Sistema y método de control de aerogenerador.

Sistema y método de control de aerogenerador.

Se describen un sistema y un método de control de un aerogenerador para operar el mismo en operación de rendimiento óptimo en situaciones en las que se producen incidencias.

Para ello se llevan a cabo una serie de medidas de elementos del entorno del aerogenerador que inciden en el mismo para poder calcular unas consignas de ángulo de paso de palo que se hacen llegar a los actuadores de las palas para reorientar o mover las mismas hasta posiciones designadas en función de dicha consigna de ángulo de paso de pala. El método aquí descrito se basa, entre otros parámetros, en la velocidad del viento; de tal manera que se prevén al menos dos posibles situaciones de control en función de dicha velocidad: una cuando la velocidad es inferior a un valor nominal y otra cuando dicha velocidad es superior a un valor nominal.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se enmarca en el campo de la generación de energía eléctrica a partir de energía eólica.

El objeto de la invención consiste en un método de control de aerogeneradores que comprende manipular el mismo en función de un ángulo de paso de pala que proporciona la máxima captura de energía, previo cálculo del mismo en distintas condiciones.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Hoy en día es habitual el empleo de energías renovables para la generación eléctrica, siendo de entre ellas la energía eólica una de las más eficientes. La energía eólica permite generar electricidad a partir del viento mediante aerogeneradores. Dichos aerogeneradores constan básicamente de una torre, una góndola que alberga el generador eléctrico, un rotor

formado a su vez por al menos dos palas, y un tren de potencia que transmite potencia del rotor hacia el generador eléctrico. El tren de potencia puede comprender una multiplicadora con un eje de baja velocidad conectado al rotor y un eje de alta velocidad conectado al generador eléctrico.

En aerogeneradores multimegawatio, existe una tendencia hacia rotores mayores, que proporcionan energía a un coste menor. En dichas configuraciones existe una importancia creciente del sistema de control. Dicho sistema permite maximizar la producción de energía a la par que limita las cargas mecánicas producidas por el viento. Para ello, el sistema de control actúa sobre el ángulo de paso de pala –ángulo de paso de pala-y sobre el par

demandado al generador.

Por una parte, el ángulo de paso de pala se controla mediante actuadores dispuestos en la raíz de cada pala, que hacen girar la pala en torno a su eje longitudinal. Dicha actuación consigue variar el comportamiento aerodinámico de la pala. Por otra parte, el sistema de control regula el par demandado al generador desde el convertidor.

El control de par en función de la velocidad del generador eléctrico Ω incluye diferentes zonas de control:  una primera zona de control (a velocidades de viento bajas) en que el par se regula para mantener la velocidad de giro constante;

 conforme la velocidad de viento aumenta, se entra en una zona de control en que la demanda de par eléctrico T se realiza de modo que se mantiene el ratio entre la velocidad de punta de pala y la velocidad de viento en la altura de buje (conocido por su término en inglés Tip Speed Ratio (TSR) ) en un valor óptimo que maximiza la captura de potencia aerodinámica del viento;

 una vez se alcanza la velocidad de giro máxima, el par se regula para mantener la velocidad de giro constante en dicho valor máximo hasta alcanzar la potencia nominal del aerogenerador. Esto sucede a una velocidad de viento a la que se denominará en adelante velocidad de viento nominal.

El control de paso de pala incluye también diferentes zonas de control:  Una zona de control por debajo de la velocidad de viento nominal, i.e. por debajo de potencia nominal, en la que se aplica una consigna de paso de pala que sirve para maximizar la captura de energía del viento para cada velocidad de viento incidente. Habitualmente, como señal de viento incidente se emplea una velocidad de viento media calculada a partir de medidas realizadas a la altura del buje por un anemómetro situado ahí. En función del valor que toma dicha velocidad de viento media, en esta zona de control se calcula y aplica una única consigna de ángulo de paso de pala para las tres palas.

 Una zona de control por encima de la velocidad de viento nominal en que se regula 25 el ángulo de pitch con objeto de mantener la potencia constante (habitualmente en un valor igual a la potencia nominal) .

El ángulo de paso de pala para cada velocidad de viento incidente se aplica a las tres palas conjuntamente.

Sin embargo, en la zona de control por debajo de la velocidad de viento nominal, el hecho de que el ángulo de paso de pala se calcule en función de la velocidad de viento media (o una señal indicativa de la misma como la potencia y/o el ángulo de paso de pala) hace que no se tengan en cuenta efectos como la cortadura del viento (cortadura) , inclinación de flujo (upflow) o desalineamiento de la nacelle con respecto a la dirección del viento; efectos que

son en gran medida independientes de la velocidad de viento media. Esto propicia que el ángulo de paso de pala calculado en función de la velocidad de viento media no sea siempre el óptimo desde el punto de vista de la producción.

Con el fin de incrementar la producción en regímenes de viento por debajo dela velocidad de viento nominal, el documento EP2556249 describe un método de control consistente en controlar la actuación de las palas (ángulo de paso de pala o elementos de control alternativos) para maximizar de manera independiente el par motriz de cada pala por debajo de la velocidad de viento nominal. El controlador calcula de manera independiente las consignas de paso de pala para cada una de las palas de manera que se maximice el par motriz de cada una de ellas cuando se determina que la velocidad del viento o la fuerza que actúa sobre las palas está por debajo de la velocidad de viento nominal con el fin de incrementar la producción en dicho régimen de viento. Para implementar dicho método de control es necesario conocer el par motriz de cada pala, para lo cual son necesarios sensores de cargas individuales por pala, cuya fiabilidad y precisión es crítica para conseguir maximizar dicha producción, pudiendo llegar incluso al daño de las palas si proveen una mala medida. .Además, si dichos sensores se dañan, habría que esperar hasta la reparación para continuar llevando a cabo el método de control descrito.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención es un método y un sistema de control para un aerogenerador que permite maximizar la producción y reducir las cargas de una manera robusta y sencilla con respecto a las propuestas del estado de la técnica anteriormente citadas. en Para ello, el sistema y método de control de aerogenerador aquí descritos permiten modificar el ángulo de paso de pala de cada pala según una consigna calculada teniendo exclusivamente en cuenta para ello información de la posición de cada pala la pala y de la distribución de viento.

En concreto, es un objeto de la invención un método de control de un aerogenerador que comprende:  un rotor con una pluralidad de palas, las cuales comprenden a su vez respectivos actuadores configurados para variar un ángulo de paso de cada pala,  y una unidad de control, estando el método caracterizado porque comprende :  obtener al menos un valor indicativo de la distribución de viento en un área 4

barrida por el rotor y,

 determinar una posición acimutal para cada pala,

 calcular para cada pala una consigna de ángulo de paso de pala variable según una función periódica que establece un ángulo de paso de pala en función de la posición acimutal de la pala, donde la función periódica tiene un periodo sustancialmente igual al de rotación del rotor y una fase dependiente de al menos un valor indicativo de la distribución de viento en el área barrida por el rotor, y

 hacer llegar a los actuadores la consigna de ángulo paso de pala.

De esta manera, se reduce la complejidad del sistema requerido para optimizar el funcionamiento del aerogenerador, pues se prescinde de medidas de los sensores de cargas de las palas para llevar a cabo el control de paso de pala.

El efecto sobre cada pala de fenómenos que afectan a la distribución de viento en el área barrida por el rotor (como la cortadura del viento, el upflow o el desalineamiento) depende en gran medida de su posición acimutal (ángulo de giro con respecto al eje de rotor) , i.e. las palas no experimentan las mismas condiciones de viento en todas ellas. Mediante el método de control descrito, el ángulo de paso de cada pala se calcula teniendo en cuenta la posición acimutal de cada pala de manera que permite maximizar producción y reducir cargas sin empleo de sensores de cargas de palas, una vez caracterizada la distribución de viento en el área barrida por el rotor.

Para la determinación de la posición acimutal de cada pala se emplea un sensor de posición acimutal de rotor, consistente en un detector de paso del rotor por un cero, i.e. origen de la referencia y relacionado con la posición de una de las palas y un contador de paso por posiciones intermedias que dan un ángulo incremental con respecto a dicho origen. Cada para en un rotor de 3 palas está desfasada 120º, por lo que con la determinación...

1. Método de control de un aerogenerador que comprende:  un rotor con una pluralidad de palas, las cuales comprenden a su vez respectivos 5 actuadores configurados para variar un ángulo de paso de cada pala,  y una unidad de control, estando el método caracterizado porque comprende:  obtener al menos un valor indicativo de la distribución de viento en un área barrida por el rotor y, 10  determinar una posición acimutal para cada pala,

 calcular para cada pala una consigna de ángulo de paso de pala variable según una función periódica que establece un ángulo de paso de pala en función de la posición acimutal de la pala, donde la función periódica tiene un periodo sustancialmente igual al de rotación del rotor y una fase dependiente de al menos un valor indicativo de la distribución de viento en el área barrida por el rotor, y  hacer llegar a los actuadores la consigna de ángulo paso de pala.

2. Método de control de un aerogenerador según reivindicación 1 caracterizado porque el al

menos un valor indicativo de la distribución de viento en un área barrida por el rotor comprende al menos un valor relacionado con al menos una variable de entre el grupo consistente en: cortadura, dirección de viento, inclinación de flujo del viento y velocidad de viento.

3. Método de control de un aerogenerador según la reivindicación 1 caracterizado porque comprende determinar, a partir del al menos un valor indicativo de la distribución de viento en el área barrida por el rotor, una posición acimutal en la cual un valor de velocidad de viento es máximo.

4. Método de control de un aerogenerador según la reivindicación 3, caracterizado porque comprende comparar una señal indicativa del nivel de producción con un valor umbral de producción y porque cuando la señal indicativa del nivel de producción es menor que el valor umbral de producción la fase de la función periódica es tal que la función tiene un valor mínimo en la posición acimutal en la cual el valor de velocidad de viento es máximo.

5. Método de control de un aerogenerador según la reivindicación 3, caracterizado porque comprende comparar una señal indicativa del nivel de producción con un valor umbral de producción y porque cuando la señal indicativa del nivel de producción es mayor o igual que el valor umbral de producción la fase de la función periódica es tal que la función tiene un valor máximo en la posición acimutal en la cual el valor de velocidad de viento es máximo.

6. Método de control de un aerogenerador según la reivindicación 4 ó 5 caracterizado porque la señal indicativa del nivel de producción es la potencia eléctrica generada P y el valor umbral de producción es un valor umbral de producción igual a la potencia nominal

PNOM.

7. Método de control de un aerogenerador según la reivindicación 4 ó 5 caracterizado porque el valor umbral de producción es menor que el 80% del valor de potencia nominal

PNOM. 15

8. Método de control de un aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado porque la fase de la función periódica tiene un valor predeterminado.

9. Método de control de un aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a

7 caracterizado porque la fase de la función periódica se calcula en función de el al menos un valor indicativo de la distribución de viento en el área barrida por el rotor.

10. Método de control de un aerogenerador según la reivindicación 8 caracterizado porque el valor predeterminado de la fase de la función periódica es tal que la función periódica alcanza su valor mínimo cuando la pala está en una posición sustancialmente vertical con su punta hacia arriba.

11. Método de control de un aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a caracterizado porque el al menos un valor indicativo de la distribución de viento en el 30 área barrida por el rotor se obtiene a partir de la medida de al menos un sensor.

12. Método de control de un aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11 caracterizado porque el al menos un valor indicativo de la distribución de viento en el área barrida por el rotor es un valor predeterminado.

13. Método de control de un aerogenerador según la reivindicación 12 caracterizado porque el al menos un valor de la distribución de viento en el área barrida por el rotor es diferente para diferentes sectores de dirección de viento.

14. Método de control de un aerogenerador según la reivindicación 12 ó 13 caracterizado porque al menos un valor la distribución de viento en el área barrida por el rotor es un valor característico del emplazamiento.

15. Método de control de un aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 caracterizado porque la función periódica tiene una amplitud dependiente del valor indicativo de la distribución de viento en el área barrida por el rotor.

16. Método de control de un aerogenerador según la reivindicación 15 caracterizado porque la amplitud de la función periódica es dependiente de la velocidad del viento y monótona 15 decreciente.

17. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16 caracterizado porque el valor indicativo de la distribución de viento en el área barrida por el rotor es un valor estimado a partir de valores históricos y en función de al menos uno de los siguientes:

dirección, velocidad e intensidad de turbulencia de viento, temperatura, época del año y hora del día.

18. Sistema de control de un aerogenerador que comprende:  un rotor con una pluralidad de palas, las cuales comprenden a su vez respectivos 25 actuadores adaptados para variar un ángulo de paso de cada pala,

 y una unidad de control, caracterizado porque la unidad de control se encuentra configurada para ejecutar el método de control descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17.