PROCEDIMIENTO DE CONTROL DE UN AEROGENERADOR.

Procedimiento de control de un aerogenerador.

Permite aumentar el rango de velocidad de los aerogeneradores,

maximizando su funcionamiento y rendimiento, además de alargar su vida útil de trabajo, debido a que se minimizan las cargas extremas y de fatiga a las que se someten los aerogeneradores, y que son debidas principalmente a las paradas y desconexiones de los mismos como consecuencia de fuertes ráfagas de viento. Más concretamente el procedimiento de control de la presente invención destaca fundamentalmente por estar basado en el control de la corriente reactiva que circula por el generador eléctrico, realizándose dicho control de corriente reactiva en función de la velocidad de giro (ωg) con el fin de reducir la tensión en bornes del convertidor del lado del generador, o tensión del rotor (VR, lo cual permite finalmente aumentar transitoriamente el rango de velocidad del aerogenerador.

Procedimiento de control de un aerogenerador.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo de los aerogeneradores, y más concretamente a procedimientos de control y/o regulación de la potencia generada.

El objeto principal de la presente invención es un procedimiento de control de un aerogenerador que permite aumentar su rango transitorio de velocidad, y por tanto, prolongar el funcionamiento y rendimiento del aerogenerador por encima del valor umbral de sobrevelocidad.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la actualidad, es sabido que las energías renovables se han consolidado como la más firme alternativa a las fuentes de energía convencionales para la generación de energía eléctrica, siendo de entre ellas la energía eólica una de las más eficientes. La energía eólica es aquella que permite generar electricidad a partir del viento mediante el empleo de aerogeneradores o turbinas eólicas. Dichos aerogeneradores constan básicamente de una torre, una góndola situada en lo alto de la torre y que alberga el generador eléctrico, y un rotor dispuesto en la parte frontal de la góndola, formado a su vez por al menos dos palas.

Generalmente los aerogeneradores comprenden sistemas activos de control de potencia generada en las palas. Dichos sistemas de control permiten limitar la potencia captada del viento cuando éste aumenta por encima de un determinado valor umbral, en el cual el aerogenerador alcanza la potencia nominal. El más habitual de dichos sistemas es el sistema de paso de pala hacia bandera, más conocido como sistema de “pitch”.

El sistema de paso de pala está configurado para girar la pala desde una posición de máxima captura energética o “finepitch” hasta una posición en que se anula el par entrante del viento, o posición de bandera. Tradicionalmente, el sistema de paso de pala es el encargado de controlar la velocidad de giro del aerogenerador a partir del momento en que se alcanza la potencia nominal. Así, a partir de un error de velocidad entre la velocidad de giro medida y una velocidad de giro nominal, una unidad de control del aerogenerador calcula una consigna de posición o velocidad de pitch que envía al sistema de pitch para mantener una velocidad de giro constante.

En situaciones excepcionales, como por ejemplo fuertes ráfagas de viento en las que la velocidad de viento aumenta de forma brusca y rápida, se pueden producir “sobrevelocidades” del rotor eólico, esto es, el rotor gira a velocidades superiores para las que fue diseñado, debido a que el sistema de pitch no está dimensionado para aumentar el ángulo de paso de pala, y en consecuencia es incapaz de limitar la potencia captada con la suficiente rapidez. En estas ocasiones se produce el efecto no deseado de una parada del aerogenerador, que puede ser de emergencia o controlada. En cualquiera de los dos casos, transcurre un tiempo determinado hasta que el aerogenerador vuelve a ponerse en funcionamiento y a generar potencia. Además, en ambos casos se producen cargas extremas y de fatiga que reducen y minimizan considerablemente el tiempo de vida útil del aerogenerador.

Más en particular, la velocidad de rotor a la que se produce una parada de los aerogeneradores viene generalmente determinada por límites de funcionamiento eléctricos. En dichos aerogeneradores el generador eléctrico está conectado a la red a través de un convertidor electrónico que permite el control independiente de la corriente activa y reactiva generada. Generalmente es la corriente activa el parámetro a tener en cuenta para controlar el par en un generador eléctrico conectado a la red a través de un convertidor (controlando el par se logra controlar la velocidad de giro del rotor) . En concreto, tanto en aerogeneradores doblemente alimentados (DFIG, del inglés doubly fed induction generator) como en aerogeneradores conectados a la red a través de un convertidor de potencia total (FC, del inglés full converter) , el límite empleado es el nivel de tensión en bornes del convertidor del lado de la máquina, pues una vez supera unos márgenes de seguridad con respecto a la tensión del bus DC del mismo, se pierde el control del aerogenerador.

Por otro lado, en los últimos años han proliferado de forma notoria las instalaciones eólicas marinas, las cuales son dispuestas mar adentro a través del empleo de plataformas flotantes como base para los aerogeneradores. En estos casos, debido a que la plataforma no está rígidamente unida al lecho marino sino que puede moverse con respecto a él en cierta medida, es habitual que el conjunto formado por el aerogenerador más la plataforma flotante se mueva hacia delante y hacia atrás en un movimiento pendular, como consecuencia del efecto del viento y de las olas. Dicho movimiento oscilatorio hace que el viento incidente sobre la superficie del rotor eólico tenga repercusión en la velocidad de giro del rotor, esto es, al inclinarse el aerogenerador hacia delante el viento incidente aumenta y consecuentemente aumenta la velocidad de giro; por el contrario, al inclinarse hacia atrás, el viento incidente en las palas del aerogenerador disminuye, y también lo hace la velocidad de giro del rotor.

Las oscilaciones en la velocidad del rotor afectan de forma negativa tanto a la vida útil del aerogenerador, como a la regulación de velocidad con pitch, viéndose reducido el ancho de banda del lazo de control correspondiente: al responder a oscilaciones en la velocidad de giro con respecto a un valor medio de velocidad, se disminuye la capacidad de controlar dicha velocidad media de giro con el sistema de pitch, produciéndose entonces más paradas por sobrevelocidad. En la solicitud internacional PCT WO2007/053031A1 se describe esta problemática: “A method for damping vibrations in a wind turbine installation” (Norsk Hydro) .

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Mediante la presente invención se solucionan los inconvenientes anteriormente citados proporcionando un procedimiento de control de un aerogenerador que permite obtener una ampliación transitoria del rango de velocidad de dicho aerogenerador. Más concretamente dicho procedimiento de control permite reducir sustancialmente el número de paradas de los aerogeneradores para aquellos casos en los que la velocidad del viento sobrepasa un determinado valor umbral y provoca “sobrevelocidades” en el rotor eólico de dichos aerogeneradores. Por otro lado, además de aumentar el rango de velocidad y maximizar el funcionamiento de los aerogeneradores, el procedimiento de control objeto de invención permite también alargar su vida útil de trabajo debido a que se minimizan las cargas extremas y de fatiga a las que se ven sometidos los aerogeneradores, y que son debidas a las continuas paradas y desconexiones de los mismos como consecuencia de fuertes ráfagas de viento.

El procedimiento de control aquí descrito es de aplicación para aerogeneradores del tipo que comprenden un rotor eólico, al menos dos palas vinculadas a dicho rotor eólico, un generador eléctrico, una unidad de control y un convertidor de potencia que conecta el generador eléctrico con la Red eléctrica. Más concretamente, el procedimiento de control objeto de invención está basado en el control de la corriente reactiva que circula por el generador eléctrico, realizándose dicho control de corriente reactiva en función de la velocidad de giro del aerogenerador con el fin de reducir la tensión en bornes del convertidor del lado del generador, también denominada como tensión del rotor, lo cual permite finalmente aumentar transitoriamente el rango de velocidad del aerogenerador.

El procedimiento de control de la presente invención comprende básicamente las siguientes etapas: calcular la velocidad de giro del aerogenerador; establecer una primera consigna de corriente reactiva; establecer una segunda consigna de corriente reactiva preferentemente inductiva, y comparar la velocidad de giro del aerogenerador con un primer valor límite de velocidad predeterminado. Según el resultado obtenido de dicha comparación se procede de acuerdo a una de las siguientes opciones:

- aplicar la primera consigna de corriente reactiva para el control del generador en caso de que la velocidad de giro del aerogenerador sea menor al primer valor límite de velocidad, y

- aplicar la segunda consigna de corriente reactiva para el control del generador en caso de que la velocidad de giro del aerogenerador sea mayor o igual al primer valor límite de velocidad.

De acuerdo con una realización preferente, la primera consigna de corriente reactiva se calcula a partir de una consigna de potencia reactiva, o una consigna de factor de potencia. Asimismo preferentemente,...

1. Procedimiento de control de un aerogenerador, comprendiendo dicho aerogenerador un rotor eólico, al menos dos palas vinculadas a dicho rotor eólico, un generador eléctrico, una unidad de control y un convertidor de potencia que conecta el generador eléctrico con la Red eléctrica, estando dicho procedimiento de control caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

a) determinar una señal indicativa de la velocidad de giro (ωg) del aerogenerador,

b) establecer una primera consigna de corriente y/o potencia reactiva (idref1, Qref1) ,

c) establecer una segunda consigna de corriente y/o potencia reactiva (idref2, Qref2) ,

d) comparar la señal indicativa de velocidad de giro (ωg) con un primer valor límite predeterminado, de forma que se actúe según una de las siguientes subetapas:

d1) aplicar la primera consigna de (idref1, Qref1) , para el control del generador en caso de que la señal indicativa de velocidad de giro (ωg) calculada en la etapa a) sea menor al primer valor límite, y

d2) aplicar la segunda consigna (idref2, Qref2) para el control del generador en caso de que la señal indicativa de velocidad de giro (ωg) calculada en la etapa a) sea mayor o igual al primer valor límite.

2. Procedimiento de control de un aerogenerador, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la segunda consigna (idref2, Qref2) es inductiva.

3. Procedimiento de control de un aerogenerador, de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la etapa d2) de aplicar la segunda consigna (idref2, Qref2) para el control del generador comprende el paso de aplicar la segunda consigna (idref2, Qref2) como límite superior a la primera consigna (idref1, Qref1) .

4. Procedimiento de control de un aerogenerador, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa d2) de aplicar la segunda consigna (idref2, Qref2) para el control del generador comprende el paso de conmutar a la segunda consigna (idref2, Qref2) desde la primera consigna (idref1, Qref1) .

5. Procedimiento de control de un aerogenerador, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 3 ó 4, caracterizado porque la segunda consigna (idref2, Qref2) se calcula a partir de un valor de potencia reactiva inductiva predeterminado.

6. Procedimiento de control de un aerogenerador, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3 ó 4, caracterizado porque la segunda consigna (idref2, Qref2) es dependiente de la señal indicativa de la velocidad de giro (ωg) y se calcula por medio de una función o tabla dependiente que relaciona el valor de la primera señal indicativa de la velocidad de giro (ωg) con el valor adecuado para la segunda consigna (idref2, Qref2) .

7. Procedimiento de control de un aerogenerador, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la primera consigna (idref1, Qref1) se calcula a partir de una consigna de potencia reactiva o factor de potencia, obtenidas a partir de un regulador de tensión cuyos parámetros son configurados en función de unos requisitos de integración en red.

8. Procedimiento de control de un aerogenerador, de acuerdo con un cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende adicionalmente las etapas:

- calcular el tiempo en el que la velocidad de giro (ωg) es superior al primer valor límite de velocidad (ωlim1) ,

- comparar dicho tiempo calculado con un tiempo máximo predeterminado, y

-desconectar el aerogenerador en caso de que dicho tiempo sea mayor que el tiempo máximo predeterminado.

9. Procedimiento de control de un aerogenerador, de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque comprende adicionalmente las etapas de:

-comparar la velocidad de giro (ωg) con un segundo valor límite de velocidad (ωlim2) predeterminado mayor que el primer valor límite de velocidad (ωlim1) , y

-desconectar el aerogenerador en caso de que la velocidad de giro (ωg) sea superior al segundo valor límite de velocidad (ωlim2) .

10. Procedimiento de control de un aerogenerador, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la señal indicativa de la velocidad de giro (ωg) es la propia velocidad de giro (ωg) medida directamente en el eje del generador, mientras que el primer valor límite con el que se compara es, asimismo, un valor de velocidad (ωlim1) .

11. Procedimiento de control de un aerogenerador, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la señal indicativa de la velocidad de giro (ωg) es una medida de tensión efectuada en bornes del convertidor del lado del generador, o tensión del rotor (VR) , siendo el primer valor límite con el que se compara, un valor de tensión de convertidor límite (VRlim1) .

12. Procedimiento de control de un aerogenerador, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque es ejecutado por un aerogenerador que comprende un generador DFIG.

13. Procedimiento de control de un aerogenerador, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-11, caracterizado porque es ejecutado por un aerogenerador que comprende un generador FC.

1.

14. Aerogenerador que opera según el procedimiento de control descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.