ES2889623T3 - Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador - Google Patents

Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador Download PDF

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Murua Alejandro Gonzalez
Sayes José Miguel Garcia
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Abstract

Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador, comprendiendo el aerogenerador una góndola (2), un rotor que comprende al menos una pala (3) de rotor con un sistema de control de pitch y que comprende adicionalmente un sistema de orientación, caracterizado por que comprende las etapas de: - detectar una desorientación de la góndola con respecto a la dirección del viento (α); - habilitar una maniobra de orientación; la maniobra de orientación comprendiendo poner en marcha las unidades de accionamiento (5) del sistema de orientación del aerogenerador; - realizar un control del pitch en un sistema de control de pitch de al menos una pala actuando sobre el aerogenerador una vez es detectada la desorientación (α), donde el control de pitch se realiza antes de habilitar la maniobra de orientación, y, donde el control de pitch comprende: - establecer un punto de consigna de pitch para reducir un momento de yaw (MZ) hasta un punto que pueda ser manejado por las unidades de accionamiento (5) del sistema de yaw, - establecer un ángulo de pitch de al menos una pala hasta el punto de consigna de pitch establecido, y, por lo tanto, reduciendo el momento de yaw que actúa sobre el aerogenerador inducido por las fuerzas aerodinámicas que actúan en la al menos una pala del aerogenerador

Description

DESCRIPCIÓN
Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se enmarca en el campo técnico de los aerogeneradores. Específicamente se describe un método de reducción de las cargas que actúan sobre el sistema de orientación de un aerogenerador.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Las turbinas eólicas del estado de la técnica comprenden una torre, una góndola montada en la parte superior de la torre y un rotor que se fija de modo giratorio a la góndola. Para maximizar la captura de energía del viento, las turbinas eólicas tienen que orientar la góndola en la dirección del viento de modo que el rotor se enfrente al viento. Las turbinas eólicas del estado de la técnica también incluyen un sistema de cambio de paso, o sistema de pitch, que hace que las palas giren alrededor de sus ejes longitudinales, variando las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre las palas, bien para obtener la potencia máxima posible del viento en ciertas condiciones meteorológicas, o bien para limitar las cargas mecánicas producidas sobre la aerogenerador. El sistema de pitch se controla mediante un sistema de control de pitch.
La desorientación es el ángulo entre la dirección del viento y la dirección longitudinal de la góndola. La desorientación se mide normalmente mediante una veleta o un anemómetro ultrasónico montado en la parte superior de la góndola. En los aerogeneradores del estado de la técnica, el sistema de orientación es el encargado de orientar la góndola en la dirección del viento para maximizar la captura de energía.
El sistema de orientación comprende dos subsistemas:
- Subsistema de accionamiento: este subsistema comprende una pluralidad de actuadores instalados en la góndola que se acoplan con un engranaje fijado a la torre. Este subsistema es responsable del giro de la góndola alrededor de un eje sustancialmente vertical para orientar la góndola en la dirección del viento.
- Subsistema de retención: este subsistema comprende normalmente un disco de freno fijado a la parte superior de la torre y un conjunto de pinzas de freno instaladas en la góndola y que actúan sobre el disco de freno para fijar la góndola cuando no se están realizando operaciones de alineación.
En los aerogeneradores del estado de la técnica, la góndola se fija por medio del subsistema de retención mientras que la desorientación esté dentro de un intervalo permisible, esto es, cuando la desorientación está por debajo de un primer umbral de desorientación. Una vez que la desorientación está por encima de este umbral, se realiza una maniobra de orientación para alinear la góndola en la dirección del viento. Esta maniobra de orientación comprende las siguientes etapas:
- desacoplar los frenos de un subsistema de retención de orientación,
- arrancar de las unidades de accionamiento de un subsistema de accionamiento de orientación, - detener las unidades de accionamiento una vez que la góndola está alineada con la dirección del viento,
- aplicar los frenos.
El sistema de orientación se dimensiona para ser capaz de llevar la góndola a, y retener la góndola en, una posición orientada en cualquier condición de trabajo que se espera que tenga el aerogenerador. Sin embargo, bajo condiciones medioambientales extremas o condiciones del aerogenerador, el momento de giro sobre el eje vertical de la góndola, o momento de yaw, que actúa sobre el aerogenerador puede alcanzar tales niveles que el sistema de orientación puede tener dificultades en la retención de la góndola en su posición y/o su giro hacia la posición adecuada.
El momento de yaw es un momento en la dirección del eje de la torre del aerogenerador y es inducido normalmente por las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre las palas del aerogenerador.
Este efecto está adquiriendo hoy en día una mayor importancia dado que el tamaño de los rotores se está incrementando para obtener más energía del viento. Debido al tamaño más grande de los rotores, los aerogeneradores son más sensibles a las condiciones medioambientales y por lo tanto, las cargas que el sistema de orientación ha de soportar son mayores.
Es conocido el documento EP2159415 el cual describe un método y un aparato para ajustar el ángulo de yaw de un aerogenerador que comprende un rotor que tiene una pluralidad de palas y un buje. El método está adaptado para ajustar en ángulo de yaw desde un ángulo de yaw real hasta un ángulo de yaw deseado y comprende las etapas de medir la dirección de viento en el emplazamiento del aerogenerador, medir el ángulo de yaw del aerogenerador y/o una dirección relativa a la orientación de la góndola, calculando un ángulo de pitch de al menos una pala del rotor como una función de la dirección de viento medida, del ángulo de yaw medido y/o de una dirección de viento relativa a la orientación de la góndola, y ajusta el ángulo de pitch de las palas del rotor de acuerdo con al ángulo de pitch calculado, de tal manera que un momento de yaw es generado para cambiar el ángulo de yaw desde el ángulo real de yaw al ángulo deseado de yaw.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Un método para la reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de aerogenerador es descrito en la reivindicación 1. El aerogenerador comprende una góndola, un sistema de orientación y un rotor que a su vez comprende el menos una pala de rotor con un sistema de control de pitch.
En el método propuesto, una vez detectada una desorientación (la desorientación de no está dentro del intervalo permisible, esto es, la desorientación está por encima de un primer umbral de desorientación ) y, previamente al inicio de una maniobra de orientación, se realiza un control del pitch de las palas para reducir un momento de yaw que actúa sobre el aerogenerador que es el momento que actúa sobre el sistema de orientación.
El efecto técnico es que, cuando el controlador de orientación ordena un movimiento de orientación para reducir la desorientación, el momento de yaw debido a las fuerzas aerodinámicas se ha reducido por medio del control del pitch. Por tanto, se evitan movimientos de la góndola no deseados cuando se desacoplan los frenos.
En una realización de la invención, el control del pitch de pala realizado para reducir un movimiento de yaw que actúa sobre el aerogenerador está activo hasta que haya finalizado la maniobra de orientación.
En una realización de la invención, el control de pitch es una actuación de pitch colectiva que fija el mismo ángulo de pitch para todas las palas del rotor de acuerdo con un punto de consigna del ángulo de pitch colectivo. El nuevo punto de consigna del ángulo de pitch puede calcularse como el punto de consigna real más un valor de incremento. En una realización, el valor de incremento del ángulo de pitch puede tomar un valor predeterminado o un valor dependiente de diversos factores tales como:
- Velocidad del viento
- Potencia eléctrica generada por el aerogenerador
- Intensidad de turbulencia
- Desorientación
- Dirección del viento
Como resultado del control de pitch, se establece un punto de consigna del ángulo de pitch más alto que el punto de consigna real, lo que generalmente da como resultado una pérdida de producción de energía. Por lo tanto, es una ventaja importante del método propuesto es considerar no solamente la reducción del momento de yaw sino también la pérdida de producción de energía. Por lo tanto, basándose en un momento de yaw medido o estimado, puede determinarse el punto de consigna del ángulo de pitch para reducir el momento de yaw inicial hasta un punto que pueda manejarse por el subsistema de accionamiento y, al mismo tiempo, minimizar la pérdida de producción de energía.
El momento que actúa sobre el sistema de orientación antes de que se inicie la maniobra de orientación, puede medirse por diferentes medios, entre los que están:
- sensores de carga en las raíces de las palas
- sensores de carga en el eje principal
- sensores de carga en el eje de orientación.
Si no hay disponible un medio de medición del momento de yaw, puede estimarse el momento de yaw a partir de mediciones medioambientales u operacionales y/o valores históricos, tales como:
- Velocidad del viento
- Dirección del viento
- Potencia eléctrica generada por el aerogenerador
- Ángulo de paso de las palas
- Ángulo de la dirección de viento con el plano horizontal o upflow
- Orografía
- Desorientación
- Movimientos de la góndola
Durante el análisis de evaluación de recurso eólico del parque y basándose en datos históricos, se caracteriza el upflow para cada posición del aerogenerador y en cada dirección del viento. Si no hay datos de upflow disponibles, pueden estimarse basándose en la orografía del parque eólico.
El upflow, entre otras condiciones como la velocidad del viento y la desorientación, influye en el momento de yaw que actúa sobre el aerogenerador. Por lo tanto, el momento de yaw puede estimarse a partir de valores del upflow históricos medios y mediciones de la velocidad del viento y la desorientación en un instante dado previo a una maniobra de orientación. Basándose en esta estimación del momento de yaw, el sistema de control de paso establece el punto de consigna de paso para reducir el momento de yaw estimado hasta un punto que pueda ser manejado por el subsistema de accionamiento.
Si el momento de yaw que actúa sobre el aerogenerador es tal que el subsistema de retención no puede retener la góndola en su sitio, conduciendo a movimientos de orientación no deseados, la cantidad y dirección de los movimientos de orientación se usan para estimar la dirección y magnitud del momento de yaw que actúa sobre el aerogenerador.
En una realización, el frenado aplicado a los frenos del subsistema de retención se reduce gradualmente hasta que se detecta el inicio de un movimiento de orientación en un cierto nivel de frenado restante de los frenos. Luego, cuando se detecta el inicio de un movimiento de orientación, el nivel de frenado restante de los frenos y la dirección del movimiento de orientación se utilizan para estimar la dirección y la magnitud del momento de yaw que actúa sobre el aerogenerador. Además, la cantidad de movimiento de orientación también se puede usar en combinación con el nivel de frenado restante de los frenos y la dirección del movimiento de orientación para estimar la dirección y la magnitud del momento de yaw que actúa sobre la turbina eólica. El inicio de un movimiento de orientación se detecta, por ejemplo, mediante mediciones de vibraciones de la góndola por encima de un umbral o pequeños movimientos de orientación.
En una realización de la invención, el sistema de control de paso calcula el punto de consigna del ángulo de paso basándose en el momento de yaw medido o estimado.
El efecto del ángulo de paso sobre el momento de yaw depende, entre otras características, de la velocidad del viento y la desorientación. Para tener en cuenta esto, en otra realización de la invención, el sistema de control de paso calcula el punto de consigna del ángulo de paso basándose en el momento de yaw medido o estimado y en mediciones de la velocidad del viento y de la desorientación.
Mediante la aplicación del control de pitch previamente a permitir una maniobra de orientación, se reducen las cargas en el sistema de orientación de modo que se evitan movimientos no deseados de la góndola después de la liberación de los frenos y el subsistema de accionamiento de la orientación es capaz de girar la góndola a la velocidad deseada.
Mientras que el control de pitch colectivo solo permite la reducción del momento de yaw que está actuando, el control de pitch individual permite la generación del momento de compensación de orientación deseado.
Los puntos de consigna del ángulo de pitch individuales pueden ser valores constantes en cada posición azimutal de las palas, o pueden depender de los momentos de orientación medidos o estimados y otras mediciones tal como se ha explicado anteriormente para el caso de la actuación de pitch colectivo.
En otra realización de la invención, los puntos de consigna del ángulo de pitch de cada pala se calculan basándose en el momento de yaw determinado (medido o estimado). De esta forma, el sistema de control de pitch puede generar un momento que contrarreste el momento que actúa sobre el sistema de orientación. Es decir, las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre el rotor generan un momento contrario que compensa, al menos en parte, el momento de yaw inicial que actúa sobre el aerogenerador previamente a la aplicación del control de pitch.
La estimación del momento de yaw puede tener un error significativo cuando se calcula, entre otros, a partir de valores históricos que consisten normalmente en valores medios para una cierta situación. Si el momento de yaw real que actúa sobre el aerogenerador es diferente del valor estimado, el subsistema de accionamiento de orientación no será capaz de girar la góndola en el punto de consigna de velocidad de orientación.
En otra realización de la invención, una vez se ha habilitado el movimiento de orientación, se recalcula la estimación del momento de yaw usando, entre otros factores, la diferencia entre el punto de consigna de velocidad de orientación y la velocidad de orientación real. La velocidad de orientación real se detecta, por ejemplo, con un sensor. Se recalcula entonces el punto de consigna del ángulo de pitch basándose en la nueva estimación del momento de yaw.
En otra realización, el control de pitch se realiza basándose en un error calculado entre un punto de ajuste entre una velocidad de yaw consigna y una velocidad de yaw real una vez que se ha habilitado la maniobra de orientación. Preferiblemente, el control pitch es un control de pitch individual que establece diferentes puntos de ajuste del ángulo de paso para cada pala de acuerdo con su posición azimutal.
Alternativamente, si los actuadores de orientación están trabajando a una velocidad constante, el momento de yaw se estima en base al consumo de energía necesario para mantener la velocidad de orientación.
Adicionalmente, el subsistema de retención puede usarse para regular la velocidad de orientación. En este caso, una vez se ha habilitado la maniobra de orientación, y si la velocidad de orientación real está por encima del punto de consigna de la velocidad de orientación (o en el caso en el que los actuadores de orientación trabajen a una velocidad constante, no es necesaria energía para mantener la velocidad de orientación), el método comprende una etapa de ajuste de la presión de un sistema hidráulico de frenos de acuerdo con la velocidad de orientación.
En otra realización de la invención, cuando la desorientación tiene poco o ningún impacto sobre la producción de energía del aerogenerador, el método fija un segundo umbral de desorientación, mayor que el primer umbral de desorientación. Al hacer esto, se reduce el número de maniobras de orientación y por lo tanto, se reduce el riesgo de movimientos de orientación no deseados.
Las situaciones en las que la desorientación tiene poco o ningún impacto sobre la producción de energía del aerogenerador tienen lugar con bajas velocidades de viento, en donde hay poca potencia eólica disponible, y con altas velocidades del viento, cuando el aerogenerador está operando a la potencia nominal, y por lo tanto hay más potencia eólica disponible que la potencia que puede generar el aerogenerador.
Adicionalmente, cuando la medición o estimación del momento de yaw está por encima de un nivel determinado, el método puede fijar el segundo umbral de desorientación, mayor que el primer umbral de desorientación para minimizar el riesgo de movimientos de orientación no deseados, incluso aunque pueda implicar una pérdida significativa de producción de energía.
En otra realización de la invención, el método puede comprender adicionalmente las siguientes etapas:
- comparar un valor de velocidad del viento con un valor de umbral de velocidad del viento y
- realizar el control de pitch para reducir el momento de yaw que actúa sobre el aerogenerador cuando el valor de velocidad del viento está por encima del valor de umbral de velocidad del viento. Por lo tanto, justamente cuando el valor de la velocidad del viento excede el umbral de velocidad del viento (que indica un nivel de velocidad del viento por encima del que las condiciones de velocidad del viento pueden ser perjudiciales para el sistema de orientación), se realiza el control de pitch de manera que se evitan pérdidas de energía adicionales en otras condiciones de velocidad del viento.
En una realización de la invención el método de reducción de cargas que actúan sobre un sistema de orientación de aerogenerador comprende adicionalmente las siguientes etapas:
- comparar una señal indicativa de turbulencia con un valor de umbral de turbulencia; y
- realizar el control de paso para reducir el momento de yaw que actúa sobre el aerogenerador cuando la señal indicativa de turbulencia está por encima del valor de umbral de turbulencia.
Por lo tanto, sólo cuando los valores de turbulencia exceden el umbral de turbulencia (que indica un nivel de turbulencia por encima del que las condiciones de velocidad del viento pueden ser perjudiciales para el sistema de orientación), se realiza el control de pitch de manera que se evitan pérdidas de energía adicionales en otras condiciones de turbulencia.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y para ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferido de realización práctica de la misma, se adjunta un conjunto de dibujos como parte integral de dicha descripción en los que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1. Muestra parte del subsistema de accionamiento de orientación.
Figura 2. Muestra parte del subsistema de retención de orientación.
Figura 3. Muestra un ejemplo de puntos de consigna del ángulo de pitch dependientes de la posición azimutal (0). Figura 4. Indica la posición azimutal (0) de las palas.
Figura 5. Muestra la curva de potencia de un aerogenerador y las zonas en las que puede tolerarse una mayor desorientación (a), que están por encima de la velocidad nominal y cerca de la velocidad de arranque.
Figura 6. Ilustra diferentes valores de upflow medios en diferentes sectores de dirección del viento calculados durante la fase de evaluación del emplazamiento.
Figura 7. Muestra un diagrama de bloques de una realización del método de la invención.
Figura 8. Muestra la desorientación (a). Se han representado la dirección del viento (Wd) y la dirección longitudinal de la góndola (Nd).
Figura 9. Muestra el intervalo de desorientación (a) que está permitido en condiciones normales. También se representa un intervalo mayor de desorientación que se tolera bajo ciertas condiciones, correspondientes al primer umbral de desorientación (a1) y segundo umbral de desorientación (a2).
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
La presente invención describe un método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de aerogenerador. El aerogenerador comprende una góndola (2) montada en la parte superior de una torre (1), y un rotor, fijado de modo giratorio a la góndola (2). El rotor comprende adicionalmente tres palas de rotor (3). El aerogenerador comprende también una veleta (8) o un anemómetro ultrasónico montado en la parte superior de la góndola (2) para medir una desorientación (a) (ángulo entre la dirección del viento (Wd) y la dirección longitudinal de la góndola (Nd), mostrado en la figura 8).
El aerogenerador comprende también:
- un sistema de paso que hace que las palas (3) giren alrededor de sus ejes longitudinales, variando las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre las palas (3), bien para obtener la potencia máxima posible del viento, o bien para limitar las cargas mecánicas producidas en el aerogenerador.
- un sistema de orientación que está encargado de alinear la góndola (2) en la dirección del viento (Wd) para maximizar la captura de energía,
- un subsistema de accionamiento (mostrado parcialmente en la figura 1) responsable del giro de la góndola (2) alrededor de un eje sustancialmente vertical para alinear la góndola (2) en la dirección del viento (Wd); - un subsistema de retención (parcialmente mostrado en la figura 2) que fija la góndola (2) cuando no se están realizando operaciones de alineación.
A lo largo de la descripción se usa la expresión “para alinear la góndola (2) en la dirección del viento (Wd)” que se refiere a la alineación de la dirección de la góndola (Nd) en la dirección del viento (Wd).
Parte del subsistema de accionamiento de orientación se ha representado en la figura 1. La figura incluye una vista en sección en dónde pueden apreciarse la torre (1) y la góndola (2) del aerogenerador. Adicionalmente, se muestra en la figura un rodamiento de orientación (4), que es también parte del aerogenerador. El subsistema de accionamiento de orientación comprende adicionalmente al menos un actuador de orientación (5).
Parte del subsistema de retención de orientación se ha representado en la figura 2. La figura incluye una sección de la torre (1), la góndola (2) y el rodamiento de orientación (4). En la figura se muestran un disco de freno (6) y una pinza de freno (7).
El método propuesto comprende al menos las siguientes etapas:
- detectar una desorientación (a);
- realizar un control de pitch;
- habilitar una maniobra de orientación.
La etapa de realizar un control de pitch se realiza para reducir un momento de yaw (Mz) que actúa sobre el aerogenerador una vez que se detecta la desorientación (a) y previamente a habilitar la maniobra de orientación. La maniobra de orientación comprende las etapas de:
- desacoplar las pinzas de freno (7) de un subsistema de retención de orientación,
- arrancar las unidades de actuación (5) de un subsistema de accionamiento de orientación,
- detener las unidades de actuación (5) una vez que la góndola (2) está alineada con la dirección del viento (Wd),
- aplicar las pinzas de freno (7).
En una realización preferente de la invención, el control de paso de palas realizado para reducir un momento de yaw que actúa sobre el aerogenerador está activo hasta que ha finalizado la maniobra de orientación.
En una realización de la invención, el control de pitch se realiza antes de poner en marcha las unidades de accionamiento (5) del subsistema de accionamiento de la orientación.
En una realización de la invención, el control de pitch se realiza después de liberar al menos parcialmente los frenos (7) del subsistema de retención de orientación, preferiblemente desacoplando al menos parcialmente las pinzas de freno (7) del subsistema de retención de orientación.
En una realización de la invención, el control de pitch es una actuación de pitch colectivo que fija un nuevo punto de consigna del ángulo de pitch que es el mismo punto de consigna del ángulo de pitch para todas las palas (3) del rotor. En este caso, puede calcularse un nuevo punto de consigna del ángulo de pitch como el punto de consigna real más un valor de incremento. El valor de incremento del punto de consigna del ángulo de pitch puede ser un valor predeterminado. Alternativamente, el valor de incremento del punto de consigna del ángulo de pitch depende de al menos uno de los siguientes:
- Velocidad del viento
- Potencia eléctrica generada por el aerogenerador (P)
- Intensidad de turbulencia
- Desorientación (a)
- Dirección del viento (Wd)
Preferentemente, el control de pitch es un control de pitch individual que fija diferentes puntos de consigna del ángulo de pitch (p1, p2, p3) para cada pala (3) de acuerdo con su posición azimutal (01, 02, 03). Los puntos de consigna del ángulo de pitch (p1, p2, p3) de cada pala (3) pueden ser valores predeterminados de acuerdo con su posición a azimutal (01, 02, 03), tal como se ha representado en la figura 3. También en la figura 4 pueden apreciarse las posiciones azimutales (01, 02, 03) de las palas (3). Preferentemente, los puntos de consigna del ángulo de pitch (p1, p2, p3) de cada pala (3) son valores de acuerdo con su posición azimutal (01, 02, 03) que dependen de al menos uno de entre los siguientes:
- Velocidad del viento
- Potencia eléctrica generada por el aerogenerador (P)
- Intensidad de turbulencia
- Desorientación (a)
- Dirección del viento (Wd)
En la realización preferente de la invención, el método comprende adicionalmente una etapa de determinación de un momento de yaw (Mz) que actúa sobre el aerogenerador.
El momento de yaw (Mz) que actúa sobre el aerogenerador puede medirse mediante sensores de carga. Alternativamente, el momento de yaw (Mz) que actúa sobre el aerogenerador puede estimarse a partir de al menos uno de entre:
- Velocidad del viento
- Dirección del viento (Wd)
- Potencia eléctrica generada por el aerogenerador (P)
- Ángulo de paso de las palas
- Upflow
- Orografía
- Desorientación (a)
- Movimientos de la góndola
En relación al upflow, la figura 6 muestra diferentes valores de upflow medios en diferentes sectores de dirección del viento calculados durante la fase de evaluación del emplazamiento. Si no hay disponibles mediciones de upflow en el emplazamiento del aerogenerador, se usan estos valores de upflow medios para la estimación del momento de yaw (Mz).
En la realización preferente, el control de pitch es un control de pitch individual que establece diferentes puntos de consigna del ángulo de pitch para cada pala (3) de acuerdo con su posición azimutal (01, 02, 03). Los puntos de consigna del ángulo de pitch de cada pala (3) se calculan basándose en el momento de yaw (Mz) determinado (medido o estimado), de modo que las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre el rotor generen un momento contrario que compense, al menos parcialmente, el momento de yaw (Mz) inicial que actúa sobre el aerogenerador previamente a la aplicación del control de pitch.
Además, una vez habilitada la maniobra de orientación, los puntos de ajuste del ángulo de cabeceo (p1, p2, p3) de cada pala (3) se recalculan utilizando, entre otros factores, la diferencia entre un punto de consigna de velocidad de yaw (9 ref) y una velocidad de yaw real (9 ). La velocidad de yaw real (9 ) se detecta, por ejemplo, con un sensor. La primera etapa del método, que es la detección de una desorientación (a), comprende adicionalmente las siguientes subetapas:
- determinar la desorientación (a) mediante la veleta (8) de la góndola o el anemómetro ultrasónico; - comparar una desorientación (a) con un primer umbral de desorientación (a1).
Se detecta una desorientación (a) cuando el ángulo entre la dirección del viento (Wd) y la dirección de la góndola (Nd) no está dentro de un intervalo permisible, esto es, la desorientación (a) está por encima del primer umbral de desorientación (a1).
Cuando se detecta una desorientación (a) que está por encima del primer umbral de desorientación (a1), el método comprende adicionalmente la etapa de comparar el momento de yaw (Mz) determinado (medido o estimado) con un umbral del momento de yaw.
Como se muestra en la figura 7, cuando el sistema de control de orientación detecta una desorientación (a) por encima del primer umbral de desorientación (a1) y previamente a habilitar una maniobra de orientación, envía una señal al sistema de control de pitch. El sistema de control de pitch recibe mediciones de la potencia eléctrica (P) que se está generando por parte del aerogenerador y el momento de yaw (Mz) que actúa sobre el aerogenerador (por ejemplo partir de sensores de carga localizados sobre el eje principal). Basándose en estas mediciones, el sistema de control de pitch establece puntos de consigna del ángulo de pitch (p1, p2, p3) para cada pala (3) de acuerdo con la posición azimutal (0) del rotor. Una vez que se ha reducido el momento de yaw (Mz) a cierto nivel, el sistema de control de orientación habilita la maniobra de orientación enviando el punto de consigna de presión del freno hidráulico al subsistema de retención de orientación y el punto de consigna de velocidad de orientación al subsistema de accionamiento de la orientación.
Como se ha explicado anteriormente, el momento de yaw (Mz) se debe principalmente a fuerzas aerodinámicas que actúan sobre el aerogenerador. Si el momento de yaw (Mz) estimado está por debajo de un umbral del momento de yaw, el sistema de orientación del aerogenerador puede alinear la góndola (2) (es decir habilitar la maniobra de orientación) sin realizar el control del paso. Si el momento de yaw (Mz) determinado está por encima del umbral del momento de yaw, el método de la invención realiza un control de pitch para reducir el momento de yaw (Mz) que actúa sobre el aerogenerador una vez que se detecta la desorientación (a) y previamente a habilitar la maniobra de orientación.
Una vez que se finaliza la maniobra de orientación, el método de la invención comprende adicionalmente la etapa de inhabilitar el control de pitch que reduce el momento que actúa sobre el aerogenerador.
En la realización preferente de la invención, una vez habilitada la maniobra de orientación, se recalcula la estimación del momento de yaw (Mz) usando, entre otros factores, la diferencia entre el punto de consigna de velocidad de orientación ( (pref) y la velocidad de orientación real ( (j) ). La velocidad de orientación real ( (j) ) se detecta, por ejemplo, con un sensor.
Alternativamente, una vez habilitada la maniobra de orientación, si los actuadores de orientación están trabajando a velocidad constante, se estima el momento de yaw (Mz) basándose en el consumo de potencia necesario para mantener la velocidad de orientación ( ( ) . El punto de consigna del ángulo de pitch se recalcula entonces en base a la nueva estimación del momento de yaw (Mz).
Adicionalmente, el subsistema de retención puede usarse para regular la velocidad de orientación ( ( ) una vez se ha iniciado la maniobra de orientación. En este caso, si la velocidad de orientación ( ( ) real está por encima del punto de consigna de la velocidad de orientación ( (pref) (o en el caso en el que los actuadores de orientación trabajen a una velocidad constante, no sea necesaria energía para mantener una velocidad de orientación ( ( ) ) , el método comprende una etapa de ajuste de la presión de un sistema hidráulico de frenos (que comprende el disco de freno (6) y la mordaza de freno (7)) de acuerdo con la velocidad de orientación ( ( ) .
En otra realización de la invención, cuando la desorientación (a) tiene poco o ningún impacto sobre la producción de energía del aerogenerador, el método establece un segundo umbral de desorientación (a2), mayor que el primer umbral de desorientación (a1). Al hacer esto, se reduce el número de maniobras de orientación y por lo tanto, se reduce el riesgo de movimientos de orientación no deseados. En la figura 9 se han representado el primer umbral de desorientación (a1) y el segundo umbral de desorientación (a2).
Las situaciones en las que la desorientación (a) tiene poco o ningún impacto sobre la producción de energía del aerogenerador tienen lugar con bajas velocidades de viento, en donde hay poca potencia eólica disponible, y con altas velocidades de viento, en las que el aerogenerador está funcionando a potencia nominal, y por lo tanto hay más potencia eólica disponible que la potencia que puede generar el aerogenerador. En la figura 5 se muestra una curva de potencia con las zonas en las que pueden tolerarse desorientaciones más altas.
Adicionalmente, cuando la medición o estimación del momento de yaw (Mz) está por encima de un nivel determinado, el método puede establecer un segundo umbral de desorientación (a2), mayor que el primer umbral de desorientación (a1) para minimizar el riesgo de movimientos de góndola no deseados, incluso aunque esto pueda implicar una pérdida significativa de energía generada.
En una realización de la invención, el método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de aerogenerador comprende adicionalmente las siguientes etapas:
- comparar un valor de velocidad del viento con un valor de umbral de velocidad del viento y,
- realizar el control de paso para reducir el momento de yaw (Mz) que actúa sobre el aerogenerador cuando el valor de velocidad del viento está por encima del valor de umbral de velocidad del viento.
En una realización de la invención, el método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de aerogenerador comprende adicionalmente las siguientes etapas:
- comparar una señal indicativa de turbulencia con un valor de umbral de turbulencia; y
- realizar el control de paso para reducir el momento de yaw (Mz) que actúa sobre el aerogenerador cuando la señal indicativa de turbulencia está por encima del valor de umbral de turbulencia.

Claims (28)

REIVINDICACIONES
1. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador, comprendiendo el aerogenerador una góndola (2), un rotor que comprende al menos una pala (3) de rotor con un sistema de control de pitch y que comprende adicionalmente un sistema de orientación, caracterizado por que comprende las etapas de:
- detectar una desorientación de la góndola con respecto a la dirección del viento (a);
- habilitar una maniobra de orientación; la maniobra de orientación comprendiendo poner en marcha las unidades de accionamiento (5) del sistema de orientación del aerogenerador;
- realizar un control del pitch en un sistema de control de pitch de al menos una pala actuando sobre el aerogenerador una vez es detectada la desorientación (a),
donde el control de pitch se realiza antes de habilitar la maniobra de orientación, y, donde el control de pitch comprende:
- establecer un punto de consigna de pitch para reducir un momento de yaw (Mz) hasta un punto que pueda
ser manejado por las unidades de accionamiento (5) del sistema de yaw,
- establecer un ángulo de pitch de al menos una pala hasta el punto de consigna de pitch establecido, y, por
lo tanto, reduciendo el momento de yaw que actúa sobre el aerogenerador inducido por las fuerzas aerodinámicas que actúan en la al menos una pala del aerogenerador
2. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado por que el control de pitch es una actuación de pitch colectiva que establece un nuevo punto de consigna del ángulo de pitch que es el mismo para todas las palas del rotor (3).
3. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 2 caracterizado por que el nuevo punto de consigna del ángulo de pitch se calcula como el punto de consigna real más un valor de incremento.
4. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 3 caracterizado por que el valor de incremento del nuevo punto de consigna del ángulo de pitch es un valor predeterminado.
5. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 2 caracterizado por que el nuevo punto de consigna del ángulo de paso depende de al menos uno de los siguientes:
- Velocidad del viento
- Potencia eléctrica generada por el aerogenerador (P)
- Intensidad de turbulencia
- Desorientación (a)
- Dirección del viento (Wd)
6. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado por que el control de pitch es un control de pitch individual que fija diferentes puntos de consigna del ángulo de paso (p1, p2, p3) para cada pala (3) de acuerdo con su posición azimutal
(01, 02, 0a).
7. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador acuerdo con la reivindicación 6 caracterizado por que los puntos de consigna del ángulo de paso (p1, p2, p3) de cada pala (3) son valores predeterminados según su posición azimutal (01, 02, 03).
8. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador acuerdo con la reivindicación 6 caracterizado por que los puntos de consigna de ángulo de pitch (p1, p2, p3) de cada pala (3) son valores según con su posición azimutal (01, 02, 03) que dependen de al menos uno de entre los siguientes:
- Velocidad del viento
- Potencia eléctrica generada por el aerogenerador (P)
- Intensidad de turbulencia
- Desorientación (a)
- Dirección del viento (Wd)
9. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado por que la maniobra de orientación se habilita cuando la desorientación
(a) está por encima de un primer umbral de desorientación (a1).
10. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado por que comprende adicionalmente una etapa de determinación de un momento de yaw (Mz) que actúa sobre el aerogenerador.
11. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 10 caracterizado por que el sistema de control de pitch calcula al menos un punto de consigna del ángulo de pitch basándose en el momento de yaw (Mz) determinado.
12. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 10 caracterizado por que el momento de yaw (Mz) que actúa sobre el aerogenerador se mide mediante sensores de carga.
13. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 10 caracterizado por que el momento de yaw (Mz) que actúa sobre el aerogenerador se estima a partir de al menos uno de entre:
- Velocidad del viento.
- Dirección del viento (Wd).
- Potencia eléctrica generada por el aerogenerador (P),
- Ángulo de pitch de las palas, y
- Upflow.
- Orografía
- Desorientación (a)
- Movimientos de la góndola
14. - Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 13 caracterizado por que comprende, además, las etapas de:
- soltar gradualmente los frenos (7) de un subsistema de retención de orientación hasta que se detecte el inicio de un movimiento de orientación.
15. - Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 14 caracterizado por que el momento de Yaw (Mz) que actúa sobre el aerogenerador se estima a partir de un nivel de frenado restante de los frenos (7) y una dirección de una dirección de los movimientos de orientación.
16. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 10 caracterizado por que la etapa de realización de un control de pitch para reducir un momento de yaw (Mz) previamente a habilitar la maniobra de orientación se realiza cuando el momento de yaw (Mz) determinado está por encima de un umbral de momento de yaw.
17. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 6 caracterizado por que los puntos de consigna del ángulo de pitch (p1, p2, p3) se determinan para generar un momento contrario que contrarresta, al menos en parte, el momento de yaw (Mz) que actúa sobre el aerogenerador.
18. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 10 caracterizado por que el momento de yaw (Mz) se determina basándose en un error calculado entre una velocidad de orientación ( (j) ref) predeterminada y una velocidad de orientación ( (j) ) real una vez habilitada la maniobra de orientación.
19. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 10 caracterizado por que el momento de yaw (Mz) se determina basándose en el consumo de potencia requerido para mantener la velocidad de giro de orientación una vez se ha habilitado la maniobra de orientación.
20. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado por que comprende una etapa de ajuste de la presión de un sistema de freno hidráulico de acuerdo con la velocidad de giro de la orientación una vez se ha habilitado la maniobra de orientación.
21. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado por que la maniobra de orientación comprende las etapas de:
- liberar el freno (7) de un subsistema de retención del sistema de orientación,
- arrancar las unidades de accionamiento (5) de un subsistema de accionamiento de orientación,
- detener las unidades de accionamiento (5) una vez que la góndola (2) está alineada con una dirección del viento (Wd),
- aplicar los frenos (7).
22. - Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 21 caracterizado porque el control de pitch se realiza después de liberar al menos parcialmente los frenos (7) del sistema de subsistema de retención de orientación.
23. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado por que comprende adicionalmente las siguientes etapas:
- comparar un valor de velocidad del viento con un valor de umbral de velocidad del viento y,
- realizar el control de pitch para reducir el momento de yaw (Mz) que actúa sobre el aerogenerador cuando el valor de velocidad del viento está por encima del valor de umbral de velocidad del viento.
24. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado por que comprende adicionalmente las siguientes etapas:
- comparar una señal indicativa de turbulencia con un valor de umbral de turbulencia; y
- realizar el control de paso para reducir el momento de yaw (Mz) que actúa sobre el aerogenerador cuando la señal indicativa de turbulencia está por encima del valor de umbral de turbulencia.
25. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 9 caracterizado por que en ciertas condiciones, la maniobra de orientación se habilita cuando la desorientación (a) está por encima de un segundo umbral de desorientación (a2) mayor que el primer umbral de desorientación (a1).
26. Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado por que el control del pitch realizado para reducir un momento de yaw (Mz) que actúa sobre el aerogenerador está activo hasta que ha finalizado la maniobra de orientación.
27. - Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado por que el control de pitch se realiza basado en un error calculado entre un punto de consigna de la vecindad de yaw (q i r e f ) y una velocidad de yaw real (qj) una vez que la maniobra de orientación ha sido habilitada.
28. - Método de reducción de las cargas que actúan sobre un sistema de orientación de un aerogenerador de acuerdo con la reivindicación 27, caracterizado por que el control de pitch es un control de pitch individual que establece diferentes consignas de ángulos de pitch (p1, p2, p3), a cada pala (3) de acuerdo con su posición azimutal (01, 02, 03).
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