Métodos de control de aerogeneradores para mejorar la producción de energía siguiendo una curva potencia vs.

velocidad del generador (31) que comprende una zona nominal (39) donde se mantiene constante la potencia a su valor nominal, una primera zona sub-nominal (33), una segunda zona sub-nominal (35) donde se permite que tanto la velocidad del generador como la potencia aumenten/disminuyan en línea con la velocidad del viento y una tercera zona sub-nominal (37) entre la segunda zona sub-nominal (35) y la zona nominal (39) que comprende un primer segmento vertical (41) a una velocidad del generador nr2 mayor de la velocidad nominal del generador nr1 y un segundo segmento vertical (43) a la velocidad nominal del generador nr1 conectando con la zona nominal (39), siguiéndose cada uno de dichos segmentos (41, 43) en función de los cambios de la velocidad del viento para optimizar la producción de energía.

Métodos de control de aerogeneradores para mejorar la producción de energía.

Campo de la invención

La invención se refiere a métodos de control de aerogeneradores de velocidad variable y, en particular, a métodos de control de aerogeneradores de control variable para mejorar la producción de energía.

Antecedentes

Los aerogeneradores son dispositivos que convierten energía mecánica en energía eléctrica. Un aerogenerador típico incluye una góndola montada sobre una torre que alberga un tren de potencia para transmitir la rotación de un rotor a un generador eléctrico y otros componentes tal como los motores de orientación mediante los que se gira el aerogenerador, varios controladores y un freno. El rotor soporta varias palas que se extienden radialmente para capturar la energía cinética del viento y causan un movimiento rotatorio del tren de potencia. Las palas del rotor tienen una forma aerodinámica de manera que cuando el viento pasa a través de la superficie de la pala se crea una fuerza ascensional que causa la rotación de un eje al que está conectado -directamente o a través de un dispositivo de multiplicación- un generador eléctrico situado dentro de la góndola. La cantidad de energía producida por los aerogeneradores depende de la superficie de barrido del rotor de palas que recibe la acción del viento y, consecuentemente, el incremento de la longitud de las palas implica normalmente un incremento de la producción de energía del aerogenerador.

En los métodos y sistemas de control conocidos la energía producida por un aerogenerador se incrementa con la velocidad del viento hasta que se alcanza un nivel nominal pre-establecido y a partir de ahí se mantiene constante. Ello se hace regulando el ángulo de paso de las palas de manera que el ángulo de paso de las palas del rotor se cambia hacia un menor ángulo de ataque para reducir la energía capturada y hacia un mayor ángulo de ataque para incrementar la energía capturada. Por tanto la velocidad del generador y, consecuentemente, la energía producida pueden mantenerse relativamente constantes con velocidades crecientes del viento.

Como es bien conocido la limitación de la velocidad rotacional de los aerogeneradores implica tanto una limitación de sus cargas como una limitación de la energía del viento capturada con respecto a la energía del viento disponible. Por ello, la industria de aerogeneradores está demandando constantemente métodos mejorados de control para optimizar su eficiencia.

Hay varios métodos conocidos orientados hacia esa demanda. Uno de ellos está descrito en US 2007/0154311: un método de control del par y el ángulo de paso de acuerdo con la velocidad rotacional para suministrar una mayor producción.

Esta invención está orientada a la atención de esa misma demanda, evitando los inconvenientes de la técnica anterior conocida.

Sumario de la invención

Un objeto de la presente invención es proporcionar aerogeneradores controlados por métodos de control que permiten la optimización de la producción de energía.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar métodos de control de aerogeneradores adaptados para optimizar la producción de energía en las zonas de la curva de potencia en torno a la velocidad nominal del generador.

En un aspecto, esos y otros objetos se consiguen proporcionando un método de control de la operación de un aerogenerador de velocidad variable, siguiendo una curva potencia vs. velocidad del generador que comprende una zona nominal en la que se mantiene constante la potencia en su valor nominal, una primera zona sub-nominal en la que se mantiene constante la velocidad del generador a su valor de acoplamiento, una segunda zona sub-nominal en la que se permite que tanto la velocidad del generador como la potencia aumenten/disminuyan en línea con la velocidad del viento y una tercera zona sub-nominal entre la segunda zona sub-nominal y la zona nominal que comprende un primer segmento vertical a una velocidad del generador n_r2 mayor de la velocidad nominal del generador n_r1 y un segundo segmento vertical a la velocidad nominal del generador n_r1 conectando con la zona nominal, siguiéndose cada uno de dichos segmentos en función de los cambios de la velocidad del viento para optimizar la producción de energía.

En una realización preferente, la velocidad del generador n_r2 está comprendida en un rango del 85%-95% de la máxima velocidad del generador n_out. Se consigue con ello un método de control que optimiza la producción de energía manteniendo un margen de seguridad entre la velocidad operacional del generador y la velocidad de autoprotección del convertidor.

En otra realización preferente, dicho primer segmento vertical y dicho segundo segmento vertical tienen, respectivamente unos puntos alto y bajo C, E a dos valores predeterminados de potencia P1, P2 definiendo los caminos C-D; E-F a ser seguidos entre ellos. Se consigue con ello un método de control que optimiza la producción de energía minimizando los inconvenientes asociados al uso de dichos primer y segundo segmentos verticales.

En otra realización preferente, dicho valor de potencia P1 está comprendido en un rango del 85%-95% del valor nominal de la potencia. Se consigue con ello un método de control que optimiza la producción de energía minimizando los inconvenientes asociados a pares elevados y altas velocidades angulares.

En otra realización preferente, dicho valor de potencia P2 está comprendido en un rango del 110%Pi - 90%P1, siendo Pi el valor de la potencia en el punto I de intersección de la segunda zona sub-nominal y una línea vertical a la velocidad nominal del generador n_r1. Se consigue con ello un método de control que optimiza la producción de energía minimizando los inconvenientes asociados a las cargas de fatiga.

En otro aspecto, los objetos mencionados se consiguen proporcionando un aerogenerador de velocidad variable controlado por el método mencionado anteriormente. En una realización preferente, el generador del aerogenerador es un generador de inducción doblemente alimentado. Se consigue con ello una vía para mejorar la producción de energía de muchos aerogeneradores instalados.

Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue de una realización ilustrativa y no limitativa de su objeto en relación con las figuras que se acompañan.

Breve descripción de las figuras

La Figura 1 muestra esquemáticamente los componentes principales de un aerogenerador.

La Figura 2 muestra una curva Potencia vs. Velocidad del generador conocida en la técnica que se usa para controlar aerogeneradores de velocidad variable.

La Figura 3 muestra una curva Potencia vs. Velocidad del generador para controlar aerogeneradores de velocidad variable según la presente invención.

Las Figuras 4-5 muestran curvas Potencia vs. Velocidad del generador según la presente invención y según la técnica conocida en una simulación para una rampa de viento ascendente y otra descendente.

Las Figuras 6-7 muestran curvas Velocidad del generador vs. Velocidad del viento resultantes en dicha simulación.

Las Figuras 8-9 muestran curvas Potencia vs. Velocidad del viento resultantes en dicha simulación.

La Figura 10 muestra curvas estimadas en media de Potencia aplicando el método de la presente invención y el mencionado método conocido en la técnica.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

Un aerogenerador 11 convencional comprende una torre 13 soportando una góndola 21 que alberga un generador 19 para convertir la energía rotacional del rotor del aerogenerador en energía eléctrica. El rotor del aerogenerador comprende un buje de rotor 15 y, normalmente, tres palas 17. El buje del rotor 15 está conectado al bien directamente o a través de una multiplicadora al generador 19 del aerogenerador para transferir el par generado por el rotor 15 al generador 19 incrementando la velocidad del eje a fin de alcanzar una velocidad rotacional apropiada del rotor del generador.

La energía producida por un aerogenerador moderno está controlada normalmente por medio de un sistema de control para regular el ángulo de paso...

1. Método de operación de un aerogenerador de velocidad variable (11) que tiene medios de control para su regulación siguiendo una curva potencia vs. velocidad del generador (31) que comprende una zona nominal (39) en la que se mantiene constante la potencia a su valor nominal, una primera zona sub-nominal (33) en la que se mantiene constante la velocidad del generador a su valor de acoplamiento, una segunda zona sub-nominal (35) en la que se permite que tanto la velocidad del generador como la potencia aumenten/disminuyan en línea con la velocidad del viento y una tercera zona sub-nominal (37) entre la segunda zona sub-nominal (35) y la zona nominal (39), caracterizado porque la tercera zona sub-nominal (37) comprende un primer segmento vertical (41) a una velocidad del generador n_r2 mayor de la velocidad nominal del generador n_r1 y un segundo segmento vertical (43) a la velocidad nominal del generador n_r1 conectando con la zona nominal (39), siguiéndose cada uno de dichos segmentos (41, 43) en función de los cambios de la velocidad del viento para optimizar la producción de energía.

2. Método de operación de un aerogenerador de velocidad variable (11) según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha velocidad del generador n_r2 está comprendida en un rango del 85%-95% de la máxima velocidad del generador n_out.

3. Método de operación de un aerogenerador de velocidad variable (11) según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado porque dicho primer segmento vertical (41) y dicho segundo segmento vertical (43) tienen, respectivamente unos puntos alto y bajo (C; E) a dos valores predeterminados de potencia P1, P2 definiendo los caminos (C-D; E-F) a ser seguidos entre ellos.

4. Método de operación de un aerogenerador de velocidad variable (11) según la reivindicación 3, caracterizado porque dicho valor de potencia P1 está comprendido en un rango del 85%-95% del valor nominal de la potencia.

5. Método de operación de un aerogenerador de velocidad variable (11) según cualquiera de las reivindicaciones 3-4, caracterizado porque dicho valor de potencia P2 está comprendido en un rango del 110%Pi - 90%P1, siendo Pi el valor de la potencia en el punto I de intersección de la segunda zona sub-nominal (35) y una línea vertical a la velocidad nominal del generador n_r1.

6. Un aerogenerador de velocidad variable (11) controlado por un método según cualquiera de las reivindicaciones 1-5.

7. Un aerogenerador de velocidad variable (11) según la reivindicación 6, caracterizado por que el generador del aerogenerador es un generador de inducción doblemente alimentado.