ES3041087T3 - Wind turbine control - Google Patents

Wind turbine control

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ES3041087T3
ES3041087T3 ES20902394T ES20902394T ES3041087T3 ES 3041087 T3 ES3041087 T3 ES 3041087T3 ES 20902394 T ES20902394 T ES 20902394T ES 20902394 T ES20902394 T ES 20902394T ES 3041087 T3 ES3041087 T3 ES 3041087T3
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Abstract

Se proporciona un controlador para una turbina eólica flotante que comprende un rotor con múltiples palas conectado a un generador. El controlador incluye: un controlador de amortiguamiento activo para calcular una o más salidas que amortiguan tanto un primer movimiento de la turbina eólica flotante en un primer rango de frecuencias como un segundo movimiento de la turbina eólica flotante en un segundo rango de frecuencias, basándose en una entrada para cada movimiento. El controlador está configurado para calcular una salida que controla el ángulo de paso de una o más palas del rotor y/o el par del generador, basándose en la velocidad real del rotor, una velocidad objetivo del rotor y las salidas del controlador de amortiguamiento activo, de manera que tanto el primer como el segundo movimiento se amortigüen. También se proporciona un método para controlar una turbina eólica flotante. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Control de aerogenerador
La presente invención se refiere a un controlador para un aerogenerador flotante y a un método para controlar el paso de pala y/o un par de generador de un aerogenerador flotante. Esto puede estar destinado a controlar los movimientos del aerogenerador flotante.
Una instalación de aerogenerador está por lo general formada por una estructura de soporte que comprende una torre alargada, con una góndola y un rotor unidos al extremo superior de la estructura de soporte. El generador y sus componentes electrónicos asociados se encuentran por lo general en la góndola.
Una instalación de aerogenerador puede ser un aerogenerador de base fija que está fija a la tierra o al fondo marino o un aerogenerador flotante. Un aerogenerador flotante ilustrativo comprende una estructura de aerogenerador convencional montada sobre una base flotable, tal como una plataforma o una estructura similar a una balsa. Otro ejemplo es una estructura tipo "boya de espeque". Tal estructura está formada por una estructura de soporte flotable alargada con un rotor montado en la parte superior. La estructura de soporte podría ser una estructura unitaria o podría ser una subestructura alargada con una torre estándar montada sobre la misma.
Las instalaciones de aerogeneradores flotantes pueden amarrarse al fondo marino mediante una o más amarras con anclajes o unirse al fondo marino con una o más patas articuladas (con bisagras), por ejemplo, para mantenerlas en los sitios de instalación deseados.
Los aerogeneradores de cimentación fija están rígidamente sujetos a una masa de tierra en un extremo. Cuando actúan sobre ella fuerzas, tales como las provocadas por cambios en la velocidad o la dirección del viento, un aerogenerador de cimentación fija actúa como un voladizo y la torre vibra cuando se inclina. Estos movimientos pueden tener amplitudes pequeñas pero frecuencias altas, es decir, pueden ser movimientos pequeños y rápidos. Por el contrario, los aerogeneradores flotantes no están sujetos rígidamente a una masa de tierra y, como resultado, toda la estructura alargada puede moverse en forma de cuerpo rígido, además de los mismos tipos de vibraciones en la torre que las experimentadas por las turbinas de cimentación fija.
Cuando un aerogenerador flotante es sometido a la acción de fuerzas, tales como las provocadas por cambios en la velocidad o dirección del viento o las provocadas por las olas, toda la estructura puede moverse en el agua. Estos movimientos pueden tener amplitudes grandes pero frecuencias relativamente bajas, es decir, pueden ser movimientos grandes y lentos. Los movimientos son de baja frecuencia en el sentido de que son mucho más bajos que la frecuencia de rotación de la propia turbina/rotor. Se trata de movimientos de cuerpo rígido (en lugar de movimientos de flexión). Los movimientos experimentados son "arfada", que es un movimiento lineal vertical (arriba/abajo) (p. ej., en una dirección vertical perpendicular al eje del rotor), "deriva", que es un movimiento lateral lineal (de lado a lado) (p. ej., en una dirección horizontal perpendicular al eje del rotor), "largada", que es un movimiento longitudinal lineal (frontal/posterior) (p. ej., en una dirección paralela al eje del rotor), "balanceo" que es una rotación del cuerpo alrededor de su eje horizontal (frontal/posterior) (p. ej., alrededor del eje del rotor), "cabeceo", que es una rotación del cuerpo alrededor de su eje transversal (de lado a lado) (p. ej., alrededor de un eje horizontal que es perpendicular al eje del rotor) y "guiñada", que es una rotación del cuerpo alrededor de su eje vertical (p. ej., alrededor de un eje vertical que es perpendicular al eje del rotor).
En ciertas circunstancias, estos movimientos pueden reducir la eficiencia general o la potencia de salida de la turbina y, por otra parte, pueden crear tensiones estructurales excesivas que pueden dañar o debilitar la estructura del aerogenerador y/o el amarre asociado o pueden provocar inestabilidad en los movimientos de los aerogeneradores flotantes. Por lo tanto, existe el deseo de controlar estos movimientos de cuerpo rígido.
En los aerogeneradores convencionales, el paso de las palas del rotor se controla para regular la potencia de salida. La potencia de salida generada por la turbina se maximiza a una velocidad del viento particular, conocida como velocidad nominal del viento. Cuando funciona con vientos por debajo de la velocidad nominal del viento, el paso de pala se mantiene aproximadamente constante en un ángulo que proporciona la máxima potencia de salida. Por el contrario, cuando funciona por encima de la velocidad nominal del viento, el paso de pala se ajusta para producir una potencia de salida constante y evitar potencias de salida excesivamente altas que podrían dañar el generador y/o sus componentes electrónicos asociados. Esta potencia de salida constante puede denominarse potencia nominal del aerogenerador. En este régimen, el rotor puede controlarse de modo que gire a una velocidad constante. Esto puede denominarse velocidad de rotor deseada y/u objetivo.
El aerogenerador también puede tener una velocidad de corte, que es la velocidad del viento a la que la turbina se apaga para evitar daños.
Cuando funciona por debajo de la velocidad nominal del viento, dado que el paso de pala se mantiene aproximadamente constante, el empuje que actúa sobre el rotor aumenta con la velocidad del viento. El empuje es aproximadamente proporcional al cuadrado de la velocidad del viento con respecto al rotor. Como resultado, los movimientos axiales, que aumentan la velocidad relativa del viento, pueden amortiguarse. Si la velocidad del viento aumenta por encima de la velocidad nominal del viento, entonces se puede aumentar el paso de pala (lo que significa hacer que el paso de pala sea más paralelo a la dirección del viento) para reducir el empuje.
Usando el control de paso descrito anteriormente para una potencia de salida constante, en respuesta a un aumento en el par o la velocidad de rotor, el ángulo de paso de pala se ajusta para reducir el par que actúa sobre el rotor para reducir el empuje, manteniendo de este modo una potencia de salida constante. Sin embargo, a medida que se reduce el empuje, la fuerza de amortiguación que actúa sobre los movimientos del aerogenerador también se reduce y puede llegar a ser negativa. En otras palabras, los movimientos pueden exacerbarse y su amplitud aumenta. Esto, a su vez, puede provocar un cambio adicional en la velocidad relativa del viento y un ajuste adicional del paso de pala, haciendo que los movimientos sean aún mayores. Lo contrario ocurre cuando el aerogenerador se aleja del viento, lo que resulta en una exacerbación adicional de los movimientos. Esto se conoce como amortiguación negativa.
Por ejemplo, la amortiguación negativa en los aerogeneradores de base fija se debe a que la turbina puede vibrar hacia adelante y hacia atrás debido a la excitación de las vibraciones de flexión naturales de la torre. A medida que el aerogenerador se mueve hacia el viento, la velocidad relativa del viento que actúa sobre el aerogenerador aumenta, lo que tiende a aumentar el par o la velocidad de rotor. Entonces, el uso del control de paso como se ha descrito anteriormente puede dar lugar a una amortiguación negativa de estas vibraciones.
El problema de la amortiguación negativa se ilustra en la Figura 1, que muestra la fuerza de empuje en función de la velocidad del viento para una turbina de 2,3 MW que usa el control de paso de pala estándar descrito anteriormente. La fuerza de empuje para velocidades del viento superiores a 12 ms-1 (que puede ser la velocidad nominal del viento) disminuye al aumentar la velocidad del viento debido al ajuste del paso de pala y, en consecuencia, se puede introducir una amortiguación negativa en el sistema en este intervalo de velocidades del viento.
En los aerogeneradores de base fija, la amortiguación negativa puede evitarse o minimizarse reduciendo el ancho de banda del controlador de paso de pala para que quede por debajo de la frecuencia natural del modo de flexión de primer orden de la torre. En otras palabras, el controlador no ajusta el paso de pala para los movimientos de la torre con frecuencias superiores a la frecuencia natural del modo de flexión de primer orden de la torre.
Sin embargo, un aerogenerador flotante también tiene otros modos de oscilación, además de los modos de flexión, lo que hace que el problema de tratar la amortiguación negativa en los aerogeneradores flotantes sea mucho más complejo. Por otra parte, el sistema de la técnica anterior analizado anteriormente no trata de los modos de oscilación más significativos en una instalación de aerogenerador flotante.
La Figura 2 muestra el espectro de potencia para las oscilaciones de diferentes instalaciones de aerogeneradores. La escala en el eje vertical es proporcional a la amplitud de las oscilaciones, que es proporcional a la raíz cuadrada de la potencia de las oscilaciones. La escala en el eje horizontal es la frecuencia de las oscilaciones en Hz. Se puede observar que el espectro de potencia tiene cuatro picos principales. Solamente el cuarto pico (primer modo de flexión de torre) también está presente en el espectro de potencia de un aerogenerador de base fija. El tercer pico desde la izquierda (movimiento inducido por las olas) puede observarse en los aerogeneradores flotantes y en los aerogeneradores marinos fijos, aunque los dos primeros picos (período natural en largada y período natural en paso) solamente se observan en los aerogeneradores flotantes. Los períodos naturales en largada y paso son provocados por movimientos de cuerpo rígido.
El primer pico se produce a frecuencias de alrededor de 0,008 Hz y corresponde a las oscilaciones del cuerpo rígido de la estructura de soporte que pueden ser provocadas por el movimiento de largada del aerogenerador flotante junto con los efectos restauradores de las amarras. En estas oscilaciones, la torre se mueve hacia adelante y hacia atrás horizontalmente, pero permanece en una posición esencialmente vertical. Estos movimientos de largada pueden ser provocados por cambios en la velocidad del viento que excitan la frecuencia de largada natural de un aerogenerador y es más probable que se produzcan en aguas más tranquilas.
El segundo pico se produce a frecuencias de aproximadamente 0,03 a 0,04 Hz y puede corresponder a las oscilaciones de paso del cuerpo rígido de la estructura de soporte (es decir, el "movimiento alternativo" hacia adelante y hacia atrás de la estructura de soporte alrededor de un eje horizontal perpendicular al eje de la turbina). Cuando se controla el paso de pala para producir una potencia de salida constante, el tamaño de este pico (es decir, el tamaño o la energía de estas oscilaciones) puede aumentar drásticamente debido al efecto de amortiguación negativa descrito anteriormente, lo que resulta en grandes tensiones estructurales en la torre, así como en oscilaciones en la potencia de salida.
El tercer pico, bastante amplio, se produce a frecuencias de aproximadamente 0,05 a 0,15 Hz. Esto corresponde al movimiento inducido por las olas en el cuerpo rígido (largada junto con el paso, pero principalmente el paso) del aerogenerador flotante. El tamaño de este pico puede minimizarse modificando la geometría y la distribución del peso del aerogenerador flotante.
El cuarto pico se produce a frecuencias de aproximadamente 0,3 a 0,5 Hz. Como se ha mencionado anteriormente, estas oscilaciones están presentes tanto en los aerogeneradores flotantes como de base fija y corresponden a las vibraciones de flexión estructural de la estructura de soporte.
Como se ha mencionado anteriormente, para evitar o minimizar la amortiguación negativa de las vibraciones de flexión estructural, se puede reducir el ancho de banda del controlador de paso de pala de tal manera que no ajuste el paso de pala para los movimientos que se producen a estas frecuencias (es decir, de 0,3 a 0,5 Hz).
Sin embargo, en un aerogenerador flotante, si bien este enfoque todavía se puede aplicar para abordar las vibraciones de flexión, si el ancho de banda del controlador de paso de pala se redujera aún más de tal manera que el controlador no ajustara el paso de pala para los movimientos que se producen a frecuencias similares a las de las oscilaciones del cuerpo rígido de la torre en cuanto al paso (por ejemplo, de 0,03 a 0,04 Hz), esto reduciría significativamente el ancho de banda del controlador y podría resultar en un rendimiento inaceptable con respecto a las propiedades clave del aerogenerador, tales como la producción de energía, la velocidad de rotor y la fuerza de empuje del rotor. Por lo tanto, para evitar o reducir la amortiguación negativa en una instalación de aerogenerador flotante, no es práctico simplemente reducir el ancho de banda del controlador de esta manera.
La mayoría de los aerogeneradores modernos de varios megavatios usan un controlador integral proporcional (PI) para controlar el paso de pala y producir una velocidad constante del rotor cuando funcionan por encima de la velocidad nominal del viento de la turbina. El controlador PI es un controlador de retroalimentación que controla el paso de pala y de este modo la velocidad de rotor (es decir, la frecuencia de rotación del rotor) sobre la base de una suma ponderada del error (la diferencia entre la velocidad de rotor de salida/real y la velocidad de rotor deseada/objetivo) y la integral de ese valor. Cuando el sistema de control de paso de pala funciona por encima de la potencia nominal, el par del generador se controla normalmente para producir un par constante o una potencia constante.
El documento WO 2010/076557 describe un controlador de turbina que está diseñado para contrarrestar el problema de la amortiguación negativa, que se produce por encima de la velocidad nominal del viento, y para reducir el movimiento resonante de baja frecuencia en la dirección axial, específicamente en relación con los movimientos de paso en un aerogenerador flotante. Esto se logra ajustando colectivamente el paso de las palas para crear una fuerza de amortiguación y/o restauración en la dirección axial.
El documento WO 2014/096419 describe un controlador para controlar el movimiento de guiñada de las turbinas que puede ser producido por un flujo de aire irregular sobre el disco del rotor. Esto se logra mediante el paso dinámico de las palas de la turbina, lo que significa que el paso de las palas de la turbina individuales se puede ajustar para que el movimiento de guiñada esté dentro de un intervalo deseado.
Los controladores conocidos normalmente tienen como objetivo evitar la amortiguación negativa para ciertos movimientos realizados por los aerogeneradores flotantes y pueden proporcionar cierta cantidad de amortiguación positiva al movimiento de paso de los aerogeneradores flotantes.
En la Figura 3 se muestra un ejemplo de un sistema 1 de control con un controlador de vibraciones con amortiguación activa para un aerogenerador de base fija. La línea superior de la Figura 3 es la parte 2 del controlador de vibraciones activo del sistema de control, que usa mediciones de la velocidad de la torre enVgóndoiapara evitar o minimizar la amortiguación negativa, como se ha descrito anteriormente. El resto del sistema es el controlador 4 estándar que proporciona un control de paso de pala en función de la velocidad de rotor.
En la Figura 3,vgóndoia,es la velocidad de la góndola,Kdes la ganancia del controlador de vibraciones,o reiües la velocidad de rotor del aerogenerador de la velocidad deseada/objetivo, oves la velocidad de rotor real del aerogenerador yhc(s)es una función de transferencia para convertir la señal de error de la velocidad de rotor(o refü-or)en una primera señal de referencia de paso de palafi ref 1.La parte 2 del controlador de vibraciones activo emite una segunda señal de referencia de paso de pala firee.hp(s)es la función de transferencia entre la señal de referencia del paso de pala totalfi ref(donde¡3ret= fi ren fi retz)y la velocidad de rotor real del aerogeneradoro r.En este caso, la expresión "error de velocidad de rotor" significa la diferencia entre la velocidad de rotor deseada (es decir, la velocidad objetivo del rotor) y la velocidad de rotor real.
En general, una función de transferencia proporciona la relación entre las transformadas de Laplace de la salida y la entrada a un componente del sistema en función de una variable s (donde s suele relacionarse con una frecuencia espacial o temporal, tal como la frecuencia angular). Es decir, las funciones de transferencia permiten el análisis de los componentes de tal manera que puedan representarse en diagramas de bloques u otros diagramas simplificados. El contexto matemático para este tipo de función es conocido y se analiza, por ejemplo, en el documento WO 2010/076557.
La función de transferencia h<c>(s) puede proporcionarse por medio de un controlador PI. Los valores de los parámetros del controlador pueden determinarse mediante el ajuste convencional del sistema de control al ancho de banda deseado.
El bloque 6 de procesamiento de señales en la Figura 3 consistirá normalmente en algún filtrado adecuado para la eliminación de ciertos componentes de frecuencia.
Como se ha indicado anteriormente, en los aerogeneradores de base fija, los parámetros de control del controlador de paso de pala están ajustados de tal manera que el ancho de banda de la parte estándar del controlador esté por debajo de la frecuencia natural del primer modo de flexión de la torre, con el fin de evitar o minimizar la amortiguación negativa de las oscilaciones de flexión estructural. De manera adicional, se puede proporcionar una parte de control de vibraciones como la que se muestra en la Figura 3 para proporcionar una amortiguación positiva activa para las vibraciones con frecuencias del primer modo de flexión, ya que estas vibraciones pueden tener una frecuencia que no es suprimida por esta parte del controlador.
También, como se ha mencionado anteriormente, los aerogeneradores flotantes también pueden tener vibraciones de flexión estructural con frecuencias naturales de alrededor de 0,3 a 1 Hz. Sin embargo, también tienen oscilaciones de cuerpo rígido con frecuencias, por ejemplo, de alrededor de 0,03 a 0,04 Hz y/o de alrededor de 0,008 Hz.
Si el sistema de control de la Figura 3 se usara en un aerogeneradores flotante y los parámetros del controlador del paso de pala se ajustaran según la frecuencia del primer modo de flexión estructural de la torre, la contribución de amortiguación activa proporcionaría una amortiguación positiva de las vibraciones de flexión estructural de alta frecuencia. Sin embargo, la amortiguación activa no afectaría a las vibraciones de baja frecuencia. Por otra parte, estas frecuencias estarían dentro del ancho de banda del controlador estándar, por lo que las oscilaciones de baja frecuencia del cuerpo rígido de la estructura de soporte en paso pueden experimentar una amortiguación negativa.
El controlador de la Figura 3 no puede simplemente ajustarse para actuar sobre las oscilaciones de frecuencia más baja experimentadas por los aerogeneradores flotantes.
Los controladores de paso de pala para aerogeneradores flotantes pueden ser una modificación del controlador de paso de pala estándar de la Figura 3 y pueden comprender medios de amortiguación activa dispuestos para controlar aún más el paso de pala en función de la velocidad de un punto en la estructura del aerogenerador. Los medios de amortiguación activa pueden disponerse para convertir la velocidad de un punto de la estructura del aerogenerador en un error de velocidad de rotor y la misma función de transferencia que se usa en los medios de control del paso de pala estándar se usa en los medios de amortiguación activa para convertir el error de velocidad de rotor en una corrección del paso de pala. Esto se describe en el documento WO 2010/076557.
Existe el deseo de un controlador que pueda amortiguar eficazmente los movimientos de un aerogenerador flotante.
El documento US 2015/003984 A1 describe un controlador del paso de pala para ajustar el paso de las palas individuales en respuesta a los momentos de flexión en los aerogeneradores, incluyendo los aerogeneradores marinos.
El documento JP 2014 111924 A describe un aerogenerador flotante que comprende un controlador del paso de pala con un control de amortiguación activa para amortiguar los movimientos de basculamiento de la turbina.
Visto desde un primer aspecto, la presente invención proporciona un controlador (es decir, un controlador del paso de pala y/o un controlador del par del generador) para un aerogenerador flotante que comprende un rotor con una pluralidad de palas de rotor conectadas a un generador, en donde el controlador comprende: un controlador de amortiguación activa para calcular una o más salidas para amortiguar tanto un primer movimiento del aerogenerador flotante en un primer intervalo de frecuencias como un segundo movimiento del aerogenerador flotante en un segundo intervalo de frecuencias en función de una entrada del primer movimiento y una entrada del segundo movimiento; en donde el controlador de amortiguación activa comprende un primer bucle de control y un segundo bucle de control, en donde el primer bucle de control recibe la entrada del primer movimiento y el segundo bucle de control recibe la entrada del segundo movimiento, en donde el controlador de amortiguación activa comprende un filtro de paso bajo, en donde una primera frecuencia de filtro de paso bajo para el primer bucle de control y una segunda frecuencia de filtro de paso bajo para el segundo bucle de control se establecen según el primer intervalo de frecuencias y el segundo intervalo de frecuencias, respectivamente, y en donde el controlador está dispuesto para calcular una salida para controlar el paso de pala de una o más de la pluralidad de palas de rotor y/o para controlar un par del generador en función de una velocidad de rotor real, una velocidad de rotor objetivo y una o más salidas del controlador de amortiguación activa de tal manera que tanto el primer movimiento como el segundo movimiento se amortiguarán.
Visto desde un segundo aspecto, la invención proporciona un aerogenerador flotante que comprende un rotor con una pluralidad de palas de rotor conectadas a un generador y a un controlador, en donde el controlador comprende: un controlador de amortiguación activa para calcular una o más salidas para amortiguar tanto un primer movimiento del aerogenerador flotante en un primer intervalo de frecuencias como un segundo movimiento del aerogenerador flotante en un segundo intervalo de frecuencias en función de una entrada del primer movimiento y una entrada del segundo movimiento; en donde el controlador está dispuesto para calcular una salida para controlar el paso de pala de una o más de la pluralidad de palas de rotor y/o para controlar un par del generador en función de una velocidad de rotor real, una velocidad de rotor objetivo y una o más salidas del controlador de amortiguación activa de tal manera que tanto el primer movimiento como el segundo movimiento se amortiguarán.
El aerogenerador flotante del segundo aspecto comprende un controlador según el primer aspecto.
Visto desde un tercer aspecto, la invención proporciona un método para controlar el paso de pala y/o el par del generador de un aerogenerador flotante, en donde el aerogenerador flotante comprende un rotor con una pluralidad de palas de rotor conectadas a un generador, comprendiendo el método: recibir, en un primer bucle de control, una entrada de un primer movimiento del aerogenerador flotante en un primer intervalo de frecuencias, en el que una primera frecuencia de filtro de paso bajo para el primer bucle de control se establece de acuerdo con el primer rango de frecuencias; recibe, en un segundo bucle de control, una entrada de un segundo movimiento de la turbina eólica flotante en un segundo rango de frecuencias, en donde una segunda frecuencia de filtro de paso bajo para el segundo bucle de control se establece según el segundo intervalo de frecuencias; calcular una o más salidas de amortiguación para amortiguar tanto el primer movimiento como el segundo movimiento en función de la entrada del primer movimiento y la entrada del segundo movimiento; y calcular una salida para controlar el paso de pala de una o más de la pluralidad de palas de rotor y/o para controlar el par del generador en función de una velocidad de rotor real, una velocidad de rotor objetivo, y una o más salidas de amortiguación de tal manera que tanto el primer movimiento como el segundo movimiento se amortiguarán.
El método del tercer aspecto puede realizarse usando el controlador del primer aspecto y/o el aerogenerador flotante del segundo aspecto.
El controlador del primer aspecto y/o el aerogenerador flotante del segundo aspecto puede configurarse para realizar el método del tercer aspecto.
Visto desde un cuarto aspecto, la invención proporciona un producto de programa informático que comprende instrucciones que, cuando son ejecutadas en los circuitos de procesamiento de un aerogenerador flotante, configurarán los circuitos de procesamiento para controlar un paso de pala para uno o más rotores del aerogenerador flotante y/o para controlar el par del generador del aerogenerador flotante, comprendiendo las instrucciones: recibir una entrada de un primer movimiento del aerogenerador flotante en un primer intervalo de frecuencias; recibir una entrada de un segundo movimiento del aerogenerador flotante en un segundo intervalo de frecuencias; calcular una o más salidas de amortiguación para amortiguar tanto el primer movimiento como el segundo movimiento en función de la entrada del primer movimiento y la entrada del segundo movimiento; y calcular una salida para controlar un paso de pala de una o más de la pluralidad de palas de rotor en función de una velocidad de rotor real, una velocidad de rotor objetivo y una o más salidas de amortiguación de tal manera que tanto el primer movimiento como el segundo movimiento se amortiguarán.
El producto de programa informático del cuarto aspecto puede proporcionarse en el controlador del primer aspecto y/o en el aerogenerador flotante del segundo aspecto. El producto de programa informático del cuarto aspecto puede usarse para realizar el método del tercer aspecto. En otras palabras, el producto de programa informático puede comprender instrucciones que, cuando son ejecutadas en los circuitos de procesamiento de un aerogenerador flotante, configurarán los circuitos de procesamiento para realizar el método del tercer aspecto.
A continuación se describen características opcionales que pueden combinarse con uno, o más o todos los aspectos de la invención.
La presente invención permite la amortiguación efectiva de los movimientos de diferentes frecuencias. Esto se logra recibiendo tanto una entrada de un primer movimiento en un primer intervalo de frecuencias como una entrada de un segundo movimiento en un segundo intervalo de frecuencias de tal manera que se puedan calcular una o más salidas para amortiguar los movimientos de frecuencia más alta y más baja. Los movimientos son movimientos de cuerpo rígido.
Los controladores de amortiguación activa existentes para aerogeneradores hacen referencia normalmente a la amortiguación de los movimientos de los aerogeneradores flotantes que tienen un período inferior a aproximadamente 50 segundos (aproximadamente 0,02 Hz). El período natural de los movimientos de paso se produce normalmente en el intervalo de aproximadamente 25 a 50 segundos, lo que es significativamente más rápido o más lento que el período de otros movimientos experimentados por un aerogenerador flotante, tales como los movimientos de largada. El período de movimientos de largada, por ejemplo, puede ser de aproximadamente 60 segundos, o incluso ser más largo, de aproximadamente 2 o 3 minutos. Estos movimientos de largada pueden ser provocados por cambios en la velocidad del viento que excitan la frecuencia de largada natural de un aerogenerador y es más probable que se produzcan en aguas más tranquilas. La presente invención puede permitir una amortiguación efectiva del movimiento a múltiples frecuencias, como el movimiento de paso (que es el movimiento amortiguado por los controladores de paso de pala típicos) y el movimiento de largada de frecuencia más baja de los aerogeneradores flotantes. Por tanto, el controlador puede, por ejemplo, amortiguar eficazmente los movimientos, tales como el movimiento de paso y el movimiento de largada, de los aerogeneradores flotantes que se producen en diferentes intervalos de frecuencias.
El controlador está destinado a controlar (es decir, amortiguar) los movimientos del aerogenerador flotante. Por tanto, el controlador puede denominarse controlador de movimiento y/o controlador de movimiento de aerogenerador flotante.
El controlador está destinado a calcular una salida para controlar un paso de pala de una o más de la pluralidad de palas de rotor y/o para controlar el par del generador, por lo que el controlador puede denominarse controlador de paso de pala y/o controlador de par del generador.
El primer movimiento es un movimiento de cuerpo rígido y el segundo movimiento es un movimiento de cuerpo rígido. Los movimientos pueden ser movimientos axiales, p. ej., movimientos de paso y largada. El primer movimiento puede ser movimientos de paso y/o largada en el primer intervalo de frecuencias y el segundo movimiento puede ser movimientos de paso y/o largada en el segundo intervalo de frecuencias (p. ej., inferior). El controlador puede ser útil para aerogeneradores flotantes en ubicaciones con un clima de escaso oleaje. Esto se debe a que, en estos lugares, las cargas inducidas por el viento pueden dominar las cargas de amarre generales y las cargas de amarre pueden ser provocadas por movimientos a una frecuencia diferente a la de otros movimientos significativos que se desea amortiguar. Por tanto, la presente invención puede permitir, por ejemplo, la reducción de cargas excesivas en un sistema de amarre del aerogenerador flotante, prolongando de este modo la vida útil del sistema de amarre además de reducir las cargas en la propia estructura del aerogenerador. El primer movimiento y/o el segundo movimiento pueden ser movimientos axiales, es decir, paso y/o largada. El primer movimiento puede ser, o comprender, un movimiento de paso y/o un movimiento de largada. El primer intervalo de frecuencias puede ser de aproximadamente 0,02 a 0,05 Hz, u opcionalmente dentro del intervalo de aproximadamente 0,03 a 0,04 Hz. Este intervalo de frecuencias puede referirse a cualquier movimiento (o movimiento axial) del aerogenerador flotante que tenga una frecuencia natural o impulsada dentro de este intervalo.
Los movimientos del aerogenerador flotante que se producen dentro de estos intervalos pueden estar dominados por los movimientos de paso, pero también pueden incluir otros tipos de movimientos.
El primer movimiento puede tener un período inferior a aproximadamente 50 segundos.
El segundo movimiento puede ser, o comprender, un movimiento de largada, por ejemplo, un movimiento de largada de baja frecuencia.
Tanto el primer movimiento como el segundo movimiento pueden comprender un movimiento de largada, pero a frecuencias diferentes.
El segundo intervalo de frecuencias puede ser de aproximadamente 0,006 a 0,010 Hz, u opcionalmente dentro del intervalo de aproximadamente 0,007 a 0,009 Hz. Este intervalo de frecuencias puede referirse a cualquier movimiento (o movimiento axial) del aerogenerador flotante que tenga una frecuencia natural o impulsada dentro de este intervalo. Los movimientos del aerogenerador flotante que se producen dentro de estos intervalos pueden estar dominados por los movimientos de largada, pero también pueden incluir otros tipos de movimientos.
El segundo movimiento puede tener un período superior a aproximadamente 60 segundos, tal como de aproximadamente 2 a 3 minutos.
El primer rango de frecuencias puede ser un rango de frecuencias más alto que el rango de frecuencias del segundo rango de frecuencias. El primer intervalo de frecuencias y el segundo intervalo de frecuencias pueden ser diferentes y/o no superponerse.
La entrada del primer movimiento y/o la entrada del segundo movimiento pueden ser una velocidad. Por tanto, las una o más salidas para amortiguar tanto el primer movimiento como el segundo movimiento pueden basarse en la velocidad del primer movimiento y en la velocidad del segundo movimiento. La velocidad puede ser una velocidad medida o estimada.
La entrada del primer movimiento y/o la entrada del segundo movimiento pueden ser, cada una, una medición o estimación de la velocidad de un cuerpo rígido. Pueden tratarse de mediciones de la velocidad de un cuerpo rígido o estimaciones de diferentes intervalos de frecuencias.
La medición o estimación de la velocidad del primer movimiento y/o segundo movimiento podría ser una estimación basada en una medición de movimiento, velocidad y/o aceleración.
La entrada del primer movimiento puede ser (o comprender) una velocidad de paso del aerogenerador medida o estimada.
La entrada del segundo movimiento puede ser (o comprender) una velocidad de largada del aerogenerador medida o estimada.
El controlador de amortiguación activa puede estar dispuesto para recibir la entrada del primer movimiento y/o la entrada del segundo movimiento.
La entrada del primer movimiento y/o la entrada del segundo movimiento pueden medirse y/o estimarse usando la salida de uno o más sensores.
La entrada del primer movimiento puede medirse y/o estimarse usando la salida de un primer sensor. El primer sensor puede configurarse para proporcionar una salida indicativa de los movimientos en el primer intervalo de frecuencias.
La entrada del segundo movimiento puede medirse y/o estimarse usando la salida de un segundo sensor. El segundo sensor puede configurarse para proporcionar una salida indicativa de los movimientos en el segundo intervalo de frecuencias.
La entrada del primer movimiento y/o la entrada del segundo movimiento pueden medirse y/o estimarse usando la salida de diferentes sensores.
Esto se debe a que diferentes sensores pueden tener diferentes parámetros de filtrado y/o control que hacen que el sensor sea más adecuado y/o necesario para obtener mediciones de movimientos en diferentes intervalos de frecuencias. De manera adicional o como alternativa, los sensores primero y segundo pueden ser diferentes tipos de sensores.
La entrada del primer movimiento puede obtenerse a partir de la salida de un sensor de movimiento (p. ej., un sensor de velocidad y/o un acelerómetro, etc.), es decir, el primer sensor puede ser un sensor de movimiento. El primer sensor puede ser una unidad de referencia de movimiento (MRU). El primer sensor puede estar destinado a medir los movimientos de cuerpo rígido (p. ej., movimientos axiales de cuerpo rígido, tales como el paso y/o largada) en el primer intervalo de frecuencias.
La salida del primer sensor puede filtrarse de modo que solamente mide los movimientos con una frecuencia dentro del primer intervalo de frecuencias.
La salida del segundo sensor puede filtrarse de modo que solamente mide los movimientos con una frecuencia dentro del segundo intervalo de frecuencias.
El sensor de movimiento para detectar el movimiento del aerogenerador se puede colocar en cualquier punto del aerogenerador. Por ejemplo, el sensor puede colocarse en la base de la torre del aerogenerador, en la góndola del aerogenerador o en cualquier punto a lo largo de la torre del aerogenerador. El sensor de movimiento puede configurarse para medir los movimientos de paso del aerogenerador, p. ej., los movimientos de paso en el primer intervalo de frecuencias.
La entrada del segundo movimiento puede obtenerse a partir de la salida de un sistema de posicionamiento global (GPS), tal como un sistema de posicionamiento global diferencial (DGPS), es decir, el segundo sensor puede ser un GPS (o un DGPS). El sistema de posicionamiento global puede usarse para medir los movimientos de largada del aerogenerador, p. ej., los movimientos de largada en el segundo intervalo de frecuencias.
Se puede usar cualquier otro medio de detección apropiado para medir los movimientos de paso y largada de forma individual, separada o simultánea.
El controlador puede comprender una unidad de procesamiento de señales. La unidad de procesamiento de señales puede configurarse para tomar mediciones sin procesar de los sensores y aplicar una o más técnicas de estimación para estimar la velocidad del primer movimiento y/o el segundo movimiento del aerogenerador.
Las técnicas de estimación pueden comprender el filtrado de Kalman. Por ejemplo, una medición de un sistema de posicionamiento global diferencial puede combinarse con técnicas de estimación, tales como el filtrado de Kalman, para estimar el segundo movimiento, p. ej., la velocidad de largada.
El controlador comprende un filtro de paso bajo. El filtro de paso bajo puede configurarse para filtrar los cambios en la velocidad de un punto de la estructura con frecuencias superiores a la frecuencia natural de las oscilaciones del cuerpo rígido debido al paso. El filtro puede ser un filtro de paso bajo Butterworth de orden segundo o tercero. Tales filtros pueden configurarse para garantizar que solamente las oscilaciones con las frecuencias deseadas se amortigüen activamente y no produzcan demasiada variación en la velocidad de rotor.
El controlador/método de amortiguación activa puede estar destinado a proporcionar un control de amortiguación activa del primer movimiento (p. ej., el movimiento de paso del aerogenerador flotante) y para proporcionar un control de amortiguación activa del segundo movimiento (p. ej., el movimiento de largada del aerogenerador flotante).
El control de amortiguación activa del segundo movimiento (p. ej., el movimiento de largada del aerogenerador flotante) puede estar destinado a reducir las cargas en el sistema de amarre.
El controlador de amortiguación activa comprende dos bucles de control, es decir, un primer bucle de control y un segundo bucle de control. Los dos bucles de control pueden ser independientes.
El primer bucle de control puede estar destinado a proporcionar un control de amortiguación activa del primer movimiento (p. ej., el movimiento de paso del aerogenerador flotante).
El segundo bucle de control puede estar destinado a proporcionar un control de amortiguación activa del segundo movimiento (p. ej., el movimiento de largada del aerogenerador flotante).
El primer bucle de control y el segundo bucle de control incluyen diferentes filtros y/o diferentes ajustes de parámetros. Esto significa que cada bucle de control se adapta y/u optimiza para los movimientos respectivos.
El primer bucle de control recibe la entrada del primer movimiento, p. ej., una entrada de un sensor de movimiento que se proporciona en la estructura del aerogenerador flotante.
El segundo bucle de control recibe la entrada del segundo movimiento, p. ej., una entrada de o basada en datos de un sistema de posicionamiento global diferencial.
El primer bucle de control puede estar destinado a calcular una salida para amortiguar el primer movimiento y el segundo bucle de control puede estar destinado a calcular una salida para amortiguar el segundo movimiento.
La salida para amortiguar el primer movimiento y/o el segundo movimiento puede ser una o más de una señal de referencia de velocidad de rotor, un ajuste del paso de pala y/o un ajuste del par del generador.
El controlador de amortiguación activa puede configurarse para calcular una señal de referencia de velocidad de rotor, un ajuste del paso de pala y/o un ajuste del par del generador en función del movimiento del aerogenerador flotante en un primer intervalo de frecuencias y/o en función de un movimiento del aerogenerador flotante en un segundo intervalo de frecuencias.
El controlador de amortiguación activa puede configurarse para calcular una primera señal de referencia de velocidad de rotor, un primer ajuste del paso de pala y/o un primer ajuste del par del generador en función de un movimiento del aerogenerador flotante en un primer intervalo de frecuencias, una segunda señal de referencia de velocidad de rotor, un segundo ajuste del paso de pala y/o un ajuste de par del segundo generador en función de un movimiento del aerogenerador flotante en un segundo intervalo de frecuencias y/o una señal de referencia de velocidad de rotor combinada, un ajuste de paso de pala combinado y/o un ajuste del par del generador combinado en función de un movimiento del aerogenerador flotante en un primer intervalo de frecuencias y un movimiento en un segundo intervalo de frecuencias.
El controlador puede estar dispuesto para controlar un paso de pala de una o más de la pluralidad de palas de rotor en función de una velocidad de rotor real, una velocidad de rotor objetivo y la salida del controlador de amortiguación activa, que puede comprender una o más de una primera señal de referencia de velocidad de rotor adicional, un primer ajuste de paso de pala, una segunda señal de referencia de velocidad de rotor adicional, un segundo ajuste de paso de pala, una señal de referencia de velocidad de rotor adicional combinada y/o un ajuste de paso de pala combinado.
El controlador puede estar dispuesto para controlar un par del generador en función de una velocidad de rotor, real, una velocidad de rotor objetivo y la salida del controlador de amortiguación activa, que puede comprender una o más de una primera señal de referencia de velocidad de rotor adicional, un primer ajuste del par del generador, una segunda señal de referencia de velocidad de rotor adicional, un segundo ajuste del par del generador, una señal de referencia de velocidad de rotor adicional combinada y/o un ajuste del par del generador combinado.
El controlador puede comprender uno o más convertidores. El convertidor puede ser, o comprender, un controlador PI, un controlador PID, una función de transferencia, una ecuación no lineal, alguna otra función o algún otro medio de conversión para convertir un error de velocidad de rotor en un ajuste del paso de pala y/o un ajuste del par del generador. El convertidor puede ser, o puede formar parte de, un sistema de control de aerogenerador.
El controlador puede comprender un controlador estándar además del controlador de amortiguación activa. El controlador estándar puede estar destinado a calcular la salida para controlar un paso de pala de una o más de la pluralidad de palas de rotor y/o a controlar el par del generador. El controlador estándar puede estar destinado a recibir una o más salidas del controlador de amortiguación activa. El controlador estándar también puede recibir la velocidad de rotor real y la velocidad de rotor objetivo.
La salida puede estar destinada a controlar el paso de las palas del rotor de forma colectiva. Por tanto, el controlador puede estar destinado a proporcionar un control colectivo del paso de pala.
La velocidad de rotor real puede ser la velocidad a la que gira el rotor del aerogenerador flotante.
La velocidad de rotor objetivo puede ser la velocidad de rotor óptima para la potencia de salida. La velocidad de rotor objetivo puede denominarse velocidad de rotor deseada y/o velocidad de rotor óptima.
Por debajo de la velocidad nominal del viento, la velocidad de rotor objetivo puede ser la velocidad de rotor alcanzable óptima para la velocidad del viento dada. Por encima de la velocidad nominal del viento, la velocidad de rotor objetivo puede ser la velocidad máxima de potencia de salida en el escenario en el que el aerogenerador no se mueve.
La velocidad de rotor objetivo y el(los) ajuste(s) de velocidad de rotor primero y segundo o combinado(s) para amortiguar el primer movimiento y el segundo movimiento puede(n) combinarse para dar una referencia de velocidad de rotor. La velocidad de rotor real puede restarse de la referencia de velocidad de rotor para proporcionar un error de velocidad de rotor. El error de velocidad de rotor (es decir, la diferencia entre la velocidad de rotor real y la velocidad de rotor objetivo ajustada para amortiguar los movimientos) se puede convertir en un ajuste del paso de pala y/o en un ajuste del par del generador.
El ajuste del paso de pala y/o el ajuste del par del generador pueden hacer que cambie la velocidad de rotor real. Esto puede ser para reducir la diferencia entre la velocidad de rotor real y la velocidad de rotor de referencia para reducir el error de velocidad de rotor. El ajuste del paso de pala y/o el ajuste del par del generador se pueden usar para controlar el aerogenerador para que el error de velocidad de rotor tienda a cero.
El ajuste del paso de pala y/o el ajuste del par del generador pueden provocar una velocidad de rotor óptima, al tiempo que proporcionan fuerzas para amortiguar los movimientos primero y segundo y/o para evitar la amortiguación negativa de los movimientos primero y/o segundo.
El controlador de amortiguación activa puede comprender un primer bucle de control (es decir, una ley de control) que calcula una primera señal de referencia de velocidad de rotor adicionalWrefi(que puede ser la salida para amortiguar el primer movimiento). La señal de referencia de velocidad de rotor adicional puede calcularse en función de la velocidad medida o estimada del primer movimiento xi, una ganancia del controladorKiy un filtro, p. ej.,hi(s).
La ley de control puede escribirse en forma de
hi(s) puede ser un filtro de paso bajo de segundo orden. El filtro puede tener una forma de Laplace. hi(s) puede como sigue:
Wcpuede ser la frecuencia de filtro de paso bajo.Wcpuede ser, por ejemplo:
m c
1 -—20rad/s
i0
s puede ser la variable de Laplace.
El controlador de amortiguación activa puede comprender un segundo bucle de control (es decir, una ley de control) que calcula una segunda señal de referencia de velocidad de rotor adicionalWref2(que puede ser la salida para amortiguar el segundo movimiento). La segunda señal de referencia de velocidad de rotor adicional puede calcularse en función de la velocidad medida o estimada del segundo movimientoX2 ,una ganancia del controladorK2y un filtro, p. ej.,h2 (s).
La ley de control puede escribirse en forma de
ít)r e f 2 ~ ^ 20 0 ^ 2 ^ 2
h<2>(s) puede ser un filtro de paso bajo de segundo orden. El filtro puede tener una forma de Laplace. h<2>(s) puede ser como sigue:
Wcpuede ser la frecuencia de filtro de paso bajo.Wcpuede ser, por ejemplo:
cúcc = — 100 rad/s
spuede ser lavariable de Laplace.
La ganancia del controlador y/o la frecuencia de filtro de paso bajo son diferentes entre los bucles de control primero y segundo. Esto puede permitir que el primer bucle de control sea adecuado para el primer movimiento y que el segundo bucle de control sea adecuado para el segundo movimiento.
La frecuencia de filtro de paso bajo para el primer bucle de control y el segundo bucle de control se establece según el primer intervalo de frecuencias y el segundo intervalo de frecuencias, respectivamente.
X1yX2pueden medirse y/o estimarse usando la salida de diferentes sensores (como se ha analizado anteriormente).
Wref1yWref2pueden ser las salidas para amortiguar tanto un primer movimiento como un segundo movimiento (es decir, respectivamente).Wref1yWref2pueden combinarse para proporcionar una señal de referencia de velocidad de rotor adicional combinada que se proporciona como salida para amortiguar tanto el primer movimiento como el segundo movimiento.
Wref1yWref2se pueden convertir (por separado o en conjunto) en el controlador de amortiguación activa o en el controlador estándar en un ajuste del paso de pala y/o un ajuste del par del generador.
Wref1yWref2pueden combinarse con la velocidad de rotor objetivoWref0para proporcionar una señal de referencia de velocidad de rotor totalWref.En otras palabras
La velocidad de rotor realWrpuede tomarse de la señal de referencia de velocidad de rotor objetivo totalWrefpara obtener un error de velocidad de rotorWerror.El error de velocidad de rotorWerrorpuede usarse para calcular un ajuste del paso de pala y/o el par del generador. Como incluye,Wreny Wree, el ajuste del paso de pala y/o el par del generador pueden provocar que el primer movimiento y el segundo movimiento se amortigüen.
El controlador puede comprender un único convertidor (p. ej., en el controlador estándar) para convertir todas las señales de velocidad de rotor (p. ej., una vez combinadas) en un ajuste del paso de pala y/o un ajuste del par del generador. Como alternativa, el controlador puede comprender múltiples convertidores para convertir las señales de velocidad de rotor por separado en ajustes del paso de pala y/o ajustes del par de generador. Los ajustes del paso de pala y/o los ajustes del par del generador pueden combinarse para proporcionar un ajuste del paso de pala total y/o un ajuste del par del generador total que se usan para controlar el aerogenerador flotante.
Por encima de la velocidad nominal del viento, el controlador puede usarse para evitar la amortiguación negativa del primer movimiento y/o el segundo movimiento.
El controlador/método puede usarse para controlar el aerogenerador flotante cuando el viento está por encima de la velocidad nominal del viento.
El controlador/método puede proporcionar un control de amortiguación activa adicional del segundo movimiento del aerogenerador flotante además de proporcionar un control de amortiguación activa del primer movimiento del aerogenerador flotante (donde los dos movimientos están dentro de diferentes intervalos de frecuencias).
El controlador/método puede amortiguar los movimientos en un primer intervalo de frecuencias que pueden dar lugar a cargas en la estructura del aerogenerador flotante y amortiguar los movimientos en un segundo intervalo de frecuencias que pueden dar lugar a cargas en el sistema de amarre de la estructura del aerogenerador flotante. Esto puede ser particularmente eficaz en lugares con un clima de escaso oleaje donde las cargas inducidas por el viento (que pueden mitigarse con el paso de pala y/o el control del par del generador) dominan las cargas generales de amarre.
El aerogenerador flotante puede ser un aerogenerador flotante tipo boya de espeque. El aerogenerador flotante puede sujetarse en el fondo oceánico mediante el uso de un sistema de amarre, tal como amarras y/o una o más patas articuladas. Como alternativa, el aerogenerador flotante puede ser un aerogenerador flotante tipo semisumergible o cualquier otra clase de aerogenerador flotante.
El aerogenerador flotante puede comprender el primer sensor y/o el segundo sensor.
La invención puede ser un controlador adicional o un software adicional. Esto puede disponerse para llevar a cabo el método o al menos parte del método. El software puede almacenarse en un medio físico o en una solución de almacenamiento basada en la nube o en cualquier otro medio adecuado.
El controlador puede adaptarse a un aerogenerador flotante existente. Esto se puede lograr proporcionando al aerogenerador flotante existente la(s) entrada(s) adicional(es), el(los) sensor(es) adicional(es) y/o el código/software adicional o actualizado.
El controlador de amortiguación activa puede ser un código que se usa para proporcionar una o más salidas (tales como referencia(s) de velocidad de rotor, ajuste(s) del paso de pala y/o ajuste(s) del par del generador) que se pueden usar para amortiguar el primer movimiento y/o el segundo movimiento.
Si bien el controlador/método se describe en relación con la amortiguación de un primer movimiento de un primer intervalo de frecuencias y un segundo movimiento de un segundo intervalo de frecuencias, el controlador/método puede amortiguar movimientos adicionales en intervalos de frecuencia adicionales. Por tanto, la invención puede estar destinada a amortiguar una pluralidad de movimientos de una pluralidad respectiva de intervalos de frecuencias. Esto se puede lograr proporcionando bucles de control separados para cada intervalo de frecuencias. Cada bucle de control puede comprender un filtrado u otros parámetros para el intervalo de frecuencias particular para el que está diseñado a fin de amortiguar los movimientos. Se puede proporcionar una entrada separada (opcionalmente cada una a partir de sensores separados) para cada movimiento en un intervalo de frecuencias diferente.
A continuación se describirán algunas realizaciones a modo de ejemplo solamente y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La Figura 1 es una gráfica de la fuerza de empuje del rotor en función de la velocidad del viento para un aerogenerador flotante de 2,3 MW que usa un sistema convencional de control del paso de pala;
La Figura 2 es un espectro de potencia típico de oscilaciones en una instalación de aerogenerador flotante;
La Figura 3 es un diagrama esquemático de un sistema de control del paso de pala con control de vibraciones para un aerogenerador de base fija;
La Figura 4 es un diagrama de bloques de un controlador para un aerogenerador flotante;
Las Figuras 5A, 5B y 5C son controladores alternativos para un aerogenerador flotante;
Las Figuras 6 y 7 son gráficas que muestran los resultados de una simulación que compara un aerogenerador flotante con un controlador que tuvo en cuenta los movimientos dentro de un primer intervalo de frecuencias solamente con un aerogenerador flotante con un controlador que tuvo en cuenta los movimientos en un primer intervalo de frecuencias y los movimientos en un segundo intervalo de frecuencias.
La Figura 4 ilustra un controlador 10 de paso de pala que puede tener en cuenta los movimientos en diferentes intervalos de frecuencias que puede experimentar un aerogenerador flotante. La Figura 4 ilustra un controlador de paso de pala que comprende un controlador 12 de amortiguación activa para calcular los ajustes del paso de pala<^ 2>y<^ 3>para amortiguar un primer movimiento (p. ej., paso y/o largada) en un primer intervalo de frecuencias y un segundo movimiento (p. ej., largada) en un segundo intervalo de frecuencias, respectivamente. El controlador 12 de amortiguación activa está acoplado a un controlador 14 de paso de pala estándar. El controlador 10 de paso de pala puede funcionar de la manera descrita a una velocidad nominal del viento o superior a la misma.
El controlador 14 estándar resta una velocidad de rotor real del aerogeneradorWrde una velocidad de rotor de referencia del aerogeneradorWreta. La velocidad de rotor de referencia w<re/0>es una velocidad de rotor objetivo a la que el aerogenerador puede funcionar con la máxima eficiencia cuando el aerogenerador flotante no se mueve. Por lo tanto, el medio 14 de control de paso estándar intenta corregir continuamente el paso de las palas del rotor de la turbina para acercar la velocidad de rotor realWrlo más posible a la velocidad de rotor objetivoWref0. Sin embargo, el medio 14 de control de paso estándar no tiene en cuenta ningún movimiento de la propia estructura del aerogenerador.
El controlador 12 de amortiguación activa en la Figura 4 comprende un primer bucle 16 de control de amortiguación para calcular una salida para amortiguar los movimientos del cuerpo rígido del aerogenerador en un primer intervalo de frecuencias (que puede ser, o comprender, movimientos de paso) y un segundo bucle 18 de control de amortiguación activa para calcular una segunda salida para amortiguar los movimientos del cuerpo rígido del aerogenerador en un segundo intervalo de frecuencias (que puede ser, o comprender, movimientos de largada).
En el primer bucle 16 de control de amortiguación activa, el primer medio 20 de procesamiento de señales procesa una primera velocidad medida o estimada del aerogeneradorvp(que puede denominarse *<1>) y, a continuación, operada por la primera ganancia del controlador activoKpy la primera función de transferencia del controlador de amortiguación activahp(s),que produce una primera señal de ajuste del paso de pala adicional3<2>. De manera similar, en el segundo bucle 18 de control de amortiguación activa, el segundo medio 22 de procesamiento de señales procesa una segunda velocidad medida o estimada del aerogenerador v<s>(que puede denominarse* 2)y, a continuación, operada por la segunda ganancia del controlador activoKsy la segunda función de transferencia del controlador h<s>(s), que produce una segunda señal de ajuste del paso de pala adicional3 3.
El primer bloque 20 de procesamiento de señales en el primer bucle 16 de control de amortiguación para un aerogenerador que se muestra en la Figura 4 usa un filtro de paso bajo nítido con una frecuencia de filtro que está suficientemente por debajo del intervalo de frecuencias de las olas (0,05 a 0,2 Hz) para evitar la amortiguación del movimiento inducido por las olas, lo que conduciría a un mal rendimiento con respecto a los parámetros clave del aerogenerador. La frecuencia del filtro puede depender de la frecuencia natural de paso del aerogenerador flotante. Puede oscilar entre 0,04 y 0,05 Hz.
El segundo bloque 22 de procesamiento de señales en el segundo bucle 18 de control de amortiguación usa un filtro de paso bajo nítido similar con una frecuencia de filtro que está suficientemente por debajo del primer intervalo de frecuencias para minimizar la amortiguación de los movimientos en el primer intervalo de frecuencias. La frecuencia del filtro puede ser de alrededor de 0,01 a 0,02 Hz.
El valor de las ganancias de amortiguación activa se ajustará en función de los movimientos que se estén amortiguando. El valor exacto que se usa para este parámetro se puede encontrar mediante la sintonización convencional del controlador. De hecho, las ganancias de amortiguación activa primera y segundaKpyKsmostradas en la Figura 4 también tendrán normalmente valores diferentes para tener en cuenta los diferentes niveles de amortiguación que pueden requerirse para los movimientos en los intervalos de frecuencias primero y segundo.
La Figura 5A muestra un ejemplo de un controlador 30 de paso de pala para un aerogenerador flotante que usa convertidores en forma de controladores 31,33 y 35 integrales proporcionales (PI). Este controlador 30 de paso de pala también comprende un controlador 34 estándar y un controlador 32 de amortiguación activa similar al controlador 10 de la Figura 4.
Este controlador 30 particular usa un controlador PI para cada uno de los bucles 36, 38 de control de amortiguación primero y segundo y un controlador 35 PI para el medio 34 de control de paso de pala estándar. De manera similar al controlador de la Figura 4, el primer bucle 36 de control de amortiguación usa una primera ganancia de amortiguación activaKp,representada como un primer bloque 37 de ganancia de amortiguación activa, que funciona con una señal procesada a partir de la primera velocidad medida o estimadavpdel aerogenerador antes de procesarse por un primer controlador 31 PI. El primer controlador 31 PI comprende circuitos de procesamiento que son capaces de convertir una salida del primer bloque 37 de ganancia de amortiguación activa para producir un primer ajuste del paso de pala adicional<3 2>.
De manera similar, el segundo bucle 38 de control de amortiguación usa una segunda ganancia de amortiguación activaKs ,representada como un segundo bloque 39 de ganancia de amortiguación activa, que funciona con una señal procesada a partir de la segunda velocidad medida o estimada v<s>del aerogenerador antes de procesarse por un segundo controlador 33 PI. El segundo controlador 38 PI comprende circuitos de procesamiento que son capaces de convertir una salida del segundo bloque 39 de ganancia de amortiguación activa para producir un segundo ajuste del paso de pala adicional<£ 3>.
Los ajustes del paso de pala adicionales<£ 2>y<£ 3>se combinan con el ajuste del paso de pala<£ 1>del controlador 34 estándar para proporcionar un ajuste del paso de pala total£ retque se usa para controlar el aerogenerador para amortiguar los movimientos primero y segundo y hacer que la velocidad de rotorWrtienda hacia la velocidad de rotor objetivoWreta.Esto es con el fin de reducir las fuerzas sobre la estructura del aerogenerador y el sistema de amarre al tiempo que se maximiza la potencia de salida para la velocidad del viento dada. El controlador 30 puede funcionar de la manera descrita a una velocidad nominal del viento o superior a la misma.
En la Figura 5B se muestra un controlador 40 alternativo. Esto es similar al controlador 30 mostrado en la Figura 5A, excepto que usa un único controlador 41 PI para los bucles de control primero y segundo del controlador 42 de amortiguación activa en lugar de dos, como se muestra en la Figura 5A. La Figura 5B muestra un controlador 44 estándar y un controlador 42 de amortiguación activa en donde el controlador 42 de amortiguación activa comprende el único controlador 41 PI , bloques 46, 48 de procesamiento de señales primero y segundo y un bloques 47, 49 de ganancia de amortiguación activa primero y segundo. El controlador 44 estándar está configurado para combinar el ajuste del paso de pala estándar<£ 1>con un ajuste del paso de pala adicional combinado<£ 4>, donde el ajuste del paso de pala adicional combinado<£ 4>es la suma del primer ajuste del paso de pala adicional<£ 2>y el segundo ajuste del paso de pala adicional<£ 3>. La combinación del ajuste del paso de pala estándar<£ 1>y el ajuste del paso de pala adicional combinado<£ 4>proporciona el ajuste del paso de pala total£ ref.El controlador 40 alternativo puede funcionar de la manera descrita a la velocidad nominal del viento o por encima de ella.
Si bien los controladores 10, 30 y 40 de las Figuras 4, 5A y 5B se ilustran como controladores de paso de pala, pueden calcular de manera adicional o como alternativa un ajuste del par del generador que puede usarse para controlar el aerogenerador para orientar la velocidad de rotor realWrhacia la velocidad de rotor objetivoWretamientras se amortiguan los movimientos primero y segundo. Esto también puede tener el efecto de reducir las fuerzas sobre la estructura del aerogenerador y el sistema de amarre al tiempo que se maximiza la potencia de salida para la velocidad del viento dada.
En la Figura 5C se muestra otro controlador 50 de aerogenerador flotante para amortiguar un primer movimiento y un segundo movimiento de diferentes frecuencias. Esto también comprende un controlador 54 estándar y un controlador 52 de amortiguación activa.
Este controlador 50 recibe una entrada del primer movimientovp(que puede ser una velocidad medida o estimada del aerogenerador en un primer intervalo de frecuencias) y la procesa usando el procesamiento 56 de señales y la ganancia 57 de amortiguación activaK ppara convertirla en una primera señal de velocidad de rotor adicional<W ret1>. El controlador 50 recibe una entrada del segundo movimiento v<s>(que puede ser una velocidad medida o estimada del aerogenerador en un segundo intervalo de frecuencias) y la procesa usando el procesamiento 58 de señales y la ganancia 59 de amortiguación activaK spara convertirla en una segunda señal de velocidad de rotor adicionalWret2. Wreny<w>ree son salidas que sirven para amortiguar el primer movimiento y el segundo movimiento, respectivamente. El procesamiento 56 y 58 de señales puede adaptarse cada uno al intervalo de frecuencias de interés para ese bucle de control. El controlador 50 puede funcionar de la manera descrita a una velocidad nominal del viento o superior a la misma.
Las señales de velocidad de rotor adicionalWret1yWret2para amortiguar los movimientos primero y segundo se combinan con la señal de velocidad de rotor objetivow ty la velocidad de rotor realWrse resta para proporcionar un error de velocidad de rotorw error.Usando el convertidor 51, el error de velocidad de rotorwse convierte en una señal de ajuste del paso de pala£re ty/o en una señal de ajuste del par del generadorTgret,que sirve para controlar el aerogenerador flotante. El convertidor 51 puede ser cualquier medio conocido para convertir una señal de velocidad de rotor en una señal de ajuste del paso de pala y/o una señal del par del generador, tal como un controlador PI, un controlador PID, una función de transferencia, una ecuación no lineal y/o algún otro sistema de control de aerogenerador.
Al igual que con los otros controladores 10, 30 y 40 de las Figuras 4, 5A y 5B, la señal de ajuste del paso de pala£ rety/o la señal de ajuste del par del generadorTretse pueden usar para controlar el aerogenerador para orientar la velocidad de rotor realWrhacia la velocidad de rotor objetivow tmientras se amortiguan también los movimientos primero y segundo. Esto puede dar lugar a la reducción de las fuerzas sobre la estructura del aerogenerador y el sistema de amarre al tiempo que se maximiza la potencia de salida para la velocidad del viento dada.
El controlador 50 de la Figura 5C usa un convertidor 51 con entradas desde el controlador 52 de amortiguación activa y el controlador 54 estándar.
El orden en el que se suman las contribuciones de cada uno del controlador de amortiguación activa y del controlador estándar o si han sido procesadas por un controlador PI (o algún otro convertidor) puede variar entre las diferentes implementaciones del controlador.
Las características comunes entre los diversos controladores ilustrativos para un aerogenerador flotante son que el controlador comprende un controlador de amortiguación activa y un controlador estándar. El controlador de amortiguación activa recibe una entrada del primer movimiento y una entrada separada del segundo movimiento que tienen frecuencias diferentes. Estos movimientos son movimientos de cuerpo rígido, en particular movimientos axiales como el paso y/o la largada. Las entradas pueden ser mediciones y/o estimaciones de la velocidad de los movimientos. Las entradas pueden basarse en las salidas de diferentes sensores. Por ejemplo, la velocidad de un primer movimiento de frecuencia más alta puede basarse en la salida de un sensor de movimiento proporcionado en el aerogenerador flotante. La velocidad de un segundo movimiento de frecuencia más baja puede basarse en la salida de un sistema de posicionamiento global diferencial.
El controlador de amortiguación activa calcula una o más salidas (p. ej., dos salidas separadas o una salida combinada) que provocan la amortiguación de los movimientos primero y segundo. Las salidas pueden ser una o más señales adicionales de velocidad de rotor, señales de ajuste del paso de pala y/o señales de ajuste del par del generador.
Estas salidas del controlador de amortiguación activa se combinan con la velocidad de rotor real y la velocidad de rotor objetivo para proporcionar una salida para controlar el paso de pala real y/o el par del generador del aerogenerador flotante. Esta salida está destinada a amortiguar eficazmente el primer movimiento y el segundo movimiento. Esto puede reducir las cargas tanto en la estructura del aerogenerador como en la estructura de amarre que pueden ser provocadas por los diferentes tipos de movimiento de diferentes frecuencias.
Debido a que se proporcionan bucles de control y/o entradas separados con respecto al primer movimiento y al segundo movimiento de diferentes frecuencias, se pueden adaptar a las diferentes frecuencias de modo que se pueda lograr una amortiguación eficaz de ambos tipos de movimientos.
Las Figuras 6 y 7 muestran los resultados de una simulación para ayudar a ilustrar los beneficios del control del aerogenerador que tiene en cuenta los movimientos de diferentes frecuencias. La Figura 6 muestra los movimientos de largada para un aerogenerador flotante con un controlador conocido y con un controlador que tiene en cuenta los movimientos de dos frecuencias diferentes (en este caso, movimientos de paso de frecuencia más alta y movimientos de largada de frecuencia más baja). La Figura 7 muestra la tensión de la amarra en la amarra con mayor carga de la misma simulación. La simulación compara escenarios donde el aerogenerador flotante usa un controlador de paso de pala con amortiguación activa para los movimientos de paso solamente con un aerogenerador flotante que tiene un controlador con amortiguación activa para movimientos de paso de frecuencia más alta y movimientos de largada de frecuencia más baja.
En esta simulación, se modeló un aerogenerador flotante tipo boya de espeque de 8 MW con tres amarras. Las Figuras 6 y 7 representan una instantánea de la simulación entre 700 y 1700 segundos, donde la duración total de la simulación fue de 2700 segundos. Los parámetros de la simulación incluyeron que la velocidad media del viento fue de 14 ms-1, hubo una intensidad de turbulencia del 8,9 %, las alturas significativas de las olas se establecieron en 1,8 m y el período máximo característico fue de 13,8 s.
En cuanto a la simulación de 2700 segundos para este conjunto particular de valores de parámetros, se descubrió que la resistencia a la fatiga de la amarra aumenta en un factor de 3,68 en el caso de la amortiguación activa combinada para los movimientos de paso y los movimientos de largada (es decir, teniendo en cuenta los movimientos de dos intervalos de frecuencias diferentes), en comparación con la de la amortiguación activa únicamente para los movimientos de paso (es decir, teniendo en cuenta los movimientos dentro de un intervalo de frecuencias).

Claims (20)

REIVINDICACIONES
1. Un controlador (10; 30; 40; 50) para un aerogenerador flotante que comprende un rotor con una pluralidad de palas de rotor conectadas a un generador, en donde el controlador comprende:
un controlador (12; 32; 42; 52) de amortiguación activa para calcular una o más salidas para amortiguar tanto un primer movimiento del aerogenerador flotante en un primer intervalo de frecuencias como un segundo movimiento del aerogenerador flotante en un segundo intervalo de frecuencias en función de una entrada del primer movimiento y una entrada del segundo movimiento; en donde el primer movimiento es un movimiento de cuerpo rígido y el segundo movimiento es un movimiento de cuerpo rígido;
en donde el controlador de amortiguación activa comprende un primer bucle (16; 36) de control y un segundo bucle (18; 38) de control, en donde el primer bucle de control recibe la entrada del primer movimiento y el segundo bucle de control recibe la entrada del segundo movimiento,
en donde el controlador de amortiguación activa comprende un filtro de paso bajo, en donde una primera frecuencia de filtro de paso bajo para el primer bucle de control y una segunda frecuencia de filtro de paso bajo para el segundo bucle de control se establecen según el primer intervalo de frecuencias y el segundo intervalo de frecuencias, respectivamente, y
en donde el controlador (10; 30; 40; 50) está dispuesto para calcular una salida para controlar el paso de pala de una o más de la pluralidad de palas de rotor y/o para controlar un par del generador en función de una velocidad de rotor real, una velocidad de rotor objetivo y una o más salidas del controlador de amortiguación activa de tal manera que tanto el primer movimiento como el segundo movimiento se amortiguarán.
2. Un controlador (10; 30; 40; 50) según la reivindicación 1, en donde el primer movimiento comprende movimientos de paso y/o largada en el primer intervalo de frecuencias y el segundo movimiento comprende movimientos de paso y/o largada en el segundo intervalo de frecuencias, en donde el primer intervalo de frecuencias es superior al segundo intervalo de frecuencias.
3. Un controlador (10; 30; 40; 50) según la reivindicación 1 o 2, en donde la entrada del primer movimiento es una velocidad medida o estimada del primer movimiento y la entrada del segundo movimiento es una velocidad medida o estimada del segundo movimiento.
4. Un controlador (10; 30; 40; 50) según la reivindicación 1, 2 o 3, en donde la entrada del primer movimiento se mide y/o estima usando una salida de un primer sensor y la entrada del segundo movimiento se mide y/o estima usando una salida de un segundo sensor.
5. Un controlador (10; 30; 40; 50) según la reivindicación 4, en donde el primer sensor es un sensor de movimiento y/o el segundo sensor es un sensor de posicionamiento global.
6. Un controlador (10; 30; 40; 50) según cualquier reivindicación precedente, en donde la salida para amortiguar el primer movimiento y/o el segundo movimiento comprende una o más de una señal de referencia de velocidad de rotor adicional, un ajuste del paso de pala adicional y/o un ajuste del par del generador adicional.
7. Un controlador (10; 30; 40; 50) según cualquier reivindicación precedente, en donde la salida para controlar el paso de pala de una o más de la pluralidad de palas de rotor comprende un ajuste del paso de pala total y/o en donde la salida para controlar el par del generador comprende un ajuste del par del generador total.
8. Un aerogenerador flotante que comprende un rotor con una pluralidad de palas de rotor conectadas a un generador, y el controlador (10; 30; 40; 50) de cualquier reivindicación precedente.
9. Un método para controlar el paso de pala y/o el par del generador de un aerogenerador flotante, en donde el aerogenerador flotante comprende un rotor con una pluralidad de palas de rotor conectadas a un generador, comprendiendo el método:
recibir, en un primer bucle de control, una entrada de un primer movimiento del aerogenerador flotante en un primer intervalo de frecuencias, en donde una primera frecuencia de filtro de paso bajo para el primer bucle de control se establece según el primer intervalo de frecuencias, y en donde el primer movimiento es un movimiento de cuerpo rígido;
recibir, en un segundo bucle de control, una entrada de un segundo movimiento del aerogenerador flotante en un segundo intervalo de frecuencias, en donde una segunda frecuencia de filtro de paso bajo para el segundo bucle de control se establece según el segundo intervalo de frecuencias, y en donde el segundo movimiento es un movimiento de cuerpo rígido;
calcular una o más salidas de amortiguación para amortiguar tanto el primer movimiento como el segundo movimiento en función de la entrada del primer movimiento y la entrada del segundo movimiento; y
calcular una salida para controlar el paso de pala de una o más de la pluralidad de palas de rotor y/o para controlar el par del generador en función de una velocidad de rotor real, una velocidad de rotor objetivo y una o más salidas de amortiguación de tal manera que tanto el primer movimiento como el segundo movimiento se amortiguarán.
10. Un método según la reivindicación 9, en donde el primer movimiento comprende movimientos de paso y/o largada en el primer intervalo de frecuencias y el segundo movimiento comprende movimientos de paso y/o largada en el segundo intervalo de frecuencias, en donde el primer intervalo de frecuencias es superior al segundo intervalo de frecuencias.
11. Un método según la reivindicación 9 o 10, en donde la entrada del primer movimiento es una velocidad medida o estimada del primer movimiento y la entrada del segundo movimiento es una velocidad medida o estimada del segundo movimiento.
12. Un método según la reivindicación 9, 10 u 11, en donde la entrada del primer movimiento se mide y/o estima usando la salida de un primer sensor y la entrada del segundo movimiento se mide y/o estima usando la salida de un segundo sensor.
13. Un método según la reivindicación 12, en donde el primer sensor es un sensor de movimiento y/o el segundo sensor es un sensor de posicionamiento global.
14. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, en donde las una o más salidas de amortiguación comprenden uno o más de una señal de referencia de velocidad de rotor adicional, un ajuste del paso de pala adicional y/o un ajuste del par del generador adicional.
15. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, en donde la salida para controlar un paso de pala de una o más de la pluralidad de palas de rotor comprende un ajuste del paso de pala total y/o en donde la salida para controlar el par del generador comprende un ajuste del par del generador total.
16. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 15, en donde el método se realiza usando el controlador de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.
17. Un producto de programa informático que comprende instrucciones que, cuando son ejecutadas en los circuitos de procesamiento de un aerogenerador flotante, configurarán los circuitos de procesamiento para llevar a cabo el método de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 16.
18. Un controlador, producto de programa informático o método según lo reivindicado en cualquier reivindicación precedente, en donde la amortiguación tiene lugar a la velocidad nominal del viento o por encima de la misma.
19. Un controlador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde la primera frecuencia de filtro —rad/s — rad/s
de paso bajo es<20>y la segunda frecuencia de filtro de paso bajo es 100 .
20. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 16, en donde la primera frecuencia de filtro de —rad/s — rad/s
paso bajo es 20 y la segunda frecuencia de filtro de paso bajo es 100 .
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019105296A1 (de) * 2019-03-01 2020-09-03 Wobben Properties Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage, Reglerstruktur, Windenergieanlage und Windpark
CN116696668A (zh) * 2022-02-28 2023-09-05 金风科技股份有限公司 一种风力发电机的振动控制方法和相关装置
EP4686827A1 (en) * 2024-08-02 2026-02-04 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Motion control of an offshore wind turbine

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2442719A (en) * 2006-10-10 2008-04-16 Iti Scotland Ltd Wave and wind power generation system
DK2063110T4 (da) * 2007-11-26 2019-09-23 Siemens Ag Fremgangsmåde til dæmpning af tårnvibrationer af en vindmølle og hældningsstyresystem
ES2528743T3 (es) * 2008-04-02 2015-02-12 Siemens Aktiengesellschaft Método de amortiguación de vibraciones de la torre de una turbina eólica y sistema de control para turbinas eólicas
GB2466649B (en) * 2008-12-30 2014-01-29 Hywind As Blade pitch control in a wind turbine installation
GB0907132D0 (en) * 2009-04-24 2009-06-03 Statoilhydro Asa Wave energy extraction
US8169098B2 (en) * 2010-12-22 2012-05-01 General Electric Company Wind turbine and operating same
EP2489872B1 (en) 2011-02-15 2013-03-20 SSB Wind Systems GmbH & Co. KG Blade load reduction for wind turbine
JP6187935B2 (ja) 2011-11-04 2017-08-30 国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 浮体式洋上風力発電施設の制御装置
EP2620639B1 (en) 2012-01-30 2016-01-27 ALSTOM Renewable Technologies A method for dampening oscillations in a wind turbine
JP5443629B1 (ja) * 2012-08-28 2014-03-19 三井造船株式会社 洋上風力発電装置および風力タービン制御装置
GB201223088D0 (en) * 2012-12-20 2013-02-06 Statoil Asa Controlling motions of floating wind turbines
JP6388759B2 (ja) * 2013-05-29 2018-09-12 エムエイチアイ ヴェスタス オフショア ウィンド エー／エス 浮体式風力発電装置
CN103541861B (zh) 2013-10-30 2016-02-24 新疆金风科技股份有限公司 浮动式风电机组塔架负阻尼抑制系统和方法
US10619623B2 (en) * 2013-12-09 2020-04-14 Verstas Wind Systems A/S Selective wind turbine damping using active damping system
EP3080445A1 (en) * 2013-12-09 2016-10-19 Vestas Wind Systems A/S Counteracting tower oscillations of an idling wind turbine
DK201470481A1 (en) * 2014-08-13 2015-08-17 Vestas Wind Sys As Improvements relating to wind turbine operation
JP6352778B2 (ja) * 2014-11-17 2018-07-04 三菱重工業株式会社 浮体式風力発電装置及びその運転方法
JP6506664B2 (ja) 2015-09-10 2019-04-24 株式会社日立製作所 風力発電システムまたは風力発電システムの制御方法
CN110192028B (zh) * 2016-11-29 2022-05-24 海文德股份公司 用于浮式风力涡轮机结构的控制系统
EP3580452B1 (en) * 2017-02-10 2023-07-19 Vestas Wind Systems A/S Position based vibration reduction of nacelle movement
CN110446853B (zh) 2017-03-21 2021-01-01 维斯塔斯风力系统集团公司 用于管理风力涡轮机塔架的扭转振荡的系统和方法
EP3667074A1 (en) * 2018-12-13 2020-06-17 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Device and method of damping front and backward movements of a tower of a wind turbine
DK4102057T3 (da) 2021-06-11 2026-02-09 Wobben Properties Gmbh Fremgangsmåde til styring af rotorhastigheden af en vindmølle

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GB201919010D0 (en) 2020-02-05
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CN115135871A (zh) 2022-09-30
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GB2591732B (en) 2022-03-16
GB2591732A (en) 2021-08-11
BR112022012048B1 (pt) 2023-12-12
GB2591732C (en) 2026-01-28
EP4077920A1 (en) 2022-10-26
AU2020410032B2 (en) 2023-05-11
AU2020410032A1 (en) 2022-07-28
AU2020410032C1 (en) 2024-01-18
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US20230054921A1 (en) 2023-02-23
EP4077920B1 (en) 2025-07-02
WO2021125966A1 (en) 2021-06-24
JP7440636B2 (ja) 2024-02-28
KR20220117316A (ko) 2022-08-23
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