ES2930425T3 - Método de control de turbina eólica basado en cambio de perfil de pala - Google Patents

Método de control de turbina eólica basado en cambio de perfil de pala Download PDF

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Abstract

Se describe un método de control de un aerogenerador que comprende la detección de la presencia de una anomalía en el perfil aerodinámico de las palas y el funcionamiento del aerogenerador de acuerdo no sólo con la determinación de dicha anomalía, sino también teniendo en cuenta las características de la misma. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método de control de turbina eólica basado en cambio de perfil de pala
Objeto de la invención
La presente invención se encuentra dentro del campo de la generación de electricidad a través de la transformación de energía eólica.
El objeto de la invención consiste en un método de control de turbina eólica que tiene en cuenta la condición aerodinámica de perfiles de pala para modificar al menos un parámetro de control para aumentar la disponibilidad de la turbina eólica.
Antecedentes de la invención
La deposición de hielo u otro tipo de material no deseado en las palas de la turbina eólica dificulta el funcionamiento correcto de la misma e implica, entre otras consecuencias, la modificación de la geometría del perfil aerodinámico de la pala y la mala distribución de cargas y tensiones tanto en el rotor como en otros componentes de la turbina eólica. Dicho problema se conoce bien y hay múltiples soluciones en el estado de la técnica para detectar, determinar o monitorizar cambios en el perfil aerodinámico de las palas o para detectar directamente la formación de hielo.
Se sabe que existen soluciones en el estado de la técnica destinadas a resolver dicho problema, tales como la descrita en el documento US7086834B2, que describe la manera en la que se detecta hielo en las palas de un turbina eólica.
Del mismo modo, el documento US2011042950 (A1), que detalla un sistema para cuantificar la cantidad de hielo formado en las palas y que continuará funcionando si la cantidad de hielo depositada es menor que una cierta cantidad predeterminada; si se supera esta cantidad, la turbina eólica cambia a un modo de funcionamiento no de carga en el que el hielo en las palas continúa cuantificándose.
El documento ES2293269T3 describe un método para detectar hielo en un turbina eólica, en el que el modo de funcionamiento de la turbina eólica se modifica si ciertos valores se determinan por medio de sensores, cuyo resultado se compara con valores de parámetros de funcionamiento predefinidos de la instalación de energía eólica; si la comparación determina un valor de diferencia estimado previamente, el modo de funcionamiento se modifica. El documento US8096761B2 describe un método para gestionar un turbina eólica que detalla un método para determinar el valor mínimo de paso de pala de acuerdo con el valor de eficiencia de la pala calculado basándose en la velocidad del viento y la velocidad del rotor y para mantener el ángulo de paso de pala a un valor mayor o igual al valor mínimo de paso de pala determinado en respuesta al parámetro de eficiencia de la pala, independientemente de los parámetros de funcionamiento programados.
El documento US2010014969 describe un método y aparato para compensación de desequilibrio de momento en una turbina eólica que usa un control de paso para controlar el paso de un rotor. El aparato comprende una unidad de lógica de control de paso convencional para desarrollar una señal de control de paso de pala de rotor nominal y una unidad de sensor de momento. En particular, la lógica de control puede controlar el paso de las palas de rotor, incluyendo la compensación de desviaciones de momento instantáneas de un turbina eólica determinando la relación entre diversos valores preestablecidos de momento instantáneo y una modulación de paso que compensa las desviaciones del momento instantáneo con respecto a un valor de momento nominal.
El documento US20121333134 describe un método y aparato para amortiguar vibraciones en un sistema de energía eólica, en donde el método incluye determinar la vibración del área de torre intermedia del sistema de energía eólica; e influir en las vibraciones del área de torre intermedia dependiendo de las vibraciones determinadas del área de torre intermedia ajustando un parámetro de funcionamiento del sistema de energía eólica con el fin de mejorar la estabilidad y la vida útil del sistema de energía eólica.
Ninguno de dichos documentos proporciona una solución válida al problema de aumentar la disponibilidad de la turbina eólica en situaciones en las que se determina un cierto grado de variación en el perfil aerodinámico de las palas.
Descripción de la invención
A la luz del problema planteado, se proporciona una solución válida al problema de aumentar la disponibilidad de la turbina eólica, adaptando, para ello, el control al tipo de condición aerodinámica y de masa para aumentar la producción de energía. Dicha solución se materializa en el método objeto de la invención, que proporciona un procedimiento para controlar la turbina eólica en situaciones en las que hay una variación en el perfil aerodinámico de las palas. Dicho procedimiento de control comprende dos fases o etapas principales:
• Una primera fase que implica la detección y diagnóstico de la variación en la geometría de los perfiles (distinguiendo si esta variación está equilibrada entre las palas, normalmente tres palas).
• Una segunda fase, basada en la variación anteriormente determinada, en la que se modifican los parámetros de control de turbina eólica.
Como se indicó en el párrafo anterior, el método de control de turbina eólica descrito en el presente documento comienza con determinar variaciones en el perfil aerodinámico de al menos una de las palas. Dicha determinación se basa en la obtención, por medio de una serie de sensores, de al menos un parámetro representativo del estado operativo de turbina eólica y el cálculo de una primera señal sensible a variaciones desequilibradas del perfil aerodinámico entre las palas, aplicando un cálculo del armónico 1p a la frecuencia de rotación del rotor basándose al menos en el parámetro representativo del estado operativo de turbina eólica. Dicho parámetro representativo del estado operativo de turbina eólica puede ser la velocidad de la turbina eólica y/o el par de torsión y/o cargas, o la medición de una variable eléctrica tal como la potencia generada. Dichos datos se captan por los sensores con una frecuencia de muestreo determinada al menos diez veces mayor que la frecuencia de rotación del rotor.
Dicha primera señal obtenible a partir de los datos captados, independientemente del sistema de captación de datos usado, es sensible a variaciones desequilibradas en el perfil aerodinámico entre las palas, es decir, cualquier variación desequilibrada influye en dicha primera señal y, asimismo, cualquier segunda o tercera señal calculada o determinada basándose en al menos un parámetro captado por los sensores, de tal manera que la presencia de variaciones desequilibradas afecta directamente al valor o la forma de dicha primera señal.
Para determinar la existencia o no existencia de variación desequilibrada entre todas las palas de turbina eólica, se realiza una comparación entre la primera señal y un primer valor umbral que determinará una posible amplificación de dicho armónico 1p a la frecuencia de rotación del rotor en un momento dado.
Si se determina que la variación está desequilibrada, dado que la comparación entre la primera señal calculada y el primer valor umbral revela que la primera señal supera dicho primer umbral, se modifica al menos un bucle de control de par de torsión. El hecho de que la primera señal supere el primer umbral indica un aumento en el armónico 1p (resultante del cálculo aplicado a los datos captados por los sensores) mayor que el valor del armónico 1 p predeterminado como el primer valor umbral.
El método comprende, además, comparar la primera señal con un segundo valor umbral, donde dicho segundo valor umbral es un valor a partir del cual se desconecta la turbina eólica, siendo dicho segundo valor umbral mayor que el primer valor umbral.
Dicha modificación en el bucle de control de par de torsión implica incluir un primer filtro a una frecuencia de 1p en la salida del regulador de bucle de control de par de torsión, aunque dicha modificación también puede incluir alterar el bucle de control de paso de pala incluyendo un segundo filtro a la frecuencia correspondiente de 1p en el caso de que se determine una variación desequilibrada en el perfil aerodinámico de las palas.
Debe observarse que el método descrito en el presente documento tiene en cuenta el hecho de que no detectarse la existencia de variación desequilibrada no implica la no existencia de variación desequilibrada (es decir, una variación aerodinámica y/o de masa de los perfiles de pala aproximadamente igual en todas las palas). Puede existir y genera una serie de cargas que son dañinas para el rotor de turbina eólica; por lo tanto, se prevé una etapa adicional en el método de control para determinar dicha circunstancia que puede requerir datos no comprendidos en la primera señal. Para este fin, puede ser necesario determinar una variación equilibrada con respecto a un estado operativo normal, para el cual se realiza una comparación de una segunda señal relacionada con el paso actual con un cuarto valor umbral correspondiente a un valor de paso de pala mayor que el de una pala que entra en una condición de pérdida.
Para aumentar la disponibilidad de turbina eólica en este caso, se incluye la etapa de modificar temporalmente el ángulo mínimo de paso de pala en el bucle de control de paso para igualarlo a un valor mayor o igual al valor del cuarto umbral. El cuarto umbral puede ser un valor constante y predeterminado o puede depender de la velocidad del viento.
Según el objeto de la invención, se realiza una comparación adicional entre la señal y un tercer valor umbral, donde dicho tercer valor umbral es mayor que el primer valor umbral y es un valor correspondiente a un valor a partir del cual se desconecta el generador eólico. Adicionalmente, se puede realizar una comparación entre la segunda señal y un quinto valor umbral para desconectar la turbina eólica.
En cualquiera de las posibles realizaciones en las que se usan diferentes umbrales, parámetros y valores, se aumenta la disponibilidad de turbina eólica y, por lo tanto, la energía producida por la misma, adaptando el control de acuerdo con la detección de anomalías en el rotor de la misma.
Descripción de los dibujos
Con el fin de complementar la descripción que se está realizando y con el objetivo de ayudar a comprender mejor las características de la invención, según una realización preferida de la misma, dicha descripción va acompañada, como parte integral de la misma, por un conjunto de dibujos donde, de manera ilustrativa y no limitativa, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra un gráfico que representa las curvas de potencia basadas en la evolución del ángulo A y p y de paso durante el funcionamiento normal.
La figura 2a muestra un diagrama del bucle de control de paso según la invención.
La figura 2b muestra un diagrama del bucle de control de par de torsión del método objeto de la invención.
La figura 2c muestra un diagrama de flujo que representa la secuencia que determina la activación del primer y/o segundo filtro en los bucles de control de par de torsión y de paso.
La figura 3 muestra un gráfico que representa la evolución de E1p y S1 p.
La figura 4 muestra un diagrama de bloques que representa el procedimiento de cálculo de E1 p (energía 1 p).
La figura 5 muestra un gráfico que representa la evolución de los parámetros de control de paso de acuerdo con el viento, donde la zona de pérdida aerodinámica y la zona de funcionamiento normal pueden observarse a cada lado de la línea discontinua.
La figura 6 muestra un gráfico que representa la evolución de los parámetros de control de paso de acuerdo con el viento, donde la curva central representa la evolución de los valores umbral.
Realizaciones preferidas de la invención
A la vista de las figuras, a continuación, se presenta una realización preferida del objeto de esta invención.
La presente idea permite que la turbina eólica continúe funcionando en situaciones en las que el rotor tiene una anomalía aerodinámica o de masa usando el método descrito en el presente documento e ilustrado en la figura 2c:
• Una primera fase que implica la detección y diagnóstico de la variación de las propiedades físicas de las palas con respecto a las propiedades de diseño (distinguiendo si esta variación está equilibrada entre las palas, normalmente tres palas).
• Una segunda fase, basada en la variación anteriormente determinada, en la que se modifican los parámetros de control de turbina eólica.
Un tipo de variación en las propiedades físicas de las palas actualmente conocidas es la variación aerodinámica y/o de masa asociada con la deposición de hielo o suciedad en las palas, cuyo efecto, entre otros, es la modificación de las curvas Cp (A, p) que definen los coeficientes de potencia de las palas para cada punto de trabajo (A se define como el coeficiente entre la velocidad lineal de la punta de la pala y la velocidad del viento y p corresponde al ángulo de paso de la pala).
La figura 1 muestra las curvas de potencia típicas de un turbina eólica para diferentes ángulos de paso de pala, que determinan la potencia captada por el rotor de turbina eólica dependiendo de la velocidad de rotación y el área barrida, como se indica en la siguiente fórmula:
Figure imgf000004_0001
Dicha figura 1 también muestra una curva estática que sigue el ángulo de paso de pala controlado por el controlador de turbina eólica durante el funcionamiento normal según el estado de la técnica: en general, se selecciona la posición de 0° para funcionar cerca de Cp máximo en la zona de velocidad de turbina eólica variable; una vez que se alcanza la potencia nominal, el controlador aumenta el punto de ajuste del ángulo de paso de la pala para controlar la velocidad de rotación del rotor a aproximadamente la velocidad de rotación nominal (wref). Las curvas Cp (A, p) son muy sensibles a los cambios en la forma de perfil, que se producen cuando hay hielo o suciedad en las palas. Se puede depositar hielo en las palas de manera equilibrada, es decir, de la misma manera y cantidad en todas las palas cuando la turbina eólica está girando, o de una manera desequilibrada, es decir, de una manera y cantidad diferentes entre al menos dos palas de turbina eólica, lo que habitualmente se produce cuando la turbina eólica se detiene o cuando se cae hielo de una de las palas.
Una modificación desequilibrada (o no equilibrada) de la forma o masa de los perfiles de pala provoca la aparición de valores armónicos 1p (a la frecuencia de rotación del rotor) en ciertos datos representativos del estado de la turbina eólica, tales como la velocidad de rotación del rotor de la turbina eólica, el par de torsión y las cargas que son mayores que los valores obtenidos durante el funcionamiento sin desequilibrio del rotor. Esto puede ser perjudicial para la turbina eólica ya que empeora el rendimiento de fatiga de la misma, debido a lo cual una vez que se supera un cierto nivel de energía en el armónico 1p, es decir, una vez que se detecta un desequilibrio en las palas, un controlador según el estado de la técnica detendrá la turbina eólica, provocando la falta de disponibilidad de la misma y una disminución de la energía producida.
Alternativamente a la detección de un valor de energía 1p mayor que un valor umbral, puede llevarse a cabo una inspección óptica por medio de sensores que captan la forma de los perfiles de pala para detectar el desequilibrio del rotor.
Para distinguir la existencia de una variación desequilibrada en la geometría de los perfiles de pala de turbina eólica y limitar la falta de disponibilidad de la turbina eólica, según el método propuesto en la presente invención, se llevan a cabo las siguientes etapas, como se muestra en las figuras 2c, 3 y 4:
• Al menos un parámetro representativo del estado operativo de turbina eólica, que puede ser, por ejemplo, la velocidad de rotación de la turbina (wmed) se determina por medio de una serie de sensores, aunque también puede ser un parámetro relacionado con el par de torsión, las cargas de la turbina eólica o cualquier variable eléctrica.
• Se calcula una primera señal indicativa de una variación desequilibrada en el perfil aerodinámico de las palas, por ejemplo, una señal indicativa de la energía del armónico 1p obtenida de dicho parámetro relacionado con el funcionamiento de la turbina eólica.
• El signo indicativo de la energía del armónico 1p se compara con un primer valor umbral (Lim1_1 E1p), que en una realización preferida será menor que el valor umbral para el que se diseñó la turbina eólica.
• Si el signo indicativo de la energía del armónico 1p es mayor que el primer valor umbral (Lim1_E1p), se modifica el controlador de par de torsión y/o el controlador de paso, conmutando la señal desde el controlador correspondiente para su paso a través de un filtro a una frecuencia de 1p, es decir, activando un primer y/o segundo filtro (F2(1p), F1(1p)) a una frecuencia de 1p, lo que evita que los controladores de par de torsión y de paso funcionen a esa frecuencia (S1p=1). Esto evita que las acciones de control amplifiquen el nivel de vibraciones y cargas a esa frecuencia (indicada por el nivel de energía 1p) y el signo indicativo de la energía 1p disminuye por debajo de valores críticos.
Adicionalmente, según la invención, la primera señal indicativa del armónico 1p (E1p) se compara con un segundo valor umbral (Lim2_E1p) mayor que el primer valor umbral (Lim1_E1p), por encima del cual se desconecta el generador eólico.
Para evitar que el bucle de control de paso tal como el mostrado en la figura 2a o el bucle de control de par de torsión mostrado en la figura 2b conmuten constantemente entre la rama en la que se aplica un filtro y la rama en la que no se aplica un filtro, es decir, para evitar que el primer filtro F2(1 p) se active y se desactive constantemente, la señal indicativa del armónico 1 p (E1 p) se compara con un tercer valor umbral (Lim3_E1 p) menor que el primer valor umbral (Lim1_E1p) y cuando la señal indicativa del armónico 1p (E1p) vuelve a valores inferiores al tercer valor umbral, la señal del controlador vuelve conmutar para evitar que pase a través del filtro a una frecuencia de 1p (S1p = 0).
Si estos filtros (F1(1p) y F2(1P)) se activan durante el funcionamiento normal, las características dinámicas de los controladores se modificarán y ya no serán óptimas para el control de la turbina eólica. Sin embargo, dado que sólo se activan cuando se detecta una anomalía desequilibrada en el rotor (cuando el nivel de energía 1p es mayor que el primer valor umbral), los controladores no pierden su eficacia durante el funcionamiento normal y no se activan, amplificando el nivel de carga a una frecuencia de 1 p.
La modificación equilibrada de la aerodinámica de los perfiles de pala y, por lo tanto, de las curvas Cp (A, p), puede hacer que la pala entre en una condición de pérdida (delimitada por la curva definida por la línea discontinua que cruza puntos (p1, p2, p3) de la figura 5 y la curva central de la figura 6), en donde un aumento en la velocidad del viento implica una reducción en la potencia captada.
En esta situación, un control de turbina eólica según el estado de la técnica tenderá a pasar hacia ángulos de ataque más pequeños para aumentar la potencia a la zona nominal, lo que aumenta las cargas en la pala. En esta situación, las palas entran en una zona aerodinámica no prevista en un control según el estado de la técnica y están más expuestas al viento, de tal manera que en caso de caída de hielo o ráfagas de viento, puede dar lugar a altas cargas que pueden dañar los componentes de la turbina eólica tales como las palas o el buje.
Por lo tanto, el método de control propuesto comprende la etapa de comparar una segunda señal con un cuarto valor umbral, donde dicha segunda señal es una señal de paso de pala actual y dicho cuarto valor umbral (P_umbral) es un valor de paso de pala mayor que el del paso de pala que entra en una condición de pérdida (P_lim_pérdida), para determinar variaciones equilibradas en el perfil aerodinámico de al menos una pala de turbina eólica.
Para este fin, en una realización preferida se llevan a cabo las siguientes etapas:
• Se toma una señal indicativa de la velocidad del viento (que normalmente será una señal filtrada de la medición realizada por el anemómetro).
• Se compara la medida del ángulo de paso de pala con un cierto umbral de paso de pala (fi_umbral) que corresponde a un valor de paso de pala mayor o igual que el de una pala que entra en una condición de pérdida a la velocidad del viento indicada por la señal indicativa del viento (alternativamente, se puede realizar una comparación entre la potencia generada y la correspondiente a ese nivel de viento). Preferentemente, el valor de paso umbral es mayor que aquél al entrar en una condición de pérdida (I3_lim_pérdida) e inferior al valor durante el funcionamiento normal (j3_normal).
• Si la medida de paso de pala es menor que el valor umbral, se modifica el controlador de paso, estableciendo un nuevo valor de paso mínimo ¡3_min_mod. Preferentemente, el valor de paso mínimo modificado P_min_mod es mayor que el valor de paso de pérdida umbral ¡3_lim_pérdida (en el estado de la técnica, el paso umbral mínimo ¡3min_ET está predeterminado y es independiente de la velocidad del viento; generalmente igual a cero o al ángulo de producción máxima).
El efecto técnico de esta característica del método de control propuesto cuando la anomalía existente en las palas está equilibrada es evitar que el ángulo de paso sea muy pequeño (aproximadamente igual a cero o al ángulo de producción máxima) como consecuencia de la modificación de las características aerodinámicas de las palas que hacen que los perfiles entren en una condición de pérdida. Cuando esto ocurre, un controlador según el estado de la técnica tenderá a disminuir el ángulo de paso de pala para intentar corregir la pérdida de potencia asociada con la pérdida aerodinámica, aunque aumente la velocidad del viento. Esto conduce a un aumento en las cargas de turbina eólica. Para evitar esto, un controlador según el estado de la técnica, tras detectar la anomalía en las palas, desconecta la turbina eólica, provocando una reducción en la disponibilidad de la máquina y en la energía producida.

Claims (11)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Un método para controlar una turbina eólica que comprende una serie de palas, comprendiendo dicho método las siguientes etapas:
    - determinar, por medio de una serie de sensores, al menos un parámetro representativo del estado operativo de turbina eólica;
    - calcular una primera señal sensible a variaciones desequilibradas en el perfil aerodinámico entre las palas basándose en el al menos un parámetro representativo del estado operativo de turbina eólica, siendo la primera señal un resultado de un cálculo de un armónico 1p a la frecuencia de rotación de un rotor de la turbina eólica basándose en el al menos un parámetro representativo del estado operativo de turbina eólica
    - comparar dicha primera señal con un primer valor umbral;
    - determinar la existencia de una variación desequilibrada en el perfil aerodinámico entre las palas si la primera señal supera el primer valor umbral;
    - modificar al menos un bucle de control de par de torsión si la existencia de una variación desequilibrada en el perfil aerodinámico de las palas se determina en la etapa anterior; y
    - comparar la primera señal con un segundo valor umbral, donde dicho segundo valor umbral es un valor a partir del cual se desconecta la turbina eólica, siendo dicho segundo valor umbral mayor que el primer valor umbral.
  2. 2. Método, según la reivindicación 1, caracterizado porque el parámetro representativo del estado operativo de turbina eólica se selecciona de: velocidad, par de torsión, cargas de turbina eólica y variables eléctricas.
  3. 3. Método, según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque modificar al menos un bucle de control de par de torsión comprende activar un primer filtro a una frecuencia de 1p en el bucle de control de par de torsión.
  4. 4. Método, según la reivindicación 3, que comprende además modificar un bucle de control de paso de pala incluyendo un segundo filtro a una frecuencia de 1p en el bucle de control de paso de pala mencionado anteriormente.
  5. 5. Método, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende además comparar la primera señal con un tercer valor umbral, donde dicho tercer valor umbral es un valor menor que el primer valor umbral, y desactivar el primer filtro a una frecuencia de 1p en el bucle de control de par de torsión si la primera señal es menor que el tercer valor umbral y se activa el primer filtro.
  6. 6. Método, según la reivindicación 1, que comprende además la etapa de comparar una segunda señal con un cuarto valor umbral, donde dicha segunda señal es una señal de paso de pala actual y dicho cuarto valor umbral es un valor de paso de pala mayor que el de una pala que entra en una condición de pérdida.
  7. 7. Método, según la reivindicación 6, que comprende además modificar el bucle de paso de control de pala cuando el valor de la segunda señal es menor que el valor del cuarto valor umbral.
  8. 8. Método, según la reivindicación 7, caracterizado porque modificar el bucle de control de paso de pala comprende modificar temporalmente el umbral de ángulo de paso de pala mínimo e igualarlo a un valor mayor o igual que el del cuarto valor umbral.
  9. 9. Método, según la reivindicación 8, caracterizado porque el cuarto valor umbral es constante y está predeterminado.
  10. 10. Método, según la reivindicación 8, caracterizado porque el cuarto valor umbral depende de la velocidad del viento.
  11. 11. Método, según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10, caracterizado porque comprende adicionalmente comparar la segunda señal con un quinto valor umbral, donde dicho quinto valor umbral es un valor a partir del cual se desconecta el generador eólico, siendo dicho quinto valor umbral mayor que el cuarto valor umbral.
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