Turbina eólica con sistema de control resonante.
Turbina eólica de velocidad variable conectada a una red de suministro que incluye un rotor,
que comprende al menos una pala, un tren de accionamiento conectado a dicho rotor, comprendiendo dicho tren de accionamiento una selección de al menos una caja de engranajes, y al menos un generador eléctrico, medios de medición que establecen al menos una señal de velocidad de rotación del tren de accionamiento, y al menos un controlador de potencia de turbina eólica conectado a dicho al menos un generador y dicha red de suministro, comprendiendo dicha turbina eólica además al menos un medio de control resonante que modifica un valor de referencia de potencia en respuesta a dicha al menos una señal de velocidad de rotación, estando dispuesto dicho medio de control resonante con una frecuencia de resonancia a la que tiene una ganancia relativamente alta, seleccionándose dicha frecuencia de resonancia de dicho medio de control resonante como una frecuencia de resonancia del tren de accionamiento.
Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/DK2008/000200.
Solicitante: VESTAS WIND SYSTEMS A/S.
Nacionalidad solicitante: Dinamarca.
Dirección: Hedeager 44 8200 Aarhus N DINAMARCA.
Inventor/es: BENDIXEN,Flemming,Buus , ANDERSEN,Gert Karmisholt, LARSEN,Kim Brondum.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- F03D7/02 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). › teniendo los motores de viento el eje de rotación dispuesto sustancialmente paralelo al flujo de aire que entra al rotor.
PDF original: ES-2378349_T3.pdf
Fragmento de la descripción:
Turbina eólica con sistema de control resonante.
Antecedentes de la invención
La invención se refiere a una turbina eólica de velocidad variable, un sistema de control resonante, un método de funcionamiento de una turbina eólica de velocidad variable, uso de un sistema de control resonante y uso de un método en una turbina eólica de velocidad variable.
Descripción de la técnica relacionada
Generalmente una turbina eólica convierte la energía del viento en energía eléctrica que se suministra a una red de suministro.
A medida que el viento que actúa sobre un rotor de turbina eólica produce par de rotación en el tren de accionamiento de la turbina eólica y, el rotor de la turbina eólica se ve afectado por situaciones de viento variable, por ejemplo debido a la cizalladura del viento, velocidades medias del viento alternantes, viento fluctuante, turbulencia, etc., la velocidad de rotación del tren de accionamiento y por tanto también del generador varía en consecuencia. Esto tiene a su vez una influencia en la calidad de la potencia producida por el generador de la turbina eólica. Además la velocidad de rotación variable puede producir un par mecánico variable en el tren de accionamiento que puede influir en la fatiga de los componentes mecánicos del tren de accionamiento.
La solicitud de patente estadounidense 2006/0066111 da a conocer un sistema de amortiguación de vibraciones en turbinas eólica que controla el par en el tren de accionamiento producido por un generador de turbina eólica, basándose en información relativa a la velocidad de rotación del generador.
Un problema relacionado con este sistema es que las frecuencias de la turbina eólica, que se desean amortiguar, se calculan basándose en transformadas de Fourier de una señal muestreada indicativa de la velocidad de rotación del generador. Un problema relacionado con este problema es que transformadas de Fourier y cálculos continuos tardan tiempo y consumen potencia computacional del controlador de la turbina eólica y debido al retardo de tiempo se debilita por tanto la precisión de la amortiguación.
El documento WO 90/07823 describe un controlador de turbina eólica para amortiguar oscilaciones debidas al balanceo de la torre y las palas al pasar por la torre, que actúa sobre el regulador de potencia basándose en la velocidad de la turbina.
Un objetivo de la presente invención es proporcionar un método ventajoso de amortiguación de las vibraciones de rotación variables en el tren de accionamiento de una turbina eólica sin las desventajas anteriormente mencionadas.
La invención
La invención proporciona una turbina eólica de velocidad variable conectada a la red de suministro que incluye
- un rotor, que comprende al menos una pala,
- un tren de accionamiento conectado a dicho rotor, comprendiendo dicho tren de accionamiento una selección de al menos una caja de engranajes, y al menos un generador eléctrico,
- medios de medición que establecen al menos una señal de velocidad de rotación del tren de accionamiento,
- al menos un controlador de potencia de turbina eólica conectado a dicho al menos un generador y dicha red de suministro.
Dicha turbina eólica comprende además al menos un medio de control resonante que modifica un valor de referencia de potencia en respuesta a dicha al menos una señal de velocidad de rotación. Modificar un valor de referencia de potencia en respuesta a al menos una señal de velocidad de rotación es ventajoso porque pueden amortiguarse oscilaciones en el sistema mecánico de la turbina eólica que influyen por ejemplo en la velocidad de rotación del generador de turbina eólica, garantizando además que las cargas en los componentes de la turbina eólica pueden minimizarse.
Al usar el medio de control resonante se garantiza que sólo pueden seleccionarse oscilaciones con frecuencias específicas garantizando que se controlan y amortiguan las oscilaciones a las frecuencias de resonancia del tren de accionamiento.
Dicho medio de control resonante tienen una ganancia relativamente alta a una frecuencia de resonancia del tren de accionamiento. De este modo se garantiza que incluso pequeñas respuestas o variaciones en dicha al menos una señal de velocidad de rotación a dicha una frecuencia de resonancia dan como resultado un alto valor de señal de realimentación y por tanto la modificación de dicho valor de referencia de potencia que a su vez da como resultado un control y/o amortiguación muy eficaz de dichas variaciones.
Al modificar un valor de referencia de potencia, se garantiza además incluso que el ancho de banda del sistema controlador de la turbina eólica sea independiente del ancho de banda del medio de control resonante y puede conseguirse una compensación de oscilaciones del tren de accionamiento más rápida y precisa por ejemplo debido a diferentes anchos de banda del lazo de control de potencia externo y el lazo de control de corriente/par interno.
En un aspecto de la invención, dicho medio de control resonante comprende uno o más controladores PID tal como uno o más controladores PID resonantes. Al usar controladores PID se garantiza que se usa una técnica de controlador muy conocida y fiable garantizando que se obtienen las características deseadas del medio de control resonante. Además al usar un controlador resonante se garantiza además que pueden seleccionarse frecuencias específicas para amortiguación y control tal como la frecuencia de resonancia del tren de accionamiento.
En aún otro aspecto de la invención, el ancho de banda de dicho medio de control resonante puede alterarse alterando al menos un parámetro de funcionamiento de dicho medio de control resonante. Ajustar los parámetros de funcionamiento de dicho medio de control resonante garantiza que puede controlarse el intervalo de frecuencia al que dicho medio de control resonante tiene una ganancia relativamente alta y que el medio de control resonante puede producir una respuesta eficaz a frecuencias más próximas. Al alterar al menos uno de dichos parámetros de funcionamiento durante el funcionamiento, se garantiza además que si por ejemplo el medio de control resonante se sintoniza básicamente a por ejemplo la frecuencia propia del tren de accionamiento, pueden compensarse variaciones en la frecuencia propia real del tren de accionamiento durante el funcionamiento por ejemplo debido a variaciones de temperatura, y dichas variaciones tienen por tanto únicamente una influencia mínima sobre el medio de control con el fin de producir una respuesta eficaz.
En un aspecto adicional de la invención, la ganancia de dicho medio de control resonante a una frecuencia de resonancia puede alterarse alterando al menos un parámetro de funcionamiento de dicho medio de control resonante por ejemplo a la frecuencia de CC. De este modo se garantiza que puede controlarse el nivel al que el medio de control resonante modifica un valor de referencia de potencia y puede controlarse la eficacia de por ejemplo la amortiguación de oscilaciones del tren de accionamiento.
En otro aspecto de la invención, el desfase de dicho medio de control resonante a una frecuencia de resonancia del tren de accionamiento es sustancialmente cero. De este modo se garantiza que se obtiene una respuesta precisa no retardada a una señal de velocidad de rotación a una frecuencia de resonancia y que no es necesario un procesamiento de señal de fase adicional.
En aún otro aspecto de la invención, dicho medio de control resonante tiene un desfase numérico creciente a frecuencias alejadas de la frecuencia de resonancia del tren de accionamiento. De este modo se garantiza que el impacto de la respuesta del medio de control resonante se ve degradado para frecuencias alejadas de la frecuencia resonante del medio de control.
En un aspecto de la invención adicional, la pendiente del desfase puede alterarse alterando al menos un parámetro de funcionamiento de dicho medio de control resonante. De este modo se garantiza que el nivel al que se degrada la respuesta del medio de control resonante para frecuencias alejadas de la frecuencia resonante del medio de control, puede controlarse garantizado además la posibilidad de una amortiguación eficaz de frecuencias de resonancia seleccionadas.
En aún otro aspecto de la invención, la función de transferencia de dicho medio de control resonante tiene la forma:
De este modo se garantiza una realización implementable de la invención y además... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Turbina eólica de velocidad variable conectada a una red de suministro que incluye un rotor, que comprende al menos una pala, un tren de accionamiento conectado a dicho rotor, comprendiendo dicho tren de accionamiento una selección de al menos una caja de engranajes, y al menos un generador eléctrico, medios de medición que establecen al menos una señal de velocidad de rotación del tren de accionamiento, y al menos un controlador de potencia de turbina eólica conectado a dicho al menos un generador y dicha red de suministro, comprendiendo dicha turbina eólica además al menos un medio de control resonante que modifica un valor de referencia de potencia en respuesta a dicha al menos una señal de velocidad de rotación, estando dispuesto dicho medio de control resonante con una frecuencia de resonancia a la que tiene una ganancia relativamente alta, seleccionándose dicha frecuencia de resonancia de dicho medio de control resonante como una frecuencia de resonancia del tren de accionamiento.
2. Turbina eólica según la reivindicación 1, en la que dicha una frecuencia de resonancia del tren de accionamiento es la frecuencia propia del tren de accionamiento.
3. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el ancho de banda de dicho medio de control resonante puede alterarse alterando al menos un parámetro de funcionamiento de dicho medio de control resonante.
4. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la ganancia de dicho medio de control resonante a una frecuencia de resonancia puede alterarse alterando al menos un parámetro de funcionamiento de dicho medio de control resonante por ejemplo a frecuencia de CC.
5. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el desfase de dicho medio de control resonante a una frecuencia de resonancia del tren de accionamiento es sustancialmente cero.
6. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dicho medio de control resonante tiene un desfase numérico creciente a frecuencias alejadas de una frecuencia de resonancia del tren de accionamiento.
7. Turbina eólica según la reivindicación 5 ó 6, en la que la pendiente del desfase puede alterarse alterando al menos un parámetro de funcionamiento de dicho medio de control resonante.
8. Turbina eólica según la reivindicación 1, en la que dicha una frecuencia de resonancia fundamental de dicho medio de control resonante es un valor calculado por ejemplo un valor calculado predefinido.
9. Turbina eólica según la reivindicación 1 u 8, en la que dicha una frecuencia de resonancia fundamental de dicho medio de control resonante es un valor fijo o puede alterarse durante el funcionamiento, por ejemplo adaptativo, tal como a la frecuencia propia del tren de accionamiento.
10. Turbina eólica según la reivindicación 1 ó 9, en la que dicha frecuencia de resonancia es un valor predefinido y/o se estima.
11. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el nivel del que dicho al menos un medio de control modifica un valor de referencia de potencia está limitado.
12. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el nivel del que dicho al menos un medio de control modifica un valor de referencia de potencia está limitado para estar dentro de un nivel predefinido, preferiblemente en el intervalo del 0, 1 al 25 por ciento de la potencia nominal y/o generada de dicha turbina eólica, tal como el 5 por ciento.
13. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dicho valor de referencia de potencia es un valor de referencia de potencia de dicho controlador de potencia.
14. Sistema de control resonante que comprende
al menos un controlador de potencia de una turbina eólica, estando conectado dicho controlador de potencia a al menos un generador de dicha turbina eólica y una red de suministro, y un medio de control resonante para modificar un valor de referencia de potencia en respuesta a al menos
una señal de velocidad de rotación de un tren de accionamiento de dicha turbina eólica, estando dispuesto dicho medio de control resonante con una frecuencia de resonancia a la que tiene una ganancia relativamente alta, seleccionándose dicha frecuencia de resonancia de dicho sistema de control resonante como una frecuencia de resonancia del tren de accionamiento. 5 15. Método de funcionamiento de un turbina eólica de velocidad variable conectada a una red de suministro, que comprende las etapas de establecer al menos una señal de velocidad de rotación de un tren de accionamiento de dicha turbina eólica, 10 procesar dicha al menos una señal de velocidad de rotación en al menos un medio de control resonante, que tiene una frecuencia de resonancia a la que tiene una ganancia relativamente alta, seleccionándose dicha frecuencia de resonancia como una frecuencia de resonancia de dicho tren de accionamiento, y modificar un valor de referencia de potencia en respuesta a dicha al menos una señal de velocidad de rotación procesada.
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