BRPI0618151A2

BRPI0618151A2 - método com relação a uma instalação de turbina eólica para amortecer vibrações de torre

Info

Publication number: BRPI0618151A2
Application number: BRPI0618151-1A
Authority: BR
Inventors: Finn Gunnar Nielsen; Bjorn Skaare; John Olav Giaever Tande; Ian Norheim; Kjetil Uhlen
Original assignee: Statoilhydro Asa
Priority date: 2005-11-01
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2012-02-28
Also published as: JP2009513881A; HK1182160A1; CN102943743B; NO20055118L; NO20055118D0; WO2007053031A1; BRPI0618151A8; CN101300422B; NO325856B1; ES2560504T3; EP1952017B1; CN101300422A; BRPI0618151B1; US20080260514A1; EP1952017A1; CA2627148A1; CA2627148C; EP1952017A4; US8186949B2; PL1952017T3

Abstract

MéTODO COM RELAçãO A UMA INSTALAçãO DE TURBINA EóLICA PARA AMORTECER VIBRAçõES DE TORRE. Um método com relação a uma instalação de turbina eólica para amortecer vibrações de torre, em particular uma instalação de turbina eóliea flutuante incluindo uma célula flutuante, uma torre arranjada sobre a célula flutuante, um gerador montado na torre que é rotativo em relação à direção de vento e provido com uma turbina eólica, e um arranjo de linha de âncora conectado a âncoras ou fundações no leito de mar. As vibrações próprias da torre <sym>~eig~, são amortecidas, além de controle com o controlador na faixa de potência ou RPM constante da turbina eólica, por um incremento <30><225>, sendo adicionado ao ângulo de lâmina das lâminas de turbina na base das velocidades de torre <30>Z, de forma que as vibrações próprias sejam contrariadas. As vibrações em <225> que tem freqüência <sym>~eig~ podem expedientemente ser amortecidas por meio de um estabilizador com a função de transferência H~stab~(s) entre as velocidades de torre <30>Z, e o ângulo de lâmina <30><225>, que é tal que a função de transferência de malha H~<225>-<30>z_dot~(j<sym>~eig~).H~stab~(j<sym ~eig~)=-b, que significa que: (I) onde 'b' é uma variável dependendo do momento e características de empuxo das lâminas de turbina.

Description

"MÉTODO COM RELAÇÃO A UMA INSTALAÇÃO DE TURBINA EÓLICA PARA AMORTECER VIBRAÇÕES DE TORRE"

O método presente relaciona-se a um método em conexão com uma instalação de turbina eólica para amortecer vibrações de torre, em particular uma instalação de turbina eólica flutuante. A instalação de turbina eólica inclui uma célula flutuante, uma torre arranjada sobre a célula flutuante, um gerador montado na torre que é rotativo em relação à direção de vento e provido com uma turbina eólica, e um arranjo de linha de âncora conectado a âncoras ou fundações no leito de mar.

O desenvolvimento de turbinas eólicas ancoradas flutuantes que podem ser usadas a grandes profundidades aumentará fortemente acesso a áreas para a expansão de energia de vento em mar. Tecnologia atual para turbinas eólicas localizadas em mar é limitada consideravelmente a torres instaladas permanentemente a baixas profundidades, sob aproximadamente 30 m.

Instalações permanentes a profundidades mais de 30 m geralmente resultam em problemas técnicos e custos altos. Isto significou que, até agora, profundidades de mar de mais que ao redor 30 m foram consideradas desfavoráveis tecnicamente e comercialmente para a instalação de turbinas eólicas.

Com soluções flutuantes a maiores profundidades de mar, o problema de fundação e custos associados com instalações complicadas, intensivas em mão-de-obra, podem ser evitados. Uma turbina eólica que está montada em uma fundação flutuante se moverá por causa das forças do vento e ondas. Um bom projeto de fundação de turbina eólica assegurará que os períodos próprios do sistema para movimentos de célula rígidos (surto, balanço, arfada, agitação, passo e guinada) estão fora da gama de período para ondas do mar, que é aproximadamente 5-20 segundos.

Ainda haverá forças que atuam com relação aos períodos próprios para o sistema (vagas, forças de onda não lineares, flutuações em velocidade de vento, forças atuais, etc.). Se tais forças não forem para produzir movimentos inaceitáveis, elas não devem ser grandes demais, e o sistema deve ter amortecimento para os períodos pertinentes.

A presente invenção representa uma solução, mais precisamente um método, para amortecimento efetivo de vibrações de torre para instalações de turbina eólica. Os resultados produzidos em testes de simulação mostram que vibrações com relação ao período próprio do sistema foram amortecidas por um fator de aproximadamente 10 usando o método de acordo com a presente invenção.

A presente invenção é caracterizada pelas características como definidas na reivindicação independente anexa 1.

Reivindicações dependentes 2-8 definem características vantajosas da presente invenção.

A presente invenção será descrita em detalhe adicional no seguinte usando exemplos e com referência aos desenhos anexos, onde:

Figura 1 mostra um diagrama com várias faixas de RPM para uma turbina eólica com controle de RPM e passo de rotor;

Figura 2 mostra uma seção de controlador de ângulo de lâmina e um esboço da função de transferência entre o ângulo de lâmina do rotor de turbina eólica e a velocidade de torre;

Figura 3 mostra a função de transferência entre o ângulo de lâmina e a velocidade de torre como também a função de transferência para um estabilizador que amortece vibrações com a freqüência própria das vibrações de torre;

Figura 4 mostra um esboço do estabilizador que é projetado para amortecer vibrações com a freqüência própria da torre;

Figura 5 mostra a resposta de freqüência (diagrama de Bode) do estabilizador projetado mostrado na Figura 4. As setas definem amplitude e fase com relação à freqüência própria da dinâmica de torre;

Figura 6 mostra a solução de estabilizador incluída na solução de controle de acordo com a presente invenção;

Figura 7 mostra diagramas baseados em testes de simulação, com e sem um estabilizador, com relação a, respectivamente, deslocamento horizontal do topo da torre, ΔΖ, e potência ativa (pu) provida à grade a uma velocidade de vento média de 17,34 m/s;

Figuras 9-10 mostram diagramas baseados em testes de simulação, com e sem um estabilizador, com relação a, respectivamente, deslocamento horizontal do topo da torre, ΔΖ, e potência ativa (pu) provida à grade a uma velocidade de vento média de 20,04 m/s;

Figura 11 mostra um diagrama geral de uma turbina eólica incluindo o estabilizador de acordo com a presente invenção.

Quando o vento atua em uma instalação de turbina eólica, as forças do vento contribuirão para movimentos na fundação. Porém, as forças da turbina eólica dependem de como a turbina é controlada, isto é, como a RPM e o passo das lâminas de turbina variam com velocidade de vento. Os algoritmos de controle variarão com a velocidade de vento. Uma filosofia de controle típica para turbinas eólicas baseadas em terra é mostrada na Figura 1. Com referência a esta Figura, pode ser visto que:

• Na faixa de iniciação, forças pequenas atuam na turbina eólica. As forças de vento terão pequeno efeito nos movimentos. Se os movimentos forem afetados pelas forças de vento, é possível controlar a turbina aproximadamente como na faixa de RPM variável.

Na faixa de RPM variável, há um ângulo de passo aproximadamente constante para as lâminas de turbina. A pontaria é controlar a RPM para a turbina de forma que potência máxima possa ser produzida a qualquer hora, dada a velocidade de vento relativa momentânea contra a turbina. A velocidade de vento relativa consiste em velocidade de vento média, variação em velocidade de vento e o movimento (velocidade) da torre. Isto significa que haverá potência aumentada e empuxo aumentado da turbina quando o vento aumenta. Em troca, se o sistema (a turbina eólica, incluindo a fundação) se mover contra o vento com um passo combinado e movimento de surto, isto requer velocidade de vento aumentada para a turbina, e o empuxo aumenta. Isto é equivalente a uma força de amortecimento (uma força que atua contra a velocidade). Nesta faixa de velocidade de vento, a força de vento na turbina portanto contribuirá com amortecimento positivo ao sistema. Isto contribuirá para movimentos reduzidos com relação aos períodos próprios do sistema.

• Na faixa de momento constante, a potência nominal da turbina é alcançada. É então habitual manter RPM aproximadamente constante e controlar o momento e assim a potência regulando o ângulo de passo das lâminas de turbina. A pontaria é manter potência aproximadamente constante. Se a velocidade de vento aumentar, o ângulo de passo é aumentado para reduzir o momento. Isto também produz empuxo reduzido apesar da velocidade de vento aumentada. Ao contrário do que acontece na faixa de RPM variável, o resultado é assim um efeito de amortecimento negativo. Um sistema de controle padrão tentará ajustar todas as variações de potência que são devido a mudanças na velocidade de vento relativa contra a turbina. Isto é feito mudando o ângulo de passo das lâminas de forma que o momento na turbina seja mantido constante apesar da variação em velocidade relativa. Isto resultará na turbina eólica contribuir com amortecimento de sistema negativo, que assim aumenta o movimento da torre com relação aos períodos próprios. Isto pode produzir movimentos inaceitavelmente grandes.

Com a presente invenção, foi achado que os algoritmos de controle devem ser modificados para prevenir a ligação negativa entre controle das turbinas eólicas e os movimentos do sistema.

É desejável manter RPM aproximadamente constante e o momento na faixa de "momento constante", mas, usando filtragem apropriada e algoritmos de controle, que serão descritos em detalhe adicional no seguinte, a turbina ainda é prevenida de prover amortecimento negativo com relação à ressonância. Na realidade, a filosofia de controle esboçada proverá amortecimento positivo com relação à ressonância e assim reduzirá os movimentos do sistema. A filosofia de controle de acordo com a presente invenção resultará caso contrário só em flutuações secundárias em potência produzida. Isto é demonstrado através de simulações numéricas. Além disso, os movimentos reduzidos contribuirão significativamente à carga reduzida na turbina eólica e à estrutura de torre.

Figura 2 mostra uma seção de um controlador de ângulo de lâmina, com controle proporcional e integral (PI), e um esboço da função de transferência.

<formula>formula see original document page 6</formula>

entre o ângulo de lâmina, β, e a velocidade de torre horizontal. Esta é a mudança requerida no ângulo de lâmina de turbina para manter potência constante na turbina quando a velocidade relativa muda.

Uma vibração em β que tem uma freqüência igual à freqüência Qeig das vibrações de torre, pela função de transferência Hp_Az_dot(s), resultará no movimento da torre AZ dado pela amplificação e fase de Hp_AZdot(s) para weig.

E dado que:

<formula>formula see original document page 6</formula>

Para amortecer as vibrações em β com freqüência weig é possível projetar um estabilizador com a função de transferência Hstab(s) entre ΔΖ e Δβ que seja tal que a função de transferência de malha Hp.

<formula>formula see original document page 6</formula>

-b. Isto significa que:

<formula>formula see original document page 6</formula>

onde "b" é um amplificador de controle variável. Isto é selecionado na base de obter melhor amortecimento possível das oscilações de torre e ao mesmo tempo evitando excitação indesejada de outras freqüências próprias dependendo do momento de lâmina de turbina e característica de empuxo.

Tal função de transferência assegurará que o ângulo de lâmina não seja ajustado para as flutuações de velocidade que ocorrem com relação à freqüência própria da torre. Isto produzirá amortecimento dependente de freqüência. Com relação à freqüência própria da torre, este amortecimento será equivalente ao amortecimento produzido com um sistema de passo constante. Se a amplificação for aumentada, o amortecimento pode ser aumentado ademais. Se for reduzido, o amortecimento será reduzido até que nós alcancemos um limite a contribuição de amortecimento aproximadamente zero.

Para assegurar que o estabilizador não tenha um efeito indesejado em β a freqüências que são consideravelmente diferentes da freqüência própria das vibrações de torre, é importante para Hstab(s) ter filtros necessários que filtram estas freqüências (veja a seção posterior).

Figura 3 mostra um exemplo da função de transferência entre o ângulo de lâmina e a velocidade de torre como também a função de transferência para um estabilizador que amortece vibrações com a freqüência própria das vibrações de torre.

Se nós dermos uma olhada no sistema mostrado na Figura 3 e chamarmos o sinal que entra da esquerda (variação em ângulo de lâmina) βο, nós podemos estabelecer a expressão para as vibrações de torre ΔΖ como:

<formula>formula see original document page 7</formula> (2.1)

Para as vibrações de torre, nós obtemos então:

<formula>formula see original document page 7</formula> (2.2)

Aqui, His(s) é a função de transferência para a malha fechada, incluindo o estabilizador, de β0 a Δ Z.

Amortecimento adicional que amortece as vibrações de torre a uma dada freqüência ωειε pode ser projetado fazendo: <formula>formula see original document page 8</formula>

Deveria ser notado que qualquer estabilizador projetado de acordo com os critérios em (2.3) que reduzirá as vibrações de torre, necessariamente não proverá o sistema com amortecimento suficiente para fazê-lo estável. Portanto, além disso, é necessário exigir que o sistema seja estável ao selecionar os parâmetros de controlador para a turbina em questão.

Um exemplo era baseado na freqüência própria das vibrações de torre, weig, sendo aproximadamente igual a 0,5 radianos/s (feig =0,0795 Hz), isto é, em uma vibração da torre tendo um período de aproximadamente 12,57 s. O estabilizador de acordo com a presente invenção, que foi criado para amortecer as vibrações de torre que vibram com a freqüência própria, então tinham uma função de transferência como mostrada na Figura 4.

Um mapa de Bode desta função de transferência é mostrado na Figura 5. A Figura mostra a resposta de freqüência do estabilizador projetado. As setas definem amplitude e fase com relação à freqüência própria da dinâmica de torre.

No diagrama elementar mostrado na Figura 6, a solução de estabilizador está incluída na solução de controle de acordo com a presente invenção, e a Figura mostra como o sinal de saída do estabilizador é projetado para modular o ângulo de lâmina da turbina, β.

O princípio da solução de acordo com a presente invenção é assim amortecer as vibrações próprias da torre controlando o ângulo de lâmina das lâminas de turbina de forma que as vibrações próprias sejam contrariadas. O estabilizador é projetado de forma que só tenha que afetar o ângulo de lâmina na faixa de freqüência perto da freqüência própria das vibrações de torre, G)eig. Um filtro de passa-alta assegura que nenhuma (zero) amplificação seja provida a baixas freqüências, e um filtro de passa-baixa assegura que nenhuma (zero) amplificação seja provida a freqüências altas. Além disso, um filtro compensador de fase deve ser sintonizado de forma que a distorção de fase no estabilizador seja tal que amortecimento adicional, Δβ (+ ou -), amorteça as vibrações em AZque são causadas pela freqüência própria das vibrações de torre, cüejg. Em outras palavras, isto significa que o ângulo de lâmina é afetado por uma amplitude e fase em relação à velocidade da torre ΔΖ de tal modo que amorteça as vibrações na torre que tem freqüência weig.

Usar o estabilizador conduz a turbina experimentar uma velocidade de vento relativa com influência grandemente reduzida das vibrações próprias da torre em relação a uma situação na qual o estabilizador não é usado. Além disso, a torre vibrará fisicamente muito menos quando um estabilizador é usado.

Testes de simulação

Na base da solução de controle como descrita acima, testes de simulação foram efetuados para duas séries de vento com uma velocidade de vento média de 17,43 m/s, e 20,04 m/s. Estas velocidades foram selecionadas porque a necessidade por amortecimento é maior a tais velocidades de vento altas, isto é, quando as turbinas são operadas em modo de potência constante.

Figuras 7 e 8 mostram uma seleção de resultados da simulação de séries de vento a 17,43 m/s, com e sem estabilizadores para amortecer vibrações de torre.

Figura 7 mostra que há vibrações de torre consideráveis quando a turbina corre em modo de potência constante e o estabilizador não é usado. Isto também resulta em flutuações grandes em potência provida à grade (veja Figura 8). As amplitudes altas nas vibrações de torre podem ser explicadas como segue:

Na faixa de RPM constante, o empuxo é reduzido quando a velocidade de vento aumenta. Se a torre assumir uma velocidade traseira, a velocidade de vento relativa que a torre experimenta será reduzida. O ângulo de lâmina (passo) será ajustado (aumentado) para manter o momento e assim potência constante. Assim, o empuxo também aumentará apesar da velocidade de vento relativa reduzida. Por conseguinte, quando a torre se mover a uma velocidade contra a direção de vento, a velocidade de vento relativa aumentará. O ângulo de lâmina (passo) será ajustado (reduzido) para reduzir o momento. Isto também reduzirá o empuxo. Este método de regular a turbina assim produzirá uma variação no empuxo que atua na mesma direção como o movimento de torre. Isto é, amortecimento negativo. Isto resultará em uma amplificação do movimento de torre, em particular próximo ao período de ressonância da torre no qual o movimento é controlado por amortecimento. Estas são as vibrações de torre que o estabilizador descrito acima foi projetado para amortecer. No exemplo em questão, as vibrações são tão grandes que, até mesmo se a turbina correr em modo de potência constante, não é capaz de prover potência constante, Figura 8.

Se o estabilizador de acordo com a presente invenção for usado, Figura 7 mostra que as vibrações de torre são bem amortecidas, e Figura 8 mostra que a variação de potência também é reduzida consideravelmente. O estabilizador assim produz o efeito desejado. Em partes da simulação, a amplitude das vibrações de torre é reduzida de mais de 10 m sem um estabilizador para abaixo de 1 m com um estabilizador.

Figura 9 e Figura 10 mostram os resultados para o caso com velocidade de vento de 20,04 m/s. Pode ser visto que a turbina provê potência aproximadamente constante sem um estabilizador, Figura 9, mas que as vibrações de torre produzem gradualmente flutuações grandes, Figura 10. Se um estabilizador for usado, a potência permanece aproximadamente constante, enquanto uma redução considerável no movimento de torre é alcançada.

Figura 11 mostra um diagrama geral de uma turbina eólica incluindo o estabilizador de acordo com a presente invenção. Legenda para as figuras:

ut - Velocidade de vento resultante na turbina

β - Ângulo de lâmina

Tturb - Momento mecânico no lado de turbina do eixo

Tg - Momento mecânico no lado de eixo de gerador do eixo

Wt - RPM no lado de turbina do eixo

Wg - RPM no lado de eixo de gerador do eixo

ng - Conversão de guinada (no presente documento isto é igual a 1)

Uf - Tensão interna do gerador de ímã permanente

ng - Freqüência da tensão de terminal do gerador de ímã permanente

Ps - Potência ativa provida do gerador de ímã permanente

Us- Tensão de terminal de gerador de ímã permanente

Ud - Tensão no circuito intermediário de CC

fn - Freqüência da tensão de CA

Qnet - Potência reativa provida da turbina eólica à grade

Em resumo, o estabilizador atua recebendo o sinal associado com a mudança em velocidade de torre, ΔΖ, de um sensor (não mostrado) na forma de um acelerômetro ou semelhante. O sinal é "processado" pelo estabilizador, que emite um sinal novo a um controlador para as lâminas de rotor mudarem o ângulo de passo, Δβ, das lâminas para alcançar o amortecimento desejado das vibrações na torre como descrito acima.

A invenção, como está definida nas reivindicações, não está limitada aos exemplos descritos acima. Portanto, o passo das lâminas de turbina da turbina eólica pode ser controlado juntamente, isto é, o mesmo ângulo de passo, β, para todas as lâminas, ou individualmente com um ângulo de passo diferente para cada lâmina. Além disso, embora a presente invenção tenha sido desenvolvida especificamente para instalações de turbina eólica flutuantes, também pode ser usada para torres de turbina eólica em que a flexibilidade na torre como tal é relativamente alta, ou uma combinação de uma instalação de turbina eólica flutuante e uma torre flexível.

Claims

1. Método com relação a uma instalação de turbina eólica para amortecer vibrações de torre, em particular uma instalação de turbina eólica flutuante incluindo uma célula flutuante, uma torre arranjada sobre a célula flutuante, um gerador montado na torre que é rotativo em relação à direção de vento e provido com uma turbina eólica, e um arranjo de linha de âncora conectado a âncoras ou fundações no leito de mar, o gerador é controlado na base da velocidade de vento, controlando o ângulo de lâmina das lâminas de turbina, por meio de um controlador, preferivelmente na faixa de potência ou RPM constante da turbina eólica, caracterizado pelo fato de que as vibrações próprias da torre, weig, são amortecidas, além do controle do controlador na faixa de potência ou RPM constante da turbina eólica, por um incremento, Δβ, sendo adicionado ao ângulo de lâmina das lâminas de turbina na base das velocidades de torre, ΔΖ, de forma que as vibrações próprias sejam contrariadas.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as vibrações ΔΖ que têm freqüência coejg são amortecidas por meio de um estabilizador com a função de transferência Hstab(s) entre as velocidades de torre, ΔΖ, e o ângulo de lâmina, Δβ.

3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a função de transferência Hstab(s) entre as velocidades de torre ΔΖ, e o ângulo de lâmina, Δβ, é tal que a função de transferência de malha <formula>formula see original document page 13</formula> que significa que: <formula>formula see original document page 13</formula> onde "b" uma variável é que depende do momento e características de empuxo das lâminas.

4. Método de acordo com as reivindicações 2 e 3, caracterizado pelo fato de que a função de transferência Hstab(s) entre as velocidades de torre ΔΖ, e o ângulo de lâmina, Δβ, é tal que a função de transferência de malha <formula>formula see original document page 14</formula> - 1, que significa que: <formula>formula see original document page 14</formula>

5. Método de acordo com as reivindicações 1-4, caracterizado pelo fato de que o estabilizador é provido com um filtro de passa-alta que assegura que nenhuma (zero) amplificação seja provida a baixas freqüências.

6. Método de acordo com as reivindicações 1-4, caracterizado pelo fato de que o estabilizador é provido com um filtro de passa-baixa que assegura que nenhuma (zero) amplificação seja provida a altas freqüências.

7. Método de acordo com as reivindicações 1-4, caracterizado pelo fato de que o estabilizador é provido com um filtro compensador de fase que é sintonizado de forma que a distorção de fase no estabilizador seja tal que Δβ amorteça as vibrações em ΔΖ que são causadas pela freqüência própria das vibrações de torre, coeig.

8. Método de acordo com as reivindicações 1 -7, caracterizado pelo fato de que o passo, β, de cada uma das lâminas de turbina é controlado individualmente.