Procedimiento y sistema para la regulación de la velocidad de giro de un rotor de una instalación de energía eólica.

Procedimiento para la regulación de la velocidad de giro (52) de un rotor (11,

11') de una instalación de energía eólica (10) con un generador (12) y al menos un álabe de rotor (15, 15'), estando previsto un ángulo de álabe (54) del álabe del rotor (15, 15') como primera magnitud de ajuste y el par de giro (51) del generador (12) como segunda magnitud de ajuste, incluyendo las siguientes etapas del procedimiento:

- facilitar un primer valor teórico de la velocidad de giro (28) como valor de entrada para un dispositivo de regulación o control del ángulo de álabe (32) y

- facilitar un segundo valor teórico de la velocidad de giro (29) como valor de entrada para un dispositivo de regulación o control del par de giro (33), siendo el primer y el segundo valor teórico de la velocidad de giro (28, 29) diferentes uno del otro en un intervalo de transición entre carga parcial y plena carga de la instalación de energía eólica.

Procedimiento y sistema para la regulación de la velocidad de giro de un rotor de una instalación de energía eólica La invención se refiere a un procedimiento y a un sistema para la regulación de la velocidad de giro de un rotor de una instalación de energía eólica, comprendiendo la instalación de energía eólica un generador y un álabe de rotor.

Una instalación de energía eólica transforma energía eólica en energía eléctrica y, en la mayoría de los casos, la alimenta a la red pública de suministro eléctrico. Esto se lleva a cabo al transformar el rotor la energía cinética del viento en un movimiento de giro, que se transmite a un generador y allí se transforma en corriente eléctrica.

Para la regulación de la velocidad de giro de un rotor de una instalación de energía eólica de velocidad de giro variable se ha optado por diferentes enfoques. En este caso normalmente se diferencia entre dos estados operativos, a saber, la regulación de la velocidad de giro en el funcionamiento de carga parcial y en el funcionamiento a plena carga, teniendo lugar normalmente en el funcionamiento a carga parcial una denominada 'regulación del par' y, en el funcionamiento a plena carga, una denominada 'regulación del grado de inclinación' (pitch) . Por ‘regulación del par' se entiende una regulación de la velocidad de giro en la que, para alcanzar un alto rendimiento de la instalación de energía eólica, se ajusta la velocidad de giro de la instalación en el funcionamiento a carga parcial a la relación óptima entre velocidad periférica del rotor y velocidad del viento. El rendimiento se describe bien mediante el término ‘índice de rendimiento cp', que es un cociente formado por la captación de potencia de la instalación y la potencia contenida en el movimiento del aire. La relación de la velocidad periférica respecto a la velocidad del viento sin perturbaciones se denomina ‘relación velocidad periférica - velocidad del viento'. En este caso, los álabes del rotor están ajustados al ángulo de álabe que genera el máximo par de accionamiento en el árbol del rotor. La velocidad de giro se ve influenciada por el par contrapuesto en el generador.

Es decir, la magnitud de ajuste para la regulación de la velocidad de giro mediante la denominada ‘regulación del par' es el par de giro y, en especial, el par de giro en el generador, que es mayor cuanto más potencia extraiga el generador del sistema o de la instalación de energía eólica y se alimente a una red.

La regulación de la velocidad de giro denominada ‘regulación del grado de inclinación', que actúa en el funcionamiento a plena carga de la instalación de energía eólica, funciona mediante el ajuste del ángulo de álabe del rotor. Si, en el caso de velocidad eólica nominal, se alcanza el par nominal en el generador (carga nominal) , la velocidad de giro ya no puede mantenerse más en el punto de trabajo mediante un incremento adicional del par del generador. Por tanto, se empeora el rendimiento aerodinámico de los álabes al desplegarlos fuera de su ángulo de ajuste óptimo. Este proceso se denomina ‘inclinar o pitch', del término inglés ‘pitch'. Por tanto, la velocidad de giro se ve afectada, a partir de que se alcanza el par nominal del generador, por el ángulo de ajuste de los álabes. Las ráfagas se controlan, mediante el incremento a corto plazo de la velocidad de giro del rotor y el ajuste del ángulo de incidencia, mejor que en otras instalaciones que no conocen una regulación del grado de inclinación de este tipo. Por tanto, la captación de potencia del rotor se ve afectada por la magnitud de ajuste del ángulo de álabe del álabe del rotor, mediante la cual puede regularse la velocidad de giro del rotor.

Existe una pluralidad de patentes y artículos especializados relacionados con la regulación de instalaciones de energía eólica de velocidad de giro variable mediante el ajuste de los álabes (regulación del grado de inclinación) así como mediante la influencia en el par del generador (regulación de la potencia o el par) . En todos los procedimientos conocidos se regula en último término la velocidad de giro de la instalación de energía eólica. En el intervalo a carga 45 parcial se intenta revisar la velocidad de giro en correspondencia con la velocidad del viento para así mantener el rotor, con un ángulo de álabe constante, en el punto de funcionamiento energéticamente óptimo. En el intervalo de plena carga se intenta mantener constante la velocidad de giro y el par de giro. En este caso, la velocidad de giro se regula mediante la variación del ángulo de álabe.

50 Del documento US4695736A se conoce la regulación de una instalación de energía eólica de velocidad de giro variable. En este documento se indica que, a partir de la potencia medida, se determina, mediante una curva característica, un valor teórico de la velocidad de giro, que se revisa en el intervalo de carga parcial mediante la variación del par del generador. Al alcanzar el par de giro nominal, se activa el regulador del grado de inclinación, que intenta entonces regular la velocidad de giro a un valor fijo.

55 Del documento US5155375A se conoce un estimador eólico que determina la velocidad actual del viento a partir del valor teórico del par de giro, el valor de medición del ángulo de álabe y el valor de medición de la velocidad de giro del rotor. A partir de ello se determinan, además del valor teórico para la velocidad de giro, valores de control anticipatorios para el ángulo de álabe así como para el par del generador. La velocidad de giro se revisa entonces a lo largo de un álabe.

En el documento US6137178A se ajusta el par de giro del generador mediante una curva característica fija de potencia y velocidad de giro realizada como tabla de consulta. Un regulador del grado de inclinación y un regulador 5 del par de giro operan de forma independiente uno del otro y regulan a una velocidad de giro nominal fija.

Ciertamente, los procedimientos y sistemas de regulación descritos en el estado de la técnica ya optimizan parcialmente el rendimiento energético con reducidas velocidades del viento. Sin embargo, no se trata la transición entre el funcionamiento a carga parcial y el funcionamiento a plena carga o se hace de forma insuficiente. Por tanto, en especial al configurar la transición entre el funcionamiento a carga parcial y el funcionamiento a plena carga puede conseguirse un rendimiento energético aún mayor y pueden reducirse las cargas operativas.

En el sistema para el funcionamiento a velocidad variable según el documento US6137187A, que corresponde al documento EP1007844B1 y que da a conocer un generador asíncrono para la generación de potencia, una unidad 15 de control del par de giro para el control del par de giro del generador utilizando una regulación orientada al campo y una unidad de control del ángulo de incidencia para la regulación del ángulo de incidencia que se basa en la velocidad del rotor del generador y opera de forma independiente de la unidad de control del par de giro, las curvas características de velocidad de giro - potencia se diseñan de modo que la velocidad de giro en el intervalo de carga parcial siempre es menor que la velocidad de giro nominal para evitar que el regulador del grado de inclinación actúe de forma prematura y reduzca la potencia de la instalación. Con ello se producen en parte considerables mermas del rendimiento.

Además, en el documento WO-A-99/07996 se da a conocer un generador para una turbina eólica operada con diferentes velocidades. En este caso, la turbina eólica presenta un generador de doble alimentación ("doubly fed 25 generador") , basándose la velocidad del rotor del generador en la aplicación de un control del par de giro y una regulación del ángulo de álabe. En este caso, está previsto un sistema para un funcionamiento de velocidad variable, estando previsto un generador de inducción con rotor bobinado para generar potencia. Además, está prevista una unidad de control del par de giro para controlar el par de giro del generador utilizando una regulación orientada al campo así como una unidad de control del ángulo de álabe para la regulación del ángulo de álabe que se basa en la velocidad del rotor del generador y opera de forma independiente del control del par de giro.

El objetivo de la presente invención es perfeccionar un procedimiento y un sistema para la regulación de la velocidad de giro de un rotor de una instalación de energía eólica con un generador y un álabe de rotor de modo que sea posible un mayor rendimiento... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la regulación de la velocidad de giro (52) de un rotor (11, 11') de una instalación de energía eólica (10) con un generador (12) y al menos un álabe de rotor (15, 15') , estando previsto un ángulo de álabe (54) del álabe del rotor (15, 15') como primera magnitud de ajuste y el par de giro (51) del generador (12) como segunda magnitud de ajuste, incluyendo las siguientes etapas del procedimiento:

- facilitar un primer valor teórico de la velocidad de giro (28) como valor de entrada para un dispositivo de regulación

o control del ángulo de álabe (32) y 10

- facilitar un segundo valor teórico de la velocidad de giro (29) como valor de entrada para un dispositivo de regulación o control del par de giro (33) , siendo el primer y el segundo valor teórico de la velocidad de giro (28, 29) diferentes uno del otro en un intervalo de transición entre carga parcial y plena carga de la instalación de energía eólica.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque está previsto un tercer valor teórico de la velocidad de giro (27) , determinándose el primer y el segundo valor teórico de la velocidad de giro (28, 29) a partir del tercer valor teórico de la velocidad de giro (27) .

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque el tercer valor teórico de la velocidad de giro (27) se determina a partir de un valor real del par de giro (20) .

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el primer valor teórico de la velocidad de giro (28) se determina a partir de una diferencia (30) entre un valor teórico de la velocidad de giro 25 (21) y un valor real de la velocidad de giro (20) que constituye una diferencia del par de giro (30) .

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque la diferencia del par de giro (30) contribuye como término lineal en la determinación del primer valor teórico de la velocidad de giro (28) .

30 6. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el segundo valor teórico de la velocidad de giro (29) se determina a partir del valor teórico del ángulo de álabe (34) y / o una diferencia

(31) entre un valor teórico del ángulo de álabe (34) y un valor real del ángulo de álabe (38) que constituye una diferencia del ángulo de álabe (31) .

35 7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque la diferencia del ángulo de álabe (31) contribuye como término lineal en la determinación del segundo valor teórico de la velocidad de giro (29) .

8. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 3 a 7, caracterizado porque el tercer valor teórico de la velocidad de giro (27) se revisa en correspondencia con el valor real del par de giro (20) , en especial, 40 con un retardo temporal, particularmente, con un retardo temporal predeterminable.

9. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 4 a 8, caracterizado porque la determinación del primer valor teórico de la velocidad de giro (28) comprende una suma del tercer valor teórico de la velocidad de giro (27) y la función k1 x la diferencia del par de giro x θ (diferencia del par de giro) , siendo θ la función Heaviside.

10. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 4 a 9, caracterizado porque la determinación del segundo valor teórico de la velocidad de giro (29) comprende una resta de la función k2 x la diferencia del ángulo de álabe x θ (diferencia del ángulo de álabe) al tercer valor teórico de la velocidad de giro (27) , siendo θ la función Heaviside.

11. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la velocidad de giro del rotor se reduce rápidamente cuando se supera una diferencia, en especial, predeterminable, de un valor real de la velocidad de giro respecto del primer, el segundo y / o el tercer valor teórico de la velocidad de giro, y / o cuando se supera un valor, en especial, predeterminable, de la diferencia del par de giro.

12. Sistema para la regulación de la velocidad de giro (52) de un rotor (11, 11') de una instalación de energía eólica (10) con un generador (12) y un álabe de rotor (15, 15') , que comprende un dispositivo de regulación o control del ángulo de álabe (32) y un dispositivo de regulación o control del par de giro (33) así como un primer dispositivo (26) para determinar un primer valor teórico de la velocidad de giro (28) que constituye un primer dispositivo de determinación del valor teórico de la velocidad de giro (29) y un segundo dispositivo (26) para la determinación de un segundo valor teórico de la velocidad de giro (29) que constituye un segundo dispositivo de determinación del valor teórico de la velocidad de giro (26) , pudiendo proporcionarse el primer valor teórico de la velocidad de giro (28) al dispositivo de regulación o control del ángulo de álabe (32) , y pudiendo proporcionarse el segundo valor teórico de la velocidad de giro (29) al dispositivo de regulación o control del par de giro (33) , siendo el primer y el segundo valor teórico de la velocidad de giro (28, 29) diferentes uno del otro en un intervalo de transición entre carga parcial y plena carga de la instalación de energía eólica.

13. Sistema según la reivindicación 12, caracterizado porque el primer dispositivo de determinación del valor teórico de la velocidad de giro (29) y el segundo dispositivo de determinación del valor teórico de la velocidad de giro (26) constituyen un único dispositivo (26) .

14. Sistema según la reivindicación 12 o 13, caracterizado porque está previsto un tercer dispositivo (25) para la determinación de un tercer valor teórico de la velocidad de giro (27) que constituye un tercer dispositivo de determinación del valor teórico de la velocidad de giro (25) , estando conectada una salida del tercer dispositivo de determinación del valor teórico de la velocidad de giro (25) con una entrada del primer y / o el segundo dispositivo de determinación del valor teórico de la velocidad de giro (26) .

15. Sistema según una de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizado porque está previsto un dispositivo (60) para determinar la diferencia entre un valor teórico del par de giro (21) y un valor real del par de giro (20) que constituye un dispositivo de determinación de la diferencia del par de giro (60) , estando conectada la salida del dispositivo de determinación de la diferencia del par de giro (60) , al menos de forma indirecta, con una entrada del primer dispositivo de determinación del valor teórico de la velocidad de giro (26) .

16. Sistema según una o varias de las reivindicaciones 12 a 15, caracterizado porque está previsto un dispositivo (39) para determinar la diferencia entre un valor teórico del ángulo de álabe (34) y un valor real del ángulo de álabe (38) que constituye un dispositivo de determinación de la diferencia del ángulo de álabe (39) , estando conectada la salida del dispositivo de determinación de la diferencia del ángulo de álabe (39) , al menos de forma indirecta, con una entrada del segundo dispositivo de determinación del valor teórico de la velocidad de giro (26) .

17. Sistema según una o varias de las reivindicaciones 12 a 16, caracterizado porque está previsto un dispositivo de determinación del par de giro (61) cuya salida está conectada, al menos de forma indirecta, con el tercer dispositivo de determinación del valor teórico de la velocidad de giro (25) .

18. Instalación de energía eólica con un sistema para la regulación de la velocidad de giro de un rotor según una o varias de las reivindicaciones 12 a 17.