ES2991616T3

ES2991616T3 - Sistema y procedimiento para la reducción de potencia de una turbina eólica en función de la temperatura

Info

Publication number: ES2991616T3
Application number: ES16170868T
Authority: ES
Inventors: Sidney Allen Barker; Anthony Michael Klodowski
Original assignee: General Electric Renovables Espana SL
Current assignee: General Electric Renovables Espana SL
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2016-05-23
Publication date: 2024-12-04
Anticipated expiration: 2036-05-23
Also published as: EP3098442B1; CN106194596A; CA2930462A1; BR102016011887A2; US20160348646A1; DK3098442T3; US9605653B2; CA2930462C; EP3098442A1; CN106194596B

Abstract

La presente invención se refiere a un sistema 300 y a un método 400 para hacer funcionar una turbina eólica 100. El método 400 incluye medir, a través de uno o más sensores de temperatura 302, 304, una temperatura local de un componente de la turbina eólica 100 durante un período de tiempo predeterminado. El método 400 también incluye determinar una capacidad de potencia 312 de la turbina eólica 100 en función de la temperatura local. Otro paso incluye medir, a través de uno o más sensores 252, 254, 256, 264, una salida de potencia de la turbina eólica 100 durante el período de tiempo predeterminado. Un paso adicional incluye determinar un margen de potencia 316 de la turbina eólica 100 en función de la capacidad de potencia 312 y de la salida de potencia medida y controlar la salida de potencia de la turbina eólica 100 basándose, al menos en parte, en el margen de potencia 316. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema y procedimiento para la reducción de potencia de una turbina eólica en función de la temperatura

[0001] La presente divulgación se refiere, en general, a turbinas eólicas y, más en particular, a un sistema y procedimiento para reducir la potencia (“de-rating power”) de una turbina eólica en función de una temperatura local de un componente de turbina eólica.

[0002] La energía eólica se considera una de las fuentes de energía más limpias y más respetuosas con el medioambiente disponibles actualmente, y las turbinas eólicas han obtenido una creciente atención a este respecto. Una turbina eólica moderna incluye típicamente una torre, un generador, una caja de engranajes, una góndola y una o más palas de rotor. Las palas de rotor capturan energía cinética del viento usando principios de perfil alar conocidos. Por ejemplo, las palas de rotor tienen típicamente el perfil de sección transversal de un perfil alar de modo que, durante la operación, el aire fluye sobre la pala produciendo una diferencia de presión entre los lados. En consecuencia, una fuerza de sustentación, que se dirige desde un lado de presión hacia un lado de succión, actúa sobre la pala. La fuerza de sustentación genera un par de torsión en el eje de rotor principal, que está engranado a un generador para producir electricidad.

[0003] Muchos de los componentes eléctricos de la turbina eólica están localizados en la parte inferior de la torre (“down-tower”). Por ejemplo, dichos componentes eléctricos pueden incluir un convertidor de potencia con un enlace de CC regulado, así como cables bajantes de la torre (“down-tower cables”). Más específicamente, algunas turbinas eólicas, tales como sistemas de generador de inducción de doble alimentación (DFIG) accionados por viento o sistemas de conversión de potencia total, pueden incluir un convertidor de potencia con una topología CA-CC-CA. Además, los convertidores de potencia estándar incluyen típicamente un circuito puente y un filtro de potencia. En determinados modos de realización, el convertidor de potencia también puede incluir un circuito crowbar. Además, el circuito puente incluye típicamente una pluralidad de celdas, por ejemplo uno o más elementos de conmutación de potencia y/o uno o más diodos.

[0004] Durante la operación, dichos componentes eléctricos pueden resultar dañados debido a temperaturas excesivas como resultado del intento de la turbina eólica de lograr la máxima generación de potencia.

[0005] Por consiguiente, sería ventajoso contar con un sistema y procedimiento que impidieran que dichos componentes operaran por encima de una determinada temperatura. Por tanto, la presente divulgación está dirigida a un sistema y procedimiento que reduce la potencia de salida de la turbina eólica en función de una temperatura local de un componente de la turbina eólica. Los documentos US 2014/015252 A1 y EP 2700815 A1 se refieren a procedimientos para controlar una turbina eólica.

Breve descripción de la invención

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

[0007] En un aspecto, la presente materia está dirigida a un procedimiento para operar una turbina eólica. El procedimiento incluye medir, por medio de uno o más sensores de temperatura, una temperatura local de un componente de la turbina eólica durante un período de tiempo predeterminado. El procedimiento también incluye determinar la capacidad de potencia de la turbina eólica en función de la temperatura local. Otra etapa incluye medir, por medio de uno o más sensores, la potencia de salida de la turbina eólica durante el período de tiempo predeterminado. Una etapa adicional incluye determinar un margen de potencia en función de la capacidad de potencia y la potencia de salida medida para determinar un margen de potencia. Por tanto, el procedimiento también incluye controlar la potencia de salida de la turbina eólica en base a, al menos en parte, el margen de potencia.

[0008] En un modo de realización, la temperatura local del componente puede incluir una temperatura real del componente, una temperatura de un área que contiene el componente o una temperatura dentro del componente. Por ejemplo, en un modo de realización particular, los sensores de temperatura están configurados para medir la temperatura del área que contiene un conjunto de conversión de potencia de la turbina eólica. De forma alternativa, los sensores de temperatura se pueden configurar para medir directamente la temperatura real del propio conjunto de conversión de potencia.

[0009] El procedimiento también incluye analizar las temperaturas locales medidas y/o las potencias de salida medidas durante el período de tiempo predeterminado. Más específicamente, en determinados modos de realización, el procedimiento puede incluir analizar las temperaturas locales medidas y/o las potencias de salida medidas durante el período de tiempo predeterminado filtrando (por ejemplo, por medio de uno o más filtros) las temperaturas locales medidas durante el período de tiempo predeterminado y/o las temperaturas medidas durante el período de tiempo predeterminado y/o las potencias de salida medidas durante el período de tiempo predeterminado. En modos de realización específicos, el/los filtros puede(n) incluir uno cualquiera de o una combinación de lo siguiente: un filtro de paso bajo, un filtro de paso alto, un filtro de muesca o similares.

[0010] De acuerdo con la invención, la etapa de analizar las temperaturas locales medidas y las potencias de salida medidas durante el período de tiempo predeterminado incluye promediar las temperaturas locales medidas durante el período de tiempo predeterminado y promediar las potencias de salida medidas durante el período de tiempo predeterminado.

[0011] En modos de realización adicionales, la etapa de controlar la potencia de salida de la turbina eólica en base a, al menos en parte, el margen de potencia puede incluir reducir la potencia de salida de la turbina eólica si la potencia de salida medida excede la capacidad de potencia. En determinados modos de realización, el/los componentes de la turbina eólica, como se describe en el presente documento, pueden incluir al menos uno de entre un conjunto de conversión de potencia, un transformador, un generador, cables bajantes de la torre, hardware de control de turbina, hardware de orientación (“yaw”), hardware depitcho cualquier otro componente adecuado que experimente un cambio de temperatura como resultado de un cambio de potencia de la turbina eólica. Por ejemplo, en un modo de realización particular, el/los componentes a monitorizar pueden incluir un convertidor de potencia en la parte inferior de la torre de la turbina eólica.

[0012] Aún en otro modo de realización, la etapa de controlar la potencia de salida de la turbina eólica en base a, al menos en parte, el margen de potencia puede incluir seleccionar que se controle la potencia de salida de la turbina eólica en base a al menos uno del margen de potencia o uno o más limitadores de potencia adicionales de la turbina eólica. Más específicamente, en determinados modos de realización, el/los limitadores de potencia adicionales de la turbina eólica pueden incluir al menos uno de entre una corriente, un voltaje, una temperatura o cualquier otro parámetro de limitación de potencia adecuado de uno o más componentes de la turbina eólica. Además, en modos de realización específicos, la etapa de controlar la potencia de salida de la turbina eólica en base al margen de potencia también puede incluir determinar una instrucción de potencia para la turbina eólica en función de la selección y una consigna de potencia existente de la turbina eólica. Aún en otro modo de realización, el procedimiento puede incluir limitar la instrucción de potencia de modo que la instrucción de potencia no exceda la consigna de potencia de salida existente.

[0013] En otro aspecto, la presente materia se refiere a un procedimiento para operar una turbina eólica. El procedimiento incluye medir, por medio de uno o más sensores de temperatura, la temperatura de un conjunto de conversión de potencia, o cerca del mismo, de la turbina eólica durante un período de tiempo predeterminado. Otra etapa incluye determinar la capacidad de potencia de la turbina eólica en función de la temperatura. Todavía otra etapa incluye medir, por medio de uno o más sensores, la potencia de salida de la turbina eólica durante el período de tiempo predeterminado. El procedimiento también incluye comparar la capacidad de potencia con la potencia medida y reducir la potencia de salida de la turbina eólica cuando la potencia de salida medida excede la capacidad de potencia.

[0014] Aún en otro aspecto, la presente materia está dirigida a un sistema para operar una turbina eólica. El sistema incluye uno o más sensores de temperatura configurados para medir una temperatura local de al menos uno de un componente de una turbina eólica durante un período de tiempo predeterminado, uno o más sensores de voltaje y corriente eléctrica configurados para medir una potencia de salida de la turbina eólica durante el período de tiempo predeterminado, y un controlador acoplado de manera comunicativa a los sensores de temperatura y a los sensores de voltaje y corriente eléctrica. Además, el controlador está configurado para realizar una o más operaciones, que incluyen, pero sin limitarse a, determinar la capacidad de potencia de la turbina eólica en función de la temperatura local, comparar la capacidad de potencia con la potencia de salida medida y reducir la potencia de salida de la turbina eólica cuando la potencia de salida medida excede la capacidad de potencia.

[0015] En otros modos de realización, el sistema se puede configurar además con cualquiera de las características adicionales como se describe en el presente documento. Además, el sistema se puede configurar para implementar cualquiera de las diversas etapas de procedimiento descritas en el presente documento. Por ejemplo, en determinados modos de realización, el controlador puede incluir uno o más filtros configurados para procesar al menos una de las temperaturas locales medidas durante el período de tiempo predeterminado y/o las potencias de salida medidas durante el período de tiempo predeterminado. Como se ha mencionado, el/los filtros puede(n) incluir al menos uno cualquiera de o una combinación de lo siguiente: un filtro de paso bajo, un filtro de paso alto, un filtro de muesca o similares.

[0016] En modos de realización adicionales, el sistema también puede incluir un selector configurado para seleccionar entre el margen de potencia o uno o más limitadores de potencia adicionales de la turbina eólica para controlar la potencia de salida de la turbina eólica. De este modo, el controlador también se puede configurar para determinar una instrucción de potencia para la turbina eólica en función de la selección y una consigna de potencia de salida existente de la turbina eólica. En otros modos de realización, el sistema también puede incluir un limitador configurado para restringir la instrucción de potencia de modo que la instrucción de potencia no exceda la consigna de potencia de salida existente.

[0017] Diversas características, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor con referencia a la siguiente descripción y reivindicaciones adjuntas. Los dibujos adjuntos, que se incorporan en esta memoria descriptiva y constituyen una parte de la misma, ilustran modos de realización de la invención y, conjuntamente con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención. En los dibujos:

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

la FIG. 2 ilustra una vista esquemática de un modo de realización de un sistema eléctrico y de control adecuado para su uso con la turbina eólica mostrada en la FIG. 1;

la FIG. 3 ilustra un diagrama de bloques de un modo de realización de un controlador adecuado para su uso con la turbina eólica mostrada en la FIG. 1;

la FIG. 4 ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de un sistema para proteger uno o más componentes de una turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación; y

la FIG. 5 ilustra un diagrama de flujo de un modo de realización de un procedimiento para proteger uno o más componentes de una turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación.

[0018] Ahora se hará referencia en detalle a modos de realización de la invención, de los que uno o más ejemplos se ilustran en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la invención, no de limitación de la misma. De hecho, será evidente para los expertos en la técnica que se pueden realizar diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance de la invención.

[0019] En general, la presente materia está dirigida a un sistema y procedimiento para operar una turbina eólica. Más específicamente, el sistema está configurado para proteger uno o más componentes de la turbina eólica reduciendo la potencia de salida de la turbina eólica en función de la temperatura local del/de los componente(s). Por tanto, la presente divulgación permite que la turbina eólica maximice la potencia de salida de la turbina y al mismo tiempo mantenga la temperatura de los componentes dentro de límites seguros. En consecuencia, para determinados modos de realización, el uso eficaz de la presente divulgación depende de una relación entre la potencia de salida de turbina y la temperatura del componente. Más específicamente, el sistema de la presente divulgación incluye una pluralidad de sensores para medir una temperatura local del componente durante un período de tiempo predeterminado y/o para medir la potencia de salida de la turbina eólica durante el período de tiempo predeterminado. Por tanto, el sistema está configurado para determinar la capacidad de potencia de la turbina eólica en función de la temperatura local. De este modo, la capacidad de potencia está determinada por el componente que se está protegiendo. Además, el sistema está configurado para determinar un margen de potencia de la turbina eólica en función de la capacidad de potencia y la potencia de salida medida. Por tanto, el sistema puede controlar la potencia de salida de la turbina eólica, por ejemplo reduciendo la potencia de salida, en base al margen de potencia.

[0020] Más específicamente, en determinados modos de realización, el sistema puede determinar una diferencia entre la capacidad de potencia y la potencia de salida medida, por ejemplo restando la potencia de salida medida a la capacidad de potencia. Un margen de potencia negativo proporciona la reducción de potencia necesaria de la turbina eólica para proteger sus componentes. Además, dado que las temperaturas de las áreas localizadas dentro de la turbina eólica no cambian instantáneamente con un incremento o una disminución de la potencia de salida de la turbina, no es necesario que la reducción de la potencia de salida de la turbina sea rápida y, en general, no debería ser rápida. Por lo tanto, la reducción de potencia de la turbina como se describe en el presente documento protege los componentes de la turbina a una velocidad que es consecuente con la velocidad de cambio de la temperatura local que resulta de un cambio en el nivel de potencia. Además, la reducción de la potencia de salida de la turbina de acuerdo con la presente divulgación en función de la temperatura permite que la turbina eólica opere de acuerdo con la capacidad de cada componente. Más específicamente, a medida que la temperatura local se incrementa debido a una combinación de temperatura ambiente fuera de la turbina y pérdidas desde el interior de la turbina que afectan el área local, la capacidad de dichos componentes en esa área local disminuye. De este modo, la potencia de salida también disminuye para contrarrestar los incrementos de temperatura. Por tanto, la presente divulgación mantiene temperaturas de operación seguras de los diversos componentes de la turbina eólica y al mismo tiempo maximiza la potencia de salida de la turbina.

[0021] En referencia ahora a los dibujos, la FIG. 1 es una vista en perspectiva de una parte de una turbina eólica 100 de ejemplo de acuerdo con la presente divulgación, que está configurada para implementar el procedimiento y el aparato como se describe en el presente documento. La turbina eólica 100 incluye una góndola 102 que aloja típicamente un generador (no mostrado). La góndola 102 está montada en una torre 104 que tiene cualquier altura adecuada que facilite la operación de la turbina eólica 100 como se describe en el presente documento. La turbina eólica 100 también incluye un rotor 106 que incluye tres palas 108 unidas a un buje rotatorio 110. De forma alternativa, la turbina eólica 100 puede incluir cualquier número de palas 108 que facilite la operación de la turbina eólica 100 como se describe en el presente documento.

[0022] En referencia a la FIG. 2, se ilustra una vista esquemática de un sistema eléctrico y de control 200 de ejemplo que se puede usar con la turbina eólica 100. Durante la operación, el viento impacta en las palas 108, y las palas 108 transforman la energía del viento en un par de torsión de rotación mecánico que acciona de forma rotatoria un eje lento 112 por medio del buje 110. El eje lento 112 está configurado para accionar una caja de engranajes 114 que, posteriormente, aumenta la baja velocidad de rotación del eje lento 112 para accionar un eje rápido 116 a una velocidad de rotación incrementada. El eje rápido 116 está acoplado, en general de forma rotatoria, a un generador 118 para accionar de forma rotatoria un rotor de generador 122. En un modo de realización, el generador 118 puede ser un generador (asíncrono) de inducción de doble alimentación (DFIG) trifásico y de rotor bobinado, que incluye un estátor de generador 120 acoplado magnéticamente a un rotor de generador 122. De este modo, se puede inducir un campo magnético rotatorio mediante el rotor de generador 122 y se puede inducir un voltaje dentro de un estátor de generador 120 que esté acoplado magnéticamente al rotor de generador 122. En un modo de realización, el generador 118 está configurado para convertir la energía mecánica de rotación en una señal de energía eléctrica de corriente alterna (CA) trifásica sinusoidal en el estátor de generador 120. La potencia eléctrica asociada se puede transmitir a un transformador principal 234 por medio de un bus de estátor 208, un conmutador de sincronización de estátor 206, un bus de sistema 216, un disyuntor de circuito de transformador principal 214 y un bus de lado de generador 236. El transformador principal 234 aumenta la amplitud de voltaje de la potencia eléctrica de modo que la potencia eléctrica transformada se puede transmitir además a una red por medio de un bus de lado de disyuntor 240, un disyuntor de circuito de red 238 y un bus de red 242.

[0023] Además, el sistema eléctrico y de control 200 puede incluir un controlador de turbina eólica 202 configurado para controlar cualquiera de los componentes de la turbina eólica 100. Por ejemplo, como se muestra en particular en la FIG. 3, el controlador 202 puede incluir uno o más procesadores 204 y uno o más dispositivos de memoria asociados 207 configurados para realizar una variedad de funciones implementadas por ordenador (por ejemplo, realizar los procedimientos, etapas, cálculos y similares, y almacenar datos pertinentes como se divulga en el presente documento). Adicionalmente, el controlador 202 también puede incluir un módulo de comunicaciones 209 para facilitar las comunicaciones entre el controlador 202 y los diversos componentes de la turbina eólica 100, por ejemplo cualquiera de los componentes de la FIG. 2. Además, el módulo de comunicaciones 209 puede incluir una interfaz de sensor 211 (por ejemplo, uno o más convertidores de analógico a digital) para permitir que las señales transmitidas desde uno o más sensores se conviertan en señales que se puedan entender y procesar por los procesadores 204. Se debe apreciar que los sensores (por ejemplo, los sensores 252, 254, 256, 264 , 302, 304) se pueden acoplar de manera comunicativa al módulo de comunicaciones 209 usando cualquier medio adecuado. Por ejemplo, como se muestra en la FIG. 3, los sensores 252, 254, 256, 264, 302, 304 se pueden acoplar a la interfaz de sensor 211 por medio de una conexión por cable. Sin embargo, en otros modos de realización, los sensores 252, 254, 256, 264, 302, 304 se pueden acoplar a la interfaz de sensor 211 por medio de una conexión inalámbrica, tal como usando cualquier protocolo de comunicaciones inalámbricas adecuado conocido en la técnica. Como tal, el procesador 204 se puede configurar para recibir una o más señales de los sensores.

[0024] Como se usa en el presente documento, el término "procesador" no solo se refiere a circuitos integrados a los que se hace referencia en la técnica como incluidos en un ordenador, sino que también se refiere a un controlador, un microcontrolador, un microordenador, un controlador de lógica programable (PLC), un circuito integrado específico de la aplicación y otros circuitos programables. El procesador 204 también está configurado para calcular algoritmos de control avanzados y comunicarse con una variedad de protocolos basados en Ethernet o en serie (Modbus, OPC, CAN, etc.). Adicionalmente, el/los dispositivo(s) de memoria 207 puede(n) comprender, en general, uno o más elementos de memoria que incluyen, pero sin limitarse a, un medio legible por ordenador (por ejemplo, memoria de acceso aleatorio (RAM)), un medio no volátil legible por ordenador (por ejemplo, una memoriaflash),un disquete, una memoria de solo lectura en disco compacto (CD-ROM), un disco magnetoóptico (MOD), un disco versátil digital (DVD) y/u otros elementos de memoria adecuados. Dicho(s) dispositivo(s) de memoria 207 se puede(n) configurar, en general, para almacenar instrucciones legibles por ordenador adecuadas que, cuando se implementan por el/los procesador(es) 204, configuran el controlador 202 para realizar las diversas funciones como se describe en el presente documento.

[0025] En referencia de nuevo a la FIG. 2, el estátor de generador 120 se puede acoplar eléctricamente a un conmutador de sincronización de estátor 206 por medio de un bus de estátor 208. En un modo de realización, para facilitar la configuración de DFIG, el rotor de generador 122 se acopla eléctricamente a un conjunto de conversión de potencia bidireccional 210 o convertidor de potencia por medio de un bus de rotor 212. De forma alternativa, el rotor de generador 122 se puede acoplar eléctricamente al bus de rotor 212 por medio de cualquier otro dispositivo que facilite la operación del sistema eléctrico y de control 200 como se describe en el presente documento. En otro modo de realización, el conmutador de sincronización de estátor 206 puede estar acoplado eléctricamente a un disyuntor de circuito de transformador principal 214 por medio de un bus de sistema 216.

[0026] El conjunto de conversión de potencia 210 puede incluir un filtro de rotor 218 que está acoplado eléctricamente al rotor de generador 122 por medio del bus de rotor 212. Un bus de filtro de rotor 219 acopla eléctricamente el filtro de rotor 218 a un convertidor de potencia de lado de rotor 220. Además, el convertidor de potencia de lado de rotor 220 se puede acoplar eléctricamente a un convertidor de potencia de lado de línea 222 por medio de un único enlace de corriente continua (CC) 244. De forma alternativa, el convertidor de potencia de lado de rotor 220 y el convertidor de potencia de lado de línea 222 se pueden acoplar eléctricamente por medio de enlaces de CC individuales y separados. Además, como se muestra, el enlace de CC 244 puede incluir un carril positivo 246, un carril negativo 248 y al menos un condensador 250 acoplado entre los mismos.

[0027] Además, un bus de convertidor de potencia de lado de línea 223 puede acoplar eléctricamente el convertidor de potencia de lado de línea 222 a un filtro de línea 224. Además, un bus de línea 225 puede acoplar eléctricamente el filtro de línea 224 a un contactor de línea 226. Además, el contactor de línea 226 se puede acoplar eléctricamente a un disyuntor de circuito de conversión 228 por medio de un bus de disyuntor de circuito de conversión 230. Además, el disyuntor de circuito de conversión 228 se puede acoplar eléctricamente al disyuntor de circuito de transformador principal 214 por medio de un bus de sistema 216 y un bus de conexión 232. El disyuntor de circuito de transformador principal 214 se puede acoplar eléctricamente a un transformador principal de potencia eléctrica 234 por medio de un bus de lado de generador 236. El transformador principal 234 se puede acoplar eléctricamente a un disyuntor de circuito de red 238 por medio de un bus de lado de disyuntor 240. El disyuntor de circuito de red 238 se puede conectar a la red de transmisión y distribución de potencia eléctrica por medio de un bus de red 242.

[0028] En operación, la potencia de corriente alterna (CA) generada en el estátor de generador 120 por la rotación del rotor 106 se proporciona por medio de una ruta doble al bus de red 242. Las rutas dobles están definidas por el bus de estátor 208 y el bus de rotor 212. En el lado de bus de rotor 212, se proporciona potencia de CA sinusoidal multifásica (por ejemplo, trifásica) al conjunto de conversión de potencia 210. El convertidor de potencia de lado<de rotor 220 convierte la potencia de CA proporcionada desde el bus de rotor 212 en potencia de>C<c y proporciona>la potencia de CC al enlace de CC 244. Los elementos de conmutación (por ejemplo, IGBT) usados en circuitos puente del convertidor de potencia de lado de rotor 220 se pueden modular para convertir la potencia de CA proporcionada desde el bus de rotor 212 en potencia de CC adecuada para el enlace de CC 244.

[0029] El convertidor de lado de línea 222 convierte la potencia de CC del enlace de CC 244 en potencia de salida de CA adecuada para el bus de red eléctrica 242. En particular, los elementos de conmutación (por ejemplo, IGBT) usados en los circuitos puente del convertidor de potencia de lado de línea 222 se pueden modular para convertir la potencia de CC del enlace de CC 244 en potencia de CA del bus de lado de línea 225. La potencia de CA del conjunto de conversión de potencia 210 se puede combinar con la potencia del estátor 120 para proporcionar potencia multifásica (por ejemplo, potencia trifásica) que tenga una frecuencia mantenida sustancialmente a la frecuencia del bus de red eléctrica 242 (por ejemplo, 50 Hz/60 Hz). Se debe entender que el convertidor de potencia de lado de rotor 220 y el convertidor de potencia de lado de línea 222 pueden tener cualquier configuración que use cualquier dispositivo de conmutación que facilite la operación del sistema eléctrico y de control 200 como se describe en el presente documento.

[0030] Además, el conjunto de conversión de potencia 210 se puede acoplar en comunicación electrónica de datos con el controlador de turbina 202 y/o un controlador de convertidor 262 separado o integral para controlar la operación del convertidor de potencia de lado de rotor 220 y del convertidor de potencia de lado de línea 222. Por ejemplo, durante la operación, el controlador 202 se puede configurar para recibir una o más señales de medición de voltaje y/o corriente eléctrica desde el primer conjunto de sensores de voltaje y corriente eléctrica 252. Por tanto, el controlador 202 se puede configurar para monitorizar y controlar al menos algunas de las variables operativas asociadas a la turbina eólica 100 por medio de los sensores 252. En el modo de realización ilustrado, cada uno de los sensores 252 se puede acoplar eléctricamente a cada una de las tres fases del bus de red 242. De forma alternativa, los sensores 252 se pueden acoplar eléctricamente a cualquier parte del sistema eléctrico y de control 200 que facilite la operación del sistema eléctrico y de control 200 como se describe en el presente documento. Además de los sensores descritos anteriormente, los sensores también pueden incluir un segundo conjunto de sensores de voltaje y corriente eléctrica 254, un tercer conjunto de sensores de voltaje y corriente eléctrica 256, un cuarto conjunto de sensores de voltaje y corriente eléctrica 264 (todos mostrados en la FIG. 2), y/o cualquier otro sensor adecuado. Además, los sensores de voltaje y corriente eléctrica 252, 254, 256, 264 se pueden configurar para medir, directa o indirectamente, una potencia de salida de la turbina eólica 100.

[0031] También se debe entender que se puede emplear cualquier número o tipo de sensor dentro de la turbina eólica 100 y en cualquier localización. Por ejemplo, los sensores pueden ser sensores de temperatura, unidades de medición microinerciales (MIMU), galgas extensométricas, acelerómetros, sensores de presión, sensores de temperatura, sensores de ángulo de ataque, sensores de vibración, sensores de detección y medición por luz (LIDAR), sistemas de cámara, sistemas ópticos de fibra, anemómetros, veletas, sensores de detección y medición por sonido (SODAR), infraláseres, radiómetros, tubos de Pitot, radiosondas de viento, otros sensores ópticos y/o cualquier otro sensor adecuado.

[0032] Además, el controlador de convertidor 262 está configurado para recibir una o más señales de medición de voltaje y corriente eléctrica. Por ejemplo, como se muestra en el modo de realización ilustrado, el controlador de convertidor 262 recibe señales de medición de voltaje y corriente eléctrica desde el segundo conjunto de sensores de voltaje y corriente eléctrica 254 acoplado en comunicación electrónica de datos con el bus de estátor 208. El controlador de convertidor 262 también puede recibir el tercer y cuarto conjunto de señales de medición de voltaje y corriente eléctrica desde el tercer y cuarto conjunto de sensores de voltaje y corriente eléctrica 256, 264. Además, el controlador de convertidor 262 se puede configurar con cualquiera de las características descritas en el presente documento con respecto al controlador principal 202. Además, el controlador de convertidor 262 puede estar separado o ser integral con el controlador principal 202.

[0033] En referencia ahora a la FIG. 4, se ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de un sistema 300 para proteger uno o más componentes de una turbina eólica (por ejemplo, cualquiera de los componentes de la turbina eólica 100 de la FIG. 2). En determinados modos de realización, como se describe en el presente documento, el/los componentes de la turbina eólica 100 pueden incluir al menos uno de entre el conjunto de conversión de potencia 210, el transformador 234, el generador 118, cables bajantes de la torre, hardware de control de turbina, hardware de orientación, hardware depitcho cualquier otro componente adecuado que experimente un cambio de temperatura como resultado de un cambio de potencia de la turbina eólica 100. Además, el sistema 300 puede utilizar hardware de turbina eólica existente, hardware nuevo y/o una combinación de los mismos.

[0034] Como se muestra, el sistema 300 incluye uno o más sensores de temperatura 302, 304 configurados para medir la temperatura local de un componente de turbina eólica durante un período de tiempo predeterminado. Por ejemplo, en determinados modos de realización, la temperatura local puede corresponder a la temperatura real del componente, a un área que contiene el componente, a la temperatura dentro del componente o similares. Más específicamente, en modos de realización particulares, los sensores de temperatura 302, 304 se pueden configurar con un conjunto de conversión de potencia en la parte inferior de la torre 210 de la turbina eólica 100. De este modo, los sensores de temperatura 302, 304 se pueden configurar para medir la temperatura del área local en la parte inferior de la torre que contiene el conjunto de conversión de potencia 210. De forma alternativa, los sensores de temperatura 302, 304 se pueden configurar para medir directamente la temperatura del conjunto de conversión de potencia 210. Además, el sistema 300 también puede incluir uno o más sensores de voltaje y corriente eléctrica 252, 254, 256, 264 configurados para medir la potencia de salida de la turbina eólica 100 durante el período de tiempo predeterminado.

[0035] Todavía en referencia a la FIG. 4, el sistema 300 incluye un controlador de potencia 320 acoplado de manera comunicativa a los sensores de temperatura 302, 304 y a los sensores de voltaje y corriente eléctrica 252, 254, 256, 264. Por tanto, se debe entender que el controlador de potencia 320 puede ser integral con el controlador de turbina 202 y/o el controlador de convertidor 262. De forma alternativa, el controlador de potencia 320 puede estar separado del controlador de turbina 202 y/o del controlador de convertidor 262. De este modo, el controlador de potencia 320 está configurado para implementar las diversas etapas de procedimiento como se describe en el presente documento y se puede configurar de manera similar al controlador de turbina 202 y/o al controlador de convertidor 262.

[0036] Por ejemplo, como se muestra, el controlador de potencia 320 está configurado para recibir las mediciones de temperatura local (área o componente) de los sensores de temperatura 302, 304. Por tanto, el controlador de potencia 320 también puede procesar adicionalmente los datos, por ejemplo por medio del procesador de datos 306. De forma similar, el controlador de potencia 320 también está configurado para recibir la potencia de salida medida de los sensores de voltaje y corriente eléctrica 252, 254, 256, 264 y puede procesar adicionalmente los datos, por ejemplo por medio del procesador de datos 308. Más específicamente, los procesadores de datos 306, 308 pueden incluir uno o más filtros configurados para filtrar las temperaturas locales medidas durante un período de tiempo predeterminado y/o las potencias de salida medidas durante un período de tiempo predeterminado. Por ejemplo, en determinados modos de realización, los filtros pueden incluir al menos uno de o una combinación de lo siguiente: un filtro de paso bajo, un filtro de paso alto, un filtro de muesca o similares.

[0037] En modos de realización adicionales, los procesadores de datos 306, 308 se pueden configurar para promediar las temperaturas locales medidas y/o las potencias de salida medidas además de, o exclusivamente para, filtrar los datos. Además, se debe entender que el período de tiempo predeterminado puede ser cualquier período de tiempo adecuado, por ejemplo aproximadamente cinco minutos. En todavía otros modos de realización, el período de tiempo predeterminado puede ser menor que cinco minutos o mayor que cinco minutos.

[0038] Todavía en referencia a la FIG. 4, el controlador de potencia 320 también se puede configurar para determinar la capacidad de potencia 312 de la turbina eólica 100 en función de las mediciones de temperatura local de los sensores 302, 304 (como se muestra mediante la curva de disponibilidad (“rating curve”) 310). Por ejemplo, como se muestra en 310, el controlador de potencia 320 puede incluir una curva de disponibilidad 310 (o tabla de consulta) que incluye valores de temperatura medidos correspondientes y valores de potencia de salida de la turbina. De este modo, el controlador de potencia 320 está configurado para introducir las mediciones de temperatura procesadas en la curva de disponibilidad 310, que se puede usar para determinar una capacidad de potencia correspondiente 312. Tal como se usa en el presente documento, la "capacidad de potencia" se refiere, en general, a la cantidad de potencia restante que puede generar la turbina eólica 100 sin causar daños en los diversos componentes de la turbina eólica 100 que, típicamente, sean los más sensibles a los incrementos de temperatura.

[0039] Por tanto, el controlador de potencia 320 puede estar preprogramado con determinados valores umbral para cada uno de los componentes, de modo que el controlador de potencia 320 pueda determinar cuándo se exceden dichos umbrales. Por ejemplo, como se muestra, el sistema 300 puede incluir un comparador 314 que determina un margen de potencia 316 en función de la capacidad de potencia 312 y la potencia de salida medida de la turbina eólica 100 (por ejemplo, comparando la capacidad de potencia 312 y la potencia de salida medida). Típicamente, la potencia de salida medida es menor que la capacidad de potencia 312 (es decir, el margen de potencia 316 es positivo (+)). En una situación de este tipo, el controlador de potencia 320 puede seguir operando la turbina eólica 100 usando procedimientos operativos normales, ya que un margen de potencia positivo (+) 316 indica que la turbina eólica 100 está operando dentro de los umbrales de temperatura permitidos. Sin embargo, si la potencia de salida medida es mayor que la capacidad de potencia 312, el margen de potencia 316 es negativo (-). En esta situación, el exceso de potencia promedio que se ha producido más allá de la capacidad de la turbina se puede usar para reducir la potencia de la turbina 100 a fin de proteger los componentes contra daños relacionados con la temperatura sin reducir la potencia de la turbina eólica 100 más de lo necesario. Por tanto, el margen de potencia 316 se modifica mediante la ganancia 318.

[0040] Todavía en referencia a la FIG. 4, en determinados modos de realización, el sistema 300 también puede incluir un selector 322 configurado para seleccionar entre la salida de la ganancia 318 y uno o más limitadores de potencia adicionales 324 de la turbina eólica 100 para controlar la potencia de salida de la turbina eólica. Más específicamente, como se muestra, los limitadores de potencia adicionales 324 de la turbina eólica 100 pueden incluir, al menos, uno de entre una corriente, un voltaje, una temperatura o cualquier otro parámetro de limitación de potencia adecuado de uno o más componentes de turbina eólica. Además, los limitadores de potencia adicionales 324 se pueden procesar adicionalmente a través de un controlador, por ejemplo un controlador proporcional más integral (PPI) 326.

[0041] En otros modos de realización, el controlador 320 también puede incluir cualquier otro controlador adecuado que incluye, pero sin limitarse a, un controlador proporcional (P), un controlador proporcional integral (PI), un controlador proporcional integral derivativo (PID), un controlador proporcional derivativo (PD) o similares. Por ejemplo, en un modo de realización, el selector 322 se puede configurar para seleccionar el limitador de potencia (es decir, la salida de la ganancia 318 o uno de los limitadores de potencia adicionales 324) que está configurado para limitar al máximo la potencia de salida de la turbina eólica 100. También se debe entender que determinados modos de realización del sistema 300 pueden no incluir el selector 322 o los limitadores de potencia adicionales 324 y pueden simplemente operar la turbina eólica 100 en base a, únicamente, el margen de potencia 316 y la ganancia 318.

[0042] Después de realizar la selección (o determinar el margen de potencia 316 en modos de realización sin un selector 322), el controlador de potencia 320 está configurado para determinar una instrucción de potencia 332 para la turbina eólica 100 en función de la selección (o simplemente el margen de potencia 316) y una consigna de potencia 330 de la turbina eólica 100, como se muestra en 328. En un modo de realización adicional, el controlador de potencia 320 también puede incluir un limitador 334 configurado para limitar la salida del selector 322 de modo que la señal que se introduce en el control de turbina 328 no pueda ser negativa.

[0043] Por tanto, la instrucción de potencia 332 está configurada para reducir la potencia de la turbina eólica 100 en un esfuerzo por reducir la temperatura local del componente. Por ejemplo, como se mencionó, cuando la potencia de salida medida es mayor que la capacidad de potencia 312, el margen de potencia 316 es negativo (-). De este modo, el controlador de potencia 320 puede determinar la instrucción de potencia 332 añadiendo la salida de la ganancia 318 a la consigna de potencia de turbina 330. Por tanto, la instrucción de potencia resultante 332 puede ser menor que la consigna de potencia de turbina 330 y, por lo tanto, reduce la potencia de la turbina 100. Sin embargo, en otros modos de realización, donde el margen de potencia es positivo (+), el limitador 334 evita que el controlador de potencia 320 aumente la potencia de la turbina 100 por encima de sus límites permitidos. En todavía otros modos de realización, la consigna de potencia de turbina 330 puede corresponder a la potencia máxima, y la instrucción de potencia de turbina 332 puede ser un límite para la consigna de potencia de turbina 330.

[0044] En referencia ahora a la FIG. 5, se ilustra un diagrama de flujo de un modo de realización de un procedimiento 400 para operar una turbina eólica 100. Como se muestra en 402, el procedimiento 400 incluye medir, por medio de uno o más sensores de temperatura, la temperatura local de un componente durante un período de tiempo predeterminado. Como se muestra en 404, el procedimiento 400 incluye determinar la capacidad de potencia de la turbina eólica en función de la temperatura local. Como se muestra en 406, el procedimiento 400 incluye medir, por medio de uno o más sensores, la potencia de salida de la turbina eólica durante el período de tiempo predeterminado. Como se muestra en 408, el procedimiento 400 incluye determinar un margen de potencia para la turbina eólica en función de la capacidad de potencia y la potencia de salida medida. Por tanto, como se muestra en 410, el procedimiento 400 incluye controlar la potencia de salida de la turbina eólica en base a, al menos en parte, el margen de potencia.

[0045] Esta descripción escrita usa ejemplos para divulgar la invención, incluido el modo preferido, y también para permitir que cualquier experto en la técnica ponga en práctica la invención, lo que incluye fabricar y usar cualquier dispositivo o sistema y llevar a cabo cualquier procedimiento incorporado. El alcance patentable de la invención está definido por las reivindicaciones y puede incluir otros ejemplos concebidos por los expertos en la técnica.

Claims

REIVINDICACIONES

i. Un procedimiento (400) para operar una turbina eólica (100), comprendiendo el procedimiento (400): medir, por medio de uno o más sensores de temperatura (304, 306), temperaturas locales de un componente de la turbina eólica (100) durante un período de tiempo predeterminado;

analizar las temperaturas locales medidas, incluyendo promediar las temperaturas locales medidas durante el período de tiempo predeterminado;

determinar una capacidad de potencia (312) de la turbina eólica (100) en función de la temperatura local promediada;

medir, por medio de uno o más sensores (302, 304), potencias de salida de la turbina eólica (100) durante el período de tiempo predeterminado;

analizar las potencias de salida medidas durante el período de tiempo predeterminado, incluyendo promediar las potencias de salida medidas durante el período de tiempo predeterminado; determinar un margen de potencia (316) de la turbina eólica (100) en función de la capacidad de potencia (312) y de la potencia de salida medida promediada; y

controlar la potencia de salida de la turbina eólica (100) en base a, al menos en parte, el margen de potencia (316).
2. El procedimiento (400) de la reivindicación 1, en el que la temperatura local comprende al menos una de entre la temperatura del componente o de un área que contiene el componente.
3. El procedimiento (400) de la reivindicación 1, en el que analizar las temperaturas locales medidas y las potencias de salida medidas durante el período de tiempo predeterminado comprende además filtrar, por medio de uno o más filtros (306, 308), las temperaturas locales medidas durante el período de tiempo predeterminado y filtrar, por medio de uno o más filtros (306, 308), las potencias de salida medidas durante el período de tiempo predeterminado.
4. El procedimiento (400) de la reivindicación 3, en el que los uno o más filtros (306, 308) comprenden además, al menos, uno de o una combinación de lo siguiente: un filtro de paso bajo, un filtro de paso alto o un filtro de muesca.
5. El procedimiento (400) de cualquier reivindicación precedente, en el que controlar la potencia de salida de la turbina eólica (100) en base a, al menos en parte, el margen de potencia (316) comprende además reducir la potencia de salida de la turbina eólica (100) cuando la potencia de salida medida excede la capacidad de potencia (312).
6. El procedimiento (400) de cualquier reivindicación precedente, en el que el componente de la turbina eólica (100) comprende además, al menos, uno de entre un conjunto de conversión de potencia (210), un transformador (234), un generador (112), cables bajantes de la torre, hardware de control de turbina, hardware de orientación o hardware depitch.
7. El procedimiento (400) de cualquier reivindicación precedente, en el que controlar la potencia de salida de la turbina eólica (100) en base a, al menos en parte, el margen de potencia (316) comprende además: determinar una ganancia (318) del margen de potencia (316) y seleccionar que se controle la potencia de salida de la turbina eólica (100) en base a, al menos, uno de entre la ganancia (318) o uno o más limitadores de potencia adicionales (334) de la turbina eólica (100),

determinar una instrucción de potencia (332) para la turbina eólica (100) en función de la selección y una consigna de potencia de la turbina eólica (100), y

limitar la instrucción de potencia (332) de modo que la instrucción de potencia (332) no exceda la consigna de potencia de salida (330).
8. Un sistema (300) para operar una turbina eólica (100), comprendiendo el sistema (300):

uno o más sensores de temperatura (304, 306) configurados para medir temperaturas locales de un componente de la turbina eólica (100) durante un período de tiempo predeterminado;

uno o más sensores de voltaje y corriente eléctrica (252, 254, 256, 264) configurados para medir potencias de salida de la turbina eólica (100) durante el período de tiempo predeterminado; y

un controlador (320) acoplado de manera comunicativa a los sensores de temperatura (304, 306) y a los sensores de voltaje y corriente eléctrica (252, 254, 256, 264), el controlador (320) configurado para realizar una o más operaciones, comprendiendo las una o más operaciones:

promediar las temperaturas locales medidas durante el período de tiempo predeterminado;

determinar la capacidad de potencia (312) de la turbina eólica (100) en función de la temperatura local promediada;

promediar las potencias de salida medidas durante el período de tiempo predeterminado;

comparar la capacidad de potencia (312) con la potencia de salida medida promediada; y

reducir la potencia de salida de la turbina eólica (100) cuando la potencia de salida medida excede la capacidad de potencia (312).
9. El sistema (300) de la reivindicación 8, en el que la temperatura local comprende al menos una de entre la temperatura del componente o de un área que contiene el componente.
10. El sistema (300) de la reivindicación 8 o la reivindicación 9, en el que el controlador (320) comprende uno o más filtros (306, 306) configurados para filtrar al menos una de las temperaturas locales medidas durante el período de tiempo predeterminado o las potencias de salida medidas durante el período de tiempo predeterminado, en el que los uno o más filtros (306, 308) comprenden además al menos uno de o una combinación de lo siguiente: un filtro de paso bajo, un filtro de paso alto o un filtro de muesca.
11. El sistema (300) de cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en el que el componente de la turbina eólica (100) comprende además, al menos, uno de entre un conjunto de conversión de potencia (210), un transformador (234), un generador (112), cables bajantes de la torre, hardware de control de turbina, hardware de orientación o hardware depitch.
12.El sistema (300) de cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, que comprende además un selector (326) configurado para seleccionar entre el margen de potencia (316) o uno o más limitadores de potencia adicionales (334) de la turbina eólica (100) para controlar la potencia de salida de la turbina eólica (100), en el que el procedimiento comprende además determinar una instrucción de potencia (332) para la turbina eólica (100) en función de la selección y una consigna de potencia de salida (330) de la turbina eólica (100).
13. El sistema (300) de cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, que comprende además un limitador (334) configurado para restringir la instrucción de potencia (332) de modo que la instrucción de potencia (332) no exceda la consigna de potencia de salida (330), en el que los uno o más limitadores de potencia (334) adicionales de la turbina eólica (100) comprenden al menos uno de entre una corriente, un voltaje o una temperatura de uno o más componentes de turbina eólica (100).