ES2573127T3 - Método para hacer funcionar una central de energía eólica - Google Patents

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Abstract

Método para hacer funcionar una central de energía eólica que incluye una etapa de: hacer funcionar la central de energía eólica según un programa de parámetros actual (Pactual(v)) realizar una predicción de viento de datos de viento (Vw) para un intervalo de tiempo (ΔT) que se extiende hasta un tiempo futuro T, caracterizado por las etapas de método de: determinar un nivel de carga de fatiga deseado (Fdeseado) de un componente de central de energía eólica en el tiempo futuro T, y durante el funcionamiento de dicha central de energía, generar un programa de parámetros actualizado (Pdeseado(v)) para proporcionar el nivel de carga de fatiga deseado (Fdeseado) en el tiempo T si se expone a las condiciones de viento predichas (Vw(t)) durante dicho intervalo de tiempo (ΔT).

Description

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Pdeseada(v) puede establecerse para ser válida para una ventana de tiempo hasta el siguiente mantenimiento y puede determinarse a partir de diversas evaluaciones de carga de fatiga en diferentes componentes, donde puede seleccionarse una curva de potencia actualizada óptima Pdeseada(v) para un conjunto completo de componentes con respecto al coste de mantenimiento.
Desde el punto B’ al C’, la velocidad de rotación se acerca a su límite superior, la velocidad de rotación se regula en este valor cuando el viento aumenta hasta la velocidad de viento de régimen, que es la velocidad de viento a la que se inicia la producción de potencia máxima para la curva de potencia original. Para la curva de potencia actualizada Pdeseada(v), de manera similar, la velocidad de rotación se acerca al nuevo límite superior definido, y la velocidad de rotación se regula según la velocidad de viento de manera similar.
Desde el punto C al G, la salida de potencia se controla hasta el nuevo límite de potencia en el que Cp puede disminuir con el incremento de la velocidad de viento. El diseño de detalle de la curva de potencia desde C hasta D puede ser diferente para diferentes estrategias de control. Un objeto principal de la invención es que la potencia se controle dependiendo de un nivel de carga de fatiga futura estimado.
La figura 3 describe un diagrama de bloques de una primera realización de un sistema de gestión de potencia 10 para una central de energía eólica. En la primera realización, la información procedente de un bloque de control de optimización de mantenimiento genera la información necesaria para actualizar una curva de potencia. En un bloque de control de predicción de viento 12 se realiza una predicción de viento de datos de viento Vw para un intervalo de tiempo T que se extiende a un tiempo futuro T. La predicción de viento puede proporcionarse a partir de servicios meteorológicos así como a partir de cálculos en el sitio. Los cálculos pueden realizarse mediante un método de atlas eólico tal como el presentado por Troen, I. y Lundtang Petersen, E. (1989) European Wind Atlas, Risø National Laboratory, o mediante un atlas eólico numérico específicamente adaptado para el sitio.
En el bloque de control de predicción de viento 12 se realiza la predicción de datos de viento Vw incluyendo velocidad de viento y dirección de viento durante un intervalo de predicción. Los datos de viento predichos Vw definen una condición de viento predicha Vw(t) e incluyen información de velocidades de viento y direcciones de viento y opcionalmente también información acerca de fluctuaciones de velocidad de viento y turbulencia. Los datos de viento Vw pueden representarse como una distribución de velocidades y direcciones de viento durante el intervalo de predicción. La predicción de viento se basa en una predicción meteorológica y tiene un intervalo de predicción que se extiende durante un tiempo sustancial. El intervalo de predicción se extiende al menos varios días, de manera adecuada una o más semanas y opcionalmente durante un mes o más.
El intervalo de predicción preferiblemente se extiende hasta el tiempo que falta hasta un evento de mantenimiento futuro. Por este motivo el bloque de control de predicción de viento puede recibir datos entrantes desde un bloque de control de optimización de mantenimiento 14, en el que puede determinarse una programación de eventos de mantenimiento basándose en el funcionamiento de la central de energía eólica y en la condición de viento predicha Vw(t).
Se proporciona un bloque de control de cálculo de nivel de carga de fatiga deseado 13, en el que se determina un nivel de carga de fatiga deseado Fdeseado en un tiempo futuro T. El nivel de carga de fatiga deseado Fdeseado en el tiempo futuro T puede determinarse con respecto a un programa de mantenimiento. El bloque de control de cálculo de nivel de carga de fatiga deseado 13 puede ser, por tanto, una parte del bloque de control de optimización de mantenimiento 14. Opcionalmente, se calcula un intervalo de tiempo deseado TD que se necesita antes de un mantenimiento de la central de energía, intervalo de tiempo deseado TD que optimiza el coste de funcionamiento y mantenimiento considerando datos de viento predichos Vw. La optimización de mantenimiento puede calcular así el intervalo de tiempo deseado TD que se necesita antes de un mantenimiento con el fin de conseguir un coste de funcionamiento y mantenimiento mínimo considerando la condición de velocidad de viento en los meses venideros.
El nivel de carga de fatiga deseado Fdeseado puede calcularse basándose en información acerca de fatiga y carga sobre los componentes. Tales cálculos se conocen bien en la técnica y pueden estar basados por ejemplo en los cálculos y gráficos descritos en relación con la figura 7. Basándose en este intervalo de tiempo deseado TD, el nivel de carga de fatiga deseado Fdeseado en el correspondiente componente se deriva basándose en un cálculo de vida útil de fatiga de componente. El nivel de carga de fatiga deseado Fdeseado se usa como entrada para el cálculo de un programa de parámetros actualizado deseado Pdeseado(v). Dado que para diferentes modos de fallo para componentes diferentes, la relación entre la vida útil residual y la carga de fatiga es diferente, se necesita una base de datos de tales relaciones para diferentes modos de fallo de diferentes componentes en la turbina eólica en forma fórmula o en forma de tabla de límite de carga de fatiga y ciclos de vida útil residual. Esta relación puede construirse basándose en simulación y cálculo de diseño. También puede construirse basándose en los datos históricos.
El nivel de carga de fatiga deseado calculado Fdeseado sirve como entrada al bloque de control de cálculo de programa de parámetros 18. En el bloque de control de cálculo de programa de parámetros 18, se genera un programa de parámetros actualizado Pdeseado(v). El programa de parámetros actualizado Pdeseado(v) es una función del nivel de carga de fatiga deseado Fdeseado. El nivel de carga de fatiga deseado Fdeseado puede determinarse con respecto al tiempo deseado antes de mantenimiento calculado en el bloque de control de optimización de mantenimiento 14 para cada componente especificado. Además, se recopila información acerca de la condición de
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D) Si debe tener lugar una reducción de régimen del programa de parámetros con el fin de adaptar un tiempo de fatiga a un mantenimiento programado.
En la figura 5b se realizan las etapas 5 -7 realizadas en caso de reducción de régimen del programa de parámetros:
Etapa 5. Para la decisión de la acción de reducción de régimen, el sistema propuesto continuará con el sistema de control de programa de parámetros, que calculará el nivel de carga de fatiga deseado de componente Fdeseado para la correspondiente extensión de vida útil restante de componente con el fin de conseguir la acción de mantenimiento óptimo. La carga de fatiga calculada tendrá la forma F(w) donde w es la velocidad de viento.
Etapa 6. El programa de parámetros de turbina actualizado Pdeseado(V) se calculará entonces basándose en el nivel de carga de fatiga deseado Fdeseado sobre el componente en fallo detectado según el diseño de sistema de control de WTG.
Etapa 7. El controlador de WTG controlará la regulación de ángulo de paso de controlador y la salida de potencia de generador a diferentes velocidades de viento según el programa de parámetros definido actualizado Pdeseado(v) para el controlador de WTG. Por tanto, se consigue la carga de fatiga objetivo en el componente.
El sistema de monitorización de condición de turbina continuará la gravedad particular de fallo de componente y la retroalimentará al sistema.
El sistema de mantenimiento óptimo realizará de manera adaptativa una acción de mantenimiento correctiva o preventiva basándose en el estado de turbina y la condición atmosférica.
Todo el sistema puede proporcionarse como un sistema de bucle cerrado que monitorizará detenidamente el estado de componentes críticos y realizará de manera adaptativa una correspondiente acción de mantenimiento óptimo para controlar el programa de parámetros de WTG de modo que se consigue la reducción de régimen deseada sobre los componentes en fallo detectados con carga de fatiga objetivo.
La figura 6 describe una posible estructura de implementación del sistema para el control de programa de parámetros para una acción de mantenimiento óptimo. El sistema incluye un bloque de control de decisión de mantenimiento óptimo 40 que se basa en información procedente de una base de datos de información de funcionamiento de turbina 42 y un sistema de monitorización de condición de turbina 44 determina una estrategia de mantenimiento para la central de energía eólica. La base de datos de información de funcionamiento de turbina 42 incluye información acerca de un programa de servicio y mantenimiento de turbina, tiempo de espera de suministro de piezas de repuesto, coste de reparación, costes de material, pérdida de beneficios por mantenimiento e interrupciones de producción. El sistema de monitorización de condición de turbina 44 incluye un conjunto de sensores que proporcionan información acerca de datos de funcionamiento  tales como temperatura, vibraciones, carga, velocidad de viento y dirección de viento. El sistema de monitorización de condición de turbina 44 incluye además un bloque de control de detección de fallo que proporciona información acerca de modos de fallo de componentes desde una base de datos de modos de fallo 46. Basándose en la información proporcionada desde la base de datos de información de funcionamiento de turbina 42 y el sistema de monitorización de condición de turbina 44, el bloque de control de decisión de mantenimiento óptimo 40 determina qué acción ha de realizarse. El bloque de control de decisión de mantenimiento óptimo 40 difiere entre los siguientes cuatro modos de funcionamiento:
A) Si no ha de realizarse acción alguna, es decir, que la turbina debe controlarse según el programa de mantenimiento de funcionamiento actual y que no debe modificarse el programa de mantenimiento y servicio actual.
B) Si debe realizarse mantenimiento preventivo. El mantenimiento preventivo está constituido por la sustitución de un componente antes de la fatiga.
C) Si debe realizarse mantenimiento correctivo. El mantenimiento correctivo está constituido por la sustitución de un componente en el tiempo de la fatiga. Es decir debe monitorizarse la carga de fatiga y el programa de mantenimiento debe adaptarse a un tiempo hasta fallo considerado o detectado.
D) Si debe tener lugar una reducción de régimen del programa de parámetros con el fin de adaptar un tiempo de fatiga a un mantenimiento programado.
Información procedente de los bloques de control de modo B y C se proporciona a un centro de servicio 48, donde se almacena la información acerca de intervalos de mantenimiento y programas de mantenimiento. El centro de servicio 48 está conectado a la base de datos de información de funcionamiento de turbina 42, el sistema de monitorización de condición de turbina 44 y la base de datos de modos de fallo 46 para actualizar información relevante acerca del estado de los componentes de la turbina.
Un bloque de control de monitorización de condición de viento 50 incluye un bloque de control de condición de viento actual 52 que monitoriza información acerca de las condiciones de viento actuales incluyendo velocidad de viento, fluctuaciones en la velocidad de viento y dirección de viento. El bloque de control de condición de viento actual 52
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recupera su información de un conjunto de sensores, que pueden ser el conjunto de sensores incluidos en el sistema de monitorización de condición de turbina 44 o sensores ubicados en otros lugares. El bloque de control de condición de viento actual 52 también puede recuperar la información de una base de datos meteorológica. El bloque de control de monitorización meteorológica tiene además una base de datos de viento históricos 54 desde donde puede recuperarse la condición de viento en un tiempo anterior. También se proporciona un bloque de control de predicción de viento 56. El bloque de control de predicción de viento 56 puede recuperar información de una base de datos meteorológica o basarse en información procedente de la base de datos de condición de viento históricos 54, posiblemente con ajustes dependiendo de la condición atmosférica actual. Información procedente del bloque de control de monitorización meteorológica 50 acerca de una condición atmosférica predicha se reenvía a un bloque de control de cálculo de carga de componente de fatiga 58. El bloque de control de cálculo de carga de componente de fatiga 58 evalúa la carga de fatiga de los componentes en la turbina durante un espacio de tiempo hasta el siguiente evento de mantenimiento. En caso de que el nivel de carga de fatiga supere un nivel objetivo deseado, se determinará un programa de parámetros actualizado Pdeseado(v) en un bloque de control de cálculo de perfil de programa de parámetros 60. Información acerca del programa de parámetros actualizado Pdeseado(v) se transmitirá al sistema de gestión de potencia 10 que controla el ángulo de paso y la velocidad de rotación de la turbina 62.
La figura 7 muestra un diagrama sobre el nivel de vibración en función de las horas de funcionamiento para diferentes condiciones de fallo de componentes de potencia eólica. Una ecuación correspondiente para expresar la relación de nivel de vibración de caja de engranajes, carga de fatiga y la vida útil residual de componente para un modo de fallo de detención de cojinete intermedio de caja de engranajes usando el método estadístico basado en datos históricos, puede expresarse como:
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Donde Ak es el nivel de vibración del componente al límite de carga de fatiga LK, K se refiere al nivel de carga de fatiga equivalente. En el ejemplo que forma la base para el diagrama, k = 4 representa 4 límites de la carga de fatiga equivalente. Wjk son los factores ponderados que serán diferentes para límites de carga de fatiga K diferentes, tal como se muestra en la figura a continuación. J es el orden de la ecuación. (j = 0, 1, 2 para este ejemplo). El ejemplo muestra que, con el fin de conseguir una vida útil residual de 1,5 meses, el nivel de carga de fatiga deseado debería reducirse el 40% con respecto al límite de carga de fatiga de L3. Pueden establecerse diferentes componentes y modos de fallo, y un modelo estadístico de la relación totalmente diferente. Detectando datos de funcionamiento de un componente de turbina eólica particular puede determinarse una condición de fallo específica Cij. En este caso Cij representa la condición de fallo i para el componente j. Cuando está presente una condición de fallo específico, puede seleccionarse una ecuación correcta que determina el cálculo de la fatiga del componente de la base de datos.
La siguiente ecuación muestra otra posible expresión no estadística de la vida útil residual para el modo de fallo de una grieta formada por el daño acumulado desde el punto de vista del diseño.
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Donde L es el límite de carga de fatiga, Lmateriales es la resistencia a la tracción del material. D es el grado de daño actual que se decidirá a través del sistema de monitorización de condición. Es el intervalo de esfuerzo cíclico del componente. La función f(.) puede definirse a través de cálculo y simulación de diseño de componente.
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