WO2008135605A1 - Sistema y método de control de pitch para turbinas eólicas - Google Patents

Sistema y método de control de pitch para turbinas eólicas Download PDF

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David Sole Lopez
Ernesto Beorlegui Aranguren
Jesús MAYOR LUSARRETA
Jorge Acedo Sanchez
Javier Perez Barbachano
Ainhoa Carcar Mayor
Mikel Zabaleta Maetzu
Josu Elorriaga Llanos
Javier Coloma Calahorra
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Definitions

  • the present invention relates to pitch control systems for wind turbines.
  • This system consists of a direct current motor and a reliable and robust topology that dispenses with intermediate stage in DC (BUS) and incorporates a new architecture to provide control to the system in the event of faults such as a voltage gap.
  • the energy storage system can be formed, for example, by batteries or supercapacities.
  • the pitch control system is basically composed of at least one pitch controller (201), a main converter (205), at less an auxiliary converter (204), a gearmotor (hereinafter referred to as a continuous motor) (208) and a DC energy storage system or accumulator (210) composed of batteries or supercapacitors.
  • the second mode of operation is shown in Figure 4 and corresponds to the behavior against failures.
  • general wind turbine alarms in which the system can maintain control over the pitch or position of the blades are considered failures.
  • the desired pitch can be maintained in response to the setpoint determined by the general turbine controller at any time or even apply a stop or stop sequence by means of a certain curve.
  • This curve could be parameterized in the pitch controller.

Abstract

La presente invención describe un sistema de control de pitch que contiene un convertidor principal, un convertidor auxiliar, un motor de corriente continua y un sistema de almacenamiento de energía (acumulador) y dispone de cuatro modos de operación diferentes: normal, fallo (primer nivel), fallo (segundo nivel) y emergencia. En el caso de que se detecte un fallo, el sistema puede mover el motor para mover las palas hacia la posición deseada realizando una regulación controlada.

Description

SISTEMA Y MÉTODO DE CONTROL DE PITCH PARA TURBINAS
EÓLICAS
CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un sistema de control de pitch cuyo objetivo es regular el ángulo de pitch o paso de pala y que es de especial aplicación en aerogeneradores.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En los últimos años Ia implantación de energía eólica se ha incrementado de forma considerable y se prevé que este crecimiento continúe en los próximos años. Actualmente, Ia potencia nominal de los aerogeneradores se incrementa progresivamente, y en consecuencia Ia potencia instalada en los parques eólicos es cada vez mayor. Los parques eólicos precisan de aerogeneradores de mayor capacidad que minimicen el coste de servicio y mantenimiento y a Ia vez reduzcan el impacto medioambiental. Esto es especialmente importante en parques offshore.
Los sistemas de control de pitch son de vital importancia en el funcionamiento global del aerogenerador ya que permiten modificar el paso de las palas de forma controlada, llevando al aerogenerador desde el estado de parada a potencia nominal y permitiendo ajustar el ángulo de las palas para mantener Ia potencia generada en su punto óptimo. Además, en caso de emergencia, el control de pitch permite llevar al aerogenerador a un estado de parada de forma segura haciendo girar las palas a una posición de no oposición al viento.
Actualmente existen dos tecnologías principales para los sistemas de control de pitch en aerogeneradores: pitch de tipo hidráulico y eléctrico. El pitch hidráulico se ha venido utilizando de forma generalizada en las turbinas eólicas; En los últimos tiempos, sin embargo, Ia instalación de aerogeneradores de mayor potencia, ha llevado a utilizar sistemas de control de piten de tipo eléctrico, ya que ofrecen mayores prestaciones de regulación y control que los de tipo hidráulico. Además, los sistemas de control de pitch eléctrico permiten por un lado, una mayor versatilidad a Ia hora de implementar lógicas de control, y por otro lado, debido a las opciones disponibles de monitorización, tener un conocimiento exhaustivo del sistema y de las cargas a las que se somete el aerogenerador.
Ante un hueco o caída de tensión alterna (red), los sistemas de pitch eléctrico actuales desconectan el motor del convertidor que Io controla y Io conectan directamente al sistema de almacenamiento de energía (ej. baterías) de tal forma que Ia velocidad del motor no puede ser regulada y queda determinada por Ia característica tensión-par-velocidad propia del motor.
Ejemplos de estos sistemas de control de pitch se han descrito en las publicaciones US2007/0057516 A1 y US2006/163882 A1. Dichos sistemas tienen ¡mplementado un sistema de control que consiste en conectar el sistema de almacenamiento de energía al bus DC del convertidor una vez detectada Ia caída de tensión. De esta forma mantienen el nivel de tensión necesario para poder regular el pitch con el drive durante Ia falta.
El sistema de Ia presente invención está dotado de una topología novedosa en Ia que el sistema de almacenamiento de energía DC o acumulador, no se emplea para cargar el bus DC del convertidor, sino que se usa para alimentar el motor directamente o a través de un convertidor auxiliar que modula Ia tensión continua existente en dicho acumulador. De esta forma, en caso de que se produzca un hueco de tensión o, incluso falle el convertidor principal, se puede seguir regulando Ia posición de las palas de forma controlada y manteniendo en todo momento Ia posibilidad de aplicar directamente al motor Ia tensión del sistema de almacenamiento de energía DC ante una emergencia.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
La presente invención está referida a sistemas de control de pitch para aerogeneradores. Dicho sistema consiste en un motor de corriente continua y una topología fiable y robusta que prescinde de etapa intermedia en DC (BUS) e incorpora una nueva arquitectura para dotar de control al sistema ante fallos como, por ejemplo, un hueco de tensión. El sistema de almacenamiento de energía puede estar formado, por ejemplo, por baterías o supercapacidades.
En operación normal, el sistema de control de pitch funciona empleando un convertidor principal para controlar el motor. En una implementación a modo de ejemplo se controla el motor en respuesta a las consignas recibidas del controlador general.
En un primer aspecto de Ia invención, en caso de fallo, el motor se pasa a controlar con un convertidor auxiliar a partir de Ia energía almacenada en las baterías o supercapacidades Io que permite atender las consignas del controlador general o, incluso, implementar unas curvas determinadas de velocidad-tiempo.
En otro aspecto de Ia invención, se puede operar ante ciertos fallos conectando directamente y de forma controlada el sistema de almacenamiento de energía al motor, consiguiendo regular la posición a la que mover las palas.
En otro aspecto de Ia Invención, las baterías o supercapacidades se conectarían directamente al motor sin intervención del controlador del pitch en el caso de que haya una emergencia, como por ejemplo, un fallo de control.
Se debe tener en cuenta que tanto esta descripción general como Ia descripción detallada que se expone a continuación ejemplifican y explican
Ia invención sin limitarla, tal y como se reivindica.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Entre las figuras incorporadas se muestran algunas que constituyen parte de una o más implementaciones. No obstante, no deben considerarse como figuras que limitan Ia invención específicamente a Ia implementación ilustrada. La invención y su modo de operación se comprenderán mejor a partir de Ia descripción detallada al incorporarse las siguientes figuras:
Figura 1 : Ilustra un sistema convencional de pitch eléctrico en un aerogenerador.
Figura 2: Ilustra una implementación del sistema de pitch de Ia presente invención empleando un motor serie DC.
Figura 3: Ilustra una configuración del sistema de pitch de Ia presente invención para el primer modo de operación (normal).
Figura 4: Ilustra una configuración del sistema de pitch de Ia presente invención para el segundo modo de operación (fallo) en el que el motor se controla mediante un convertidor auxiliar.
Figura 5: Ilustra una configuración del sistema de pitch de Ia presente invención para el tercer modo de operación (fallo) en el que el motor se acciona por medio del sistema de almacenamiento de energía gobernado por el controlador del pitch hasta que Ia pala llega a una posición deseada por el sistema de control.
Figura 6: Ilustra una configuración del sistema de pitch de Ia presente invención para el cuarto modo de operación (emergencia) en el que el motor se conecta directamente al sistema de almacenamiento de energía DC, hasta que Ia pala llega a Ia posición de seguridad (normalmente cercana a 90°).
Figura 7: Ilustra una configuración del sistema de pitch de Ia presente invención en el que el nivel de tensión del sistema de almacenamiento de energía DC es configurable al introducir un mayor o menor número de baterías o supercapacidades.
Figura 8: Ilustra una configuración del sistema de pitch de Ia presente invención en el que el sistema de almacenamiento de energía DC es cargado y/o descargado por medio del convertidor principal al nivel de tensión deseado.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
A continuación se describe un sistema de control de pitch eléctrico con varias implementaciones ejemplares. La descripción hace referencia a las figuras a modo de ilustración con el objetivo de permitir un mejor entendimiento de Ia invención. De este modo, se van a emplear distintos números de referencia a Io largo de Ia descripción para referirse a distintas partes del sistema de Ia invención.
La ¡mplementación preferida de Ia invención se muestra esquemáticamente en Ia Figura 2. El sistema de control de pitch está compuesto básicamente por al menos un controlador de pitch (201), un convertidor principal (205), al menos un convertidor auxiliar (204), un motorreductor (en adelante motor) de comente continua (208) y un sistema de almacenamiento de energía DC o acumulador (210) compuesto de baterías o supercapacidades.
En operación normal (Figura 3) el sistema trabajaría en Io que denominamos un primer modo de operación. En este caso, los contactores K1 (202) y K2 (206) permanecen cerrados de forma que el inducido del motor está controlado por el convertidor principal (205), que invierte Ia tensión de red alimentando el motor en DC (208) aplicando el par correspondiente en cada momento de forma que las palas adopten Ia posición deseada. Los contactores K3 (207) y K4 (211 ) se mantienen abiertos. En una implementación preferida de Ia invención, dicho convertidor principal está basado en tiristores (300). Este convertidor no dispone de bus DC.
La excitación del motor quedaría controlada con un puente de diodos (301).
En esta etapa Ia configuración del sistema permite llevar a cabo una regulación de velocidad consiguiendo precisiones superiores a 0,05%. Para ello se emplea Ia realimentación del encoder (209) del motor. En otras implementaciones la realimentación de velocidad y/o posición se podría realizar por medio de otro tipo de captador (por ejemplo: tacodinamo, resolver, etc.). En otra implementación, se podría realizar una regulación de posición.
En Ia presente invención se distinguen otros tres modos de funcionamiento adicionales:
1.- El segundo modo de operación se muestra en Ia Figura 4 y corresponde al comportamiento frente a fallos. En una implementación no limitante, se consideran fallos las alarmas generales del aerogenerador en las que el sistema puede mantener el control sobre el pitch o posición de las palas.
Este modo de operación se emplea, por ejemplo, durante huecos de tensión. Con el objetivo de mantener una regulación controlada del motor y, por ende, de Ia posición de las palas y velocidad de giro del aerogenerador, un convertidor auxiliar (204) pasa a controlar el motor. Para ello se abre el contactor K2 (206) y cierra K3 (207) y se mantiene abierto K4 (211 ). En un aspecto de Ia invención, el convertidor auxiliar es independiente del convertidor principal y modula Ia tensión DC proporcionada por el sistema de almacenamiento de energía. En una implementación, este convertidor auxiliar estaría basado en IGBTs (400).
Por tanto, se puede mantener el pitch deseado como respuesta a Ia consigna determinada por el controlador general de Ia turbina en cada momento o, incluso, aplicar una secuencia de parada o frenado mediante una curva determinada. Esta curva podría estar parametrizada en el controlador del pitch.
En un tercer modo de operación y con el objeto de realizar paradas controladas se puede considerar otro aspecto de Ia invención. En una implementación, el sistema de almacenamiento de energía puede conectarse directamente al motor de forma controlada (Figura 5). De esta forma, el tiempo de aplicación y, por tanto, Ia posición final de las palas se regula con el controlador del pitch (201 ) siguiendo una lógica determinada o atendiendo las consignas recibidas del controlador general (200) del aerogenerador. Este tercer modo es igualmente válido para operar ante fallos como los del segundo modo de operación. En un aspecto no limitante de Ia invención, se puede establecer dos niveles de fallos. Ante fallos de primer nivel el sistema aplicaría el segundo modo de operación. Si se detecta un fallo de segundo nivel el sistema trabajaría en un tercer modo de operación.
2.- El cuarto modo de operación se muestra en Ia Figura 6 y se activa en caso de emergencia. En una implementación no limitante de Ia invención se puede considerar emergencia una pérdida total del control debido, por ejemplo, a un fallo de Ia electrónica del sistema de pitch o cualquiera de las causas que por motivos de seguridad activan el circuito de emergencia. En este caso, el motor (208) sería conectado directamente al sistema de almacenamiento de energía o acumulador de energía (210). Para ello se abre K2 (206) y K3 (207) y se cierra K4 (211 ). Estos contactores permanecen enclavados, hasta llegar a Ia posición de seguridad. Al ser un motor de corriente continua, Ia velocidad de giro del motor queda determinada por Ia tensión continua aplicada.
Otro aspecto de Ia presente invención, es que el número de baterías o supercapacidades (210) puede ser configurable de manera que se puedan aplicar diferentes niveles de tensión en función de Ia curva de velocidad deseada teniendo en cuenta Ia característica tensión-par-velocidad de diseño del motor. En Ia Figura 7 se muestra una sencilla implementación en
Ia que por medio de contactores se puede introducir un mayor número de baterías o supercapacidades (702). Esta funcionalidad se puede emplear en el segundo, tercer y cuarto modo de operación en los que se hace uso del sistema acumulador de energía. En el segundo modo de operación esta funcionalidad se consigue activando el contactor K6 (700) o K7 (701 ). Para el tercer y cuarto modo de operación, en los que se aplica directamente Ia tensión del sistema acumulador de energía DC al motor, esta funcionalidad se consigue activando el contactor K5 (703) o K4 (211 ).
En una implementación preferida de Ia invención, el convertidor principal del sistema se diseña con una topología de cuatro cuadrantes que permita entregar potencia a Ia red AC cuando el motor se emplea como generador. Esta situación tiene lugar cuando Ia pala del aerogenerador se mueve hacia Ia posición deseada sin ser accionada por el momento. Esto puede ocurrir cuando el propio peso de Ia pala empuja Ia pala en el sentido de rotación deseado. En otro aspecto de Ia invención, el convertidor principal (205) se puede emplear para cargar y descargar el sistema acumulador de energía en el caso de que esté basado en supercapacidades. En Ia Figura 8 se muestra una implementación del sistema de control de pitch en el que se incorpora el contactor K8 (801 ) que debe ser accionado para cargar o descargar las supercapacidades (800).
Si el sistema acumulador está formado por baterías, el sistema de Ia presente invención precisa un cargador de baterías. En una implementación preferida de Ia invención, el sistema de pitch emplea un único cargador de baterías para todas las palas del aerogenerador. Dicho cargador se multiplexa en el tiempo para cargar el sistema acumulador de cada una de las palas. En otra implementación se utiliza un cargador de batería por cada sistema de pala.
Por tanto, se revela un sistema de control de pitch eléctrico con una nueva prestación que aumenta las posibilidades de control del motor DC incluso en el caso de un hueco de tensión o cualquier otro fallo.
Se debe tener en cuenta que Ia descripción detallada debe considerarse ejemplar. Los detalles y figuras mostradas no deben limitar el alcance de Ia invención. De hecho, se pueden realizar modificaciones y adaptaciones y sustituir los métodos e implementaciones descritos por otros equivalentes. Consecuentemente, Ia invención puede ser implementada de diversas formas sin alejarse de Ia esencia y el alcance de Ia invención y se entenderá que Ia invención no se limita a las implementaciones descritas.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de control de piten para turbinas eólicas que comprende: al menos un motor de corriente continua (208) al menos un controlador de pitch (201 ) un convertidor principal (205) para convertir potencia alterna de Ia red en continua para alimentar el motor en un primer modo de operación. al menos un sistema acumulador de energía en DC (210) para proveer una energía de reserva durante un segundo, tercer y cuarto modo de operación. al menos un convertidor auxiliar (204) para modular Ia tensión continua del sistema acumulador de energía en un segundo modo de operación.
2. Un sistema de control de pitch para turbinas eólicas según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el motor es un motor de excitación serie de corriente continua.
3. Un sistema de control de pitch para turbinas eólicas según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el motor es un motor de excitación compuesta de corriente continua.
4. Un sistema de control de pitch para turbinas eólicas según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el convertidor principal está basado en tiristores.
5. Un sistema de control de pitch para turbinas eólicas según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el convertidor principal está basado en IGBTs.
6. Un sistema de control de piten para turbinas eólicas según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque contiene un rectificador a diodos para alimentar Ia excitación del motor.
7. Un sistema de control de pitch para turbinas eólicas según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque contiene un rectificador a IGBTs para alimentar Ia excitación del motor.
8. Un sistema de control de pitch para turbinas eólicas según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el acumulador de energía está compuesto por baterías.
9. Un sistema de control de pitch para turbinas eólicas según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el acumulador de energía está compuesto por supercapacidades.
10. Un sistema de control de pitch para turbinas eólicas según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el convertidor auxiliar está basado en IGBTs.
11. Un sistema de control de pitch para turbinas eólicas según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el nivel de tensión del sistema acumulador de energía es configurable.
12. Un sistema de control de pitch para turbinas eólicas que comprende un sistema acumulador de energía en el que el nivel de tensión se puede configurar activamente empleando contactores.
13. Un método de control para un sistema de pitch eléctrico para turbinas eólicas que comprende: - Usar un convertidor principal para convertir potencia alterna de Ia red en continua para alimentar el motor de corriente continua durante un primer modo de operación.
- Usar Ia tensión continua del acumulador de energía para alimentar a través del convertidor auxiliar el motor de corriente continua durante un segundo modo de operación.
- Usar Ia tensión continua del acumulador de energía para alimentar directamente y de forma controlada el motor de corriente continua durante un tercer modo de operación. - Usar Ia tensión continua del acumulador de energía para alimentar directamente y sin intervención del controlador del pitch el motor de corriente continua durante un cuarto modo de operación.
14. El método de control según Ia reivindicación 13, caracterizado porque emplea un rectificador para alimentar Ia excitación del motor de corriente continua.
15. El método de control según Ia reivindicación 13, caracterizado porque el primer modo de operación se activa en operación normal.
16. El método de control según Ia reivindicación 13, caracterizado porque el segundo modo de operación se activa cuando se detecta un primer nivel de fallo.
17. El método de control según Ia reivindicación 13, caracterizado porque el tercer modo de operación se activa cuando se detecta un segundo nivel de fallo.
18. El método de control según Ia reivindicación 13, caracterizado porque el cuarto modo de operación se activa cuando se detecta una emergencia y se mueven las palas del aerogenerador hasta Ia posición de seguridad.
19. El método de control según Ia reivindicación 13, caracterizado porque durante el segundo y tercer modo de operación Ia regulación del motor de corriente continua se realiza en respuesta a Ia consigna recibida desde el controlador general.
20. El método de control según Ia reivindicación 13, caracterizado porque durante el segundo y tercer modo de operación Ia regulación del motor de corriente continua se realiza de acuerdo a una lógica programada en el controlador del pitch.
21. Un método de control para un sistema de pitch eléctrico para turbinas eólicas que comprende:
- Usar un convertidor principal para convertir potencia alterna de Ia red en continua para alimentar el motor de corriente continua durante un primer modo de operación.
- Usar Ia tensión continua del acumulador de energía para alimentar a través del convertidor auxiliar el motor de corriente continua durante un segundo modo de operación. - Usar Ia tensión continua del acumulador de energía para alimentar directamente y sin intervención del controlador del pitch el motor de corriente continua durante un cuarto modo de operación.
22. Un método de control para un sistema de pitch eléctrico para turbinas eólicas que comprende:
- Usar un convertidor principal para convertir potencia alterna de Ia red en continua para alimentar el motor de corriente continua durante un primer modo de operación.
- Usar Ia tensión continua del acumulador de energía para alimentar directamente y de forma controlada el motor de corriente continua durante un tercer modo de operación. - Usar la tensión continua del acumulador de energía para alimentar directamente y sin intervención del controlador del piten el motor de corriente continua durante un cuarto modo de operación.
23. Un método de control para un sistema de pitch eléctrico para turbinas eólicas que comprende usar el motor como generador para entregar potencia a Ia red cuando Ia pala se mueve por su propio peso o par hacia Ia posición deseada.
24. Un método de control para un sistema de pitch eléctrico para turbinas eólicas que comprende:
Usar un convertidor principal para cargar y descargar el sistema acumulador de energía basado en supercapacidades.
25. Un método de control para un sistema de pitch eléctrico para turbinas eólicas que comprende:
- Usar un único cargador de baterías para cargar de forma multiplexada el sistema acumulador de energía de cada una de las palas.
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