Sistema y procedimiento amortiguador de vibraciones para turbinas eólicas de velocidad variable.

Un sistema de turbina eólica (10) montado en una torre (18) y que comprende un tren de transmisión que acoplade un rotor de la turbina a un generador (50),

incluyendo el sistema de turbina eólica un sistema de amortiguación devibraciones (38), caracterizado porque comprende:

un controlador (60) operable para recibir una señal representativa de una velocidad (NGen) de un eje delgenerador (46) de un sensor de velocidad (64), y para dar salida a una señal (66) para producir una demandade un par de motor del generador (TDEM) necesario para obtener la máxima eficiencia de potencia delgenerador (50) a la velocidad (NGen);

un amortiguador de vibraciones (62) operable para proporcionar una señal de variable (68) para modular laseñal (66) para producir una señal modulada (72);

un sistema de detección de pico de frecuencia (74) acoplado a dicho amortiguador de vibraciones (62) yoperable para determinar la frecuencia de resonancia de las oscilaciones de lado a lado de la torre y de unafrecuencia de resonancia de las oscilaciones del tren de transmisión, en el que la señal variable (68) se basaen la velocidad del generador y que tiene un primer valor local de pico (98) en base a la frecuencia deresonancia de la torre de oscilación de lado a lado, y un segundo valor de pico (100) en base a la frecuencia deresonancia de las oscilaciones del tren de transmisión;

dicho sistema de turbina eólica (10) comprendiendo además un convertidor de frecuencia (54) para recibirdicha señal modulada (72) y proporcionar una señal de excitación (73) a las bobinas del generador (50) con elfin de controlar un par de entrehierro (TGen).

Sistema y procedimiento amortiguador de vibraciones para turbinas eólicas de velocidad variable La presente invención se refiere, en general, al campo de las turbinas eólicas, y, en particular, a una solución de amortiguación de vibraciones activa para turbinas eólicas de velocidad variable.

Las turbinas eólicas son consideradas como fuentes alternativas ambientalmente seguras y relativamente baratas de energía. Una turbina eólica incluye generalmente un rotor que tiene múltiples palas que transforman la energía del viento en un movimiento de rotación de un eje motriz. El eje motriz se utiliza para hacer girar un rotor de un generador eléctrico. El rotor de la turbina está acoplado de forma giratoria al generador por un tren de transmisión que comprende una caja de engranajes. La caja de engranajes incrementa la velocidad de rotación relativamente baja del rotor de la turbina a una velocidad más adecuada para que el generador convierta eficientemente el movimiento de rotación en energía eléctrica. La energía eléctrica puede ser entonces suministrada a una red de suministro eléctrico. Por lo general, el tren de transmisión y el generador están alojados en una góndola montada encima de una torre.

La cizalladura del viento sobre las palas giratorias provoca aceleraciones y deceleraciones angulares periódicas del rotor, que a su vez induce oscilaciones de par en el tren de transmisión. En general, el tren de transmisión se compone principalmente de los componentes de acero y por lo tanto, exhibe pobres características de amortiguación pasivas. La pobre amortiguación provoca vibraciones excesivas que afectan negativamente a la vida de los componentes de la turbina. Esta situación requiere soluciones de amortiguación activa que reducen las cargas dinámicas en el tren de transmisión y/o las vibraciones de la estructura de la turbina.

Las presentes soluciones de amortiguación de vibraciones en general utilizan el par de la demanda del generador como una entrada de amortiguación activa. Las turbinas eólicas de velocidad fija utilizan generadores de inducción, que tienen una curva de par de deslizamiento lineal en la región de operación de interés. El par de demanda del generador producido por este tipo de máquinas es directamente proporcional a la velocidad del generador. Esta característica operativa de generadores de inducción natural ayuda en amortiguar las oscilaciones en la transmisión. Sin embargo, los diseños de amortiguadores activos se requieren en el caso de las turbinas eólicas de velocidad variable, que utilizan tracción de inducción doblemente alimentada. En tales máquinas, la demanda de par ya no está restringida a ser proporcional al deslizamiento, lo que resulta en una pérdida de rendimiento de amortiguación. En el pasado, las soluciones amortiguadoras del tren de transmisión para turbinas eólicas de velocidad variable se han basado en dos o tres descripciones de parámetros agrupados en masa de la dinámica del tren de transmisión. Estos diseños utilizan retroalimentación de velocidad del generador como entrada de amortiguador para amortiguar las oscilaciones inducidas por la resonancia del tren de transmisión al presumir las frecuencias de resonancia del tren de transmisión.

Sin embargo, tales diseños a menudo resultan ser insuficientes debido a una o más de las siguientes razones. En primer lugar, ya que las turbinas a menudo están configuradas utilizando componentes de diferentes proveedores, es difícil obtener estimaciones precisas de las frecuencias de resonancia del tren de transmisión. Esto se traduce en el funcionamiento subóptimo a través de diversas configuraciones de turbinas. En segundo lugar, las actuales soluciones de amortiguación del tren de transmisión no mitigan las oscilaciones de lado a lado de la torre, lo que se une a las oscilaciones de par del tren de transmisión.

En consecuencia, existe la necesidad de una solución de amortiguación activa para las turbinas eólicas de velocidad variable para mitigar las cargas dinámicas sobre el tren de transmisión, así como en la torre, mientras que proporciona la capacidad para adaptarse a diferentes configuraciones de turbinas. La presente invención se refiere a un sistema de turbina eólica según la reivindicación 1 y a un procedimiento de amortiguación de vibraciones según la reivindicación 3.

Por lo tanto, se proporcionan diversos aspectos y realizaciones de la presente invención de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas.

Estas y otras características, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor cuando la siguiente descripción detallada se lea con referencia a los dibujos adjuntos, en los que caracteres similares representan partes similares en todos los dibujos, en los que:

La figura 1 es una ilustración esquemática de un sistema de turbina eólica, a la que son aplicables realizaciones de la presente técnica;

La figura 2 es una ilustración esquemática de un mecanismo de amortiguación de la vibración según aspectos de las presentes técnicas;

La figura 3 es una representación esquemática del sistema de amortiguación de bucle cerrado de acuerdo con la presente técnica;

La figura 4 es una ilustración gráfica de la respuesta de frecuencia del amortiguador de vibraciones de acuerdo

con las técnicas actuales;

La figura 5 es un diagrama de flujo ejemplar que ilustra un algoritmo de detección del pico de resonancia;

La figura 6 es una representación gráfica de la variación en el tren de transmisión del momento de torsión con frecuencia del generador para los sistemas de turbina eólica amortiguada y no amortiguada; y

La figura 7 es una representación gráfica de la variación en la torre de momento de lado a lado con frecuencia del generador para los sistemas de turbina eólica amortiguada y no amortiguada.

La presente técnica proporciona una solución de amortiguación de la vibración óptima para las turbinas eólicas de velocidad variable. Como se describirá en detalle más adelante, la presente técnica no sólo ayuda en la amortiguación de las vibraciones del tren de transmisión causadas por la variación en la velocidad del viento, sino que también mitiga las cargas de la torre causadas por las oscilaciones de lado a lado de la torre. Además, la técnica reduce ventajosamente las fluctuaciones de potencia del generador acoplado al rotor de la turbina eólica.

Haciendo referencia en general a la figura 1, se proporciona un sistema de turbina eólica 10 operable para generar energía eléctrica. El sistema de turbina eólica 10 comprende un rotor 12 que tiene múltiples palas 14. El sistema de turbina eólica 10 también comprende una góndola 16 que está montada encima de una torre 18. El rotor 12 está acoplado de forma accionada a los componentes de la instalación eólica 10 alojados dentro de la góndola 16. La torre 18 expone las palas 14 al viento, que causan que las palas 14 giren alrededor de un eje 20. Las palas 14 convierten la energía mecánica del viento en un par de rotación, que se convierte posteriormente en energía eléctrica por el sistema de turbina eólica 10.

La velocidad del viento que sopla en las palas 16 y en la torre 18 varía en el espacio y en el tiempo. Un ejemplo de un perfil de velocidad instantánea del viento se representa generalmente por el número de referencia 22. En un momento dado, la velocidad del viento varía con la altura. Esto se indica por una superficie 24, cuya anchura a cualquier altura es proporcional a la velocidad media del viento a esa altura. Como se puede apreciar a partir del perfil ilustrado, la velocidad del viento aumenta generalmente con la altura. Como resultado de ello, una pala 14 se somete a una mayor velocidad del viento cuando se extiende verticalmente hacia arriba desde el rotor 12 a medida que gira alrededor del eje 20 de lo que es cuando se extiende verticalmente hacia abajo desde el rotor 12. Esta diferencia en la velocidad del viento crea una fuerza sobre las palas giratorias 14, que se conoce como la cizalladura del viento. Además, a una altura dada, la velocidad del viento puede dividirse en dos componentes. El primer componente 26 es una velocidad media del viento a esa altura y el segundo componente 28 representa una alteración en la velocidad del viento causada por la turbulencia estocástica. La cizalladura del viento hace que la periódica aceleración y desaceleración angular del rotor de la turbina cree oscilaciones de torsión en el tren de transmisión. Las oscilaciones en el tren de transmisión causan periódicas cargas de flexión sobre la torre 18, que es estructuralmente equivalente a un voladizo. Esto conduce a oscilaciones de lado a lado de la torre 18, representadas... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de turbina eólica (10) montado en una torre (18) y que comprende un tren de transmisión que acopla de un rotor de la turbina a un generador (50) , incluyendo el sistema de turbina eólica un sistema de amortiguación de vibraciones (38) , caracterizado porque comprende:

un controlador (60) operable para recibir una señal representativa de una velocidad (NGen) de un eje del generador (46) de un sensor de velocidad (64) , y para dar salida a una señal (66) para producir una demanda de un par de motor del generador (TDEM) necesario para obtener la máxima eficiencia de potencia del generador (50) a la velocidad (NGen) ; un amortiguador de vibraciones (62) operable para proporcionar una señal de variable (68) para modular la señal (66) para producir una señal modulada (72) ; un sistema de detección de pico de frecuencia (74) acoplado a dicho amortiguador de vibraciones (62) y operable para determinar la frecuencia de resonancia de las oscilaciones de lado a lado de la torre y de una frecuencia de resonancia de las oscilaciones del tren de transmisión, en el que la señal variable (68) se basa en la velocidad del generador y que tiene un primer valor local de pico (98) en base a la frecuencia de resonancia de la torre de oscilación de lado a lado, y un segundo valor de pico (100) en base a la frecuencia de resonancia de las oscilaciones del tren de transmisión; dicho sistema de turbina eólica (10) comprendiendo además un convertidor de frecuencia (54) para recibir dicha señal modulada (72) y proporcionar una señal de excitación (73) a las bobinas del generador (50) con el fin de controlar un par de entrehierro (TGen) .

2. El sistema (38) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la señal (68) del amortiguador de vibraciones (62) tiene un valor inferior (102) con respecto al primer valor pico (98) y con el segundo valor de pico (100) en una frecuencia de vibración correspondiente a la frecuencia del rotor de la turbina multiplicado por el número de palas

(14) del rotor de la turbina (12) .

3. Un procedimiento de amortiguación de vibraciones para una turbina eólica (10) con un rotor de turbina (12) montada en una torre (18) y acoplado a un generador (50) que tiene un eje del generador (42) mediante un tren de transmisión (36) , comprendiendo el procedimiento de amortiguación de la vibración:

determinar una señal de par del generador (66) en base a la velocidad de rotación detectada (NGen) del generador (50) ; proporcionar una señal variable (68) en base a los cambios en la velocidad del rotor del generador, donde la señal (68) tiene un primer valor pico (98) en base a una frecuencia de resonancia de lado-a-lado de la torre, y un segundo valor de pico (100) basado en una frecuencia de resonancia tren de transmisión; modular la señal de par del motor del generador (66) para producir una señal modulada (72) ; proporcionar la señal modulada (72) a un convertidor de frecuencia (54) ; y proporcionar una señal de excitación (73) del convertidor de frecuencia (54) para controlar un par de entrehierro (TGen) del generador (50) .

4. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, en el que la señal (68) tiene un valor inferior (102) con respecto al primer valor pico (98) a una velocidad del rotor del generador que corresponde a una frecuencia de paso de la pala, en el que la frecuencia de paso de la pala es la frecuencia del rotor de la turbina multiplicada por el número de palas en el rotor de la turbina (12) .

5. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3 o con la reivindicación 4, en el que la señal (68) tiene un valor sustancialmente constante para velocidades del generador de rotor superiores a una velocidad del rotor del generador predeterminada.

6. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, que comprende además el cálculo de la frecuencia de resonancia del tren de transmisión y la frecuencia de resonancia de lado a lado de la torre a través de un algoritmo de detección de picos en línea.