BRPI0720908A2

BRPI0720908A2 - amortecimento de movimento ressonante e de movimento simÉtrico de pÁ de turbina de vento usando mÉtodos de estimativa

Info

Publication number: BRPI0720908A2
Application number: BRPI0720908-8A
Authority: BR
Inventors: Clark Wilson Kitchener
Original assignee: Clipper Windpower Technology
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2007-06-18
Publication date: 2013-01-29
Also published as: NO20092760L; JP2010514978A; DE602007013287D1; EP2115299B1; WO2008081232A1; ATE502208T1; KR20090102749A; US20100111693A1; CA2669433A1; CN101627207A; EP2115299A1; AU2007341055A1; MX2009006956A; KR101208329B1; ES2361575T3

Abstract

AMORTECIMENTO DE MOVIMENTO RESSONANTE E DE MOVIMENTO SIMÉTRICO DE PÁ DE TURBINA DE VENTO USANDO MÉTODOS DE ESTIMA. A presente invenção refere-se a um método de controle de carga de torre de turbina de vento. O passo das pás do rotor é controlado de maneira convencional por um componente de comando coletivo. Um estimador estima a aceleração ressonante da torre e a aceleração de desequilibrio da pá de três vezes por revolução. A lógica de combinação, ligada à aceleração ressonante estimada e à aceleração de três vezes por revolução (3P) estimada, prove uma modulação de passo combinada para amortecer o movimento ressonante da torre e o movimento de três vezes por revolução usando a modulação coletiva. A dita modulação de passo pe combinada com o componente de comando coletivo para acionar acionadores de passo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "AMORTECI- MENTO DE MOVIMENTO RESSONANTE E DE MOVIMENTO SIMÉTRICO DE PÁ DE TURBINA DE VENTO USANDO MÉTODOS DE ESTIMATIVA".

REFERÊNCIA CRUZADA AOS PEDIDOS RELACIONADOS Este pedido refere-se ao Pedido de Patente Norte-americano

No. 60/849.160, de Kitchener Clark Wilson, William Erdman e Timothy J. McCoy1 intitulado "Turbina de Vento com Controle de Passo de Pá para Compensar Cisalhamento do Vento e o Desalinhamento do Vento", deposi- tado em 2 de outubro de 2006, que é cedido a Clipper Windpower Techno- logy, Inc. e é aqui incorporado para referência. Antecedentes da Invenção

A invenção refere-se a estruturas de torre, tais como torres de turbina de vento e, mais particularmente, ao amortecimento das freqüências ressonantes principais da turbina com a modulação do ângulo de passo da pá enquanto da manutenção do torque ou potência nominal. Descrição da Técnica Anterior

Grandes turbinas de vento modernas apresentam diâmetros de rotor de até 100 metros com torres de uma altura para acomodá-las. Nos Estados Unidos, torres altas estão sendo consideradas para alguns locais, tais como as Grandes Planícies Americanas, para tirar vantagem de que a duplicação da altura de torre irá aumentar a força eólica disponível em 45%.

Várias técnicas estão em uso, ou são propostas para uso, para controlar uma turbina de vento. O objetivo destas metodologias de controle é o de maximizar a geração de potência elétrica enquanto minimiza as cargas mecânicas impostas sobre os vários componentes da turbina. As cargas produzem tensão e esforço e são a fonte de falhas por fadiga que encurtam a expectativa de vida dos componentes. A redução das cargas permite o uso de componentes mais leves ou menores, uma consideração importante, da- dos os tamanhos maiores das turbinas de vento. A redução das cargas tam- bém permite o uso dos mesmos componentes em turbinas de potência mais alta para manejar a energia eólica aumentada ou permite um aumento no diâmetro do rotor para a mesma potência nominal.

Turbinas de vento, e as torres que as sustentam, apresentam uma dinâmica complexa influenciada pela atividade do vento bem como en- tradas de controle. A dinâmica inclui rpm do rotor, movimento de torre Ieve- mente amortecido, movimento do trem de acionamento levemente amorteci- do, flexão da pá flexível, etc. O controle da turbina de vento é um procedi- mento de equilíbrio entre a provisão de um bom controle do rpm da turbina, o acréscimo de amortecimento do movimento da torre, e o acréscimo de amortecimento do trem de acionamento enquanto minimiza ou não exacerba a flexão da pá. O controle de estado-espaço, com modelos complexos de toda esta dinâmica, mantém a promessa para executar isto, mas tais contro- les são complexos e difíceis de serem desenvolvidos.

É desejável prover um método de controle que acrescente amor- tecimento de torre com a modulação dos comandos de passo de controle de rpm gerados por métodos de controle convencionais (por exemplo, compen- sadores proporcionais-integrais-PI). Tal método é adaptável à inclusão em algoritmos de controle de estado-espaço bem como usado como um suple- mento aos controles convencionais.

Abordagens sobre amortecimento, por exemplo, amortecimento de torre, geralmente consistem em medir a aceleração da torre, em detectar o modo ressonante de torre natural dentro dessa aceleração, e em gerar um passo de pá de realimentação que acrescente amortecimento. As Patentes Norte-americanas 4.420.692 e 4.435.647 descrevem o uso de filtros de faixa de passagem convencionais aplicados para amortecer o primeiro momento de flexão da torre através do uso de controle de passo de pá. Este tipo de amortecimento em muitas situações aumenta o movimento de flexão da pá, o que é inaceitável.

O sinal de aceleração sobrepôs ao movimento ressonante natural da torre, entre outros, uma aceleração devido à força de três por revolução (3P) causada por desequilíbrios e não-linearidades aerodinâmicas da pá. A não-eliminação de alguns destes componentes do sinal de amortecimento- realimentação-passo pode agravar o movimento da pá e levar à fadiga e à falha da pá. Em particular, o sinal 3P captado pelo acelerômetro da torre 144 usado para amortecimento está muito próximo à freqüência ressonante da torre e dentro da faixa de passagem dos filtros de faixa de passagem descri- tos nas Patentes 4.420.692 e 4.435.647. O uso dos filtros de faixa de passa- gem resulta nos sinais 3P que são passados através do controle de passo da pá com uma fase arbitrária. A fonte do sinal 3P é o modo de flexão simétrica da pá onde todas as três pás do rotor são movidas juntas, sendo dobradas para dentro e para fora do plano de disco de rotor da pá. O componente de freqüência 3P está nas proximidades da freqüência ressonante do modo de flexão simétrica da pá e, quando transposto com mudanças de fase causadas pelo filtro de faixa de passagem, exacerba a flexão simétrica da pá.

Por isso, é desejável prover um meio para separar o movimento ressonante da torre daquele causado pelo desequilíbrio de pá 3P. Aborda- gens convencionais para eliminar um componente de freqüência consistem em colocar um filtro de entalhe em série com o filtro de faixa de passagem convencional. O entalhe 3P, próximo em freqüência à faixa de passagem, acrescenta seu erro de fase e de ganho à saída final, dificultando, portanto, o controle. Este processo não produz estimativas do movimento ressonante da torre e do movimento 3P.

É desejável prover estimativas do movimento da torre em sua freqüência ressonante conhecida usando medições de aceleração de torre apenas. Tais estimativas, incorruptas por outros movimentos, são necessá- rias para gerar sinais de realimentação de passo para amortecimento de movimento ressonante da torre.

Também é desejável prover estimativas da aceleração 3P cau- sada pela rotação das três pás desequilibradas. Tais estimativas incorruptas pelo movimento ressonante da torre e apresentando uma fase selecionada de modo a não exacerbar a flexão da pá, são necessárias para o amorteci- mento da torre e da pá e para o controle geral da turbina. Resumo da Invenção

Em resumo, a presente invenção se refere a um aparelho e a um método de controlar uma turbina de vento apresentando inúmeras pás de rotor compreendendo um método de usar medições de aceleração da torre para amortecer o movimento ressonante da torre, e para amortecer o movi- mento 3P e, consequentemente, a flexão simétrica da pá. A aceleração res- sonante da torre é causada pela resposta coletiva da torre e das pás às mu- danças do vento calculadas sobre todo o disco da pá. Com três pás desequi- libradas girando em um cisalhamento do vento (vertical, horizontal, ou devi- do ao desalinhamento por guinada), a interação do fluxo de ar com as pás é um movimento de três vezes por revolução sobreposto ao movimento resso- nante. Toda a aceleração da torre resultante inclui o movimento ressonante levemente amortecido da estrutura da torre com atividade sobreposta de três vezes por revolução sobreposta. Este movimento da torre causa uma falha por fadiga e encurta a vida da torre.

Ademais, as próprias pás são estruturas flexíveis alongadas a- presentando seus próprios modos de flexão e movimento ressonante. Visto que os comandos de passo são acionados nestas pás por meio da rotação das mesmas para e de uma posição de mudança de passo, a flexão da pá é fortemente influenciada. Se os comandos de passo incluírem um componen- te de freqüência próximo à freqüência ressonante da flexão simétrica da pá, a atividade de passo poderá exacerbar a flexão da pá e aumentar o carre- gamento da pá e encurtar sua vida.

De acordo com um aspecto da invenção, a turbina de vento usa comandos de passo de realimentação para controlar o passo das pás a fim de controlar a rpm do rotor e a potência gerada pela turbina. A presente in- venção acrescenta, a esta rpm que controla o passo de realimentação, um componente de realimentação para amortecer o movimento ressonante da torre que não inclui as freqüências que exacerbam a flexão da pá. Este mo- vimento ressonante da torre que amortece o componente de passo de reali- mentação é aplicado coletivamente (igualmente a cada pá).

De acordo com um aspecto da invenção, a presente invenção adicionalmente acrescenta um componente de passo de realimentação que reduz o movimento da torre 3P e, por conseguinte, a flexão da pá. Este mo- vimento 3P que amortece o componente de passo de realimentação é tam- bém aplicado coletivamente.

De acordo com um aspecto da invenção, a fim de amortecer o movimento da torre, o controle da turbina inclui um meio para estimar o mo- vimento ressonante da torre e simultaneamente estimar o movimento 3P da torre. O controle adicionalmente produz um sinal de realimentação de passo de amortecimento de torre e um sinal de passo de realimentação de passo de amortecimento 3P.

De acordo com um aspecto da invenção, isto é realizado por um estimador usando apenas as medições de aceleração da torre e sintonizado para especificamente estimar a aceleração ressonante da torre e simultane- amente estimar a aceleração da torre 3P. O sinal de realimentação de passo de amortecimento da torre ressonante é formado a partir da taxa de acelera- ção ressonante da torre estimada, e o sinal de realimentação de passo 3P é formado a partir da taxa de aceleração de torre 3P estimada. Além disso, para corrigir os retardos do atuador de passo e de

outro sistema de turbina, cada sinal de realimentação é provido com um con- trole de fase individual para avançar ou retardar cada qual, conforme neces- sário. O sinal de realimentação de passo 3P não exacerba o modo de flexão simétrica da pá, visto que sua fase é ajustada para mitigar este modo. Além disso, para responder pelas condições de vento variadas,

cada sinal de realimentação é provido com um ganho que se adapta à con- dição.

Os sinais de realimentação são formados como modulações dos sinais de passo nominais desenvolvidos pelos controles da torre (estado- espaço, Proporcional-Integral-Derivativo-PID, ...) para rpm ou outras finali- dades. O comando de passos final para o atuador de passo é a soma da modulação de passo de amortecimento de torre ressonante nominal e da modulação de realimentação de passo 3P.

De acordo com um aspecto da invenção, a aceleração causada pelo movimento 3P das pás desequilibras é rejeitada no sinal de realimenta- ção de passo ressonante da torre.

De acordo com um aspecto da invenção, a aceleração causada pelo movimento ressonante da torre é rejeitada no sinal de realimentação de passo 3P.

A invenção tem a vantagem de remover o sinal de controle de passo de movimento ressonante da torre do sinal 3P (ou qualquer outra fre- quência selecionada) enquanto passa a primeira freqüência de flexão da torre (ou qualquer outra freqüência selecionada). Além disso, ela remove o sinal de controle de passo 3P do sinal de movimento ressonante da torre (ou qualquer outra freqüência selecionada) enquanto passa a freqüência 3P (ou qualquer outra freqüência selecionada). Ademais, ela provê sinais de passo de realimentação para mitigar o movimento ressonante da torre e o movi- mento 3P.

Isto será verdadeiro mesmo quando tais freqüências estiverem próximas demais para se usar filtros de freqüência convencionais. Além dis- so, é incluído um método de introduzir a fase desejada para compensar os retardos do atuador. Ademais, é incluído um método de adaptação de ganho às condições do vento. Esta é uma técnica muito comum e relativamente simples que pode ser usada para detectar um sinal de freqüência quando outro estiver próximo e que pode ser usada vantajosamente para muitas fi- nalidades diferentemente do amortecimento de movimento de torre. Breve Descrição dos Desenhos

A invenção e seu modo de operação serão mais completamente entendidos a partir da seguinte descrição detalhada, quando tomada com os desenhos anexos nos quais:

a Figura 1 é um diagrama de bloco de uma turbina de vento de velocidade variável de acordo com a presente invenção, que ressalta os e- lementos-chaves da turbina;

a Figura 2 é um diagrama de bloco de um sistema de amorteci- mento de torre de acordo com a presente invenção;

a Figura 3 é uma representação gráfica da função de transferên- cia da taxa de aceleração ressonante da torre estimada acionada pela acele- ração medida pela torre antes da seleção de parâmetro;

a Figura 4 é uma representação gráfica para a função de trans- ferência da taxa de aceleração ressonante da torre estimada acionada pela aceleração medida pela torre depois da seleção de parâmetro;

a Figura 5 é uma representação gráfica de uma taxa de amostra de sensibilidade de aceleração do passo em regime estável onde o passo é um substituto para a velocidade do vento;

a Figura 6 é uma representação gráfica da função de transferên- cia da modulação de passo para compensar a aceleração ressonante da torre acionada pela aceleração medida da torre depois da seleção e da pro- visão de um ganho adaptativo (na velocidade do vento de 14 m/s ou passo de 10,77 graus;

a Figura 7 é uma representação gráfica da função de transferên- cia da modulação de passo para compensar a aceleração ressonante da torre acionada pela aceleração medida pela torre depois da seleção de pa- râmetro e da provisão de ganho adaptativo (na velocidade do vento de 14 m/s ou passo de 10,77 graus) e adição de avanço de fase de 30 graus);

a Figura 8 é uma representação gráfica da função de transferên- cia de uma replicação de filtro de entalhe e faixa de passagem convencional da Figura 4 para ilustrar o erro de fase introduzido;

a Figura 9 é uma representação gráfica da função de transferên- cia da taxa de aceleração 3P estimada acionada pela aceleração medida pela torre depois da seleção de parâmetro; e

a Figura 10 é uma representação gráfica da função de transferên- cia da taxa de aceleração 3P estimada deslocada por fase de -30 graus acio- nada pela aceleração medida pela torre depois da seleção de parâmetro. Descrição Detalhada da Invenção

A Figura 1 é um diagrama de bloco de um aparelho de turbina de vento de velocidade variável de acordo com a presente invenção. O dis- positivo de geração de força eólica inclui uma turbina com um ou mais gera- dores elétricos alojados em uma nacela 100, que é montada no alto de uma estrutura de torre alta 102 ancorada no piso 104. A nacela 100 se apoia em uma plataforma de guinada 101 e é livre para girar no plano horizontal em torno de um pivô de guinada 106 e é mantida no percurso de corrente eólica prevalente.

A turbina tem um rotor com pás de passo variável, 112, 114, co- nectadas a um cubo de rotor 118. As pás giram em resposta à corrente eóli- ca. Cada das pás pode ter uma seção de base de pá e uma seção de exten- são de pá de tal modo que o rotor tenha um comprimento variável para pro- ver um rotor de diâmetro variável. Conforme descrito na Patente Norte- americana 6.726.439, o diâmetro do rotor pode ser controlado para estender por completo o rotor em baixa velocidade de fluxo e para retrair o rotor, à medida que a velocidade de fluxo aumenta, de tal modo que as cargas dis- tribuídas pelo rotor ou exercidas sobre o mesmo não excedam limites ajus- tados. A nacela 100 é mantida na estrutura inferior no percurso da corrente eólica de tal modo que ela seja mantida no local horizontalmente em alinha- mento aproximado com a corrente eólica. O gerador elétrico é acionado pela turbina para produzir eletricidade e é conectado aos cabos de condução de força que são interconectados a outras unidades e/ou a uma grade de força.

O aparelho mostrado na Figura 1 controla a RPM de uma turbina de vento e amortece o movimento ressonante da torre e o movimento 3P. O passo das pás é controlado em uma maneira convencional por um com- ponente de comando, lógica de comando de passo convencional 148, que usa o gerador RPM 138 para desenvolver um sinal de comando de passo de pá de rotor nominal 154. A lógica de amortecimento 146 conectada ao sinal de aceleração de torre 143 gera um comando de modulação de passo de pá estimado 152. A lógica de combinação 150 conectada ao comando de mo- dulação de passo de pá estimado 152 e ao comando de passo 154 provê um comando de passo de pá combinado 156 capaz de comandar o passo das pás do rotor, cujo comando de passo de pá combinado inclui o amortecimen- to do movimento ressonante da torre de turbina de vento e do movimento de desequilíbrio de pá 3P.

O aparelho mostrado na Figura 2 compensa a ressonância da torre e o desequilíbrio da pá em uma turbina de vento 200. O passo nominal das pás é controlado de maneira convencional 201 por um componente de comando 248, que usa o gerador atual RPM 238 para desenvolver o sinal de comando de passo de pá do rotor.

A modulação do passo das pás é controlada pela lógica de a- mortecimento de torre 240. O resultado é uma modulação de movimento ressonante coletiva 247 e uma modulação de movimento 3P coletiva 249. A lógica de combinação 250 conectada aos comandos de modulação de passo de pá 247 e 249 e ao comando de passo coletivo 248 provê um comando de passo de pá combinado 252 capaz de comandar o passo das pás do rotor, que inclui o amortecimento da torre de turbina de vento e das pás.

A lógica de amortecimento de torre 240 compreende um estima- dor de movimento de torre 246 que usa medições de aceleração de torre 245 para estimar o movimento ressonante da torre 260 e o movimento 362 da torre 3P. As estimativas do movimento ressonante 260 são ajustadas por fase 264 e amplificadas por um ganho adaptativo 266 usando o componente de comando RPM coletivo 248 para selecionar o ganho apropriado. As esti- mativas de movimento 3P 262 são ajustadas por fase 265 e amplificadas por um ganho adaptativo 267 usando o componente de comando RPM coletivo 248 para selecionar o ganho apropriado.

O Estimador: A lógica de estimador ressonante da torre se ba- seia em um modelo amortecido de segunda ordem do movimento ressonan- te da torre:

a t = ~~á)2 χ -2ú> ζ ν

ressonante ressonante ressonante ressonante ~ ressonsfntó ressonante

onde a é aceleração (m/s/s), ν é velocidade (m/s), χ é posição (m), e ζΓθββοηβηίΘ é o coeficiente de amortecimento da resposta ressonante da torre do estimador (não necessariamente da dinâmica da torre) usada para sinto- nizar sua resposta, e OresSonante é a freqüência ressonante conhecida desse movimento. Assumindo duas derivativas com relação ao tempo, este modelo é escrito em termos de aceleração apenas como:

a - -ω2 χ -2ω ξ ν ,-S

ressonante ressonante ressonante ressonante 7 ressonante ressonante ressonante

O termo ôreSsonante acrescentado (m/s/s/s/s) é uma quantidade de ruído estocástica representando imprecisões no modelo e seu desvio padrão σ é usado para adicionalmente sintonizar a resposta do estimador.

O estimador se baseia adicionalmente em um modelo amorteci- do de segunda ordem do movimento de cisalhamento de vento 3P

+ J3p

onde ξ3Ρ e Ô3P são similarmente usados para sintonizar a resposta do esti- mador.

O estimador usa a equação de medição referente a estas duas acelerações com relação à aceleração medida

10

15

a

medida

^ressonante ^ &3P ^

medição

onde o termo ômediÇão acrescentado (m/s/s) representa desvios de medição estocásticos além daquele modelado e é também usado para sintonizar a resposta do estimador. A representação de estado-espaço do sistema com- pleto é

a 0 1 0 0 "0 0" ressonante d ^ ressonante 2 ressonante ~2ζ ω ? ieitorarie ressonante 0 0 à lessoranle + 1 0 fessonanle dt aJP 0 0 0 1 a3P 0 0 δ3Ρ à3P _ 0 0 -CO1ip — ρ&ϊρ άιΡ . 0 1

= [i o ι o]

res sonante

a}P

+ medição

Se o sinal de aceleração tiver uma polarização que possa ser lentamente mudada com o tempo, ela será controlada pela filtragem de pas- sagem de freqüências elevadas do sinal (em cerca de 0,01 Hz) antes de ser alimentada no estimador, ou incluindo um componente de estimativa de po- larização dentro do estimador.

Qualquer número de meios numéricos e explícitos está disponí- vel para converter isto em um modelo de tempo discreto e a partir daí em um estimador de tempo discreto (por exemplo, filtro Kalman, H00, disposição de pólos, ...) geralmente apresentando a forma

íi+i// ~ A^ijí —í+i/i+f jrMa medição^

i/i + k(a mediçãcxí - (l -ΚόΔΐια + ^medição,/ -Ci í/í + medição,'

onde k é a matriz de ganho do estimador e a*medição,i é a medição de acele- ração real no tempo tj. O ganho pode variar com cada estimativa (como nos filtros Kalman ou H00 clássicos) ou pode ser selecionado como uma matriz de constante (como na disposição de pólos e nos ganhos Kalman de regime estável ou H00). Os ganhos variados de tempo têm a vantagem de se adapta- rem ao cisalhamento do vento e ressonante variável ω e ξ, enquanto os ga- nhos constantes têm a vantagem de formar um filtro muito simples e compu- tacionalmente eficiente.

Os dois estágios do estimador, o ressonante e o 3P, são forma- dos juntos dentro do mesmo observador. Isto significa que o processo de desenho (seleção de ganho) produz um observador que 'conhece' a existên- cia de ambos fenômenos e suas interações. E, devido ao fato de este ser um estimador e não poder, portanto, permitir erros de fase, as estimativas apre- sentam erros de fase mínimos (erro geralmente zero, a menos que as largu- ras de banda de freqüência substancialmente se sobreponham). Além disso, uma vez que ambos os fenômenos são estimados, cada qual está livre do outro.

Realimentacão para Amortecimento Ressonante de Torre: Um termo de realimentação de amortecimento é desenvolvido para acrescentar amortecimento à porção ressonante de torre da dinâmica. Um modelo mais completo da dinâmica ressonante, aquela que inclui o efeito do passo de pá e a velocidade do vento, é

a , - ~ω2 a - 2ω ξ à +/ (BVj) +

ressonante ressonante ressonante ressonante -7Inerente ressonante -/ressonante V/"^' Wtrta *

onde ξίηβΓβηΐβ é o amortecimento natural existente ou inerente, e fressonante(P, Vwind) é uma função premente representando a influência do passo da pá β e da velocidade do vento VWind através da aerodinâmica da pá. Se o amorteci- mento for acrescentado pela modulação do passo, então, aproximadamente

^ressonante ^ressorwite ^ressonante ^ressonerte inerente ^Xira ^^ ressonente /ressonante ^r1 iW ^ S res»r*rte > Hind ressonante *·*

onde ξχίΓ3 é o coeficiente de amortecimento extra desejado produzido pela modulação ApressOnante imposta. O fator de ganho gressonante (VWind) é determi- nado a partir de estudos de simulação da turbina. Equacionando os termos, o amortecimento extra será provido pela modulação, quando a modulação do passo for programada pela velocidade do vento como

2á) ζ

A/? __ __ressonante J Xtrq X

■^gressonante „ _ , ressonante

S ressonante V Wtfld '

Carecendo de valores de velocidade do vento, Vwind é substituído pelo passo fornecido pela relação de regime estável Vwindss = h(Pss) entre a velocidade do vento e o passo para a turbina:

, ry ressonante ζXlfQ ■

ressonante "*"* Γ L / /?\1 ^ressonante

^ ressonante J \

O passo de realimentação é uma modulação à demanda de

passo normalmente produzida pela turbina para suas outras funções de con- trole (por exemplo, controle de rpm usando compensadores PID). Uma vez que a realimentação se baseia apenas na estimativa de movimento resso- nante, e esta é isenta da dinâmica 3P, a realimentação não apresenta ne- nhuma freqüência indesejada e não exacerba os modos de pá da turbina.

Controle de Fase: Uma coisa é demandar um passo e outra bem diferente é obter uma resposta. Os atuadores de passo e outras exigências de processamento acrescentam retardo entre a demanda e a atuação, e isto pode ser corrigido acrescentando avanço à modulação da demanda. Simpli- ficando a dinâmica ressonante do estimador em ignorando os termos de amortecimento ξ:

a t = —o)2 ^ a

ressonante ressonante ressonante

No regime estável, a solução exponencial complexa é ^ „ (jO) ) = 1

ressonante v J ressonante '

à (jfà „ )= jú) r

ressonante ^J ressonante f J ressonante

Se o termo deslocado por fase for formado por uma soma de

d d ganho de unidade de ressonante e ressonante como

P^^ressonante ^ ressonante ^ressonante

a = .....■ ............. —--------------- -

ressonante_fase desejada í

Vi·+ f

então, usar a equação de Euler

I-tf

** ressonante fase desejada ressonante * ressonante Uω ressonante )

41+f

— à (jO) W^ressonante

ressonante ^ ^ ressonante J

— à (iú) )(cosé „ + isiné ^ )

ressonante \ J ^^ ressonante /V > ressonante J f ressonante s

onde <j>reSsonante é o deslocamento de fase desejado (positivo para avanço). Equacionando termos reais e imaginários, COS^ =

sin^ =

r

JP

ressonerle ^ ressonante_fase desejada

vi+r

^ resswwrte (^ressonante ressonante ressoi

V1 + tanV ressonante V^^resscinante ^^ φ r-ssonantr ressonante (COS ^ressonfsrtp ressonante

A modulação de passo controlada por fase é então fornecida por

Δβ r„.................. = - Ηβ> ~sin Φ_ ™ + (cos Φ ~ >β — 3

ressonanie_fase desejada

<5 ressonante

Exemplo de Amortecimento Ressonante de Torre: Deve ser con- siderada uma turbina apresentando freqüência de ressonância de torre de 0,38 Hz1 momento de flexão de pá próximo à freqüência 3P, e um Ioop de controle de 20 Hz. Em rpm calculado (15,5 rpm), 3P está em 0,775 Hz e tem que ser eliminado da realimentação de passo modulado de modo a não exa- cerbar a flexão da pá. Usando valores preliminares

ξχ™ = 0,707

medição — O11

φ =0

ω resSonante = 2π(0,38)

0g t = 0,001

ressonante '

ξ f =0

~ ressonante

σδ3ρ =0,001

ξίρ =0 o modelo de estado-espaço é digitalizado (usando a transformação Tustin, ou bilinear), os ganhos Kalman em regime estável são calculados, e o dia- grama de Bode (usando conservação de ordem zero) da medição de acele- ração a , mostrado na Figura 3, tem um pico em roreSsonante e um enta- lhe em cc>3p.

Embora um filtro Kalman dinâmico seja útil para trilhar a fre- qüência 3P na medida em que a turbina muda rpm, aqui, o regime estável é considerado como sendo computacionalmente mais simples e foi mostrado como trabalhando bem. Com o aumento de σδ3Ρ para ampliar a largura de banda do pico

e do entalhe, uma vez que as freqüências ressonantes e 3P não são bem- conhecidas, e o aumento de ξ^εο^ββ ξ3Ρ para suavizar a resposta:

Coressonante = 0,016 £>ressonante — 0,2

σδ3Ρ = 0,06 ξ3ρ = 0,04

é produzido o diagrama de Bode da Figura 4. Deve ser notado, tanto na Fi- gura 3 como na Figura 4, que a fase do sinal ressonante em rodamp é +90 graus, conforme esperado de um diferenciador, e sem erro. As matrizes de estimador resultantes são

- 0,001 í 803" 0,00024292 0,044354 0,94492

gressonante[h(P)], O ter-

mo de programação de ganho, mostrado na Figura 5, com o diagrama de

Iss-

0,96833 -0,30196 0,090436 -0,14511

0,047412 0,94372 - 0,0044280 -0,0071052

-0,023486 0,0048336 0,88257 -1,2992

k„ =

0,024186 -0,0049776 0,091135 0,14624

Estudos de simulação da turbina produzem Bode resultante da modulação de passo da Figura 6. Também é mostrado na Figura 6 o compensador de faixa de passagem convencional originalmen- te desenvolvido para esta turbina (linhas tracejadas). Já que o sistema origi- nal exacerbou a flexão da pá, o estimador não produz o amortecimento res- sonante da torre equivalente.

Para ilustrar a propriedade de deslocamento de fase, o aumento de φ = 30 graus

produz o diagrama de Bode da Figura 7, onde o deslocamento de fase de +30 graus em roreSsonante será visto, quando comparado à Figura 6.

Tentativas para produzir a função de transferência da Figura 4

usando filtros de freqüência convencionais não são bem-sucedidas. A Figura 8 é o resultado do uso de uma passagem de baixas freqüências por um filtro de entalhe:

ú)2

/ _ ressonante

baixa-passagem (Sj = g

baixa S2 -h2i S+ CO2

~ baixa ressonante

ι

<Ήρ

entalh e(s)~l-g —— „

s2+2ξ s + ω2

entalhe

3 P

com

& baixa = -0,5 Abaixa — 0,3 ^entalhe = 0,85 ^entalhe = 0,3

Embora o diagrama de magnitude seja similar, a fase não é: há um retardo de fase de 22 graus acrescentado em coressonante em contraste ao estimador da Figura 4.

Realimentacão para Controle de Fase Adicional de Amortecimento 3P de Torre: Identicamente como para o amortecimento ressonante acima, o amor- tecimento de movimento de torre 3P é fornecido por

^3P.fase desejada = -(ü^pSin^p) ^3P + (COS(Zhp) ^3P KR - 3 A

i^Psp fase desejada ~ n/0\i 3W fase desejada

onde os termos de aceleração 3P são tomados diretamente dos valores de estimador e g3p[h(P)] é determinado a partir de estudos de simulação. A fun- ção de transferência da aceleração de torre para ^3p é mostrada na Figura 9: há um entalhe em coressonante e um pico em co3p com o deslocamento de fase de +90 graus previsto de um diferenciador. A fase efetivamente ligeira- mente menor do que 90 graus devido ao retardo introduzido em ω3ρ pela natureza de conservações de ordem zero de sistemas de dados amostrados (retardo acrescentado = 0,775 H*360 graus/20 Hz = 14 graus). O controle de fase é importante, de modo a não exacerbar a flexão da pá enquanto de seu amortecimento. Conforme visto na Figura 6, o desenho convencional que exacerbou a flexão da pá produziu um componente de realimentação 3P apresentando uma fase de cerca de -98 graus. Com o sinal negativo usado no ganho de realimentação, a realimentação de estimador nominal está pró- xima em -90+14 = - 76 graus e precisa ser ajustada para amortecer e não excitar o modo de flexão da pá. A Figura 10 ilustra o retardo de 30 graus a- crescentado quando φ3Ρ = -30 graus. Outras Concretizações

Enquanto a invenção foi particularmente mostrada e descrita com referência às concretizações preferidas da mesma, será entendido por aqueles versados na técnica que o antecedente e outras mudanças na forma e no detalhe podem ser formados na mesma sem se afastar do escopo da invenção. Já que os ganhos de estimador em regime estável foram usados para fins ilustrativos, os ganhos dinâmicos que se adaptam à rpm do rotor são incluídos nesta invenção. Já que as freqüências 3P e ressonantes da torre foram usadas para fins ilustrativos, outras freqüências são considera- das. Já que o amortecimento de torre é usado como um exemplo ilustrativo, a invenção pode ser usada para outras aplicações, tal como amortecimento de rotor, e para remover freqüências indesejadas de tais sinais como rpm do rotor e assim por diante.

Claims

1. Aparelho que amortece freqüências indesejadas em uma torre de turbina de vento compreendendo: um sinal de comando de passo de pá de rotor; uma lógica de amortecimento de torre compreendendo estimati- vas de movimento usando medições de aceleração da torre; uma saída da dita lógica de amortecimento de torre compreen- dendo uma modulação de movimento coletiva com base nas ditas estimati- vas de movimento; e, uma lógica de combinação conectada à dita lógica de amorteci- mento de torre e ao dito comando de passo, uma saída da dita lógica de combinação sendo um comando de passo de pá combinado capaz de co- mandar o passo das pás do rotor, que inclui o amortecimento da dita torre de turbina de vento.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, no qual a dita mo- dulação de movimento coletiva inclui um ou mais de movimento ressonante de torre e movimento de freqüências indesejadas.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, no qual as ditas estimativas de movimento incluem uma ou mais das estimativas de movi- mento ressonante e estimativas de movimento de freqüências indesejadas.

4. Método de usar medições de aceleração de torre para amor- tecer o movimento de ressonância de torre, enquanto também suprime si- nais indesejados nas medições, em uma torre de turbina de vento que usa um comando de passo para controlar o passo de pás do rotor da dita turbina de vento, compreendendo as etapas de: A. medir a aceleração da torre; B. estimar o movimento ressonante da torre e o movimento in- desejado usando as medições de aceleração; C. prover um comando ressonante de passo de pá para amorte- cer o movimento da torre usando as ditas estimativas de movimento resso- nante da torre; D. combinar o dito comando ressonante de passo da pá com o dito comando de passo resultando em um comando de passo combinado; e E. usar o dito comando de passo combinado para controlar o passo das pás do rotor a fim de amortecer a dita torre de turbina de vento.

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, que adicionalmente compreende: C. prover um comando indesejado de passo de pá para amorte- cer o movimento indesejado usando as ditas estimativas de movimento in- desejado; e, D. combinar o comando indesejado de passo de pá para formar o comando de passo combinado.