Procedimiento de control de turbina eólica.

Un procedimiento de control de una turbina eólica, que comprende las etapas de:



- determinar una señal de control para un parámetro controlable de la turbina eólica;

- repetir la etapa de determinar la señal de control en etapas de tiempo sucesivas, y almacenar un historial de control que incluye uno o más 5 valores de control respectivos derivados de o incluidos en señales de control pasadas;

- usar los valores de control almacenados en el historial de control para determinar un parámetro de alerta para dicho parámetro controlable, siendo el parámetro de alerta una función de las variaciones de las señales de control con el tiempo;

- controlar la turbina eólica de acuerdo con la señal de control más reciente sólo si el parámetro de alerta está por debajo de un valor umbral de alerta, y

- controlar la turbina eólica de acuerdo con una estrategia de control modificada si el parámetro de alerta está por encima del valor umbral de alerta.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E10162644.

Solicitante: VESTAS WIND SYSTEMS A/S.

Nacionalidad solicitante: Dinamarca.

Dirección: Hedeager 42 8200 Aarhus N DINAMARCA.

Inventor/es: KNUDSEN,JAN VESTERGAARD.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F03D7/02 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F03 MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO, DE RESORTES, O DE PESOS; PRODUCCION DE ENERGIA MECANICA O DE EMPUJE PROPULSIVO O POR REACCION, NO PREVISTA EN OTRO LUGAR.F03D MOTORES DE VIENTO.F03D 7/00 Control de los motores de viento (alimentación o distribución de energía eléctrica H02J, p.ej. disposiciones para ajustar, eliminar o compensar la potencia reactiva en las redes H02J 3/18; control de generadores eléctricos H02P, p.ej. disposiciones para el control de generadores eléctricos con el propósito de obtener las características deseadas en la salida H02P 9/00). › teniendo los motores de viento el eje de rotación dispuesto sustancialmente paralelo al flujo de aire que entra al rotor.
  • F03D7/04 F03D 7/00 […] › Control automático; Regulación.

PDF original: ES-2535409_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Procedimiento de control de turbina eólica Campo de la invención

La presente invención se refiere a una estrategia de control para turbinas eólicas destinada a detectar y evitar situaciones de cambios inconsistentes en el control que de otro modo pueden dar lugar a situaciones de carga extremas sobre los componentes de la turbina eólica.

Antecedentes

La mayoría de las turbinas eólicas modernas se controlan y se regulan de forma continua, lo más a menudo con el propósito de garantizar una extracción de potencia máxima del viento bajo el clima de viento actual, mientras que al mismo tiempo se garantiza que las cargas sobre los diferentes componentes de la turbina eólica se mantienen en cualquier momento dentro de los límites aceptables. De forma deseable, la turbina eólica también se puede controlar para dar cuenta de las variaciones locales rápidas en la velocidad del viento (las denominadas ráfagas de viento), y para tener en cuenta los cambios dinámicos en las cargas sobre las palas individuales debidos, por ejemplo, al paso de la torre o a la velocidad del viento real que varía con la distancia al suelo (el perfil del viento).

Para este propósito, se recogen y se monitorizan varios parámetros por los controladores en una turbina eólica, tales como, por ejemplo, la velocidad y el sentido del viento actual, la cizalladura y la turbulencia del viento, la velocidad rotacional del rotor, el generador, el ángulo de paso de cada pala, el ángulo de guiñada, información sobre el sistema de red, y parámetros medidos (por ejemplo, tensiones o vibraciones) a partir de los sensores dispuestos en las palas, la góndola o en la torre.

En base a estos y siguiendo una estrategia de control, se determinan los parámetros de control óptimos de la turbina con el fin de lograr un resultado óptimo bajo las condiciones dadas. Los procedimientos de control del rendimiento actual, y de este modo de la producción de potencia y la situación de carga de la turbina eólica, incluyen, por ejemplo, el cabeceo de las palas, el ajuste de cualquier dispositivo aerodinámico activo diferente para cambiar las superficies aerodinámicas de las palas tales como aletas o medios de generación de vórtices, el ajuste de la potencia y/o el ajuste de la velocidad rotacional del rotor.

Existen múltiples estrategias o formas de control para que los controladores interaccionen con la turbina eólica, y en las turbinas eólicas modernas pueden ser muy complejos, implicando varios controladores dispuestos en diferentes partes de la turbina e interaccionando para determinar y actualizar continuamente los valores óptimos de los parámetros de control. A menudo, las estrategias de control se pueden basar en cientos de parámetros recogidos y determinados para tratar de tener en cuenta todas las eventualidades y cubrir tanto los escenarios de funcionamiento comunes como los más raros y extremos.

Por ejemplo, el documento WO2008/131776 divulga una estrategia de control durante velocidades de viento altas y el documento W02009/016020 divulga un sistema de monitorización de turbina eólica.

Sin embargo, incluso para sistemas de control muy avanzados y sofisticados, todavía se puede producir un control imperfecto o inadecuado debido, por ejemplo, a errores de sensor que proporcionan datos incorrectos al sistema de control, o debido a escenarios de funcionamiento no previstos o no cubiertos por las estrategias de control aplicadas. Dicho control imperfecto en algunas situaciones de control y climáticas, puede dar como resultado cargas muy altas e inaceptables en algunos de los componentes de las turbinas eólicas, por ejemplo, en la torre debido a un cabeceo no deseable de una o más de las palas, o en los engranajes debido a ajustes erróneos de la potencia. Dichas cargas pueden ser de tamaños considerables y, en el peor escenario posible en las situaciones extremas, pueden dar lugar a un daño fatal de la turbina. Independientemente de que la probabilidad de que surjan dichas situaciones extremas pueda ser mínima, las posibles implicaciones son inaceptables, lo que crea la necesidad de obtener procedimientos de control a prueba de fallos que pueden evitar estas eventualidades posiblemente raras sino extremas.

Descripción de la invención

Por lo tanto, es un objetivo de los modos de realización de la presente invención superar o al menos reducir parte o todas las desventajas descritas anteriormente de los procedimientos de control conocidos para las turbinas eólicas proporcionando un procedimiento de control que reduce el riesgo de situaciones de carga extremas debidas a variaciones no deseables en los parámetros de control.

Es otro objetivo de los modos de realización de la invención proporcionar una estrategia de control que pueda ser rápida y simple para implementar en las estrategias de control existentes y aún eficaces.

De acuerdo con la invención, esto se obtiene por un procedimiento de control de una turbina eólica, que comprende las etapas de determinar una señal de control para un parámetro controlable de la turbina eólica, repetir la etapa de determinar la señal de control a etapas de tiempo sucesivas y almacenar un historial de control que incluye uno o más valores de control respectivos derivados de o incluidos en señales de control pasadas. Además, el procedimiento

comprende el uso de los valores de control almacenados en el historial de control para determinar un parámetro de alerta para el parámetro controlable, en el que el parámetro de alerta es una función de las variaciones de las señales de control con el tiempo. A continuación, la turbina eóllca se controla de acuerdo con la señal de control más reciente sólo si el parámetro de alerta está por debajo de un valor umbral de alerta y de acuerdo con una estrategia de control modificada si el parámetro de alerta está por encima del valor umbral de alerta.

Como se menciona brevemente en la Introducción, el parámetro controlable puede comprender, por ejemplo, el cabeceo Individual o colectivo de las palas, la guiñada, o conicidad del rotor, la velocidad rotacional del rotor, la potencia, la velocidad del generador, o algunos parámetros de ajuste para cualquier dispositivo aerodinámico activo diferente para cambiar las superficies aerodinámicas de las palas tales como aletas o medios de generación de vórtices.

El procedimiento de control de acuerdo con la invención comprende, por tanto, una estrategia de supervisión de la señal de control para evitar situaciones de carga extremas de una turbina eólica, en la que se supervisan continuamente las señales de control de un controlador y se registran los cambios en las señales de control de cada muestra o etapa de tiempo a una previa. Si el cambio en la señal de control está por encima de un cierto límite para un número predefinido de etapas de tiempo en una serie, la turbina se controla de forma diferente, por ejemplo, deteniéndose.

El procedimiento de control obtenido de este modo es ventajoso porque actúa como un sistema a prueba de fallos que recoge de una forma simple aunque eficaz grandes cambios o variaciones en el control que se vuelven a producir, que son no deseables ya que dichos cambios o fluctuaciones pueden dar lugar de otro modo a situaciones de carga extremas en diferentes componentes de la turbina eólica tales como la torre, las palas, el generador, los engranajes, etc. En los peores escenarios posibles dichas cargas extremas pueden dar como resultado un daño fatal de la turbina eólica, como por ejemplo, dar como resultado en última instancia la rotura de la torre, y por tanto, son inaceptables. La supervisión de acuerdo con la estrategia de control garantiza de una manera simple aunque eficaz que el riesgo de situaciones de carga extremas se reduzca en gran medida o incluso se evite anulando el control decidido de otro modo, y siguiendo en su lugar una estrategia de control modificada en el caso de múltiples cambios demasiado altos en el parámetro de control de interés, por ejemplo, reduciendo la potencia o apagando la turbina eólica por completo.

Esto se logra porque el procedimiento de control tiene en consideración cambios históricos de las señales de control y deduce de éstos el parámetro de alerta en base al que se puede cambiar la siguiente estrategia de control.

Ya que el procedimiento de control sólo afecta o interviene en el control previsto de otro modo de la turbina eólica en los raros casos de múltiples cambios demasiado altos en el parámetro de control de interés, el procedimiento de control es rápido y fuerte. Además, el procedimiento de control es simple y económico de implementar y se puede implementar en estrategias de control existentes como complemento.

Además, ya que la... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un procedimiento de control de una turbina eólica, que comprende las etapas de:

- determinar una señal de control para un parámetro controlable de la turbina eólica;

- repetir la etapa de determinar la señal de control en etapas de tiempo sucesivas, y almacenar un historial de control que incluye uno o más valores de control respectivos derivados de o incluidos en señales de control pasadas;

- usar los valores de control almacenados en el historial de control para determinar un parámetro de alerta para dicho parámetro controlable, siendo el parámetro de alerta una función de las variaciones de las señales de control con el tiempo;

- controlar la turbina eólica de acuerdo con la señal de control más reciente sólo si el parámetro de alerta está por debajo de un valor umbral de alerta, y

- controlar la turbina eólica de acuerdo con una estrategia de control modificada si el parámetro de alerta está por encima del valor umbral de alerta.

2. Un procedimiento de control de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la señal de control comprende una señal de referencia de potencia o par de torsión para controlar la velocidad rotacional del rotor de turbina eólica cambiando la potencia o el par de torsión.

3. Un procedimiento de control de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la señal de control comprende una señal de referencia de paso para controlar el cabeceo de las palas de la turbina eólica.

4. Un procedimiento de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que la estrategia de control modificada comprende la detención de la turbina eólica.

5. Un procedimiento de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que la estrategia de control modificada comprende el control de la turbina eólica de acuerdo con la señal de control anterior a la señal de control más reciente.

6. Un procedimiento de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el valor umbral de alerta es una constante predefinida.

7. Un procedimiento de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el valor umbral de alerta depende del valor de control más reciente.

8. Un procedimiento de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el valor umbral de alerta depende de la velocidad del viento.

9. Un procedimiento de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el historial de control comprende al menos los tres valores de control más recientes.

10. Un procedimiento de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las variaciones de las señales de control se determinan como las diferencias entre señales de control sucesivas.

11. Un procedimiento de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las variaciones de las señales de control se evalúan con relación a un límite de cambio de señal superior predefinido A0pos y un límite de cambio de señal inferior predefinido AQneg.

12. Un procedimiento de control de acuerdo con la reivindicación 11, que comprende además la etapa de

- determinar una señal de control aceptable más reciente como la señal de control más reciente en la secuencia de tiempo que no se cambia ni por encima del límite de cambio de señal superior A0pos ni por debajo del límite de cambio de señal inferior A0neg con relación a la señal de control aceptable previa, y

- determinar las variaciones de una señal de control como la diferencia entre la señal de control y la señal de control aceptable más reciente en esa etapa de tiempo.

13. Un procedimiento de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11-12, que comprende además las etapas de

- determinar la diferencia entre la señal de control más reciente y la señal de control aceptable más reciente, e

- incrementar el parámetro de alerta un nivel si dicha diferencia cae fuera del intervalo del límite de cambio de señal inferior A0neg al límite de cambio de señal superior A9pos-

14. Un procedimiento de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11-13, que comprende además las etapas de

- determinar la diferencia entre la señal de control más reciente y la señal de control aceptable más reciente, e

- inicializar el parámetro de alerta si dicha diferencia entra dentro del intervalo del límite de cambio de señal Inferior A0neg al límite de cambio de señal superior A0pos.

15. Un procedimiento de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3-14, en el que la señal de

referencia de paso comprende el valor de la referencia de paso para cada pala individual de turbina eólica.

16. Un procedimiento de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3-15, en el que la señal de

referencia de paso comprende el valor de la referencia de paso colectivo.

17. Un procedimiento de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las señales de control se reciben desde un controlador de buje.

18. Un sistema de control para una turbina eólica configurado para realizar las etapas de:

- determinar una señal de control para un parámetro controlable de la turbina eólica;

- repetir la etapa de determinar la señal de control en etapas de tiempo sucesivas, y almacenar un historial de control que incluye uno o más valores de control respectivos derivados de o incluidos en señales de control pasadas;

- usar los valores de control almacenados en el historial de control para determinar un parámetro de alerta para dicho parámetro controlable, siendo el parámetro de alerta una función de las variaciones de las señales de control con el tiempo;

- controlar la turbina eólica de acuerdo con la señal de control más reciente sólo si el parámetro de alerta está por debajo de un valor umbral de alerta, y

- controlar la turbina eólica de acuerdo con una estrategia de control modificada si el parámetro de alerta está por encima del valor umbral de alerta.

19. Una turbina eólica que comprende un sistema de control de acuerdo con la reivindicación 18.

20. Una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 19, que comprende

- un primer controlador en el que se realiza la etapa de determinar la señal de control para el parámetro controlable de la turbina eólica, y

- un segundo controlador configurado para recibir la señal de control desde dicho primer controlador, y para determinar el parámetro de alerta.


 

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