ES2928697T3 - Método de determinación del perfil vertical de la velocidad del viento flujo arriba de un aerogenerador provisto de un sensor de teledetección por laser - Google Patents

Método de determinación del perfil vertical de la velocidad del viento flujo arriba de un aerogenerador provisto de un sensor de teledetección por laser Download PDF

Info

Publication number
ES2928697T3
ES2928697T3 ES20178434T ES20178434T ES2928697T3 ES 2928697 T3 ES2928697 T3 ES 2928697T3 ES 20178434 T ES20178434 T ES 20178434T ES 20178434 T ES20178434 T ES 20178434T ES 2928697 T3 ES2928697 T3 ES 2928697T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
wind speed
wind
wind turbine
measurement
instant
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES20178434T
Other languages
English (en)
Inventor
Hoai-Nam Nguyen
Fabrice Guillemin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles IFPEN filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
Application granted granted Critical
Publication of ES2928697T3 publication Critical patent/ES2928697T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/95—Lidar systems specially adapted for specific applications for meteorological use
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D17/00—Monitoring or testing of wind motors, e.g. diagnostics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P21/00—Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups
    • G01P21/02—Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups of speedometers
    • G01P21/025—Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups of speedometers for measuring speed of fluids; for measuring speed of bodies relative to fluids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/26—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting optical wave
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S17/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/4802—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/04—Automatic control; Regulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2200/00—Mathematical features
    • F05B2200/20—Special functions
    • F05B2200/22—Power
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/84—Modelling or simulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/32—Wind speeds
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/80—Devices generating input signals, e.g. transducers, sensors, cameras or strain gauges
    • F05B2270/804—Optical devices
    • F05B2270/8042—Lidar systems
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Wind Motors (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

La invención se refiere a un método para determinar el perfil vertical de la velocidad del viento aguas arriba de un aerogenerador (1), para lo cual se toman medidas de la velocidad del viento por medio de un sensor LIDAR (2), luego se determina el exponente de ley de potencia α mediante un filtro de Kalman sin olor y mediciones, y este exponente α se aplica a la ley de potencia para determinar el perfil vertical de la velocidad del viento. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método de determinación del perfil vertical de la velocidad del viento flujo arriba de un aerogenerador provisto de un sensor de teledetección por laser
CAMPO TÉCNICO
La presente invención se refiere al campo de las energías renovables, y más en particular se refiere a la medición del recurso de los aerogeneradores, el viento, en objetivos de predicción del viento, de control (orientación, regulación del par y de la velocidad) y/o de diagnóstico y/o de vigilancia del aerogenerador.
Un aerogenerador permite transformar la energía cinética del viento en energía eléctrica o mecánica. Para la conversión del viento en energía eléctrica, el aerogenerador dispone de los elementos siguientes:
- un mástil que permite colocar un rotor a una altura suficiente para permitir su movimiento (necesario para los aerogeneradores de eje horizontal) y/o colocar dicho rotor a una altura que le permita ser impulsado por un viento más fuerte y regular que al nivel del suelo. El mástil, por lo general, aloja parte de los componentes eléctricos y electrónicos (modulador, control, multiplicador, generador, etc.);
- una barquilla montada en la parte superior del mástil, que aloja componentes mecánicos, neumáticos, algunos componentes eléctricos y electrónicos, necesarios para el funcionamiento de la máquina. La barquilla puede girar para orientar la máquina en la dirección correcta;
- un rotor, fijado a la barquilla, formado por varias palas (normalmente tres) y el cono frontal del aerogenerador. El rotor es impulsado por la energía del viento, está conectado por un eje mecánico directa o indirectamente (a través de un sistema de caja de cambios y eje mecánico) a una máquina eléctrica (generador eléctrico...) que convierte la energía recogida en energía eléctrica. El rotor está potencialmente provisto de sistemas de control tales como un sistema de control de las palas de ángulo variable o un sistema de control de los frenos aerodinámicos;
- una transmisión, compuesta por dos ejes (eje mecánico del rotor y eje mecánico de la máquina eléctrica) conectados por una transmisión (caja de cambios).
Desde principios de la década de 1990, la energía eólica ha experimentado un renovado interés, particularmente en la Unión Europea en donde la tasa de crecimiento anual es de alrededor del 20%. Este crecimiento se atribuye a la posibilidad inherente de generar electricidad sin emisiones de carbono. Para respaldar este crecimiento, se debe seguir mejorando el rendimiento de los aerogeneradores. La perspectiva de aumentar la producción de energía eólica requiere el desarrollo de herramientas de producción eficientes y de herramientas de control avanzado para mejorar el rendimiento de las máquinas. Los aerogeneradores están diseñados para producir electricidad al precio más bajo posible. Por lo tanto, los aerogeneradores por lo general se construyen de tal manera que alcanzan su máximo rendimiento para una velocidad del viento de alrededor de 15 m/s. No es necesario diseñar aerogeneradores que maximicen su rendimiento a velocidades de viento más altas, que son poco frecuentes. En caso de velocidades del viento superiores a 15 m/s, es necesario perder parte de la energía adicional contenida en el viento con el fin de evitar cualquier daño al aerogenerador. Por lo tanto, todos los aerogeneradores están diseñados con un sistema de regulación de la potencia.
Para esta regulación de potencia se diseñan controladores para aerogeneradores de velocidad variable. Los objetivos de los controladores son maximizar la energía eléctrica recuperada, minimizar las fluctuaciones de velocidad del rotor y minimizar la fatiga y los instantes extremos de la estructura (palas, mástil y plataforma).
TÉCNICA ANTERIOR
Para optimizar el control, es importante conocer la velocidad del viento al nivel del rotor del aerogenerador. Para ello se han desarrollado diferentes técnicas.
Según una primera técnica, el uso de un anemómetro permite estimar una velocidad del viento en un punto, pero esta tecnología imprecisa no permite medir la totalidad de un campo de viento ni conocer las componentes tridimensionales de la velocidad del viento o conocer el perfil vertical de la velocidad del viento.
Según una segunda técnica, se puede utilizar un sensor LIDAR (acrónimo de la expresión en inglés “light detection and range” que puede traducirse como teledetección por láser). LIDAR es una tecnología de teledetección o de medición óptica basada en el análisis de las propiedades de un haz reenviado hacia su emisor. Este método se utiliza en particular para determinar la distancia a un objeto por medio de un láser pulsado. A diferencia del radar basado en un principio similar, el sensor LIDAR utiliza luz visible o infrarroja en lugar de ondas de radio. La distancia a un objeto o superficie se obtiene midiendo el retardo entre el impulso y la detección de la señal reflejada.
En el campo de los aerogeneradores, el sensor LIDAR se anuncia como un sensor imprescindible para el buen funcionamiento de los grandes aerogeneradores, especialmente a medida que aumentan su tamaño y potencia (actualmente, 5 MW, y próximamente 12 MW offshore). Este sensor permite la medición a distancia del viento, que permite inicialmente calibrar los aerogeneradores para que puedan proporcionar la máxima potencia (optimización de la curva de potencia). Para esta etapa de calibración, el sensor puede colocarse en el suelo y orientarse verticalmente (perfilar), lo que permite medir la velocidad del viento y su dirección, así como el gradiente del viento según las altitudes. Esta aplicación es particularmente crítica puesto que permite conocer el recurso productor de energía. Lo que antecede es importante para los proyectos eólicos, ya que condiciona la fiabilidad financiera del proyecto. Sin embargo, este método puede parecer costoso, ya que requiere un sensor LIDAR colocado de forma fija en el suelo o en el mar y orientado verticalmente, además del sensor LIDAR colocado en el aerogenerador para la aplicación que se describe a continuación.
Una segunda aplicación es la colocación de este sensor en la barquilla del aerogenerador, para medir el campo de viento delante del aerogenerador mientras está orientado casi horizontalmente. A priori, la medición del campo de viento delante del aerogenerador permite conocer de antemano las turbulencias que encontrará el aerogenerador unos instantes después. Sin embargo, las técnicas actuales de control y de seguimiento de un aerogenerador no permiten tener en cuenta una medición realizada por un sensor LIDAR estimando, con precisión, la velocidad del viento al nivel del rotor, es decir, en el plano del rotor. Dicha aplicación se describe, en particular, en la solicitud de patente FR 3013777 (US 2015145253).
La velocidad del viento varía en función de la altitud: el viento es mayor a gran altura que a nivel del suelo. El conocimiento del perfil vertical de la velocidad del viento, dicho de otro modo, el gradiente de la velocidad del viento en función de la altitud, es de utilidad en diferentes aplicaciones de control de aerogeneradores. Documento Wagner, Rozenn & Antoniou, Loannis & M. Pedersen, Soren & Courtney, Michael & Jorgensen, Hans. (2009). La influencia del perfil de velocidad del viento en las medidas de rendimiento del aerogenerador. Wind Energy. 12. 348-362.10.1002/we.297, describe, en particular, la relación entre el perfil de la velocidad del viento y los rendimientos del aerogenerador. Según varios ejemplos, este perfil vertical de la velocidad del viento se puede utilizar en las evaluaciones de la energía del aerogenerador o en el control del ángulo de inclinación (el ángulo de orientación) de las palas del aerogenerador.
De manera convencional, el perfil vertical de la velocidad del viento utilizado por los fabricantes de sensores LIDAR se obtiene mediante métodos aplicados fuera de línea basados en el enfoque de procesamiento por lotes. Por consiguiente, estos métodos no son adecuados para estimar el perfil vertical de la velocidad del viento en tiempo real. Además, otros métodos de determinación del perfil vertical de la velocidad del viento utilizan representaciones matemáticas del mismo, incluyendo: el perfil logarítmico o la ley de potencia.
El perfil logarítmico del viento se creó a partir de un modelo de la capa límite turbulenta en una placa plana de Prandtl. Más tarde se descubrió que era válido en forma no modificada en vientos fuertes en la capa límite atmosférica en la proximidad de la superficie terrestre o del mar. En la superficie, el perfil logarítmico del viento viene dado por
Figure imgf000003_0001
en donde vz es la velocidad longitudinal del viento a la altitud z, v* es la velocidad de fricción, k=0,41 es la constante de Von Karman, z0 es la rugosidad de la superficie, ^m la corrección diabática del perfil vertical de la velocidad del viento. Este perfil logarítmico depende solamente de constantes y es inexacto a grandes altitudes y es difícil de calibrar. Además, este perfil logarítmico es menos preciso que la ley de potencia.
En cuanto a lo que antecede, la ley de potencia se expresa por:
Figure imgf000003_0002
siendo vz la velocidad longitudinal del viento a la altura z, zo la altura de referencia, vz0 la velocidad longitudinal del viento a la altura de referencia z0 y a el exponente de dicha ley de potencia.
Esta ley de potencia se suele utilizar en las evaluaciones de la energía eólica, en donde la velocidad del viento a la altura de un aerogenerador debe estimarse a partir de observaciones del viento en la proximidad de la superficie, o donde los datos de la velocidad del viento, a diferentes alturas, deben ajustarse a una altura estándar. En comparación con la ley logarítmica, la ley de potencia se puede integrar con facilidad en una altura: este perfil se utiliza, en gran medida, con fines de ingeniería debido a su simplicidad. Suponiendo condiciones atmosféricas neutras, es bien sabido que la ley de potencia produce predicciones más precisas de la velocidad del viento que la ley logarítmica, desde 100 m en la proximidad de la parte superior de la capa límite atmosférica. Para condiciones normales de viento en lugar offshore (en alta mar), el exponente a se establece en 1/7. Sin embargo, cuando se utiliza un exponente constante, no tiene en cuenta la variación en función del tiempo y la rugosidad de la superficie. Además, no tiene en cuenta el desplazamiento de los vientos superficiales debido a la presencia de obstáculos, que es el aerogenerador en nuestro caso. Por lo tanto, utilizar un exponente constante puede proporcionar estimaciones bastantes erróneas del perfil vertical de la velocidad del viento.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
La presente invención tiene como objeto, en particular, determinar, en tiempo real, un perfil vertical preciso de la velocidad del viento de una manera sencilla. Para ello, la invención se refiere a un método de determinación del perfil vertical de la velocidad del viento flujo arriba de un aerogenerador, para el cual se realizan medidas de la velocidad del viento mediante un sensor LIDAR, a continuación, se determina el exponente a de la ley de potencia mediante un filtro de Kalman inoloro y a continuación, se aplica este exponente a a la ley de potencia para determinar el perfil vertical de la velocidad del viento.
La invención se refiere a un método de determinación del perfil vertical de la velocidad del viento flujo arriba de un aerogenerador, estando dicho aerogenerador provisto de un sensor LIDAR dirigido flujo arriba de dicho aerogenerador, en donde se ponen en práctica las etapas siguientes:
a) Se mide la velocidad del viento en al menos un plano de medida flujo arriba de dicho aerogenerador en al menos dos puntos de medida ubicados a diferentes altitudes mediante dicho sensor LIDAR;
b) Se construye un modelo de perfil vertical de la velocidad del viento utilizando una ley de potencia de la forma
Figure imgf000004_0001
siendo vz la velocidad longitudinal del viento a la altura z, zo la altura de referencia, vz0 la velocidad longitudinal del viento a la altura de referencia z0 y a el exponente de dicha ley de potencia;
c) se determina dicho exponente a de dicha ley de potencia mediante un filtro de Kalman inoloro mediante dichas medidas de la velocidad del viento en dichos dos puntos de medida; y
d) se determina dicho perfil vertical de la velocidad del viento aplicando dicho exponente a determinado a dicho modelo de perfil vertical de la velocidad del viento.
Según una forma de realización de la invención, se aplica dicho filtro de Kalman inoloro a un modelo de estado que comprende ruido aditivo y ruido multiplicativo.
De manera ventajosa, dicho modelo de estado se expresa por:
Figure imgf000004_0002
Siendo x(k)=a(k) la variable de estado en el instante k, y(k)=v1 (k) la salida de dicho modelo de estado correspondiente a la velocidad longitudinal del viento medida en el instante k en el punto de medida 1, n(k-1) es la variación del exponente a en el instante k-1, v2(k) la velocidad longitudinal del viento medida en el instante k en el punto de medida 2, z1 la altitud del punto de medida 1, z2 la altitud de punto de medida 2, s1 (k) el ruido de la velocidad v1 en el instante k, y s2(k) el ruido de la velocidad v2 en el instante k.
De manera preferente, para la aplicación de dicho filtro de Kalman se considera la variable aleatoria aumentada xa
Figure imgf000004_0003
Siendo x(k)=a(k) la variable de estado en el instante k y s2(k) el ruido de la velocidad v2 en el instante k. Según un aspecto, se determina dicho exponente a de dicha ley de potencia mediante las etapas siguientes:
i) se inicializa k=0, el vector de estado xa(0|0)=m(0) y el estado de la matriz de covarianza, P(0|0)=P0; ii) en cada instante k se adquieren dichas medidas v1 (k) y v2(k) de la velocidad del viento en los puntos de medida 1 y 2, siendo y(k)=v1 (k); y
iii) en cada instante k, se determina dicho exponente a de dicha ley de potencia mediante las ecuaciones siguientes:
Figure imgf000005_0001
Siendo K la ganancia del filtro de Kalman, Pxy la covarianza cruzada del estado y de la medida, Pyy la covarianza prevista de la medida, my la media prevista de la salida, v1 (k) la velocidad longitudinal del viento medida en el instante k en el punto de medida 1.
Además, la invención se refiere a un método de control de un aerogenerador provisto de un sensor LIDAR, en donde se ponen en práctica las etapas siguientes:
a) se determina dicho perfil vertical de la velocidad del viento flujo arriba del aerogenerador mediante el método según una de las características anteriores;
b) se controla dicho aerogenerador en función de dicho perfil vertical de la velocidad del viento flujo arriba de dicho aerogenerador.
La invención también se refiere a un producto de programa informático que comprende instrucciones de código dispuestas para poner en práctica las etapas de un método según una de las características anteriores, cuando el programa se ejecuta en una unidad de procesamiento de dicho sensor LIDAR.
Además, la invención se refiere a un sensor LIDAR para un aerogenerador. Comprende una unidad de procesamiento que pone en práctica un método según una de las características anteriores.
Además, la invención se refiere a un aerogenerador que comprende un sensor LIDAR según una de las características anteriores, estando situado dicho sensor LIDAR, de manera preferente, en la barquilla de dicho aerogenerador o en el cono frontal del aerogenerador.
Otras características y ventajas del método, según la invención, aparecerán con la lectura de la siguiente descripción de ejemplos de formas de realización no limitativas, con referencia a las figuras adjuntas y descritas a continuación. LISTA DE LAS FIGURAS
La Figura 1 ilustra un aerogenerador provisto de un sensor LIDAR según una forma de realización de la invención. La Figura 2 ilustra las etapas del método de determinación del perfil vertical de la velocidad del viento según una forma de realización de la invención.
La Figura 3 ilustra las etapas del método de control de un aerogenerador según una segunda forma de realización de la invención.
La Figura 4 es una curva de la velocidad radial del viento medida a dos alturas, 200 m flujo arriba del aerogenerador, en función del tiempo, a modo de ejemplo.
La Figura 5 es una curva de la velocidad longitudinal estimada a dos alturas, 200 m flujo arriba del aerogenerador, en función del tiempo, para el ejemplo de la Figura 4.
La Figura 6 es un ejemplo de curva de variación del exponente a en función del tiempo para el ejemplo de la Figura 4.
La Figura 7 es una curva de la velocidad longitudinal estimada mediante el método según una forma de realización de la invención (a partir de las medidas del ejemplo de la Figura 4) y medida, 100 m flujo arriba del aerogenerador, en función del tiempo.
DESCRIPCIÓN DE LAS FORMAS DE REALIZACIÓN
La presente invención se refiere a un método de determinación del perfil vertical de la velocidad del viento flujo arriba de un aerogenerador (la noción de “flujo arriba” se define según la dirección del viento hacia el aerogenerador). Se denomina perfil vertical de la velocidad del viento al gradiente de la velocidad del viento en función de la altitud. El perfil vertical determinado de la velocidad del viento permite determinar la variación vertical del viento flujo arriba del aerogenerador y al nivel del plano del rotor del aerogenerador. Según la invención, el aerogenerador está provisto de un sensor LIDAr que está dispuesto prácticamente horizontal para medir la velocidad del viento flujo arriba del aerogenerador.
Según la invención, el sensor LIDAR permite medir la velocidad del viento en al menos un plano de medida flujo arriba del aerogenerador. Existen varios tipos de sensores LIDAR, por ejemplo, los sensores LIDAR escaneados, LIDAR continuos o LIDAR pulsados. En el contexto de la invención, se utiliza, de manera preferente, un LIDAR pulsado. Sin embargo, las otras tecnologías LIDAR pueden utilizarse mientras permanecen dentro del alcance de la invención.
El sensor LIDAR permite una medida rápida. Por lo tanto, el uso de un sensor de este tipo permite una determinación rápida, continua y en tiempo real del perfil vertical de la velocidad del viento. Por ejemplo, la tasa de muestreo del sensor LIDAR puede estar comprendida entre 1 y 5 Hz (incluso más en el futuro), y puede valer 4 Hz. Además, el sensor LIDAR permite obtener información relativa al viento flujo arriba del aerogenerador, estando esta información ligada al viento que llegará al aerogenerador. Por lo tanto, el sensor LIDAR se puede utilizar para la determinación del perfil vertical de la velocidad del viento.
La Figura 1 muestra, de forma esquemática y no limitativa, un aerogenerador 1 de eje horizontal provisto de un sensor LIDAR 2 para el método según una forma de realización de la invención. El sensor LIDAR 2 se utiliza para medir la velocidad del viento a una distancia dada en una pluralidad de planos de medida PM (solamente se representan dos planos de medida). Conocer la medida del viento de antemano permite proporcionar, a priori, numerosa información. Esta figura también muestra los ejes x, y y z. El punto de referencia de esta marca es el centro del rotor. La dirección x es la dirección longitudinal, correspondiente a la dirección del eje del rotor, flujo arriba del aerogenerador, esta dirección también corresponde a la dirección de medida del sensor LIDAR 2. La dirección y, perpendicular a la dirección x, es la dirección lateral ubicada en un plano horizontal (las direcciones x, y forman un plano horizontal). La dirección z es la dirección vertical (correspondiente prácticamente a la dirección del mástil 4) dirigida hacia arriba, siendo el eje z perpendicular a los ejes x e y. El plano del rotor está indicado por el rectángulo en líneas de puntos PR, estando definido por las direcciones y, z para un valor de x nulo. Los planos de medida PM son planos formados por las direcciones y, z a una distancia del plano del rotor PR (para un valor de x distinto de cero). Los planos de medida PM son paralelos al plano del rotor PR.
De manera convencional, un aerogenerador 1 permite transformar la energía cinética del viento en energía eléctrica o mecánica. Para la conversión del viento en energía eléctrica, el aerogenerador está constituido por los elementos siguientes:
- un mástil 4 que permite colocar un rotor (no ilustrado) a una altura suficiente para permitir su movimiento (necesario para aerogeneradores de eje horizontal) y/o colocar este rotor a una altura que le permita ser impulsado por un viento más fuerte y regular que a nivel del suelo 6. El mástil 4 aloja, por lo general, una parte de los componentes eléctricos y electrónicos (modulador, control, multiplicador, generador, etc.);
- una barquilla 3 montada en la parte superior del mástil 4, que aloja componentes mecánicos y neumáticos, algunos componentes eléctricos y electrónicos (no ilustrados), necesarios para el funcionamiento de la máquina. La barquilla 3 puede girar para orientar la máquina en la dirección correcta;
- el rotor, fijado a la barquilla, que comprende varias palas 7 (por lo general tres) y el cono frontal del aerogenerador.
El rotor es impulsado por la energía del viento, estando conectado por un eje mecánico directa o indirectamente (a través de un sistema de caja de cambios y de eje mecánico) a una máquina eléctrica (generador eléctrico, etc.) (no ilustrado) que convierte la energía recogida en energía eléctrica. El rotor está potencialmente provisto de sistemas de control tales como un sistema de control de palas de ángulo variable o un sistema de control de los frenos aerodinámico;
- una transmisión, constituida por dos ejes (eje mecánico del rotor y eje mecánico de la máquina eléctrica) conectados por una transmisión (caja de cambios) (no ilustrada).
Tal como se muestra en la Figura 1, que es un ejemplo de realización de un sensor LIDAR pulsado, el sensor LIDAR 2 utilizado comprende cuatro haces o ejes de medida (b1, b2, b3, b4). De manera no limitativa, el método según la invención también funciona con un sensor LIDAR que comprende cualquier número de haces. El sensor LIDAR realiza una medida puntual en cada punto de medida (PT1, PT2, PT3, PT4) que son puntos de intersección de un plano de medida PM y de un haz (b1, b2, b3, b4). Estos puntos de medida ( P t 1, PT2, PT3, PT4) están representados por círculos negros en la Figura 1. El procesamiento de las medidas en estos puntos de medida (PT1, PT2, PT3, PT4) permite determinar la velocidad del viento en los planos de medida PM y en varias altitudes: los puntos de medida PT1 y PT2 están a una altitud superior a la altitud de los puntos de medida PT3 y PT4. Para ello se puede aplicar, en particular, el método de modelización del viento descrito en la solicitud de patente francesa FR 3068139 (WO2018/234409).
De manera preferible, el sensor LIDAR 2 se puede montar en la barquilla 3 del aerogenerador 1 o en el cono frontal del aerogenerador 1.
Según la invención, el método de determinación del perfil vertical de la velocidad del viento flujo arriba del aerogenerador comprende las etapas siguientes:
1) Medida del viento
2) Construcción de un modelo de perfil vertical de la velocidad del viento
3) Determinación del exponente a
4) Determinación del perfil vertical de la velocidad del viento.
Estas etapas se realizan en tiempo real. La etapa de construcción del modelo de perfil vertical de la velocidad del viento se puede realizar de antemano y fuera de línea.
La Figura 2 ilustra, de forma esquemática y no limitativa, las etapas del método de determinación del perfil vertical de la velocidad del viento según una forma de realización de la invención. La primera etapa es una etapa de medida (MES) de la velocidad del viento v1, v2 en al menos un plano de medida a dos altitudes diferentes mediante el sensor LIDAR. Se construye un modelo de perfil vertical de la velocidad del viento (MOD). La siguiente etapa consiste en determinar el exponente a del modelo de perfil vertical de la velocidad del viento (MOD) mediante un filtro de Kalman inoloro (UKF) y medidas de velocidad del viento v1, v2. El exponente a determinado se utiliza con el modelo del perfil vertical de la velocidad del viento (MOD) para determinar (PRO) el perfil vertical de la velocidad del viento v(z). 1) Medida de la velocidad del viento
Durante esta etapa, se mide de forma continua la velocidad del viento en al menos un plano de medida alejado del aerogenerador mediante el sensor LIDAR, en al menos dos puntos de medida que tienen altitudes diferentes. De este modo, la velocidad del viento puede conocerse flujo arriba del aerogenerador en al menos un plano de medida a dos altitudes diferentes. La altitud de los puntos de medida se considera según el eje vertical (eje z en la Figura 1) en relación con el nivel del suelo o el nivel del mar. Para esta etapa, se puede, por ejemplo, medir la velocidad del viento en el punto de medida PT1 (punto "alto") y PT3 (punto "bajo") en la Figura 1.
Según una puesta en práctica de realización de la invención, los planos de medida pueden estar separados por una distancia longitudinal (según el eje x de la Figura 1) comprendida, de manera preferente, entre 50 y 400 m del plano del rotor. De este modo, es posible determinar la evolución de la velocidad del viento a lo largo de una gran distancia flujo arriba del aerogenerador, lo que también permite aumentar la precisión de la determinación del perfil vertical de la velocidad del viento.
De manera alternativa, los planos de medida pueden estar más próximos o más separados que el intervalo preferido. Según un ejemplo de realización no limitativo, el sensor LIDAR puede realizar medidas para diez planos de medida, en particular pueden estar situados, respectivamente, a distancias de 50, 70, 90, 100, 110, 120, 140, 160, 180 y 200 m desde el plano del rotor.
Según una forma de realización de la invención, se pueden realizar medidas de la velocidad del viento en varios puntos de medida en cada altitud. Por ejemplo, se puede medir la velocidad del viento en los dos puntos de medida PT1, PT2 (puntos "altos") y en los dos puntos de medida PT3, PT4 (puntos "bajos"). En este caso, la velocidad del viento medida a una altitud puede ser una combinación (por ejemplo, la media) de las medidas de la velocidad del viento a la misma altitud.
Con el fin de aumentar la precisión de las etapas siguientes, puede medir la velocidad del viento en varios planos de medida.
De conformidad con una puesta en práctica de la invención, el sensor LIDAR puede permitir medir la velocidad radial (en el eje del haz de medida del sensor LIDAR). En este caso, el método puede comprender una etapa de determinación de la velocidad longitudinal (según el eje x de la Figura 1) a partir de la velocidad radial, por cualquier método conocido, en particular por proyección de la velocidad radial sobre el eje longitudinal, o por un método de reconstrucción del viento, por ejemplo, el descrito en la solicitud de patente FR 3068139 (WO2018/234409).
2) Construcción del modelo de velocidad del viento
Durante esta etapa, se construye un modelo de perfil vertical de la velocidad del viento utilizando una ley de potencia de la forma (o cualquier ley equivalente):
Figure imgf000008_0001
Siendo vz la velocidad longitudinal del viento a la altura z, zo la altura de referencia, vz0 la velocidad longitudinal del viento a la altura de referencia z0 y a el exponente de dicha ley de potencia.
El método, según la invención, permite determinar las variaciones en el tiempo del exponente a para hacer preciso el modelo de velocidad del viento. Una de las ventajas de la ley de potencia es su simplicidad. Además, la ley de potencia proporciona predicciones más precisas de la velocidad del viento que la ley logarítmica, especialmente en altitudes que van desde los 100 m en la proximidad de la parte superior de la capa límite atmosférica.
3) Determinación del exponente a
Durante esta etapa, el exponente a de la ley de potencia se determina mediante un filtro de Kalman inoloro (UKF del inglés "unscented Kalman filter”) y mediante medidas de la velocidad del viento en los puntos de medida. El filtro de Kalman inoloro es un algoritmo de filtrado que utiliza un modelo de sistema para estimar el estado oculto actual de un sistema y a continuación corrige la estimación utilizando las medidas de sensor disponibles. La filosofía UKF difiere del filtro de Kalman extendido en que utiliza la transformación inolora para aproximar directamente la media y la covarianza de la distribución objetivo. El filtro de Kalman inoloro puede comprender las etapas de predicción de estado y corrección de las medidas, siendo precedidas estas dos etapas por una etapa preliminar para el cálculo de los “puntos sigma”. Los puntos sigma son un conjunto de muestras calculadas de tal manera que puedan propagar con precisión la información de la media y la variación en el espacio de una función no lineal.
Por lo tanto, dicho filtro es muy adecuado para determinar con rapidez el exponente a de la ley de potencia.
Según una forma de realización de la invención, el filtro de Kalman inoloro se puede aplicar a un modelo de estado que incluye ruido aditivo y ruido multiplicativo. El ruido aditivo y multiplicativo proviene de las medidas de la velocidad del viento a diversas altitudes. Se dice que el ruido es aditivo porque aparece como un término agregado en el modelo de estado. Se dice que el ruido es multiplicativo porque aparece como un término que multiplica la entrada del modelo de estado. Esta forma de realización permite determinar, con precisión, el exponente a de la ley de potencia.
De manera ventajosa, el modelo de estado se puede expresar como:
Figure imgf000008_0002
Siendo x(k)=a(k) la variable de estado en el instante k, y(k)=v1 (k) la salida del modelo de estado correspondiente a la velocidad longitudinal del viento medida en el instante k en el punto de medida 1, n(k-1) es la variación del exponente a en el instante k-1, v2(k) es la velocidad longitudinal del viento medida en el instante k en el punto de medida 2, z1 la altitud del punto de medida 1, z2 la altitud de punto de medida 2, s1 (k) el ruido de la velocidad v1 en el instante k, y s2(k) el ruido de la velocidad v2 en el instante k. Para este modelo de estado, s1 (k) es el ruido aditivo y s2(k) es el ruido multiplicativo.
Con el fin de determinar el exponente a mediante el filtro de Kalman inoloro, se puede considerar la variable aleatoria aumentada xa
Figure imgf000008_0003
Siendo x(k)=a(k) la variable de estado en el instante k y s2(k) el ruido de la velocidad v2 en el instante k.
De conformidad con una puesta en práctica de la invención, el exponente a de la ley de potencia se puede determinar mediante las etapas siguientes:
i) se inicializa k=0, el vector de estado xa(0|0)=m(0) y el estado de la matriz de covarianza, P(0|0)=P0; ii) en cada instante k se adquieren dichas medidas v1 (k) y v2(k) de la velocidad del viento en los puntos de medida 1 y 2, siendo y(k)=v1 (k); y
iii) se determina en cada instante k, dicho exponente a de dicha ley de potencia mediante las ecuaciones siguientes:
Figure imgf000009_0001
Siendo K la ganancia del filtro de Kalman, Pxy la covarianza cruzada del estado y de la medida, Pyy la covarianza prevista de la medida, my la media prevista de la salida, v1 (k) la velocidad longitudinal del viento medida en el instante k en el punto de medida 1.
Según una forma de realización de la invención, el filtro de Kalman inoloro puede ponerse en práctica por medio de las diversas etapas que se describen a continuación.
Se hace constar que:
Figure imgf000009_0002
es la estimación de x(k) a partir de las medidas del tiempo k-1.
Figure imgf000009_0003
es la estimación de x(k) a partir de las medidas del tiempo k.
Figure imgf000009_0004
es la varianza de error a partir de las medidas del tiempo k-1.
Figure imgf000009_0005
es la varianza de error a partir de las medidas del tiempo k.
Q es la varianza del ruido del sistema n(k).
Puesto que la ecuación es lineal, la etapa de predicción se puede expresar como:
Figure imgf000009_0006
P{k\k- \ ) = P ( k - \ \ k - l ) Q
Lo que antecede se complican para la etapa de corrección debido a la presencia de ruidos tanto aditivos como multiplicativos. Para superar esta dificultad, se puede considerar la siguiente variable aleatoria aumentada:
Figure imgf000009_0007
Después de la etapa de predicción, la distribución de la variable aleatoria aumentada xa(k) se puede dar como una distribución normal indicada como N:
Figure imgf000010_0001
Con
Figure imgf000010_0002
Siendo R2(k) la varianza de ruido s2(k) de la velocidad v2 en el instante k.
Los puntos sigma indicados X0 , Xi, Xi+n asociados con la media mxa y con la matriz de covarianza Pxa se pueden calcular de la siguiente manera:
Figure imgf000010_0003
En donde n=2, y S es una raíz cuadrada de Pxa, y
A = i i 2(n k) — n
Con p un parámetro escalar que determina la dispersión de los puntos sigma, y k un parámetro de cambio de tamaño secundario.
Entonces se puede definir Xi,x y Xi,£ como los primero y segundo componentes de Xi. Los puntos sigma se propagan en el modelo de medida de la siguiente forma, para cualquier valor de i comprendido entre 1 y 2n.
Figure imgf000010_0004
La siguiente etapa consiste en calcular la media prevista my, la covarianza prevista de la medida Pyy y la covarianza cruzada del estado y de la medida Pxy.
Figure imgf000010_0005
Siendo R1 (k) la varianza de ruido si (k) de la velocidad v i en el instante k, Wim, Wic son ponderaciones definidas por:
A
W ^ =
(A n)
1
w¡ 2 (A n)
Figure imgf000010_0006
Figure imgf000011_0001
Con ^ siendo un parámetro utilizado para incorporar cualquier conocimiento previo de la distribución de la variable aleatoria aumentada xa.
La ganancia del filtro de Kalman, la estimación de estado y la matriz de covarianza en el tiempo k se pueden expresar entonces por
Figure imgf000011_0002
puesto que x(k)=a, permitiendo estas ecuaciones determinar el exponente a de la ley de potencia, siendo este exponente variable en el tiempo.
4) Determinación del perfil vertical de la velocidad del viento
Durante esta etapa, se determina el perfil vertical de la velocidad del viento flujo arriba del aerogenerador, poniendo en práctica el modelo de perfil vertical de la velocidad del viento construido en la etapa 2) con el exponente a determinado en la etapa 3). De este modo, el método según la invención permite determinar la velocidad del viento en cualquier punto del espacio flujo arriba del aerogenerador.
De manera preferente, el método, según la invención, puede permitir determinar la velocidad longitudinal del viento en cualquier punto del espacio flujo arriba del aerogenerador.
Según una forma de realización de la invención, se puede considerar en la ley de potencia la referencia z0 como la altitud de cualquier punto de medida del sensor LIDAR (que puede ser diferente de los puntos de medida utilizados durante la etapa 1)), y la velocidad vz0 la velocidad del viento medida en el punto de medida considerado. De este modo, el perfil vertical de la velocidad del viento se puede determinar en el plano de medida aplicando la ley de potencia.
De manera alternativa, se puede considerar en la ley de potencia, cualquier referencia z0 (por ejemplo, un punto en el plano del rotor) y la velocidad vz0 la velocidad del viento estimada (reconstruida) en el punto considerado. De este modo, se puede determinar la velocidad del viento en cualquier plano del espacio, incluso en el plano del rotor. Para reconstruir la velocidad del viento se puede aplicar cualquier método de reconstrucción del viento, en particular el descrito en la solicitud de patente FR 3068139 (WO2018/234409), cuyas etapas principales son:
• Mallado del espacio ubicado flujo arriba de dicho sensor LIDAR, el mallado comprende puntos de estimación y puntos de medida;
• Medida de la amplitud y de la dirección del viento en los diferentes puntos de medida;
• Estimación de la amplitud y de la dirección del viento en cualquier instante para todos los puntos de estimación por un método de mínimos cuadrados recursivos de una función de coste (también denominada función objetivo); y
• Reconstrucción del campo de viento incidente en tres dimensiones y en tiempo real sobre todos los puntos discretizados.
La presente invención también se refiere a un método de control de un aerogenerador provisto de un sensor LIDAR. Para este método se ponen en práctica las etapas siguientes:
- se determina el perfil vertical de la velocidad del viento flujo arriba del aerogenerador mediante el método de determinación del perfil vertical de la velocidad del viento según cualquiera de las variantes descritas con anterioridad; y
- se controla el aerogenerador según el perfil vertical de la velocidad del viento flujo arriba del aerogenerador. La predicción precisa y en tiempo real del perfil vertical de la velocidad del viento flujo arriba del aerogenerador permite un adecuado control del aerogenerador, en cuanto a minimizar los efectos sobre la estructura del aerogenerador y maximizar la potencia recuperada. En efecto, mediante este control, el sensor LIDAR permite anticipar la velocidad del viento que llegará al aerogenerador a partir de estas predicciones y así adaptar el equipamiento del aerogenerador con antelación de fase para que en el momento en el que llega el viento estimado, el aerogenerador esté en la configuración óptima para este viento. Por otro lado, el sensor LIDAR permite reducir las cargas sobre la estructura, de las cuales las palas y el mástil suponen el 54% del coste. En consecuencia, el uso de un sensor LIDAR permite optimizar la estructura del aerogenerador y, por tanto, reducir costes y mantenimiento.
De conformidad con una puesta en práctica de la invención, es posible controlar el ángulo de inclinación de las palas y/o del par eléctrico de recuperación del generador del aerogenerador en función de la velocidad del viento. De manera preferible, se puede controlar el ángulo de inclinación individual de las palas. Se pueden utilizar otros tipos de dispositivos de regulación. El control de inclinación de las palas permite optimizar la recuperación de energía en función del viento que incide sobre las palas.
Según una forma de realización de la invención, el ángulo de inclinación de las palas y/o el par eléctrico de recuperación se pueden determinar mediante cartografías del aerogenerador en función de la velocidad del viento a nivel del rotor. Por ejemplo, se puede aplicar el método de control descrito en la solicitud de patente FR 2976630 A1 (US 2012-0321463).
La Figura 3 ilustra, de forma esquemática y no limitativa, las etapas del método de control de un aerogenerador según una forma de realización de la invención. La primera etapa es una etapa de medida (MES) de la velocidad del viento v1, v2 en al menos un plano de medida a dos altitudes diferentes mediante el sensor LIDAR. Se construye un modelo de perfil vertical de la velocidad del viento (MOD). La siguiente etapa consiste en determinar el exponente a del modelo de perfil vertical de la velocidad del viento (MOD) mediante un filtro inoloro de Kalman (UKF) y medidas de velocidad del viento v1, v2. El exponente a determinado se utiliza con el modelo del perfil vertical de la velocidad del viento (MOD) para determinar (PRO) el perfil vertical de la velocidad del viento v(z). El perfil vertical de la velocidad del viento v(z) se utiliza entonces para realizar el control (CON) del aerogenerador.
Además, la invención se refiere a un producto programa informático, que comprende instrucciones codificadas dispuestas para poner en práctica las etapas de uno de los métodos descritos con anterioridad (método de determinación del perfil vertical de la velocidad del viento, método de control). El programa se ejecuta en una unidad de procesamiento del sensor LIDAR, o en cualquier medio análogo, vinculado al sensor LIDAR o al aerogenerador.
Según un aspecto, la presente invención también se refiere a un sensor LIDAR para un aerogenerador, que comprende una unidad de procesamiento configurada para poner en práctica uno de los métodos descritos con anterioridad (método de determinación del perfil vertical de la velocidad del viento, método de control).
De conformidad con una puesta en práctica de la invención, el sensor LIDAR puede ser un sensor LIDAR escaneado, LIDAR continuo o LIDAR pulsado. De manera preferible, el sensor LIDAR es un sensor LIDAR pulsado.
La invención también se refiere a un aerogenerador, en particular un aerogenerador en offshore (en alta mar) u en onshore (en tierra) provisto con un sensor LIDAR tal como se describió con anterioridad. Según una forma de realización de la invención, el sensor LIDAR puede estar dispuesto en la barquilla del aerogenerador o en el cono frontal del aerogenerador. El sensor LIDAR está orientado para tomar una medida del viento flujo arriba del aerogenerador (es decir antes del aerogenerador y según su eje longitudinal, designado por el eje x en la Figura 1). Según una forma de realización, el aerogenerador puede adaptarse al aerogenerador ilustrado en la Figura 1.
Para la forma de realización del método de control, el aerogenerador puede comprender medios de control, por ejemplo, el control del ángulo de inclinación (que se puede traducirse como ángulo de cabeceo) de al menos una pala del aerogenerador o el control del par eléctrico, para poner en práctica el método de control según la invención.
Ejemplos
Las características y ventajas del método, según la invención, aparecerán más claramente con la lectura del ejemplo de aplicación siguiente.
Para este ejemplo, la velocidad del viento estimada en un punto flujo arriba del aerogenerador se compara con el perfil vertical de la velocidad del viento determinado por el método según una forma de realización de la invención. Para ello, para una distancia de 200 m flujo arriba del aerogenerador, se miden las velocidades del viento en dos puntos de medida a diferentes altitudes para estimar, en tiempo real, el exponente a de la ley de potencia, mediante el método según una forma de realización de la invención A continuación, para una distancia de 100 m flujo arriba del aerogenerador, se aplica el perfil vertical de la velocidad del viento determinado con el exponente a para determinar la velocidad longitudinal del viento a una altitud predeterminada mediante una medida de la velocidad longitudinal del viento a una altura conocida.
Para este ejemplo, se considera un sensor LIDAR pulsado de 4 haces que realiza medidas en planos de medida ubicados a 100 y 200 m del aerogenerador.
La Figura 4 representa la velocidad radial del viento RWS en m/s (es decir, según la dirección del haz de medida) medida para dos puntos de medida (que pueden corresponder a los puntos de medida PT1 y PT3 de la Figura 1) en función de tiempo T en 104s para un día de medida. Esta velocidad radial del viento se mide en un plano de medida de 200 m flujo arriba del aerogenerador. La velocidad medida v1 en gris claro corresponde a la velocidad medida a la velocidad del punto de medida más bajo. La velocidad medida v2 en gris oscuro corresponde a la velocidad medida a la velocidad del punto de medida más alto. Como era de esperar, la velocidad medida en el punto de medida más alto es mayor que la velocidad medida en el punto de medida más bajo. En esta figura se puede constatar que el sensor LIDAR no proporciona medidas en cualquier momento, debido a un efecto de bloqueo de las palas.
La Figura 5 es una curva de la velocidad longitudinal del viento wx en m/s (es decir, según la dirección x de la Figura 1) en función del tiempo T en 104s, correspondiente a un día de medida. La velocidad longitudinal del viento wx se estima a partir de la velocidad radial del viento RWS de la Figura 4. Esta velocidad longitudinal se estima en un plano de medida de 200 m flujo arriba del aerogenerador. La velocidad longitudinal wx1 en gris claro corresponde a la velocidad longitudinal estimada en el punto de medida más bajo. La velocidad longitudinal wx2 en gris oscuro corresponde a la velocidad longitudinal estimada en el punto de medida más alto.
A partir de estas velocidades, se determina por medio del método según la invención el exponente a de la ley de potencia. La Figura 6 es una curva del exponente a de la ley de potencia en función del tiempo T en 104s. Se puede constatar que el exponente a varía de manera significativa, por lo que el supuesto de la técnica anterior que considera un exponente a constante no es realista y no permite determinar con precisión el perfil vertical de la velocidad del viento.
El sensor LIDAR también mide la velocidad del viento en el plano de medida ubicado 100 m flujo arriba del aerogenerador a dos altitudes conocidas. Para mostrar la naturaleza precisa del método, según la invención, por un lado, se toma como referencia la medida de la velocidad del viento en el punto más alto a 100 m y, por otro lado, se estima la velocidad del viento, en el punto de medida más alto, a 100 m mediante el método según la invención a partir de la velocidad del viento en el punto de medida más bajo a 100 m y del exponente a determinado en la Figura 6 con las medidas de la velocidad del viento a 200 m. La Figura 7 es una curva de la velocidad longitudinal del viento wx en m/s (es decir, según la dirección x de la Figura 1) en el punto de medida más alto en función del tiempo T en 104s. Esta velocidad longitudinal se estima en un plano de medida 100 m flujo arriba del aerogenerador. La curva REF corresponde a la referencia definida con anterioridad, y la curva EST corresponde a la estimación mediante el método según la invención tal como se definió con anterioridad. Se observa que las curvas son muy próximas, lo que demuestra que el método, según la invención, permite una determinación precisa de la velocidad del viento.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Método de determinación del perfil vertical de la velocidad del viento flujo arriba de un aerogenerador (1), siendo dicho perfil vertical de la velocidad del viento el gradiente de la velocidad del viento en función de la altitud, estando dicho aerogenerador (1) provisto de un sensor LIDAR (2) dirigido flujo arriba de dicho aerogenerador (1), en donde se ponen en práctica las etapas siguientes:
a) se mide (MES) la velocidad del viento en al menos un plano de medida (PM) flujo arriba de dicho aerogenerador en al menos dos puntos de medida (PT1, PT2, PT3, PT4) situados a diferentes altitudes mediante dicho sensor LIDAR (2);
b) se construye un modelo de perfil vertical de la velocidad del viento (MOD) utilizando una ley de potencia de la
forma
Figure imgf000014_0001
con vz siendo la velocidad longitudinal del viento a la altitud z, z0 la altitud de referencia, vz0 la velocidad longitudinal del viento a la altitud de referencia z0 y a el exponente de dicha ley de potencia, correspondiendo la dirección longitudinal al eje del rotor de dicho aerogenerador (1); estando el método caracterizado por cuanto que
c) se determina dicho exponente a de dicha ley de potencia mediante un filtro de Kalman inoloro por medio de dichas medidas de la velocidad del viento en dichos dos puntos de medida (PT1, PT2, PT3, PT4); y
d) se determina dicho perfil vertical de la velocidad del viento (PRO) aplicando dicho exponente a determinado a dicho modelo de perfil vertical de la velocidad del viento.
2. Método de determinación del perfil vertical de la velocidad del viento según la reivindicación 1, en donde se aplica dicho filtro de Kalman inoloro a un modelo de estado que incluye ruido aditivo y ruido multiplicativo.
3. Método de determinación del perfil vertical de la velocidad del viento según la reivindicación 2, en donde dicho modelo de estado se expresa como:
Figure imgf000014_0002
Siendo x(k)=a(k) la variable de estado en el instante k, y(k)=v1 (k) la salida de dicho modelo de estado correspondiente a la velocidad longitudinal del viento medida en el instante k en el punto de medida 1, n(k -1) es la variación del exponente a en el instante k-1, v2(k) la velocidad longitudinal del viento medida en el instante k en el punto de medida 2, z1 la altitud del punto de medida 1, z2 la altitud del punto de medida 2, s1 (k) el ruido de la velocidad v1 en el instante k, y s2(k) el ruido de la velocidad v2 en el instante k.
4. Método de determinación del perfil vertical de la velocidad del viento según una de las reivindicaciones 2 o 3, en donde para la aplicación de dicho filtro de Kalman se considera la variable aleatoria aumentada xa.
Figure imgf000014_0003
Siendo x(k)=a(k) la variable de estado en el instante k y s2(k) el ruido de la velocidad v2 en el instante k.
5. Método de determinación del perfil vertical de la velocidad del viento según una de las reivindicaciones anteriores, en donde se determina dicho exponente a de dicha ley de potencia mediante las etapas siguientes:
i) se inicializa k=0, el vector de estado xa(0|0)=m(0) y el estado de la matriz de covarianza, P(0|0)=P0;
ii) en cada instante k se adquieren dichas medidas v1(k) y v2(k) de la velocidad del viento en los puntos de medida 1 y 2, siendo y(k)=v1 (k); y
iii) en cada instante k, se determina dicho exponente a de dicha ley de potencia mediante las ecuaciones siguientes:
Figure imgf000015_0001
siendo K la ganancia del filtro de Kalman, Pxy la covarianza cruzada del estado y de la medida, Pyy la covarianza prevista de la medida, my la media prevista de la salida, v1 (k) la velocidad longitudinal del viento medida en el instante k en el punto de medida 1, P(k|k - 1) es la variación de error a partir de las medidas del instante k-1, P(k|k) es la variación de error a partir de las medidas del instante k.
6. Método de control de un aerogenerador (1) provisto de un sensor LIDAR (2), caracterizado porque se pone en práctica las etapas siguientes:
a) se determina dicho perfil vertical de la velocidad del viento flujo arriba del aerogenerador (1) mediante el método según una de las reivindicaciones anteriores;
b) se controla dicho aerogenerador (1) en función de dicho perfil vertical de la velocidad del viento flujo arriba de dicho aerogenerador (1).
7. Producto de programa informático caracterizado porque comprende instrucciones de código dispuestas para poner en práctica las etapas de un método según una de las reivindicaciones anteriores, cuando el programa se ejecuta en una unidad de procesamiento de dicho sensor LIDAR (2).
8. Sensor LIDAR (2) para aerogenerador caracterizado porque comprende una unidad de procesamiento que pone en práctica un método según una de las reivindicaciones 1 a 6.
9. Aerogenerador (1) caracterizado porque comprende un sensor LIDAR (2) según la reivindicación 8, estando dicho sensor LIDAR (2), de manera preferente, colocado en la barquilla de dicho aerogenerador (1) o en el cono frontal del aerogenerador.
ES20178434T 2019-06-19 2020-06-05 Método de determinación del perfil vertical de la velocidad del viento flujo arriba de un aerogenerador provisto de un sensor de teledetección por laser Active ES2928697T3 (es)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1906569A FR3097644B1 (fr) 2019-06-19 2019-06-19 Procédé de détermination du profil vertical de la vitesse du vent en amont d’une éolienne équipée d’un capteur de télédétection par Laser

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2928697T3 true ES2928697T3 (es) 2022-11-22

Family

ID=67957111

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES20178434T Active ES2928697T3 (es) 2019-06-19 2020-06-05 Método de determinación del perfil vertical de la velocidad del viento flujo arriba de un aerogenerador provisto de un sensor de teledetección por laser

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11454725B2 (es)
EP (1) EP3754341B1 (es)
CN (1) CN112114332B (es)
CA (1) CA3083653A1 (es)
DK (1) DK3754341T3 (es)
ES (1) ES2928697T3 (es)
FR (1) FR3097644B1 (es)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020260625A1 (en) * 2019-06-28 2020-12-30 Aalto University Foundation Sr Quantitative raman spectroscopy
US11294063B2 (en) * 2020-04-02 2022-04-05 Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. System and method for fast wind flow measurement by LiDAR in a complex terrain
FR3114881B1 (fr) * 2020-10-01 2022-09-09 Ifp Energies Now Procédé de détermination de la vitesse moyenne du vent au moyen d’un capteur de télédétection par Laser
FR3116123B1 (fr) * 2020-11-06 2022-10-14 Ifp Energies Now Procédé de détermination de la vitesse du vent dans le plan du rotor d’une éolienne
EP4122810A1 (en) * 2021-07-20 2023-01-25 Ørsted Wind Power A/S Floating vertical wind profile sensor device and method of determining a vertical wind profile
FR3126248B1 (fr) 2021-08-20 2023-07-28 Ifp Energies Now Procédé de détermination de la vitesse du vent au moyen d’un capteur de télédétection par Laser monté sur une éolienne
CN114233580B (zh) * 2021-12-01 2023-11-21 三一重能股份有限公司 一种风电机组机舱风速的修正方法及装置

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2976630B1 (fr) 2011-06-17 2021-07-23 Ifp Energies Now Procede pour optimiser la puissance recuperee par une eolienne en reduisant l'impact mecanique sur la structure.
EP2581761B1 (en) * 2011-10-14 2017-08-23 Vestas Wind Systems A/S Estimation of Wind Properties Using a Light Detection and Ranging Device
FR3013777B1 (fr) 2013-11-25 2015-11-13 IFP Energies Nouvelles Procede de controle et de surveillance d'une eolienne au moyen d'une estimation de la vitesse du vent au moyen d'un capteur lidar
ES2537476B1 (es) * 2013-12-04 2016-03-23 Acciona Windpower, S.A. Sistema y método de control de aerogenerador
JP6328347B2 (ja) * 2015-10-23 2018-05-23 三菱電機株式会社 風計測装置
CN108369276A (zh) * 2015-12-10 2018-08-03 三菱电机株式会社 激光雷达装置
EP3440347B1 (en) * 2016-04-08 2021-06-02 Vestas Wind Systems A/S Control of a wind turbine comprising multi-axial accelerometers
US10247170B2 (en) * 2016-06-07 2019-04-02 General Electric Company System and method for controlling a dynamic system
US10539116B2 (en) * 2016-07-13 2020-01-21 General Electric Company Systems and methods to correct induction for LIDAR-assisted wind turbine control
FR3068139B1 (fr) 2017-06-21 2019-12-20 IFP Energies Nouvelles Procede d'acquisition et de modelisation par un capteur lidar d'un champ de vent incident
WO2020096560A1 (en) * 2018-11-05 2020-05-14 General Electric Company Power system measurement based model calibration with enhanced optimization
CN111766397B (zh) * 2020-06-19 2022-06-10 北京航空航天大学合肥创新研究院 一种基于惯性/卫星/大气组合的气象风测量方法
CN114802616B (zh) * 2022-04-15 2023-08-04 浙江科技学院 小型水面清污无人艇及其控制方法、定位方法

Also Published As

Publication number Publication date
CA3083653A1 (fr) 2020-12-19
US20200400836A1 (en) 2020-12-24
FR3097644A1 (fr) 2020-12-25
FR3097644B1 (fr) 2021-06-11
EP3754341A1 (fr) 2020-12-23
CN112114332B (zh) 2025-10-10
EP3754341B1 (fr) 2022-08-10
DK3754341T3 (da) 2022-11-07
US11454725B2 (en) 2022-09-27
CN112114332A (zh) 2020-12-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2928697T3 (es) Método de determinación del perfil vertical de la velocidad del viento flujo arriba de un aerogenerador provisto de un sensor de teledetección por laser
ES2919049T3 (es) Método de adquisición y modelización de un campo de viento incidente mediante un sensor LiDAR
ES2882299T3 (es) Procedimiento de determinación de un factor de inducción para un aerogenerador de un sensor de detección a distancia por láser
Fuertes et al. 3D turbulence measurements using three synchronous wind lidars: Validation against sonic anemometry
US9234506B2 (en) Estimation of wind properties using a light detection and ranging device
Arnqvist et al. Wind statistics from a forested landscape
EP2588753B1 (en) Apparatus and method for reducing yaw error in wind turbines
ES2953717T3 (es) Procedimiento de predicción de la velocidad del viento en el plano del rotor para un aerogenerador equipado de un sensor de teledetección por láser
EP2581761B1 (en) Estimation of Wind Properties Using a Light Detection and Ranging Device
ES2958290T3 (es) Turbina eólica controlada por inducción
Bradley et al. Remote sensing winds in complex terrain—A review
Bergström et al. Wind power in forests: wind and effects on loads
SJ et al. Spatial averaging-effects on turbulence measured by a continuous-wave coherent lidar
Newman et al. An error reduction algorithm to improve lidar turbulence estimates for wind energy
US20170167470A1 (en) Methods and systems for controlling a wind turbine
ES2967326T3 (es) Método de determinación de la dirección del viento por medio de un sensor de teledetección por láser
ES2967632T3 (es) Procedimiento para determinar la velocidad del viento en el plano del rotor de un aerogenerador
Iungo et al. Measurement procedures for characterization of wind turbine wakes with scanning Doppler wind LiDARs
ES2970376T3 (es) Método de determinación de la velocidad media del viento mediante un sensor de teledetección por láser
Barthelmie et al. Best practice for measuring wind speeds and turbulence offshore through in-situ and remote sensing technologies
Mohr et al. Wind power in forests II: Forest wind
Shin et al. Characteristics analysis and reliability verification of nacelle lidar measurements
Tumenbayar et al. Experimental investigation on power performance testing using nacelle lidar measurements over excavated terrain
ES2967063T3 (es) Procedimiento para determinar un factor de inducción entre un plano de medida y el plano del rotor de un aerogenerador
ES2927113T3 (es) Procedimientos y sistemas para controlar una turbina eólica