UN MÉTODO PARA LA IDENTIFICACIÓN DE LA FRECUENCIA PRINCIPAL DEL TREN DE POTENCIA DE UN AEROGENERADOR.

Un método para la identificación de la frecuencia principal del tren de potencia de un aerogenerador.

Comprende pasos en tiempo real de: a) obtener una señal de entrada (r) de la velocidad del generador (Ω); b) filtrar dicha señal de entrada (r) para obtener una señal de la velocidad del generador (r1) en una banda apropiada para representar la oscilación de la señal (o) comprendida en ella; c) extraer la frecuencia principal (f) del tren de potencia de dicha señal filtrada (r1). La invención también se refiere a un método de amortiguación de las vibraciones del tren de potencia de un aerogenerador que comprende etapas de fijación de la referencia del par del generador (Trref) en función de la velocidad del generador (Ω) y de la frecuencia principal del tren de potencia unidad (f) identificada por dicho método ya un sistema de control de un aerogenerador implementándolo.

UN MÉTODO PARA LA IDENTIFICACIÓN DE LA FRECUENCIA

PRINCIPAL DEL TREN DE POTENCIA DE UN AEROGENERADOR

CAMPO DE LA INVENCIÓN

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La invención se refiere a la amortiguación de las vibraciones del tren de

potencia de los aerogeneradores y, más en particular, a un método para la

identificación de la frecuencia principal del tren de potencia de un aerogenerador.

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ANTECEDENTES

Los aerogeneradores son dispositivos que convierten la energía

mecánica del viento en energía eléctrica. Un aerogenerador típico incluye una

15 góndola montada sobre una torre que alberga un tren de potencia para

transmitir la rotación de un rotor a un generador eléctrico y otros componentes

tales como los motores de orientación mediante los que se gira el

aerogenerador, varios controladores y un freno. El rotor soporta varias palas que

capturan la energía cinética del viento y causan un movimiento rotatorio del tren

2 o de potencia. Las palas del rotor tienen una forma aerodinámica de manera que

cuando el viento pasa a través de la superficie de las palas se crea una fuerza

ascensional que causa la rotación de un eje al que está conectado un generador

eléctrico, directamente o a través de un dispositivo de multiplicación. La

cantidad de energía producida por los aerogeneradores depende de la

2 5 superficie de barrido del rotor de palas que recibe la energía del viento y,

consecuentemente, el incremento de la longitud de las palas implica

normalmente un incremento de la producción de energía del aerogenerador. Las

palas están controladas para permanecer en un régimen de autorrotación

durante una fase normal y su actitud depende de la intensidad del viento.

30 El acoplamiento dinámico del primer modo simétrico en el plano de un

rotor de 3 palas con la frecuencia principal del tren de potencia produce un

modo acoplado que prácticamente no está amortiguado en la operación del

aerogenerador. Este modo acoplado puede incluso ser excitado cuando se

opera a potencia nominal para altas velocidades del viento lo que conduce a

una carga inabordable para el tren de potencia. Un control operacional de un

aerogenerador sin tener en cuenta esta dinámica puede conducir fácilmente a

5 niveles dañinos de la carga de fatiga en la multiplicadora.

La técnica anterior enseña el uso de la referencia del par del generador

para amortiguar dichas vibraciones. Esta técnica es altamente dependiente de

una buena identificación de la frecuencia principal de las vibraciones del tren de

potencia.

10 US 2006/0066111 describe una técnica de amortiguación de vibraciones

para aerogeneradores de velocidad variable que no sólo ayuda a la

amortiguación de las vibraciones del tren de potencia causadas por la variación

en la velocidad del viento, sino que también reduce las cargas de la torre

causadas por las oscilaciones laterales. Además, la técnica reduce

15 ventajosamente las fluctuaciones de potencia del generador acoplado al rotor

del aerogenerador. Dichas vibraciones se determinan en función de la velocidad

del rotor usando transformadas de Fourier en una operación en tiempo real.

Un inconveniente de dicha propuesta en relación sobre todo a la

identificación de las vibraciones del tren de potencia es que las transformadas

2 o de Fourier requieren ventanas temporales de datos de un cierto tamaño que

pueden causar retrasos importantes en el procesamiento de la señal de la

velocidad del generador. La presente invención se centra en encontrar una

solución a dicho inconveniente

2 5 SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Un objeto de la presente invención es proporcionar una identificación en

tiempo real de la frecuencia principal del tren de potencia de un aerogenerador

para mejorar su amortiguación.

30 En un aspecto, este y otros objetivos se cumplen mediante un método

aerogenerador en operación que comprende pasos en tiempo real de: a)

.O

Un aerogenerador típico 11 comprende una torre 13 soportando una

góndola 18 que alberga un generador 19 para convertir la energía rotacional del

rotor del aerogenerador en energía eléctrica. El rotor del aerogenerador

comprende un buje de rotor 15 y, típicamente, tres palas 17. El buje del rotor 15

5 está conectado bien directamente o a través de una multiplicadora al generador

19 para transferir el par generado por el rotor 15 al generador 19 incrementando

la velocidad del eje a fin de alcanzar una velocidad rotacional apropiada del

rotor del generador.

La energía producida por un aerogenerador moderno está controlada

1 o normalmente por medio de un sistema de control para regular el ángulo de paso

de las palas del rotor y el par motor del generador. La velocidad rotacional del

rotor y la producción de energía de un aerogenerador pueden ser pues

controladas inicialmente, es decir antes de su transferencia a una red de

distribución a través de un convertidor.

15 El objetivo básico de los métodos de operación de un aerogenerador de

velocidad variable es alcanzar una operación con la producción

aerodinámicamente ideal el mayor tiempo posible.

Como es sabido, la energía cinética asociada con el viento incidente

depende del área barrida por las palas del rotor, de la densidad del aire y del

2º cubo de la velocidad del viento y se considera que los aerogeneradores pueden

extraer hasta el 59% de dicha energía. Por ello, se representa la capacidad de

cada aerogenerador para aproximarse a dicho límite por el llamado coeficiente

de potencia Cp que está determinado por sus características aerodinámicas,

particularmente por el ratio 'A de su velocidad en la punta que se define como la

25 relación entre la velocidad tangencial de la punta de la pala y la velocidad del

viento incidente. Si se puede mantener ese ratio en su valor óptimo, de manera

que la velocidad del rotor siga la velocidad del viento, se obtiene el máximo

coeficiente de potencia Cp del aerogenerador, alcanzando una conversión de

energía muy eficiente.

3º La estrategia de control seguida generalmente en los aerogeneradores

generador para alcanzar la máxima producción lo que se lleva a cabo usando

un controlador que recibe señales indicado la velocidad del generador y la

potencia producida por el generador y que proporciona una señal de referencia

del par al convertidor para obtener la potencia requerida.

Consecuentemente, el controlador del aerogenerador usa una curva que

5 define la relación funcional deseable entre potencia y velocidad para alcanzar la

producción ideal.

Para una mejor comprensión de la presente invención, se hace

seguidamente una breve descripción de una típica curva Potencia vs. Velocidad

del generador 21, mostrada en la Figura 2 y de la curva resultante Potencia vs.

1 o Velocidad del viento mostrada en la Figura 3.

La curva Potencia vs. Velocidad del generador 21 mostrada en la Figura

2 comprende una primera zona sub-nominal 23 en la que la velocidad del viento

alcanza el nivel mínimo para comenzar la operación del aerogenerador. En esta

zona, el control del aerogenerador es muy limitado ya que el aerogenerador no

15 puede capturar la máxima energía. La segunda zona sub-nominal 25

corresponde a bajas velocidades del viento en la que la velocidad del generador

se incrementa y el aerogenerador funciona con un óptimo coeficiente de

potencia Cp. La tercera zona sub-nominal 27 corresponde a velocidades del

viento en un cierto rango en el que se mantiene constante la velocidad del

2 o generador a la velocidad nominal fln mientras la potencia se incrementa hasta

la potencia nominal Pwn. En esta zona el ángulo de paso de las palas es fijo y la

velocidad del generador se controla a través del par. En la zona nominal 29,

tiene lugar la operación del aerogenerador a plena carga a la potencia nominal

Pwn bajo el control del ángulo de paso de las palas para evitar sobrecargas.

2 5 En condiciones ideales la curva de potencia promedio resultante sería la

curva 22 de la Figura 3 que muestra que la producción de energía P se

incrementa desde una mínima velocidad del viento V2 hasta la velocidad

nominal del viento Vn y entonces permanece constante en el valor nominal de

producción de energía Pwn hasta la velocidad de corte del viento. Esta curva

3 o define la deseada...

5 1º 1. Método para la identificación de la frecuencia principal del tren de potencia de un aerogenerador en operación que comprende pasos en tiempo real de: a) obtener una señal de entrada (r) de la velocidad del generador (O) ; b) filtrar la señal de entrada (r) de la velocidad del generador (O) para obtener una señal de la velocidad del generador (r1) en una banda apropiada para representar la oscilación de la señal (o) comprendida en la señal de entrada (r) de la velocidad del generador (O) ; e) extraer la frecuencia principal (f) del tren de potencia de dicha señal filtrada (r1) .

15 2. Método según la reivindicación 1, en el que dicha banda apropiada en dicho paso b) es la mejor banda, entre un número predeterminado de bandas, para tener en cuenta la señal oscilatoria (o) comprendida en la señal de entrada (r) de la velocidad del generador (0) .

2 o 3. Método según la reivindicación 2, en el que dicha mejor banda es la banda que, representando dicha señal de entrada (r) como una señal filtrada (s) más una señal oscilatoria (o) de una frecuencia (fi + .t1fi) siendo (fi) la frecuencia central de cada banda, alcanza un valor mínimo de (.t1fi) .

2 5 4. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que el método también incluye un primer paso en el que dicha señal de entrada (r) se obtiene como una señal filtrada de la señal original (rO) de la velocidad del generador en un intervalo de una frecuencia predeterminada.

30 5. Método según frecuencia es 1-2, 5 Hz. la reivindicación 4, en el que dicho intervalo de

6. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que dicho número predeterminado de bandas es de cinco, abarcando en intervalos de dimensiones iguales un rango de frecuencias entre 1, 45-2, 05 Hz.

.

7. Método de amortiguación de las vibraciones del tren de potencia de un aerogenerador que comprende etapas de fijación de la referencia del par del generador (Trret) en función de la velocidad del generador

(D)

y de la frecuencia principal del tren de potencia (f) identificada por un método según cualquiera de las reivindicaciones 1-6.

8. Sistema de control de un aerogenerador conectado a dispositivos de medida de, al menos, la velocidad del viento (V) , la velocidad del generador (.Q) , el ángulo de paso de cada pala ({}) , la potencia (P) y, por lo menos, actuadores de control del ángulo de paso de las palas y del par motor, estando dispuesto el

sistema de control para llevar a cabo una regulación del aerogenerador de acuerdo con una curva de potencia predeterminada 25 para velocidades del viento por debajo de la velocidad de corte (VouJ; estando también dispuesto el sistema de control del aerogenerador para implementar un método de amortiguación según la reivindicación 7.