Aparato que amortigua al menos una componente de frecuencia de movimiento no deseada en una torre de turbina eólica que comprende:

una lógica de comando de paso que desarrolla una señal de comando de paso de palas de rotor; una lógica de amortiguación de torre que utiliza mediciones de aceleración de la torre para estimar dicha al menos una componente de frecuencia de movimiento utilizando un estimador basado en un modelo; una salida de dicha lógica de amortiguación de torre que comprende una modulación de paso colectiva basada en dicha al menos una estimación de componente; y una lógica de combinación conectada a dicha lógica de amortiguación de torre y a dicha lógica de comando de paso, siendo una salida de dicha lógica de combinación un comando de paso de palas combinado capaz de controlar el paso de las palas de rotor, que incluye amortiguar dicha al menos una componente de frecuencia de movimiento de la torre de turbina eólica

Antecedentes de la invención

La invención se refiere a estructuras de torre, tal como torres de turbinas eólicas y más particularmente a la amortiguación de las frecuencias resonantes primarias de turbina modulando el ángulo de paso de palas mientras se mantiene un par o potencial nominal.

Descripción de la técnica anterior

Las grandes turbinas eólicas modernas tienen diámetros de rotor de hasta 100 metros con torres de una altura para acomodarlas. En los Estados Unidos se está considerando que las torres verticales para algunos lugares, tales como las Grandes Llanuras Americanas, aprovechan las estimaciones de que duplicando la altura de la torre se aumenta la potencia del viento disponible en un 45%.

Varias técnicas están en servicio, o propuestas para su uso, para controlar una turbina eólica. El objetivo de estas metodologías de control es maximizar la generación de potencia eléctrica mientras se minimizan las cargas mecánicas impuestas sobre los diversos componentes de turbina. Las cargas causan tensión y esfuerzo y son la fuente de fallos por fatiga que acortan la vida útil de los componentes. Reducir las cargas permite el uso de componentes más ligeros y más pequeños, una importante consideración dada las dimensiones cada vez mayores de las turbinas eólicas. Reducir las cargas permite también el uso de los mismos componentes en turbinas de mayor potencia para manejar la mayor energía de viento o permite un aumento en el diámetro del roto para la misma potencia nominal.

Las turbinas eólicas, y las torres que las soportan, tienen una dinámica compleja influenciada por la actividad del viento así como las entradas de control. La dinámica incluye las revoluciones por minuto (RPM) del rotor, el movimiento de la torre ligeramente amortiguado, el movimiento de transmisión ligeramente amortiguado, la flexión de palas flexibles, etc. El control de turbina eólica es un hecho de equilibrio entre la provisión de un buen control de las revoluciones por minuto de la turbina, la adición de amortiguación de movimiento de torre, y la adición de amortiguación de transmisión a la vez que se minimiza o no se exacerba la flexión de las palas El control de espacio de estado, con complejos modelos de todas estás dinámicas, cumple con esto, pero tales controles son complejos y difíciles de desarrollar.

Es deseable proporcionar un procedimiento de control que añade amortiguación de la torre modulando los comando de paso de control generados por procedimientos de control convencionales (por ejemplo, compensadores proporcionales-integrales (PI). Tal procedimiento se puede adaptar a la inclusión en algoritmos de control de espacio de estado así como para ser usado como adjunto a controles convencionales.

Los enfoques de amortiguación, por ejemplo la amortiguación de la torre, consisten generalmente en medir la aceleración de torre, detectar el modo resonante natural de torre dentro de la aceleración, y generar un paso de realimentación de palas que añade amortiguación. Las patentes de los Estados Unidos número 4.420.692 y

4.435.647 divulgan el uso de filtros de pasabanda convencionales aplicados a la amortiguación del primer momento de flexión de la torre mediante el uso de control de paso de palas. Este tipo de amortiguación en muchas situaciones aumenta el movimiento de flexión de palas, lo cual es inaceptable.

La señal de aceleración ha superpuesto al movimiento resonante natural de la torre, entre otros, una aceleración debida a la fuerza “tres por revolución” (3P) producida por los desequilibrios y las no-linealidades aerodinámicas de pala. No eliminar algunos de estas componentes de la señal de amortiguación de realimentación de paso puede agravar el movimiento de pala y conducir a la fatiga y el fallo de las palas. En particular la señal 3P recogida por el acelerómetro de torre 144 usada para amortiguación es muy cercana a la frecuencia resonante de torre y dentro de la pasa banda de los filtros de pasabanda divulgado en las patentes 4.420.692 y 4.435.647. Usar los filtros de pasabanda da como resultado señales 3P que san a través del control de paso de palas con una fase arbitraria. La fuente de la señal 3P es el modo de flexión simétrica de las palas donde las tres palas del rotor se mueven juntas, flexionándose hacia dentro y hacia fuera del plano del disco de rotor de palas. La componente de frecuencia 3P es cercana a la frecuencia resonante del modo de flexión simétrica de las palas y, cuando pasa con cambios de fase causados por el filtro de pasabanda, exacerba la flexión simétrica de las palas.

Por lo tanto es deseable proporcionar un medio para separar el movimiento resonante de torre del causado por el desequilibrio de palas 3P. Los enfoques convencionales para eliminar una componente de frecuencia consisten en colocar un filtro de ranura en serie con el filtro pasabanda convencional. La ranura 3P, que está cercana en frecuencia al pasabanda, añade su error de fase y ganancia a la salida final dificultando el control. Este proceso no produce estimaciones del movimiento resonante de torre y del movimiento 3P.

Es deseable proporcionar estimaciones del movimiento de la torre y su frecuencia resonante conocida usando solamente las mediciones de aceleración de torre. Tales estimaciones, no corrompidas por otros movimientos, son necesarias para generar señales de realimentación de paso para la amortiguación de movimiento resonante de torre.

También es deseable proporcionar estimaciones de la aceleración 3P causada por la rotación de las tres palas desequilibradas. Tales estimaciones no corrompidas por el movimiento resonante de la torre y con fase seleccionada de manera a no exacerbar la flexión de las palas, son necesarias para la amortiguación de la torre y las palas y el control general de la turbina.

Sumario de la invención

En breve, la presente invención se refiere a un aparato según la reivindicación 1 y un procedimiento según la reivindicación 6 para controlar una turbina eólica que tiene un número de palas de rotor que comprende un procedimiento para usar mediciones de aceleración de torre para amortiguar el movimiento resonante de la torre, y amortiguar el movimiento 3P y por consiguiente la flexión simétrica de as palas. La aceleración resonante de la torre es causada por la respuesta colectiva de la torre y las palas respecto del promedio de los cambios del viento en todo el disco de palas. Con tres palas desequilibradas girando en un gradiente de viento (vertical, horizontal o debido a un desalineamiento de guiñada), la interacción del flujo de aire con las palas es un movimiento de tres veces por revolución superpuesto al movimiento resonante. La aceleración global resultante de la torre incluye el movimiento resonante ligeramente amortiguado de la estructura de la torre con actividad superpuesta de tres veces por revolución. Este movimiento de la torre causa fallo por fatiga y acorta la vida de la torre.

Asimismo, las propias palas son estructuras flexibles alargadas que tienen sus propios modos de flexión y movimiento resonante. Como los comandos de paso son accionados sobre estas palas girándolas y a partir de posiciones de cambio de paso, la flexión de palas se ve fuertemente influenciada. Si los comandos de paso incluyen una componente de frecuencia cercana a la frecuencia resonante de flexión simétrica de las palas, la actividad de paso puede exacerbar la flexión de las palas y aumentar la carga de las palas y acortar su vida.

La invención permite que un aparato amortigüe al menos una componente de frecuencia de movimiento no deseada en una torre de turbina eólica. Una lógica de comandos de paso desarrolla una señal de comando de paso de palas de rotor. Una lógica de amortiguación de torre usa mediciones de aceleración de torre para estimar dicha al menos una componente de frecuencia de movimiento usando un estimador basado en un modelo.

La lógica de amortiguación de torre produce una modulación de paso colectiva basada en dicha al menos una estimación de componente. Una lógica de combinación conectada a dicha lógica de amortiguación de torre y a dicha lógica de comando de paso genera una salida que es un comando de paso de palas combinadas capaz de controlar

el paso de las palas de rotor, lo cual incluye amortiguar dicha al menos una componente de frecuencia de movimiento de torre de turbina eólica.

Según un aspecto de la invención, la turbina eólica usa comando de paso de realimentación para controlar... [Seguir leyendo]

1. Aparato que amortigua al menos una componente de frecuencia de movimiento no deseada en una torre de turbina eólica que comprende:

una lógica de comando de paso que desarrolla una señal de comando de paso de palas de rotor;

una lógica de amortiguación de torre que utiliza mediciones de aceleración de la torre para estimar dicha al menos una componente de frecuencia de movimiento utilizando un estimador basado en un modelo;

una salida de dicha lógica de amortiguación de torre que comprende una modulación de paso colectiva basada en dicha al menos una estimación de componente; y

una lógica de combinación conectada a dicha lógica de amortiguación de torre y a dicha lógica de comando de paso, siendo una salida de dicha lógica de combinación un comando de paso de palas combinado capaz de controlar el paso de las palas de rotor, que incluye amortiguar dicha al menos una componente de frecuencia de movimiento de la torre de turbina eólica.

2. Aparato de la reivindicación 1 en el cual dicha modulación de paso colectiva incluye uno o más movimiento resonante de la torre y un movimiento de frecuencia no deseado.

3. Aparato de la reivindicación 1 en el cual dichas estimaciones de componente incluyen uno o más estimaciones de movimiento resonante y estimaciones de movimiento de frecuencia no deseado.

4. Aparato de la reivindicación 1 en el cual dicho modelo es una respuesta amortiguada de segundo orden.

5. Aparato de la reivindicación 1 en el cual la lógica de amortiguación desfasa, además, la modulación de paso colectiva sobre la base de dicha al menos una estimación de componente de frecuencia.

6. Procedimiento de uso de mediciones de aceleración de la torre para amortiguar el movimiento resonante de la torre, a la vez que se suprimen también señales no deseados en las mediciones, en una torre de turbina eólica que usa un comando de paso para controlar el paso de las palas de rotor de dicha turbina eólica, que comprende las etapas de:

A. medir la aceleración de la torre;

B. estimar la aceleración resonante de la torre y la aceleración no deseada usando las mediciones de aceleración con un estimador basado en un modelo;

C. proporcionar una modulación resonante de paso de palas para amortiguar el movimiento de la torre usando dichas estimaciones de aceleración resonante de la torre;

D. combinar dicha modulación resonante de paso de palas con dicho comando de paso que da como resultado un comando de paso combinado; y

E. usar dicho comando de paso combinado para controlar el paso de las palas de rotor con el fin de amortiguar dicho movimiento resonante de la torre de turbina eólica a la vez que se suprime el movimiento no deseado.

7. Procedimiento de la reivindicación 6, que comprende además, las etapas de proporcionar una modulación no deseada de paso de palas y para amortiguar el movimiento no deseado usando dichas estimaciones de aceleración no deseadas;

combinar el comando no deseado de paso de palas para formar el comando de paso combinado. 8. Procedimiento de la reivindicación 6, en el cual en la etapa B se usa un modelo amortiguado de segundo orden para estimar las aceleraciones no deseadas y resonantes de la torre.