ES2577530T3 - Procedimiento y sistema para controlar el funcionamiento de una turbina eólica - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento de control de funcionamiento de una turbina eólica (11), que comprende las etapas de: - determinar (28, 34) un nivel de alarma para al menos un componente (1, 2) de la turbina eólica (11), en el caso en que un nivel de alarma de al menos un componente (1, 2) exceda un nivel predefinido: - estimar (29, 34) un tiempo de vida restante esperado para dicho componente (1, 2) bajo las condiciones de funcionamiento actuales, y - controlar (31, 32, 37, 38) el funcionamiento de la turbina eólica (11) con el fin de ajustar el tiempo de vida restante esperado para dicho componente (1, 2) a un tiempo de vida restante esperado deseado para dicho componente (1, 2), caracterizado por que la etapa de control (31, 32, 37, 38) de funcionamiento de la turbina eólica (11) comprende las etapas de: - estimar (35) una velocidad de viento esperada en el sitio de la turbina eólica (11) durante el tiempo de vida restante estimado esperado de dicho componente (1, 2), - en el caso en que la velocidad de viento esperada sea inferior a un valor de umbral predefinido, controlar (37) de la operación de la turbina eólica (11) para mantener un nivel de potencia de salida de la turbina eólica (11), y - en el caso en que la velocidad de viento esperada sea superior al valor de umbral predefinido, controlar (38) la operación de la turbina eólica (11) para reducir el nivel de potencia de salida de la turbina eólica (11).
Description
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DESCRIPCION
Procedimiento y sistema para controlar el funcionamiento de una turbina eolica CAMPO DE LA INVENCION
La presente invencion se refiere a un procedimiento para controlar el funcionamiento de una turbina eolica, y a un sistema para ejecutar el procedimiento. Mas particularmente, el procedimiento de la presente invencion reduce al mmimo el tiempo de inactividad de una turbina eolica debido a la rotura de componentes y a los eventos de servicios no programados requeridos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Cuando se controla el funcionamiento de una turbina eolica, se mide normalmente una serie de parametros relacionados con la turbina. Algunos de estos parametros pueden referirse a la salud de uno o mas componentes de la turbina eolica, como un sistema de engranajes, una parte de un sistema de engranajes, un cojinete, un generador, un eje de accionamiento, etc. Estos parametros pueden incluir un componente o mediciones cerca del mismo, la carga, el estres o la tension de un componente, etc. La medicion y el analisis de dichos parametros permiten a un operador detectar cuando un componente alcanza un estado en el que se espera su rotura. Cuando esto sucede, se debe programar una inspeccion de servicio con el fin de reparar o reemplazar el componente. Esto da lugar a eventos de servicio no deseados que se anaden al programa de servicio normal. Por otra parte, en el caso en que el componente se rompa antes de que la inspeccion de servicio pueda tener lugar, se debe detener la turbina eolica durante un penodo de tiempo. La consecuencia de esto es que se disminuye la produccion de energfa de la turbina eolica.
"Towards Quantification of Condition Monitoring Benefit for Wind Turbine Generators", David McMillan y otros, Conferencia Europea de Energfa Eolica 2007, divulga una estrategia de mantenimiento para parques eolicos utilizando diferentes modelos probabilfsticos con el fin de mejorar la eficiencia operativa de los mismos. Se monitoriza el estado de uno o mas componentes de la turbina, incluyendo la caja de engranajes y el generador.
"Requirements for Condition Based Operation and Maintenance in Offshore Wind Farms", Jochen Giebhardt y otros, Conferencia Europea de Energfa Eolica 2007, describe la deteccion de fallos para turbinas eolicas distantes utilizando sistemas de monitorizacion de estado en lmea.
El documento US 2008/0112807 A1 divulga un procedimiento de operacion de una turbina eolica. El procedimiento incluye la determinacion de un espacio operativo de aire ambiente, por ejemplo, incluyendo la medicion de temperatura del aire ambiente, y el control de la salida de potencia de la turbina eolica al menos parcialmente en base al espacio operativo de aire ambiente determinado. El procedimiento puede incluir la comparacion de una temperatura de aire ambiente medida con un intervalo de temperatura de aire ambiente predeterminado, y la disminucion de la salida de potencia de la turbina eolica si la temperatura del aire ambiente medida esta fuera del intervalo de temperatura de aire ambiente predeterminado, en particular, en el caso en que la temperatura del aire ambiente medida sea inferior a un valor umbral inferior.
El documento US 2004/0230377 A1 divulga un sistema de gestion de energfa eolica para la supervision de rendimiento de los generadores de turbinas eolicas situadas en parques eolicos. Un gestor de cartera eolica en tiempo real recibe y almacena datos en tiempo real producidos por los parques de turbinas eolicas. El gestor tiene un modulo de informe para la generacion de informes de perfiles de rendimiento de los aerogeneradores.
El documento US 2005/0049835 A1 divulga un dispositivo y un procedimiento para la deteccion y prediccion tempranas de danos en los conjuntos en las plantas de maquinaria. Un sensor detecta un sonido generado por la estructura de la maquina y la emite como una senal de aceleracion que se analiza en un procesador de senales digitales. Cuando se exceden los valores lfmite, una senal de diagnostico, en particular, informacion relacionada con el conjunto que se diagnostica como danado, y su vida util restante pronosticada se visualizan para el usuario y se inicia un modo de funcionamiento de emergencia.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
Es objeto de los modos de realizacion de la invencion proporcionar un procedimiento para controlar el funcionamiento de una turbina eolica, en el que el numero de inspecciones de servicio no programadas se reduzca en comparacion con los procedimientos de la tecnica anterior.
Es un objeto adicional de los modos de realizacion de la invencion proporcionar un procedimiento para controlar el funcionamiento de una turbina eolica, en el que el tiempo de inactividad total de la turbina eolica se reduzca en comparacion con los procedimientos de la tecnica anterior.
Es incluso un objeto adicional de los modos de realizacion de la invencion proporcionar un sistema para controlar el funcionamiento de una turbina eolica, en el que el numero de inspecciones de servicio no programadas se reduzca en comparacion con los sistemas de control de la tecnica anterior.
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Es incluso un objeto adicional de los modos de realizacion de la invencion proporcionar un sistema para controlar el funcionamiento de una turbina eolica, en el que el tiempo de inactividad total de la turbina eolica se reduzca en comparacion con los sistemas de control de la tecnica anterior.
De acuerdo con un primer aspecto, la invencion proporciona un procedimiento para controlar el funcionamiento de una turbina eolica, que comprende las etapas siguientes:
- determinar un nivel de alarma para al menos un componente de la turbina eolica, y
- en el caso en que un nivel de alarma para al menos un componente exceda un nivel predefinido:
- estimar un tiempo de vida util restante esperado para dicho componente bajo las condiciones actuales de funcionamiento, y
- controlar el funcionamiento de la turbina eolica con el fin de ajustar el tiempo de vida util restante esperado de dicho componente a un tiempo de vida util restante deseado para dicho componente.
El funcionamiento de la turbina eolica se controla mediante la estimacion de una velocidad de viento esperada en el sitio de la turbina eolica durante el tiempo de vida restante esperado y estimado del componente. En el caso en que la velocidad del viento esperada sea inferior a un valor umbral predefinido, se controla el funcionamiento de la turbina eolica con el fin de mantener un nivel de potencia de salida de la turbina eolica. En el caso en que la velocidad del viento esperada sea superior al valor de umbral predefinido, se controla el funcionamiento de la turbina eolica con el fin de reducir el nivel de potencia de salida de la misma.
En el presente contexto, el termino "turbina eolica" se debe interpretar con el significado de estructura adaptada para la extraccion de energfa del viento y su conversion en energfa electrica. Las turbinas eolicas modernas comprenden normalmente una construccion de torre que soporta de forma rotativa una gondola. La gondola lleva un buje que tiene un juego de alabes de rotor fijados al mismo. Las palas del rotor pueden dirigirse hacia el viento mediante la rotacion de la gondola respecto a la construccion de la torre. La parte interior de la gondola contiene los equipos de conversion de energfa, por ejemplo, un tren de accionamiento que incluye una disposicion de engranajes y un generador, el cual se encuentra conectado electricamente a una red electrica. Como alternativa, la turbina eolica podna ser de un tipo sin engranajes.
El procedimiento comprende la etapa de determinacion de un nivel de alarma para al menos un componente de la turbina eolica. Entre los componentes adecuados se incluyen, pero no se limitan a, la disposicion de engranajes, las piezas de engranajes, incluyendo ejes de accionamiento o ruedas dentadas, cojinetes o generador. En el presente contexto, el termino "determinacion de un nivel de alarma" debe interpretarse en el sentido de determinacion del estado actual de un componente dado en terminos de operatividad. Por lo tanto, un nivel de alarma bajo para un componente dado indica que el componente esta en pleno funcionamiento, y cuanto mayor sea el nivel de alarma, mayor sera el riesgo de que el componente pueda fallar en un futuro proximo. En consecuencia, un nivel de alarma determinado para un componente dado proporciona informacion sobre el riesgo de fallo de ese componente. Ademas, el nivel de alarma puede depender de la gravedad de un posible mal funcionamiento o fallo de un componente.
En el caso en que un nivel de alarma para al menos un componente exceda un nivel predefinido, se estima un tiempo de vida restante esperado para dicho componente bajo las condiciones de funcionamiento actuales. El nivel predefinido puede ser de forma ventajosa un nivel que indique que se requiere servicio para el componente. En el presente contexto, el termino "vida util restante esperada" se debe interpretar en el sentido de tiempo promedio que transcurrira antes de que el componente se rompa, si la turbina eolica funciona de forma continua en las condiciones actuales de funcionamiento, por ejemplo, en terminos de nivel de potencia de salida.
Posteriormente, la operacion de la turbina eolica se controla con el fin de ajustar el tiempo de vida restante esperado para dicho componente a un tiempo de vida restante esperado deseado. Esto puede, por ejemplo, incluir la prolongacion de la vida util restante esperada lo suficiente como para permitir que la turbina eolica siga funcionando hasta el proximo evento de servicio programado. Por lo tanto, se evitan asf tanto el tiempo de inactividad como los eventos de servicio no programados. De forma alternativa o adicional, se puede prolongar el tiempo de vida restante esperado para alcanzar un penodo en el que sea mas conveniente la realizacion del servicio o mantenimiento en la turbina eolica. Tales penodos pueden incluir, por ejemplo, penodos de poco viento o periodos con condiciones climaticas mejoradas. Esto es especialmente relevante para las turbinas eolicas en el mar, donde las condiciones climaticas favorables son cruciales para el acceso a la turbina. Como otra alternativa, en el caso en que no sea posible prolongar el tiempo de vida util restante esperado al siguiente evento de servicio programado o a un periodo mas conveniente, se puede programar un evento de servicio adicional dentro del lapso de tiempo en que se puede prolongar el tiempo de vida restante esperado. En cualquier caso, se puede asegurar que la salida de potencia total de la turbina eolica se maximiza durante el penodo hasta la realizacion del servicio requerido. Ademas, el tiempo medio entre inspecciones (MTBI) se puede ampliar de esta manera.
La etapa de determinacion de un nivel de alarma para al menos un componente de la turbina eolica puede
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comprender las etapas de:
- obtencion de datos en relacion con el estado de salud de uno o mas componentes de la turbina eolica, y
- determinacion de un nivel de alarma para al menos uno de los componentes, en base a los datos obtenidos.
En el presente contexto, el termino "estado de salud" se debe interpretar en el sentido de estado indicativo de si el componente es operativo, y en que medida lo es, o no. Por lo tanto, el estado de salud de un componente puede indicar si es probable que el componente se rompa en un futuro proximo, y/o que ocurra un mal funcionamiento y/o un error. El estado de salud tambien puede indicar si los ajustes actuales de operacion son adecuados para el componente. Los datos relativos al estado de salud de un componente pueden incluir, pero no se limitan a, la temperatura del componente o en sus alrededores, las vibraciones, el estres, la tension y/o las cargas del mismo.
De acuerdo con este modo de realizacion, un nivel de alarma para al menos uno de los componentes se determina basandose en los datos obtenidos. Por lo tanto, el estado de salud de un componente determina el nivel de alarma. En consecuencia, si los datos obtenidos revelan que un componente dado tiene un buen estado de salud, seguidamente se determina el nivel de alarma para este componente como bajo. Por otra parte, si los datos obtenidos revelan que el estado de salud de un componente dado es relativamente pobre, por ejemplo, indicando que es probable que el componente se rompa en un futuro proximo, y/o que los parametros de funcionamiento actuales no son los adecuados para el componente, por ejemplo, debido a las vibraciones inducidas en el componente, entonces el nivel de alarma se determina como alto.
La etapa de obtencion de datos en relacion con el estado de salud de uno o mas componentes puede comprender la medicion de uno o mas parametros de cada componente a traves de uno o mas sensores. De acuerdo con este modo de realizacion, los datos relativos al estado de salud del componente se obtienen directamente a traves de mediciones. Entre los ejemplos de sensores adecuados se incluyen, pero no se limitan a, los sensores de temperatura, los sensores de vibracion, los sensores de deformacion y los sensores de estres. Como alternativa a la medicion de parametros, los datos relativos al estado de salud de uno o mas componentes se pueden obtener de manera indirecta.
La etapa de estimacion de un tiempo de vida restante esperado para dicho componente se puede realizar sobre la base de datos obtenidos empmcamente. Los datos obtenidos empmcamente pueden comprender datos relacionados con la velocidad y/o direccion del viento en el sitio de la turbina eolica. Tales datos podnan haber sido obtenidos durante un penodo anterior a la construccion de la turbina eolica, y/o durante el funcionamiento de la misma. Los datos sobre vientos obtenidos empmcamente se pueden procesar estadfsticamente. De ese modo, la informacion sobre, por ejemplo, la distribucion de la velocidad del viento en el sitio de la turbina eolica se puede obtener, por ejemplo, en forma de velocidad media del viento para cada mes, con la posible adicion de informacion sobre la desviacion estandar de los datos de velocidad del viento. La velocidad del viento puede variar durante el ano, por ejemplo, es probable que las velocidades del viento mas altas ocurran durante la temporada de invierno que durante la de verano. Los datos empmcos procesados estadfsticamente, como los descritos anteriormente, se pueden utilizar para la estimacion de la velocidad del viento esperada en el sitio de la turbina eolica dentro del mes proximo o mas meses. Esto puede ser un factor importante para determinar como controlar el funcionamiento de la turbina eolica con el fin de ajustar el tiempo de vida restante esperado a un tiempo de vida restante esperado deseado. Por ejemplo, durante los penodos de poco viento hay mayor probabilidad de que sea posible operar la turbina eolica a potencia de salida maxima sin riesgo de ruptura de algun componente con un nivel de alarma dado, que durante los penodos de grandes vientos.
De forma alternativa o adicional, los datos obtenidos empmcamente pueden comprender datos relacionados con los tiempos de vida util de componentes identicos o similares a dicho componente. Tales datos podnan obtenerse, por ejemplo, de la siguiente manera. Cuando se detecta un nivel de alarma dado para un componente dado, ese componente viene monitorizado y se registra la potencia de salida en funcion del tiempo, asf como el tiempo que transcurre entre la deteccion del nivel de alarma y la rotura del componente. Esto se realiza para un gran numero de componentes identicos o similares y, de ese modo, se obtiene informacion estadfstica sobre tiempo de vida util esperado de un componente bajo diversas condiciones de funcionamiento. Esta informacion se puede utilizar de forma ventajosa para estimacion o calculo de la vida util restante esperada de un componente cuando se detecta un nivel de alarma dado, y bajo las condiciones de funcionamiento dadas.
Como ejemplo, los datos obtenidos empmcamente relacionados con tiempos de vida util de componentes identicos o similares se pueden procesar utilizando la siguiente formula:
r nivelalarma - a5^ + a^4 + aa^ + a2^ + a-iPi,
en la que Tmvelaiarma es el tiempo de vida util restante medido de un componente despues de detectarse un nivel de alarma dado, r es el tiempo que se opero el componente a salida de potencia clase i, y ai es un coeficiente conectado a la salida de potencia clase i. Para cada nivel de alarma, los valores ai se pueden determinar a partir de mediciones procedentes de un gran numero de componentes, por ejemplo por medio de procedimientos de ajuste y/o regresion de curvas.
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Una vez determinadas las ai, el tiempo de vida restante esperado de un componente despues de haberse detectado un nivel de alarma dado puede calcularse utilizando la siguiente formula:
T nivelalarma - asTs + a4T4 + a3T3 + a2T2 + aiTi,
en la que ai son los coeficientes previamente determinados como se describio anteriormente, Ti es el tiempo que el componente se opera a potencia de salida clase i y Tnivelalarma es el tiempo de vida util restante calculado del componente despues de haberse detectado un nivel de alarma dado. El tiempo de vida restante esperado del componente se puede ajustar mediante el ajuste de las Ti con el fin de obtener un tiempo de vida restante esperado deseado para el componente.
Como alternativa, los datos empmcos se pueden trazar, y estas curvas se pueden utilizar cuando se debe calcular el tiempo de vida util restante esperado de un componente dado, por ejemplo, de la manera descrita a continuacion con referencia a la figura 2.
De acuerdo con un modo de realizacion de la invencion, la etapa de control de la turbina eolica puede comprender la reduccion de produccion de energfa de la turbina eolica con el fin de extender la vida util restante esperada de dicho componente hasta un mantenimiento programado proximo de la turbina eolica.
El valor de umbral predefinido de velocidad del viento se puede seleccionar de manera ventajosa de forma tal que las velocidades del viento por debajo del valor de umbral predefinido no da lugar a cargas excesivas en el componente o a danos en el mismo si la turbina eolica se opera con el fin de obtener potencia de salida maxima. Por lo tanto, en este caso la operacion de la turbina eolica se puede controlar de acuerdo con la estrategia de control que se habna seleccionado si se hubiese determinado que el componente estaba sano y completamente operativo, por ejemplo, una estrategia de control de salida de potencia maxima. En consecuencia, en este caso el nivel de potencia de salida se mantiene en el nivel maximo posible, por ejemplo, la potencia nominal, a condicion de que la velocidad del viento sea suficientemente alta como para permitir que se alcance la potencia nominal.
Por otro lado, en el caso en que se espere que la velocidad estimada del viento exceda el valor de umbral predefinido, controlar el funcionamiento de la turbina eolica de acuerdo con una estrategia de control de "salida de potencia maxima" podna tener un efecto adverso sobre el tiempo de vida util restante esperado del componente. En consecuencia, con el fin de prolongar el tiempo de vida restante esperado del componente, el nivel de potencia de salida de la turbina eolica se reduce, es decir, se reduce el rendimiento de la turbina eolica.
La etapa de estimacion de una velocidad de viento esperada se puede realizar sobre la base de datos de viento obtenidos empmcamente. Los datos de viento obtenidos empmcamente se pueden procesar estadfsticamente como se describe anteriormente, obteniendo de esta manera informacion sobre la velocidad media del viento y la posible desviacion estandar de la velocidad del viento mes por mes. Tal informacion puede usarse de forma ventajosa para estimar la velocidad del viento esperada para el mes o los meses proximos.
El procedimiento puede comprender ademas la etapa de programacion del mantenimiento de la turbina eolica para el caso en que el nivel de alarma del componente permanezca por encima del nivel predefinido despues de haberse reducido el nivel de potencia de salida de la turbina eolica. De acuerdo con este modo de realizacion, en el caso en que resulte que reducir la potencia de la turbina eolica no es suficiente para prolongar el tiempo de vida restante esperado del componente a un tiempo de vida restante esperado deseado, por ejemplo, hasta el proximo evento de servicio programado o hasta un penodo de condiciones climaticas mas favorables, se programa un evento de servicio adicional con el fin de reparar o reemplazar el componente. Sin embargo, todavfa es posible programar el evento de servicio y mantener la turbina eolica en marcha hasta que el evento de servicio puede tener lugar.
De acuerdo con un segundo aspecto, la invencion proporciona un sistema para controlar el funcionamiento de una turbina eolica, que comprende:
- una unidad de alarma adaptada para determinar un nivel de alarma de al menos un componente de la turbina eolica,
- una calculadora de vida util adaptada para determinar un tiempo de vida restante esperado para dicho componente, y
- una unidad de control adaptada para controlar el funcionamiento de la turbina eolica en respuesta a un tiempo de vida restante esperado determinado.
Debe tenerse en cuenta que una persona experta en la tecnica reconocena facilmente que cualquier caractenstica descrita en combinacion con el primer aspecto de la invencion tambien se podna combinar con el segundo aspecto de la invencion, y viceversa.
El sistema de control del segundo aspecto de la invencion puede adaptarse ventajosamente para realizar el procedimiento del primer aspecto de la invencion.
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La unidad de alarma puede comprender una unidad de recogida de datos para la obtencion de datos relacionados con el estado de salud de uno o mas componentes de la turbina eolica. La unidad de recogida de datos puede comprender uno o mas sensores dispuestos en los componentes o en las proximidades de los mismos. Como se ha mencionado anteriormente, dichos sensores pueden ser, por ejemplo, en forma de sensores de temperatura, sensores de vibracion, sensores de carga, etc.
La calculadora de tiempo de vida puede adaptarse ventajosamente para calcular la vida util restante esperada del componente de la manera descrita anteriormente con referencia al primer aspecto de la invencion.
La unidad de control se puede adaptar con el fin de reducir el nivel de potencia de salida de la turbina eolica, es decir, disminuir el rendimiento de la turbina eolica. Como se menciono anteriormente, esto puede ser ventajoso con el fin de prolongar el tiempo de vida restante esperado de un componente, por ejemplo, hasta el siguiente evento de servicio programado.
La invencion refiere ademas a una turbina eolica que comprende un sistema de acuerdo con el segundo aspecto de la invencion.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
La invencion se describira a continuacion en mayor detalle con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
Las figuras 1a-1c ilustran sensores dispuestos en una caja de engranajes y un generador,
La figura 2 ilustra el tiempo de vida restante esperado de un componente en varios niveles de alarma y para diversas estrategias de control,
La figura 3 ilustra el tiempo de vida restante esperado de un componente bajo una estrategia de control alternativa,
Las figuras 4a y 4b muestran las curvas de distribucion de viento de un sitio espedfico durante enero y febrero, respectivamente, para tres anos posteriores,
La figura 5a muestra las velocidades de viento promedio mensuales de un sitio espedfico para dos anos posteriores,
La figura 5b muestra la desviacion estandar mensual de las velocidades de viento de un sitio espedfico para dos anos posteriores,
La figura 6 es una curva de potencia de salida de acuerdo con un modo de realizacion de la invencion;
La figura 7 es un diagrama que ilustra un sistema de acuerdo con un modo de realizacion de la invencion,
La figura 8 es un diagrama de flujo que ilustra un procedimiento de acuerdo con un modo de realizacion de la invencion, y
La figura 9 es un diagrama de flujo que ilustra un procedimiento de acuerdo con un modo de realizacion alternativo de la invencion.
DESCRIPCION DETALLADA DE LOS DIBUJOS
La figura 1a es una vista lateral de una caja de engranajes 1 de una turbina eolica, la figura 1b es una vista superior de la caja de engranajes 1 de la figura 1a, y la figura 1c es una vista lateral de un generador 2 de la turbina eolica. La caja de engranajes 1 y el generador 2 se proporcionan con un total de ocho acelerometros 3-10 dispuestos en diversas posiciones de la caja de engranajes 1 y el generador 2. Los acelerometros 3-10 se utilizan para detectar vibraciones en la caja de engranajes 1 o el generador 2, respectivamente, en sus respectivas posiciones. El resultado de las mediciones realizadas por los sensores 3-10 se analiza en un sistema de monitorizacion de estado (CMS), y en base al analisis, se derivan un estado de salud de la caja de engranajes 1 y un estado de salud del generador 2. Por lo tanto, si uno o mas de los sensores 3-8 dispuestos en la caja de engranajes 1 presentan un nivel de vibracion elevado, esto es una indicacion de que la caja de engranajes 1 esta en un estado de salud no optimo. El CMS dispara entonces un nivel de alarma correspondiente para la caja de engranajes 1. Del mismo modo, si uno o ambos sensores 9, 10 dispuestos en el generador 2 miden un nivel de vibracion elevado, se concluye que el generador 2 esta en un estado de salud no optimo, y se dispara un nivel de alarma correspondiente para el generador 2.
La caja de engranajes 1 y/o el generador 2 pueden alternativa o adicionalmente estar provistos de otros tipos de sensores, como sensores de temperatura, que pueden utilizarse para medir un parametro indicativo del estado de salud del componente. Ademas, la caja de engranajes 1 y/o el generador 2 pueden estar provistos de cualquier numero de sensores en modos de realizacion alternativos.
La figura 2 es un grafico que ilustra el tiempo de vida restante esperado de un componente despues de detectarse un nivel de alarma dado y para diversas estrategias de control. El componente puede ser, por ejemplo, la caja de engranajes 1 de las figuras 1a y 1b o el generador 2 de la figura 1c. En el grafico el nivel de vibraciones del
componente se representa en funcion del tiempo. Se marcan cuatro niveles de vibracion correspondientes a cuatro niveles de alarma, alarmas de nivel 2-5. Por lo tanto, cuando el nivel de vibracion del componente alcanza el "nivel de alarma 2", se activa el nivel de alarma 2 para el componente. El nivel de alarma 5 es el nivel mas grave, y cuando se alcanza este nivel, es muy probable que el componente se rompa y se tenga que detener la operacion de la turbina 5 eolica.
La curva etiquetada "Salida de potencia clase 5" ilustra el nivel de vibracion en funcion del tiempo para el caso en que la turbina eolica se opere en potencia de salida clase 5. Se trazan tanto el nivel de vibracion medio como la banda de intervalo de confianza del 95%. Cuando se alcanza el nivel de vibracion correspondiente al nivel de alarma 2, el tiempo de vida restante esperado es el tiempo que transcurre desde la deteccion del nivel de alarma 2 hasta que se
10 alcanza el nivel de alarma 5, y es mas probable que el componente se rompa. Este intervalo de tiempo viene indicado como At.
En el grafico, las curvas correspondientes se trazan ilustrando las situaciones en las que la turbina eolica se hace funcionar en las clases de potencia de salida 4, 3 y 1, respectivamente. Es evidente a partir del grafico que se aumenta la vida util restante esperada cuando la turbina eolica se opera en una clase de potencia de salida mas baja.
15 Cabe senalar que en el presente contexto el termino "clase de salida de potencia" debena interpretarse en el sentido de un intervalo de potencia de salida de la turbina eolica. Para una turbina eolica espedfica con una potencia de salida nominal dada, los niveles de potencia se dividen en intervalos adecuados, y la clase de potencia mas alta se corresponde con, o practicamente con, la potencia nominal. Por ejemplo, para una plataforma de 2,0 MW, la clasificacion de potencia podna ser la siguiente:
- Clase de salida de potencia
- 1 2 3 4 5
- Valor de potencia Pw (MW)
- Pw<0,7 0,7<Pw<1,2 1,2<Pw<1,5 1,5<Pw<1,8 1,8<Pw
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Como otro ejemplo, la clasificacion de potencia para una plataforma de 3,0 MW podna ser la siguiente:
- Clase de salida de potencia
- 1 2 3 4 5
- Valor de potencia Pw (MW)
- Pw<0,9 0,9<Pw<1,5 1,5<Pw<2,1 2,1<Pw<2,65 2,65<Pw
Las curvas mostradas en la figura 2 se pueden obtener a partir de mediciones obtenidas a partir de un gran numero de componentes identicos o similares. Se pueden trazar muchas curvas que representen el nivel de vibracion en 25 funcion del tiempo de ejecucion despues de activarse un nivel de alarma dado. Una curva, por ejemplo, indica que la turbina podna funcionar mas del 80% de la vida util restante con salida de potencia clase 5. U otra curva, por ejemplo, indica que la turbina podna funcionar mas de 80% de la vida util restante con salida de potencia clase 4, etc. A partir de todas esas curvas de referencia, se infiere que la turbina puede funcionar con diferentes esquemas de control a traves del ajuste del tiempo en el que se opera el componente en las diferentes clases de potencia de salida despues 30 de haberse detectado el nivel de alarma dado.
La figura 3 es un grafico que ilustra el tiempo de vida restante esperado de un componente bajo una estrategia de control de acuerdo con un modo de realizacion alternativo. De acuerdo con esta estrategia de control, cuando se alcanza el nivel de vibracion correspondiente a nivel de alarma 2, el tiempo de vida util restante esperado es At si la turbina eolica se hace funcionar en salida de potencia clase 5 durante mas del 80% de la vida util restante. Esto se 35 ilustra en la curva "Salida de potencia clase 5".
Si resulta que At es mas corto que el tiempo hasta el proximo evento de servicio programado, entonces se puede reducir el rendimiento de la turbina eolica para que sea operada en salida de potencia clase 4 durante mas del 80% del tiempo de vida restante cuando se alcanza el nivel de vibracion correspondiente a nivel de alarma 3. Esto se ilustra en la curva "Salida de potencia clase 4". De este modo el tiempo de vida util restante esperado se extiende en 40 At+ en comparacion con la situacion en la que la turbina eolica se opera en salida de potencia clase 5.
Si resulta, que la vida util restante esperada extendida (At) + (At+) es tambien menor que el tiempo hasta el proximo evento de servicio programado, se puede reducir entonces aun mas el rendimiento de la turbina eolica para que sea operada en salida de potencia clase 3 durante mas del 80% de la vida util restante cuando se alcanza el nivel de
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vibracion correspondiente al nivel de alarma 4. Esto se ilustra en la curva "Salida de potencia clase 3". De este modo el tiempo de vida restante esperado se extiende aun mas en At++ en comparacion con la situacion en la que la turbina eolica se opera en salida de potencia clase 5. Si esto sigue siendo insuficiente para obtener una vida util restante prevista deseada, se debe considerar entonces una reduccion de potencia aun mayor, o se puede programar un evento de servicio adicional con el fin de reparar o reemplazar el componente.
Las figuras 4a y 4b muestran las curvas de distribucion de viento en un sitio espedfico durante enero (figura 4a) y febrero (figura 4b), respectivamente, para tres anos posteriores, es decir, 2007, 2008 y 2009. A partir de la figura 4a se observa que la velocidad promedio del viento en enero de 2007 y la velocidad promedio del viento en enero de 2008 fueron casi identicas. Sin embargo, la desviacion estandar de la velocidad del viento en enero de 2007 fue algo mas grande que la desviacion estandar de la velocidad del viento en enero de 2008. La velocidad media del viento en enero de 2009 fue algo menor que la velocidad media del viento de enero de 2007 y 2008.
A partir de la figura 4b se observa que las velocidades medias del viento en febrero de 2007, 2008 y 2009 fueron muy similares, la velocidad media del viento en febrero de 2009 es ligeramente inferior a los dos anos anteriores. La desviacion estandar de la velocidad del viento en febrero de 2008 es algo mayor que la desviacion estandar de la velocidad del viento de febrero de 2007 y de febrero de 2009.
Comparando las figuras 4a y 4b se observa que la velocidad media del viento en enero es generalmente mas alta que la velocidad media del viento en febrero. Por lo tanto, se pueden esperar de forma general velocidades de viento mas altas durante el mes de enero que durante el mes de febrero. Utilizando todas las mediciones de velocidad de viento realizadas en 2007, 2008 y 2009, y preferiblemente las mediciones realizadas durante otros muchos anos, se proporciona un buen material estadfstico que puede utilizarse para estimar o predecir la velocidad de viento esperada en el sitio durante el proximo mes. Como se describio anteriormente, esto se puede utilizar para determinar si la turbina eolica debe ser operada en un estado reducido con el fin de ajustar el tiempo de vida restante esperado a un tiempo de vida restante deseado. Por ejemplo, en el caso en que los datos estadfsticos de viento obtenidos empmcamente del sitio de la turbina eolica indiquen la probabilidad de que ocurra una velocidad de viento relativamente alta durante el mes o los meses proximos, se puede concluir entonces que una produccion de potencia maxima de la turbina eolica dara muy probablemente como resultado un gran desgaste en un componente, dando lugar a una alarma. Bajo estas circunstancias, podna ser necesario operar la turbina eolica en un estado de potencia reducida con el fin de obtener un tiempo de vida restante esperado suficientemente largo para el componente. Por otro lado, si se espera que la velocidad de viento esperada en el mes o los meses proximos sea relativamente baja, entonces podna no sea necesario operar la turbina eolica en un estado de potencia reducida.
La figura 5a muestra las velocidades de viento promedio mensuales de un sitio espedfico para los dos anos siguientes, es decir, 2007 y 2008, y la figura 5b muestra la desviacion estandar mensual de la velocidad del viento del sitio para el 2007 y el 2008. La figura 5a muestra una clara tendencia a velocidades de viento mayores durante la estacion invernal y a velocidades del viento mas bajas durante la temporada estival. Los graficos de las figuras 5a y 5b se han obtenido a partir de curvas del tipo mostrado en las figuras 4a y 4b. Como se explico anteriormente, los datos de viento empmcos obtenidos de esta manera se pueden utilizar para determinar si la turbina eolica debe ser operada en un estado de potencia reducida con el fin de obtener un tiempo de vida restante esperado deseado para que un componente de lugar a una alarma.
La figura 6 es una curva de potencia de salida de una turbina eolica de acuerdo con un modo de realizacion de la invencion. La turbina eolica tiene una potencia nominal de 3 MW. A velocidades de viento bajas la produccion de energfa es cero. A la velocidad de viento de conexion, alrededor de 4 m/s, la turbina eolica empieza a producir energfa en la clase de potencia 1. A medida que la velocidad del viento aumenta, la produccion de energfa tambien aumenta, hasta alcanzarse la potencia nominal de 3 MW a una velocidad de viento de 14 m/s. Con velocidades de viento mayores, la potencia de salida se limita a la potencia nominal. Los intervalos de potencia correspondientes a las salidas de potencia clase 1 y 2 se marcan. La curva de potencia de salida de la figura 6 se incluye meramente con el fin de ilustrar el concepto de clases de salida de potencia.
La figura 7 es un diagrama que ilustra un sistema de acuerdo con un modo de realizacion de la invencion. En una turbina eolica 11, un sistema de sensores 12 obtiene datos relacionados con el estado de salud de uno o mas componentes de la turbina eolica 11. El sistema de sensores 12 puede, por ejemplo, ser o comprender los sensores ilustrados en las figuras 1a-1c. Las senales de los sensores del sistema de sensores 12 se transfieren a un centro de datos 14. El centro de datos 14 tambien puede recibir informacion adicional, como informacion sobre el viento y el sitio 15. El centro de datos 14 procesa la entrada recibida y alimenta una senal a un terminal 19 del sistema de operacion basada en el estado (CBO). En el terminal 19 del sistema CBO, un analizador de modo de fallo 20 analiza la informacion recibida desde el centro de datos 14. Basandose en el analisis, se determina un nivel de alarma para uno o mas componentes de la turbina eolica 11. A continuacion, se calcula el tiempo de vida restante esperado de uno o mas componentes mediante un calculador de tiempo de vida util restante (RUL) 21.
Si resulta que el tiempo de vida restante esperado de al menos un componente es mas corto que el tiempo para el siguiente evento de servicio programado para la turbina eolica 11, o el tiempo para el siguiente penodo de poco viento, entonces se puede reducir la potencia de operacion de la turbina eolica 11, por ejemplo, como se ha descrito anteriormente, por medio de un control de reduccion de potencia 22.
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La figura 8 es un diagrama de flujo que ilustra un procedimiento de acuerdo con un modo de realizacion de la invencion. El proceso tiene inicio en la etapa 26. En la etapa 27 se miden los parametros de salud de uno o mas componentes, por ejemplo, por medio de sensores dispuestos en o cerca de los componentes relevantes. En base a los parametros medidos, se determina un nivel de alarma para al menos uno de los componentes en la etapa 28. En base al nivel de alarma, y posiblemente en informacion adicional, como los datos obtenidos empmcamente sobre el viento y el sitio y/o sobre el comportamiento del componente, se calcula el tiempo de vida util restante (RUL) esperado para el componente en la etapa 29. En la etapa 30 se investiga si el RUL calculado es o no lo suficientemente largo como para permitir que la turbina eolica funcione hasta el proximo evento de servicio programado. Si este es el caso, la turbina eolica se opera de acuerdo con una estrategia de control de salida de potencia maxima, como se indica en la etapa 31. Posteriormente, el proceso se devuelve a la etapa 27, donde se miden nuevamente los parametros de salud de uno o mas componentes.
En el caso en que la etapa 30 revele que el RUL calculado es insuficiente para permitir el funcionamiento de la turbina eolica hasta el proximo evento de servicio programado, entonces la turbina eolica se operara en un estado de potencia reducida, como se indica en la etapa 32. Posteriormente, el proceso se devuelve a la etapa 27, donde se miden nuevamente los parametros de salud de uno o mas componentes. La reduccion de potencia puede realizarse, por ejemplo, ajustando el tiempo de operacion de la turbina eolica en las diferentes clases de salida de potencia de tal manera que, al menos para algo del tiempo de vida util restante, la turbina eolica se opere a una clase de salida de potencia que sea inferior a la clase de salida de potencia mas alta posible que podna seleccionarse bajo las circunstancias dadas. La reduccion de potencia se puede realizar de forma ventajosa como se describio anteriormente en referencia a la figura 2 o la figura 3.
La figura 9 es un diagrama de flujo que ilustra un procedimiento de acuerdo con un modo de realizacion alternativo de la invencion. El proceso tiene inicio en la etapa 33. En la etapa 34, se determina un nivel de alarma para al menos un componente de la turbina eolica, y se calcula el tiempo de vida util restante (RUL) del componente. El nivel de alarma podna determinarse, por ejemplo, sobre la base de los parametros de salud medidos como se ha descrito anteriormente.
En la etapa 35 se estima una velocidad de viento esperada dentro de un periodo futuro inmediato. El penodo podna ser, de forma ventajosa, sustancialmente el RUL que se calculo en la etapa 34. La velocidad de viento esperada se puede estimar sobre la base de datos de viento empmcos, como los datos de viento del tipo ilustrado en las figuras 4a-5b. Por lo tanto, cuando se conoce la epoca del ano, se puede estimar la velocidad de viento esperada para el mes siguiente o dentro del par de meses siguientes, en funcion de los datos de viento obtenidos empmcamente y procesados estadfsticamente del sitio, que son relevantes para la epoca espedfica del ano.
En la etapa 36, la velocidad de viento esperada, que fue estimada en la etapa 35, se compara con un umbral de velocidad de viento, Vthres. En el caso en que la velocidad de viento esperada sea inferior al valor de umbral, se determina que la reduccion de potencia de la turbina eolica no es necesaria con el fin de obtener un RUL deseado. Por consiguiente, la turbina eolica se opera de manera tal que se mantiene un nivel de potencia de salida, preferiblemente, de manera tal que se consiga una salida de potencia maxima posible, en la etapa 37. Posteriormente, el proceso se devuelve a la etapa 34, donde se determina una vez mas un nivel de alarma.
Por otro lado, si la velocidad de viento esperada es superior al valor de umbral, entonces se determina que se espera que la velocidad del viento sea tan alta que el RUL se vea afectada si no se reduce el rendimiento de la turbina eolica. En consecuencia, se reduce el rendimiento de la turbina eolica en la etapa 38. Posteriormente, el proceso se devuelve a la etapa 34, donde se determina una vez mas un nivel de alarma. De manera similar a la situacion descrita anteriormente con referencia a la figura 8, la reduccion de potencia se puede realizar de forma ventajosa como se describe en referencia a la figura 2 o la figura 3.
Claims (13)
- 51015202530354045REIVINDICACIONES1. Un procedimiento de control de funcionamiento de una turbina eolica (11), que comprende las etapas de:- determinar (28, 34) un nivel de alarma para al menos un componente (1,2) de la turbina eolica (11), en el caso en que un nivel de alarma de al menos un componente (1, 2) exceda un nivel predefinido:- estimar (29, 34) un tiempo de vida restante esperado para dicho componente (1, 2) bajo las condiciones de funcionamiento actuales, y- controlar (31, 32, 37, 38) el funcionamiento de la turbina eolica (11) con el fin de ajustar el tiempo de vida restante esperado para dicho componente (1, 2) a un tiempo de vida restante esperado deseado para dicho componente (1, 2),caracterizado por que la etapa de control (31, 32, 37, 38) de funcionamiento de la turbina eolica (11) comprende las etapas de:- estimar (35) una velocidad de viento esperada en el sitio de la turbina eolica (11) durante el tiempo de vida restante estimado esperado de dicho componente (1, 2),- en el caso en que la velocidad de viento esperada sea inferior a un valor de umbral predefinido, controlar (37) de la operacion de la turbina eolica (11) para mantener un nivel de potencia de salida de la turbina eolica (11), y- en el caso en que la velocidad de viento esperada sea superior al valor de umbral predefinido, controlar (38) la operacion de la turbina eolica (11) para reducir el nivel de potencia de salida de la turbina eolica (11).
- 2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la etapa de determinacion (28, 34) de un nivel de alarma para al menos un componente (1,2) de la turbina eolica (11) comprende las etapas de:- obtener (27) datos relacionados con el estado de salud de uno o mas componentes (1,2) de la turbina eolica (11), y- determinar (28, 34) un nivel de alarma para al menos uno de los componentes (1, 2), sobre la base de los datos obtenidos.
- 3. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 2, en el que la etapa de obtencion (27) de datos relacionados con el estado de salud de uno o mas componentes (1, 2) comprende medir uno o mas parametros de cada componente (1,2) por medio de uno o mas sensores (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10).
- 4. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la etapa de estimacion (29, 34) de un tiempo de vida restante esperado para dicho componente (1, 2) se realice sobre la base de los datos obtenidos empmcamente.
- 5. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 4, en el que los datos obtenidos empmcamente comprendan datos relativos a la velocidad y/o direccion del viento en el sitio de la turbina eolica (11).
- 6. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 4 o 5, en el que los datos obtenidos empmcamente comprendan datos relativos a tiempos de vida de componentes identicos o similares a dicho componente (1, 2).
- 7. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la etapa de control (31, 32, 37, 38) de la turbina eolica (11) comprenda la reduccion (32, 38) de produccion de energfa de la turbina eolica (11) con el fin de extender el tiempo de vida restante esperado de dicho componente (1, 2) a un mantenimiento programado proximo de la turbina eolica (11).
- 8. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la etapa de estimacion (35) de una velocidad de viento esperada se realiza sobre la base de datos de viento obtenidos empmcamente.
- 9. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende ademas la etapa de programacion del mantenimiento de la turbina eolica (11) en el caso en que el nivel de alarma del componente (1, 2) permanece por encima del nivel predefinido despues de reducirse el nivel de potencia de salida de la turbina eolica (11).
- 10. Un sistema para controlar el funcionamiento de una turbina eolica (11), que comprende:- una unidad de alarma (20) adaptada para determinar un nivel de alarma para al menos un componente (1, 2) de la turbina eolica (11),- un calculador de tiempo de vida (21) adaptado para determinar un tiempo de vida componente (1, 2), y- una unidad de control (22) adaptada para controlar el funcionamiento de la turbina tiempo de vida restante esperado determinado,5 caracterizado por que la unidad de control (22) esta adaptada para:- estimar (35) una velocidad de viento estimada en el sitio de la turbina (11) durante el tiempo de vida restante estimado esperado de dicho componente (1, 2),- en el caso en que la velocidad de viento esperada estimada sea inferior a un valor de umbral predefinido, controlar (37) el funcionamiento de la turbina eolica (11) para mantener un nivel de potencia de salida de la10 turbina eolica (11), y- en el caso en que la velocidad de viento esperada estimada sea superior al valor de umbral predefinido, controlar (38) el funcionamiento de la turbina eolica (11) para reducir el nivel de potencia de salida de la turbina eolica (11).
- 11. Un sistema de acuerdo con la reivindicacion 10, en el que la unidad de alarma (20) comprende una unidad de recogida de datos (12, 14) para la obtencion de datos relacionados con el estado de salud de uno o mas15 componentes (1,2) de la turbina eolica (11).
- 12. Un sistema de acuerdo con la reivindicacion 11, en el que la unidad de recogida de datos (12, 14) comprende uno o mas sensores (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10) dispuestos en o en las proximidades de los componentes (1, 2).
- 13. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10-12, en el que la unidad de control (22) este adaptada para reducir el nivel de potencia de salida de la turbina eolica (11).20 14. Una turbina eolica (11) que comprende un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10-13.restante esperado para dicho eolica (11) en respuesta a un
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