ES3056236T3 - Methods for operating wind turbines and charging auxiliary power sources - Google Patents

Methods for operating wind turbines and charging auxiliary power sources

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ES3056236T3
ES3056236T3 ES21383137T ES21383137T ES3056236T3 ES 3056236 T3 ES3056236 T3 ES 3056236T3 ES 21383137 T ES21383137 T ES 21383137T ES 21383137 T ES21383137 T ES 21383137T ES 3056236 T3 ES3056236 T3 ES 3056236T3
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Marc Sala
Benjamin Palethorpe
Luca Vita
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Abstract

La presente divulgación se refiere a métodos para operar aerogeneradores (10) y cargar una o más fuentes de energía auxiliares (84) para suministrar energía auxiliar a uno o más aerogeneradores (10). Un método comprende inclinar las palas del aerogenerador (22) a un ángulo de paso en vacío predeterminado, de modo que el aerogenerador (42) produzca energía para cargar una o más fuentes de energía auxiliares (84) por encima de una velocidad del viento predeterminada. El método también comprende mantener el ángulo de paso (25) de las palas (22) al ángulo de paso en vacío y cargar las fuentes de energía auxiliares (84) cuando la velocidad del viento predominante alcanza o supera la velocidad del viento predeterminada. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN
[0002] Procedimientos para operar turbinas eólicas y cargar fuentes de potencia auxiliares
[0003] La presente divulgación se refiere a procedimientos para operar turbinas eólicas, en particular a procedimientos que incluyen cargar fuentes de potencia auxiliares para proporcionar potencia auxiliar a una o más turbinas eólicas. La presente divulgación se refiere además a turbinas eólicas.
[0004] Antecedentes
[0005] Las turbinas eólicas modernas se usan comúnmente para suministrar electricidad a la red eléctrica. Las turbinas eólicas de esta clase comprenden en general una torre y un rotor dispuesto en la torre. El rotor, que típicamente comprende un buje y una pluralidad de palas, se pone en rotación bajo la influencia del viento en las palas. Dicha rotación genera un par de torsión que se transmite normalmente a través de un eje de rotor a un generador, directamente ("directamente accionado" o "sin engranajes") o bien a través del uso de una caja de engranajes. De esta forma, el generador produce electricidad que se puede suministrar a la red eléctrica.
[0006] El buje de turbina eólica se puede acoplar de forma rotatoria a una parte frontal de la góndola. El buje de turbina eólica se puede conectar a un eje de rotor y a continuación el eje de rotor se puede montar de forma rotatoria en la góndola usando uno o más rodamientos de eje de rotor dispuestos en un bastidor en el interior de la góndola. La góndola es una carcasa dispuesta en la parte superior de una torre de turbina eólica que puede contener y proteger la caja de engranajes (si está presente) y el generador (si no está colocado en el exterior de la góndola) y, dependiendo de la turbina eólica, otros componentes, tales como un convertidor de potencia y sistemas auxiliares.
[0007] Una turbina eólica en general comprende sistemas eléctricos tales como sistemas de control depitch, sistemas de regulación de temperatura y ventilación, sistemas de comunicación, sistemas de bomba de aceite y otros que requieren energía eléctrica para operar. La potencia para operar estos sistemas se puede obtener de la red eléctrica o generador de turbina eólica.
[0008] Si se produce una pérdida de red, es decir, si la turbina eólica se ve impedida por cualquier motivo de obtener potencia de la red eléctrica y suministrar potencia a la red, algunos de los sistemas eléctricos de la turbina eólica pueden dejar de funcionar. Para extender la operación de al menos algunos sistemas eléctricos de la turbina eólica cuando la red no está disponible, se pueden proporcionar uno o más dispositivos de almacenamiento de energía y/o suministro de energía. Por ejemplo, se puede proporcionar un sistema basado en baterías, supercondensadores tales como fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS) o uno o más generadores diésel.
[0009] Si una o más turbinas eólicas de un parque eólico se desconectan de la red eléctrica, las turbinas eólicas desconectadas se pueden configurar para entrar en un denominado modo isla. Mientras una turbina eólica está en modo isla, algunos sistemas eléctricos de turbina eólica pertinentes, por ejemplo, sistemas de comunicación y sistemas de ventilación, pueden seguir operando hasta que la energía eléctrica proporcionada por las fuentes de potencia auxiliares también se agote.
[0010] Mientras están desconectadas de la red, y para proteger las turbinas eólicas de cargas excesivas, las turbinas eólicas en general se ponen en marcha en vacío. Es decir, las palas de turbina eólica se pueden situar, por ejemplo, en una posición de bandera de aproximadamente 90° con respecto al plano de rotor para rotar lentamente, por ejemplo, a 1 rpm. Una turbina eólica puede estar en dicho modo de isla hasta que se recupere la conexión de red, siempre que una cantidad de potencia auxiliar disponible sea realmente suficiente para reiniciar. El documento EP 1696122 A2 divulga un procedimiento para controlar una central de energía eólica en una situación excepcional tal como una situación de fallo o cuando la velocidad del viento excede una velocidad máxima normal determinada para el uso de producción. El intervalo preferente para los ángulos depitches de 82 - 87°.
[0011] [0008]Para mantener los sistemas auxiliares críticos operativos durante periodos de tiempo más largos, se puede requerir una gran cantidad de dispositivos de suministro/fuente de alimentación y/o dispositivos de suministro/fuente de alimentación relativamente grandes. Es conocido, por ejemplo, proporcionar generadores diésel o paneles solares para proporcionar potencia durante un periodo de tiempo prolongado. Además, si el tamaño y/o número de fuentes de potencia auxiliares todavía no es suficiente, por ejemplo, para suministrar energía eléctrica durante varios días o semanas, puede ser necesario ir al sitio de turbina eólica y recargar/repostar, por ejemplo, los generadores diésel. Esto puede ser en particular lento y costoso para turbinas eólicas marinas. El documento US 2020/166017 divulga la operación de una turbina eólica que usa una unidad de almacenamiento de potencia, tal como una batería recargable, para alimentar un grupo de unidades consumidoras de potencia durante una pérdida de red. La turbina eólica comprende una serie de unidades consumidoras de potencia que se agrupan en al menos un primer grupo y un segundo grupo, un primer convertidor eléctrico para conectar el generador a la red eléctrica y un segundo convertidor eléctrico para conectar el generador eléctrico a la unidad de almacenamiento de potencia. Tras detectar una aparición de la pérdida de red, el generador se opera para garantizar potencia suficiente de la unidad de almacenamiento de potencia para operar el primer grupo de unidades consumidoras de potencia.
[0012] Puede haber otros escenarios donde se puede evitar que una turbina eólica obtenga potencia de la red eléctrica y/o donde las fuentes de potencia auxiliares de una turbina eólica pueden estar al menos parcialmente agotadas y puede ser beneficioso cargarlas. Por ejemplo, si se suministra demasiada potencia a la red eléctrica, puede que se requiera que algunas turbinas eólicas reduzcan o paren de suministrar energía a la red. En lugar de apagar las turbinas eólicas, se pueden poner en una condición de marcha en vacío. Dependiendo de la disponibilidad de la red eléctrica para obtener potencia de ella para operar sistemas eléctricos pertinentes de la turbina eólica, puede ser necesario el uso de dispositivos de almacenamiento de energía.
[0013] La presente divulgación tiene como objetivo proporcionar mejoras para tener un suministro suficiente de potencia auxiliar disponible cuando sea necesario y durante periodos de tiempo más largos.
[0014] Breve explicación
[0015] En un aspecto de la presente divulgación, se proporciona un procedimiento para operar una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 1. La turbina eólica comprende un rotor de turbina eólica que incluye una pluralidad de palas y un generador de turbina eólica. La turbina eólica está configurada para suministrar energía eléctrica desde el generador a una o más fuentes de potencia auxiliares en modo autónomo. El procedimiento comprende determinar si se cumple una condición predeterminada para la operación de marcha en vacío de la turbina eólica. Si se cumple la condición predeterminada para la operación de marcha en vacío, el procedimiento comprende ademáspitchearlas palas a un ángulo depitchde marcha en vacío de modo que el generador de turbina eólica produce potencia para cargar las fuentes de potencia auxiliares durante la marcha en vacío por encima de una velocidad del viento predeterminada. El procedimiento comprende además mantener el ángulo depitchde las palas en el ángulo depitchde marcha en vacío durante la marcha en vacío y cargar las fuentes de potencia auxiliares cuando una velocidad del viento vigente (“prevailing wind speed”) alcanza o excede la velocidad del viento predeterminada.
[0016] De acuerdo con este aspecto, si se cumple una determinada condición para la operación de marcha en vacío, la turbina eólica sepitcheaa un ángulo depitchde marcha en vacío predeterminado y este ángulo depitchse mantiene independientemente de la velocidad del viento vigente. Cuando una velocidad del viento vigente está en o por encima de una velocidad del viento predeterminada, las fuentes de potencia auxiliares para proporcionar potencia auxiliar a una o más turbinas eólicas se pueden cargar, ya que la velocidad de rotación del rotor en marcha en vacío puede ser lo suficientemente alta como para comenzar la carga. Sin embargo, cuando una velocidad del viento vigente está por debajo de la velocidad del viento predeterminada, la velocidad de rotación puede no ser suficiente para permitir la carga y, por lo tanto, las fuentes de potencia auxiliares pueden no cargarse. Por tanto, se proporciona una operación de marcha en vacío depitchfija que minimiza el uso de potencia para mantener la operación de marcha en vacío y, al mismo tiempo, puede cargar las fuentes de potencia auxiliares y mantener las cargas en la turbina eólica a niveles aceptables.
[0017] De esta forma, aunque tal vez no de inmediato, las fuentes de potencia auxiliares pueden terminar cargándose y los sistemas eléctricos pertinentes en la turbina eólica pueden mantenerse operativos durante un periodo de tiempo más largo. Además, la turbina eólica está en una mejor posición para poder reiniciar cuando las condiciones en la red y del viento lo permitan. Se pueden requerir menos fuentes de potencia auxiliares en una turbina eólica o parque eólico, y/o se puede reducir el tamaño de las fuentes de potencia auxiliares.
[0018] A lo largo de esta divulgación, una condición para la operación de marcha en vacío se puede entender como una condición que una turbina eólica puede detectar, por ejemplo, midiendo uno o más parámetros tales como velocidad del viento, velocidad de rotación del rotor, disponibilidad de la red eléctrica para obtener energía de ella, cargas, vibraciones y más, y que sirve como desencadenante parapitchearlas palas de turbina eólica a un ángulo depitchde marcha en vacío predeterminado. En algunos ejemplos, una condición para la operación de marcha en vacío se puede relacionar con un riesgo excesivo de daño a la turbina eólica. Por ejemplo, si se detecta dicha condición para la operación de marcha en vacío, que se puede denominar condición de peligro, la turbina eólica está configurada parapitchearsus palas para evitar, o al menos reducir el riesgo, de dañarse. En otros ejemplos, se pueden detectar otras situaciones que desencadenan elpitcheode las palas a un ángulo depitchde marcha en vacío predeterminado.
[0019] A lo largo de esta divulgación, fuentes de potencia auxiliares se pueden referir a sistemas o dispositivos configurados al menos en parte para almacenar energía eléctrica que se puede suministrar a determinados componentes de la turbina eólica para alimentarlos, por ejemplo, si la red eléctrica no está disponible. Se pueden usar al menos una o más baterías y supercondensadores tales como fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS). Los términos tales como fuentes de potencia auxiliares, fuentes de energía almacenada y dispositivos/sistemas de almacenamiento de energía se pueden usar de manera intercambiable en el presente documento.
[0020] A lo largo de esta divulgación, un ángulo depitchde una pala de turbina eólica se puede entender como un ángulo que se puede medir, en sección transversal, entre una línea de referencia y una cuerda de la pala. La línea de referencia puede estar sustancialmente paralela, por ejemplo, incluida, en un plano de rotor de turbina eólica en algunos ejemplos. En el presente documento, un ángulo depitchde marcha en vacío se puede entender como un ángulo depitchseleccionado para la operación de marcha en vacío. De acuerdo con los ejemplos, el ángulo depitchde marcha en vacío no es de 90° o una posición de "bandera" de las palas, sino que cuando las palas de turbina eólica se sitúan en este ángulo, el generador de turbina eólica comienza a poder suministrar potencia a las fuentes de potencia auxiliares cuando se alcanza, por ejemplo, supera, una velocidad del viento predeterminada, y la turbina eólica no puede generar potencia por debajo de la velocidad del viento predeterminada. El ángulo depitchde marcha en vacío se puede seleccionar de modo que esta capacidad de producir/no producir potencia se produzca a una velocidad del viento particular. El ángulo depitchde marcha en vacío también se puede seleccionar de modo que la turbina eólica no se daña a velocidades del viento altas. Velocidades del viento altas se pueden referir a velocidades del viento por encima de una velocidad de desconexión, por ejemplo, por encima de 25 m/s, y se pueden referir en particular a velocidades de viento significativamente mayores que la velocidad de desconexión, por ejemplo, 50 m/s o más, 60 m/s o más, o 70 m/s o más a lo largo de esta divulgación.
[0021] Por lo tanto, una velocidad de viento predeterminada se puede referir en el presente documento a una velocidad de viento umbral por encima de la que la turbina eólica, que tiene sus palas en el ángulo depitchde marcha en vacío, puede suministrar potencia a fuentes de potencia auxiliares, y por debajo de la que la turbina eólica no puede hacerlo. Se puede elegir un ángulo depitchde marcha en vacío adecuado para maximizar un intervalo de velocidades del viento en el que se cargan una o más fuentes de alimentación auxiliares de la turbina eólica, así como para evitar daño de turbina eólica cuando una velocidad del viento es excesivamente alta. De esta forma, se puede lograr un buen equilibrio entre un periodo de tiempo disponible para cargar una o más fuentes de energía almacenada del parque eólico o la turbina mientras se minimiza un riesgo de daño de turbina eólica cuando el viento es demasiado fuerte.
[0022] A lo largo de esta divulgación, se puede entender que una turbina eólica está en operación ("operación normal") cuando su rotor está rotando a una velocidad que es lo suficientemente alta como para producir potencia, la red eléctrica está disponible y el generador de la turbina eólica está produciendo energía eléctrica que se transfiere a la red eléctrica. El término "operación normal" se puede usar en el presente documento para referirse explícitamente a dicha situación y diferenciarla explícitamente de la operación de una turbina eólica en, por ejemplo, un modo autónomo.
[0023] A lo largo de esta divulgación, el término "modo autónomo" se puede referir a un modo de operación de una turbina eólica en el que la turbina eólica se desconecta de la red y la turbina eólica está configurada para operar independientemente de la operación de red eléctrica. En este modo, la energía eléctrica se puede obtener de fuentes de potencia auxiliares para mantener operativos los sistemas eléctricos críticos de turbina eólica, por ejemplo, uno o más sistemas de comunicación, sistemas de regulación de temperatura y ventilación, sistemas de lubricación de rodamiento, sistemas de control y luces de navegación.
[0024] Cuando se hace referencia a lo largo de esta divulgación al hecho de que una turbina eólica se desconecta (eléctricamente) de la red, se puede entender que se evita que una turbina eólica suministre y obtenga energía eléctrica a/de la red.
[0025] A lo largo de esta divulgación, la operación de marcha en vacío se puede referir a una turbina eólica que tiene su rotor rotando relativamente lento pero que no proporciona energía eléctrica a la red eléctrica. Por lo tanto, una turbina eólica se puede poner en marcha en vacío en modo autónomo. En algunos ejemplos, una turbina eólica en operación de marcha en vacío puede cargar sistemas de potencia auxiliares.
[0026] Aún en otro aspecto de la presente divulgación, se proporciona una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 14, que incluye un sistema de control configurado para llevar a cabo ejemplos de los procedimientos descritos en el presente documento.
[0027] Breve descripción de los dibujos
[0028]
[0029] La figura 1 ilustra una vista en perspectiva de un ejemplo de una turbina eólica;
[0030] la figura 2 ilustra una vista interna simplificada de un ejemplo de la góndola de la turbina eólica de la figura 1; la figura 3 muestra un diagrama de flujo de un ejemplo de un procedimiento para operar una turbina eólica; las figuras 4A, 4B y 4C ilustran esquemáticamente diferentes ángulos depitchde una pala de turbina eólica de acuerdo con un ejemplo;
[0031] La figura 5 ilustra esquemáticamente un ejemplo de una turbina eólica conectada a una red eléctrica y a una o más fuentes de potencia auxiliares; y
[0032] la figura 6 muestra un diagrama de flujo de otro ejemplo de un procedimiento para operar una turbina eólica.
[0033] Descripción detallada de ejemplos
[0034] Ahora se hará referencia en detalle a modos de realización de la presente divulgación, de los que uno o más ejemplos se ilustran en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona solo a modo de explicación, no como limitación. De hecho, será evidente para los expertos en la técnica que se pueden realizar diversas modificaciones y variaciones en la presente divulgación. Por ejemplo, las características ilustradas o descritas como parte de un modo de realización se pueden usar con otro modo de realización para proporcionar todavía otro modo de realización. Por tanto, se pretende que la presente divulgación cubra dichas modificaciones y variaciones como vienen dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.
[0035] La figura 1 es una vista en perspectiva de un ejemplo de una turbina eólica 10. En el ejemplo, la turbina eólica 10 es una turbina eólica de eje horizontal. De forma alternativa, la turbina eólica 10 puede ser una turbina eólica de eje vertical. En el ejemplo, la turbina eólica 10 incluye una torre 15 que se extiende desde un sistema de soporte 14 en un suelo 12, una góndola 16 montada en la torre 15 y un rotor 18 que se acopla a la góndola 16. El rotor 18 incluye un buje rotatorio 20 y al menos una pala de rotor 22 acoplada a y que se extiende hacia afuera desde el buje 20. En el ejemplo, el rotor 18 tiene tres palas de rotor 22. En un modo de realización alternativo, el rotor 18 incluye más o menos de tres palas de rotor 22. La torre 15 se puede fabricar de acero tubular para definir una cavidad (no mostrada en la figura 1) entre un sistema de soporte 14 y la góndola 16. En un modo de realización alternativo, la torre 15 es cualquier tipo adecuado de torre que tiene cualquier altura adecuada. De acuerdo con una alternativa, la torre puede ser una torre híbrida que comprende una parte hecha de hormigón y una parte de acero tubular. Además, la torre puede ser una torre de celosía parcial o total.
[0036] Las palas de rotor 22 se espacian alrededor del buje 20 para facilitar la rotación del rotor 18 para permitir que la energía cinética se transfiera del viento a energía mecánica utilizable y, posteriormente, energía eléctrica. Las palas de rotor 22 se engranan al buje 20 acoplando una región de raíz de pala 24 al buje 20 en una pluralidad de regiones de transferencia de carga 26. Las regiones de transferencia de carga 26 pueden tener una región de transferencia de carga de buje y una región de transferencia de carga de pala (ninguna mostrada en la figura 1). Las cargas inducidas a las palas de rotor 22 se transfieren al buje 20 por medio de las regiones de transferencia de carga 26.
[0037] En ejemplos, las palas de rotor 22 pueden tener una longitud que varía de aproximadamente 15 metros (m) a aproximadamente 90 m o más. Las palas de rotor 22 pueden tener cualquier longitud adecuada que permita que la turbina eólica 10 opere como se describe en el presente documento. Por ejemplo, los ejemplos no limitantes de longitudes de pala incluyen 20 m o menos, 37 m, 48,7 m, 50,2 m, 52,2 m o una longitud que es mayor de 91 m. Cuando el viento golpea las palas de rotor 22 desde una dirección del viento 28, el rotor 18 rota alrededor de un eje de rotor 30. A medida que las palas de rotor 22 se rotan y se someten a fuerzas centrífugas, las palas de rotor 22 también se someten a diversas fuerzas y momentos. Como tales, las palas de rotor 22 se pueden desviar y/o rotar desde una posición neutra, o no desviada, a una posición desviada.
[0038] Además, un ángulo depitchde las palas de rotor 22, por ejemplo, un ángulo que determina una orientación de las palas de rotor 22 con respecto a la dirección del viento, se puede cambiar por un sistema depitch32 para controlar la carga y la potencia generada por la turbina eólica 10 ajustando una posición angular de al menos una pala de rotor 22 en relación con los vectores de viento. Se muestran los ejes depitch34 de las palas de rotor 22. Durante la operación de la turbina eólica 10, el sistema depitch32 puede cambiar en particular el ángulo depitchde las palas de rotor 22 de modo que se reduce el ángulo de ataque de (partes de) las palas de rotor, lo que facilita reducir la velocidad de rotación y/o facilita un bloqueo del rotor 18.
[0039] En el ejemplo, unpitchde pala de cada pala de rotor 22 se controla individualmente por un controlador de turbina eólica 36 o por un sistema de control depitch80. De forma alternativa, elpitchde pala para todas las palas de rotor 22 se puede controlar simultáneamente por dichos sistemas de control.
[0040] Además, en el ejemplo, a medida que cambia la dirección del viento 28, se puede rotar una dirección de orientación de la góndola 16 alrededor de un eje de orientación 38 para situar las palas de rotor 22 con respecto a la dirección del viento 28.
[0041] [0031]En el ejemplo, el controlador de turbina eólica 36 se muestra como centralizado dentro de la góndola 16, sin embargo, el controlador de turbina eólica 36 puede ser un sistema de control distribuido por toda la turbina eólica 10, en el sistema de soporte 14, dentro de un parque eólico, y/o en un centro de control remoto. El controlador de turbina eólica 36 puede incluir uno o más procesadores configurados para realizar una o más de las etapas de los procedimientos descritos en el presente documento. Además, muchos de los otros componentes descritos en el presente documento incluyen uno o más procesadores. El controlador de turbina eólica 36 también puede incluir una memoria, por ejemplo, uno o más dispositivos de memoria. Como se usa en el presente documento, una memoria puede comprender elemento(s) de memoria incluyendo, 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.
[0043] La figura 2 es una vista en sección ampliada de una parte de la turbina eólica 10. En el ejemplo, la turbina eólica 10 incluye la góndola 16 y el rotor 18 que se acopla de forma rotatoria a la góndola 16. Más específicamente, el buje 20 del rotor 18 se acopla de forma rotatoria a un generador eléctrico 42 situado dentro de la góndola 16 por el eje principal 44, una caja de engranajes 46, un eje rápido 48 y un acoplamiento 50. En el ejemplo, el eje principal 44 se dispone al menos parcialmente coaxial a un eje longitudinal (no mostrado) de la góndola 16. Una rotación del eje principal 44 acciona la caja de engranajes 46 que posteriormente acciona el eje rápido 48, traduciendo el movimiento de rotación relativamente lento del rotor 18 y del eje principal 44 en un movimiento de rotación relativamente rápido del eje rápido 48. Este último se conecta al generador 42 para generar energía eléctrica con la ayuda de un acoplamiento 50. Además, un transformador 90 y/o electrónica, conmutadores y/o inversores adecuados se pueden disponer en la góndola 16 para transformar energía eléctrica generada por el generador 42 que tiene una tensión de entre 400 V a 1000 V en energía eléctrica que tiene tensión media (10 - 35 KV). Las turbinas eólicas marinas pueden tener, por ejemplo, tensiones de generador entre 650 V y 3500 V, y las tensiones de transformador pueden estar, por ejemplo, entre 30 kV y 70 kV. Dicha energía eléctrica se conduce por medio de cables de alimentación desde la góndola 16 a la torre 15.
[0045] En algunos ejemplos, la turbina eólica 10 puede incluir uno o más sensores de eje 51. Los sensores de eje se pueden configurar para monitorizar al menos una de las cargas de par de torsión que actúan sobre el eje principal 44 y/o el eje rápido 48, y una velocidad de rotación del eje 44, 48. En algunos ejemplos, la turbina eólica 10 puede incluir uno o más sensores de generador 53. Los sensores de generador se pueden configurar para monitorizar al menos uno de una velocidad de rotación del generador 42 y un par de torsión de generador. Los sensores de eje 51 y/o sensores de generador 53 pueden incluir, por ejemplo, uno o más sensores de par de torsión (por ejemplo, extensímetros o sensores de presión), sensores ópticos, acelerómetros, sensores magnéticos, sensores de velocidad y unidades de medición microinercial (MIMU).
[0047] La caja de engranajes 46, el generador 42 y el transformador 90 se pueden soportar por un bastidor de estructura de soporte principal de la góndola 16, opcionalmente realizado como un bastidor principal 52. La caja de engranajes 46 puede incluir una carcasa de caja de engranajes que se conecta al bastidor principal 52 por uno o más brazos de par de torsión 103. En el ejemplo, la góndola 16 también incluye un rodamiento de soporte delantero principal 60 y un rodamiento de soporte trasero principal 62. Además, el generador 42 se puede montar en el bastidor principal 52 desacoplando los medios de soporte 54, en particular para evitar que las vibraciones del generador 42 se introduzcan en el bastidor principal 52 y provoquen de este modo una fuente de emisión de ruido.
[0049] Opcionalmente, el bastidor principal 52 está configurado para sostener toda la carga provocada por el peso del rotor 18 y los componentes de la góndola 16 y por las cargas de viento y rotatorias, y además, para introducir estas cargas en la torre 15 de la turbina eólica 10. El eje de rotor 44, generador 42, caja de engranajes 46, eje rápido 48, acoplamiento 50 y cualquier dispositivo de sujeción, soporte y/o fijación asociado incluyendo, pero sin limitarse a, el soporte 52, y el rodamiento de soporte delantero 60 y el rodamiento de soporte posterior 62, a veces se denominan tren de accionamiento 64.
[0051] En algunos ejemplos, la turbina eólica puede ser una turbina eólica de accionamiento directo sin caja de engranajes 46. El generador 42 opera a la misma velocidad de rotación que el rotor 18 en turbinas eólicas de accionamiento directo. Por lo tanto, en general tienen un diámetro mucho más grande que los generadores usados en turbinas eólicas que tienen una caja de engranajes 46 para proporcionar una cantidad similar de potencia a la de una turbina eólica con una caja de engranajes.
[0053] La góndola 16 también puede incluir un mecanismo de accionamiento de orientación 56 que se puede usar para rotar la góndola 16 y de este modo también el rotor 18 alrededor del eje de orientación 38 para controlar la perspectiva de las palas de rotor 22 con respecto a la dirección del viento 28.
[0055] Para situar la góndola 16 apropiadamente con respecto a la dirección del viento 28, la góndola 16 también puede incluir al menos un sistema de medición meteorológica que puede incluir una veleta y un anemómetro. El sistema de medición meteorológica 58 puede proporcionar información al controlador de turbina eólica 36 que puede incluir la dirección del viento 28 y/o la velocidad del viento.
[0057] En el ejemplo, el sistema depitch32 se dispone al menos parcialmente como un conjunto depitch66 en el buje 20. El conjunto depitch66 incluye uno o más sistemas de accionamiento depitch68 y al menos un sensor 70. Cada sistema de accionamiento depitch68 se acopla a una respectiva pala de rotor 22 (mostrada en la figura 1) para modular el ángulo depitchde una pala de rotor 22 a lo largo del eje depitch34. Solo uno de los tres sistemas de accionamiento depitch68 se muestra en la figura 2.
[0058] En el ejemplo, el conjunto depitch66 incluye al menos un rodamiento depitch72 acoplado al buje 20 y a una respectiva pala de rotor 22 (mostrada en la figura 1) para rotar la respectiva pala de rotor 22 alrededor del eje depitch34. El sistema de accionamiento depitch68 incluye un motor de accionamiento depitch74, una caja de engranajes de accionamiento depitch76 y un piñón de accionamiento depitch78. El motor de accionamiento depitch74 se acopla a la caja de engranajes de accionamiento depitch76 de modo que el motor de accionamiento depitch74 imparte fuerza mecánica a la caja de engranajes de accionamiento depitch76. La caja de engranajes de accionamiento depitch76 se acopla al piñón de accionamiento depitch78 de modo que el piñón de accionamiento depitch78 se rota por la caja de engranajes de accionamiento depitch76. El rodamiento depitch72 se acopla al piñón de accionamiento depitch78 de modo que la rotación del piñón de accionamiento depitch78 provoca una rotación del rodamiento depitch72.
[0060] El sistema de accionamiento depitch68 se acopla al controlador de turbina eólica 36 para ajustar el ángulo depitchde una pala de rotor 22 tras recibir una o más señales desde el controlador de turbina eólica 36. En el ejemplo, el motor de accionamiento depitch74 es cualquier motor adecuado accionado por energía eléctrica y/o un sistema hidráulico que permite que el conjunto depitch66 funcione como se describe en el presente documento. De forma alternativa, el conjunto depitch66 puede incluir cualquier estructura, configuración, disposición y/o componentes adecuados tales como, pero sin limitarse a, cilindros hidráulicos, resortes y/o servomecanismos. En determinados modos de realización, el motor de accionamiento depitch74 se acciona por la energía extraída de una inercia de rotación del buje 20 y/o una fuente de energía almacenada (no mostrada) que suministra energía a los componentes de la turbina eólica 10.
[0062] El conjunto depitch66 también puede incluir uno o más sistemas de control depitch80 para controlar el sistema de accionamiento depitch68 de acuerdo con señales de control del controlador de turbina eólica 36, en caso de situaciones prioritarias específicas y/o durante la sobrevelocidad del rotor 18. En el ejemplo, el conjunto depitch66 incluye al menos un sistema de control depitch80 acoplado de forma comunicativa a un respectivo sistema de accionamiento depitch68 para controlar el sistema de accionamiento depitch68 independientemente del controlador de turbina eólica 36. En el ejemplo, el sistema de control depitch80 se acopla al sistema de accionamiento depitch68 y a un sensor 70. Durante la operación normal de la turbina eólica 10, el controlador de turbina eólica 36 puede controlar el sistema de accionamiento depitch68 para ajustar un ángulo depitchde las palas de rotor 22.
[0064] De acuerdo con un modo de realización, un generador de potencia 84 que comprende, por ejemplo, una batería y condensadores eléctricos, se dispone en o dentro del buje 20 y se acopla al sensor 70, al sistema de control depitch80 y al sistema de accionamiento depitch68 para proporcionar una fuente de potencia a estos componentes. En el ejemplo, el generador de potencia 84 proporciona una fuente continua de potencia al conjunto depitch66 durante la operación de la turbina eólica 10. En un modo de realización alternativo, la fuente de potencia 84 proporciona potencia al conjunto depitch66 solo durante un evento de pérdida de energía eléctrica de la turbina eólica 10. El evento de pérdida de energía eléctrica puede incluir pérdida o caída de red de potencia, mal funcionamiento de un sistema eléctrico de la turbina eólica 10 y/o fallo del controlador de turbina eólica 36. Durante el evento de pérdida de energía eléctrica, el generador de potencia 84 opera para proporcionar energía eléctrica al conjunto depitch66 de modo que el conjunto depitch66 puede operar durante el evento de pérdida de energía eléctrica.
[0066] En el ejemplo, el sistema de accionamiento depitch68, el sensor 70, el sistema de control depitch80, los cables y la fuente de potencia 84 se sitúan cada uno en una cavidad 86 definida por una superficie interior 88 del buje 20. En un modo de realización alternativo, dichos componentes se sitúan con respecto a una superficie exterior del buje 20 y se pueden acoplar, directa o indirectamente, a la superficie exterior.
[0068] Como se usa en el presente documento, el término "procesador" no se limita a circuitos integrados a los que se hace referencia en la técnica como ordenador, sino que se refiere en términos generales a un controlador, un microcontrolador, un microordenador, un controlador de lógica programable (PLC), un circuito integrado específico de la aplicación y otros circuitos programables, y estos términos se usan de manera intercambiable en el presente documento.
[0070] En un aspecto de la presente divulgación, se proporciona un procedimiento 100 para operar una turbina eólica 10. La turbina eólica 10 comprende un rotor de turbina eólica 18 que incluye una pluralidad de palas 22 y un generador de turbina eólica 42 (tal como se ilustra en las figuras 1 y 2, por ejemplo). La turbina eólica 10 está configurada para suministrar energía eléctrica desde el generador 42 a una o más fuentes de potencia auxiliares 84 al menos en un modo autónomo. El procedimiento 100 se muestra esquemáticamente en el diagrama de flujo de la figura 3.
[0072] La turbina eólica está configurada para suministrar potencia desde el generador 42 a una fuente de potencia auxiliar al menos en un modo autónomo. Esto quiere decir que, en algunos ejemplos, la turbina eólica está configurada además para suministrar potencia a fuentes de potencia auxiliares también durante la operación normal.
[0073] El procedimiento comprende, en el bloque 110, determinar si se cumple una condición predeterminada para la operación de marcha en vacío de la turbina eólica 10. El procedimiento comprende además, en el bloque 120, si se cumple la condición predeterminada para la operación de marcha en vacío,pitchearlas palas 22 a un ángulo depitchde marcha en vacío 25 de modo que el generador de turbina eólica 42 produce potencia para cargar las fuentes de potencia auxiliares por encima de una velocidad del viento predeterminada. El procedimiento comprende además, en el bloque 130, mantener el ángulo depitch25 de las palas 22 en el ángulo depitchde marcha en vacío 25 y, en el bloque 140, cargar las fuentes de potencia auxiliares 84 cuando una velocidad del viento vigente alcanza o excede la velocidad del viento predeterminada.
[0075] Por lo tanto, cuando, por ejemplo, se detecta una determinada condición que puede poner en peligro la turbina eólica 10 en su totalidad o en parte, las palas de turbina eólica 22 sepitcheana un ángulo depitchde marcha en vacío predeterminado 25 en el que el generador 42 puede producir potencia para cargar una o más fuentes de potencia auxiliares 84. Por ejemplo, una o más fuentes de almacenamiento de energía 84 se pueden proporcionar dentro de la góndola 16 y se pueden conectar eléctricamente al generador 42. El ángulo depitchde marcha en vacío predeterminado 25 se puede seleccionar de modo que las fuentes de potencia auxiliares 84 se cargan una vez que la velocidad del viento alcance un determinado valor (y no se cargan por debajo de ese valor de velocidad del viento). El ángulo depitchde marcha en vacío 25 de las palas 22 se mantiene sustancialmente constante. De esta forma, si la velocidad del viento está por debajo de una determinada velocidad del viento, el generador de turbina eólica 42 no podrá suministrar potencia para cargar las fuentes de potencia auxiliares. Es decir, a velocidades del viento menores, no se genera energía eléctrica por el generador, o la energía eléctrica que se genera no es adecuada para suministrar a una fuente de potencia auxiliar. Se ha descubierto que es necesaria una determinada velocidad de rotación mínima para que el rotor genere energía eléctrica con una forma de onda adecuada, lo que se puede proporcionar a una fuente de potencia auxiliar (por ejemplo, a través de un convertidor de potencia adecuado). Pero si la velocidad del viento alcanza, por ejemplo, supera una determinada velocidad del viento, el generador 42 podrá generar potencia y las fuentes de potencia auxiliares 84 comenzarán a cargarse.
[0077] De esta forma, el número y/o tamaño de las fuentes de almacenamiento de energía, por ejemplo, baterías, ultracondensadores, UPS o generadores diésel, se pueden reducir en comparación con una turbina eólica 10 que no puede realizar el procedimiento 100.
[0079] Una o más fuentes de potencia auxiliares 84 se pueden disponer en cualquier localización adecuada con respecto a la turbina eólica 10. En algunos ejemplos, uno o más dispositivos de almacenamiento de energía 84 se pueden colocar dentro de una góndola 16. En la figura 2, se muestra una fuente de potencia auxiliar 84 para el sistema depitch32 de una pala 22. Se debe entender que dicha fuente de almacenamiento de energía se puede colocar en otras localizaciones en otros ejemplos, por ejemplo, en la torre, en o cerca de la base de la torre, en una pieza de transición y otros. También se debe entender que también se pueden proporcionar otros dispositivos de almacenamiento de energía 84 en el ejemplo de la figura 2 o en otros ejemplos. También se puede disponer una fuente de potencia auxiliar dentro de un parque eólico de modo que pueda suministrar energía eléctrica a más de una turbina eólica 10.
[0081] Se puede entender que "predeterminado" se refiere al hecho de que una condición para la operación de marcha en vacío, un ángulo depitchde marcha en vacío 25 y la velocidad del viento umbral que permite la carga de fuente de alimentación auxiliar se determinan o conocen con antelación, por ejemplo, antes de que se haya detectado una condición para la operación de marcha en vacío y/o antes de que se tenga que adoptar un ángulo depitchde marcha en vacío. Además, se puede entender que "predeterminado" implica que un ángulo depitchde marcha en vacío y una velocidad de viento umbral no se determinan, adaptan, ajustan o identifican de manera continua.
[0083] En algunos ejemplos, se puede seleccionar un ángulo depitchde marcha en vacío 25 de modo que la carga comienza una vez que se alcanza una velocidad de viento específica. El ángulo depitch25 también se puede seleccionar de modo que la turbina eólica 10 no se daña a velocidades del viento altas. Velocidades del viento altas se pueden entender en el presente documento como velocidades del viento por encima de una velocidad de desconexión, por ejemplo, por encima de 25 m/s, y en particular pueden ser significativamente mayores que la velocidad de desconexión. Como las palas 22 se mantienen en el ángulo depitchpredeterminado 25 independientemente de la velocidad del viento vigente, el ángulo depitch25 se debe seleccionar de modo que a velocidades del viento altas, por ejemplo, a 30 m/s, 40 m/s o más, no se inflija daño a la turbina eólica 10. A este respecto, en el procedimiento 100, el ángulo depitchde marcha en vacío 25, una vez adoptado, no se controla, ni activa ni pasivamente, y es fijo.
[0085] [0054]En general, se puede determinar, identificar o conocer una condición para la operación de marcha en vacío antes de instalar una turbina eólica. En algunos ejemplos, se puede determinar una velocidad del viento predeterminada y un ángulo depitchde marcha en vacío antes de instalar una turbina eólica, o durante la instalación o puesta en servicio de la turbina eólica. En otros ejemplos, se puede determinar una velocidad del viento predeterminada y un ángulo depitchde marcha en vacío durante la operación normal o durante la operación autónoma de la turbina eólica. Por ejemplo, si durante la operación normal o autónoma se detecta una condición para la operación de marcha en vacío, o es conocido o se sospecha que se cumplirá una condición para la operación de marcha en vacío en algún momento, por ejemplo, horas o días, se pueden usar pronósticos meteorológicos para determinar una velocidad del viento predeterminada y un ángulo depitchde marcha en vacío. Dicha velocidad del viento predeterminada, en algunos ejemplos, se puede recibir desde un centro operativo remoto.
[0087] En algunos ejemplos, puede ser conocida una distribución estadística de la velocidad del viento en un sitio de turbina eólica durante un determinado periodo de tiempo. Por ejemplo, puede ser conocida la evolución de la velocidad del viento en un sitio de turbina eólica durante varias semanas o meses. En vista de la distribución de velocidad del viento, se puede seleccionar una velocidad del viento umbral adecuada en o por encima de la que la turbina eólica va a comenzar a suministrar potencia a una o más fuentes de potencia auxiliares 84 durante la marcha en vacío. Por ejemplo, la velocidad del viento más probable durante un determinado periodo de tiempo. En otros ejemplos, se puede determinar una velocidad del viento mínima para cargar una o más fuentes de potencia auxiliares 84 al menos un determinado número de veces dentro de un determinado periodo de tiempo, por ejemplo, una vez por semana, a partir de la distribución del viento. A continuación, se puede calcular una velocidad del rotor necesaria para que el generador 42 comience a producir potencia cuando alcanza la velocidad del viento seleccionada. Finalmente, se puede determinar un ángulo depitchde las palas 22 para lograr la velocidad del rotor calculada. Si se cree que un ángulo depitchde marcha en vacío predeterminado puede provocar daño de turbina eólica a velocidades del viento altas, por ejemplo, después de realizar simulaciones por ordenador con un ángulo depitchde marcha en vacío inicialmente elegido, se puede seleccionar otro ángulo depitchde marcha en vacío en su lugar.
[0089] En otro ejemplo, las consideraciones de seguridad, por ejemplo, evitar o reducir las cargas de turbina eólica excesivas a velocidades del viento altas se pueden priorizar cuando se elige un umbral de velocidad del viento y un correspondiente ángulo depitchde marcha en vacío. En base a la distribución estadística de los vientos, se puede calcular una probabilidad de que durante una desconexión de la red de, por ejemplo, dos semanas, se puedan producir velocidades del viento muy altas. En base a dicho cálculo de probabilidad, se puede determinar un ángulo depitchque garantice que, incluso si se producen dichas velocidades del viento altas, las cargas y la velocidad del viento de marcha en vacío todavía serán aceptables. Este enfoque puede dar lugar a un ángulo depitchmayor y, por tanto, a una carga menos frecuente de las fuentes de potencia auxiliares durante la marcha en vacío.
[0091] Se pueden aplicar consideraciones similares si se usan pronósticos meteorológicos para determinar una velocidad del viento predeterminada y un ángulo depitchde marcha en vacío predeterminado.
[0093] A lo largo de esta divulgación, un ángulo depitchde una pala de turbina eólica 22 se puede entender como un ángulo 25 que se puede medir, en sección transversal, entre una línea de referencia 26 y una cuerda de la pala 27, véanse las figuras 4A, 4B y 4C. La línea de referencia 26, indicada como una línea de puntos en las figuras 4A, 4B y 4C, puede ser sustancialmente paralela a un plano de rotor de una turbina eólica 10. Las figuras 4A, 4B y 4C ilustran esquemáticamente una pala 22 en sección transversal. El viento, véase la flecha "TW", puede soplar de izquierda a derecha en estas figuras. La pala de turbina eólica 22 rota en el plano del rotor 18 y se mueve, en esta figura, en dirección hacia abajo, dando como resultado un flujo de viento aparente, véase la flecha "AW" hacia arriba. El viento aparente AW está compuesto por el viento provocado por la rotación de la pala y el viento que sopla contra las palas 22 en una dirección axial TW.
[0095] El lado derecho de los perfiles mostrados en las figuras 4A, 4B y 4C se puede entender como el lado de succión de la pala, mientras que el lado izquierdo se puede entender como el lado de presión de la pala.
[0097] En la figura 4A, la pala está en una posición de referencia para el ángulo depitch25. En la posición de referencia, una cuerda 27 de la pala es sustancialmente paralela a la línea de referencia 26. En la figura 4A, una cuerda 27 de la pala y la línea de referencia 26 se superponen. Por lo tanto, el ángulo depitch25 puede ser 0° o un "ángulo depitchpor defecto". El ángulo depitchpor defecto, o "posición de referencia", puede ser una posición que la pala de turbina eólica 22 mantendrá en un intervalo de velocidades del viento bajas, por ejemplo, de velocidades del viento subnominales.
[0099] En la figura 4B, la pala se hapitcheadolejos de la posición de referencia. Por lo tanto, un ángulo depitch25 en la figura 4B es mayor en la figura 4B que en la figura 4A. En la figura 4C, el ángulo depitch25 se ha incrementado además con respecto a la posición de referencia. Incrementar el ángulo depitch25 en general puede ralentizar el rotor de turbina eólica, es decir, la pala de turbina eólica se establece en una posición en la que está configurada para generar menos sustentación y más arrastre para reducir el par de torsión aerodinámico del rotor de turbina eólica.Pitchearlas palas 22 a aproximadamente 90° desde la posición de referencia puede poner la turbina eólica en una posición de bandera y posiblemente detenerla completamente o al menos reducir en gran medida su velocidad de rotación. La posición de bandera de las palas es la posición en la que se pueden colocar las palas cuando la turbina eólica se estaciona, por ejemplo, para mantenimiento.
[0100] De acuerdo con la invención, el ángulo depitchde marcha en vacío está entre 55° y 75°, y específicamente entre 60° y 75°. Los ángulos depitch25 en este intervalo pueden permitir cargar las fuentes de potencia auxiliares ya a velocidades del viento que se producen con frecuencia, maximizando por lo tanto los periodos de tiempo en los que se produce la carga, así como evitando el daño de turbina eólica a velocidades del viento altas, por ejemplo, por encima de una velocidad de desconexión. En otros ejemplos, otros ángulos depitch25 se pueden considerar adecuados y por lo tanto se pueden establecer como ángulos depitchde marcha en vacío.
[0102] De acuerdo con la invención, el ángulo depitchde marcha en vacío es tal que el rotor 18 rota al menos a 2 rpm, cuando las palas 22 están en el ángulo depitchde marcha en vacío y una velocidad del viento vigente es la velocidad del viento predeterminada. Puede ser necesaria una velocidad mínima de rotación del rotor 18 para que el generador 43 comience a producir potencia y cargar los dispositivos de almacenamiento de energía. Dicha velocidad mínima de rotación puede ser de aproximadamente 2 rpm, y el ángulo depitchpredeterminado se puede establecer de modo que la velocidad mínima de rotación se alcance a una velocidad del viento específica (predeterminada).
[0104] En algunos ejemplos, el ángulo depitchde marcha en vacío puede ser tal que la velocidad del viento predeterminada es de al menos 8 m/s, específicamente al menos 10 m/s, y más específicamente al menos 12 m/s. En algunos de estos ejemplos, la velocidad del viento predeterminada puede estar entre 8, 10 o 12 m/s y 20 m/s. Establecer un ángulo depitchque permite comenzar a cargar a una velocidad del viento de al menos 8 m/s, por ejemplo, a una velocidad del viento de entre 8 m/s y 20 m/s, puede proporcionar un buen equilibrio entre periodos de tiempo en los que es posible la carga y evitar el daño a la turbina eólica a velocidades del viento altas.
[0106] En algunos ejemplos, determinar si se cumple una condición predeterminada para la operación de marcha en vacío puede comprender determinar si está presente una condición peligrosa. Si se determina una condición de operación peligrosa y la turbina eólica no actúa, se puede dañar. Para evitar el daño, las palas de turbina eólica sepitcheanal ángulo depitchde marcha en vacío.
[0108] Se pueden detectar uno o más indicadores de peligro. En algunos ejemplos, se puede determinar si una velocidad del viento vigente está en o por encima de una velocidad de desconexión. La velocidad del viento vigente se puede determinar, por ejemplo, por un sistema de medición meteorológica 58, por ejemplo, un anemómetro de viento. En algunos ejemplos, se puede determinar si una velocidad del rotor 18 está en o por encima de un umbral máximo de velocidad de rotor. Un valor actual de la velocidad de rotor se puede determinar, por ejemplo, por un sensor de eje 51 o un sensor de generador 51. En algunos ejemplos, se puede determinar si una carga de turbina eólica está en o por encima de un umbral de carga. La carga puede incluir al menos una de las fuerzas, tensiones y vibraciones. Se puede usar un sensor de eje 51 para determinar las cargas de turbina eólica. En general, se pueden usar diferentes tipos de sensores dispuestos en diferentes localizaciones de turbina eólica conocidas en la técnica. Si se cumplen una o más de estas condiciones peligrosas, las palas 22 sepitchearánal ángulo depitchde marcha en vacío.Pitchearpuede ayudar a evitar el daño de turbina eólica mientras se obtienen oportunidades para cargar los sistemas de almacenamiento de energía de la turbina eólica y/o el parque eólico.
[0110] En algunos ejemplos, determinar si se cumple una condición predeterminada para la operación de marcha en vacío puede comprender determinar si se cumple una condición para reducir o detener el suministro de potencia a la red eléctrica. Este puede ser el caso, por ejemplo, si la red eléctrica está desequilibrada y la red está recibiendo demasiada potencia, o si existe un alto riesgo de que la turbina eólica se dañe, por ejemplo, si el rotor de la turbina eólica 18 rota demasiado rápido. Si esta determinación es positiva, además depitchearlas palas 22 al ángulo depitchde marcha en vacío, el procedimiento puede comprender además reducir o detener el suministro de potencia a la red eléctrica.
[0112] Además, el procedimiento puede comprender además detener la obtención de potencia de la red eléctrica en algunos ejemplos. En consecuencia, la turbina eólica no podría suministrar potencia a la red ni recibir potencia de la red. A lo largo de esta divulgación, cuando una turbina eólica 10 no suministra, y tampoco obtiene, energía eléctrica a/de la red, se puede decir que la turbina eólica se desconecta (eléctricamente) de la red.Pitchear120 las palas al ángulo depitchde marcha en vacío se puede realizar primero y a continuación la turbina eólica se puede desconectar de la red.
[0114] En algunos ejemplos, determinar si se cumple una condición predeterminada para la operación de marcha en vacío puede comprender determinar si la turbina eólica 10 no puede extraer potencia de la red eléctrica. En algunos ejemplos, puede faltar una conexión física entre la turbina eólica y la red eléctrica, por ejemplo, porque una barra colectora o algunos cables están dañados o rotos. En otros ejemplos, puede estar presente una conexión física entre la turbina eólica y la red eléctrica, pero otros motivos, por ejemplo, fallos eléctricos, pueden evitar que la turbina eólica obtenga potencia de la red. En algunos ejemplos, determinar si se cumple una condición operativa predeterminada puede comprender determinar si la turbina eólica ha perdido su conexión a la red eléctrica, es decir, si además de no poder extraer potencia de la red, la turbina eólica no puede suministrar potencia a la red.
[0115] La determinación de si se cumple una condición predeterminada para la operación de marcha en vacío se puede realizar durante la operación normal de la turbina eólica, es decir, mientras la turbina eólica está suministrando potencia a la red eléctrica, en algunos ejemplos. Por ejemplo, la presencia de una condición peligrosa para la turbina eólica y si la turbina eólica puede o no suministrar y/o extraer potencia a/de la red eléctrica se puede comprobar durante la operación normal de la turbina eólica.
[0117] Si la etapa de determinar 110 se realiza mientras la turbina eólica está en un modo de operación normal, la turbina eólica 10 puede comenzar un modo de operación autónomo en algunos ejemplos. En este modo, los sistemas eléctricos pertinentes de la turbina eólica se pueden alimentar por fuentes de potencia auxiliares para mantenerlos en operación. Por ejemplo, puede ser necesario mantener los sistemas de comunicaciones y los sistemas de ventilación y regulación de temperatura en operación. A medida que las palas se sitúan en el ángulo depitchde marcha en vacío, las fuentes de potencia auxiliares se cargarán solo cuando una velocidad del viento vigente alcanza al menos la velocidad del viento predeterminada. Los sistemas eléctricos importantes pueden seguir funcionando durante periodos de tiempo más largos. De forma alternativa o adicionalmente, se puede reducir un número y/o tamaño de los sistemas de almacenamiento de energía.
[0119] En algunos ejemplos, en lugar de estar en "operación normal", la turbina eólica puede estar ya en un modo de operación autónomo cuando se realiza la etapa de determinación 110. En estos ejemplos, determinar si se cumple una condición predeterminada para la operación de marcha en vacío puede comprender determinar si un nivel de energía de una o más de las fuentes de potencia auxiliares está por debajo de un umbral de energía. Si se cumple esta condición, las palas de la turbina eólica 22 se puedenpitchearal ángulo depitchpredeterminado para cargar los dispositivos de almacenamiento de energía. Se puede seleccionar un umbral de energía más grande o más pequeño, por ejemplo, dependiendo de la localización de la turbina eólica, velocidades del viento esperadas, tiempo esperado sin conexión de red y más. Una vez en el ángulo depitchde marcha en vacío, el ángulo depitchse mantiene sustancialmente constante. En otras palabras, no tiene lugar ningún control depitchactivo o pasivo. Otras condiciones adecuadas se pueden comprobar en otros ejemplos
[0121] En algunos ejemplos, el ángulo depitchde marcha en vacío se puede mantener al menos hasta que se detecte una condición para detener la operación de marcha en vacío. Por ejemplo, una vez que la velocidad del viento vigente ya no representa un riesgo para la turbina eólica, las palas de turbina eólica 22 se puedenpitchearlejos del ángulo depitchde marcha en vacío. En algunos ejemplos, el ángulo depitchde marcha en vacío se puede mantener al menos hasta que la turbina eólica 10 pueda extraer potencia de la red eléctrica, por ejemplo, al menos hasta que la turbina eólica recupere la conexión con la red. Por ejemplo, si la turbina eólica está en operación en modo autónomo, la turbina eólica puede recuperar la conexión a la red siempre que se haya resuelto el fallo de red o haya cambiado la situación de red. Posteriormente, se puede decidir si mantener o cambiar los ángulos depitchde las palas. Si el viento está operando en modo autónomo y las fuentes de potencia auxiliares se agotan, el modo autónomo se puede reiniciar una vez que las fuentes de potencia auxiliares tienen de nuevo suficiente energía. Es decir, el procedimiento puede comprender además reiniciar el modo autónomo después del agotamiento de las fuentes de potencia auxiliares y la carga posterior a o por encima de la velocidad del viento predeterminada. El ángulo depitchde marcha en vacío se puede mantener durante el tiempo que sea necesario. Puede ocurrir que el modo autónomo se reinicie más de una vez antes de que la turbina eólica pueda al menos extraer energía de la red eléctrica.
[0123] En algunos ejemplos, el ángulo depitchde marcha en vacío se puede mantener al menos hasta que se haya alcanzado un umbral de energía almacenada de una o más fuentes de potencia 84. Por ejemplo, el ángulo depitchde marcha en vacío se puede mantener hasta que algunas, o incluso todas, las fuentes de potencia hayan alcanzado un nivel de almacenamiento de energía de un 80 %, 90 %, 95 % o más. En algunos de estos ejemplos, una vez que se ha alcanzado el umbral para la energía almacenada, por ejemplo, una vez que las fuentes de potencia se recargan sustancialmente completamente, las palas 22 se puedenpitcheara una posición de bandera, por ejemplo, a aproximadamente 90°.
[0125] En algunos ejemplos, el ángulo depitchde marcha en vacío se puede mantener hasta que expire un periodo de tiempo predeterminado. Por ejemplo, el ángulo depitchde las palas se puede mantener en el ángulo depitchde marcha en vacío durante un primer periodo de tiempo predeterminado y las palas se pueden cambiar a, y mantener en, una posición de bandera durante un segundo periodo de tiempo predeterminado. El primer periodo de tiempo y el segundo periodo de tiempo se incluyen durante la operación de marcha en vacío. El segundo periodo de tiempo puede comenzar de inmediato después de que expire el primer periodo de tiempo. El primer periodo de tiempo y el segundo periodo de tiempo se pueden alternar. Por ejemplo, las palas se pueden mantener en el ángulo depitchde marcha en vacío predeterminado durante un primer periodo de tiempo, a continuación las palas se pueden poner en bandera y mantener en bandera durante un segundo periodo de tiempo, a continuación las palas se pueden situar de nuevo en el ángulo depitchde marcha en vacío durante el primer periodo de tiempo y así sucesivamente.
[0127] [0076]En algunos ejemplos, el procedimiento puede comprender además desencadenar una alarma si se detecta una condición peligrosa mientras las palas se disponen en el ángulo depitchde marcha en vacío. Una alarma se puede transmitir de cualquier forma adecuada. Por ejemplo, una alarma puede comprender un mensaje de salida y el mensaje de salida se puede transmitir a un operario de turbina eólica o a un centro operativo remoto. Un mensaje de salida puede indicar cuál es la condición de peligro, por ejemplo, velocidades o cargas del viento excesivas. En respuesta a una alarma, el ángulo depitch25 de las palas 22 se puede modificar (ligeramente) para reducir el riesgo de daño a la turbina eólica en algunos ejemplos. Esto no se debe entender como un control depitchactivo, sino como una adaptación menor de un control depitchfijo en caso de que vientos muy fuertes, cargas u otros pongan en peligro la turbina eólica.
[0129] La figura 5 ilustra esquemáticamente un ejemplo de una turbina eólica 10 de un parque eólico, por ejemplo, una turbina eólica marina, conectada a una barra colectora de parque eólico 101, y a continuación conectada a la red eléctrica 102 por un primer conmutador 103. Todas las turbinas eólicas del parque eólico (no mostradas) se conectan a la barra colectora 101 del parque eólico. La conexión entre la red eléctrica 102 y la barra colectora de parque eólico 101 se regula por el primer conmutador 103.
[0131] El generador 42 de la turbina eólica produce potencia de CA (corriente alterna) de frecuencia variable debido a las condiciones del viento variables. Se puede proporcionar un convertidor de potencia 104 para ajustar la salida de potencia del generador 42 a una adecuada para la red 102, por ejemplo, a una potencia de CA que tiene una frecuencia fija. El convertidor de potencia 104 puede comprender un convertidor de lado de máquina, un convertidor de lado de línea y un enlace de CC (corriente continua) que conecta el lado de máquina y el convertidor de lado de línea (no mostrado).
[0133] El generador 42 de la turbina eólica puede ser un generador de imanes permanentes que comprende un rotor de generador que porta una pluralidad de imanes permanentes y un estator en algunos ejemplos. El generador de imanes permanentes se puede accionar directamente por el rotor de turbina eólica 18. El estator del generador se puede conectar al convertidor de lado de máquina, que se puede configurar para convertir la tensión de CA recibida en tensión de CC, suministrándose a continuación la tensión de CC al enlace de CC. El convertidor de lado de línea se puede configurar para convertir la tensión de CC del enlace de CC en una tensión de CA de frecuencia fija.
[0135] El convertidor de lado de línea se puede conectar a la barra colectora de parque eólico 101 a través de un transformador principal 105. El transformador principal 105 se puede configurar para aumentar la tensión suministrada por el convertidor de potencia 104, por ejemplo, a 3,3 kV. El transformador principal 105 se puede instalar dentro de la góndola 16 o la torre 15 de la turbina eólica en algunos ejemplos. El transformador principal 105 se puede disponer en otros lugares adecuados en otros ejemplos.
[0137] La turbina eólica también puede incluir un transformador auxiliar 107 configurado para proporcionar una fuente de potencia de baja tensión, por ejemplo, aproximadamente 400 V, a algunos elementos eléctricos de la turbina eólica. El transformador auxiliar 107, por ejemplo, puede suministrar potencia a los componentes eléctricos críticos 108 de la turbina eólica tales como sistemas de regulación de temperatura y ventilación. El transformador auxiliar 107 se puede alojar dentro de la góndola 16 de la turbina eólica y se puede conectar al transformador principal 105.
[0139] Los parques eólicos pueden comprender una subestación que incluye, por ejemplo, transformadores de parque eólico que convierten potencia de una tensión de parque eólico en una tensión de red. En algunos ejemplos, un transformador auxiliar 107 también se puede disponer en una subestación. El transformador auxiliar 107 puede suministrar en consecuencia potencia auxiliar a una pluralidad de turbinas eólicas. En general, el transformador auxiliar 107 se puede colocar en cualquier localización adecuada dentro de un parque eólico.
[0141] Una o más fuentes de potencia auxiliares 84 se pueden conectar a la barra colectora de parque eólico 101 a través de un segundo conmutador 106, como en el ejemplo de la figura 5. En algunos ejemplos, se pueden proporcionar una o más fuentes de potencia auxiliares 84 en una subestación de parque eólico. Por lo tanto, se puede suministrar potencia auxiliar a una pluralidad de turbinas eólicas simultáneamente. En otros ejemplos, una o más fuentes de potencia auxiliares 84 se pueden instalar cerca o dentro de turbinas eólicas individuales para suministrar potencia a cada turbina eólica individualmente. También se pueden proporcionar una o más fuentes de potencia auxiliares para suministrar potencia auxiliar a una sola turbina eólica, así como una o más fuentes de potencia auxiliares para suministrar potencia auxiliar a dos o más turbinas eólicas. En general, se puede elegir cualquier número y localización adecuados de fuentes de potencia auxiliares 84.
[0143] [0084]En el ejemplo de la figura 5, el transformador principal 105 está configurado para recibir energía eléctrica de la red eléctrica 102 a una primera tensión y energía eléctrica de una o más fuentes de potencia auxiliares 84 a una segunda tensión diferente de la primera tensión, por ejemplo, menor que la primera tensión. La red eléctrica 102 está configurada para proporcionar energía eléctrica a la barra colectora de parque eólico 101 en operación normal, y la(s) fuente(s) de potencia auxiliar(es) 84 está(n) configurada(s) para proporcionar energía eléctrica a la barra colectora 101, por ejemplo, en caso de pérdida de red. La turbina eólica está configurada para proporcionar energía eléctrica a la red 102 a la primera tensión, y opcionalmente a las fuentes de potencia auxiliares 84 a la segunda tensión, durante la operación normal de la turbina eólica. La turbina eólica está configurada para proporcionar energía eléctrica a las fuentes de potencia auxiliares 84 a la segunda tensión en un modo de operación autónomo de la turbina eólica.
[0144] Si la turbina eólica ya no puede recibir potencia de la red eléctrica 102, la turbina eólica puede comenzar a extraerla de la una o más fuentes de potencia auxiliares 84. Por lo tanto, los componentes eléctricos críticos 108 de una turbina eólica 10 se pueden alimentar a través del transformador auxiliar 107 de la turbina eólica. El transformador de turbina eólica auxiliar 107 puede transformar la potencia recibida del transformador principal 105 de la turbina eólica a un nivel de tensión requerido por los componentes eléctricos de la turbina eólica a la que alimenta, por ejemplo, de 3,3 kV a 0,4 kV. Por lo tanto, las baterías de las fuentes de potencia 84 se pueden cargar cuando el rotor de turbina eólica 18 está rotando a o por encima de una velocidad del viento predeterminada y las palas 22 están en el ángulo depitchde marcha en vacío.
[0145] La explicación anterior se puede adaptar al número y la posición de los transformadores principales 105, los transformadores auxiliares 107, las fuentes de potencia auxiliares 84, los niveles de tensión y el número de turbinas eólicas 10 de/a los que se extrae/envía energía eléctrica.
[0146] En algunos ejemplos, se puede disponer una fuente de alimentación ininterrumpida (no mostrada) con algunos componentes eléctricos críticos 108. En caso de pérdida de red, puede llevar algún tiempo que se suministre energía eléctrica desde alguna(s) fuente(s) de potencia auxiliar(es) 84 a los componentes eléctricos críticos. Por ejemplo, un generador diésel debe ponerse en marcha y calentarse antes de poder suministrar toda la potencia. La fuente de alimentación ininterrumpida (no mostrada) puede suministrar energía eléctrica durante, por ejemplo, hasta aproximadamente 30 minutos o más. Para entonces, se debe establecer la fuente de alimentación eléctrica de las fuentes de potencia auxiliares disponibles 84.
[0147] En otro aspecto de la divulgación, se proporciona un procedimiento 200 para operar una turbina eólica 10. La turbina eólica 10 comprende un rotor 18 que incluye una pluralidad de palas 22 y un generador 42. La turbina eólica 10 está configurada para enviar energía eléctrica desde el generador 42 a una o más fuentes de potencia auxiliares 84 al menos en un modo de operación autónomo de la turbina eólica. El procedimiento 200 se muestra en el diagrama de flujo de la figura 6. Los aspectos y explicaciones con respecto al procedimiento 100 se pueden combinar y aplicar al procedimiento 200 y viceversa.
[0148] El procedimiento comprende, en el bloque 210 y cuando la turbina eólica 10 está en el modo de operación autónomo,pitchearlas palas 22 a un ángulo depitchde marcha en vacío. El procedimiento comprende además, en el bloque 220, poner en marcha en vacío el rotor de turbina eólica con un ángulo depitchfijo correspondiente al ángulo depitchde marcha en vacío. Es decir, el ángulo depitch25 de las palas 22 se mantiene en el ángulo depitchde marcha en vacío. El procedimiento comprende además, en el bloque 230, cargar las fuentes de potencia auxiliares cuando una velocidad de rotación de rotor en marcha en vacío está en o por encima de un umbral de velocidad de rotación, es decir, cuando la velocidad del viento vigente es lo suficientemente alta como para que el rotor esté en marcha en vacío a una velocidad lo suficientemente alta como para que se genere energía eléctrica en el generador (convertida en el convertidor de potencia) y se suministre a fuentes de potencia auxiliares y/o componentes auxiliares.
[0149] El procedimiento comprende además, en el bloque 240, cambiar el ángulo depitchde las palas cuando se cumple una condición predeterminada (operativa).
[0150] En algunos ejemplos, se puede detectar una condición predeterminada para la operación de marcha en vacío antes de que se realice la etapa depitchear210. Por ejemplo, se puede determinar si un nivel de energía de una o más de las fuentes de potencia auxiliares 84 está por debajo de un umbral de energía. En otros ejemplos, elpitcheo210 se puede realizar una vez que se pierde y se detecta la capacidad de extraer potencia de la red. Aún en otros ejemplos, elpitcheo210 se puede realizar un determinado periodo de tiempo, por ejemplo, una cantidad predeterminada de tiempo, tal como unos pocos minutos, después de la detección de la incapacidad de obtener potencia de la red.
[0151] En algunos ejemplos, la turbina eólica 10 puede estar en marcha en vacío con las palas en una posición de bandera, por ejemplo, en un ángulo depitchde aproximadamente 90°, antes de que las palas 22 sepitcheena un ángulo depitchpredeterminado que permite cargar fuentes de potencia auxiliares, por ejemplo, de aproximadamente 70°.
[0152] Una condición operativa predeterminada puede incluir uno o más de recuperar la capacidad de extraer potencia de la red eléctrica, por ejemplo, recuperar la conexión a la red eléctrica y el desencadenante de una alarma, por ejemplo, debido a velocidades del viento altas. En algunos ejemplos, el ángulo depitchpredeterminado es tal que la velocidad del viento es de al menos 8 m/s, específicamente al menos 10 m/s, y más específicamente al menos 12 m/s.
[0153] En algunos ejemplos, el ángulo depitchpredeterminado está entre 55° y 80°.
[0154] En otro aspecto de la divulgación, una turbina eólica 10 configurada para realizar cualquiera de los procedimientos 100, 200 divulgados en el presente documento. La turbina eólica 10 comprende un rotor 18 que incluye una pluralidad de palas 22, un generador 42 y opcionalmente una o más fuentes de potencia auxiliares 84. La turbina eólica está configurada para suministrar energía eléctrica desde el generador 42 a una o más fuentes de potencia auxiliares 84 al menos en un modo de operación autónomo de la turbina eólica. De esta forma, las fuentes de potencia auxiliares se pueden cargar cuando se detecta una determinada condición de marcha en vacío y las palas 22 se sitúan y mantienen en la posición depitchpredeterminada. La turbina eólica 10 puede ser una turbina eólica terrestre o una turbina eólica marina.
[0155] La turbina eólica 10 puede comprender un sistema de control configurado para llevar a cabo cualquiera de los procedimientos descritos anteriormente en el presente documento.
[0156] Esta descripción escrita usa ejemplos para divulgar una enseñanza, incluyendo los modos de realización preferentes, y también para permitir que cualquier experto en la técnica ponga en práctica la enseñanza, incluyendo fabricar y usar cualquier dispositivo o sistema y realizar cualquier procedimiento incorporado. El alcance patentable se define por las reivindicaciones, y puede incluir otros ejemplos que se les ocurran a los expertos en la técnica. Los signos de referencia relacionados con los dibujos se colocan entre paréntesis en las reivindicaciones únicamente para intentar incrementar la inteligibilidad de las reivindicaciones, y no se interpretarán como limitantes del alcance de las reivindicaciones.

Claims (13)

1. REIVINDICACIONES
1. Un procedimiento (100) para operar una turbina eólica (10) que comprende un rotor de turbina eólica (18) que incluye una pluralidad de palas (22) y un generador de turbina eólica (42),
en el que la turbina eólica (10) está configurada para suministrar energía eléctrica desde el generador (42) a una o más fuentes de potencia auxiliares (84) en un modo de operación autónomo, y comprendiendo el procedimiento:
determinar (110) si se cumple una condición predeterminada para la operación de marcha en vacío de la turbina eólica (10);
si se cumple la condición predeterminada para la operación de marcha en vacío,pitchear(120) las palas (22) a un ángulo depitchde marcha en vacío de modo que el generador de turbina eólica (42) produce potencia para cargar las fuentes de potencia auxiliares (84) durante la marcha en vacío por encima de una velocidad del viento predeterminada;
mantener el ángulo depitch(25) de las palas (22) en el ángulo depitchde marcha en vacío durante la marcha en vacío; y
cargar las fuentes de potencia auxiliares (84) cuando una velocidad del viento vigente alcanza o excede la velocidad del viento predeterminada, en el que
el ángulo depitchde marcha en vacío está entre 55° y 75° de modo que el rotor (18) rota al menos a 2 rpm en marcha en vacío cuando las palas (22) están en el ángulo depitchde marcha en vacío y la velocidad del viento vigente es la velocidad del viento predeterminada.
2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el ángulo depitchde marcha en vacío está entre 60° y 75°.
3. El procedimiento de la reivindicación 1 o 2, en el que determinar si se cumple una condición para la operación de marcha en vacío comprende determinar si está presente una condición peligrosa.
4. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 - 3, en el que determinar si se cumple una condición para la operación de marcha en vacío comprende determinar si se cumple una condición para reducir o detener el suministro de potencia a una red eléctrica (102).
5. El procedimiento de la reivindicación 4, que reduce o detiene además el suministro de potencia a la red eléctrica (102).
6. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 - 5, en el que determinar si se cumple una condición para la operación de marcha en vacío comprende determinar si la turbina eólica (10) no puede extraer potencia de una red eléctrica (102).
7. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 - 6, en el que la determinación de si se cumple una condición para la operación de marcha en vacío se realiza durante la operación normal de la turbina eólica (10).
8. El procedimiento de la reivindicación 7, que comprende además comenzar el modo de operación autónomo.
9. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 - 8, en el que la determinación de si se cumple una condición para la operación de marcha en vacío se realiza cuando la turbina eólica (10) está en el modo de operación autónomo.
10. El procedimiento de la reivindicación 9, que comprende además reiniciar el modo autónomo después del agotamiento de las fuentes de potencia auxiliares (84) y su carga posterior a o por encima de la velocidad del viento predeterminada.
11. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 - 10, en el que el ángulo depitchde marcha en vacío se mantiene al menos hasta que se detecta una condición para detener la operación de marcha en vacío.
12. El procedimiento de la reivindicación 11, en el que el ángulo depitchde marcha en vacío se mantiene al menos hasta que la turbina eólica (10) recupera la conexión con la red (102).
13. Una turbina eólica (10), que comprende:
un rotor de turbina eólica (18) incluyendo una pluralidad de palas (22);
un generador (42); y
un sistema de control (36), en la que el sistema de control (36) está configurado para llevar a cabo el procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 - 12.
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