METODOS Y SISTEMAS DE CONTROL DE AEROGENERADORES.

Métodos y sistemas de control de aerogeneradores de velocidad variable (11),

siguiendo una curva de producción (25, 27) que incluye una región operacional nominal (3) y regiones operacionales sub-nominales (2, 1, 0), comprendiendo los métodos pasos de: a) Implementar una estrategia de control para seguir dicha curva en dicha región nominal (3) basada en el uso del par demandado Td para controlar la producción de energía P y en el uso del ángulo de paso demandado {ze}d para controlar el par demandado Td; b) Implementar una estrategia de control para seguir dicha curva en las regiones sub-nominales (2, 1, 0) basada en el uso del par demandado Td para controlar la producción de energía P y en la fijación de un valor constante óptimo para el ángulo de paso demandado {ze}d en cada una de las regiones sub-nominales (2, 1, 0). Los sistemas comprenden uno o más Controladores Adaptativo Predictivos.

CAMPO DE LA INVENCION

La invención se refiere a métodos y sistemas de control de aerogeneradores de velocidad variable y, en particular, a métodos y sistemas de control de aerogeneradores utilizando un enfoque adaptativo predictivo.

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.

Sin embargo en el caso de ráfagas y turbulencias la velocidad del viento puede cambiar drásticamente en un intervalo de tiempo relativamente pequeño requiriendo cambios relativamente rápidos del ángulo de paso de las palas para mantener constante la energía producida que son difíciles de implementar teniendo en cuenta la dinámica del actuador del control del ángulo de paso y la inercia de los componentes mecánicos. Como resultado, la velocidad del generador puede rebasar el limite superior de velocidad y el aerogenerador se para al efecto de evitar daños.

La regulación de la producción de energía y de la velocidad del rotor implementada en la mayoría de los sistemas conocidos de control de los aerogeneradores está basada en un enfoque Proporcional-Integral-Derivativo 15 (PID) que reacciona a los errores producidos entre las mediciones de las variables y sus valores de consigna con sus limitaciones asociadas. De cara a solucionar este problema se conocen varias propuestas de sistemas de control que mejoran su rendimiento particularmente en situaciones de velocidades de viento variables como la propuesta descrita en WO 2008/046942 A 1.

Por otra parte son conocidos muchos sistemas de control de propósito general. Uno de ellos es el sistema de control adaptativo predictivo descrito en las patentes españolas 460649 y 2206315 pero el solicitante no conoce ninguna propuesta de un sistema de control adaptativo predictivo para aerogeneradores.

Los controladores adaptativo predictivos conducen las variables controlados a los valores deseados (los valores de consigna) reaccionando a errores aún no producidos. Estos controladores están basados en un modelo interno de la planta de cara a predecir sus futuros estados. Una segunda funcionalidad se introduce cuando se adaptan los parámetros del modelo dinámico interno de cara a tener en cuenta futuras evoluciones. Esta clase de controladores requiere una información en tiempo real que difiere de la usada por los controladores PID. Consecuentemente el uso de estos controladores en áreas particulares no puede llevarse a cabo sin realizar profundos estudios de estrategia.

Por tanto las propuestas conocidas implican el uso de más información (particularmente datos estadísticos) que en los sistemas comerciales de control y/o herramientas mejoradas para el análisis de la información relevante pero ninguna de ellas proporciona una estrategia de control clara, fácil de implementar, que pueda hacer frente a situaciones con rápidos cambios de la velocidad del viento.

La presente invención está orientada a la solución de ese inconveniente.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Un objeto de la presente invención es proporcionar métodos y sistemas de control de aerogeneradores que puedan hacer frente a situaciones con rápidos cambios de la velocidad del viento.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar métodos y sistemas de control de aerogeneradores que permitan su adaptación a eventuales evoluciones dinámicas del aerogenerador.

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 de producción de energía que incluye una región operacional nominal y varias regiones operacionales sub-nominales comprendiendo pasos de:

a) Implementar una estrategia de control para seguir dicha curva de producción en dicha región operacional nominal basada en el uso del par demandado Td para controlar la producción de energía P y en el uso del ángulo de paso demandado ed para controlar el par demandado Td.

b) Implementar una estrategia de control para seguir dicha curva de producción en las regiones operacionales sub-nominales basada en el uso del par demandado Td para controlar la producción de energía P y en la fijación de un valor constante óptimo para el ángulo de paso demandado ed en cada una de las regiones operacionales sub-nominales.

En una realización preferente, en el paso a) dicho ángulo de paso demandado ed se determina por medio de un algoritmo adaptativo predictivo que tiene como entradas el valor de consigna del par Tsp, el par demandado Td, la velocidad medida del generador Ω y el ángulo de paso medido e. Se consigue con ello un método de control que mejora la producción de energía en la región nominal por su mejor adaptación a la evolución dinámica del aerogenerador y la consiguiente reducción de la desviación típica de las variables de control respecto de sus valores de consigna.

En otra realización preferente, en el paso a) la velocidad del viento V y la aceleración adelante-atrás de la góndola ax se usan como perturbaciones de dicho algoritmo adaptativo predictivo. Se consigue con ello un método de control que permite una reducción de las cargas del generador al tener en cuenta factores específicos relevantes para dichas cargas.

En otra realización preferente, en el paso a) también se usa como variable de control adicional la tasa demandada de variación del ángulo de paso erd correspondiente al ángulo de paso demandado ed que se determina por medio de un algoritmo adaptativo predictivo que tiene como entradas al ángulO de paso demandado ed y el ángulo de paso medido e. Se consigue con ello un método de control que permite un control mejorado de la regulación del ángulo de paso.

En otra realización preferente, en el paso b) el par demandado Td se determina por medio de un algoritmo adaptativo predictivo que tiene como entradas el valor de consigna de la velocidad del generador ilsp, el valor medido de la velocidad del generador Ω y el valor medido del par T. Se consigue con ello un método de control que mejora la producción de energía del aerogenerador en las regiones sub-nominales debido a su mejor adaptación a la evolución dinámica del aerogenerador y a la consiguiente reducción del desviación estándar de las variables de control respecto de sus valores de consigna.

En otra realización preferente, el método de control también comprende un paso para implementar una estrategia de control en la región pre-0 basada en el uso del ángulo de paso demandado ed, determinado por medio de un algoritmo adaptativo predictivo para controlar la velocidad del generador Ω Se consigue con ello un método de control que mejora el procedimiento de arranque del aerogenerador.

En otro aspecto, los objetos mencionados anteriormente se consiguen mediante un sistema de control de un aerogenerador de velocidad variable que comprende dispositivos de medida para medir al menos la velocidad del viento V, la velocidad del generador Q, el ángulo de paso e, la producción de energía P y la aceleración adelante-atrás de la góndola ax, así como una unidad de control conectada...

1. Un método de control de la operación de un aerogenerador de velocidad variable (11 ), siguiendo una curva de producción de energía (25, 27) que incluye una región operacional nominal (3) y regiones operacionales subnominales (2, 1, 0), caracterizado porque comprende pasos de:

a) Implementar una estrategia de control para seguir dicha curva de producción en dicha región operacional nominal (3) basada en el uso del par demandado Td para controlar la producción de energía P y en el uso del ángulo de paso demandado ed para controlar el par demandado Td;

b) Implementar una estrategia de control para seguir dicha curva de producción en las regiones operacionales sub-nominales (2, 1, 0) basada en el uso del par demandado Td para controlar la producción de energía P y en la fijación de un valor constante óptimo para el ángulo de paso demandado ed en cada una de las regiones operacionales sub-nominales (2, 1, 0).

2. Un método de control de la operación de un aerogenerador de velocidad variable (11) según la reivindicación 1, caracterizado porque en dicho paso a) dicho ángulo de paso demandado ed se determina por medio de un algoritmo adaptativo predictivo que tiene como entradas el valor de consigna del par Tsp, el par demandado Td, la velocidad medida del generador Ω y el ángulo de paso medido *.

3. Un método de control de la operación de un aerogenerador de velocidad variable (11) según la reivindicación 2, caracterizado porque la velocidad del viento V y la aceleración adelante-atrás de la góndola ax se usan como perturbaciones de dicho algoritmo adaptativo predictivo.

4. Un método de control de la operación de un aerogenerador de velocidad variable (11) según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque en dicho paso a) también se usa como variable de control adicional la tasa demandada de variación del ángulo de paso * correspondiente al ángulo de paso demandado*

5. Un método de control de la operación de un aerogenerador de velocidad variable (11) según la reivindicación 4, caracterizado porque dicha tasa demandada de variación del ángulo de paso Brd se determina por medio de un algoritmo adaptativo predictivo que tiene como entradas al ángulo de paso demandado ed y el ángulo de paso medido *.

6. Un método de control de la operación de un aerogenerador de velocidad variable (11) según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque en dicho paso b) el par demandado Td se determina por medio de un algoritmo adaptativo predictivo que tiene como entradas el valor de consigna de la velocidad del generador ilsp, el velocidad medida del generador * y el par medido *.

7. Un método de control de la operación de un aerogenerador de velocidad variable (11) según la reivindicación 6, caracterizado porque la velocidad del viento V y el ángulo de paso medido e se usan como perturbaciones de dicho algoritmo adaptativo predictivo.

8. Un método de control de la operación de un aerogenerador de velocidad variable (11) según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizado porque también comprende un paso para implementar una estrategia de control en la región pre-0 basada en el uso del ángulo de paso demandado ed, determinado por medio de un algoritmo adaptativo predictivo, para controlar la velocidad del generador *.

9. Un aerogenerador de velocidad variable (11) controlado mediante un método según cualquiera de las reivindicaciones 1-8.

10. Un sistema de control de un aerogenerador de velocidad variable (11) que comprende dispositivos de medida (71, 73, 75, 77) para medir al menos la velocidad del viento V, la velocidad del generador Q, el ángulo de paso e, la producción de energía P y la aceleración adelante-atrás de la góndola 5 ax, y una unidad de control (65) conectada a dichos dispositivos de medida (71, 73, 75, 77) y a los actuadores (61, 67) del control del ángulo de paso y del par del generador del aerogenerador, caracterizado porque la unidad de control (65) está adaptada para ejecutar un método según cualquiera de las reivindicaciones 1-9.

11. Un sistema de control de un aerogenerador de velocidad variable (11) según la reivindicación 1 O, caracterizado porque dicha unidad de control (65) comprende uno o más de los siguientes controladores implementando algoritmos adaptativo predictivos que tienen en cuenta la dinámica de los componentes físicos del aerogenerador involucrados:

- Un Controlador Adaptativo Predictivo del Par con el Ángulo de Paso (51) que tiene como entradas el valor de consigna del par Tsp, el par demandado Td, la velocidad medida del generador Q y el ángulo de paso medido e, y como salida el ángulo de paso demandado ed en la región operacional nominal (3);

- Un Controlador Adaptativo Predictivo de la Velocidad con el Ángulo de Paso (53) que tiene como entradas la velocidad medida del generador Q y como salida el ángulo de paso óptimo e en las regiones operacionales subnominales (2, 1, 0);

- Un Controlador Adaptativo Predictivo de la Velocidad con el Par (55) 2 5 que tiene como entradas el valor de consigna de la velocidad del generador Dsp, la velocidad medida del generador Q y el par medido T y como salida el valor demandado del par Td en las regiones operacionales sub-nominales (2, 1, 0);

- Un Controlador Adaptativo Predictivo de la Tasa de Variación del Angula de Paso (59) que tiene como entradas el ángulo de paso demando ed y el ángulo de paso medido e y como salida la tasa demandada de variación del ángulo de paso erd.

12. Un aerogenerador de velocidad variable (11) comprendiendo un sistema de control controlado mediante un método según cualquiera de las reivindicaciones 10-11 .