Un procedimiento y un sistema de control para la reducción de las cargas de fatiga en los componentes de una turbina eólica sometida a una carga asimétrica del plano de rotor.

Un procedimiento para la reducción de cargas de fatiga en los componentes de una turbina eólica (1) sometida auna carga asimétrica de su rotor (6) que comprende las etapas de:

recoger y almacenar repetidamente unos datos de carga del rotor (6),

determinar una función de distribución de carga para el rotor a partir de dichos datos almacenados,

derivar una pluralidad de funciones periódicas a partir de dicha función de distribución de carga,

determinar acciones para unos medios de control (12) de la turbina eólica para reducir la carga de fatiga de loscomponentes de la turbina eólica a partir de dicha pluralidad de funciones periódicas derivadas, e

implementar dichas acciones determinadas en los medios de control (12) de la turbina eólica.

Un procedimiento y un sistema de control para la reducción de las cargas de fatiga en los componentes de una turbina eólica sometida a una carga asimétrica del plano de rotor

Campo de la invención La presente invención se refiere a un procedimiento para la reducción de cargas de fatiga en los componentes de una turbina eólica, un sistema de control para la reducción de las cargas de fatiga en los componentes de la turbina eólica sometidos a una carga asimétrica del plano del rotor, una turbina eólica y un parque eólico. Tal procedimiento, sistema de control y una turbina eólica correspondiente son el tema de P. Caselite et al., "Reduction of fatigue loads on wind energy converters by advanced control methods", (1997 - 10) .

Descripción de la técnica relacionada Los controladores de turbinas eólicas han sido empleados en turbinas eólicas durante años con el propósito de controlar la potencia de salida total.

La potencia de salida de una turbina eólica moderna puede ser controlada por medio de un sistema de control para regular el ángulo de cabeceo de las palas del rotor. La velocidad de rotación del rotor y la potencia de salida de la turbina eólica pueden ser controladas inicialmente por este medio, por ejemplo antes de una transferencia a una red de suministro eléctrico, a través de medios de conversión de potencia. Una ventaja de este control es proteger al rotor de girar a una velocidad excesiva a velocidades de viento altas y evitar cargas excesivas a las palas del rotor.

Especialmente para grandes diámetros de rotor, la distribución del perfil de flujo de entrada de viento puede no ser uniforme sobre el área del rotor, dando como resultado una carga no uniforme en cada pala del rotor como función de una rotación completa, así como cargas asimétricas no coplanares para el tren de accionamiento de la turbina eólica. Para una situación de flujo libre de entrada de viento, la distribución de la cizalla del viento es aproximadamente lineal y dicha carga como función de la rotación presenta un comportamiento casi senoidal con una frecuencia igual a la frecuencia de rotación del rotor. Con el fin de mantener una carga más constante sobre las palas del rotor, han sido aplicadas funciones de control de cabeceo a los controladores de cabeceo de la turbina eólica, donde se ha añadido a la configuración del ángulo de cabeceo general de la palas individuales del rotor una corrección cíclica con el rotor con una frecuencia igual a la rotación del rotor.

Cualquier obstáculo dentro de cierta distancia en contra del viento a una turbina eólica crea una estela para la turbina eólica y por lo tanto elimina la situación de flujo libre de entrada de viento. Un ejemplo de un obstáculo puede ser otras turbinas eólicas, ya que una turbina eólica siempre emite una estela en la dirección a favor del viento.

Especialmente en parques eólicos este hecho puede influir significativamente en el flujo de entrada en turbinas eólicas situadas en la dirección a favor del viento. Esto da como resultado una distribución más compleja de la cizalla del viento en comparación con una situación de flujo libre de entrada de viento. Dicho perfil complejo de distribución de viento puede provocar turbulencias del viento y a su vez cargas de fatiga fluctuantes en los componentes de la turbina eólica. De modo que para evitar demasiadas turbulencias del viento alrededor de las turbinas, las turbinas eólicas posteriores están relativamente más separadas, dando como resultado parques eólicos que ocupan mucha superficie.

Por lo tanto, es un objetivo de la presente invención proporcionar un procedimiento y una técnica que permitan una estrategia de control mejorada de la turbina eólica en relación con una distribución más compleja de la cizalla del viento.

La invención La invención proporciona un procedimiento para la reducción de cargas de fatiga en los componentes de una turbina eólica sometida a carga asimétrica de su rotor, que comprende las etapas de:

recoger y almacenar repetidamente los datos de carga del rotor,

determinar una función de distribución de carga para el rotor a partir de dichos datos almacenados,

derivar una pluralidad de funciones periódicas a partir de dicha función de distribución de carga,

determinar acciones para los medios de control de la turbina eólica para reducir la carga de fatiga de los componentes de la turbina eólica a partir de dicha pluralidad de funciones periódicas derivadas, e implementar dichas acciones determinadas en los medios de control de la turbina eólica.

Por este medio es posible reducir las cargas fluctuantes en los componentes de la turbina eólica, lo que facilita un menor desgaste mecánico de las partes más expuestas a carga de la turbina eólica, lo que a su vez se traduce en una menor necesidad de mantenimiento, menos paradas y una prolongación de la vida útil para la turbina eólica.

Alternativamente, por este medio es posible aumentar la captura de energía de la turbina eólica y mantener una baja carga en el rotor o combinaciones de los mismos.

En un aspecto de la invención, dicha pluralidad de funciones periódicas derivadas son funciones senoidales y/o cosenoidales. Mediante el uso de funciones senoidales y/o cosenoidales derivadas, es posible aproximar una corrección de cabeceo muy cercana de la deseada.

En otro aspecto de la invención, las frecuencias de dicha pluralidad de funciones periódicas son una serie limitada de diferentes múltiplos enteros de la frecuencia del rotor, por ejemplo hasta cuatro veces la frecuencia del rotor, tal como cualquiera de los múltiplos primero, segundo, tercero y cuarto de la frecuencia del rotor o combinaciones de al menos dos de dichos múltiplos. Mediante el uso de una serie limitada de funciones periódicas es posible establecer rápidamente una corrección de cabeceo muy cercana de la deseada, sin necesidad de una potencia de cálculo significativa.

En otro aspecto de la invención, al menos un componente de amplitud y un componente de fase son determinados para cada una de dichas funciones periódicas derivadas. La determinación de dichos componentes de amplitud y fase facilita el procesamiento de datos general en los medios de cálculo y facilita la vinculación en tiempo y ubicación de acimut entre la carga asimétrica del rotor y la acción de corrección de cabeceo.

En otro aspecto de la invención, dicha pluralidad de funciones periódicas incluye al menos una función con una frecuencia igual a la frecuencia del rotor. Mediante la inclusión de funciones periódicas con una frecuencia igual a la frecuencia del rotor, es posible aproximar una corrección de cabeceo cercana a la deseada, simplificada en una situación de flujo libre o casi libre de entrada del viento.

En otro aspecto de la invención, dicha pluralidad de funciones periódicas incluye al menos una función con una frecuencia igual a cuatro veces la frecuencia del rotor. Mediante la inclusión de funciones periódicas con una frecuencia igual a cuatro veces la frecuencia del rotor, es posible aproximar una corrección de cabeceo cercana a la deseada, simplificada en una situación de estela completa o parcial.

En otro aspecto de la invención, dicha pluralidad de funciones periódicas se derivan por medio de una transformación discreta de Fourier aplicada a la función de distribución de carga. Utilizar la transformación discreta de Fourier para derivar dicha pluralidad de funciones periódicas permite utilizar técnicas de programación bien conocidas, rápidas y fiables para implementar el código de programa en los medios de cálculo.

En otro aspecto de la invención, dicha pluralidad de funciones periódicas se derivan por medio de las relaciones inversas entre el primer armónico periódico y las amplitudes modales de pala medidas.

En otro aspecto de la invención, dicha pluralidad de funciones periódicas se derivan por medio de sucesivos filtrados de paso de banda aplicados a la función de distribución de carga.

En otro aspecto de la invención, dicha pluralidad de funciones periódicas se derivan por medio de un estimador recursivo de mínimos cuadrados aplicado a la función de distribución de carga.

En otro aspecto de la invención, dichos datos de carga se recogen mediante la medición de los momentos de flexión en el encastre de la pala mediante los cuales se puede obtener una medición representativa, preferentemente con medios sensores ya existentes.

En otro aspecto de la invención, dichos momentos de flexión se miden para al menos una pala. Al hacer mediciones en una sola pala, los datos pueden ser utilizados para establecer una corrección de cabeceo optimizada... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para la reducción de cargas de fatiga en los componentes de una turbina eólica (1) sometida a una carga asimétrica de su rotor (6) que comprende las etapas de:

recoger y almacenar repetidamente unos datos de carga del rotor (6) ,

determinar una función de distribución de carga para el rotor a partir de dichos datos almacenados,

derivar una pluralidad de funciones periódicas a partir de dicha función de distribución de carga,

determinar acciones para unos medios de control (12) de la turbina eólica para reducir la carga de fatiga de los componentes de la turbina eólica a partir de dicha pluralidad de funciones periódicas derivadas, e implementar dichas acciones determinadas en los medios de control (12) de la turbina eólica.

2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha pluralidad de funciones periódicas derivadas son funciones senoidales o cosenoidales.

3. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, en el que las frecuencias de dicha pluralidad de funciones periódicas son diferentes múltiplos enteros de la frecuencia del rotor, por ejemplo, hasta 4 veces la frecuencia del rotor, tal como cualquiera de los múltiplos primero, segundo, tercero y cuarto de las frecuencia del rotor o combinaciones de al menos dos de dichos múltiplos.

4. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que para cada una de las funciones periódicas derivadas se determina al menos un componente de amplitud y un componente de fase.

5. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha pluralidad de funciones periódicas incluye al menos una función con una frecuencia igual a la frecuencia del rotor.

6. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha pluralidad de funciones periódicas incluye al menos una función con una frecuencia igual a cuatro veces la frecuencia del rotor.

7. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha pluralidad de funciones periódicas se deriva por medio de una transformada discreta de Fourier aplicada a la función de distribución de carga.

8. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha pluralidad de funciones periódicas se deriva por medio de un estimador recursivo de mínimos cuadrados aplicado a la función de distribución de carga.

9. Un sistema de control (12) para realizar el procedimiento de reducción de las cargas de fatiga en los componentes de una turbina eólica (1) sometida a una carga asimétrica de su rotor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, comprendiendo dicho sistema de control:

- medios de recogida de datos y de almacenamiento para recoger y almacenar repetidamente datos de carga (MR) del rotor.

- medios de control de la turbina eólica para controlar la captura de potencia de la turbina eólica (1) , y

- medios de procesamiento de datos para el procesamiento de dichos datos recogidos de carga del rotor (6) de la turbina eólica (1) y que en consecuencia proporcionan una salida de control,

donde dichos medios de procesamiento de datos están adaptados para determinar una función de distribución de carga (MF) para el rotor a partir de dichos datos de carga almacenados, derivando de dicha función de distribución de carga (MF) una pluralidad de funciones periódicas (MF{h}) , determinando acciones, sobre la base de dicha pluralidad de funciones periódicas (MF{h}) , para que dichos medios de control de la turbina eólica reduzcan las cargas de fatiga en los componentes de la turbina eólica, y proporcionando una salida de control en consecuencia a los medios de control de la turbina eólica.

10. Un sistema de control de acuerdo con la reivindicación 9, que comprende medios para derivar a partir de dicha función de distribución de carga una pluralidad de funciones periódicas con frecuencias de diferentes múltiplos enteros de la frecuencia del rotor.

11. Un sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones 9 o 10, que comprende medios de transductor dispuestos para medir momentos de flexión de la pala, por ejemplo, cerca del encastre de al menos una de las palas de la turbina eólica y en consecuencia producir una salida para los medios de recogida de datos.

12. Un sistema de control de acuerdo con la reivindicación 11, en el que dichos medios de transductor están dispuestos para medir momentos de flexión en el encastre de la pala de al menos dos de las palas de dicho rotor.

13. Un sistema de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 11 a 12, que comprende medios de transductor dispuestos para medir las fuerzas en el árbol principal de la turbina eólica.

14. Turbina eólica que comprende un sistema de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13 para la reducción de cargas de fatiga en los componentes de la turbina eólica sometidos a carga asimétrica del plano del rotor.

15. Parque eólico que comprende al menos dos turbinas eólicas, en el que al menos una turbina eólica se controla con un sistema de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13 para la reducción de cargas de fatiga en los componentes de la turbina eólica sometidos a carga asimétrica del plano del rotor.