Sistema y procedimiento de control de una turbina eólica en base a la velocidad del viento a barlovento.

Un procedimiento de control de la producción de energía de un generador (10) de turbina eólica en respuesta a un cambio anticipado en la velocidad del viento,

que comprende:

detectar la velocidad del viento a una distancia deseada del generador (10) de turbina eólica en una dirección del viento;

determinar una señal de mando del paso de pala en base a una diferencia entre una velocidad de referencia del generador y la velocidad real del generador;

determinar una señal anticipada en base a la dinámica de la torre de la turbina eólica, en respuesta al cambio en la velocidad detectada del viento a barlovento, y acoplar la señal anticipada a la señal de mando del paso de pala para obtener una señal de mando del paso de pala colectiva; y

controlar el paso de una pala (14, 16 y 18) del generador (10) de turbina eólica en base a la velocidad transitoria del viento detectada antes de un cambio en la velocidad del viento en el generador (10) de turbina eólica.

Sistema y procedimiento de control de una turbina eólica en base a la velocidad del viento a barlovento La invención se refiere, en general, a turbinas de viento y, en particular, a un sistema y procedimiento para controlar la producción de energía de un generador de turbina de viento durante una ráfaga de viento, en base a la información del viento a barlovento, mientras se reducen los momentos de proa a popa y de lado a lado en la torre.

Las turbinas de viento son consideradas fuentes alternativas de energía respetuosas con el medio ambiente y relativamente baratas. Un generador de turbina de viento incluye generalmente un rotor del viento que tiene una pluralidad de palas que transforman la energía del viento en movimiento de rotación de un eje de tracción, que a su vez se utiliza para accionar un rotor de un generador eléctrico para producir energía eléctrica. En los sistemas modernos de generación de energía eólica, la producción de energía de una pluralidad de generadores de turbinas de viento, que comprende una "granja eólica", se combina típicamente con la transmisión a la red.

El documento WO 98/42980, por ejemplo, divulga una turbina de viento con un sistema de medida de la velocidad del viento.

La producción de energía de un generador de una turbina de viento aumenta generalmente con la velocidad del viento hasta que se alcanza una producción de energía nominal. A partir de entonces, la producción de energía generalmente se mantiene constante en el valor nominal incluso con un aumento en la velocidad del viento. Esto se consigue generalmente mediante la regulación de la acción de inclinación de las palas en respuesta a un aumento de la velocidad del viento. Con el aumento en la velocidad del viento más allá de la producción de energía nominal, las palas están generalmente inclinadas hacia la pluma (es decir, se tuercen para estar más estrechamente alineadas con la dirección del viento) , controlando así la velocidad angular del rotor. Como resultado, la velocidad del generador y, en consecuencia, la producción del generador se puede mantener relativamente constante con el aumento de las velocidades del viento.

En caso de ráfagas repentinas, la velocidad del viento puede aumentar drásticamente en un intervalo de tiempo relativamente pequeño. Mantener la producción de energía del generador de turbina de viento constante durante este tipo de ráfagas repentinas exige cambios relativamente rápidos del ángulo de paso de las palas. Sin embargo, hay típicamente un lapso de tiempo entre la aparición de una ráfaga y la inclinación real de las palas basado en la dinámica del actuador del control del paso y la inercia de los componentes mecánicos. Como resultado, la velocidad del generador y, por lo tanto la potencia, puede aumentar considerablemente durante tales ráfagas, y puede exceder el nivel de producción de energía máximo prescrito (también conocido como límite de sobrevelocidad) haciendo que el generador se desconecte y, en ciertos casos, se pare la turbina de viento. El límite de sobrevelocidad es generalmente una función protectora para el generador de turbina de viento particular y se basa en consideraciones de fatiga de los componentes mecánicos, tales como la torre, el tren de tracción, etc. Además, las ráfagas repentinas pueden también aumentar significativamente los momentos de flexión de proa a popa y de lado a lado en la torre debido al aumento en el efecto de cizalla del viento.

Por consiguiente, existe una necesidad de un mecanismo mejorado para controlar la inclinación de las palas de una turbina de viento manteniendo la producción de energía del generador durante ráfagas fuertes, a pesar de que se reducen los momentos de proa-popa y de lado a lado en la torre.

En resumen, de acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un procedimiento como el definido en la reivindicación 1 adjunta.

En otro aspecto, la presente invención proporciona un generador de turbina de viento como el definido en la reivindicación 6.

Varias características, aspectos y ventajas de la presente invención llegarán a entenderse mejor cuando se lea la siguiente descripción detallada con referencia a los dibujos adjuntos en los que caracteres similares representan partes similares a través de los dibujos, en donde:

La Fig. 1 ilustra un generador de turbina de viento de acuerdo con aspectos de la presente técnica;

La Fig. 2 ilustra los elementos funcionales del generador de turbina de viento de acuerdo con aspectos de la presente técnica;

La Fig. 3 es un diagrama esquemático que ilustra una estrategia de control para llevar a cabo controlar paso de pala colectivo de acuerdo con aspectos de la presente técnica;

La Fig. 4 es una representación gráfica de la variación con el tiempo de la velocidad del viento a la altura del buje durante la aparición de una ráfaga;

La Fig. 5 es una representación gráfica de la variación con el tiempo de la velocidad del generador durante la aparición de una ráfaga, de acuerdo con aspectos de la presente técnica;

La Fig. 6 es una representación gráfica de la variación con el tiempo de la producción de energía eléctrica del generador durante la aparición de una ráfaga, de acuerdo con aspectos de la presente técnica;

La Fig. 7 es una representación gráfica de la variación con el tiempo del momento de lado a lado en la torre durante la aparición de una ráfaga, de acuerdo con aspectos de la presente técnica; y La Fig. 8 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo de procedimiento para controlar el paso de pala colectivo de acuerdo con aspectos de la presente técnica.

La siguiente descripción presenta una novedosa técnica para controlar la producción de energía de un generador de turbina de viento durante los cambios repentinos en la velocidad del viento, tal como durante una ráfaga manteniendo la velocidad del generador dentro del límite de sobrevelocidad (o umbral de protección) durante tales ráfagas, evitando así la desconexión o parada del generador de turbina de viento durante las ráfagas de viento. Las realizaciones de la presente técnica proporcionan una metodología de detección orientada al control para obtener información de la velocidad del viento utilizando sensores de medición del viento a barlovento y un conjunto de algoritmos de control que procesan la información de la velocidad del viento a barlovento para generar una orden de mando de paso de palas colectivo para inclinar hacia delante las palas de la turbina de viento en el momento en que tiene lugar una ráfaga de viento, dando como resultado de ese modo un aumento en la captura de energía eólica y cargas dinámicas reducidas sobre la estructura de turbina de viento. Las realizaciones de la presente técnica se describen en detalle a continuación haciendo referencia en general a las Fig. 1-7.

Volviendo ahora a los dibujos, la Fig. 1 ilustra un generador 10 de turbina de viento de acuerdo con aspectos de la presente técnica. El generador 10 de turbina de viento comprende un rotor 12 que tiene una pluralidad de palas 14, 16 y 18 de la turbina de viento montada en un buje 20. El generador 10 de turbina de viento comprende también una góndola 22 que está montada en la parte superior de una torre 24. El rotor 12 está acoplado con accionamiento a un generador eléctrico a través del tren de tracción (no mostrado) alojado dentro de la góndola 22. La torre 24 expone las palas 14, 16, 18 al viento (representado direccionalmente por la flecha 26) , que hace que las palas 14, 16, 18 giren alrededor de un eje 28. Las palas 14, 16 y 18 transforman la energía cinética del viento en un par de giro, que se transforma adicionalmente en energía eléctrica a través de un generador eléctrico.

La Fig. 2 es un diagrama de bloques de los elementos funcionales del generador 10 de la turbina de viento de acuerdo con aspectos de la presente técnica. Como se ilustra, las palas del generador 10 de la turbina de viento accionan un generador 32 eléctrico. El generador 10 de la turbina de viento comprende además un controlador 30 configurado para controlar la producción de energía eléctrica del generador 32 en base a la velocidad del viento detectada. La producción de energía del generador 32 eléctrico se puede controlar mediante el control del paso de las palas mediante los motores 34 del paso de las palas. Controlando el par del entrehierro del generador 32 a través de uno o más transformadores 36 de energía también se puede controlar simultáneamente la producción de energía del generador.

Para bajas velocidades del viento, un aumento en la velocidad del viento provoca un aumento en la velocidad de rotación de las palas 14, 16,... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento de control de la producción de energía de un generador (10) de turbina eólica en respuesta a un cambio anticipado en la velocidad del viento, que comprende:

detectar la velocidad del viento a una distancia deseada del generador (10) de turbina eólica en una dirección del viento;

determinar una señal de mando del paso de pala en base a una diferencia entre una velocidad de referencia del generador y la velocidad real del generador;

determinar una señal anticipada en base a la dinámica de la torre de la turbina eólica, en respuesta al cambio en la velocidad detectada del viento a barlovento, y acoplar la señal anticipada a la señal de mando del paso de pala para obtener una señal de mando del paso de pala colectiva; y controlar el paso de una pala (14, 16 y 18) del generador (10) de turbina eólica en base a la velocidad transitoria del viento detectada antes de un cambio en la velocidad del viento en el generador (10) de turbina eólica.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que detectar la velocidad del viento comprende detectar la velocidad del viento a barlovento a través de un dispositivo (38) de detección y variación de la luz (LIDAR) .

3. El procedimiento de la reivindicación 1 o de la reivindicación 2, en el que detectar la velocidad del viento comprende detectar la velocidad del viento a barlovento por delante de al menos una parte específica de la pala (14, 16 y 18) en base a la contribución de esa sección al par aerodinámico en la pala.

4. El procedimiento de cualquier reivindicación anterior, en el que la señal anticipada se determina a través de una ganancia en base a la dinámica de la torre y a la dinámica del generador.

5. El procedimiento de la reivindicación 4, en el que la señal anticipada se basa además en la velocidad del viento detectada.

6. Un generador (10) de turbina eólica, que comprende:

una pluralidad de palas (14, 16, 18) montadas en un rotor (12) acoplado con tracción a un generador eléctrico;

un sensor (38) de velocidad del viento a barlovento configurado para detectar la velocidad del viento a una distancia deseada del generador (10) de turbina eólica en una dirección del viento;

un sistema (46) de control anticipado configurado para determinar una señal anticipada en base a la dinámica de la torre de la turbina eólica, en respuesta al cambio en la velocidad del viento a barlovento detectada, y acoplar la señal anticipada a una señal de mando de paso de pala para obtener una señal de mando de paso de pala colectiva; y un sistema (42) de control de paso configurado para controlar el paso de una pala del generador (10) de turbina eólica en base a la velocidad transitoria del viento detectada antes de un cambio en la velocidad del viento en el generador (10) de turbina eólica, en el que el sistema (42) de control de paso está configurado para controlar el paso de la pala (14, 16, 18) en base a una diferencia entre la velocidad de referencia del generador y la velocidad real del generador.