MÉTODO Y DISPOSITIVO PARA CONTROLAR UNA REDUCCIÓN DE CARGA PARA UN ROTOR DE TURBINA EÓLICA.

Método y dispositivo para controlar una reducción de carga para un rotor de turbina eólica La presente invención se refiere a un método para controlar una reducción de carga para un rotor de turbina eólica según la reivindicación 1 y a un dispositivo de control según la reivindicación 7 para realizar el método. Las palas de rotores de turbinas eólicas están expuestas a grandes cargas dinámicas cuando la turbina eólica funciona en condiciones de viento turbulento o en condiciones de distorsión de flujo, por ejemplo una alta cizalladura del viento. Hasta ahora, por tanto, las palas de rotores de turbinas eólicas y las estructuras de soporte se han dimensionado para poder resistir las cargas dinámicas que pueden producirse en las condiciones para las que está certificada la turbina. En los últimos años ha quedado claro que proseguir con esta práctica de tener simplemente una fuerza estructural suficiente para cualquier carga que pueda producirse conduciría a diseños muy pesados para grandes turbina eólicas. Por consiguiente, se han desarrollado diversos métodos para la reducción activa de las cargas de funcionamiento. Un método para reducir activamente las cargas de funcionamiento es el denominado paso de pala cíclico. En el paso de pala cíclico la configuración del paso de cada pala de rotor cambia durante cada revolución, tal como se describe, por ejemplo, en el documento US 4.298.313. Más recientemente se ha descrito una regulación de aleta activa en la que se cambian las propiedades aerodinámicas de los perfiles de pala en lugar del paso de pala. Independientemente del método de actuación elegido, cualquier sistema activo de reducción de carga tiene que controlarse mediante un regulador. Por ejemplo, un regulador para regular el ángulo de paso de las palas de rotor se describe en el documento EP 1 666 723 A1. En el documento US 2006/0145483 A1 se describen un método de control y un dispositivo de control para controlar los ángulos de paso de las palas de rotor de un rotor de turbina eólica o los perfiles aerodinámicos de las palas de rotor basándose en una estrategia de control proporcional-integral (control PI). El documento US 4.297.076 describe una turbina eólica con partes de punta de las palas que son de paso variable y un dispositivo para controlar el paso para aliviar los momentos de flexión sobre las palas. El dispositivo de control comprende la unidad que permite corregir el ángulo de fase de la señal de control con respecto al azimut del rotor. El documento EP 1 719 910 A1 describe un método activo de atenuación de vibración para un generador de turbina eólica y un dispositivo para realizar el método. Se proporciona una componente de señal de atenuación en una señal de referencia de ángulo de paso de pala filtrando la señal de referencia de ángulo de paso de pala con una función de transferencia que incluye una constante de tiempo para aproximar el retraso del mecanismo de cambio de paso en respuesta a esa señal de referencia de ángulo de paso de pala. Un enfoque similar se da a conocer en el documento GB 2 117 934 A. El documento Bossanyi, E.A.: Individual Blade Pitch Control for Load Reduction, Wind Energy, Wiley, Chichester, GB volumen 6 (08-10-2002) páginas 119 a 128, describe la posibilidad de usar diferentes demandas de ángulos de paso enviadas a cada pala como manera de reducir las cargas. Se usa un controlador LQG (controlador lineal, cuadrático, gaussiano) para derivar las señales de control. El documento Caselitz P. et al.: Reduction of Fatique Loads on Wind Energy Converters by Advanced Control Methods, European Wind Energy Conference, XX, XX, octubre de 1997, páginas 555 a 558, describe una compensación del momento de inclinación y guiñada mediante un control de pala individual. Sin embargo, la regulación de un sistema activo de reducción de carga no es una tarea fácil puesto que el sistema tiene que ser rápido para una regulación apropiada, en particular si están implicadas rápidas fluctuaciones de carga. Hasta la fecha no se ha dado a conocer ningún método verdaderamente convincente para una rápida regulación de este tipo. Los métodos de regulación convencionales que usan esquemas de regulación proporcionalintegraldiferencial en diversas configuraciones no tienen la capacidad de predicción necesaria para realizar dicha rápida regulación. Además, los tiempos de respuesta de los esquemas de regulación PID son demasiado largos. Se han alcanzado mejores resultados con la aplicación de diversos tipos de algoritmos de aprendizaje. Sin embargo, tales algoritmos de aprendizaje tienden a conducir a sistemas de caja negra que no son fáciles de modelar y en los que al diseñador le resulta difícil valorar una función apropiada en todas las condiciones. Es por tanto un objetivo de la presente invención proporcionar un método de control mejorado y un dispositivo de control mejorado para controlar una reducción de carga para un rotor de turbina eólica. Este objetivo se resuelve mediante un método de control según la reivindicación 1 y un dispositivo de control según la reivindicación 7. Las reivindicaciones dependientes contienen implementaciones adicionales de la invención. El método de control de la invención se usa para controlar una reducción de carga para un rotor de turbina eólica con palas de rotor que comprenden al menos un elemento activo aerodinámico sensible a una señal de control para 2   modificar su configuración. A este respecto, un elemento activo aerodinámico debe entenderse en un sentido amplio como cualquier elemento que puede cambiar activamente las propiedades aerodinámicas de una pala de rotor, tal como una aleta, un dispositivo para configurar el ángulo de paso de una pala de rotor o un dispositivo que permite la modificación del perfil aerodinámico del plano aerodinámico de pala. El método comprende las etapas de detectar las cargas que actúan sobre las palas de rotor en relación con el azimut del rotor, es decir una dirección radial medida desde el buje del rotor que es fija en el espacio. Esta dirección radial, por ejemplo, puede extenderse verticalmente hacia arriba desde el buje del rotor. Se establecen señales de control individuales para modificar las configuraciones de los elementos activos aerodinámicos de las palas de rotor basándose en un sistema de control PI y se proporcionan las señales de control individuales a los elementos activos aerodinámicos. Cada señal de control individual es un número complejo que contiene una amplitud que define el grado de modificación de la respectiva configuración y un ángulo que define la fase de la modificación de la respectiva configuración con respecto al azimut del rotor. Este número complejo se corrige mediante un factor de corrección de ángulo de fase. La entrada al sistema de control PI es un vector complejo de carga. El número de componentes de vector complejo de carga corresponde al número de palas de rotor, es decir el vector complejo de carga tendría tres componentes de vector complejo para un rotor de tres palas. Sin embargo, debe mencionarse que el método de control de la invención es adecuado para rotores con cualquier número de palas de rotor incluso si hay sólo una pala de rotor presente. Si una componente de vector viene dada en representación polar, la amplitud de una componente de vector del vector de carga define la magnitud de la carga que actúa sobre la respectiva pala y el ángulo de esta componente de vector define la fase de la carga con respecto al azimut del rotor. Para corregir el ángulo del número complejo que representa una señal de control individual se multiplica el vector de carga por el factor de corrección de fase antes de introducirse en el sistema de control PI. La invención se basa en la siguiente consideración: Los retardos en los sensores y los sistemas de configuración de los elementos o dispositivos activos aerodinámicos tienen un gran impacto sobre la respuesta de regulación resultante. Usando un factor de corrección de fase para corregir el número complejo que representa una señal de control pueden adaptarse y tenerse en cuenta tales retardos de modo que puede optimizarse el ángulo que define la fase de la modificación con respecto al azimut del rotor. En comparación con los métodos de regulación PID convencionales, el método de la invención proporciona una rápida respuesta a las fluctuaciones de carga detectadas puesto que los retardos en el sensor y los sistemas de configuración se tienen en cuenta mediante el factor de corrección de fase. En comparación con los algoritmos de aprendizaje, el método de control de la invención no tiende a conducir a sistemas de caja negra con las dificultades mencionadas. Las fluctuaciones de carga pueden medirse mediante cualquier medio sensor adecuado, por ejemplo acelerómetros o medidores de esfuerzo.... [Seguir leyendo]

1. Método de control para controlar una reducción de carga para un rotor (3) de turbina eólica con palas (5, 7, 9) de rotor que comprenden al menos un elemento activo aerodinámico sensible a una señal de control para modificar su configuración, comprendiendo el método las etapas de - detectar las cargas que actúan sobre las palas (5, 7, 9) de rotor en relación con el azimut del rotor; - establecer señales de control individuales para modificar las configuraciones de los elementos activos aerodinámicos de las palas (5, 7, 9) de rotor, en el que cada señal de control individual es un número complejo que contiene una amplitud que define el grado de modificación de la respectiva configuración y un ángulo que define la fase de la modificación de la respectiva configuración con respecto al azimut del rotor, y en el que se corrige el ángulo del número complejo mediante un factor de corrección de fase; y - proporcionar a los elementos activos aerodinámicos las señales de control individuales; caracterizado porque - las señales de control individuales se establecen basándose en un sistema (47) de control PI; - la entrada al sistema (47) de control PI es un vector complejo de carga; - el número de componentes de vector complejo del vector complejo de carga corresponde al número de palas (5, 7,9) de rotor; - la amplitud de una componente de vector define la magnitud de la carga que actúa sobre la respectiva pala (5, 7, 9) y el ángulo de esta componente de vector define la fase de la carga con respecto al azimut del rotor (3); y - el vector de carga se multiplica por el factor de corrección de fase antes de introducirse al sistema (47) de control PI. 2. Método de control según la reivindicación 1, caracterizado porque el factor de corrección de fase es al menos un número complejo con valor absoluto unitario y un argumento que define una corrección de fase. 3. Método de control según la reivindicación 2, caracterizado porque el factor de corrección de fase comprende un número complejo con valor absoluto unitario y un argumento que define una corrección de fase para cada componente de vector del vector de carga. 4. Método de control según la reivindicación 3, caracterizado porque el factor de corrección de fase es una matriz que debe multiplicarse por el vector de carga. 5. Método de control según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el factor de corrección de fase se deriva de los argumentos de las componentes de vector complejo del vector de carga. 6. Método de control según la reivindicación 5, caracterizado porque el factor de corrección de fase se deriva mediante la diferenciación de los argumentos de las componentes de vector complejo con respecto al tiempo, la posterior integración de los argumentos de las componentes de vector complejo y la formación de números complejos con valor absoluto unitario y los resultados de la 7   integración multiplicados por la unidad imaginaria como argumento. 7. Dispositivo (13) de control para controlar una reducción de carga para un rotor (3) de turbina eólica con palas (5, 7, 9) de rotor que comprenden al menos un elemento activo aerodinámico sensible a una señal de control para modificar su configuración, que comprende: - una entrada (19) de datos de carga para recibir los datos de carga que representan la carga que actúa sobre una pala (5, 7, 9) de rotor; - una entrada (21) de azimut de rotor para recibir los datos de azimut de rotor que representan el azimut de rotor; - una unidad (23) de detección de oscilación que se conecta a la entrada (19) de datos de carga y a la entrada (21) de azimut de rotor para recibir los datos de carga y los datos de azimut de rotor, que está diseñada para detectar componentes de frecuencia de la carga que actúa sobre una pala (5, 7, 9) de rotor a partir de los datos de carga y los datos de azimut de rotor, y que está diseñada para producir un vector complejo de carga cuyo número de componentes de vector complejo corresponde al número de palas (5, 7, 9) de rotor, en el que la amplitud de una componente de vector define la magnitud de la carga que actúa sobre la respectiva pala (5, 7, 9) y el ángulo de la componente de vector define la fase de la carga con respecto al azimut de rotor; y - una unidad (27) de cálculo del factor de corrección caracterizado porque - la unidad (27) de cálculo del factor de corrección está conectada a la unidad (23) de detección de oscilación para recibir el vector de carga y está diseñada para calcular y para producir un factor de corrección de fase basándose en el vector de carga; - un multiplicador (45) que está conectado a la unidad (23) de detección de oscilación para recibir el vector de carga y a la unidad (27) de cálculo del factor de corrección para recibir el factor de corrección de fase y que está diseñado para multiplicar el vector de carga por el factor de corrección de fase; - un controlador (47) PI que está conectado al multiplicador (45) para recibir el resultado de la multiplicación y que está diseñado para establecer y producir señales de control individuales para modificar las configuraciones de los elementos activos aerodinámicos de las palas (5, 7, 9) de rotor. 8. Dispositivo de control según la reivindicación 7, en el que la unidad (27) de cálculo del factor de corrección comprende: - una unidad (35) de determinación de argumentos que está conectada a la unidad (23) de detección de oscilación para recibir el vector de carga y está diseñada para determinar los argumentos de las componentes de vector complejo del vector de carga y para producir los argumentos; - un diferenciador (37) que está conectado a la unidad (35) de determinación de argumentos para recibir los argumentos y que está diseñado para determinar la derivada en el tiempo de los argumentos y para producir la derivada en el tiempo; - un integrador (41) que está conectado al diferenciador para recibir las derivadas en el tiempo de los argumentos y que está diseñado para integrar las derivadas en el tiempo de los argumentos y para producir los valores de integración; y - una unidad (43) de formación de factores complejos que está conectada al integrador (41) para recibir los valores de integración y que está diseñada para formar el factor de corrección de fase mediante una multiplicación de los valores de integración por la unidad imaginaria y una posterior potenciación. 8   9