Método de amortiguación de vibraciones de la torre de una turbina eólica y sistema de control para turbinas eólicas.

Método de amortiguación de vibraciones de la torre de una turbina (100) eólica que está equipada con palas de rotor,

un controlador (13, 113) de paso y un sistema de accionamiento del paso, ajustando el paso de las palas de rotor, que comprende las etapas de:

- proporcionar un valor de referencia de velocidad para la velocidad del rotor;

- proporcionar un valor de velocidad del rotor que representa la velocidad del rotor; y

- establecer un valor de modificación que representa una modificación que debe hacerse en el valor de referencia de velocidad para tener en cuenta las vibraciones de la torre;

- usar el valor de modificación para modificar el valor de referencia de velocidad para establecer un valor de referencia de velocidad modificado;

- determinar un valor de referencia de paso que representa un paso que debe ajustar el sistema de accionamiento del paso basándose en al menos la diferencia entre el valor de referencia de velocidad modificado y el valor de velocidad del rotor;

- controlar el ángulo de paso de las palas de rotor según el valor de referencia de paso.

Método de amortiguación de vibraciones de la torre de una turbina eólica y sistema de control para turbinas eólicas.

La presente invención se refiere a un método de amortiguación de vibraciones de la torre de una turbina eólica que 5 está equipada con palas de rotor, un controlador de paso y un sistema de accionamiento del paso, en el que las vibraciones de la torre se amortiguan ajustando el paso de las palas de rotor. Además, la presente invención se refiere a un sistema de control para su uso en una turbina eólica que está equipada con palas de rotor y un sistema de accionamiento del paso.

En turbina eólicas, las vibraciones de la torre se excitarán por las condiciones de viento en la planta eólica que actúan sobre la turbina eólica. En turbinas eólicas terrestres, estas vibraciones de la torre son de alta frecuencia y sólo producen pequeñas inclinaciones de la torre. Sin embargo, por ejemplo, turbinas eólicas montadas en bases flotantes del tipo denominado boya de espeque, pueden tener, debido a las condiciones de viento, bajas frecuencias de vibración de la torre y grandes inclinaciones de la torre y, por tanto, grandes movimientos de la góndola. 15

Una combinación de baja frecuencia de la torre y curva de empuje negativa a altas velocidades del viento puede conducir a altas cargas en la torre y a grandes variaciones de inclinación de la góndola si la turbina se controla con una potencia constante. Con un control de potencia constante, la turbina eólica se controla habitualmente para mantener aproximadamente una velocidad del rotor constante y el par motor del rotor se regula ajustando un ángulo 20 de paso apropiado de las palas de la turbina de modo que se mantenga una potencia aproximadamente constante. Altas cargas en la torre y grandes variaciones de inclinación en este modo de control de potencia pueden conducir a inestabilidades y a fallos estructurales de la turbina eólica. Hasta ahora, por tanto, no se han instalado turbinas eólicas en torres con frecuencia de torre muy baja (por debajo de 0, 05 Hz) .

En el documento US 6.891.280 B2 se da a conocer un método para hacer funcionar plantas de turbinas eólicas de alta mar basado en la frecuencia de sus torres. En este método, se evita hacer funcionar la planta en un intervalo de frecuencia en el que se sitúe la frecuencia resonante de la torre. Para conseguir esto se determinan la frecuencia natural crítica de la planta y la velocidad del rotor excitando la planta en su intervalo de frecuencia natural crítica. Después se evita este intervalo de velocidad durante el funcionamiento de la planta de torres eólicas haciéndola 30 funcionar por encima o por debajo de dicho intervalo de velocidad crítica y, si es necesario, pasando rápidamente por el intervalo de velocidad crítica.

Un método de amortiguación de vibraciones de la torre de una turbina eólica se da a conocer en el documento WO 2007/053031 A1. En este método, las vibraciones propias de la torre se amortiguan mediante un incremento angular 35 ï?ï?¢ que se suma al ángulo de paso de pala. Este incremento se calcula basándose en las velocidades de la torre, con el fin de contrarrestar las vibraciones propias.

Un método para amortiguar las vibraciones de una torre de una turbina eólica se da a conocer en el documento US 2006/0066111 A1. En este método, el par motor requerido por el generador se modula proporcionando una señal 40 basada en cambios en la velocidad del rotor del generador.

El documento EP 1 719 910 A1 describe un generador de turbina eólica y un método de amortiguación activa de vibraciones para el mismo. Para conseguir la amortiguación activa, se suma un valor de modificación a una orden de ángulo de paso de pala para llegar a una orden resultante para ajustar un ángulo de paso de las palas de la turbina 45 eólica para generar un empuje sobre las palas de la turbina eólica que anule las vibraciones de la góndola.

El documento GB 2 117 933 A describe un sistema de generación eléctrica eólico con un control para modular el ángulo de pala de rotor que proporciona una componente de orden de ángulo de pala que ajustará el ángulo de pala de rotor de la turbina para proporcionar amortiguación aerodinámica positiva a la torre en respuesta a una señal 50 indicativa de movimiento longitudinal de la torre en paralelo al rotor. Como ejemplo de una señal indicativa de movimiento longitudinal de la torre, se menciona una señal de aceleración que se alimenta al sistema de control del ángulo de pala de rotor como señal de velocidad de referencia de pala de paso de corrección. Esta señal se suma a una señal de velocidad de referencia de ángulo de paso y se integra. El resultado proporciona entonces una señal de referencia de ángulo de paso de pala. 55

El documento GB 2 117 934 A describe la amortiguación de vibraciones de potencia mediante el uso de control de ángulo de paso. En el método de control se usa una orden de referencia de ángulo de pala adicional que provoca variaciones de empuje incrementales, que se han predicho que están en fase con la velocidad de la parte superior de la torre, para proporcionar amortiguación aerodinámica positiva adicional de la torre. 60

El documento WO 2007/089136 A2 describe un método para amortiguar las vibraciones de una torre de turbina eólica en el que se cambia el paso de la pala de rotor. Cuando la torre se está curvando aguas arriba, se cambia el paso de pala hacia pérdida, y cuando la torre se está moviendo aguas abajo, se cambia el paso de pala fuera de pérdida. En caso de que una aceleración máxima en la máxima curvatura aguas abajo de la torre supere un nivel 65 predeterminado, se activa el control de paso de amortiguación y se desactiva o se cancela el control de paso para regular la salida de potencia máxima.

El documento WO 2007/010322 A1 describe un sistema de control para un generador eléctrico de velocidad variable en una turbina eólica que incluye un estimador de flujo de viento. El estimador de flujo de viento usa el movimiento medido, la velocidad de rotación del generador y el ángulo de paso de pala para predecir el flujo de viento por un 5 área de barrido del rotor y para predecir el movimiento de la torre. Se emite una orden de paso de pala por un control de la turbina basándose en el flujo de viento estimado, la posición de la torre y la velocidad de la torre, la medición del paso de pala, la medición de la velocidad del rotor y la velocidad de rotación del rotor deseada.

Con respecto al estado de la técnica mencionado, un primer objetivo de la presente invención es proporcionar un 10 método mejorado de amortiguación de vibraciones de la torre de una turbina eólica. Un segundo objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema de control mejorado para su uso en una turbina eólica.

El primer objetivo se soluciona mediante un método de amortiguación de vibraciones de la torre de una turbina eólica según la reivindicación 1 y el segundo objetivo se soluciona mediante un sistema de control para uso en una 15 turbina eólica según la reivindicación 16. Las reivindicaciones dependientes contienen desarrollos adicionales de la invención.

En el método de la invención de amortiguación de vibraciones de la torre de una turbina eólica que está equipada con palas de rotor, un controlador de paso y un sistema de accionamiento del paso, la amortiguación se realiza 20 ajustando el paso de las palas de rotor. El ángulo de paso de las palas de rotor se controla según un valor de referencia de paso que representa un paso que debe ajustar el sistema de accionamiento del paso. La determinación del valor de referencia de paso se realiza de la siguiente manera: se proporcionan un valor de referencia de velocidad para la velocidad del rotor y un valor de velocidad del rotor que representa la velocidad real del rotor. Se proporciona un valor de modificación que representa una modificación que debe realizarse para tener 25 en cuenta las vibraciones de la torre, en particular las vibraciones de la torre en la parte superior de la torre, por ejemplo, en la ubicación de la góndola. El valor de modificación se usa entonces para modificar el valor de referencia de velocidad para establecer un valor de referencia de velocidad modificado. El valor de referencia de paso se determina entonces basándose en al menos la diferencia entre el valor de referencia de velocidad modificado y el valor de velocidad del rotor real. 30

Aunque en el estado de la técnica el ángulo de paso se calcula basándose en la diferencia entre un valor de referencia de velocidad no modificado y el valor de velocidad del rotor real, y se realiza una modificación con respecto al ángulo de paso para amortiguación las vibraciones... [Seguir leyendo]

1. Método de amortiguación de vibraciones de la torre de una turbina (100) eólica que está equipada con palas de rotor, un controlador (13, 113) de paso y un sistema de accionamiento del paso, ajustando el paso de las palas de rotor, que comprende las etapas de: 5

- proporcionar un valor de referencia de velocidad para la velocidad del rotor;

- proporcionar un valor de velocidad del rotor que representa la velocidad del rotor; y

- establecer un valor de modificación que representa una modificación que debe hacerse en el valor de referencia de velocidad para tener en cuenta las vibraciones de la torre;

- usar el valor de modificación para modificar el valor de referencia de velocidad para establecer un valor de referencia de velocidad modificado; 15

- determinar un valor de referencia de paso que representa un paso que debe ajustar el sistema de accionamiento del paso basándose en al menos la diferencia entre el valor de referencia de velocidad modificado y el valor de velocidad del rotor;

- controlar el ángulo de paso de las palas de rotor según el valor de referencia de paso.

2. Método según la reivindicación 1, en el que el valor de modificación es un valor de velocidad de la torre que representa la velocidad de la torre provocada por las vibraciones de la torre y el valor de velocidad de la torre se suma al valor de referencia de velocidad para establecer el valor de referencia de velocidad 25 modificado.

3. Método según la reivindicación 2, en el que el valor de velocidad de la torre se calcula a partir de un valor de inclinación que representa la inclinación de la torre provocada por las vibraciones de la torre.

4. Método según la reivindicación 3, en el que se usa un valor de aceleración longitudinal que representa la aceleración de la torre en la dirección del eje del rotor provocada por las vibraciones de la torre para representar la inclinación de la torre.

5. Método según la reivindicación 4, en el que el valor de inclinación se deriva a partir del valor de aceleración 35 longitudinal calculando la derivada de la razón del valor de aceleración longitudinal con respecto a la aceleración de la gravedad.

6. Método según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en el que el valor de velocidad de la torre se establece a partir de una derivada filtrada paso bajo del valor de inclinación. 40

7. Método según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, en el que la señal de referencia de paso se determina basándose en el valor de referencia de velocidad modificado estableciendo un valor de diferencia de velocidad que representa la diferencia entre el valor de velocidad del rotor y el valor de referencia de velocidad modificado y determinando la señal de referencia de paso basándose en el valor de diferencia de 45 velocidad.

8. Método según la reivindicación 7, en el que se usa un controlador PID para calcular la señal de referencia de paso a partir del valor de diferencia de velocidad.

9. Método según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, en el que la señal de referencia de paso se determina basándose en el valor de referencia de velocidad modificado

- estableciendo un valor de diferencia de velocidad que representa la diferencia entre el valor de velocidad del rotor y el valor de referencia de velocidad modificado; 55

- calculando un valor de referencia de inclinación para la torre a partir del valor de diferencia de velocidad;

- estableciendo un valor de diferencia de inclinación que representa la diferencia entre el valor de inclinación y el valor de referencia de inclinación; y 60

- determinando la señal de referencia de paso basándose en el valor de diferencia de inclinación.

10. Método según la reivindicación 9, en el que se usa un controlador PID para calcular el valor de referencia de inclinación a partir del valor de diferencia de velocidad. 65

11. Método según la reivindicación 9 o la reivindicación 10, en el que se usa un controlador PID para calcular el valor de referencia de paso a partir del valor de diferencia de inclinación.

12. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el que el valor de referencia de inclinación se fija a un valor dado. 5

13. Método según la reivindicación 12, en el que el valor dado depende del viento.

14. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que el método se desactiva a velocidades de viento muy altas. 10

15. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en el que el valor de inclinación se establece basándose en una medición de inclinación o una medición de aceleración en la parte superior de la torre.

16. Sistema de control para su uso en una turbina (100) eólica con palas de rotor y un sistema de 15 accionamiento del paso, comprendiendo el sistema de control:

- una unidad (13, 113) de control de paso que está diseñada para establecer una señal de referencia de paso que representa un paso que debe ajustar el sistema de accionamiento del paso;

- una entrada (1) de velocidad del rotor diseñada para recibir una señal de velocidad del rotor que representa la velocidad del rotor;

- una entrada (3) de referencia de velocidad diseñada para recibir una señal de referencia de velocidad para la velocidad del rotor; 25

- una entrada (5) de señal de inclinación diseñada para recibir una señal que representa una inclinación de la torre;

- una salida (7) de referencia de paso diseñada para emitir la señal de referencia de paso; 30

caracterizado por

- una unidad (9) de modificación que está conectada a la entrada (3) de referencia de velocidad para recibir la señal de referencia de velocidad y a la entrada (5) de señal de inclinación para recibir la señal de 35 inclinación, estando la unidad (9) de modificación diseñada para establecer una señal de modificación basándose en la señal de inclinación, para modificar la señal de referencia de velocidad por medio de la señal de modificación y para emitir una señal de referencia de velocidad modificada;

- una primera unidad (11) de resta que está conectada a la unidad (9) de modificación para recibir la señal 40 de referencia de velocidad modificada y a la entrada (1) de velocidad del rotor para recibir la señal de velocidad del rotor, estando la primera unidad (11) de resta diseñada para establecer una señal de diferencia de velocidad que representa la diferencia entre la señal de velocidad del rotor y la señal de referencia de velocidad modificada; y

- porque la unidad (13, 113) de control de paso está conectada a la primera unidad (11) de resta para recibir la señal de diferencia de velocidad y diseñada para establecer el valor de referencia de paso al menos basándose en la señal de diferencia de velocidad.

17. Sistema de control según la reivindicación 16, caracterizado porque la unidad (9) de modificación está 50 diseñada para establecer como señal de modificación una señal de velocidad de la torre basándose en la señal que representa una inclinación de la torre, para modificar la señal de referencia de velocidad por medio de la señal de velocidad de la torre, y para emitir la señal de referencia de velocidad modificada.

18. Sistema de control según la reivindicación 17, caracterizado porque 55

- la unidad (9) de modificación comprende un diferenciador (21) para diferenciar la señal que representa una inclinación de la torre; y

- la unidad de modificación está diseñada para establecer la señal de velocidad de la torre basándose en la 60 señal diferenciada.

19. Sistema de control según la reivindicación 18, caracterizado porque

- la unidad (9) de modificación comprende un filtro (23) paso bajo que está conectado al diferenciador (21) 65 para recibir la señal diferenciada y diseñado para emitir una señal diferenciada filtrada.

20. Sistema de control según la reivindicación 19, caracterizado porque

- la unidad (9) de modificación comprende un amplificador (25) que está conectado al filtro (23) paso bajo para recibir la señal diferenciada filtrada y diseñado para emitir una señal diferenciada filtrada amplificada. 5

21. Sistema de control según la reivindicación 19, caracterizado porque

- la unidad (9) de modificación comprende un limitador (27) que está conectado al amplificador (25) para recibir la señal diferenciada filtrada amplificada y diseñado para llevar la señal diferenciada filtrada 10 amplificada a saturación si se alcanza un margen dado de la señal diferenciada filtrada amplificada y para emitir una señal diferenciada filtrada amplificada saturada.

22. Sistema de control según cualquiera de las reivindicaciones 18 a 21, caracterizado porque la unidad de modificación comprende (9) un sumador (29) que está conectado a la entrada (3) de referencia de 15 velocidad para recibir la señal de referencia de velocidad y diseñado para sumar la señal de velocidad de la torre a la señal de referencia de velocidad para establecer la señal de referencia de velocidad modificada.

23. Sistema de control según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 22, caracterizado porque la unidad (13) de control de paso es un controlador PID. 20

24. Sistema de control según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 23, caracterizado

- porque la unidad (113) de control de paso comprende un controlador (15) de velocidad, una segunda unidad (19) de resta y un controlador (17) de inclinación; 25

- porque el controlador (15) de velocidad está conectado a la primera unidad (11) de resta para recibir la señal de diferencia de velocidad y diseñado para establecer y para emitir una señal de referencia de inclinación basándose en la señal de diferencia de velocidad recibida,

- porque la segunda unidad (19) de resta está conectada a la entrada (5) de señal de inclinación para recibir la señal que representa la inclinación y porque la segunda unidad (19) de resta está diseñada para establecer la diferencia entre la señal de referencia de inclinación y la señal que representa la inclinación y para emitir una señal de diferencia de inclinación; y

- porque el controlador (17) de inclinación está conectado a la segunda unidad (19) de resta para recibir la señal de diferencia de inclinación y porque el controlador (17) de inclinación está diseñado para establecer la señal de referencia de paso basándose en la señal de diferencia de inclinación.

25. Sistema de control según la reivindicación 24, caracterizado porque el controlador (15) de velocidad es un 40 controlador PID.

26. Sistema de control según la reivindicación 24 o la reivindicación 25, caracterizado porque el controlador (17) de inclinación es un controlador PID.