Dispositivo (140, 240) para controlar la velocidad de giro de un rotor (110) de una turbina (100) eólica para alimentar energía eléctrica a una red (190,

290) eléctrica, comprendiendo el dispositivo (140, 240)

* un primer nodo (241) de entrada para recibir una primera señal que es indicativa de una velocidad de giro real del rotor (110),

* un segundo nodo (242) de entrada para recibir una segunda señal que es indicativa de una velocidad de giro de referencia para el rotor (110),

* una unidad (245) de detección para detectar una situación de funcionamiento defectuoso en la que la turbina (100) eólica no puede exportar energía eléctrica a la red (190, 290) eléctrica,

* una unidad (250) de control para proporcionar una señal de referencia de un parámetro de funcionamiento característico de la turbina (100) eólica basándose en la primera señal y basándose en la segunda señal, siendo el parámetro de funcionamiento característico indicativo de la velocidad de giro del rotor (110), comprendiendo la unidad (250) de control un elemento (254) de control proporcional y un elemento (256) de control integral, y

* un generador (260) de impulsos, que se conecta a la unidad (245) de detección y al elemento (256) de control integral y que está adaptado para enviar un impulso (260a) de activación al elemento (256) de control integral en respuesta a la detección del estado de funcionamiento defectuoso

Control de la velocidad de giro de una turbina eólica que no puede exportar energía eléctrica a una red eléctrica

Campo de la invención

La presente invención se refiere al campo de las turbinas eólicas para generar energía eléctrica. En particular, la presente invención se refiere a un dispositivo y a un método para controlar la velocidad de giro de un rotor de una turbina eólica en una situación de funcionamiento, en la que la turbina eólica no puede exportar energía eléctrica a una red eléctrica que está conectada a la turbina eólica. Además, la presente invención se refiere a una turbina eólica que comprende el dispositivo de control de velocidad de giro mencionado anteriormente y a un programa informático para controlar el método de control de velocidad de giro mencionado anteriormente.

Antecedentes de la técnica

La energía eólica se reconoce cada vez más como una opción viable para complementar e incluso reemplazar otros tipos de fuentes de energía tales como, por ejemplo, combustibles fósiles. Sin embargo, el control del funcionamiento de una turbina eólica es con frecuencia muy sensible ya que una turbina eólica se ve expuesta normalmente a condiciones ambientales en constante cambio que pueden provocar cargas mecánicas extremas, por ejemplo, para el rotor y para el mástil de la turbina eólica.

Además, el funcionamiento de una turbina eólica depende en gran medida de la disponibilidad y la capacidad de absorción de energía eléctrica de la red eléctrica a la que se conecta la turbina eólica. Específicamente, cuando se produce un fallo en la red eléctrica cerca de una turbina eólica, la tensión de la red eléctrica será normalmente muy baja. Esto hace imposible que el generador de la turbina eólica exporte la energía eléctrica producida a la red eléctrica. El resultado es un aumento de la velocidad de giro del rotor de la turbina eólica con el riesgo de una peligrosa situación de exceso de velocidad.

Con el fin de evitar una situación de exceso de velocidad, se conoce controlar la velocidad de giro de un controlador de velocidad de la turbina eólica, por ejemplo, ajustando el ángulo de paso de las palas del rotor en una posición angular que es diferente del ángulo de paso de pala óptimo cuando la turbina eólica funciona en un estado de funcionamiento libre de error. Por tanto, es esencial que el controlador de velocidad pueda reaccionar rápidamente ante el fallo de la red eléctrica. Además, puede ser necesaria una parada de emergencia del funcionamiento de la turbina eólica debido al hecho de que, sin tensión en la red eléctrica, un sistema de control de ángulo de paso de pala sólo puede hacerse funcionar en el modo de emergencia, en el que cambia el ángulo de paso de pala a una velocidad constante. Sin embargo, el cambio de paso a una velocidad constante provoca grandes cargas en la torre y el sistema de orientación de la turbina eólica.

El documento EP 1 651 865 B1 describe un método para regular el paso de las palas de una turbina eólica al detectar un mal funcionamiento de la red eléctrica. Por tanto, el paso se regula continuamente o en etapas con el fin de reducir la producción de energía de la turbina eólica y proteger así frente a un sobrecalentamiento los componentes de la turbina eólica.

El documento EP 1 819 023 A2 resuelve el problema del sobrecalentamiento de los componentes de una turbina eólica en caso de un mal funcionamiento de la red eléctrica conmutando la salida de energía desde la turbina a una resistencia de descarga en cuanto se haya rectificado el mal funcionamiento o hasta que se haya detenido la turbina eólica de una manera controlada.

Otros sistemas de control de la técnica anterior se describen, por ejemplo, en los documentos EP 1 903 213 A2 y US

4.193.005.

Puede haber una necesidad de proporcionar un control para la velocidad de giro de una turbina eólica que no puede exportar energía eléctrica a una red eléctrica, en la que el control cambia un parámetro de funcionamiento característico que es indicativo de la velocidad de giro del rotor de tal manera que pueden reducirse las cargas mecánicas en la torre y el sistema de orientación de la turbina eólica.

Sumario de la invención

Esta necesidad puede satisfacerse mediante el contenido según las reivindicaciones independientes. Realizaciones ventajosas de la presente invención se describen mediante las reivindicaciones dependientes.

Según un primer aspecto de la invención se proporciona un dispositivo para controlar la velocidad de giro de un rotor de una turbina eólica para alimentar energía eléctrica a una red eléctrica. El dispositivo de control de velocidad de giro proporcionado comprende (a) un primer nodo de entrada para recibir una primera señal que es indicativa de una velocidad de giro real del rotor, (b) un segundo nodo de entrada para recibir una segunda señal que es indicativa de una velocidad de giro de referencia para el rotor, (c) una unidad de detección para detectar una situación de funcionamiento defectuoso en la que la turbina eólica no puede exportar energía eléctrica a la red eléctrica, (d) una unidad de control para proporcionar una señal de referencia de un parámetro de funcionamiento característico de la turbina eólica basándose en la primera señal y basándose en la segunda señal, siendo el parámetro de funcionamiento característico indicativo de la velocidad de giro del rotor, en el que la unidad de control comprende un elemento de control proporcional y un elemento de control integral, y (e) un generador de impulsos, que se conecta a la unidad de detección y al elemento de control integral y que está adaptado para enviar un impulso de activación al elemento de control integral en respuesta a la detección del estado de funcionamiento defectuoso.

El dispositivo de control de velocidad de giro descrito se basa en la idea de que enviando un impulso de activación al elemento de control integral de la unidad de control, que representa un controlador proporcional más integral (controlador PI) , se aumentará la tasa de cambio en el tiempo de la señal de referencia. Esto puede significar que la magnitud del cambio de la señal de referencia en respuesta a la detección del estado de funcionamiento defectuoso será mucho mayor comparado con los controladores de velocidad conocidos que no tienen generador de impulsos que conecta una unidad de detección de red eléctrica con el elemento de control integral de un elemento de control.

Según los principios básicos de ingeniería de control automático, cambiando en gran medida la señal de referencia, se reducirá significativamente el tiempo de respuesta para adaptar o respectivamente cambiar el parámetro de funcionamiento característico de la turbina eólica. Esto significa que el dispositivo de control de velocidad de giro hará que la turbina eólica responda rápidamente a la detección del estado de funcionamiento defectuoso adaptando la señal de referencia del parámetro de funcionamiento característico de tal manera que la velocidad de giro del rotor por consiguiente se adaptará de manera correspondiente. Por tanto, pueden evitarse de manera eficaz daños a la turbina eólica en particular en conexión con una situación de exceso de velocidad.

El impulso de activación descrito puede aplicarse al elemento de control integral inmediatamente después de que se haya detectado el estado de funcionamiento defectuoso. Esto garantiza una respuesta rápida del dispositivo de control de velocidad de giro a la detección del estado de funcionamiento defectuoso.

El estado de funcionamiento defectuoso puede asociarse con al menos un componente de la turbina eólica y/o puede asociarse con la condición de la red eléctrica. Por ejemplo, la frecuencia de la energía eléctrica que está proporcionándose por el viento puede estar desfasada con respecto a la frecuencia de la red eléctrica. Un desfase de este tipo puede estar provocado, por ejemplo, por una desconexión del convertidor de frecuencia de la turbina eólica. Sin embargo, también otros fallos, que se producen en otro hardware de la turbina eólica, pueden hacer que repentinamente sea imposible que la turbina eólica exporte su energía eléctrica a la red eléctrica.

El dispositivo de control de velocidad de giro descrito puede realizarse por medio de un programa informático o respectivamente por medio de software. Sin embargo, el dispositivo de control de velocidad de giro también puede realizarse por medio de uno o más circuitos electrónicos... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo (140, 240) para controlar la velocidad de giro de un rotor (110) de una turbina (100) eólica para alimentar energía eléctrica a una red (190, 290) eléctrica, comprendiendo el dispositivo (140, 240)

• un primer nodo (241) de entrada para recibir una primera señal que es indicativa de una velocidad de giro real del rotor (110) ,

• un segundo nodo (242) de entrada para recibir una segunda señal que es indicativa de una velocidad de giro de referencia para el rotor (110) ,

• una unidad (245) de detección para detectar una situación de funcionamiento defectuoso en la que la turbina (100) eólica no puede exportar energía eléctrica a la red (190, 290) eléctrica,

• una unidad (250) de control para proporcionar una señal de referencia de un parámetro de funcionamiento característico de la turbina (100) eólica basándose en la primera señal y basándose en la segunda señal, siendo el parámetro de funcionamiento característico indicativo de la velocidad de giro del rotor (110) , comprendiendo la unidad (250) de control un elemento (254) de control proporcional y un elemento (256) de control integral, y

• un generador (260) de impulsos, que se conecta a la unidad (245) de detección y al elemento (256) de control integral y que está adaptado para enviar un impulso (260a) de activación al elemento (256) de control integral en respuesta a la detección del estado de funcionamiento defectuoso.

2. Dispositivo según la reivindicación anterior, que comprende además • un tercer nodo (243) de entrada para conectar el dispositivo (140, 240) a la red (190, 290) eléctrica, en el que la unidad (245) de detección se conecta al tercer nodo (243) de entrada, y en el que la unidad (245) de detección está adaptada para detectar un fallo eléctrico en la red (190, 290)

eléctrica.

3. Dispositivo según la reivindicación anterior, en el que la unidad (245) de detección comprende un detector (246) de tensión.

4. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el parámetro de funcionamiento característico de la turbina (100) eólica es un ángulo de paso de pala de al menos una pala (114) del rotor (110) .

5. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el generador (260) de impulsos está adaptado para enviar un impulso (260b) de activación inverso al elemento (256) de control integral.

6. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además

• una unidad (270) de temporizador, que se conecta a la unidad (245) de detección y que está adaptada para proporcionar una señal de orden de parada a otros componentes (272, 280) del dispositivo (140, 240) .

7. Dispositivo según la reivindicación anterior, en el que la velocidad de giro de referencia del rotor (110) es

- una velocidad de giro independiente del tiempo que tiene un valor nominal predefinido (SpeedNom) ,

- una velocidad de giro independiente del tiempo que tiene un valor de cero (SpeedZero) o

- una velocidad de giro dependiente del tiempo que tiene una dependencia de tiempo predefinida, que se inicia en respuesta a la señal de orden de parada.

8. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que

- la unidad (250) de control comprende una unidad (252) de sustracción para obtener un error de velocidad de giro sustrayendo la primera señal que es indicativa de la velocidad de giro real de la segunda señal que es indicativa de la velocidad de giro de referencia, y

- el error de velocidad de giro se proporciona al elemento (254) de control proporcional y al elemento (256) de control integral.

9. Turbina eólica para generar energía eléctrica, comprendiendo la turbina (100) eólica • un rotor (110) que tiene al menos una pala (114) , en la que

- el rotor (110) puede girar alrededor de un eje (110a) de giro, y

- la al menos una pala (114) se extiende radialmente con respecto al eje (110a) de giro,

• un generador (128) que se acopla mecánicamente al rotor (110) para generar energía eléctrica a partir de un movimiento rotacional del rotor (110) , y

• un dispositivo (140, 240) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores para controlar la velocidad de giro del rotor (110) .

10. Turbina eólica según la reivindicación anterior, que comprende además • un suministro (135) de energía ininterrumpido que se conecta al dispositivo (140, 240) para controlar la velocidad de giro del rotor (110) .

11. Método para controlar la velocidad de giro de un rotor (110) de una turbina (100) eólica para alimentar energía eléctrica a una red (190, 290) eléctrica, comprendiendo el método

• recibir una primera señal que es indicativa de una velocidad de giro real del rotor (110) ,

• recibir una segunda señal que es indicativa de una velocidad de giro de referencia para el rotor (110) ,

• detectar una situación de funcionamiento defectuoso en la que la turbina (100) eólica no puede exportar energía eléctrica a la red (190, 290) eléctrica,

• proporcionar una señal de referencia de un parámetro de funcionamiento característico de la turbina (100) eólica basándose en la primera señal y basándose en la segunda señal, en el que el parámetro de funcionamiento característico es indicativo de la velocidad de giro del rotor (110) ,

• enviar un impulso (260a) de activación desde un generador (260) de impulsos hasta un elemento (256) de control integral de una unidad (250) de control, e

• integrar el impulso (260a) de activación de manera que la señal de referencia del parámetro de funcionamiento característico de la turbina (100) eólica cambie en respuesta a la detección del estado de funcionamiento defectuoso, en el que el cambio de la señal de referencia hace que el rotor (110) cambie su velocidad de giro.

12. Programa informático para controlar la velocidad de giro de un rotor (110) de una turbina (100) eólica para alimentar energía eléctrica a una red (190, 290) eléctrica, estando adaptado el programa informático, cuando se ejecuta por un dispositivo (140, 240) de control, para controlar el método según la reivindicación anterior.