SISTEMA PARA LA ESTIMACIÓN EN LAZO CERRADO DE MODELOS LINEALES ENTRADA SALIDA DE UN AEROGENERADOR.
Sistema para la estimación en lazo cerrado de modelos lineales entrada salida de un aerogenerador,
que consiste en aplicar una señal de referencia (5) y una señal de excitación (7) conocida, en un aerogenerador real (1) y en un modelo estimado de aerogenerador (1b), los cuales están controlados en lazo cerrado por un controlador (2) alimentado con la salida (6) y otras variables (9) del aerogenerador (1) y con la salida (6b) del modelo estimado (1b), de manera que de la comparación de las señales de salida del aerogenerador (1) y del modelo estimado (1b) se obtienen unos valores (8) que son analizados a través de un algoritmo de adaptación paramétrica (4), proporcionando unos valores que configuran el modelo estimado de aerogenerador (1b)
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200803392.
Solicitante: FUNDACION CENER-CIEMAT.
Nacionalidad solicitante: España.
Provincia: NAVARRA.
Inventor/es: LASA MORAN,MIKEL, LANDAU,IOAN-DORE, IRIBAS LATOUR,MIKEL.
Fecha de Solicitud: 28 de Noviembre de 2008.
Fecha de Publicación: .
Fecha de Concesión: 24 de Agosto de 2011.
Clasificación PCT:
- F03D7/04 MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA. › F03 MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO, DE RESORTES, O DE PESOS; PRODUCCION DE ENERGIA MECANICA O DE EMPUJE PROPULSIVO O POR REACCION, NO PREVISTA EN OTRO LUGAR. › F03D MOTORES DE VIENTO. › F03D 7/00 Control de los motores de viento (alimentación o distribución de energía eléctrica H02J, p. ej. disposiciones para ajustar, eliminar o compensar la potencia reactiva en las redes H02J 3/18; control de generadores eléctricos H02P, p. ej. disposiciones para el control de generadores eléctricos con el propósito de obtener las características deseadas en la salida H02P 9/00). › Control automático; Regulación.
- G05B13/04 FISICA. › G05 CONTROL; REGULACION. › G05B SISTEMAS DE CONTROL O DE REGULACION EN GENERAL; ELEMENTOS FUNCIONALES DE TALES SISTEMAS; DISPOSITIVOS DE MONITORIZACION O ENSAYOS DE TALES SISTEMAS O ELEMENTOS (dispositivos de maniobra por presión de fluido o sistemas que funcionan por medio de fluidos en general F15B; dispositivos obturadores en sí F16K; caracterizados por particularidades mecánicas solamente G05G; elementos sensibles, ver las subclases apropiadas, p. ej. G12B, las subclases de G01, H01; elementos de corrección, ver las subclases apropiadas, p. ej. H02K). › G05B 13/00 Sistemas de control adaptativos, es decir, sistemas que se regulan a sí mismos para obtener un rendimiento óptimo siguiendo un criterio predeterminado (G05B 19/00 tiene prioridad; aprendizaje automático G06N 20/00). › que implican el uso de modelos o de simuladores.
- G05B17/02 G05B […] › G05B 17/00 Sistemas que implican el uso de modelos o de simuladores de dichos sistemas (G05B 13/00, G05B 15/00, G05B 19/00 tienen prioridad; computadores analógicos para procedimientos, sistemas o dispositivos específicos, p. ej. simuladores, G06G 7/48). › eléctricos.
- G05B23/02 G05B […] › G05B 23/00 Ensayo o monitorización de sistemas de control o de sus elementos (monitorización de sistemas de control por programa G05B 19/048, G05B 19/406). › Ensayo o monitorización eléctrico.
Fragmento de la descripción:
Sistema para la estimación en lazo cerrado de modelos lineales entrada salida de un aerogenerador.
Sector de la técnica
La presente invención está relacionada con el control funcional de los aerogeneradores, proponiendo un sistema que permite determinar el comportamiento de un aerogenerador en las circunstancias variables que se darán en su funcionamiento de aplicación.
Estado de la técnica
La identificación de sistemas dinámicos que operan en lazo abierto, esto es, sin control, es una metodología muy conocida y utilizada en muchos ámbitos relacionados con el control automático. El objetivo de las técnicas existentes de identificación es la obtención de un modelo lineal que represente el comportamiento dinámico del sistema por las razones siguientes.
Un modelo lineal es un modelo que se representa mediante la siguiente función matemática:
Un modelo no lineal es todo aquel que no puede describirse mediante la ecuación anterior, como por ejemplo:
Una vez que el modelo lineal está disponible, se usa para la obtención de controladores que gobiernen el comportamiento del sistema de la manera deseada.
El sistema de identificación en lazo abierto es una tecnología muy utilizada para obtener modelos lineales a partir de datos experimentales para sistemas simples y complejos.
Las técnicas de identificación en lazo abierto son bien conocidas y ampliamente utilizadas. Estos modelos han sido utilizados satisfactoriamente para el diseño de controladores en múltiples aplicaciones durante muchos años.
El fundamento de la identificación en lazo abierto reside en tener acceso a la fuente de energía que alimenta al sistema y de la cual depende su funcionamiento.
Introduciendo una señal suficientemente excitante, se recogen los datos de entrada y salida del sistema. Tras tratarlos adecuadamente, se utilizan algoritmos de identificación paramétrica o no paramétrica para obtener modelos lineales que deberán ser validados antes de su uso en el diseño del controlador.
Sin embargo, esta técnica tiene dos inconvenientes. En primer lugar, puede ser peligroso realizar esa identificación en lazo abierto cuando el sistema a identificar es inestable, tiene un integrador o una importante variación en el punto de operación. En segundo lugar es muy arriesgado su uso en aquellas aplicaciones en las que la fuente de energía no puede ser manipulada por el usuario.
En el caso presente de los aerogeneradores se dan ambos supuestos.
Es peligroso operar con un aerogenerador en lazo abierto por razones de seguridad y de integridad del sistema. Son frecuentes grandes oscilaciones del punto de operación debido a las variaciones del viento.
Por otro lado el gran problema para la implementación de un experimento de lazo abierto es que la fuente de energía que gobierna el aerogenerador, el viento, no puede ser manipulada. Por estas razones, las técnicas de identificación de sistemas en lazo abierto no pueden aplicarse al campo de los aerogeneradores.
Un aerogenerador es un mecanismo muy complejo, que incluye un gran número de elementos mecánicos, actuadores, elementos aerodinámicos, etc. Además, un aerogenerador es un mecanismo sumamente complejo de analizar de forma independiente, lo que hace tremendamente difícil conseguir ajustar de forma correcta toda la cantidad de parámetros que junto con las ecuaciones de la dinámica, describen el comportamiento del aerogenerador.
Son conocidos los desarrollos teóricos en el ámbito de la identificación en lazo cerrado de L. Ljung, ID. Landau, P. M. J. van den Hof, R. J. P. Schrama, U. Forssell y A. A. Voda. Estos trabajos se enmarcan en diferentes metodologías de estimación y son trabajos teóricos, con variables abstractas y no relacionadas con el control de aerogeneradores. Estos trabajos además hacen referencia a la identificación de sistemas gobernados por controladores lineales constantes.
La problemática propia de los Aerogeneradores para la identificación no es trivial porque la fuente de energía, el viento, y condiciones experimentales no pueden ser controladas.
Es también conocido el trabajo de Van Baargs G. y Bongers P., en el que se realiza una propuesta de identificación mediante control en lazo cerrado consistente en tres fases. La primera fase es la estimación del comportamiento dinámico entre la señal externa de excitación y el par demandado al generador. La segunda fase consiste en la creación de una variable instrumental (ficticia) mediante el filtrado de la señal de excitación a través del modelo estimado del comportamiento dinámico entre la señal de excitación y el par demandado al generador. La tercera fase consiste en la estimación del comportamiento dinámico entre la variable instrumental y la velocidad del generador, como representación del comportamiento dinámico entre el par demandado y la velocidad del generador. También son conocidos otros trabajos, de Verhagen y Wingerden, basados en la identificación de subespacios para modelos lineales variantes en el tiempo.
Estas técnicas no dan como resultado una aproximación al comportamiento del aerogenerador lo suficientemente eficiente en el diseño de controladores.
Objeto de la invención
De acuerdo con la invención se propone un sistema de identificación de los aerogeneradores en lazo cerrado, mediante el cual se logra la obtención de modelos lineales que representan de forma precisa el comportamiento dinámico del aerogenerador de aplicación en un única fase, pudiendo utilizarse dichos modelos para diversos fines, como diseño de controladores, utilización como parte de un algoritmo de control, identificación de parámetros, análisis de componentes, etc.
El sistema se basa en el desarrollo de un proceso que se lleva a cabo a través de un software, mediante el cual se efectúan una serie de pasos, obteniendo y almacenándose datos, los cuales son posteriormente analizados y tratados con el fin de obtener modelos lineales de entrada y salida que puedan ser posteriormente utilizados para cualquiera de las funciones indicadas anteriormente.
Un aerogenerador consta de multitud de lazos de control, y la metodología propuesta es aplicable a todos ellos. Muchos de ellos vienen definidos por los emparejamientos de entradas y salidas.
Los dos principales lazos de control desde el punto de vista de funcionamiento global del aerogenerador son dos, uno denominado lazo de par y el otro lazo de pitch.
El nombre viene de la acción de control, variación del par del generador ó ángulo de pitch, que se aplica para controlar el comportamiento del aerogenerador, esto es, la salida, que puede ser por ejemplo, la velocidad del generador, la potencia eléctrica, etc.
Cada uno de estos lazos de control será utilizado en función de las condiciones de viento en la que esté operando el aerogenerador real durante la experimentación.
El lazo de par será utilizado en condiciones de poco viento y el lazo de pitch en condiciones de mucho viento.
A continuación se definen algunos conceptos para entender el conjunto de la invención.
La Variable de Entrada es la señal que se introduce en el aerogenerador para gobernar su comportamiento en la forma deseada.
La Señal de Referencia es la señal que se quiere obtener del aerogenerador. Debe compararse con la señal obtenida en el aerogenerador y su diferencia es la que entra al controlador que generará la variable de entrada adecuada para conseguir el comportamiento deseado del sistema.
La Variable de Salida es la señal que sale del aerogenerador, y para la que se desea un comportamiento descrito en la referencia.
...
Reivindicaciones:
1. Sistema para la estimación en lazo cerrado de modelos lineales entrada salida de un aerogenerador, caracterizado porque una señal de referencia (5) se introduce junto a una señal de excitación (7) conocida, tanto en un aerogenerador real (1) como en un modelo estimado de aerogenerador (1b) que están controlados en lazo cerrado por un mismo controlador (2), lineal o no lineal, alimentado con la salida (6) del aerogenerador (1) y la salida (6b) del modelo estimado (1b) así como otras variables medidas (9) del aerogenerador (1) utilizadas para el control tanto del aerogenerador (1) como del modelo estimado (1b), donde las señales de salida del aerogenerador (1) y del modelo estimado (1b) son comparadas en un comparador (3) y de cuya comparación se obtienen unos valores (8) que analizados a través de un algoritmo de adaptación paramétrica (4) devuelve, en un número de veces igual a la cantidad de valores de la señal de excitación y salidas medidas en el experimento, los valores definitivos que configuran el modelo estimado de aerogenerador (1b).
2. Sistema para la estimación en lazo cerrado de modelos lineales entrada salida de un aerogenerador, de acuerdo con la primera reivindicación caracterizado porque la variable de entrada al aerogenerador (1) puede ser cualquiera de las siguientes:
- Velocidad del viento, a cualquier altura desde el suelo o a cualquier distancia del aerogenerador, y en cualquier punto de las palas, ya sean medidas o inferidas, par del generador, real o demandado, par en el entrehierro del generador, potencia del generador, real o demandada, potencia activa, real o demandada, potencia reactiva, real o demandada, corrientes y tensiones de cada una de las líneas del sistema trifásico, reales o demandadas, tensiones y corrientes d y q, reales o demandadas, del sistema de control del generador, ángulo de pitch, real o demandado, velocidad de pitch, real o demandada, aceleración de pitch, real o demandada, potencias, tensiones y corrientes, reales o demandadas del motor de pitch, presiones, flujos, posiciones, velocidades y aceleraciones del actuador de Pitch, ángulo de yaw, real o demandado, velocidad de yaw, real o demandada, aceleración de yaw, real o demandada, potencias, tensiones y corrientes, reales o demandadas del motor de yaw, presiones, flujos, posiciones, velocidades y aceleraciones del actuador de yaw, variación en geometría de la sección de la pala y de la longitud de la pala, posición, velocidad, aceleración de elementos o partes de elementos, utilizadas para el control aerodinámico, móviles en las palas del aerogenerador, así como tensiones, corrientes, presiones, flujos, etc., de los actuadores que modifican las propiedades geométricas de las palas.
3. Sistema para la estimación en lazo cerrado de modelos lineales entrada salida de un aerogenerador, de acuerdo con la primera reivindicación caracterizado porque la señal de referencia (5) y la señal de salida (6) pueden ser cualquiera de las siguientes:
- Velocidad del generador, velocidad del rotor en el lado de alta, velocidad del rotor en lado de baja, potencia activa real y demandada al generador, potencia reactiva real y demandada al generador, corrientes y tensiones reales y demandadas de cada una de las líneas del sistema trifásico, tensiones y corrientes reales y demandadas d y q del sistema de control del generador, deformaciones, posiciones, velocidades, aceleraciones, lineales y angulares, fuerzas y momentos en el buje, a lo largo del tren de potencia, a lo largo de cada una de las palas, a lo largo de la torre, a lo largo de la nacelle, etc. velocidad del viento, a cualquier altura desde el suelo o a cualquier distancia del aerogenerador, y en cualquier punto de las palas, ya sean medidas o inferidas, par del generador, real o demandado, par en el entrehierro del generador, potencia del generador, real o demandada, potencia activa, real o demandada, potencia reactiva, real o demandada, corrientes y tensiones de cada una de las líneas del sistema trifásico, reales o demandadas, tensiones y corrientes d y q, reales o demandadas, del sistema de control del generador, ángulo de pitch, real o demandado, velocidad de pitch, real o demandada, aceleración de pitch, real o demandada, potencias, tensiones y corrientes, reales o demandadas del motor de pitch, presiones, flujos, posiciones, velocidades y aceleraciones del actuador de Pitch, ángulo de yaw, real o demandado, velocidad de yaw, real o demandada, aceleración de yaw, real o demandada, potencias, tensiones y corrientes, reales o demandadas del motor de yaw, presiones, flujos, posiciones, velocidades y aceleraciones del actuador de Yaw, variación en geometría de la sección de la pala y de la longitud de la pala, posición, velocidad, aceleración de elementos o partes de elementos, utilizadas para el control aerodinámico, móviles en las palas del aerogenerador, así como tensiones, corrientes, presiones, flujos, etc., de los actuadores que modifican las propiedades geométricas de las palas.
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