Control del ángulo de incidencia de los álabes en una instalación de turbina eólica.

Un controlador de ángulo de incidencia de los álabes para una estructura de turbina eólica flotante que comprende una estructura de soporte que soporta un rotor que tiene una pluralidad de álabes,

en el que el controlador comprende:

medios estándar de control de ángulo de incidencia de los álabes; y

medios de amortiguación activa;

en el que los medios estándares de control de ángulo de incidencia de los álabes están dispuestos para controlar un ángulo de incidencia de los álabes usando una función de transferencia entre un error de velocidad del rotor y el ángulo de incidencia de los álabes; en el que el ángulo de incidencia controlado de los álabes está caracterizado por el hecho de que

los medios de amortiguación activa están dispuestos para controlar adicionalmente el ángulo de incidencia de los álabes en base a una velocidad de un punto sobre la estructura de la turbina eólica convirtiendo la velocidad de un punto sobre la estructura de la turbina eólica a un error de velocidad del rotor y usando la misma función de transferencia que se usa en los medios estándares de control de ángulo de incidencia de los álabes para convertir el error de velocidad del rotor a una corrección del ángulo de incidencia de los álabes.

Control del ángulo de incidencia de los álabes en una instalación de turbina eòlica

La presente invención se refiere al campo del control del ángulo de incidencia de los álabes del rotor para instalaciones de turbinas eólicas. Más específicamente, se refiere al control del ángulo de incidencia de los álabes del rotor para Instalaciones de turbinas eólicas fiotantes.

Una Instalación de turbina eòlica está formada normalmente por una estructura de soporte que comprende una torre alargada, con una góndola y un rotor fijado al extremo superior de la estructura de soporte. El generador y sus componentes electrónicos asociados están situados normalmente en la góndola.

Las turbinas eólicas con base fija, que están fijadas a tierra o al fondo del mar, están bien establecidas.

Sin embargo, recientemente ha existido un deseo de desarrollar turbinas eólicas fiotantes y se han propuesto diversas estructuras. Un ejemplo es una Instalación de turbina eòlica en la que una estructura de turbina eòlica convencional está montada sobre una base flotante, tal como una plataforma o una estructura similar a una balsa. Otra propuesta es una estructura de tipo "boya de asta". Dicha estructura está formada por una estructura de soporte flotante alargada con un rotor montado en la parte superior. La estructura de soporte podría ser una estructura unitaria o podría ser una sub-estructura alargada con una torre estándar montada sobre la misma.

Las instalaciones de turbinas eólicas flotantes pueden estar ancladas al fondo del mar a través de una o más líneas de amarre con anclas o fijadas al fondo del mar con una o más patas articuladas (con bisagras), por ejemplo, con el fin de mantenerlas en sus sitios de Instalación deseados.

En las turbinas eólicas convencionales, el ángulo de Incidencia de los álabes del rotor es controlado en base a la velocidad del rotor con el fin de regular la salida de potencia. Cuando se opera en vientos por debajo de una velocidad de viento determinada (conocida como la velocidad de viento nominal de una turbina eòlica), el ángulo de incidencia de los álabes se mantiene aproximadamente constante en un ángulo que proporciona una salida de potencia máxima. Por el contrario, cuando se opera por encima de la velocidad de viento nominal, el ángulo de incidencia de los álabes es ajustado con el fin de producir una salida de potencia constante y prevenir salidas de potencia excesivamente altas que podrían dañar el generador y/o sus componentes electrónicos asociados. Esta potencia constante se conoce como la potencia nominal de la turbina eòlica.

Cuando se opera por debajo de la velocidad de viento nominal, debido a que el ángulo de incidencia de los álabes se mantiene aproximadamente constante, el empuje que actúa sobre el rotor aumenta con la velocidad del viento (siendo el empuje aproximadamente proporcional al cuadrado de la velocidad del viento).

Por el contrario, cuando se opera por encima de la velocidad de viento nominal, el ángulo de incidencia de los álabes es ajustado de manera que el empuje sobre el rotor disminuye al aumentar la velocidad del viento con el fin de producir una salida de potencia constante. Conforme aumenta la velocidad del viento, el ángulo de incidencia de los álabes se aumenta, es decir, se hace más paralelo a la dirección del viento, con el fin de reducir el empuje.

En la práctica, las turbinas eólicas operan en condiciones tanto por encima como por debajo de su velocidad de viento nominal.

Con el fin de producir una salida de potencia máxima cuando se opera por debajo de la velocidad de viento nominal, el ángulo de Incidencia de los álabes se ajusta con el fin de producir una relación de velocidad de punta óptima. La relación de velocidad de punta, A, se define como la velocidad a la que se mueven las puntas exteriores de los álabes del rotor dividida por la velocidad del viento y viene dada por:

en la que M es la frecuencia angular del rotor (en radianes por segundo), P es el radio del rotor y u es la velocidad del viento. Una relación de velocidad de punta óptima para una salida de potencia máxima es de aproximadamente 8 a 10 y en la mayoría de las turbinas eólicas esto proporcionará, en la práctica, un coeficiente Cp de potencia de aproximadamente 0,45 (siendo 0,59 el máximo teórico), donde la potencia Pse define como:

en la que p es la densidad del aire, /4 es el área barrida por los álabes del rotor y Cp es el coeficiente de potencia

(1)

M

<2)

que viene determinado por A y el ángulo p de Incidencia de los álabes.

Tal como se ha indicado anteriormente, con el fin de producir una salida de potencia constante cuando se opera por encima de la velocidad de viento nominal, el ángulo de incidencia de los álabes es ajustado con el fin de producir una velocidad de rotor constante y, por lo tanto, una salida de potencia constante. Un problema asociado con el ajuste del ángulo de incidencia de los álabes de esta manera es que puede causar una amortiguación negativa, es decir, conforme la velocidad relativa entre la turbina y el viento aumenta, la fuerza de empuje se reduce. Esto puede aumentar la amplitud de las oscilaciones o vibraciones de la turbina eòlica. Una amortiguación negativa causa una reducción en la eficiencia global o la salida de potencia de la turbina eòlica y, además, puede crear movimientos excesivos que causan tensiones estructurales que pueden dañar o debilitar la estructura de la turbina eòlica y podrían causar inestabilidad en turbinas eólicas flotantes. Una amortiguación negativa puede ser un problema particular para las turbinas de alta potencia (por ejemplo, > 2 MW).

La amortiguación negativa en las turbinas eólicas con base fija surge porque la turbina puede vibrar hacia delante y hacia atrás debido a excitaciones de las vibraciones de flexión natural de la torre. Conforme la turbina eòlica se mueve hacia el viento, la velocidad relativa del viento que actúa sobre la turbina eòlica aumenta, lo que tiende a aumentar el par o la velocidad del rotor. Usando el control de ángulo de Incidencia descrito anteriormente para una salida de potencia constante, en respuesta a un aumento en el par o la velocidad del rotor, el ángulo de Incidencia de los álabes es ajustado para reducir el par que actúa sobre el rotor y, como resultado, reduce el empuje y, de esta manera, mantiene constante la potencia. Sin embargo, conforme el empuje se reduce, la fuerza de amortiguación que actúa sobre las vibraciones de la turbina eòlica se reduce también y puede llegar a ser negativa. En otras palabras, las vibraciones pueden ser exacerbadas y su amplitud aumenta. Entonces, esto resulta en un cambio adicional en la velocidad relativa del viento y un ajuste adicional en el ángulo de Incidencia de los álabes, haciendo que las vibraciones sean todavía más grandes. Lo contrario se aplica cuando la turbina eòlica se está alejando del viento, lo que resulta en una exacerbación adicional de las vibraciones.

El problema de la amortiguación negativa se ¡lustra en la Flg. 1, que muestra la fuerza de empuje como una función de la velocidad del viento para una turbina de 2,3 MW que usa el control estándar de ángulo de Incidencia de los álabes descrito anteriormente. La fuerza de empuje para velocidades de viento de más de 12 ms"^ disminuye con el aumento de la velocidad del viento y, por consiguiente, puede Introducirse una amortiguación negativa al sistema en este intervalo de velocidades del viento.

En las turbinas eólicas con base fija, la amortiguación negativa puede ser prevenida o minimizada reduciendo el ancho de banda del controlador de ángulo de incidencia de los álabes de manera que esté por debajo de la frecuencia natural del modo de flexión de primer orden de la torre. En otras palabras, el controlador no ajusta el ángulo de Incidencia de los álabes para movimientos de torre con frecuencias por encima de la frecuencia natural del modo de flexión de primer orden de la torre.

Sin embargo, una turbina eòlica flotante tiene también otros modos de oscilación, además de los modos de flexión, lo que hace que el problema de tratar con una amortiguación negativa en turbinas eólicas flotantes sea mucho más complejo. Además, el sistema de la técnica anterior descrito anteriormente no trata con los modos de oscilación más importantes en una Instalación de turbina eòlica flotante.

La Fig. 2 muestra un espectro de potencia típico para las oscilaciones de una instalación de turbina eòlica flotante típica del tipo que tiene un diseño de tipo "boya de asta" alargado. La escala en el eje vertical es proporcional a la amplitud de las oscilaciones, que es proporcional a la raíz... [Seguir leyendo]

1. Un controlador de ángulo de incidencia de los álabes para una estructura de turbina eòlica fiotante que comprende una estructura de soporte que soporta un rotor que tiene una pluralidad de álabes, en el que el

controlador comprende:

medios estándar de control de ángulo de incidencia de los álabes; y medios de amortiguación activa;

en el que los medios estándares de control de ángulo de incidencia de los álabes están dispuestos para controlar un ángulo de incidencia de los álabes usando una función de transferencia entre un error de velocidad del rotor y el ángulo de incidencia de los álabes; en el que el ángulo de incidencia controlado de los álabes está caracterizado por el hecho de que

los medios de amortiguación activa están dispuestos para controlar adicionalmente el ángulo de incidencia de los álabes en base a una velocidad de un punto sobre la estructura de la turbina eòlica convirtiendo la velocidad de un punto sobre la estructura de la turbina eòlica a un error de velocidad del rotor y usando la misma función de transferencia que se usa en los medios estándares de control de ángulo de incidencia de los álabes para convertir el error de velocidad del rotor a una corrección del ángulo de incidencia de los álabes.

2. Controlador de ángulo de incidencia de los álabes según la reivindicación 1, en el que los parámetros del controlador pueden ser cambiados mediante una operación remota.

3. Controlador de ángulo de incidencia de los álabes según la reivindicación 1 o 2, en el que los medios de amortiguación activa comprenden un filtro paso bajo, y en el que el filtro paso bajo está dispuesto preferiblemente para filtrar los cambios en la velocidad de un punto pobre la estructura de la turbina eòlica con frecuencias por encima de la frecuencia natural de las oscilaciones de cuerpo rígido de la estructura de turbina eòlica en el ángulo

de incidencia.

4. Controlador de ángulo de incidencia de los álabes según la reivindicación 3, en el que el filtro paso bajo está dispuesto para filtrar los cambios en la velocidad de un punto sobre la estructura de la turbina eòlica con frecuencias por encima de 0,05 Hz, y preferiblemente por encima de 0,04 Hz.

5. Controlador de ángulo de Incidencia de los álabes según la reivindicación 3 o 4, en el que el filtro paso bajo es un filtro agudo y/o un filtro Butterworth paso bajo de segundo o tercer orden.

6. Controlador de ángulo de Incidencia de los álabes según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que:

los medios de amortiguación activa comprenden medios de ganancia de amortiguación activa que convierten la velocidad de un punto sobre la estructura de la turbina eòlica a un error de velocidad del rotor; y/o

los medios de ganancia de amortiguación activa están dispuestos para reducir o prevenir la amortiguación negativa de las oscilaciones de cuerpo rígido de la estructura de turbina eòlica en el ángulo de incidencia; y/o

los medios de ganancia de amortiguación activa están dispuestos para proporcionar una amortiguación neta positiva de las oscilaciones de cuerpo rígido de la estructura de turbina eòlica en el ángulo de incidencia.

7. Controlador de ángulo de Incidencia de los álabes según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la función de transferencia que se usa tanto en los medios de amortiguación activa como en los medios estándares de control de ángulo de Incidencia de los álabes se implementa en forma de un controlador proporcional integral.

8. Controlador de ángulo de incidencia de los álabes según la reivindicación 7, en el que el controlador comprende dos controladores proporcionales integrales, uno en los medios de amortiguación activa y uno en los medios estándares de control de ángulo de incidencia de los álabes, o en el que el controlador comprende un controlador proporcional Integral que está dispuesto para ser usado tanto por los medios de amortiguación activa como por los medios estándares de control de ángulo de incidencia de los álabes.

9. Controlador de ángulo de Incidencia de los álabes según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el ángulo de Incidencia de los álabes puede ser ajustado por separado para cada álabe de rotor.

10. Un procedimiento para controlar el ángulo de incidencia de los álabes de una estructura de turbina eòlica flotante que comprende una estructura de soporte que soporta un rotor que tiene una pluralidad de álabes, en el que el procedimiento comprende:

ajustar un ángulo de Incidencia de los álabes en base a la salida de una función de transferencia entre un error

de velocidad del rotor y el ángulo de Incidencia de los álabes; y

ajustar adlclonalmente el ángulo de Incidencia de los álabes en base a una velocidad horizontal de un punto sobre la estructura de la turbina eóllca;

en el que la velocidad de un punto sobre la estructura de la turbina eóllca es convertida a un error de velocidad del rotor, que es convertido a continuación a un ángulo de Incidencia de los álabes usando la misma función de transferencia.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, en el que el ángulo de Incidencia de los álabes se ajusta sólo adlclonalmente para cambios en la velocidad de un punto sobre la estructura de la turbina eóllca con frecuencias por encima de un valor determinado, en el que el valor determinado está preferiblemente por encima de la frecuencia natural de las oscilaciones de cuerpo rígido de la estructura en el ángulo de Incidencia, es preferiblemente de 0,05 Hz y más preferiblemente es de 0,04 Hz.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, en el que los cambios en la velocidad de un punto sobre la estructura de la turbina eóllca son filtrados usando un filtro paso bajo, en el que el filtro paso bajo es preferiblemente un filtro Butterworth paso bajo de segundo o tercer orden.

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en el que la velocidad de un punto sobre la estructura es convertido a un error de velocidad del rotor usando unos medios de ganancia de amortiguación activa; en el que los medios de ganancia de amortiguación activa están dispuestos preferiblemente para reducir o prevenir la amortiguación negativa de las oscilaciones de cuerpo rígido de la estructura de turbina eóllca en el ángulo de Incidencia, y/o en el que los medios de ganancia de amortiguación activa están dispuestos preferiblemente para proporcionar una amortiguación neta positiva de las oscilaciones de cuerpo rígido de la estructura de turbina eóllca en el ángulo de Incidencia.

14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, en el que la función de transferencia que se usa tanto en los medios de amortiguación activa como en los medios estándares de control de ángulo de incidencia de los álabes es ¡mplementada en forma de un controlador proporcional Integral.

15. Una Instalación de turbina eóllca flotante que comprende un controlador de ángulo de incidencia de los álabes según cualquiera de las la reivindicaciones 1-9 o controlada según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14.