MÉTODO DE OPERACIÓN DE UN AEROGENERADOR.

Método de operación de un aerogenerador.

Se describe un método de control de aerogeneradores,

dicho método está destinado a aumentar la fiabilidad de los aerogeneradores ya que detalla el uso de dicho aerogenerador y control del mismo en situaciones tales como el fallo en los sensores de carga, uno o más de ellos; asimismo se detalla cómo estimar cargas en una o más palas a partir de las cargas de otra pala cuando esta última se encuentra en la misma posición acimutal.

Método de operación de un aerogenerador

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se enmarca en el campo de la generación de electricidad a partir de la energía eólica.

El objeto de la invención consiste en un método de operación de aerogeneradores que permite ganar en fiabilidad en el sistema de medición de cargas en las palas, habitualmente utilizado para la implementación de estrategias de control individual de pitch.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Es conocido que la energía eólica permite generar electricidad a partir del viento mediante aerogeneradores y que dichos aerogeneradores constan básicamente de una góndola que alberga el generador eléctrico y un rotor formado a su vez por al menos dos palas, y una torre que soporta la góndola y el rotor.

Habitualmente los aerogeneradores comprenden sistemas activos de control de potencia generada en las palas, que permiten limitar la potencia captada del viento cuando el viento aumenta por encima de un umbral determinado en el que el aerogenerador alcanza la potencia nominal. El más habitual de dichos sistemas es el sistema de paso de pala hacia bandera, conocido como sistema de pitch; dicho sistema de paso de pala está configurado para girar la pala desde una posición de máxima captura energética hasta una posición en que se anula el par entrante del viento, o posición de bandera. Tradicionalmente el sistema de paso de pala es el encargado de controlar la velocidad de giro del aerogenerador a partir del momento en que se alcanza la potencia nominal. Así, una unidad de control del aerogenerador, a partir de un error de velocidad entre la velocidad de giro medida y una velocidad de giro nominal, calcula una consigna de posición o velocidad de pitch que se envía al sistema de pitch para mantener la velocidad de giro constante. Dicha consigna de control habitualmente es igual para todas las palas, por lo que se suele denominar consigna de pitch colectivo (CPC) . Adicionalmente, dicho CPC puede incorporar un término dependiente de la aceleración adelante-atrás para proporcionar amortiguamiento al movimiento del rotor en dicha dirección. Existen otras alternativas al sistema de paso de pala hacia bandera, como son el sistema de paso de pala hacia pérdida.

En los últimos veinte años la potencia nominal de los aerogeneradores ha ido aumentando gradualmente gracias al aumento del diámetro del rotor de los mismos. La superficie barrida por el rotor es generalmente tan grande que el viento incidente no es uniforme, es decir, existen variaciones en la velocidad y dirección del viento de un punto a otro de la superficie del rotor. Dichas diferencias en el viento incidente entre un punto y otro de la superficie del rotor son debidas a variaciones en la turbulencia, al perfil de cortadura del viento, efectos de estela, errores de “yaw”, etc. y tienen como efecto una variación de las fuerzas aerodinámicas en las palas durante la rotación de las mismas, causando cargas importantes de fatiga en los componentes del aerogenerador (palas, buje, bastidor, eje, torre, etc.) , y en ocasiones también cargas extremas.

Con objeto de reducir las cargas de fatiga, se han desarrollado técnicas de control de pitch individual (en adelante CPI) , que a partir de medidas de cargas en las palas, en el buje, en el bastidor, en la torre, etc. o de sensores de flujo en las inmediaciones de cada pala determinan una consigna de pitch individual para cada pala que compense dichos desequilibrios aerodinámicos y reduzca el daño a fatiga de los componentes del aerogenerador. Puede decirse que el modo predominante en la industria en lo referido a las técnicas de CPI están basadas en mediciones de cargas sobre las raíces de las palas.

El sistema de medición utilizado para las estrategias de CPI habitualmente está compuesto por algún tipo de sensor de cargas que se coloca en la raíz de las palas. Dado que habitualmente el rotor de un aerogenerador suele constar de tres palas, la disponibilidad de este equipo depende del buen funcionamiento de tres conjuntos de sensores distintos, colocados uno en cada pala. Estos sensores pueden instalarse en las palas durante el proceso de fabricación de las mismas, o bien posteriormente. Entre otras operaciones, el propio montaje del rotor puede dañar los sensores, obligando a costosos trabajos de reparación de los mismos.

Como antecedentes cabe destacar el documento de divulgación científica de Smolka et al. Titulado “Fault tolerant blade load monitoring for an individual pitch controlled wind turbine”, EWEA 2011, Bruselas, Bélgica; donde se presenta un sistema redundante de medición de cargas utilizado para aplicar técnicas de CPI. Dicho concepto contempla el uso de un conjunto doble de sensores de cargas mientras que la solicitud EP2310674 describe un sensor de fibra óptica embebido para medir cargas en aerogeneradores.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención consiste en un método de operación de aerogeneradores que permite a ganar en fiabilidad en el sistema de medición de cargas en las palas, habitualmente utilizado para la implementación de estrategias de control individual de pitch.

Dicho método aprovecha la existencia de varios sensores y/o captadores de datos - preferiblemente al menos tres sensores - ubicados en las palas para comprobar la fiabilidad de las medidas tomadas en cada una de las palas, y en caso de fallo de alguno de ellos, sustituir la señal de medición de esa pala por una estimación calculada a partir de al menos uno de los sistemas, conjuntos de sensores y/o captadores de datos, colocados en otra de las palas.

La detección del fallo de un sistema de medición de cargas en una de las palas se puede hacer bien automáticamente mediante la observación de discrepancias en la medida de uno de los sensores respecto a las estimaciones realizadas a partir de los demás sensores; bien automáticamente a partir del análisis de la correlación de valores estacionarios de dichas cargas con unos valores prefijados que pueden depender de las condiciones de viento medias, del ángulo de pitch medio para cada punto de trabajo, y de la velocidad de giro del rotor; o bien a partir de la intervención humana de un experto que señala al sistema de control cuál es el sensor que se encuentra en fallo.

En la estimación de la señal de un sistema de medición de cargas que se encuentra no operativo, pueden utilizarse valores de corrección estacionarios que reflejen desequilibrios másicos o aerodinámicos detectados con el conjunto completo de sistemas de medición operativos en los bordes.

El método aquí descrito también puede utilizarse para que cada uno de los sensores de cargas en las palas pueda realizar una estimación de las cargas de las demás, y comparar cada una de las mediciones con las estimaciones de las demás. En caso de que se detecten discrepancias por encima de un umbral entre una medición y las estimaciones, se detecta cuál es el sensor que proporciona una lectura incorrecta, y se alimenta el sistema de control a partir de las señales de los sensores cuyo funcionamiento es correcto y de las estimaciones de las lecturas de los sensores cuyo funcionamiento no es correcto. En caso de que se estime que todas las medidas de cargas de los sensores instalados en las palas sean erróneas, las estrategias de control individual de pitch se desactivan, y se opera únicamente con control de pitch colectivo.

A la vista de las figuras se describe a continuación un modo de realización preferente del método de control para dotar de mayor fiabilidad a los sistemas de medición de cargas en palas habitualmente utilizados en estrategias de control individual de pitch.

La presente invención define un método de control que permite, en caso de no encontrarse incoherencias en las medidas, utilizar estrategias de control individual de pitch basadas en medidas de cargas tomadas de forma individual en cada una de las palas. Por el contrario, en caso de encontrarse incoherencias en alguno de los sensores se procede a dotar de datos a un sistema de control individual de pitch sustituyendo las medidas de cargas en la pala cuyo sensor no se encuentra operativo por estimaciones de dichas cargas basadas en medidas realizadas en las demás palas. La coherencia entre los sistemas de medición se puede analizar a partir de comparar dichas medidas con estimaciones calculadas a partir de los demás sensores colocados sobre las demás palas.

En una realización preferente del objeto de la invención, ésta se implementa en un aerogenerador el cual comprende una góndola, una unidad de control, un rotor de eje horizontal que a su vez comprende una pluralidad de palas, unos medios de medición de cargas asociados...

1. Método de operación de un aerogenerador el cual comprende uan torre (3) , una góndola (2) , una unidad de control, un rotor (1) de eje substancialmente horizontal (6) que a su vez comprende una pluralidad de palas, al menos un sistema de medición de cargas asociado a al menos una pala, y un sistema de medición de señales indicativas de la posición y/o de la velocidad acimutal del rotor (2) estando el método caracterizado porque comprende los siguientes pasos:

obtener al menos una señal indicativa de carga en la primera pala a partir del sistema de medición de cargas en dicha primera pala cuando se encuentra en una determinada posición acimutal, y calcular, mediante sistema de medición de señales indicativas y a partir de las señales indicativas de cargas en la primera pala en dicha posición acimutal, al menos una señal indicativa de carga estimada para una segunda pala cuando dicha segunda pala se encuentra en la misma posición acimutal.

2. Método según reivindicación 1, donde el aerogenerador comprende un sistema de cambio de paso de pala independiente para cada una de las palas, caracterizado porque comprende calcular un ángulo de paso de cada pala a partir de la señal indicativa de carga medida en la primera pala y de la señal indicativa de carga estimada en la segunda pala.

3. Método según reivindicación 1, donde el aerogenerador comprende una tercera pala y un sistema de medición de cargas en la tercera pala, caracterizado porque comprende obtener unas señales indicativas de cargas en la tercera pala mediante el sistema de medición de cargas en la tercera pala, y porque la señal indicativa de cargas estimadas en la segunda pala se realiza a partir de las señales indicativas de cargas en la tercera pala obtenidas cuando dicha tercera pala se encuentra en idéntica posición acimutal a la de dicha segunda pala.

4. Método según reivindicación 3 donde el aerogenerador comprende un sistema de cambio de paso de pala independiente para cada pala y un sistema de medición de cargas en la segunda pala, caracterizado porque comprende:

• obtener una señal indicativa de cargas medidas en la segunda pala a partir del sistema de medición de cargas en la segunda pala,

• calcular una diferencia entre la señal indicativa de cargas medidas en la segunda pala y la señal indicativa de cargas estimadas en la segunda pala,

• comparar la diferencia con un primer umbral, y

• actuar sobre cada pala ajustando el ángulo de paso pala a partir de las señales indicativas de cargas medidas en la primera pala, de las señales indicativas de cargas medidas en la tercera pala, y de las señales indicativas de cargas estimadas en la segunda pala cuando un valor de la diferencia comparada en el paso anterior es mayor al primer umbral.

5. Método según reivindicación 1 donde el aerogenerador comprende un sistema de medición de cargas en la segunda pala estando el método caracterizado porque comprende:

• obtener una señal indicativa de cargas medidas en la segunda pala a partir del sistema de medición de cargas en la segunda pala;

• calcular una primera diferencia entre la señal indicativa de cargas medidas en la segunda pala y la señal indicativa de cargas estimadas en la segunda pala,

• comparar la primera diferencia con un primer umbral,

• si el valor de la primera diferencia comparada en el paso anterior es mayor que el primer umbral, calcular una segunda diferencia entre la señal indicativa de cargas medidas en la segunda pala y un conjunto predeterminado de valores almacenado en la unidad de control,

• comparar la segunda diferencia con un segundo umbral, y

• accionar el ángulo de paso de cada pala a partir de las señales indicativas de cargas medidas en la primera pala y de las señales indicativas de cargas estimadas en la segunda pala si el valor de la segunda diferencia comparada en el paso anterior es mayor que el segundo umbral.

6. Método según reivindicación 5, donde la primera diferencia es mayor que el primer umbral y la segunda diferencia es mayor que el segundo umbral, caracterizado porque comprende:

• calcular una tercera diferencia entre la señal indicativa de cargas medidas en la primera pala y el conjunto predeterminado de valores almacenado en la unidad de control,

• comparar la tercera diferencia con un tercer umbral, y

• accionar el ángulo de paso de todas las palas según una consigna colectiva de ángulo de paso de pala si la tercera diferencia es mayor que el tercer umbral.

7. Método según reivindicación 1 donde el paso de calcular una señal indicativa de cargas estimadas en una segunda pala en una posición acimutal a partir de las señales indicativas de cargas en la primera pala en idéntica posición acimutal comprende un factor de corrección proporcional a la diferencia de ángulos de paso de pala en la posición acimutal entre la primera y la segunda pala.

8. Método según reivindicación 7 donde el paso de calcular una señal indicativa de cargas estimadas en una segunda pala en una posición acimutal a partir de las señales indicativas de cargas en la primera pala en idéntica posición acimutal comprende un factor de corrección proporcional a la diferencia de velocidades del rotor medidas cuando la primera pala y la segunda pala pasan por la misma posición acimutal.