ES2918932T3

ES2918932T3 - Control de carga asimétrica para la reducción de la fatiga por torsión en una torre de turbina eólica

Info

Publication number: ES2918932T3
Application number: ES13185343T
Authority: ES
Inventors: Thomas Franklin Perley; Brandon Shane Gerber
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2013-09-20
Publication date: 2022-07-21
Anticipated expiration: 2033-09-20
Also published as: CA2827663A1; BR102013024138A2; EP2713048A3; EP2713048B1; CN203756432U; US9551320B2; EP2713048A2; DK2713048T3; US20140086747A1

Abstract

Se revela un método (600) y el sistema (25) para reducir un movimiento torsional y/o una carga torsional de una torre 42) de una turbina eólica (10) incluye generar una señal de torsión de torre con un sistema de detección y proporcionar la señal a Un conjunto de control de carga asimétrica (100). La señal de torsión de la torre puede corresponder a un movimiento torsional real de la torre o una carga torsional de la torre (12). El conjunto de control de carga asimétrica (100) está configurado para mitigar una carga asimétrica que actúa sobre la turbina eólica (10) utilizando la señal de torsión de la torre. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Control de carga asimétrica para la reducción de la fatiga por torsión en una torre de turbina eólica

[0001] La presente invención se refiere, en general, a procedimientos y sistemas para controlar turbinas eólicas y, más en particular, a procedimientos y sistemas para mitigar la carga asimétrica de una turbina eólica, reduciendo así el movimiento de torsión y/o la carga de torsión de una torre 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. Véase, por ejemplo, los documentos Ep 2 159416 y DE 102010 023887. Una turbina eólica moderna incluye típicamente una torre, un generador, una multiplicadora, una góndola y una o más palas de rotor. Las palas de rotor captan energía cinética del viento utilizando principios de perfil alar conocidos. Las palas de rotor transmiten la energía cinética en forma de energía de rotación para hacer girar un eje que acopla las palas de rotor a una multiplicadora o, si no se utiliza una multiplicadora, directamente al generador. A continuación, el generador convierte la energía mecánica en energía eléctrica que se puede distribuir en una red de suministro.

[0003] Las variaciones verticales y horizontales de la velocidad del viento con la altura, la desalineación en la orientación y/o la turbulencia del viento pueden actuar de forma colectiva o individual para producir una carga asimétrica de la turbina eólica. En particular, dicha carga asimétrica puede actuar sobre el rotor de la turbina eólica. Como resultado, al menos algunos elementos de la turbina eólica pueden deformarse. Por ejemplo, el eje principal de la turbina eólica se puede doblar (por ejemplo, desplazar radialmente) como resultado de una carga de rotor asimétrica.

[0004] Para mitigar el efecto de la carga asimétrica de una turbina eólica, los sistemas de control de carga asimétrica (ALC) convencionales pueden utilizar una serie de sensores, tales como sensores de proximidad, en la turbina eólica para medir directamente la deformación de al menos algunos elementos de la turbina eólica, tal como una flexión del eje principal como se describe, por ejemplo, en la patente de EE. UU. n.° 7.160.083 titulada "Method and Apparatus for Wind Turbine Rotor Load Control". Además, se puede proporcionar un conjunto de sensores para ALC en el sistema de orientación para medir directamente una señal de activación de orientación, tal como se describe en la solicitud de patente de EE. UU. n.° 2012/0027589 titulada "Method and Apparatus for Control of Asymmetric Loading of a Wind Turbine". En cada caso, el sistema ALC utiliza señales generadas por los sensores ALC para mitigar el efecto de una carga de rotor asimétrica, por ejemplo, controlando el pitch de las palas y/o la alineación de orientación de la turbina eólica. En consecuencia, un conjunto ALC puede facilitar la reducción de los efectos de las cargas extremas y los ciclos de fatiga que actúan sobre la turbina eólica. Sin embargo, los conjuntos ALC actuales solo están configurados para detectar un número limitado de desviaciones (es decir, desviación del eje principal, movimiento de la torre de adelante hacia atrás y de un lado a otro, y una desviación del mecanismo de orientación), aunque los nuevos desarrollos en la tecnología de las torres han creado la necesidad de detectar parámetros de carga adicionales. Por ejemplo, las estructuras de torre de celosía, también conocidas como estructuras de armazón espacial, utilizan una estructura optimizada y de alta ingeniería capaz de manejar cargas estáticas y dinámicas únicas que se producen durante la operación de la turbina eólica. Sin embargo, dichas estructuras de torre tienen generalmente una rigidez y frecuencias de torsión más bajas. Estas características influyen en gran medida en los costes de diseño y pueden hacer que la torre sea más susceptible a la torsión debido a las cargas de torsión que pueden producirse con frecuencia debido a una carga de rotor asimétrica. Por lo tanto, sería deseable detectar el movimiento de torsión y/o la carga de torsión en la torre antes de que se produzca la fatiga y una torsión extrema, aumentando así la vida útil de la torre.

[0005] Por tanto, es deseable un procedimiento y un sistema mejorados para reducir aún más la carga asimétrica y/o aumentar la fiabilidad de los conjuntos ALC actuales. En consecuencia, sería ventajoso disponer de un procedimiento y un sistema para detectar y reducir el movimiento de torsión y/o la carga de torsión de una torre de turbina eólica.

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

[0007] La presente invención está definida por las reivindicaciones adjuntas.

[0008] Diversos rasgos característicos, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor con referencia a la siguiente descripción y reivindicaciones adjuntas. Los dibujos adjuntos que se incorporan en, y constituyen una parte de, esta memoria descriptiva, ilustran los modos de realización de la invención y, conjuntamente con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención. En los dibujos:

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

la FIG. 2 ilustra una vista en perspectiva de un modo de realización de una góndola configurada encima de una torre de una turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 3 ilustra una vista en perspectiva de un modo de realización de una torre de turbina eólica que tiene una estructura de celosía de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 4 ilustra otra vista en perspectiva de un modo de realización de una torre de turbina eólica que tiene una estructura de celosía de acuerdo con la presente divulgación;

la FIG. 5 ilustra un diagrama de bloques de un sistema de control para controlar la turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación; y

la FIG. 6 ilustra un diagrama de flujo de un procedimiento para detectar y reducir un movimiento de torsión y/o una carga de torsión de una torre de una turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación.

[0009] Ahora se hará referencia en detalle a modos de realización de la invención, de los que uno o más ejemplos se ilustran en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la invención, no de limitación de la invención.

[0010] Como se mencionó anteriormente, las variaciones verticales y horizontales de la velocidad del viento con la altura, la desalineación en la orientación y/o la turbulencia pueden actuar individualmente o en conjunto para producir una carga asimétrica en el rotor de una turbina eólica. La carga asimétrica resultante produce un momento de flexión en las palas de rotor que reaccionan a través del buje y, posteriormente, en otros componentes de la turbina eólica. Dicha carga asimétrica puede causar deformaciones de elementos en la turbina eólica, incluyendo, por ejemplo, flexión o desplazamiento radial del eje principal o un movimiento de torsión y/o carga de torsión de la torre. Más específicamente, el movimiento de torsión y/o la carga de torsión de una torre de turbina eólica pueden existir con más frecuencia en las estructuras de torre de celosía. Dichas estructuras pueden tener una rigidez y frecuencias de torsión relativamente bajas (en comparación con las estructuras de torre tubular), en las que la torre puede ser más susceptible a la torsión o a la deformación por torsión. Un "movimiento de torsión" se utiliza en el presente documento para hacer referencia a cualquier deformación por torsión, incluida la torsión o el movimiento de rotación con respecto al eje vertical de una torre de turbina eólica.

[0011] Los modos de realización descritos en el presente documento facilitan la reducción de la carga asimétrica que actúa sobre el rotor de una turbina eólica, reduciendo así la carga de torsión y/o el movimiento de torsión de la torre y las deformaciones del eje principal. Además, los modos de realización del presente documento pueden aumentar la fiabilidad del control de carga asimétrica (ALC) de una turbina eólica. En particular, se divulgan una turbina eólica que incluye una torre, una góndola, un rotor que tiene un buje giratorio conectado a un eje principal y al menos una pala de rotor, un sistema de detección de torsión de torre configurado operativamente para generar una señal de torsión de torre y un conjunto de control de carga asimétrica. La señal de torsión de torre puede corresponder a un movimiento de torsión real de la torre o a una carga de torsión de la torre. Además, el conjunto de control de carga asimétrica está en comunicación con el sistema de detección de torsión de torre para recibir la señal de torsión de torre. Además, el conjunto de control de carga asimétrica está configurado además para mitigar una carga asimétrica que actúa sobre la turbina eólica utilizando la señal de torsión de torre.

[0012] El conjunto de control de carga asimétrica (denominado más adelante en el presente documento conjunto ALC) está configurado para recibir una señal de torsión de torre generada por un sistema de detección de torsión de torre. La señal de torsión de torre puede utilizarse entonces para determinar la magnitud y/o la orientación de la carga de rotor resultante. El conjunto ALC puede entonces utilizar la señal de torsión de torre en cualquier tipo de esquema de control de retroalimentación de bucle abierto o cerrado para mitigar una carga asimétrica. La mitigación de las cargas asimétricas puede incluir reducir o contrarrestar la carga de rotor asimétrica. Por tanto, el conjunto ALC está configurado para provocar una carga más simétrica en el rotor. El conjunto ALC puede mitigar la carga asimétrica pitcheando adecuadamente las palas de la turbina eólica. Además, el conjunto ALC puede mitigar las cargas asimétricas directamente basándose en la señal de torsión de torre. En otras palabras, la señal de torsión es la señal principal que se mide y corrige en acciones correctivas/de control posteriores. Por ejemplo, el conjunto ALC puede implementar un esquema de control configurado para producir una señal de control basándose en la señal de torsión de torre para reducir las cargas asimétricas (lo que se analiza más adelante con respecto a la FIG. 5) como se refleja mediante un cambio (por ejemplo, reducción) de la señal de torsión de torre. De forma alternativa o adicional, la turbina eólica puede implementar un sensor ALC para detectar directamente las cargas asimétricas que actúan sobre el rotor. En dichos modos de realización, el conjunto ALC puede mitigar las cargas asimétricas basándose directamente en las mediciones del sensor ALC y utilizar la señal de torsión de torre para validar las mediciones. Por lo tanto, los modos de realización del presente documento pueden aumentar la fiabilidad del ALC de la turbina eólica.

[0013] En una turbina eólica que implementa un sensor ALC, la señal de torsión de torre también se puede utilizar con fines de redundancia en caso de fallo del sensor ALC. Además, la señal de torsión de torre también se puede utilizar en combinación con las mediciones del sensor ALC para generar una señal ALC.

[0014] Con referencia ahora a las figuras, la FIG. 1 es una vista en perspectiva de una turbina eólica 10 a modo de ejemplo. En la realización a modo de ejemplo, la turbina eólica 10 es una turbina eólica de eje horizontal. Además, la turbina eólica 10 incluye una torre 12 que se extiende desde un sistema de soporte 14, una góndola 16 montada en la torre 12 y un rotor 18 que está acoplado a la góndola 16. El rotor 18 incluye un buje giratorio 20 conectado a un eje principal (no mostrado) y al menos una pala de rotor 22 acoplada a y que se extiende hacia afuera desde el buje 20. En la realización a modo de ejemplo, el rotor 18 tiene tres palas de rotor 22. En un modo de realización alternativo, el rotor 18 puede incluir un número superior o inferior a tres palas de rotor 22.

[0015] Las palas de rotor 22 están espaciadas alrededor del buje 20 para facilitar la rotación del rotor 18 para permitir que la energía cinética del viento se convierta en energía mecánica utilizable y, posteriormente, en energía eléctrica. Las palas de rotor 22 pueden acoplarse al buje 20 acoplando una parte de raíz de pala 24 al buje 20 en una pluralidad de regiones de transferencia de carga 26. Las regiones de transferencia de carga 26 tienen una región de transferencia de carga de buje y una región de transferencia de carga de pala (ninguna mostrada en la FIG. 1). Las cargas inducidas en las palas de rotor 22 se transfieren al buje 20 por medio de las regiones de transferencia de carga 26.

[0016] Las palas de rotor 22 pueden tener cualquier longitud adecuada que permita que la turbina eólica 10 funcione como se describe en el presente documento. Cuando el viento incide en las palas de rotor 22 desde una dirección 28, el rotor 18 gira alrededor de un eje de rotación 30. A medida que las palas de rotor 22 giran y se someten a fuerzas centrífugas, también se someten a diversas fuerzas y momentos. Así pues, las palas de rotor 22 se pueden desviar y/o hacer rotar desde una posición neutra, o no desviada, hasta una posición desviada.

[0017] Además, un ángulo de pitch o el pitch de las palas de rotor 22 (es decir, un ángulo que determina la perspectiva de las palas de rotor 22 con respecto a la dirección 28 del viento), se puede cambiar mediante un sistema de control de pitch de pala de rotor 32 para controlar la carga y la potencia generadas por la turbina eólica 10. Por ejemplo, durante la operación de la turbina eólica 10, el sistema de control de pitch de pala 32 puede girar el pitch de las palas de rotor 22 alrededor de ejes de pitch 34, de modo que las palas de rotor 22 se muevan hasta una posición de bandera, lo que facilita la reducción de la velocidad de rotación del rotor 18 y/o facilita una parada del rotor 18. En una realización a modo de ejemplo, el pitch de cada pala de rotor 22 es controlado individualmente por un sistema de control 25 (FIG. 2). De forma alternativa, el pitch para todas las palas de rotor 22 se puede controlar simultáneamente mediante el sistema de control 25.

[0018] Con referencia ahora a la FIG. 2, se ilustra una vista en sección ampliada de una parte de una góndola 16 encima de una torre 12 de una turbina eólica 10. En la realización a modo de ejemplo, la turbina eólica 10 incluye una góndola 16 y un rotor 18. El rotor 18 incluye un buje 20 acoplado de forma giratoria a la góndola 16. Más específicamente, el buje 20 está acoplado de forma giratoria a un generador eléctrico 42 situado dentro de la góndola 16 mediante el eje de rotor 39 (también denominado eje principal o eje de baja velocidad), una multiplicadora 38, un eje de alta velocidad 48 y un acoplamiento 36. En una realización a modo de ejemplo, el eje de rotor 39 está dispuesto de forma coaxial al eje longitudinal 116. La rotación del eje principal 39 acciona la multiplicadora 38 que, posteriormente, acciona el eje de alta velocidad 48. El eje de alta velocidad 48 acciona el generador 42 con el acoplamiento 36. Además, la rotación del eje de alta velocidad 48 facilita la producción de potencia eléctrica por parte del generador 42. Soportes 52, 54 sostienen la multiplicadora 38 y el generador 42.

[0019] En referencia todavía a la FIG. 2, la turbina eólica 10 incluye un sistema de detección de torsión de torre 92, como se indica mediante las líneas discontinuas. El sistema de detección de torsión de torre 92 puede incluir sensores 37 ubicados en cualquier ubicación adecuada sobre o cerca de la torre 12 para inferir un movimiento de torsión y/o una carga de torsión de la torre. Por ejemplo, como se ilustra, los sensores 37 están espaciados circunferencialmente con respecto a la torre 12. Más específicamente, los sensores 37 están espaciados circunferencialmente en un plano común, generalmente horizontal, alrededor de la torre para detectar el movimiento de torsión y/o la carga de torsión de la torre 12. Por ejemplo, una señal de torsión con una magnitud generalmente idéntica detectada en la pluralidad de sensores 37 dispuestos en un plano horizontal común es un indicador de distorsión de torsión en comparación con una flexión de la torre de lado a lado o de atrás hacia adelante. En otros modos de realización, los sensores 37 pueden estar ubicados sobre, cerca o dentro de la torre 12 o la góndola 16, o en cualquier combinación de lo anterior. Los sensores 37 también pueden estar ubicados en el sistema de orientación 50. Por ejemplo, los sensores 37 pueden estar ubicados entre el piñón y la cremallera en los engranajes de orientación 44 (no mostrados).

[0020] En un modo de realización, se puede emplear cualquier número de sensores 37 para detectar un movimiento de torsión y/o una carga de torsión de la torre 12. Por ejemplo, como se ilustra en la FIG. 2, hay tres sensores 37. En otros modos de realización, se pueden emplear más de tres sensores. En otros modos de realización adicionales, se pueden emplear menos de tres sensores.

[0021] Además, el sistema de detección de torsión de torre 92 puede incluir cualquier tipo adecuado de sensor capaz de inferir una carga y/o movimiento de torsión de la torre 12. Por ejemplo, en un modo de realización, los sensores pueden ser una tríada de acelerómetros espaciados circunferencialmente con respecto a la torre para detectar el movimiento de torsión y/o la carga de torsión de la torre. En modos de realización adicionales, los sensores 37 pueden ser sensores de unidad de medición inercial (IMU) o sensores de unidad de medición inercial en miniatura (MIMU). En otros modos de realización adicionales, se pueden emplear sensores de presión, tal como en el sistema de orientación 50 entre el piñón y la cremallera (no mostrados) en los engranajes de orientación 44. En otros modos de realización adicionales, los sensores 37 pueden ser galgas extensiométricas. Debe entenderse que en la presente invención puede emplearse cualquier combinación de sensores mencionados en el presente documento u otro sensor adecuado.

[0022] Además, el sistema de detección de torsión de torre 92 no se limita al uso de sensores, sino que puede incluir cualquier medio adecuado para medir el movimiento de torsión y/o la carga de torsión de la torre 12. Además, debe entenderse que el sistema de detección de torsión de torre 92 puede incluir cualquier medio adecuado para reducir la carga de torsión y/o el movimiento de la torre 12. Por ejemplo, los medios para reducir el movimiento de torsión y/o la carga de torsión de la torre también pueden incluir variar la orientación de la góndola 16 en relación con la dirección del viento 28.

[0023] En referencia todavía a la FIG. 2, el buje 20 puede incluir además un conjunto de pitch 66. El conjunto de pitch 66 puede incluir un sistema de control de pitch de pala de rotor 73 acoplado operativamente a uno o más sistemas de accionamiento de pitch 68. Cada sistema de accionamiento de pitch 68 está acoplado a una pala de rotor respectiva 22 (mostrada en la FIG. 1) para modificar el pitch de la pala de rotor asociada 22 a lo largo del eje de pitch 34. En la FIG. 2 solo se muestra uno de los tres sistemas de accionamiento de pitch 68. Debe entenderse que el sistema de control de pitch de pala 73 puede ser un controlador centralizado asociado a una pluralidad de sistemas de accionamiento de pitch 68, tal como se muestra en la FIG. 5. De forma alternativa, la turbina eólica 10 puede incluir un sistema de control de pitch de pala distribuido 73 que incluye, por ejemplo, una pluralidad de sistemas de control de pitch de pala, cada uno de los cuales está asociado a un respectivo sistema de accionamiento de pitch 68.

[0024] En la realización a modo de ejemplo, el conjunto de pitch 66 incluye al menos un rodamiento de pitch 72 acoplado al buje 20 y a la respectiva pala de rotor 22. Además, el sistema de accionamiento de pitch 68 incluye un motor de accionamiento de pitch 74, una caja de engranajes de accionamiento de pitch 76 y un piñón de accionamiento de pitch 78. El motor de accionamiento de pitch 74 está acoplado a la caja de engranajes de accionamiento de pitch 76 de manera que el motor de accionamiento de pitch 74 imparte fuerza mecánica a la caja de engranajes de accionamiento de pitch 76. La caja de engranajes de accionamiento de pitch 76 está acoplada al piñón de accionamiento de pitch 78 de modo que el piñón de accionamiento de pitch 78 se hace girar por la caja de engranajes de accionamiento de pitch 76. El rodamiento de pitch 72 está acoplado al piñón de accionamiento de pitch 78 de manera que la rotación del piñón de accionamiento de pitch 78 provoca la rotación del rodamiento de pitch 72. Más específicamente, el piñón de accionamiento de pitch 78 está acoplado al rodamiento de pitch 72 de manera que la rotación de la caja de engranajes de accionamiento de pitch 76 hace girar el rodamiento de pitch 72 y la pala de rotor 22 alrededor del eje de pitch 34 para cambiar el pitch de la pala de rotor 22.

[0025] El sistema de accionamiento de pitch 68 se puede acoplar al sistema de control 25 para ajustar el pitch de la pala de rotor 22 al recibir una o más señales del sistema de control 25. El motor de accionamiento de pitch 74 puede ser cualquier motor adecuado accionado mediante energía eléctrica, sistema neumático y/o un sistema hidráulico que permita que el conjunto de pitch 66 funcione como se describe en el presente documento. De forma alternativa, el conjunto de pitch 66 puede incluir cualquier estructura, configuración, disposición y/o componentes adecuados tales como, pero sin limitarse a, cilindros hidráulicos, resortes y/o servomecanismos. Además, el conjunto de pitch 66 puede accionarse mediante cualquier medio adecuado, tal como, pero sin limitarse a, un fluido hidráulico y/o energía mecánica, tal como, pero sin limitarse a, fuerzas de resorte inducidas y/o fuerzas electromagnéticas.

[0026] Como se mencionó previamente, la turbina eólica 10 también puede incluir un sistema de orientación 50 que puede utilizarse para hacer girar la góndola 16 y el buje 20 alrededor del eje de orientación 38 (mostrado en la FIG. 1). El sistema de orientación 50 se puede colocar en la unión entre la torre 12 y la góndola 16. Además, el sistema de orientación 50 puede actuar junto con un mecanismo de accionamiento de orientación 32 para hacer girar la góndola 16. Cada mecanismo de accionamiento de orientación 32 puede incluir un motor de orientación 64 acoplado a un engranaje de orientación 44 configurado para engranarse al rodamiento de orientación 51.

[0027] En referencia ahora a las FIGS. 1,3 y 4, la torre 12 de la presente invención se puede fabricar con acero tubular que se extiende entre el sistema de soporte 14 y la góndola 16, como se muestra en la FIG. 1. En una realización a modo de ejemplo, la torre 12 se puede fabricar a partir de una estructura de celosía como la mostrada en las FIGS. 3 y 4. Las estructuras de torre de celosía utilizan una estructura de alta ingeniería y optimizada capaz de soportar cargas estáticas y dinámicas únicas que se producen durante la operación de la turbina eólica. Como se ilustra, cada turbina eólica 10 que tiene una estructura de torre de celosía 13 incluye un rotor 18 que tiene una pluralidad de palas de rotor 22 montadas en un buje 20. El rotor 18 está acoplado a la góndola 16, que está apoyada sobre la torre 12.

[0028] La estructura de torre de celosía 13 está formada por patas orientadas verticalmente 15, riostras horizontales 17 y riostras diagonales 19. Las patas 15 son típicamente elementos de hierro en ángulo o elementos de tubo, y las riostras 17, 19 son típicamente elementos de hierro en ángulo. Como se mencionó, estas estructuras de torre de celosía 13 también se denominan en la técnica torres de armazón espacial. La estructura de torre de celosía 13 puede fabricarse en secciones y erigirse en el emplazamiento de la turbina eólica. En el modo de realización de la FIG. 3, se aplica un material de revestimiento 21 sobre la estructura de celosía, que puede ser cualquier tipo de tejido adecuado, tal como un tejido arquitectónico diseñado para condiciones climáticas adversas. El revestimiento 21 protege a los trabajadores y al equipamiento dentro de la torre y brinda una apariencia estética a la turbina eólica 10.

[0029] Aunque las estructuras de torres de celosía ofrecen muchos beneficios, como se describe en el presente documento, pueden tener frecuencias y una rigidez de torsión bajas. Como se mencionó, dichas características influyen en gran medida en los costes de diseño y pueden hacer que la torre sea más susceptible a la torsión debido a la carga de torsión que puede producirse con frecuencia debido a la carga de rotor asimétrica. La presente invención, por lo tanto, es capaz de detectar un movimiento de torsión y/o una carga de torsión de estas estructuras de celosía antes de que se produzca fatiga y una torsión extrema, aumentando así la vida útil de la torre.

[0030] En referencia ahora a la FIG. 5, se ilustra un diagrama de bloques de un sistema de control 25 para controlar la turbina eólica 10. El sistema de control 25 puede implementar una serie de acciones de control, que incluyen, pero sin limitarse a, control de orientación, control de pitch ALC y gestión de sensores ALC. El sistema 25 a modo de ejemplo incluye el conjunto ALC 100 configurado para recibir una señal de torsión de torre 101 generada por el sistema de detección de torsión de torre 92 y para mitigar una carga asimétrica que actúa sobre el rotor de la turbina eólica. Opcionalmente, el conjunto ALC 100 puede conectarse operativamente a uno o más sensores ALC 134. Los sensores ALC 134 pueden configurarse para recibir señales correspondientes a mediciones directas de efectos causados por una carga de rotor asimétrica tal como, pero sin limitarse a, una flexión o un desplazamiento radial del eje principal 39 (FIG. 2). Más específicamente, el sensor ALC 134 puede ser un sensor de proximidad que mide el desplazamiento o la tensión del eje 39 usando tecnologías de sensor basadas en efectos de campo acústico, óptico, magnético, capacitivo o inductivo. En la FIG. 5, solo se ilustra un sensor 134, aunque debe entenderse que también se puede emplear una pluralidad de sensores para medir el desplazamiento del eje principal 39 causado por una carga asimétrica.

[0031] El conjunto ALC 100 puede analizar la señal de torsión de torre 101 y/o la señal ALC 102 para determinar una carga asimétrica que actúa sobre el rotor 18. La señal de torsión de torre 101 puede corresponder a un movimiento de torsión real o a una carga de torsión de la torre 12. El conjunto ALC 100 generará entonces información para mitigar la carga asimétrica. De forma alternativa o adicional, el conjunto ALC 100 puede usar una de estas señales para validar una señal de referencia utilizada para ALC o como datos redundantes. Además, el conjunto ALC 100 puede configurarse para generar una señal ALC en base a la(s) señal(es) recibida(s) para mitigar una carga asimétrica.

[0032] De acuerdo con el esquema a modo de ejemplo de la FIG. 5 y otros modos de realización descritos en el presente documento, el conjunto ALC 100 está conectado operativamente a un sistema de control de pitch de pala de rotor 73 configurado para modificar el pitch de al menos una de las palas de rotor 22. El sistema de control de pitch de pala 73 recibe la señal de conjunto ALC 103 y, basándose en esta señal 103, opera al menos uno de los sistemas de accionamiento de pitch 68 para mitigar una carga asimétrica que actúa sobre el rotor 18.

[0033] De acuerdo con al menos algunos modos de realización del presente documento, el conjunto ALC 100 está configurado para mitigar una carga asimétrica directamente en base a una señal de torsión de torre 101. Es decir, el conjunto ALC 100 puede configurarse para determinar una señal de conjunto ALC 103 que facilite la mitigación de una carga asimétrica de rotor directamente en base a los datos de referencia contenidos en la señal de torsión de torre 101. Por lo tanto, ALC puede implementarse utilizando información generada por el sistema de detección de torsión de torre 92. La señal de torsión de torre 101 es típicamente adecuada para implementar directamente ALC ya que la señal 101 proporciona típicamente información que puede correlacionarse con un movimiento de torsión y/o una carga de torsión de la torre 12 provocados por una carga asimétrica de la turbina eólica 10. Además, la señal de torsión de torre 101 puede generarse en formato analógico y/o digital.

[0034] Como se estableció anteriormente, el conjunto ALC 100 puede configurarse para mitigar una carga de rotor asimétrica pitcheando al menos una de las palas de rotor 22. En particular, la señal de torsión de torre 101 y/o la señal ALC 102 pueden utilizarse para determinar un pitch para cada una de las palas de rotor 22. Por ejemplo, la señal de torsión de torre 101 se puede utilizar para estimar un movimiento de torsión y/o una carga de torsión y, por lo tanto, la magnitud y/o el ángulo de fase de la carga de rotor asimétrica. La magnitud y/o el ángulo de fase estimados se pueden utilizar entonces para determinar un pitch de pala para al menos una de las palas de rotor 22 para reducir la carga de rotor asimétrica. El pitch puede determinarse utilizando información únicamente de la señal de torsión de torre 101 o de la señal de torsión de torre 101 y la señal ALC 102.

[0035] En una realización a modo de ejemplo, el sistema de detección de torsión de torre 92 proporciona típicamente una señal de torsión de torre 101 que tiene una alta calidad. Por tanto, la fiabilidad del ALC puede mejorarse aún más utilizando la señal de torsión de torre 101 para mitigar una carga de rotor asimétrica. Por ejemplo, el conjunto ALC 100 puede configurarse para mitigar una carga asimétrica utilizando una señal de torsión de torre 101 generada por el sistema de detección de torsión de torre 92 y una señal ALC 102 generada por el/los sensor(es) ALC 134. De este modo, puede aumentarse la fiabilidad de ALC. Además, en algunos modos de realización, el conjunto ALC 100 está configurado para 1) realizar ALC en base a la señal proporcionada por los sensores ALC y 2) utilizar la señal de torsión de torre 101 para evaluar y/o validar el rendimiento del/de los sensor(es) ALC 134. De acuerdo con otros modos de realización, el conjunto ALC 100 está configurado para utilizar la señal de torsión de torre 101 solo como una señal redundante en caso de fallo de sensor ALC. Además, el conjunto ALC 100 puede configurarse para mitigar una carga asimétrica en base a la combinación de la señal ALC 102 y la señal de torsión de torre 101.

[0036] La FIG. 2 ilustra el sistema de control 25 centralizado dentro de la góndola 16; sin embargo, el sistema de control 25 puede ser un sistema distribuido en toda la turbina eólica 10, en el sistema de soporte 14, en un parque eólico y/o en un centro de control remoto. Además, el sistema de control 25 incluye típicamente un procesador (no mostrado) configurado para realizar los procedimientos y/o etapas descritos en el presente documento. Como se utiliza en el presente documento, el término "procesador" se refiere, en sentido amplio, a un controlador, un microcontrolador, un microordenador, un controlador lógico programable (PLC), una matriz de puertas programables in situ (FPGA), un circuito integrado específico de la aplicación y otros circuitos programables. Además, estos términos se pueden utilizar de manera intercambiable en el presente documento.

[0037] Además, debe entenderse que el sistema de control 25 también puede incluir memoria, canales de entrada y/o canales de salida. En los modos de realización descritos en el presente documento, la memoria puede incluir, sin limitación, un medio legible por ordenador, tal como una memoria de acceso aleatorio (RAM), y un medio no volátil legible por ordenador, tal como una memoria flash. De forma alternativa, también se pueden utilizar un disquete, una memoria de solo lectura en disco compacto (CD-ROM), un disco magneto-óptico (MOD) y/o un disco versátil digital (DVD). Asimismo, en los modos de realización descritos en el presente documento, los canales de entrada incluyen, sin limitación, sensores y/o dispositivos periféricos de ordenador asociados a una interfaz de operario, tal como un ratón y un teclado. Además, en la realización a modo de ejemplo, los canales de salida pueden incluir, sin limitación, un dispositivo de control, un monitor de interfaz de operario y/o un dispositivo de visualización.

[0038] En la realización a modo de ejemplo, el sistema de control 25 puede incluir un controlador en tiempo real que tenga cualquier sistema adecuado basado en procesador o en microprocesador, tal como un sistema informático, que incluya microcontroladores, circuitos de conjunto de instrucciones reducido (RISC), circuitos integrados específicos de la aplicación (ASIC), circuitos lógicos y/o cualquier otro circuito o procesador que sea capaz de ejecutar las funciones descritas en el presente documento. En un modo de realización, el controlador puede ser un microprocesador que incluya memoria de solo lectura (ROM) y/o memoria de acceso aleatorio (RAM), tal como, por ejemplo, un microordenador de 32 bits con 2 Mbit de ROM y 64 kbit de RAM.

[0039] Con referencia ahora a la FIG. 6, se ilustra un diagrama de flujo de un procedimiento 600 a modo de ejemplo de operación de la turbina eólica 10. El procedimiento 600 puede incluir generar 610 una o más señales de torsión de torre apropiadas para ser utilizadas para el ALC de la turbina eólica 10. De acuerdo con los modos de realización del presente documento, la señal de torsión de torre es generada por el sistema de detección de torsión de torre 92, como se describe anteriormente. De acuerdo con al menos algunos modos de realización descritos en el presente documento, el sensor ALC 134 puede generar una señal ALC además de la señal de torsión de torre.

[0040] El procedimiento 600 puede incluir además recibir 620 la señal de torsión de torre y, opcionalmente, la señal ALC, generada por el sensor ALC. Típicamente, estas señales son recibidas por el conjunto ALC 100. Además, los componentes del conjunto ALC 100 que reciben las señales (p. ej., un procesador o un convertidor de analógico a digital) se acoplan a los elementos de la turbina eólica 10 utilizados para detectar una carga asimétrica (p. ej., el sistema de detección de torsión de torre 92 y/o el sensor ALC 134). El conjunto ALC 100 puede convertir estas señales a un formato utilizable, si es necesario. El procedimiento 600 incluye además mitigar 630 una carga asimétrica que actúa sobre el rotor 18 utilizando las señales para ALC, a saber, la señal de torsión de torre y, opcionalmente, la señal ALC.

[0041] La mitigación 630 de la carga asimétrica puede incluir además una etapa 632 para determinar los efectos (por ejemplo, cargas) provocados en uno o más componentes de la turbina eólica 10 por una carga asimétrica del rotor 18 utilizando las señales para ALC. Por ejemplo, el sistema de control 25 puede utilizar cualquier medio adecuado para convertir los datos de entrada en datos de carga asimétrica relevantes (por ejemplo, una carga de torsión y/o un movimiento de torsión de la torre y una desviación del eje principal). La etapa 632 también puede incluir la determinación de la carga sobre las palas de rotor 22, así como cualquier propiedad de una carga de rotor asimétrica.

[0042] La mitigación 630 de la carga asimétrica también puede incluir una etapa 634 para determinar una respuesta para reducir o contrarrestar la carga de rotor asimétrica. Por ejemplo, en respuesta a una carga de rotor asimétrica particular, el sistema de control 25 puede determinar que la respuesta debe ser cambiar el pitch de una o más palas de rotor 22. Como otro ejemplo, la respuesta determinada puede ser aplicar un freno para detener o ralentizar la rotación del buje 20.

[0043] La mitigación 630 de la carga asimétrica puede incluir adicionalmente una etapa 636 para generar una señal que permita responder a la carga asimétrica. Por ejemplo, se puede generar una señal de respuesta en forma de, por ejemplo, un conjunto de señales de control transmitidas a través de líneas de control individuales, para hacer que el sistema de control de pitch de pala 73 cambie el pitch de una o más de las palas de rotor 22. Si la respuesta seleccionada no logra que la turbina eólica 10 opere dentro de un intervalo de operación aceptable, el procedimiento 600 puede repetirse tantas veces como sea necesario o incluso suspenderse, dando como resultado un control de pitch sin los beneficios del/de los algoritmo(s) ALC descrito(s).

Claims

REIVINDICACIONES

i. Una turbina eólica (10), que comprende:

una torre (12) que comprende una estructura de celosía;

una góndola (16), estando la góndola configurada encima de la torre;

un rotor (18), comprendiendo el rotor un buje giratorio conectado a un eje principal (39), y al menos una pala de rotor (22);

un sistema de detección de torsión de torre (92) que comprende una pluralidad de sensores (37) ubicados en la torre (12) y espaciados circunferencialmente en un plano común, generalmente horizontal, alrededor de la torre (12), el sistema de detección de torsión de torre (92) configurado operativamente para generar una señal de torsión de torre correspondiente a al menos uno de: i) un movimiento de torsión real de la torre o ii) una carga de torsión de la torre; y

un conjunto de control de carga asimétrica (100) en comunicación con el sistema de detección de torsión de torre (92) para recibir la señal de torsión de torre, en el que el conjunto de control de carga asimétrica está configurado además para utilizar la señal de torsión de torre para mitigar una carga asimétrica que actúa sobre la turbina eólica (10),

en la que la turbina eólica (10) comprende además un sistema de control de pitch de pala de rotor (33), el conjunto de control de carga asimétrica (100) en comunicación con el sistema de control de pitch (33) para mitigar la carga asimétrica que actúa sobre el rotor (18), modificando un ángulo de pitch de la pala de rotor (22).
2. La turbina eólica (10) de la reivindicación 1, que comprende al menos tres de los sensores (134) espaciados circunferencialmente en un plano común, generalmente horizontal, alrededor de la torre (12) para detectar una carga de torsión o un movimiento de torsión de la torre.
3. La turbina eólica (10) de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en la que los sensores (134) son uno de entre un acelerómetro, un sensor de presión o una galga extensiométrica.
4. La turbina eólica (10) de cualquier reivindicación precedente, en la que el conjunto de control de carga asimétrica (100) está configurado para mitigar la carga asimétrica basándose directamente en la señal de torsión de torre.
5. La turbina eólica (10) de cualquier reivindicación precedente, en la que el conjunto de control de carga asimétrica (100) comprende además un sensor configurado para detectar directa o indirectamente la flexión del eje principal (39) debida a la carga asimétrica del rotor (18) y para generar una señal de carga asimétrica correspondiente, el conjunto de control de carga asimétrica configurado para mitigar la carga asimétrica utilizando la señal de carga asimétrica y la señal de torsión de torre.
6. La turbina eólica (10) de cualquier reivindicación precedente, en la que el conjunto de control de carga asimétrica (100) está configurado además para: i) mitigar la carga asimétrica directamente en base a la señal de carga asimétrica y ii) utilizar la señal de torsión de torre para validar la señal de carga asimétrica.
7. Un procedimiento (600) de operación de una turbina eólica (10), incluyendo la turbina eólica una torre de turbina eólica de estructura de celosía (12), un rotor (18), comprendiendo el rotor un buje giratorio conectado a un eje principal (39) y al menos una pala de rotor (22); un sistema de detección de torsión de torre que comprende una pluralidad de sensores (37) ubicados en la torre (12) y espaciados circunferencialmente en un plano común, generalmente horizontal, alrededor de la torre (12); y un conjunto de control de carga asimétrica, comprendiendo el procedimiento:

generar (610) una señal de torsión de torre correspondiente a al menos uno de: i) un movimiento de torsión real de la torre (12) o ii) una carga de torsión de la torre (12), siendo generada la señal de torsión de torre por el sistema de detección de torsión de torre (92); y

mitigar (630) una carga asimétrica que actúa sobre la turbina eólica (10) utilizando la señal de torsión de torre,

en el que mitigar (630) la carga asimétrica incluye modificar el ángulo de pitch de la al menos una pala de rotor (22).
8. El procedimiento (600) de la reivindicación 7, en el que mitigar (630) la carga asimétrica se realiza directamente en base a la señal de torsión de torre.
9. El procedimiento (600) de cualquiera de la reivindicación 7 o la reivindicación 8, que comprende además detectar directa o indirectamente la flexión del eje principal (39) debida a la carga asimétrica del rotor (18) y generar una señal de carga asimétrica correspondiente, en el que la carga asimétrica se mitiga utilizando la señal de carga asimétrica y la señal de torsión de torre.
10. El procedimiento (600) de la reivindicación 9, que comprende además: mitigar la carga asimétrica directamente en base a la señal de carga asimétrica; y utilizar la señal de torsión de torre para validar la señal de carga asimétrica.