ES2953633T3 - Sistema de control de rotor para reducir vibraciones estructurales de un aerogenerador - Google Patents

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Jesper Sandberg Thomsen
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Abstract

La presente invención se refiere a un sistema de control de rotor para accionar el paso de palas de rotor de paso ajustable con el fin de reducir las vibraciones de un elemento de turbina eólica, por ejemplo, vibraciones de una torre. Se determina una señal de modificación de tono que se basa en una transformación de coordenadas de pala m, tal como la transformación de Coleman. La transformación de coordenadas de m-blade toma como entrada una primera señal y una segunda señal. La segunda señal se determina filtrando la primera señal con un filtro de señal con una respuesta de fase de filtro de desplazamiento de fase en cuadratura. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de control de rotor para reducir vibraciones estructurales de un aerogenerador
Campo de la invención
La presente invención se refiere al control de un aerogenerador para reducir vibraciones estructurales.
Antecedentes de la invención
Los aerogeneradores conocidos en la técnica comprenden una torre de aerogenerador que soporta una góndola y un rotor con un número palas de rotor de paso ajustable.
Un aerogenerador es propenso a vibraciones dado que comprende una gran masa colocada al final de una torre esbelta. Estas vibraciones incluyen el movimiento de la góndola en la dirección lateral, en la dirección de proa a popa, así como en la dirección de torsión de la góndola. Se sabe en la técnica que las vibraciones se pueden amortiguar inclinando activamente las palas y/o ajustando el par del generador para generar fuerzas contrarias para reducir el movimiento de la góndola.
A este respecto, se puede usar un ajuste colectivo del paso de pala, donde todas las palas del rotor se ajustan con el mismo ángulo de paso, para contrarrestar las oscilaciones en la dirección de proa a popa. Esto se logra modificando la fuerza de empuje. Para vibraciones laterales, se puede usar un ajuste de paso de pala individual así como ajustes del par del generador para contrarrestar una vibración lateral de la torre. El ajuste de paso de pala individual proporciona ajustes de ángulo de paso individuales para cada pala de rotor para generar una fuerza lateral resultante y/o para suprimir una perturbación existente de, por ejemplo, una desalineación de paso. El ajuste del par del generador genera una fuerza lateral inducida por un par del generador.
El documento WO 2017/144061 describe un método para amortiguar una oscilación de una torre de un aerogenerador mediante el paso de cada pala de rotor individualmente según las señales de control de paso de amortiguación de la torre, en donde cada señal de control de paso de amortiguación de la torre comprende componentes periódicas, incluyendo una primera componente periódica, y donde se ha reducido o eliminado una segunda componente periódica.
Es un proceso complicado, basado en un movimiento de vibración dado, determinar exactamente cómo se deberían controlar los actuadores de paso y, mientras que, por ejemplo, el documento WO 2017/144061 describe un método dado, todavía existe la necesidad en la técnica de proporcionar métodos adicionales.
El documento WO2018/210390 describe el control de un aerogenerador en el que la vibración de la góndola se reduce mediante el uso del paso de pala o la modulación del par del generador. Las vibraciones de la góndola se reducen mediante el uso de una señal de actuador basada en la señal de posición de la góndola. La señal de actuador se ajusta por ganancia en base a una separación entre la frecuencia del rotor y la frecuencia de vibración de la torre.
Compendio de la invención
Sería ventajoso lograr una manera mejorada de reducción de las vibraciones en un aerogenerador. A este respecto, sería deseable proporcionar un sistema de control que pueda dar instrucciones a un actuador de paso de una manera que ayude a reducir las vibraciones de los elementos del aerogenerador. Sería particularmente ventajoso proporcionar una manera mejorada de reducción de vibraciones que reduzca el impacto de la fatiga en el actuador de paso en comparación con los métodos de la técnica anterior.
Por consiguiente, en un primer aspecto, se proporciona un sistema de control de rotor para accionar el paso de palas de rotor de paso ajustable de un aerogenerador que comprende una torre, el sistema de control de rotor comprende una unidad de actuación de paso para determinar una señal de modificación de paso a ser aplicada a un actuador de paso para accionar el paso de las palas de rotor de paso ajustable en base a una señal de actuación de paso;
en donde la señal de modificación de paso se basa en una transformación de coordenadas de m palas, la transformación de coordenadas de m palas que toma como entrada una primera señal y una segunda señal; y en donde la segunda señal se determina filtrando la primera señal con un filtro de señal con una respuesta de fase de filtro de desplazamiento de fase en cuadratura.
Se proporciona un sistema de control de rotor para accionar el paso de palas de rotor de paso ajustable que es capaz de reducir las vibraciones estructurales de los elementos de la turbina, tales como las vibraciones de la torre. La invención es particularmente, pero no exclusivamente, ventajosa para proporcionar un sistema de control de rotor que es capaz de reducir las vibraciones estructurales de los elementos de la turbina con una actividad de paso reducida en comparación con los métodos conocidos.
En la presente invención, la señal de modificación de paso se basa en una transformación de coordenadas de m palas en base a una señal de entrada. Una transformación de coordenadas de m palas transforma una señal entre marcos de referencia de coordenadas. Como ejemplo, la transformación de coordenadas de m palas puede transformar una señal obtenida en un marco de referencia estacionario a un marco de rotación. Un efecto de aplicar una transformación de coordenadas de m palas es que el contenido de frecuencia a una frecuencia dada se dividirá en dos contribuciones de frecuencia, una centrada en el más y otra centrada en el menos, la frecuencia de la frecuencia de rotación. Este es un efecto conocido, y como resultado, con el fin de reducir las vibraciones a una frecuencia dada, el actuador se accionará en dos áreas de frecuencia, un área en cada lado de la frecuencia de vibración.
Los inventores de la presente invención se han dado cuenta de que determinando la segunda señal filtrando la primera señal con un filtro de señal con una respuesta de fase de filtro de desplazamiento de fase en cuadratura, entonces la señal de actuación de paso se altera de una manera en la que la activación en una de las dos frecuencias de actuación se reduce o incluso se elimina mientras que se sigue obteniendo un efecto de reducción de vibraciones. De esta forma, la actividad de paso del actuador se puede reducir y, por ello, reducir la exposición a la fatiga en los actuadores de paso. La actividad de paso del actuador también se puede sintonizar en vista de modos de salida de frecuencia específicos en la turbina, o en un compromiso entre la actividad de paso y el efecto de amortiguación resultante de una estructura de turbina dada.
La transformación de coordenadas de m palas, que toma como entrada dos señales de entrada: una primera señal y una segunda señal, las señales de entrada que se obtienen en un marco de referencia estacionario. La transformación de coordenadas de m palas transforma la señal en un marco de rotación, donde se aplican al actuador de paso.
En una realización, la transformación de coordenadas de m palas es una transformación de Coleman, no obstante, otras transformaciones también pueden caer en la categoría de transformaciones de coordenadas de m palas, en lo sucesivo denominadas transformación d-q y transformación Park o transformaciones similares. Está dentro de las habilidades de la persona experta determinar una transformación alternativa que puede no ser estrictamente una transformación de Coleman, pero que opera de una manera equivalente.
En general, la transformación de m palas es una transformación entre un primer marco de coordenadas y un segundo marco de coordenadas, y la transformación de m palas lleva una señal del primer marco al segundo marco, mientras que una transformación de m palas inversa toma la señal del segundo marco al primer marco. A este respecto, las señales se pueden medir, modificar y accionar en marcos de coordenadas iguales o diferentes. En una realización, la transformación de coordenadas de m palas toma una señal que comprende dos componentes medidas en un marco estacionario y transforma las señales en tres componentes en un marco de rotación. Por este medio, se proporcionan componentes de señal (las señales de modificación de paso) que se pueden imponer a los tres actuadores de paso. Esta realización es aplicable a un aerogenerador de tres palas. Para una turbina con un número diferente de palas, las transformaciones de m palas necesitan ser ajustadas en consecuencia.
La segunda señal se determina filtrando la primera señal con un filtro de señal con una respuesta de fase de filtro de desplazamiento de fase en cuadratura. También se puede hacer referencia a un filtro de desplazamiento de fase en cuadratura como filtro de desplazamiento de fase de 90°, no obstante, se ha de entender que no siempre se obtiene un desplazamiento de fase de 90°, en la medida que el desplazamiento de fase exacto puede depender de las condiciones bajo las cuales se aplica el filtro. No obstante, en situaciones ideales, un filtro de desplazamiento de fase en cuadratura desplaza la señal filtrada 90°. En general, el filtro de desplazamiento de fase en cuadratura se puede entender como un filtro con un desplazamiento de fase ideal de 90°, pero que en condiciones de trabajo, puede obtener un desplazamiento de fase que no es exactamente 90°, sino que puede ser de aproximadamente 90°, tal como 90° ± 15°.
En una realización, el filtro de señal es un integrador con fugas. En general, también se pueden usar otros tipos de filtros con un desplazamiento de fase en cuadratura, los ejemplos incluyen un filtro de paso bajo de primer orden general y un filtro diferencial.
En una realización, la primera señal es una señal de movimiento de torre que refleja un movimiento de torre en un modo de movimiento seleccionado. Un modo de movimiento seleccionado puede incluir movimiento lineal, de aquí en adelante movimiento de vibración hacia el lado, al que también se hace referencia como movimiento de vibración lateral. Un modo de movimiento seleccionado también puede incluir un movimiento angular, de aquí en adelante movimiento de vibración de torsión. En una realización, el movimiento de la torre se refleja en la velocidad de la torre. No obstante, también se pueden usar la posición o la aceleración, tanto para el movimiento lineal como para el movimiento angular. Se puede apuntar a otro movimiento de vibración además del movimiento de la torre, de aquí en adelante, vibraciones de palas no deseadas, por ejemplo, vibraciones de la pala de costado.
En general, la señal de modificación de paso puede ser una señal para reducir las vibraciones de un elemento del aerogenerador, en particular, la torre. La modificación de paso es generalmente una señal para reducir las vibraciones de un elemento, esta puede ser una señal que da como resultado la generación de una fuerza, tal como una fuerza de amortiguación, que se dirige opuesta a la dirección de movimiento de la vibración del elemento. La magnitud se puede implementar para que sea proporcional a la velocidad del movimiento. En las realizaciones, el elemento puede ser la torre del sistema de aerogenerador, no obstante, en general, el elemento puede ser un elemento fijado a la torre, o en una relación fija con la torre. Ejemplos de tales elementos son el tren motriz y el bastidor de la góndola.
En un aspecto adicional, la invención se refiere a un aerogenerador que comprende el sistema de control de rotor según el primer aspecto. En otros aspectos más, la invención se refiere a un método que acciona el paso de las palas de rotor de paso ajustable de un aerogenerador y a un producto de programa informático. El producto de programa informático se puede proporcionar en un medio de almacenamiento legible por ordenador o ser descargable desde una red de comunicación.
En general, el sistema de control de rotor se puede implementar en una unidad o colección de unidades funcionales que comprenden uno o más procesadores, una interfaz o interfaces de entrada/salida y una memoria capaz de almacenar instrucciones que se pueden ejecutar por un procesador.
En general, los diversos aspectos de la invención se pueden combinar y acoplar de cualquier forma posible dentro del alcance de la invención. Estos y otros aspectos, características y/o ventajas de la invención serán evidentes y se dilucidarán con referencia a las realizaciones descritas de aquí en adelante.
Breve descripción de los dibujos
Las realizaciones de la invención se describirán, solamente a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos, en los que
la Fig. 1 ilustra un aerogenerador y los modos de vibración del aerogenerador;
la Fig. 2 es un diagrama que ilustra esquemáticamente una realización de un controlador de velocidad de realimentación;
las Figs. 3 y 4 ilustran esquemáticamente realizaciones de una unidad de actuación de paso (PAU);
las Figs. 5 a 7 ilustran ejemplos de espectros de frecuencia de señales de actuación de paso; y
las Figs. 8 y 9 muestran ejemplos de la fuerza resultante generada por la actividad de paso según una señal correspondiente a la señal de actuación de paso de las Figs. 5 a 7
Descripción de realizaciones
La Figura 1 ilustra un aerogenerador y los modos de vibración del aerogenerador.
La Figura 1A ilustra, en una vista esquemática en perspectiva, un ejemplo de un aerogenerador 1. El aerogenerador 1 incluye una torre 2, una góndola 3 dispuesta en el vértice de la torre, y un rotor 4 acoplado operativamente a un generador alojado dentro de la góndola 3. Además del generador, la góndola aloja diversos componentes requeridos para convertir la energía eólica en energía eléctrica y diversos componentes necesarios para operar, controlar y optimizar el rendimiento del aerogenerador 1. El rotor 4 del aerogenerador incluye un buje central 5 y una pluralidad de palas 6 que se proyectan hacia fuera desde el buje central 5. En la realización ilustrada, el rotor 4 incluye tres palas 6, pero el número puede variar. Además, el aerogenerador comprende un sistema de control. El sistema de control se puede colocar dentro de la góndola o distribuir en una serie de ubicaciones dentro (o externamente a) la turbina y conectar comunicativamente. Las palas del rotor son de paso ajustable. Las palas del rotor se pueden ajustar de acuerdo con un ajuste de paso colectivo, en el que cada una de las palas se ajusta al mismo valor de paso. Además de eso, las palas del rotor son ajustables de acuerdo con configuraciones de paso individuales, en las que cada pala puede estar dotada con un punto de ajuste de paso individual.
La turbina puede vibrar en la dirección lateral 7A, es decir, en la dirección del plano del rotor. También se hace referencia algunas veces a tal vibración como vibración de lado a lado o vibración hacia el lado. Los aspectos de la vibración lateral se ilustran esquemáticamente en la Fig. 1B. En esta figura, la turbina 10 está ilustrada esquemáticamente por una estructura de torre fijada en un extremo y dotada con una masa en el extremo libre. Cuando la parte superior de la torre vibra en la dirección lateral 7A, la velocidad, v1, característica de la velocidad de la góndola varía entre dos máximos definidos por el movimiento lateral durante la vibración. La velocidad, v1, puede ser una velocidad representativa del movimiento de la góndola en la dirección lateral, la velocidad puede ser, por ejemplo, una velocidad del centro de masa de la góndola, la velocidad del sensor relevante o la velocidad de otros puntos fijos que representan el movimiento de la góndola en la dirección lateral. Además de la vibración lateral, en la Fig. 1C también se ilustra la vibración de torsión a lo largo de la dirección de torsión 7B. A este respecto la dirección de torsión se debería entender como el movimiento a lo largo de una trayectoria definida por un sector de arco o un sector circular, como se muestra. Cuando la parte superior de la torre vibra en la dirección de torsión 7B, la velocidad, vt, característica del movimiento de la góndola en la dirección de torsión, varía entre dos máximos definidos por la torsión máxima de la torre durante la vibración. En una realización que usa un acelerómetro 8 o un giroscopio 8 para determinar el movimiento de la góndola, el acelerómetro/giroscopio se debería colocar adecuadamente, tal como en un extremo de la góndola. A este respecto, puede no ser necesario detectar directamente el movimiento a lo largo de la dirección de torsión, en su lugar, también se puede usar una detección indirecta del movimiento, siempre que el movimiento indirecto se correlacione con el movimiento de torsión. Esto, por ejemplo, se puede obtener por un acelerómetro que detecta el movimiento en la dirección lateral, en combinación con información adicional para determinar que el movimiento está relacionado con la vibración de torsión. Tal información adicional puede ser la frecuencia de la vibración.
La Fig. 2 es un diagrama que ilustra esquemáticamente una realización de un controlador de velocidad de realimentación implementado para determinar señales de actuación de paso individuales capaces de reducir la vibración de la góndola. En la implementación ilustrada, el controlador de velocidad minimiza un error de velocidad (w - Wref) entre la velocidad real del rotor, u>, y una velocidad de referencia del rotor, wref, con el fin de emitir una potencia P solicitada (en forma de un punto de ajuste de potencia) y una referencia de paso colectiva, 0c0l. La referencia de paso colectiva que se determinada por el controlador de velocidad, en vista de la velocidad del rotor, también puede tener en cuenta valores del sensor adicionales, se hace referencia a esto en la Fig. 2 como un conjunto de medición, ms, que se introduce en el controlador de velocidad. El controlador de velocidad de realimentación se puede implementar mediante un PI, PID o esquemas de control similares. En una realización, el controlador de velocidad puede ser alternativamente un controlador predictivo de modelo que, en base a la minimización de una función de costes, está dispuesto para determinar la referencia de paso colectiva y/o la referencia de potencia.
La Fig. 2 ilustra además dos bloques de control de reducción de vibración o unidades de actuación de paso. Se ilustra una unidad que muestra una unidad de actuación de paso para reducir las vibraciones laterales de la torre (PAU-L).
En la unidad de actuación de paso de vibración lateral de la torre, las señales de modificación de paso (0l i, 0l2, 0l3) se están determinando en base a la señal o señales de entrada. En la Fig. 3 se ilustra una realización de la implementación de la unidad de actuación de paso (PAU).
La unidad de control PAU-L determina señales de modificación de paso para cada pala del rotor que se superponen sobre la referencia de paso colectiva para proporcionar las señales de modificación de paso resultantes (0a, 0b, 0c) que se pueden aplicar a los actuadores de paso de las palas del rotor individualmente y, por ello, reducir las vibraciones laterales de la torre.
En la realización mostrada en la Fig. 2, se está determinando una referencia de paso colectiva para las palas de rotor de paso ajustable en base a la velocidad del rotor y se está aplicando una señal de modificación de paso resultante a las palas de rotor de paso ajustable. La señal de modificación de paso resultante que se aplica a las palas de rotor de paso ajustable individualmente, y para cada pala individual que se basa en una señal combinada de la referencia de paso colectiva y las señales de modificación de paso individuales. En una realización, la señal de modificación de paso individual se está aplicando de una manera cíclica.
Como complemento o como alternativa, también se puede reducir la vibración de torsión de la torre usando el paso como actuador (PAU-T), en el que las señales de actuación de paso para reducir las vibraciones de torsión de la torre se están determinando de una manera correspondiente en cuanto a la reducción de la vibración lateral de la torre.
En la unidad de actuación de paso para reducir las vibraciones de torsión (PAU-T), la unidad de control determina las señales de modificación de paso (0-n, 0t2, 0t3) para cada una de las palas de modo que las señales de paso resultantes (0a, 0b, 0c) se puedan aplicar individualmente a las palas de rotor de paso ajustable.
La unidad de actuación de paso usa una señal de entrada del movimiento de vibración y determina las señales de modificación de paso que, cuando se accionan adecuadamente, generan una contrafuerza o par en la dirección del movimiento de la góndola, y por ello determinan una señal para reducir una vibración del elemento en forma de la torre del aerogenerador.
Las vibraciones de la torre ocurren en un marco de referencia estacionario y la señal que representa el movimiento de vibración se obtiene en el marco de referencia estacionario. Las señales de paso que se aplican para reducir la vibración, no obstante, necesitan ser aplicadas en el marco de referencia de rotación del rotor. El marco de referencia estacionario puede ser el marco de referencia de la góndola, es decir, el sistema de coordenadas de la góndola. Mientras que el marco de referencia estacionario puede ser un marco de referencia estacionario en tierra, el marco estacionario no necesita ser un marco fijo en tierra, sino un marco que es estacionario con respecto a un elemento de turbina dado, tal como la góndola.
Para aplicar adecuadamente las señales de modificación de paso, se aplica una transformación de coordenadas de m palas.
En una realización de ejemplo, la transformación de coordenadas de m palas es la transformación de Coleman.
La transformación de Coleman se puede escribir de la siguiente forma (compacta) donde 0k es el ángulo de desplazamiento de paso para cada pala, es decir, la señal de modificación de paso, 0a es la señal de modulación del momento de inclinación y 0b es la señal de modulación del momento de guiñada. Se observa que la señal de modulación del momento de inclinación corresponde a la fuerza lateral. 0 es la velocidad de rotación.
o
Figure imgf000006_0002
La transformación de Coleman, de este modo, toma como entrada una primera señal y una segunda señal, en forma de una señal de modulación del momento de inclinación y una señal de modulación del momento de guiñada.
La Figura 3 ilustra esquemáticamente una realización de una unidad de actuación de paso (PAU) que se basa en una transformación de coordenadas de m palas (T) en forma de transformación de Coleman determina señales de modificación de paso que, cuando se aplican por el actuador de paso, generan señales de actuación de paso que reducirán las vibraciones de la torre en cuestión. En el ejemplo, o bien las vibraciones laterales de la torre o bien las vibraciones de torsión de la torre.
La Figura 3 ilustra una realización en la que una señal de entrada en forma una señal de velocidad ajustada por ganancia se usa como entrada, es decir, 0a o 0b se ajusta para que sea proporcional a la velocidad. Si la unidad de actuación de paso es para reducir las vibraciones laterales de la torre, la señal de entrada puede ser la señal de velocidad en la dirección de movimiento lateral de la torre, mientras que si la unidad de actuación de paso es para reducir las vibraciones de torsión de la torre, la señal de entrada puede ser la señal de velocidad en la dirección de movimiento de torsión.
En una realización, la señal de entrada se basa en una señal de acelerómetro medida que se transforma en una señal de velocidad del movimiento de la góndola. La señal puede ser una señal de movimiento obtenida por un acelerómetro colocado de modo que se mida la aceleración del movimiento en la dirección relevante de la góndola, véase la referencia 8 en la Fig. 1. La señal de acelerómetro está en un paso anterior (no mostrado en la Fig. 3) integrada con el fin de ser transformada en una señal de velocidad. Alternativamente o además, la señal de movimiento se puede procesar previamente en cierta medida. Tal procesamiento previo puede ser la aplicación de un filtro antisolapamiento para eliminar cualquier contenido de alta frecuencia que no sea necesario para el uso adicional. Se pueden aplicar otros filtros, incluyendo otro filtro de paso banda, durante el procesamiento previo. En la Fig. 3, la transformación de coordenadas de m palas (T) toma como entradas una primera señal y una segunda señal. La primera señal es la señal de velocidad ajustada por ganancia, mientras que la segunda señal se determina filtrando la primera señal con un filtro de señal (QPS) con una respuesta de fase de filtro de desplazamiento de fase en cuadratura. Un filtro de desplazamiento de fase en cuadratura desplaza la fase con 90°, y la segunda señal se determina de este modo como la primera señal con un desplazamiento de fase de 90 grados. En una realización, el desplazamiento de fase de 90 grados se obtiene aplicando un filtro en forma de integrador con fugas a la primera señal. Los integradores con fugas se pueden implementar como filtros de paso bajo de primer orden sintonizados con una frecuencia de ruptura por debajo de la frecuencia del rotor.
Determinando la segunda señal como la primera señal con un desplazamiento de fase de 90 grados, la señal de modificación de paso se obtiene como:
Figure imgf000006_0001
donde el signo (±) depende de si la segunda señal se desplaza o no 90° o -90°.
De este modo, el filtro de señal (QPS) se puede implementar para seleccionar o bien una respuesta de fase de filtro positiva o bien una respuesta de fase de filtro negativa.
La Figura 3 ilustra una realización de la unidad de actuación de paso (PAU) en la que la primera señal y la segunda señal se modifican por una ganancia común, a la que se hace referencia simplemente como 'ganancia'.
La Figura 4 ilustra una realización de la unidad de actuación de paso (PAU) donde la primera señal se modifica por una primera ganancia, g1, y la segunda señal se modifica por una segunda ganancia, g2. La primera y segunda ganancias que son diferentes.
La Figura 5 ilustra un ejemplo de un espectro de frecuencia (f) (es decir, la amplitud A en función de la frecuencia f) de una señal de actuación de paso en la que la primera señal se ajusta como una señal de velocidad de torre ajustada por ganancia en la dirección lateral, y en la que la segunda señal se ajusta para ser cero. Esta es una situación normal de la técnica anterior. La figura muestra la frecuencia de la torre (ftow) del modo de vibración objetivo y la frecuencia del rotor (fip). El espectro de frecuencia resultante de la señal de actuación de paso comprende dos componentes periódicas, una primera componente periódica 51 con una primera frecuencia que es la diferencia de frecuencia entre la frecuencia de la torre (ftow) y la frecuencia del rotor (fip), y una segunda componente periódica 52 con una segunda frecuencia que es la suma de la frecuencia de la frecuencia de la torre (ftow) y la frecuencia del rotor (fip). La figura muestra que con el fin de reducir la vibración de la torre a una frecuencia dada, la aplicación conocida de la transformada de Coleman da como resultado una actividad de paso en dos áreas de frecuencia, una a cada lado de la frecuencia de vibración. La torre puede vibrar a una serie de frecuencias, y la amortiguación se puede apuntar en el modo de vibración dominante en el espectro de frecuencia. La frecuencia de la torre puede ser en las realizaciones la primera frecuencia natural de la torre, a la que se hace referencia también algunas veces como el primer modo de Eigen.
La Figura 6 ilustra el espectro de frecuencia resultante en el que la segunda señal se determina como la primera señal con un desplazamiento de fase de 90 grados. Como resultado de esto, el espectro de frecuencia resultante de la señal de actuación de paso solamente comprende la componente 61 de baja frecuencia (ftow - fip). Esto es ventajoso, en la medida que la actividad de paso resultante se reduce por ello conduciendo a una menor exposición a la fatiga de los cojinetes de paso.
En otra realización, la segunda señal se puede establecer como la primera señal con un desplazamiento de fase de -90 grados, en cuyo caso el espectro de frecuencia resultante de la señal de actuación de paso comprendería solamente la componente de alta frecuencia (ftow fip). Si bien la actividad de paso en este caso sería más alta, aún puede ser ventajoso, en la medida que la actividad de paso resultante se reduce, no obstante, en comparación con la situación en la que la señal de actuación de paso comprende componentes periódicas, como se muestra en la Fig. 5. Además, también puede ser ventajoso accionar el paso solamente en las frecuencias sumadas en situaciones en las que la diferencia de frecuencia se acopla a modos de excitación en la turbina. De esta forma, la reducción de la vibración de la torre se puede obtener mediante el uso del paso a frecuencias que no excitan, o solamente en un menor grado, modos de vibración específicos (no deseados) de la turbina.
En la realización ilustrada en la Fig. 3, la primera señal y la segunda señal se modifican mediante una ganancia común. No obstante, en otras realizaciones, la primera señal se puede modificar por una primera ganancia, g i, y la segunda señal que se modifica por una segunda ganancia diferente, g2. Esto se muestra en la Figura 4.
Aplicando dos ganancias diferentes, el espectro de frecuencia resultante se puede sintonizar a una mezcla específica de frecuencias de actuación. En la Figura 7 se muestra un ejemplo en el que el área de frecuencia de actuación principal es el área de la diferencia de frecuencia 7 i; no obstante, también está presente un contenido más pequeño en la suma de frecuencias 72. De esta forma, la actividad de paso y el efecto de reducción de vibración resultante se pueden sintonizar en vista de una estructura de turbina específica.
La Figura 8 muestra un ejemplo de la fuerza resultante 80 generada por la actividad de paso según una señal correspondiente a la señal de actuación de paso de la Fig. 5. La fuerza resultante es la fuerza aplicada sobre la torre desde las palas debido al paso.
La Fig. 8A muestra un gráfico polar de la dirección de la fuerza resultante 80. Los ángulos 90° y 270° corresponden a arriba y abajo, respectivamente, y los ángulos 0° y i80° corresponden a las dos direcciones lejos del aerogenerador en el plano horizontal ortogonal al eje del rotor.
La Fig. 8B es un gráfico que muestra la fuerza superior 8i de la torre arriba/abajo, es decir, la fuerza en la dirección vertical ortogonal al eje del rotor aplicado sobre la torre desde las palas debido al paso según la señal correspondiente a la señal de la Fig. 5.
Más particularmente, el gráfico polar de la Fig. 8A muestra que se aplica una fuerza horizontal sobre la torre desde las palas debido al paso según la señal de la Fig. 5. La fuerza se aplica en la fase opuesta a la dirección del movimiento, correspondiente al amortiguamiento viscoso. Determinando la segunda señal como la primera señal con un desplazamiento de fase de 90 grados, en correspondencia con la señal de actuación de paso que es como se muestra en las Figs. 6 y 7, se cambia la fuerza resultante.
La Figura 9 ilustra un gráfico similar a la Fig. 8, pero en base a una señal de actuación de paso con una señal de control de paso de amortiguación de la torre correspondiente a la señal como se representa en las Figs. 6 y 7. Los gráficos mostrados como los gráficos 90 y 91 en la Fig. 9 se basan en una señal de actuación de paso que está comprendiendo solamente una componente periódica (Fig. 6).
La Figura 9 muestra que, en esta situación, la fuerza aplicada sobre la torre a partir de las palas debido a la actividad de paso no solamente es horizontal, sino que también comprende una componente vertical. El vector de fuerza resultante dibuja un círculo (a lo largo del tiempo). Es importante destacar que la componente horizontal está trabajando en la dirección derecha, y la componente de fuerza vertical se transporta por la torre y/o gravedad. Como resultado, se amortigua la vibración de la torre en la dirección lateral.
Introduciendo una diferencia entre las ganancias aplicadas a la primera y la segunda señales (Figs. 4 y 7), es decir, aplicando una primera y una segunda ganancia diferente, se obtiene un vector de fuerza resultante que está entre medias de las dos situaciones de un vector de fuerza horizontal de la Fig. 8 y un vector de fuerza de rotación de la Fig. 9. El vector de fuerza resultante en tal situación seguiría estando girando, pero no a lo largo de una trayectoria circular, sino a lo largo de una trayectoria ovalada, como se muestra en la Fig. 9a y 9B mediante los gráficos 92, 93. La forma del vector de fuerza resultante se puede sintonizar mediante el ajuste adecuado de las dos ganancias g1, g2.
También puede ser que el filtro no sea capaz de desplazar completamente la fase de la segunda señal a 90°, o que se introduzca por el filtro algún desplazamiento de frecuencia. En esta situación, la segunda componente del filtro no se cancelaría por completo. El efecto es el mismo que aplicar dos ganancias diferentes a las dos señales.
En una realización, se puede aplicar una ganancia de ajuste con un término de programación de ganancia, el término de programación de ganancia que es dependiente de un punto de operación del aerogenerador. Tal ganancia de ajuste se puede aplicar en cualquier ubicación adecuada en la trayectoria de señal o incorporar o bien en la ganancia común o bien en la primera y segunda ganancias. Aplicando una ganancia de ajuste que es una ganancia adicional programada por un término de programación de ganancia, la ganancia total se puede ajustar para tales parámetros de operación, como la velocidad del viento, la amplitud de la aceleración, la velocidad del rotor u otros parámetros que definen un punto de operación. Por ejemplo, el término de ajuste de ganancia se puede multiplicar por un factor que aumenta con el aumento de la aceleración en la dirección lateral.
Se han descrito realizaciones de ejemplo de la invención solamente con propósitos de ilustración, y no para limitar el alcance de la invención según se define en las reivindicaciones que se acompañan.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de control de rotor para accionar el paso de palas de rotor de paso ajustable (6) de un aerogenerador (1) que comprende una torre (2), el sistema de control de rotor comprende una unidad de actuación de paso (PAU) para determinar una señal de modificación de paso (0mod, i, 2, 3) a ser aplicada a un actuador de paso para accionar el paso de las palas de rotor de paso ajustable en base a una señal de actuación de paso;
en donde la señal de modificación de paso se basa en una transformación de coordenadas de m palas, la transformación de coordenadas de m palas (T) que toma como entrada una primera señal (S i) y una segunda señal (S2); y
en donde la segunda señal se determina filtrando la primera señal con un filtro de señal con una respuesta de fase de filtro de desplazamiento de fase en cuadratura.
2. El sistema de control de rotor según la reivindicación 1, en donde la señal de actuación de paso se determina para cada pala de rotor de paso ajustable en base a la señal de modificación de paso para cada pala de rotor.
3. El sistema de control de rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la señal de modificación de paso es una señal de amortiguamiento para amortiguar una vibración (7A, 7B) de un elemento del aerogenerador.
4. El sistema de control de rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el filtro de señal es un integrador con fugas.
5. El sistema de control de rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la primera señal es una señal de movimiento de torre que refleja un movimiento de la torre en un modo de movimiento seleccionado, o la primera señal es una señal que refleja el movimiento de un elemento de turbina que está fijo a la torre o en una relación fija con la torre.
6. El sistema de control de rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el filtro de señal es seleccionable o bien para una respuesta de fase de filtro positiva o bien una respuesta de fase de filtro negativa.
7. El sistema de control de rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la primera señal y la segunda señal se modifican mediante una ganancia común.
8. El sistema de control de rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la primera señal se modifica por una primera ganancia (g1) y la segunda señal se modifica por una segunda ganancia (g2).
9. El sistema de control de rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además: determinar una referencia de paso colectiva (0col) para las palas de rotor de paso ajustable, la referencia de paso colectiva se determina en base a una velocidad del rotor (w),
aplicar una señal de modificación de paso resultante (0a,b,c) a las palas de rotor de paso ajustable, la señal de modificación de paso resultante se aplica a las palas de rotor de paso ajustable individualmente, y para cada pala individual se basa en una señal combinada de las señales de referencia de paso colectiva y de modificación de paso individual.
10. El sistema de control de rotor según la reivindicación 9, en donde la referencia de paso colectiva se determina mediante un control de realimentación basado en minimizar el error de velocidad entre una velocidad real del rotor (w) y una velocidad de referencia del rotor (wref) o en donde la referencia de paso colectiva se determina por un controlador predictivo de modelo que se basa en minimizar una función de costes.
11. El sistema de control de rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la transformación de coordenadas de m palas se basa en una transformación de Coleman.
12. El sistema de control de rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una ganancia de ajuste con un término de programación de ganancia, el término de programación de ganancia siendo dependiente de un punto de operación del aerogenerador.
13. Un aerogenerador que comprende el sistema de control de rotor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.
14. Un método accionamiento de paso de palas de rotor de paso ajustable (6) de un aerogenerador (1), el método comprende:
determinar una señal de modificación de paso (0mod, 1, 2, 3) en base a una transformación de coordenadas de m palas (T), la transformación de coordenadas de m palas que toma como entrada una primera señal (S1) y una segunda señal (S2); y
en donde la segunda señal se determina filtrando la primera señal con un filtro de señal con una respuesta de fase de filtro de desplazamiento de fase en cuadratura; y
aplicar la señal de modificación de paso a un actuador de paso de las palas de rotor de paso ajustable.
15. Un producto de programa informático que comprende un código de software para hacer que el sistema de control de rotor de cualquiera de las reivindicaciones 1-12 de un aerogenerador que comprende palas de rotor de paso ajustable, cada una de las cuales comprende un actuador de paso, realice el método de la reivindicación 14.
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