ES2948868T3 - Sistema de detección de carga de pala para una turbina eólica - Google Patents
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Abstract
Un sistema sensor para una turbina eólica, que comprende: un sensor de carga de pala; un sensor de temperatura de la pala configurado para proporcionar una medición de temperatura de una pala asociada; un módulo de cálculo de carga configurado para generar un valor de carga de la pala con temperatura corregida; y una unidad de procesamiento interconectada con el sensor de temperatura. La unidad de procesamiento incluye un estimador de temperatura configurado para determinar una temperatura estimada de la pala de la turbina eólica basándose en al menos un parámetro de la turbina eólica; y un comparador configurado para generar una señal de falla basada en una comparación entre la medición de la temperatura de la pala y la temperatura estimada de la pala. La invención también reside en un método correspondiente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema de detección de carga de pala para una turbina eólica
Campo técnico
La invención se refiere a un sistema y a un método para determinar la carga sobre una pala de turbina eólica.
Antecedentes
Las palas de una turbina eólica experimentan cargas durante el funcionamiento debido a fuerzas aerodinámicas, gravitacionales e inerciales. Cargas excesivas pueden dañar las palas y también otros componentes de la turbina eólica, tal como el tren de accionamiento de generador, por ejemplo, y, por lo tanto, es importante garantizar que las cargas experimentadas por las palas permanezcan dentro de límites aceptables. Con el fin de monitorizar esto, las turbinas eólicas modernas generalmente están dotadas de un sistema de sensores de carga de pala. Un sistema de este tipo incluye normalmente un sensor de carga proporcionado en cada pala para medir la carga experimentada por esa pala. Los sensores de carga generalmente se proporcionan en forma de una galga extensiométrica y más particularmente como una galga extensiométrica óptica, por ejemplo, similar a la descrita en el documento EP1230531.
Todas las galgas extensiométricas son fundamentalmente sensibles a la temperatura debido a la expansión térmica del objeto medido (es decir, la pala) que se detecta como deformación por la galga, o debido a efectos de temperatura directos sobre el propio paquete de sensores. Para proporcionar esto, se conocen paquetes de sensores de carga de pala que incluyen un sensor de temperatura de modo que la señal de carga puede compensarse con respecto a los efectos de temperatura usando datos del sensor de temperatura.
El artículo “Fibre Optic Blade Monitoring for Optimization of Offshore Wind Farm O&M” por T W Verbruggen et al. describe el desarrollo de un sistema de monitorización de pala de fibra óptica. El sistema de monitorización de pala incluye cuatro sensores de deformación y temperatura por pala. El sistema de monitorización de pala genera valores de carga corregidos portemperatura para cada sensor de deformación y temperatura basándose en los valores locales de deformación y temperatura medidos por el sensor de deformación y temperatura.
Sin embargo, si los sensores de temperatura funcionan mal, la precisión de los valores de carga medidos se verá afectada negativamente. Por lo tanto, es deseable proporcionar un sistema de sensores de carga de pala que proporcione mediciones de carga fiables incluso si los sensores de temperatura están funcionando mal.
Sumario de la invención
En este contexto, la invención proporciona, en un primer aspecto, un sistema de sensores para una turbina eólica, que comprende: un sensor de carga de pala; un sensor de temperatura de pala configurado para proporcionar una medición de temperatura de una pala asociada; un módulo de cálculo de carga configurado para emitir un valor de carga de pala de corregido por temperatura; y una unidad de procesamiento interconectada con el sensor de temperatura. La unidad de procesamiento incluye un estimador de temperatura configurado para determinar una temperatura estimada de la pala de turbina eólica basándose en al menos un parámetro de turbina eólica; y un comparador configurado para generar una señal de fallo basándose en una comparación entre la medición de temperatura de pala y la temperatura de pala estimada.
La invención también se extiende a, y por lo tanto abarca, un método para evaluar un sistema de sensores para una turbina eólica, que comprende determinar una medición de temperatura de una pala de turbina eólica; determinar una temperatura estimada de la pala de turbina eólica basándose en al menos un parámetro de turbina eólica; determinar una medición de carga de corregida por temperatura de una pala de turbina eólica; y, generar una señal de fallo basada en una comparación entre la medición de temperatura de pala y la temperatura de pala estimada.
Beneficiosamente, realizaciones de la invención proporcionan la capacidad de determinar si la medición de temperatura de un sistema de sensores, particularmente en un sistema de sensores de carga de pala en una turbina eólica, puede estar indicando una lectura inexacta. Esto puede conducir a un diagnóstico de que un sensor de temperatura puede ser defectuoso, en cuyo caso puede programarse un procedimiento de mantenimiento, pero también puede significar que pueden tomarse medidas para sustituirse por un valor de temperatura que tenga un factor de confianza más alto. Tal 'temperatura estimada' puede ser un enfoque simple basado en modelo en el que la temperatura estimada se toma para ser la misma que otro parámetro de turbina eólica, tal como una o más de: la temperatura de aire ambiente; la temperatura dentro de otro componente o región de la turbina eólica remota con respecto al sensor de temperatura; la lectura de temperatura de otro sensor de temperatura dentro de la misma pala o incluso otra pala; o también una lectura de temperatura de otra turbina eólica.
Según la invención, se adopta un enfoque de modelado más sofisticado en el que el estimador de temperatura realiza un modelado de la temperatura de la pala en las proximidades del sensor de temperatura basándose en la energía térmica neta transferida al interior de la pala.
Todavía según la invención, el comparador está configurado para generar una señal de fallo en circunstancias en las que la diferencia entre la medición de temperatura de pala y la temperatura de pala estimada excede un umbral predeterminado. En otras realizaciones, el comparador puede configurarse para generar una señal de fallo basándose en la salida de una técnica estadística para evaluar la diferencia entre la medición de temperatura de pala y la temperatura de pala estimada.
En una realización, el sistema incluye una pluralidad de sensores de temperatura de pala, cada uno de los cuales está configurado para proporcionar una medición de temperatura de pala respectiva. En tal caso, el comparador puede configurarse para comparar cada medición de temperatura de pala con una temperatura de pala estimada respectiva, y en el que una señal de fallo respectiva generada por el comparador se basa en estas comparaciones. De esta manera, el comparador puede aislar uno de los sensores de temperatura de pala como defectuoso realizando una comparación de mediciones de temperatura de pala.
Además de aislar un fallo a un sensor específico, o al propio estimador de temperatura, la unidad de procesamiento puede configurarse para determinar una medición de temperatura corregida con respecto a al menos un sensor de temperatura en circunstancias en las que se genera una señal de fallo, que puede basarse en la temperatura estimada asociada determinada por el estimador de temperatura. Por consiguiente, puede calcularse un valor de carga basándose en esta medición de temperatura corregida.
En otro aspecto, la invención también puede expresarse como un producto de programa informático descargable desde una red de comunicación y/o almacenado en un medio legible por máquina, que comprende instrucciones de código de programa para implementar el método como se discutió anteriormente, y también como un medio legible por máquina que tiene almacenado en el mismo un producto de programa informático de este tipo.
Breve descripción de los dibujos
Ahora se describirán una o más realizaciones de la invención, solo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 es una vista frontal de una turbina eólica;
la figura 2 es un sistema de sensores de carga de pala según una realización de la invención;
la figura 3 es un diagrama de bloques que muestra las características del sistema con más detalle; y
la figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra las etapas de un método que puede realizar el sistema de la figura 3.
Descripción detallada
Con referencia a la figura 1, se muestra una turbina eólica 10 que comprende una góndola 12 montada en la parte superior de una torre 14 que está fijada en sí misma en una cimentación 16 de la manera habitual. La góndola 12 aloja diversos componentes de generación de energía de la turbina eólica 10 y soporta un rotor que comprende un buje 18 y tres palas 2o. La instalación de turbina eólica mostrada en la figura 1 es una instalación de turbina eólica de eje horizontal (HAWT) que es un tipo común de sistema, aunque existen otros tipos a los que también es aplicable la invención. Como se sabe, el flujo de viento que actúa sobre las palas 20 hace girar el rotor que acciona los equipos de generación de energía alojados en la góndola 12.
Como se discutió anteriormente, durante el funcionamiento de la turbina eólica 10, las palas 20 experimentan cargas debidas a fuerzas aerodinámicas, gravitacionales e inerciales. Con el fin de monitorizar estas cargas, la turbina eólica 10 está dotada de un sistema de sensores de carga de pala según una realización de la invención, características de los cuales se describirán ahora con referencia a la figura 2.
Debe indicarse en esta etapa que las figuras adjuntas son esquemáticas y se han simplificado con fines de claridad y para evitar detalles innecesarios que obstruyan la forma principal de la invención. En la práctica, por supuesto, la turbina eólica 10 incluiría muchos más componentes. El experto apreciará que componentes convencionales adicionales estarían presentes en una implementación práctica de una turbina eólica, y, por lo tanto, su presencia está implícita.
En la figura 2, se muestra que la pala 20 tiene un perfil aerodinámico 22 proporcionado por una cubierta exterior 24 que define un interior sustancialmente hueco 26. El perfil aerodinámico 22 de la pala 20 se combina para dar una sección sustancialmente cilíndrica en su extremo de raíz 28 donde la pala 20 está acoplada al buje 18.
La pala 20 incluye un paquete de sensores de carga 30a ubicado cerca del extremo de raíz 28 de la pala 20. El paquete de sensores de carga 30a comprende un sensor de carga 32a y un sensor de temperatura 34a. El sensor de temperatura 34a está configurado para medir la temperatura de la pala 20 en las proximidades del sensor de carga
32a para permitir que la señal de salida de sensor de carga se compense con respecto a los efectos de temperatura usando datos del sensor de temperatura 34a. El paquete de sensores de carga 30a puede estar unido a la superficie interior de la pala 20 o, alternativamente, el paquete de sensores 30a puede estar incorporado dentro de la estructura de la cubierta 24 o unido a la superficie exterior. Aunque en la realización ilustrada, el sensor de carga 32a y el sensor de temperatura 34a son un paquete integrado, también se prevé que los sensores de carga y temperatura puedan separarse físicamente entre sí.
El paquete de sensores de carga 30a está conectado a un bus de datos 36 para que cualquier subsistema conectado a ese bus de datos 36 pueda captar las señales de salida del paquete de sensores de carga 30a. Uno de tales subsistemas es una unidad de procesamiento 38. El papel de la unidad de procesamiento 38 es captar la señal de medición de temperatura proporcionada por el sensor de temperatura 34a del paquete de sensores de carga 30a del bus de datos 36 y emitir una señal de temperatura verificada o corregida o, por supuesto, señal de carga. Al hacerlo, la unidad de procesamiento 38 puede hacerse funcionar para realizar diagnósticos sobre los paquetes de sensores con el fin de identificar uno o más sensores de temperatura defectuosos, y para tomar medidas para garantizar que las señales de sensor de temperatura y/o de sensor de carga resultantes sean precisas, como se explicará. La unidad de procesamiento 38 emite la señal de temperatura verificada o corregida y la señal de carga al bus de datos 36 para que esté disponible para cualquier subsistema conectado de la turbina eólica 10. La unidad de procesamiento 38 puede configurarse alternativamente para emitir la señal de temperatura verificada o corregida y la señal de carga directamente a cualquier subsistema relevante.
En este punto debe mencionarse que solo se muestra una única pala 20 en la figura 2, pero que en la práctica, la unidad de procesamiento 38 recibirá entrada de datos de otros paquetes de sensores de carga montados en las otras palas 20. En la figura 2, por lo tanto, paquetes de sensor de carga adicionales se etiquetan con 30b y 30c sin sus respectivas palas, y también están conectados al bus de datos 36. Los paquetes de sensores de carga adicionales 30b, 30c, por supuesto, incluyen sensores de carga asociados 32b, 32c y sensores de temperatura 34b, 34c. A continuación en el presente documento, en general se harán referencias a un paquete de sensores de carga, y a su respectivo sensor de temperatura y sensor de carga, usando el número de referencia 30, mientras que las referencias a los específicos de los tres paquetes de sensores de carga usarán las referencias específicas 30a, 30b y 30c.
En este punto, debe mencionarse que en la figura 2 una sola unidad de procesamiento 38 es común a todos los paquetes de sensores de carga 30, pero, alternativamente, podría proporcionarse una unidad de procesamiento dedicada para cada uno de los paquetes 30. Además, aunque solo se muestra un único paquete de sensores de carga 30 con respecto a cada pala 20, debe apreciarse que puede integrarse más de un paquete de sensores de carga 30 en cada pala, dependiendo de la aplicación.
Como se ha mencionado anteriormente, la unidad de procesamiento 38 está interconectada con el paquete de sensores de carga 30 para recibir la señal de medición de temperatura sin procesar del sensor de temperatura 34 y está configurada para realizar una función de verificación o corrección de modo que sea fiable la señal de temperatura que se emite desde la unidad de procesamiento 38. Al hacerlo, la unidad de procesamiento 38 está dispuesta para monitorizar (es decir, recibir señales de datos relacionadas con) uno o más parámetros de turbina eólica. El uno o más parámetros de turbina eólica pueden incluir, pero no están restringidos a: la temperatura de góndola y la temperatura ambiente. Para este propósito, la turbina eólica 10 está dotada de diversos sensores que proporcionan señales de datos a la unidad de procesamiento 38. El experto apreciará que los sensores pueden proporcionar señales a la unidad de procesamiento 38 a través de una conexión por cable o inalámbrica, según sea apropiado.
Como puede verse en la figura 2, la góndola 12 incluye un sensor de temperatura interior 40 para medir la temperatura dentro de la góndola 12. El sensor de temperatura interior 40 puede ser parte de un sistema de control de temperatura de góndola que mantiene la temperatura dentro de la góndola 12 dentro de límites de funcionamiento aceptables para evitar que se sobrecalienten los equipos de generación de energía dentro de la góndola 12.
La góndola 12 también incluye un sensor de temperatura ambiente 42 para medir la temperatura de aire ambiente en las proximidades de la turbina eólica 10. En la figura 2, el sensor de temperatura ambiente 42 se muestra como parte de un sistema meteorológico (o 'torre meteorológica') montado en la góndola, pero el sensor de temperatura ambiente 42 puede proporcionarse simplemente como un paquete de detección de temperatura montado en cualquier componente adecuado de la turbina eólica 10 o proporcionarse de manera remota desde la turbina eólica 10. Alternativamente, se prevé que la unidad de procesamiento 38 puede recibir información relacionada con la temperatura de aire ambiente desde una fuente de información meteorológica externa a la que puede accederse, por ejemplo, a través de una conexión inalámbrica convencional.
Habiendo descrito la disposición general de los componentes del sistema de sensores de carga de pala, ahora se describirán detalles adicionales de una realización de la invención con referencia a la figura 3.
Como se ha mencionado, el papel de la unidad de procesamiento 38 es emitir señales de carga de pala en el bus de datos 36 que son aceptablemente precisas para usarse para diversas aplicaciones ejecutadas por los otros subsistemas de la turbina eólica. Por ejemplo, pueden ejecutarse aplicaciones que funcionan para reducir la carga de pala, y, por lo tanto, se basan en señales de carga de pala que son un reflejo preciso de la carga real sobre la pala.
Dado que la temperatura de los paquetes de sensores de carga 30 puede afectar a las señales de carga de salida, la unidad de procesamiento 38 puede hacerse funcionar para compensar las señales de sensor de carga para tener en cuenta la temperatura predominante medida por el sensor de temperatura asociado. Sin embargo, es posible que el sensor de temperatura falle, o puede desviarse, de modo que la señal de sensor de carga no se compense correctamente, lo que significará que las funciones aguas abajo que dependen de señales de sensor de carga precisas también se verán afectadas negativamente. En esta realización, por lo tanto, la unidad de procesamiento 38 está dotada de una funcionalidad que monitoriza la salida de los sensores de temperatura de los paquetes de sensores de carga y actúa para diagnosticar si alguno de esos sensores está emitiendo señales defectuosas. Pueden tomarse diversas acciones si se reconoce que un sensor de temperatura es defectuoso. Por ejemplo, las lecturas de sensor de carga asociadas con el sensor de temperatura defectuoso pueden ignorarse o, alternativamente, puede usarse un valor de temperatura de sustitución en el avance de la medición de temperatura del sensor defectuoso.
En resumen, la unidad de procesamiento 38 comprende un estimador de temperatura o 'módulo de estimación de temperatura' 44, un comparador 46, un módulo de salida de temperatura 48, y un módulo de cálculo de carga 49, como se representan como bloques funcionales en la figura 3. Aunque no se ilustra específicamente en la figura 3, debe apreciarse que la unidad de procesamiento 38 también incluye un área de memoria en la que se almacena un software adecuado y un entorno de ejecución para ejecutar el softWare de control. Debe indicarse en esta etapa que los bloques funcionales ilustran una funcionalidad específica de la unidad de procesamiento 38 y, como tal, pueden implementarse en hardware, software o firmware, o bien dentro del mismo entorno de procesamiento o bien en una arquitectura de procesamiento distribuida. Es decir, la arquitectura funcional ilustrada en la figura 3 no se pretende que limite la invención a una arquitectura de hardware o software, plataforma o entorno de procesamiento específicos. La arquitectura de sistema analizada en el presente documento se usa simplemente como un ejemplo para ilustrar la funcionalidad técnica de la invención y la invención puede implementarse mediante un sistema que tiene una arquitectura específica diferente.
El módulo de cálculo de carga 49 es responsable de determinar un valor para la carga de pala para cada una de las palas de la turbina eólica basándose en mediciones de los respectivos sensores de carga de pala 32a-c y los respectivos valores de temperatura que recibe del módulo de salida de temperatura 48. Sin embargo, en particular, los valores de temperatura que se reciben del módulo de salida de temperatura 48 se validan porque se garantiza que son una indicación aceptablemente precisa de la temperatura real dentro de la pala respectiva. Juntos, el módulo de estimación de temperatura 44, el comparador 46 y el módulo de salida de temperatura 48 proporcionan esta funcionalidad, como se explicará ahora.
El módulo de estimación de temperatura 44 se muestra en la figura 3 recibiendo señales de entrada de datos de uno o más sensores 50. Como se ilustra en la figura 2, estas señales de entrada de datos pueden corresponder a la temperatura ambiente y la temperatura de góndola.
El papel del módulo de estimación de temperatura 44 es emitir una temperatura estimada de cada pala 20 (en las proximidades del paquete de sensores de carga 30) basándose en las señales de entrada. Para emitir una temperatura de pala estimada, el módulo de estimación de temperatura 44 implementa un modelo de temperatura de pala. Al hacerlo, el módulo de estimación de temperatura 44 supone que la temperatura de cada pala es la misma. Por lo tanto, la siguiente descripción se refiere a una única temperatura de pala estimada.
El comparador 46 recibe señales de entrada de datos desde el módulo de estimación de temperatura 44, es decir, la temperatura de pala estimada, y también las temperaturas de pala medidas de los sensores de temperatura 34a-c. Obsérvese que, para mayor claridad, los datos de temperatura se muestran en la figura 3 como entrada directa desde los sensores 34a-c, pero los mismos datos también podrían introducirse en el comparador 46 desde el bus de datos 36. El papel del comparador 46 es identificar si cualquiera de las señales de temperatura de pala de los sensores 34ac no son válidas y, si es así, generar una señal de fallo basándose al menos en parte en una comparación de las tres señales de temperatura de pala medidas y la temperatura de pala estimada. Como se describirá con más detalle, la señal de fallo indica cuándo hay un fallo con respecto a uno o más de los sensores de temperatura 34.
Basándose en la indicación de la señal de fallo, el papel del módulo de salida de temperatura 48 es proporcionar una señal de temperatura verificada o corregida para cada pala 20. Las señales de temperatura de pala verificadas o corregidas se determinan basándose en las mediciones de los sensores de temperatura de pala 34 y/o la temperatura de pala estimada, como se explicará con más detalle. Por lo tanto, el sistema de sensores de carga de pala descrito anteriormente permite señales de temperatura de pala fiables y, además, señales de carga de pala, que van a generarse para cada pala 20 de la turbina eólica 10.
La funcionalidad realizada por el sistema de sensores de carga de pala que se muestra en la figura 3 se describirá ahora con más detalle con referencia a la figura 4.
Como se muestra en la figura 4, en la etapa 100, los parámetros de turbina eólica, tales como la temperatura ambiente y la temperatura de góndola, se miden por los sensores relevantes 50. En la etapa 102, el estimador de temperatura 44 recibe las salidas de sensor relevantes e implementa un modelo de temperatura de pala, como se mencionó anteriormente. El estimador de temperatura 44 emite entonces una temperatura de pala estimada en la etapa 104.
Mientras tanto, en la etapa 106, las temperaturas de las palas 20 se miden mediante los sensores de temperatura 34 montados en las palas 20.
En la etapa 108, el comparador 46 recibe señales desde el estimador de temperatura 44 y los sensores de temperatura de pala 34 y compara cada medición de temperatura de pala con la temperatura de pala estimada. En la etapa 110, el comparador genera una señal de fallo basándose en estas comparaciones.
Según diferentes realizaciones de la invención, el comparador 46 puede configurarse para realizar diversos procesos con el fin de realizar esta comparación. Ahora se describirán algunos ejemplos de procesos de comparación que pueden realizarse.
En una realización simple del comparador 46, se realizan tres comparaciones bilaterales basándose en la temperatura de pala estimada: una para cada temperatura de pala medida. Basándose en estas comparaciones, el comparador determina que un sensor de temperatura 34 tiene un fallo si la diferencia entre la temperatura medida por ese sensor 34 y la temperatura de pala estimada excede un valor umbral predeterminado. El comparador genera entonces una señal de fallo, por consiguiente, que indica el estado de fallo binario de cada sensor de temperatura 34.
El proceso de comparación descrito anteriormente es relativamente simple y minimiza ventajosamente la carga de procesamiento sobre el comparador 46. Se prevé, sin embargo, en otras realizaciones, que puede realizarse un análisis más sofisticado de las salidas de sensor de temperatura de pala. Específicamente, el siguiente ejemplo permite que el comparador 46 detecte la presencia de un sensor de temperatura defectuoso, y aísle qué sensor está defectuoso, teniendo en cuenta la posibilidad de que el estimador de temperatura pueda ser defectuoso, como se explicará.
En este ejemplo, el comparador 46 realiza seis comparaciones bilaterales: una entre cada medición de temperatura de pala y la temperatura de pala estimada, como en el ejemplo anterior; y una entre cada par de mediciones de temperatura de pala. Cada una de estas comparaciones da como resultado una señal de diferencia que indica la diferencia en el valor entre las dos señales de temperatura comparadas. El comparador 46 analiza estas señales para generar una señal de fallo apropiada. Por lo tanto, si uno de los sensores de temperatura está defectuoso, su lectura de temperatura diferirá apreciablemente de las lecturas de los otros sensores de temperatura, pero también diferirá apreciablemente de la temperatura estimada del módulo de estimación de temperatura 44. Alternativamente, si el módulo de estimación de temperatura 44 ha desarrollado un fallo, las mediciones de temperatura de los sensores de temperatura tendrán un valor cercano, pero se espera que difieran apreciablemente de la temperatura estimada.
Las señales de diferencia pueden analizarse en comparación con un umbral predeterminado, similar al proceso descrito anteriormente en relación con el ejemplo anterior. Alternativamente, puede emplearse un método estadístico apropiado para aumentar la sensibilidad del sistema sin provocar un aumento en indicaciones erróneas de sensores defectuosos. En este ejemplo, las señales de diferencia se analizan según el principio del modelo de contador ascendente/descendente o 'cubo con escape', aunque otros métodos tales como la suma acumulativa (CUSUM) o la prueba de relación de probabilidad generalizada (GLRT) son igualmente aplicables. Tales técnicas estadísticas son generalmente conocidas en la técnica, por lo que no es necesaria una explicación detallada.
Según el método de contador ascendente/descendente, cada señal de diferencia se comunica a un contador que puede cambiar de estado en la dirección ascendente o descendente bajo el control de una entrada de selector ascendente o descendente. Cuando el valor de la señal de diferencia está por encima de un umbral predeterminado, se considera que la entrada de selector está en el estado ascendente y el contador incrementa su valor. Por el contrario, cuando el valor de la señal de diferencia está por debajo de un umbral predeterminado, se considera que la entrada de selector está en el estado descendente y el contador disminuye su valor. Normalmente, el contador también tiene un valor máximo y mínimo en los que las entradas de selector de estado ascendente y de estado descendente respectivamente no tienen efecto. Por lo tanto, el valor del contador ascendente/descendente aumenta o disminuye dependiendo de la entrada de señal de diferencia. Cuando el valor del contador ascendente/descendente excede un umbral predeterminado, el contador genera una señal de alarma que indica que la comparación asociada con ese contador ha dado como resultado una diferencia significativa.
Los valores apropiados de los diversos umbrales predeterminados se determinan basándose en las características de los sensores y de la sensibilidad requerida de la detección de fallos. Estos valores pueden almacenarse en el área de memoria de la unidad de procesamiento a la que debe acceder el comparador 46 para implementar el análisis de contador ascendente/descendente.
El comparador 46 genera entonces una señal de fallo basándose en las salidas de todos los contadores ascendente/descendente. Si los contadores asociados con las tres comparaciones que implican un determinado sensor de temperatura de pala están generando cada uno una señal de alarma, entonces el comparador 46 determinará que ese sensor tiene fallos y generará una señal de fallo por consiguiente. De manera similar, si los contadores asociados con las tres comparaciones que implican la temperatura de pala estimada están generando una señal de alarma, entonces el comparador determinará que el estimador de temperatura es defectuoso. Por lo tanto, el
comparador puede detectar y aislar un sensor de temperatura defectuoso y generar una señal de fallo en consecuencia.
Volviendo a la figura 4, en la etapa 112, el módulo de salida de temperatura 48 emite señales de temperatura verificadas o corregidas para cada pala 20 basándose en la señal de fallo generada por el comparador 46 y las temperaturas de pala medidas y estimadas. Además, se prevé que los valores de temperatura corregidos puedan enviarse al bus de datos 36 donde pueden usarse por otros subsistemas de la turbina eólica, si es apropiado. Si la señal de fallo indica que un sensor particular 34 está funcionando correctamente, entonces el módulo de salida de temperatura 48 simplemente emite una señal de temperatura para la pala correspondiente 20 que es la misma que la temperatura medida por el sensor de temperatura 34. Por lo tanto, se verifica la salida de los sensores 34. Estas señales de temperatura fiables se envían al módulo de cálculo de carga 49 donde se usan para determinar valores corregidos por temperatura para las cargas experimentadas por las palas 20.
Si la señal de fallo indica que un sensor particular 34 está defectuoso, a continuación, el módulo de salida de temperatura 48 proporciona una señal de temperatura corregida para la pala 20 correspondiente. En una realización de la invención, la señal de temperatura corregida es la temperatura de pala estimada. En otras realizaciones, la temperatura corregida puede ser el valor promedio de los sensores de temperatura de pala en funcionamiento.
Cualquiera que sea la salida proporcionada, puede considerarse que el módulo de cálculo de carga 49 recibe un valor de temperatura correcto o verificado para calcular una señal de carga compensada con respecto a temperatura para cada pala 20 de la turbina eólica. En la figura 4, el módulo de cálculo de carga 49 calcula los valores de carga respectivos en la etapa 114. El proceso en el que el módulo de cálculo de carga 49 calcula la señal de carga compensada con respecto a temperatura basándose en la señal de carga sin procesar del sensor de carga 32 y la señal de temperatura del módulo de salida de temperatura 48 es una técnica que se conocerá bien por el experto en la técnica, por ejemplo, basándose en curvas características de sensor, y, por lo tanto, no se describirá en detalle en el presente documento.
En las realizaciones anteriores, la determinación de si uno de los sensores de temperatura de pala es defectuoso se basa, al menos en parte, en la salida del módulo de estimación de temperatura 44. Al determinar una temperatura de pala estimada, el módulo de estimación de temperatura 44 puede implementar diversas formas de modelo de temperatura dependiendo de la precisión de la estimación de temperatura que se requiera. Ahora se describirán algunos ejemplos a modo de ilustración.
Según una realización de la invención, el módulo de estimación de temperatura 44 relaciona la temperatura estimada directamente con la temperatura ambiente asumiendo que la temperatura de pala es igual a la temperatura ambiente en las proximidades de la turbina eólica 10. Por lo tanto, solo hay una señal de entrada de datos al módulo de estimación de temperatura 44, concretamente, datos de temperatura ambiente del sensor de temperatura ambiente 42, de tal manera que la salida del módulo de estimación de temperatura 44 es la misma que la entrada. En una realización de este tipo, no es necesario que el sistema de sensores de carga de pala incluya un sensor de temperatura de góndola 40. Por lo tanto, puede proporcionarse un sistema de sensores de carga de pala simple y relativamente económico.
En otras realizaciones, se prevé que otros parámetros de turbina eólica, es decir, mediciones de temperatura, podrían usarse como la temperatura de pala estimada. Por ejemplo, la medición de temperatura de uno de los otros sensores de temperatura dentro de la misma pala podría usarse como la temperatura estimada, o, de hecho, la medición de temperatura de un sensor montado en una de las otras palas de la turbina eólica, basándose en el entendimiento de que las temperaturas de pala deberían ser aproximadamente las mismas, dado el entorno ambiental común. Además, la medición de temperatura de otra turbina eólica podría usarse para la temperatura estimada.
Las pruebas han mostrado que este modelo de temperatura de pala relativamente simple proporciona buenos resultados en la práctica y la temperatura de pala estimada resultante coincide estrechamente con la temperatura real de las palas 20. Sin embargo, para circunstancias en las que la precisión de los sensores de temperatura de pala 34 es más crucial, se prevé que el módulo de estimación de temperatura 44 implementará un modelo de temperatura de pala más sofisticado para dar una estimación más precisa de la temperatura de las palas 20. Un modelo de este tipo se describe a continuación a modo de ejemplo. Dado que se supone que la temperatura de pala estimada es la misma para cada pala 20 de la turbina eólica 10, la siguiente descripción se referirá a una pala 20; sin embargo, debe apreciarse que la descripción se aplica igualmente a las otras palas 20.
El modelo descrito en el presente documento estima la temperatura en el interior hueco 26 de la pala 20. Esto proporciona una buena estimación de la temperatura de la pala 20 en las proximidades del paquete de sensores de carga 30 para realizaciones en las que el paquete de sensores de carga 30 está unido a la superficie interior de la pala 20. Sin embargo, este modelo también es aplicable a realizaciones en las que el paquete de sensores de carga 30 se proporciona en otra parte en la pala 20 ya que la cavidad 26 y la cubierta 24 de la pala 20 están en buen contacto térmico y de ese modo comparten una temperatura similar.
En esta realización, el modelo de temperatura de pala se construye basándose en el calor neto transferido a la cavidad
de pala 26. Si puede determinarse la transferencia de calor neto, la temperatura de la pala 20 puede calcularse según la relación de calor específica:
donde: Qnet es el calor neto transferido a la cavidad de pala 26; c es la capacidad calorífica del aire a temperatura y presión estándar; m es la masa del aire dentro de la cavidad de pala 26; Tb es la temperatura de la cavidad de pala 26 y Ti es la temperatura inicial de la cavidad de pala 26.
Con el fin de determinar el calor transferido a la cavidad de pala 26, es necesario considerar cómo se transfiere calor a y desde la pala 20. En este modelo, se supone que la pala 20 solo está en contacto térmico con el entorno ambiental y la góndola 12. Generalmente, el calor se transfiere desde la góndola 12 a la pala 20, a través de aberturas en la mampara de pala cerca de la raíz 28 de la pala 20, y desde la pala 20 al entorno a través del material de la cubierta de pala 24.
La ley de enfriamiento de Newton permite que se cuantifique la cantidad de calor transferido a o desde la pala 20. La ley de enfriamiento de Newton establece que:
donde: Q es el calor transferido desde un primer cuerpo a un segundo cuerpo; h es el coeficiente de transferencia de calor; A es el área de superficie de transferencia de calor y Ti y T2 son las temperaturas de los cuerpos primero y segundo respectivamente.
Usando esta relación, e integrando con respecto al tiempo, la cantidad de calor transferido a la cavidad de pala 26 viene dada por:
donde: hn y hb son los coeficientes de transferencia de calor entre la góndola 12 y la pala 20, y la pala 20 y el entorno respectivamente; An es el área combinada de las aberturas en el extremo de raíz 28 de la pala 20 que conducen al buje 18; Ab es el área de superficie del perfil aerodinámico 22 de la pala 20 y Tn, Tb y Ta son las temperaturas de góndola, de pala y ambiente, respectivamente.
Combinando la ecuación anterior con la relación de calor específica e incluyendo factores de evolución temporal, el experto apreciará que la temperatura de la cavidad de pala 26 viene dada por:
Por lo tanto, se proporciona un modelo de temperatura de pala que relaciona la temperatura de la pala 20 en las proximidades del paquete de sensores de carga 30 con la temperatura ambiente (medida por el sensor de temperatura ambiente 42) y la temperatura de góndola (medida por el sensor de temperatura de góndola 40).
El módulo de estimación de temperatura 44 puede implementar el modelo anterior realizando uno o más algoritmos para calcular un valor para la temperatura de pala estimada. Los valores de las constantes relevantes pueden almacenarse en el área de memoria de la unidad de procesamiento 38. Alternativamente, la temperatura de pala estimada puede calcularse para un intervalo de temperaturas ambiente y de góndola por adelantado y almacenarse en el área de memoria de la unidad de procesamiento 38 como un conjunto de datos que correlaciona valores de la temperatura ambiente y de góndola con valores de la temperatura de pala estimada, es decir, una tabla de consulta. A continuación, el módulo de estimación de temperatura 44 puede consultar esta tabla de consulta para determinar la temperatura de pala estimada basándose en las temperaturas ambiente y de góndola medidas en ese momento.
Se apreciará que en otras realizaciones, el módulo de estimación de temperatura puede implementar otros modelos de temperatura de pala. Estos modelos pueden incluir los efectos de cualquier otro factor que afecte a la temperatura de la pala 20, según sea apropiado para la configuración de la turbina eólica 10 y la precisión requerida de la estimación de temperatura. Por ejemplo, un sistema de sensores de pala según una realización de la invención puede instalarse en una pala que incluye un sistema contra la formación de hielo, como se indica por el recuadro en líneas discontinuas en la figura 2, e indicado con la referencia 200. El sistema contra la formación de hielo 200 evita que se forme hielo en las superficies de la cubierta de pala 24 haciendo circular aire caliente alrededor de la cavidad de pala 26 cuando
sea necesario. Se prevé que el módulo de temperatura implemente un modelo de temperatura de pala que tenga en cuenta el efecto del calor transferido a la cavidad de pala 26 por el sistema contra la formación de hielo 200. Para este fin, el sistema contra la formación de hielo 200 puede incluir un indicador de estado que proporciona una señal a la unidad de procesamiento 38 que indica el calor transferido a la cavidad de pala 26 por el sistema contra la formación de hielo 200.
También se prevé que en otras realizaciones de la invención, el modelo de temperatura de pala se construirá empíricamente en su totalidad o en parte. Los datos experimentales necesarios podrían adquirirse de una turbina eólica en funcionamiento in situ o de experimentos controlados realizados en un laboratorio o taller.
Claims (18)
1. Un sistema de sensores para una turbina eólica (10), que comprende:
un sensor de carga de pala (32a);
un sensor de temperatura de pala (34a) configurado para proporcionar una medición de temperatura de una pala asociada; y
un módulo de cálculo de carga (49) configurado para emitir un valor de carga de pala corregido por temperatura; caracterizado por:
una unidad de procesamiento (38) interconectada con el sensor de temperatura y que incluye:
un estimador de temperatura (44) configurado para determinar una temperatura estimada de la pala de turbina eólica basándose en al menos un parámetro de turbina eólica; y
un comparador (46) configurado para generar una señal de fallo basándose en una comparación entre la medición de temperatura de pala y la temperatura de pala estimada,
en el que el estimador de temperatura (44) realiza un modelado de la temperatura de la pala en las proximidades del sensor de temperatura basándose en la energía térmica neta transferida al interior de la pala.
2. El sistema de la reivindicación 1, en el que el estimador de temperatura (44) relaciona la temperatura estimada de la pala en las proximidades del sensor de temperatura (34a) directamente con el al menos un parámetro de turbina eólica.
3. El sistema según la reivindicación 2, en el que el estimador de temperatura (44) relaciona la temperatura estimada de la pala en las proximidades del sensor de temperatura (34a) con una medición de temperatura de un componente o región de la turbina eólica remota con respecto al sensor de temperatura.
4. El sistema según la reivindicación 3, en el que el estimador de temperatura (44) relaciona la temperatura estimada de la pala en las proximidades del sensor de temperatura (34a) con la temperatura del entorno ambiental.
5. El sistema según cualquier reivindicación anterior, en el que el comparador (46) está configurado para generar una señal de fallo en circunstancias en las que la diferencia entre la medición de temperatura de pala y la temperatura de pala estimada excede un umbral predeterminado.
6. El sistema según las reivindicaciones 1 a 4, en el que el comparador (46) está configurado para generar una señal de fallo basándose en la salida de una técnica estadística para evaluar la diferencia entre la medición de temperatura de pala y la temperatura de pala estimada.
7. El sistema según cualquier reivindicación anterior, en el que el sensor de temperatura de pala (34a) forma parte de un paquete de sensores de carga de pala.
8. El sistema según cualquier reivindicación anterior, en el que el sensor de temperatura de pala (34a) está incorporado en un extremo de raíz de la pala de turbina eólica asociada.
9. El sistema según cualquier reivindicación anterior, que incluye una pluralidad de sensores de temperatura de pala (34a, 34b, 34c), cada uno de los cuales está configurado para proporcionar una medición de temperatura de pala respectiva.
10. El sistema según la reivindicación 9, en el que el comparador (46) está configurado para comparar cada medición de temperatura de pala con una temperatura de pala estimada respectiva, y en el que una señal de fallo respectiva generada por el comparador (46) se basa en estas comparaciones.
11. El sistema según la reivindicación 9 o la reivindicación 10, en el que el comparador (46) está configurado para aislar uno de los sensores de temperatura de pala (34a, 34b, 34c) como defectuoso realizando una comparación de mediciones de temperatura de pala.
12. El sistema según cualquier reivindicación anterior, en el que la unidad de procesamiento (38) está configurada para determinar una medición de temperatura corregida con respecto a al menos un sensor de temperatura (34a, 34b, 34c) en circunstancias en las que se genera una señal de fallo.
13. El sistema según la reivindicación 11, en el que la medición de temperatura corregida se basa en la temperatura estimada asociada determinada por el estimador de temperatura (44).
14. El sistema según la reivindicación 12, cuando depende de una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el que la medición de temperatura corregida se basa en las mediciones de temperatura de al menos uno de los otros sensores de temperatura (34a, 34b, 34c).
15. El sistema según las reivindicaciones 12 a 14, en el que la unidad de cálculo de carga (49) está configurada para determinar un valor de carga corregido por temperatura basándose en la medición de temperatura corregida en el caso de que se genere una señal de fallo.
16. Un método para evaluar un sistema de sensores para una turbina eólica (10), comprendiendo el método:
determinar una medición de temperatura de una pala de turbina eólica (20); y
determinar una medición de carga corregida por temperatura de una pala de turbina eólica (20); caracterizado por:
determinar una temperatura estimada de la pala de turbina eólica (20) basándose en al menos un parámetro de turbina eólica;
modelado de la temperatura de la pala en las proximidades del sensor de temperatura basándose en la energía térmica neta transferida al interior de la pala; y
generar una señal de fallo basándose en una comparación entre la medición de temperatura de pala y la temperatura de pala estimada.
17. Un producto de programa informático descargable desde una red de comunicación y/o almacenado en un medio legible por máquina, que comprende instrucciones de código de programa que, cuando el programa se ejecuta por un ordenador, hacen que el ordenador lleve a cabo el método según la reivindicación 16.
18. Un medio legible por máquina que tiene almacenado en el mismo el producto de programa informático según la reivindicación 17.
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