m y un período de 9.8 s. La velocidad del viento fue seleccionada a causa de que la necesidad del amortiguamiento es más grande a tales velocidades del viento elevadas, es decir cuando las turbinas son operadas en un modo de potencia constante. Se utilizaron dos diferentes modelos de turbina en las simulaciones. Un modelo detallado que representa la turbina real y un modelo simplificado que fue utilizado en el estimador (véase la figura 3) . La velocidad de entrada del viento, estimada, es la velocidad del viento de entrada exacta más la velocidad del ruido blanco. Las figuras 4-7 muestran una selección de resultados de la simulación de la serie del viento a una velocidad promedio del viento de 17 m/seg, con y sin el estimador para el amortiguamiento de las oscilaciones de la torre. La figura 4 muestra que existen oscilaciones considerables de la torre cuando la turbina funciona en un modo de potencia constante y el estimador no es utilizado. Esto también conduce a fluctuaciones grandes en el empuje sobre el rotor (véase la figura 5) , el ángulo del álabe (véase la figura 6) y la potencia suministrada a la rejilla (véase la figura 7). Las amplitudes elevadas en las oscilaciones de la torre con un controlador convencional pueden ser explicadas como sigue: En el intervalo de RPM constante, el empuje es reducido cuando se incrementa la velocidad del viento. Si la torre adopta una velocidad hacia atrás, la velocidad relativa del viento que la torre experimenta será reducida. El ángulo del álabe (paso) será ajustado (incrementado) para mantener el momento y así la potencia constante. Así, el empuje también se incrementará a pesar de la velocidad relativa del viento reducida. En consecuencia, cuando la torre se mueve a una velocidad contra la dirección del viento, la velocidad relativa del viento se incrementará. El ángulo del álabe (paso) será ajustado (reducido) para reducir el momento. Esto también reducirá el empuje. Este método para controlar la turbina producirá así una variación en el empuje que actúa en la misma dirección que el movimiento de la torre, es decir un amortiguamiento negativo. Esto conducirá a la amplificación del movimiento de la torre, en particular cerca del período de resonancia de la torre en el cual el movimiento es controlado por el amortiguamiento. Si el estimador de acuerdo con la presente invención es utilizado, las figuras 4-7 muestran que las oscilaciones de la torre son bien amortiguadas, y las fluctuaciones en el empuje, el ángulo del álabe y la potencia suministrada también son reducidas. El estimador produce así el efecto deseado. En resumen, el control basado en el estimador (véase la figura 3) actúa de tal manera que los movimientos de la torre no sean visibles al controlador del ángulo del álabe y el amortiguamiento negativo nunca sea introducido así en el sistema. Esto es logrado utilizando un estimador de la turbina de viento con una velocidad del viento de entrada estimada como la entrada. La entrada al controlador del ángulo del álabe es la velocidad giratoria estimada basada en la velocidad del viento de entrada, estimada, en lugar de la velocidad giratoria real, que está basada en la velocidad relativa del viento, real. La invención, como está definida en las reivindicaciones, no está limitada a los ejemplos descritos anteriormente. Por lo tanto, la presente invención también puede ser utilizada para torres de turbinas de viento en las cuales la flexibilidad en la torre como tal, es relativamente elevada, o una combinación de una instalación de turbina de viento flotante y una torre flexible. Se hace constar que con relación a esta fecha el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones : 1. Un método para controlar una instalación de turbina de viento para el amortiguamiento de las oscilaciones de la torre, en particular una instalación de turbina de viento flotante que comprende un cuerpo flotante, una torre colocada sobre el cuerpo flotante, un generador montado sobre la torre que es giratorio con relación a la dirección del viento y equipado con una turbina de viento, y un arreglo de una linea de anclaje conectada a las anclas o cimientos sobre el lecho marino, en donde el generador es controlado, con base en la velocidad del viento, por el control del ángulo del álabe, de los álabes de la turbina, por medio de un controlador, preferentemente en el intervalo de RP o de potencia constante de la turbina de viento, caracterizado porque las oscilaciones de la torre son amortiguadas por los movimientos de la turbina que son ocultados desde el controlador del ángulo del álabe de la turbina en el intervalo de RPM o de potencia constante utilizando un estimador de la turbina de viento en la forma de un modelo numérico .
2. Un método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las oscilaciones de la torre son amortiguadas por el control con el controlador del ángulo del álabe en el intervalo de RPM o de potencia constante de la turbina de viento que es efectuada por la entrada al controlador del ángulo del álabe, la velocidad del rotor, que es estimada por medio del estimador en un estimador para la turbina del viento en la cual la entrada al estimador de la turbina de viento es el viento de entrada estimado, por lo cual los movimientos de la torre no son visibles para el controlador del ángulo del álabe y un amortiguamiento negativo no es introducido en el sistema.