ES2906872T3 - Sistema y procedimiento para controlar un ángulo de pitch de una pala de rotor de turbina eólica - Google Patents

Abstract

Un sistema (100) para controlar un ángulo de pitch de una pala de rotor (22) de una turbina eólica (10), comprendiendo el sistema: un rotor que incluye un buje y una pala de rotor (22); un mecanismo de ajuste de pitch (36) para ajustar el ángulo de pitch de la pala de rotor (22) haciendo rotar la pala de rotor alrededor de un eje de pitch en relación con el buje; y un controlador (104) acoplado de forma comunicativa al mecanismo de ajuste de pitch, el controlador configurado para: determinar un parámetro de asimetría del viento en base a un parámetro operativo de la turbina eólica (10), siendo el parámetro de asimetría del viento indicativo de una asimetría en el viento experimentada por la turbina eólica; generar una señal de parámetro de asimetría del viento (122) indicativa del parámetro de asimetría del viento; determinar primera y segunda componentes de señal (128, 130) de la señal de parámetro de asimetría del viento (122), siendo la primera componente de señal (128) indicativa de una carga máxima en un primer componente de turbina eólica, siendo la segunda componente de señal (130) indicativa de fatiga en un segundo componente de turbina eólica, en el que el controlador (104) está configurado para filtrar la señal de parámetro de asimetría del viento (122) para determinar las primera y segunda componentes de señal; calcular un parámetro de desgaste para los primer y segundo componentes de turbina eólica en base a las primera y segunda componentes de señal (128, 130); e iniciar un ajuste del ángulo de pitch de la pala de rotor (22) en base al parámetro de desgaste; en el que el sistema controla el ángulo de pitch de la pala de rotor (22) en base al parámetro de desgaste de manera que distribuye el desgaste a través del primer componente de turbina eólica y el segundo componente de turbina eólica.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema y procedimiento para controlar un ángulo de pitch de una pala de rotor de turbina eólica

[0001] La presente divulgación se refiere en general a turbinas eólicas. Más en particular, la presente divulgación se refiere a sistemas y procedimientos para controlar los ángulos de pitch de las palas de rotor de turbina eólica.

[0002] La energía eólica se considera una de las fuentes de energía más limpias y más ecológicas disponibles en la actualidad, y las turbinas eólicas han obtenido una creciente atención a este respecto. Una turbina eólica moderna incluye típicamente una torre, una góndola montada en la torre, un generador situado en la góndola y una o más palas de rotor. La una o más palas de rotor convierten la energía cinética del viento en energía mecánica usando principios aerodinámicos conocidos. Un tren de potencia transmite la energía mecánica de las palas de rotor al generador. A continuación, el generador convierte la energía mecánica en energía eléctrica que se puede suministrar a una red de suministro.

[0003] La orientación de las palas de rotor puede ser ajustable para controlar la cantidad de energía cinética extraída del viento. Más específicamente, las palas de rotor se pueden acoplar de forma rotatoria al buje. A este respecto, un mecanismo de ajuste de pitch puede hacer rotar cada pala de rotor alrededor de un eje de pitch correspondiente para ajustar un ángulo de pitch de la pala de rotor. Como tal, los ángulos de pitch de las palas de rotor se pueden ajustar entre una posición de bandera donde se extrae una cantidad mínima de energía cinética del viento y una posición de potencia donde se extrae una cantidad máxima de energía cinética del viento. El documento US 2015/0132128 A1 se refiere a un procedimiento para controlar una turbina eólica donde la asimetría en la carga en el rotor se compensa por pitcheos individuales comparando una distribución de carga sobre el plano del rotor con un valor umbral.

[0004] Las asimetrías en el viento experimentadas por la turbina eólica pueden provocar desequilibrios de carga en las palas de rotor y en otros componentes diversos de la turbina eólica. A este respecto, los mecanismos de ajuste de pitch pueden ajustar los ángulos de pitch de las palas de rotor para controlar estos desequilibrios de carga. La reducción de los desequilibrios de carga en las palas de rotor y otros componentes de la turbina eólica puede reducir el desgaste de los mismos y prolongar la vida útil de los mismos. Sin embargo, ajustar los ángulos de pitch de las palas de rotor puede incrementar el desgaste y reducir la vida útil de los mecanismos de ajuste de pitch.

[0005] En consecuencia, se desean en la técnica turbinas eólicas mejoradas y, en particular, sistemas y procedimientos mejorados para controlar el ángulo de pitch de las palas de rotor de turbina eólica. Específicamente, serían ventajosos sistemas y procedimientos que distribuyen el desgaste asociado con los desequilibrios de carga provocados por las asimetrías del viento a través de diversos componentes de la turbina eólica.

[0006] Diversos aspectos y ventajas de la tecnología se expondrán en parte en la siguiente descripción, o pueden resultar evidentes a partir de la descripción o se pueden aprender a través de la puesta en práctica de la tecnología.

[0007] La presente divulgación está dirigida a un sistema para controlar un ángulo de pitch de una pala de rotor de una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación independiente 1, y un procedimiento para controlar un ángulo de pitch de una pala de rotor de una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación independiente 9.

[0008] En un modo de realización, la presente divulgación está dirigida a un sistema para controlar un ángulo de pitch de una pala de rotor de una turbina eólica. El sistema incluye un rotor que tiene un buje y una pala de rotor. El sistema también incluye un mecanismo de ajuste de pitch para ajustar el ángulo de pitch de la pala de rotor haciendo rotar la pala de rotor alrededor de un eje de pitch en relación con el buje. El sistema incluye además un controlador acoplado de forma comunicativa al mecanismo de ajuste de pitch. El controlador está configurado para determinar un parámetro de asimetría del viento en base a un parámetro operativo de la turbina eólica. El parámetro de asimetría del viento es indicativo de una asimetría en el viento experimentada por la turbina eólica. El controlador también está configurado para determinar primera y segunda componentes de señal del parámetro de asimetría del viento. La primera componente de señal es indicativa de una carga máxima en un primer componente de turbina eólica. La segunda componente de señal es indicativa de fatiga en un segundo componente de turbina eólica. El controlador está configurado además para calcular un parámetro de desgaste para los primer y segundo componentes de turbina eólica en base a las primera y segunda componentes de señal.

[0009] Además, el controlador está configurado para iniciar un ajuste del ángulo de pitch de la pala de rotor en base al parámetro de desgaste.

[0010] En otro modo de realización, la presente divulgación está dirigida a un procedimiento para controlar un ángulo de pitch de una pala de rotor de una turbina eólica. El procedimiento incluye determinar, con un controlador, un parámetro de asimetría del viento en base a un parámetro operativo de la turbina eólica. El parámetro de asimetría del viento es indicativo de una asimetría en el viento experimentada por la turbina eólica.

El procedimiento también incluye determinar, con el controlador, primera y segunda componentes de señal del parámetro de asimetría del viento.

[0011] La primera componente de señal es indicativa de una carga máxima en un primer componente de turbina eólica. La segunda componente de señal es indicativa de fatiga en un segundo componente de turbina eólica. El procedimiento incluye además calcular, con el controlador, un parámetro de desgaste para los primer y segundo componentes de turbina eólica en base a las primera y segunda componentes de señal. Además, el procedimiento incluye determinar, con un accionador, un ajuste del ángulo de pitch de la pala de rotor en base al parámetro de desgaste.

[0012] En otro modo de realización, la presente divulgación está dirigida a un procedimiento para controlar un ángulo de pitch de una pala de rotor de una turbina eólica. El procedimiento incluye determinar, con un controlador, un parámetro de asimetría del viento en base a un parámetro operativo de la turbina eólica. El parámetro de asimetría del viento es indicativo de una asimetría en el viento experimentada por la turbina eólica.

El procedimiento también incluye determinar, con el controlador, primera y segunda componentes de señal del parámetro de asimetría del viento. La primera componente de señal es indicativa de una carga máxima en la pala de rotor. La segunda componente de señal es indicativa de fatiga en un mecanismo de ajuste de pitch. El procedimiento incluye además calcular, con el controlador, un parámetro de desgaste para los primer y segundo componentes de turbina eólica en base a las primera y segunda componentes de señal. Además, el procedimiento incluye determinar, con un accionador, un ajuste del ángulo de pitch de la pala de rotor en base al parámetro de desgaste.

[0013] Diversas características, aspectos y ventajas de la presente tecnología se entenderán mejor con referencia a la siguiente descripción y a las reivindicaciones adjuntas. Los dibujos adjuntos, que se incorporan en, y constituyen una parte de, la presente memoria descriptiva, ilustran modos de realización de la tecnología y, conjuntamente con la descripción, sirven para exponer los principios de la tecnología.

[0014] En los dibujos:

la FIG. 1 es una vista en perspectiva de una turbina eólica de acuerdo con un modo de realización de la presente divulgación;

la FIG. 2 es una vista interna en perspectiva de una góndola de una turbina eólica de acuerdo con un modo de realización de la presente divulgación;

la FIG. 3 es una vista esquemática de un sistema para controlar un ángulo de pitch de una pala de rotor de una turbina eólica de acuerdo con un modo de realización de la presente divulgación;

la FIG. 4 es una vista esquemática de un controlador de un sistema para controlar un ángulo de pitch de una pala de rotor de una turbina eólica de acuerdo con un modo de realización de la presente divulgación; y la FIG. 5 es un diagrama de flujo que ilustra un procedimiento para controlar un ángulo de pitch de una pala de rotor de una turbina eólica de acuerdo con un modo de realización de la presente divulgación. Se pretende que el uso repetido de caracteres de referencia en la presente memoria descriptiva y dibujos represente idénticas o análogas características o elementos de la presente tecnología.

[0015] Ahora se hará referencia en detalle a los presentes modos de realización de la tecnología, de los que uno o más ejemplos se ilustran en los dibujos adjuntos. La descripción detallada usa designaciones numéricas y de letras para referirse a los características de los dibujos. Se han usado designaciones parecidas o similares en los dibujos y la descripción para referirse a partes parecidas o similares de la tecnología. Como se usa en el presente documento, los términos "primero", "segundo" y "tercero" se pueden usar de manera intercambiable para distinguir un componente de otro y no pretenden significar la ubicación o la importancia de los componentes individuales.

[0016] Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la tecnología, no de limitación de la tecnología.

De hecho, resultará evidente para los expertos en la técnica que se pueden realizar modificaciones y variaciones en la presente tecnología sin apartarse del alcance de la misma. Por ejemplo, se pueden usar características ilustrados o descritos como parte de un modo de realización en otro modo de realización para proporcionar todavía otro modo de realización. Por tanto, se pretende que la presente tecnología abarque dichas modificaciones y variaciones que estén dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

[0017] En referencia ahora a los dibujos, la FIG. 1 es una vista en perspectiva de un modo de realización de una turbina eólica 10 de ejemplo. Como se muestra, la turbina eólica 10 incluye en general una torre 12 que se extiende desde una superficie de apoyo 14, una góndola 16 montada en la torre 12 y un rotor 18 acoplado a la góndola 16. El rotor 18 incluye un buje rotatorio 20 y al menos una pala de rotor 22 acoplada a y que se extiende hacia fuera del buje 20. Por ejemplo, en el modo de realización mostrado en la FIG. 1, el rotor 18 incluye tres palas de rotor 22. En modos de realización alternativos, sin embargo, el rotor 18 puede incluir más o menos de tres palas de rotor 22. Cada pala de rotor 22 se puede espaciar alrededor del buje 20 para facilitar la rotación del rotor 18 para convertir energía cinética del viento en energía mecánica utilizable de rotación. Un generador 24 situado en la góndola 16 puede generar potencia eléctrica a partir de la energía de rotación del rotor 18.

[0018] En referencia ahora a la FIG. 2, un tren de potencia 26 acopla de forma rotatoria el rotor 18 al generador eléctrico 24. Como se muestra, el tren de potencia 26 puede incluir un eje de rotor 28, que acopla de forma rotatoria el buje 20 del rotor 18 a una multiplicadora 30. La multiplicadora 30 puede estar apoyada en y acoplada a una bancada 32 en la góndola 16. El tren de potencia 26 también puede incluir un eje de generador 34, que acopla de forma rotatoria la multiplicadora 30 al generador 24. A este respecto, la rotación del rotor 18 acciona el generador 24. Más específicamente, el eje de rotor 28 puede proporcionar una entrada de par de torsión alto y velocidad baja a la multiplicadora 30 en respuesta a la rotación de las palas de rotor 22 y del buje 20. A continuación, la multiplicadora 30 convierte la entrada de par de torsión alto y velocidad baja en una salida de par de torsión bajo y velocidad alta para accionar el eje de generador 34 y, por tanto, el generador 24. En modos de realización alternativos, sin embargo, el generador 24 puede estar acoplado de forma rotatoria directamente al eje de rotor 28 en una configuración de accionamiento directo.

[0019] La turbina eólica 10 también puede incluir uno o más mecanismos de ajuste de pitch 36. Aunque la FIG.

2 solo ilustra un mecanismo de ajuste de pitch 36, la turbina eólica 10 puede incluir tres mecanismos de ajuste de pitch 36. A este respecto, la turbina eólica 10 puede incluir un mecanismo de ajuste de pitch 36 correspondiente a cada pala de rotor 22. En modos de realización alternativos, sin embargo, la turbina eólica 10 puede incluir más o menos mecanismos de ajuste de pitch 36.

[0020] Cada mecanismo de ajuste de pitch 36 puede ajustar un ángulo de pitch de la pala de rotor 22 correspondiente (es decir, la orientación angular de la pala de rotor 22 con respecto a una dirección 38 (FIG. 1) del viento). En particular, cada pala de rotor 22 puede estar acoplada de forma rotatoria al buje 20 por un rodamiento de pitch (no mostrado). Como tal, cada mecanismo de ajuste de pitch 36 puede hacer rotar la pala de rotor 22 correspondiente alrededor de un eje de pitch 40 correspondiente (FIG. 1) en relación con el buje 20, ajustando de este modo el ángulo de pitch de la pala de rotor 22.

[0021] La FIG. 2 ilustra un modo de realización de ejemplo de uno de los mecanismos de ajuste de pitch 36. Más específicamente, el mecanismo de ajuste de pitch 36 puede incluir un motor eléctrico 42 que tiene un engranaje de piñón 44 acoplado al mismo. El engranaje de piñón 44 puede engranar una corona dentada 46 formada en o acoplada a una superficie interior de la pala de rotor 22. Durante el funcionamiento del mecanismo de ajuste de pitch 36, el motor eléctrico 42 hace rotar el engranaje de piñón 44. El engranaje de piñón 44, a su vez, hace rotar la corona dentada 46, haciendo rotar de este modo la pala de rotor 22 alrededor del eje de pitch 40 correspondiente. En modos de realización alternativos, el mecanismo de ajuste de pitch 36 puede incluir cualquier tipo adecuado de accionador y/o cualquier estructura o mecanismo adecuado para transmitir el movimiento del accionador a la pala de rotor 22 correspondiente.

[0022] La turbina eólica 10 puede incluir además diversos sensores. En el modo de realización mostrado en la FIG. 2, por ejemplo, la turbina eólica 10 incluye un sensor de ángulo de pitch 48, un sensor de aceleración de pala de rotor 50, un sensor de desviación de pala de rotor 52, un sensor de posición de eje del rotor 54, un sensor de desviación de eje del rotor 56 y un sensor de velocidad del viento 58. En modos de realización alternativos, sin embargo, la turbina eólica 10 puede incluir solo algunos de los sensores 48, 50, 52, 54, 56, 58 o ninguno de los sensores 48, 50, 52, 54, 56, 58. Además, la turbina eólica 10 puede incluir otros sensores además o en lugar de los sensores 48, 50, 52, 54, 56, 58.

[0023] El sensor de ángulo de pitch 48 detecta un ángulo de pitch de la pala de rotor 22 correspondiente. A este respecto, el sensor de ángulo de pitch 48 está acoplado de forma operativa a una de las palas de rotor 22 como se muestra en la FIG. 2. Aunque solo se muestra un sensor de ángulo de pitch 48 en la FIG. 2, la turbina eólica 10 puede incluir un sensor de ángulo de pitch 48 acoplado de forma operativa a cada pala de rotor 22. El sensor de ángulo de pitch 48 puede ser un sensor de efecto Hall o cualquier otro tipo de sensor adecuado para detectar la posición de rotación absoluta o incremental.

[0024] El sensor de aceleración de pala de rotor 50 detecta una aceleración de la pala de rotor 22 correspondiente. A este respecto, el sensor de aceleración de pala de rotor 50 está acoplado de forma operativa a una de las palas de rotor 22 como se muestra en la FIG. 2. Aunque solo se muestra un sensor de aceleración de pala de rotor 50 en la FIG. 2, la turbina eólica 10 puede incluir un sensor de aceleración de pala de rotor 50 acoplado de forma operativa a cada pala de rotor 22. El sensor de aceleración de pala de rotor 50 puede ser una unidad de medición microinercial o cualquier otro tipo de sensor adecuado para detectar la aceleración.

[0025] El sensor de desviación de pala de rotor 52 detecta una desviación de una de las palas de rotor 22, tal como una desviación provocada por asimetrías en el viento. A este respecto, el sensor de carga 52 se puede acoplar de forma operativa a la pala de rotor 22 correspondiente como se muestra en la FIG. 2. Aunque solo se muestra un sensor de desviación de pala de rotor 52 en la FIG. 2, el sistema 100 puede incluir un sensor de desviación de pala de rotor 52 acoplado de forma operativa a cada pala de rotor 22. El sensor de desviación de pala del rotor 52 puede ser una galga extensiométrica, un sensor de proximidad o cualquier otro tipo de sensor adecuado para detectar la desviación.

[0026] El sensor de posición de eje de rotor 54 detecta una posición de rotación del eje de rotor 28. En algunos modos de realización, se puede usar la posición de rotación del eje de rotor 28 para determinar la velocidad de rotación de las palas de rotor 22. Como se muestra en la FIG. 2, el sensor de posición de eje de rotor 54 está acoplado de forma operativa a un eje de rotor 28. El sensor de posición de eje del rotor 54 puede ser un sensor de efecto Hall o cualquier otro tipo de sensor adecuado para detectar la posición de rotación absoluta o incremental.

[0027] El sensor de desviación de eje de rotor 56 detecta una desviación del eje de rotor 28, tal como una desviación provocada por una asimetría en el viento. A este respecto, el sensor de desviación de eje de rotor 56 se puede acoplar de forma operativa al eje de rotor 28 como se muestra en la FIG. 2. El sensor de desviación de eje de rotor 56 puede ser una galga extensiométrica, un sensor de proximidad o cualquier otro tipo de sensor adecuado para detectar la desviación.

[0028] El sensor de velocidad del viento 58 detecta una velocidad del viento experimentada por la turbina eólica 10. En el modo de realización de la FIG. 2, el sensor de velocidad del viento 58 está montado en el exterior de la góndola 16. Como tal, el sensor de velocidad del viento 58 puede ser un anemómetro o una veleta adecuada. En modos de realización alternativos, sin embargo, el sensor de velocidad del viento 58 puede ser un sensor de detección y alcance de luz (LIDAR), un sensor ultrasónico o cualquier otro tipo de sensor adecuado para detectar la velocidad del viento. En algunos modos de realización, la turbina eólica 10 puede incluir una pluralidad de sensores de velocidad del viento 58 para detectar la velocidad del viento en diferentes localizaciones, tal como dos anemómetros espaciados verticalmente. En otros modos de realización, el sensor de velocidad del viento 58 puede estar separado de la turbina eólica 10, tal como una torre de medición de velocidad del viento para un parque de turbinas eólicas.

[0029] La FIG. 3 ilustra un sistema 100 para controlar el ángulo de pitch de las palas de rotor 22 de la turbina eólica 10. Como se menciona anteriormente, las asimetrías en el viento pueden provocar desequilibrios de carga en determinados componentes de la turbina eólica 10. Como se analizará con mayor detalle a continuación, el sistema 100 controla el ángulo de pitch de las palas de rotor 22 para distribuir el desgaste provocado por estos desequilibrios de carga a través de diversos componentes de la turbina eólica 10.

[0030] Como se muestra, el sistema 100 puede incluir un sensor 102 para detectar un parámetro operativo de la turbina eólica 10. El parámetro operativo puede estar asociado con o es indicativo de una asimetría en el viento experimentada por la turbina eólica 10. Por ejemplo, el parámetro operativo puede ser un ángulo de pitch de una o más de las palas de rotor 22, una aceleración de una o más de las palas de rotor 22, una desviación de una o más de las palas de rotor 22, una posición o velocidad del eje de rotor 28, una desviación del eje de rotor 28 o una velocidad (o variación en la velocidad) del viento experimentada por la turbina eólica 10. A este respecto, el sensor 102 puede corresponder al/a los sensor(es) de ángulo de pitch 48, al/a los sensor(es) de aceleración de pala de rotor 50, al/a los sensor(es) de desviación de pala de rotor 52, al sensor de posición de eje de rotor 54, al sensor de desviación de eje de rotor 56 o al/a los sensor(es) de velocidad del viento 58. Aunque solo se muestra un sensor 102 en la FIG. 3, el sistema 100 puede incluir más sensores 102, tales como dos sensores de velocidad del viento 58 espaciados verticalmente para detectar la velocidad del viento en diferentes localizaciones. En modos de realización alternativos, el sensor 102 puede corresponder a sensores no mostrados en la FIG. 2. Además, el parámetro operativo puede ser cualquier parámetro adecuado que corresponda a una condición actual dentro de la turbina eólica 10 o una condición ambiental experimentada por la turbina eólica 10.

[0031] El sistema 100 también incluye un controlador 104 acoplado de forma comunicativa a uno o más componentes del sistema 100 y/o la turbina eólica 10, como el/los sensor(es) 102 y los mecanismos de ajuste de pitch 36. En el modo de realización mostrado en la FIG. 2, por ejemplo, el controlador 104 está dispuesto dentro de un armario de control 60 montado en una parte de la góndola 16. En modos de realización alternativos, sin embargo, el controlador 104 se puede disponer en cualquier localización sobre o en la turbina eólica 10, en cualquier localización sobre la superficie de apoyo 14 o cualquier otra localización adecuada.

[0032] En general, el controlador 104 puede corresponder a cualquier dispositivo basado en procesador adecuado, incluyendo uno o más dispositivos informáticos. Como se muestra en la FIG. 4, por ejemplo, el controlador 104 puede incluir uno o más procesadores 106 y uno o más dispositivos de memoria 108 asociados configurados para realizar una variedad de funciones implementadas por ordenador (por ejemplo, realizar los procedimientos, etapas, cálculos y similares divulgados en el presente documento). Como se usa en el presente documento, el término "procesador" no solo se refiere a circuitos integrados que en la técnica se hace referencia a que están incluidos en un ordenador, sino que también se refiere a un controlador, microcontrolador, un microordenador, un controlador de lógica programable (PLC), un circuito integrado específico de la aplicación (ASIC), una matriz de puertas programables por campo (FPGA) y otros circuitos programables. Adicionalmente, el/los dispositivo(s) de memoria 108 puede(n) incluir en general elemento(s) de memoria incluyendo, pero sin limitarse a, un medio legible por ordenador (por ejemplo, una memoria de acceso aleatorio (RAM)), un medio no volátil legible por ordenador (por ejemplo, una memoria flash), una memoria de solo lectura en disco compacto (CD-ROM), un disco magnetoóptico (MOD), un disco versátil digital (DVD) y/u otros elementos de memoria adecuados o combinaciones de los mismos. El/los dispositivo(s) de memoria 108 puede(n) almacenar instrucciones que, cuando se ejecutan por el procesador 106, hacen que el procesador 106 realice funciones (por ejemplo, el procedimiento 200 descrito a continuación).

[0033] El controlador 104 también puede incluir un módulo de comunicaciones 110 para facilitar las comunicaciones entre el controlador 104 y los diversos componentes del sistema 100 y/o la turbina eólica 10. Por ejemplo, el módulo de comunicaciones 110 puede permitir que el controlador 104 reciba datos del sensor 102. Como tal, el módulo de comunicaciones 110 puede incluir una interfaz de sensor 112 (por ejemplo, uno o más convertidores de analógico a digital) que convierte las señales de medición 116 recibidas desde el sensor 102 en señales que se pueden entender y procesar por los procesadores 106. Además, el módulo de comunicaciones 110 puede permitir que el controlador 104 transmita señales de control 118 a cada mecanismo de ajuste de pitch 36 para controlar el ángulo de pitch de las palas de rotor 22. A este respecto, el módulo de comunicaciones 110 puede ser cualquier combinación de interfaces de comunicación por cable y/o inalámbricas adecuadas que acoplan de forma comunicativa el sensor 102 y los mecanismos de ajuste de pitch 36 al controlador 110.

[0034] Como se menciona anteriormente, el sistema 100 controla los ángulos de pitch de las palas de rotor 22 durante el funcionamiento de la turbina eólica 10. Más específicamente, las asimetrías en el viento (por ejemplo, provocadas por la variación de la velocidad del viento con la altura, flujo ascendente, turbinas eólicas cercanas, turbulencia, etc.) pueden provocar desequilibrios de carga en determinados componentes de la turbina eólica 10 (por ejemplo, las palas de rotor 22), provocando de este modo que estos componentes sufran desgaste. Sin embargo, el ajuste de los ángulos de pitch de las palas de rotor 22 para minimizar estos desequilibrios de carga puede provocar que otros componentes (por ejemplo, los mecanismos de ajuste de pitch 36) sufran desgaste. A este respecto, el sistema 100 puede controlar los ángulos de pitch de las palas de rotor 22 de manera que distribuya el desgaste a través de diversos componentes de la turbina eólica 10. Por ejemplo, el sistema 100 puede ajustar los ángulos de pitch de las palas de rotor 22 para evitar que las asimetrías del viento ejerzan grandes cargas sobre las palas de rotor 22, mientras minimiza la distancia que los mecanismos de ajuste de pitch 36 deben mover las palas de rotor 22.

[0035] El sistema 100 se describirá a continuación en el contexto de la distribución del desgaste entre las palas de rotor 22 y los mecanismos de ajuste de pitch 36 correspondientes. Sin embargo, el sistema 100 se puede usar para distribuir el desgaste entre cualquier componente de la turbina eólica 10 que pueda experimentar un desequilibrio de carga debido a una asimetría del viento (por ejemplo, la torre 12, la góndola 16, el eje de rotor 28, la multiplicadora 30, uno de los rodamientos de pitch (no mostrado) o un rodamiento de orientación (“yaw bearing”) (no mostrado)) y cualquier accionador de la turbina eólica 10 (por ejemplo, un sistema de ajuste de orientación (no mostrado)).

[0036] En referencia de nuevo a la FIG. 3, el controlador 104 se puede configurar para controlar los mecanismos de ajuste de pitch 36 ejecutando diversas lógicas almacenadas en el/los dispositivo(s) de memoria 108. En particular, el controlador 104 (por ejemplo, por medio del/de los procesador(es) 106) ejecuta la lógica para crear las señales de control 116 en base a los datos recibidos desde el sensor 102 y/o los datos almacenados en el/los dispositivo(s) de memoria 108. Usando las señales de control 116, los mecanismos de ajuste de pitch 36 ajustan los ángulos de pitch de las palas de rotor 22 correspondientes para distribuir el desgaste provocado por los desequilibrios de carga a través de diversos componentes (por ejemplo, entre las palas de rotor 22 y los mecanismos de ajuste de pitch 36) de la turbina eólica 10. El controlador 104 puede controlar cada mecanismo de ajuste de pitch 36 individualmente (es decir, las señales de control 116 pueden ser diferentes para cada mecanismo de ajuste de pitch 36) en algunos modos de realización. En modos de realización alternativos, sin embargo, el controlador 104 puede controlar todos los mecanismos de ajuste de pitch 36 como una unidad conjunta (es decir, las señales de control 116 pueden ser las mismas para cada mecanismo de ajuste de pitch 36).

[0037] El controlador 104 se puede configurar para determinar un parámetro de asimetría del viento. Como se menciona anteriormente, el controlador 104 está acoplado de forma comunicativa al sensor 102. A este respecto, el controlador 104 recibe las señales de medición 118 indicativas del parámetro operativo de la turbina eólica 10 desde el sensor 102. En modos de realización del sistema 100 que incluyen más de un sensor 102, el controlador 104 puede recibir señales de medición adicionales 118 indicativas de otros parámetros operativos de los sensores 102 adicionales. Como se muestra en la FIG. 3, el controlador 104 puede incluir una lógica de parámetro de asimetría del viento 120 que tiene una o más funciones matemáticas y/o una o más tablas de consulta. Al ejecutar la lógica de parámetro de asimetría del viento 120, el controlador 110 puede generar una señal de parámetro de asimetría del viento 122 indicativa del parámetro de asimetría del viento en base a la(s) señal(es) de medición 118 recibida(s) por el controlador 104 y/o los datos de turbina eólica 124 almacenados en el/los dispositivo(s) de memoria 108. El parámetro de asimetría del viento puede ser cualquier parámetro asociado con o indicativo de una asimetría en el viento experimentada por la turbina eólica 10. En particular, el parámetro de asimetría del viento puede estar asociado con cualquier asimetría en el viento alrededor del rotor 18, incluyendo las asimetrías de variación lenta, tales como flujo ascendente del viento, variación de la velocidad del viento con la altura (“wind shear”), variación de la dirección del viento con la altura (“wind veer”) y dirección del viento, y asimetrías de variación rápida, tales como turbulencia del viento y ráfagas de viento. Por ejemplo, el parámetro de asimetría del viento puede ser una diferencia en las magnitudes y/o direcciones de la velocidad del viento detectada en diferentes posiciones en la turbina eólica 10, una diferencia en las desviaciones y/o aceleraciones de las palas de rotor 22 o una magnitud y/o una dirección de una desviación del eje de rotor 28. Los datos de turbina eólica 124 pueden incluir cualquier parámetro, valor u otros datos predeterminados útiles para determinar el parámetro de asimetría del viento, tal como la distancia entre dos de los sensores 102. En algunos modos de realización, es posible que los datos de turbina eólica 124 no se usen para determinar el parámetro de asimetría del viento. En modos de realización alternativos, la lógica de parámetro de asimetría del viento 120 puede usar cualquier metodología o criterio adecuado para determinar el parámetro de asimetría del viento.

[0038] El controlador 104 también se puede configurar para determinar primera y segunda componentes de señal 128, 130 de la señal de parámetro de asimetría del viento 122. A este respecto, el controlador 104 puede incluir una lógica de componente de señal 126 que tiene una o más funciones matemáticas y/o una o más tablas de consulta. Al ejecutar la lógica de componente de señal 126, el controlador 104 puede determinar las primera y segunda componentes de señal 128, 130 de la señal de parámetro de asimetría del viento 122. En algunos modos de realización, la lógica de componente de señal 126 puede incluir uno o más filtros (por ejemplo, filtros de paso bajo, filtros de paso alto, filtros de paso de banda, etc.) que filtran la señal de parámetro de asimetría del viento 122 para determinar la primera y/o segunda componentes de señal 128, 130. La primera componente de señal 128 puede estar asociada con o ser indicativa de una carga máxima estimada ejercida sobre las palas de rotor 22 debido a la asimetría del viento. Por el contrario, la segunda componente de señal 130 está asociada con o es indicativa de una fatiga estimada en los mecanismos de ajuste de pitch 36 cuando los mecanismos de ajuste de pitch 36 ajustan los ángulos de pitch de los equilibrios de rotor para mitigar el desequilibrio de carga. A este respecto, las primera y segunda componentes de señal pueden ser una o más componentes de paso bajo, componentes de paso de banda, componentes de paso alto, componentes de rechazo de banda, componentes de magnitud espectral o componentes de fase. Por ejemplo, la primera componente de señal 128 puede ser una combinación ponderada de amplitudes espectrales de baja frecuencia y alta frecuencia de la señal de parámetro de asimetría del viento 122. La segunda componente de señal 130 puede ser una magnitud filtrada, una componente espectral o una componente de fase de la señal de parámetro de asimetría del viento 122. En algunos modos de realización, cada una de las primera y/o segunda componentes de señal 128, 130 puede ser una componente de señal única de la señal de parámetro de asimetría de viento 122 o una combinación de componentes de señal de la señal de parámetro de asimetría del viento 122. En modos de realización alternativos, la lógica de componente de señal 126 puede usar cualquier metodología o criterio adecuado para determinar el parámetro de asimetría del viento.

[0039] El controlador 104 se puede configurar además para calcular un parámetro de desgaste para la pala de rotor 22 y el mecanismo de ajuste de pitch 36 en base a las primera y segunda componentes de señal 128, 130. A este respecto, el controlador 104 puede incluir una lógica de parámetro de desgaste 132 que tiene una o más funciones matemáticas. Al ejecutar la lógica de parámetro de desgaste 132, el controlador 104 puede generar una señal de parámetro de desgaste 134 indicativa del parámetro de desgaste en base a las primera y segunda componentes de señal 128, 130. En algunos modos de realización, la función matemática puede incluir variables para las primera y segunda componentes de señal 128, 130 y coeficientes en base a o derivados de diversas propiedades de las palas de rotor 22 y/o los mecanismos de ajuste de pitch 36. En modos de realización alternativos, la lógica de parámetro de desgaste 132 puede usar cualquier metodología o criterio adecuado para determinar el parámetro de asimetría del viento.

[0040] El controlador 104 puede usar el parámetro de desgaste para distribuir el desgaste entre las palas de rotor 22 y los mecanismos de ajuste de pitch 36. A este respecto, el parámetro de desgaste está asociado con o es indicativo de una comparación entre el desgaste estimado de las palas de rotor 22 si las palas de rotor 22 tuvieran que soportar el desequilibrio de carga provocado por la asimetría del viento y el desgaste estimado de los mecanismos de ajuste de pitch 36 si el mecanismo de ajuste de pitch 36 tuviera que ajustar el ángulo de pitch de la pala de rotor 22 para minimizar la carga en la pala de rotor 22. En algunos modos de realización, el parámetro de desgaste se basa en parámetros adicionales, tales como el valor y/o la dificultad de reemplazo de las palas de rotor 22 y los mecanismos de ajuste de pitch 36. Como tal, el parámetro de desgaste puede ser representativo de si el sistema 100 debe permitir que la pala de rotor 22 soporte el desequilibrio de carga o ajustar el ángulo de pitch de la pala de rotor 22 para minimizar el desequilibrio de carga. Aunque el parámetro de desgaste se describe anteriormente en el contexto de las palas de rotor 22 y los mecanismos de ajuste de pitch 36, el parámetro de desgaste se puede basar en cualquier número y/o tipo de componentes de la turbina eólica 10.

[0041] Además, el controlador 104 se puede configurar para iniciar selectivamente un ajuste de los mecanismos de ajuste de pitch 36 en base al parámetro de desgaste. A este respecto, es posible que el controlador 104 no ajuste los ángulos de pitch de las palas de rotor 22 cuando el parámetro de desgaste indica que es deseable que las palas de rotor 22 sufran el desequilibrio de carga provocado por la asimetría del viento. Por el contrario, el parámetro de desgaste indica que es deseable que los mecanismos de ajuste de pitch 36 sufran desgaste al ajustar los ángulos de pitch de las palas de rotor 22, el controlador 104 puede iniciar el ajuste de los mecanismos de ajuste de pitch 36. Como se menciona anteriormente, el controlador 104 está acoplado de forma comunicativa a los mecanismos de ajuste de pitch 36. A este respecto, el controlador 104 transmite las señales de control 116 indicativas de los ángulos de pitch deseados de las palas de rotor 22 al mecanismo de ajuste de pitch 36 correspondiente. Como se muestra en la FIG. 3, el controlador 104 puede incluir lógica de ángulo de pitch 136 que tiene una o más funciones matemáticas y/o una o más tablas de consulta. Al ejecutar la lógica de ángulo de pitch 136, el controlador 110 puede generar las señales de control 118 indicativas de los ángulos de pitch deseados de las palas de rotor 22 en base a la señal de parámetro de desgaste 134. En algunos modos de realización, las señales de control 118 también se pueden basar en las primera y/o segunda componentes de señal 128, 130, los datos de turbina eólica 124 y/o las señales de medición 116 del/de los sensor(es) 102. En base a las señales de control 116, los mecanismos de ajuste de pitch 36 ajustan los ángulos de pitch de las palas de rotor 22 al ángulo de pitch deseado. Por ejemplo, cuando el parámetro de desgaste indica que es deseable ajustar los ángulos de pitch de las palas de rotor 22 para mitigar el desequilibrio de carga en las mismas, las señales de control 118 pueden ordenar a los mecanismos de ajuste de pitch 36 que realicen los ajustes deseados. Por el contrario, cuando el parámetro de desgaste indica que es deseable que las palas de rotor 22 soporten las cargas en las mismas, las señales de control 118 pueden ordenar a los mecanismos de ajuste de pitch 36 que mantengan los ángulos de pitch actuales de las palas de rotor 22.

[0042] En algunos modos de realización, la lógica de ángulo de pitch 136 puede incluir diversas funciones matemáticas para optimizar el ajuste de los ángulos de pitch de las palas de rotor 22. Por ejemplo, la lógica de ángulo de pitch 36 puede incluir un intervalo de banda muerta. A este respecto, el controlador 104 se puede configurar para comparar el parámetro de desgaste con el intervalo de banda muerta. Como tal, el controlador 104 se puede configurar para transmitir señales de control 118 a los mecanismos de ajuste de pitch 36 que ordenan a los mecanismos de ajuste de pitch 36 que ajusten los ángulos de pitch de las palas de rotor 22 solo cuando el parámetro de desgaste se encuentra fuera del intervalo de banda muerta. En otros modos de realización, la lógica de ángulo de pitch 136 también puede incluir una comparación de desigualdades, una banda de histéresis, funciones lineales y/o funciones no lineales.

[0043] La FIG. 6 ilustra un procedimiento 200 para controlar los ángulos de pitch de las palas de rotor 22 de la turbina eólica 10 de acuerdo con modos de realización de la presente divulgación.

[0044] En la etapa 202, el parámetro de asimetría del viento se determina en base a un parámetro operativo. Por ejemplo, el sensor 102 puede detectar un parámetro operativo de la turbina eólica 10. A este respecto, el controlador 104 puede recibir las señales de medición 118 indicativas del parámetro operativo desde el sensor 102. A continuación, el controlador 104 puede ejecutar una lógica (por ejemplo, la lógica de parámetro de asimetría del viento 120) para generar la señal de parámetro de asimetría del viento 22 en base a las señales de medición 118 y/o los datos de turbina eólica 124. Como se analiza con mayor detalle anteriormente, la lógica puede incluir una o más tablas de consulta y/o una o más funciones matemáticas.

[0045] En la etapa 204, las primera y segunda componentes de señal 128, 130 se determinan a partir del parámetro de asimetría del viento. Por ejemplo, a continuación, el controlador 104 puede ejecutar una lógica (por ejemplo, la lógica de componente de señal 126) para generar las primera y segunda componentes de señal 128, 130 en base a la señal de parámetro de asimetría del viento 122. Como se analiza con mayor detalle anteriormente, la lógica puede incluir una o más tablas de consulta y/o una o más funciones matemáticas. En algunos modos de realización, la lógica puede incluir uno o más filtros.

[0046] En la etapa 206, el parámetro de desgaste se calcula a partir de las primera y segunda componentes de señal 128, 130. Por ejemplo, a continuación, el controlador 104 puede ejecutar una lógica (por ejemplo, la lógica de parámetro de desgaste 132) para generar la señal de parámetro de desgaste 134 en base a las primera y segunda componentes de señal 128, 130. Como se analiza con mayor detalle anteriormente, la lógica puede incluir una o más funciones matemáticas.

[0047] En la etapa 208, los ajustes del ángulo de pitch de las palas de rotor 22 se inician selectivamente en base al parámetro de desgaste. Como se describe anteriormente, el controlador 104 se puede configurar para determinar si iniciar un ajuste de los ángulos de pitch de las palas de rotor 22 en base al parámetro de desgaste. Cuando el parámetro de desgaste indica que es deseable un ajuste de los ángulos de pitch de las palas de rotor 22, a continuación, el controlador 104 puede ejecutar una lógica (por ejemplo, la lógica de ángulo de pitch 136) para generar las señales de control 116 en base a la señal de parámetro de desgaste 134. En algunos modos de realización, las señales de control 116 también se pueden basar en la primera y segunda componente de señal 128, 130, los datos de turbina eólica 124 y/o las señales de medición 118. Además, el controlador 104 puede comparar el parámetro de desgaste con un intervalo de banda muerta e iniciar un ajuste de los ángulos de pitch de las palas de rotor 22 cuando el parámetro de desgaste se encuentra fuera del intervalo de banda muerta. Como se analiza con mayor detalle anteriormente, la lógica puede incluir una o más tablas de consulta y/o una o más funciones matemáticas.

[0048] Como se analiza anteriormente, el sistema 100 y el procedimiento 200 distribuyen el desgaste provocado por las asimetrías del viento entre diversos componentes de la turbina eólica 10 en base al parámetro de desgaste. A este respecto, y a diferencia de los sistemas y procedimientos convencionales, el desgaste no se concentra en componentes particulares de la turbina eólica 10, incrementando de este modo la vida útil de estos componentes (por ejemplo, las palas de rotor 22, los mecanismos de ajuste de pitch, etc.) y la turbina eólica 10.

[0049] En esta descripción escrita se usan ejemplos para divulgar la tecnología, incluyendo el modo preferente, y también para posibilitar que cualquier experto en la técnica ponga en práctica la tecnología, incluyendo fabricar y usar cualquier dispositivo o sistema y realizar cualquier procedimiento incorporado. El alcance patentable de la tecnología está definido por las reivindicaciones.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema (100) para controlar un ángulo de pitch de una pala de rotor (22) de una turbina eólica (10), comprendiendo el sistema:

un rotor que incluye un buje y una pala de rotor (22);

un mecanismo de ajuste de pitch (36) para ajustar el ángulo de pitch de la pala de rotor (22) haciendo rotar la pala de rotor alrededor de un eje de pitch en relación con el buje; y

un controlador (104) acoplado de forma comunicativa al mecanismo de ajuste de pitch, el controlador configurado para:

determinar un parámetro de asimetría del viento en base a un parámetro operativo de la turbina eólica (10), siendo el parámetro de asimetría del viento indicativo de una asimetría en el viento experimentada por la turbina eólica;

generar una señal de parámetro de asimetría del viento (122) indicativa del parámetro de asimetría del viento;

determinar primera y segunda componentes de señal (128, 130) de la señal de parámetro de asimetría del viento (122), siendo la primera componente de señal (128) indicativa de una carga máxima en un primer componente de turbina eólica, siendo la segunda componente de señal (130) indicativa de fatiga en un segundo componente de turbina eólica, en el que el controlador (104) está configurado para filtrar la señal de parámetro de asimetría del viento (122) para determinar las primera y segunda componentes de señal;

calcular un parámetro de desgaste para los primer y segundo componentes de turbina eólica en base a las primera y segunda componentes de señal (128, 130); e

iniciar un ajuste del ángulo de pitch de la pala de rotor (22) en base al parámetro de desgaste; en el que el sistema controla el ángulo de pitch de la pala de rotor (22) en base al parámetro de desgaste de manera que distribuye el desgaste a través del primer componente de turbina eólica y el segundo componente de turbina eólica.

2. El sistema (100) de la reivindicación 1, en el que el parámetro de asimetría de turbina eólica está asociado con flujo ascendente del viento, variación de la velocidad del viento con la altura, variación de la dirección del viento con la altura, dirección del viento, turbulencia del viento o ráfaga de viento.

3. El sistema (100) de cualquier reivindicación precedente, en el que el mecanismo de ajuste de pitch (36) se controla además para ajustar el ángulo de pitch de la pala de rotor (22) en base a la primera o segunda componente de señal.

4. El sistema (100) de cualquier reivindicación precedente, que comprende además:

un sensor (54, 56, 58) acoplado de forma comunicativa al controlador (104), estando configurado el sensor para detectar el parámetro operativo de la turbina eólica.

5. El sistema (100) de cualquier reivindicación precedente, en el que el primer componente es una torre (12), una góndola (16), un eje de rotor (28) o una multiplicadora (30) y el segundo componente es un accionador.

6. El sistema (100) de cualquier reivindicación precedente, en el que las primera y segunda componentes de señal (128, 130) comprenden una o más componentes de paso bajo, componentes de paso de banda, componentes de paso alto, componentes de rechazo de banda, componentes de magnitud espectral o componentes de fase.

7. El sistema (100) de cualquier reivindicación precedente, en el que la primera componente de señal (128) comprende una combinación ponderada de una amplitud espectral de baja frecuencia de la señal de parámetro de asimetría del viento (122) y una amplitud espectral de alta frecuencia de la señal de parámetro de asimetría del viento (122) y la segunda componente de señal (130) comprende uno o más de una magnitud filtrada de la señal de parámetro de asimetría del viento (122), una componente espectral de la señal de parámetro de asimetría del viento (122) o una componente de fase de la señal de parámetro de asimetría del viento (122).

8. El sistema (100) de cualquier reivindicación precedente, en el que el controlador (104) está configurado además para comparar el parámetro de desgaste con un intervalo de banda muerta e iniciar un ajuste del ángulo de pitch de la pala de rotor (22) cuando el parámetro de desgaste se encuentra fuera del intervalo de banda muerta.

9. Un procedimiento (200) para controlar un ángulo de pitch de una pala de rotor (22) de una turbina eólica (10), comprendiendo el procedimiento:

determinar (202), con un controlador, un parámetro de asimetría del viento en base a un parámetro operativo de la turbina eólica (10), siendo el parámetro de asimetría del viento indicativo de una asimetría en el viento experimentada por la turbina eólica (10);

generar una señal de parámetro de asimetría del viento (122) indicativa del parámetro de asimetría del viento;

determinar (204), con el controlador (104), primera y segunda componentes de señal (128, 130) de la señal de parámetro de asimetría del viento (122), siendo la primera componente de señal indicativa de una carga máxima en un primer componente de turbina eólica (128), siendo la segunda componente de señal (130) indicativa de fatiga en un segundo componente de turbina eólica;

calcular (206), con el controlador (104), un parámetro de desgaste para los primer y segundo componentes de turbina eólica en base a las primera y segunda componentes de señal; y

determinar, con el controlador (104), un ajuste del ángulo de pitch de la pala de rotor (22) en base al parámetro de desgaste; en el que el ángulo de pitch de la pala de rotor (22) se controla en base al parámetro de desgaste de manera que distribuye el desgaste a través del primer componente de turbina eólica y el segundo componente de turbina eólica;

comprendiendo además el procedimiento:

filtrar, con el controlador (104), la señal de parámetro de asimetría del viento (122) para determinar las primera y segunda componentes de señal (128, 130).

10. El procedimiento (200) de la reivindicación 9, en el que el parámetro de asimetría de turbina eólica está asociado con flujo ascendente del viento, variación de la velocidad del viento con la altura, variación de la dirección del viento con la altura, dirección del viento, turbulencia del viento o ráfaga de viento.

11. El procedimiento (200) de la reivindicación 9 o la reivindicación 10, que comprende además:

ajustar (208), con el accionador, el ángulo de pitch de la pala de rotor (22) en base a las primera y segunda componentes de señal.

12. El procedimiento (200) de cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, que comprende además:

detectar, con un sensor (54, 56, 58) acoplado de forma comunicativa al controlador (104), el parámetro operativo de la turbina eólica (10).

13. El procedimiento (200) de la reivindicación 12, que comprende además:

detectar, con el sensor (54, 56, 58), una desviación de un eje de rotor (28) de la turbina eólica (10).