BRPI0603705B1 - Dispositivo para controlar o passo de uma pá de hélice de uma turbina eólica e turbina eólica - Google Patents

Dispositivo para controlar o passo de uma pá de hélice de uma turbina eólica e turbina eólica Download PDF

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Nedward Meyer Brian
Alan Melius Jeffrey
David Harbourt Cyrus
L. Tschappatt Christopher
Ross Edmunds Howard
John Bonneau William
Marlene Ridenour Amy
Scott Wilkinson Andrew
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General Electric Company
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Abstract

métodos e sistema para o controle de passo com bateria de backup. um método para controlar o sistema de controle do passo (406) de uma turbina eólica (100) inclui fornecer uma bateria de reserva (408) carregada, configurada de modo a não fornecer energia a um link dc (410) quando a totalidade da energia ac de alimentação está disponível, sendo que o link dc inclui um capacitor do link dc (416). o método ainda inclui usar a energia armazenada no capacitor do link dc para operar o sistema de controle de passo durante uma perda ou queda na energia de alimentação ac, e manter a carga do capacitor link dc empregando a bateria de reserva carregada como uma tensão contra as quedas do capacitor do link dc durante a operação do sistema de controle de passo.

Description

(54) Título: DISPOSITIVO PARA CONTROLAR O PASSO DE UMA PÁ DE HÉLICE DE UMA TURBINA EÓLICA E TURBINA EÓLICA (51) Int.CI.: H02P 23/14 (30) Prioridade Unionista: 09/09/2005 US 11/223,473 (73) Titular(es): GENERAL ELECTRIC COMPANY (72) Inventor(es): BRIAN NEDWARD MEYER; JEFFREY ALAN MELIUS; CYRUS DAVID HARBOURT; CHRISTOPHER L. TSCHAPPATT; HOWARD ROSS EDMUNDS; WILLIAM JOHN BONNEAU; AMY MARLENE RIDENOUR; ANDREW SCOTT WILKINSON (85) Data do Início da Fase Nacional: 23/08/2006
1/9 “DISPOSITIVO PARA CONTROLAR O PASSO DE UMA PÁ DE HÉLICE DE UMA TURBINA EÓLICA E TURBINA EÓLICA”
Campo da Invenção [001] A presente invenção se refere, em geral, aos sistemas de produção de energia através de turbinas eólicas, e mais em particular aos sistemas de controle do passo para as turbinas eólicas.
Antecedentes da Invenção [002] Em uma turbina conhecida, um sistema para o controle do passo apresentando uma ponte por retificador de silício controlado (SCR) totalmente regenerável controla um motor DC da série de 4,2 KW. Este tipo de sistema tem sido usado em comandos de servo motores por vários anos e ainda se encontra disponível no comércio. O controlador SCR tem a vantagem da simplicidade, mas pode não estar apto a fornecer o nível de performance para o sistema de controle que pode ser necessário nas turbinas mais novas ou maiores.
[003] No caso de uma queda na alimentação da tensão AC, ao menos um sistema conhecido da turbina eólica muda o passo (ou deflete) as pás de hélice da turbina eólica empregando as baterias de emergência para o passo. As pás de hélice têm o seu passo mudado para uma posição que poderia prevenir a sobre velocidade da pá de hélice. A queda na tensão AC é detectada pelo sistema de controle do passo e assim é ativado o sistema de passo de emergência. O sistema de controle da turbina eólica modula o sistema de passo de emergência e tenta manter a velocidade de cotação do cubo abaixo dos limites de sobre velocidade. Em vários casos, o controle da turbina decreta uma falha de para a turbina. Contudo, os sistemas de turbina eólica conhecidos empregam capacitores de ligação DC e um circuito conversor de potencia tipo em ponte H, e não tem a capacidade de mudar passo das pás de hélice empregando este circuito, uma vez que a pequena
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2/9 quantidade de energia armazenada nos capacitores de ligação DC é esgotada.
Descrição da Invenção [004] Portanto, um aspecto da presente invenção fornece um método para controlar o sistema de controle do passo de uma turbina eólica. O método inclui fornecer uma bateria carregada de reserva, ou de backup, configurada de modo a não fornecer energia a um link DC quando a totalidade da energia AC de alimentação está disponível, sendo que o link DC inclui um capacitor do link DC. O método ainda inclui usar a energia armazenada no capacitor do link DC para operar o sistema de controle de passo durante uma perda ou queda na energia de alimentação AC, e manter a carga do capacitor link DC empregando a bateria de reserva carregada como uma tensão contra as quedas do capacitor do link DC durante a operação do sistema de controle de passo.
[005] Em outro aspecto, a presente invenção fornece um dispositivo para controlar o passo de uma pá de hélice de uma turbina eólica. O dispositivo inclui um sistema de controle de passo e um link DC compreendendo um capacitor do link DC. O link DC é configurado de modo a fornecer energia para o sistema de controle de passo. Também incluída está uma fonte de energia de alimentação AC de modo a fornecer energia para o link DC, e uma bateria de reserva configurada de modo a não fornecer energia para o link DC quando a totalidade da energia de alimentação está disponível. O dispositivo é configurado de modo a usar a energia armazenada no capacitor do link DC para operar o sistema de controle de passo durante uma perda ou uma queda na energia de alimentação AC, e manter a carga no capacitor do link DC empregando a bateria de reserva como uma tensão contra as quedas do capacitor do link DC durante a operação do sistema de controle de passo.
[006] Em ainda outro aspecto, a presente invenção fornece uma turbina eólica a qual inclui ao menos uma pá de hélice e um gerador
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3/9 acoplado à pá de hélice e configurado de modo a gerar uma energia AC. A turbina eólica ainda inclui um sistema de controle de passo configurado de modo a controlar o passo, ou a deflexão, da pá de hélice ao redor de um eixo, um link DC apresentando um capacitor do link DC e sendo configurado de modo a fornecer energia para o sistema de controle de passo, e uma fonte de energia de alimentação AC para fornecer energia para o link DC. A fonte de energia AC não é necessariamente o gerador. A turbina eólica também inclui uma bateria de reserva configurada de modo a não fornecer energia para o link DC quando a energia de alimentação AC está disponível. A turbina eólica está configurada de modo a usar a energia armazenada no capacitor do link DC para operar o sistema de controle de passo durante uma perda ou queda na energia de alimentação AC, e manter a carga no capacitor do link DC empregando a bateria de reserva como uma tensão contra as quedas do capacitor do link DC durante a operação do sistema de controle de passo.
[007] As configurações da presente invenção são, desta forma, aptas a prover a uma operação suportada por uma bateria do comando do motor do controle de passo, o que aumenta a disponibilidade da turbina eólica assim permitindo a sua operação durante os distúrbios da grade.
Breve Descrição dos Desenhos [008] A figura 1 é um desenho de uma configuração de exemplo de uma turbina eólica.
[009] A figura 2 é uma vista em perspectiva parcialmente secionada de uma nacela da configuração da turbina eólica de exemplo conforme mostrada na figura 1.
[0010] A figura 3 é um diagrama em blocos de uma configuração do sistema de controle para a configuração da turbina eólica mostrada na figura 1.
[0011] A figura 4 é um diagrama de blocos esquemático
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4/9 representativo de algumas configurações da presente invenção para o controle do sistema de passo de uma turbina eólica.
[0012] As figuras 5A e 5B são diagramas de blocos esquemáticos que representam algumas configurações da presente invenção para o controle de uma pluralidade de sistemas de controle de passo de uma turbina eólica empregando uma fonte não regenerável;
[0013] As figuras 6A e 6B são diagramas de blocos esquemáticos que representam algumas configurações da presente invenção para o controle de uma pluralidade de sistemas de controle de passo de uma turbina eólica empregando uma fonte regenerável.
Descrição de Realizações da Invenção [0014] Em algumas configurações da presente invenção, um design único do sistema de controle de peça da turbina apresenta vantagens relativas ao custo e a performance em relação aos sistemas conhecidos. É fornecido um motor de comando único para a turbina eólica com uma ponte não regenerável fornecendo uma tensão DC a uma ponte H, a qual compreende quatro dispositivos de chaveamento ativos (p. ex., MOSFETs em paralelo em algumas configurações). O capacitor do link DC estabiliza a tensão do link DC e age como um reservatório de energia e como uma fonte para o motor DC em série. Este design também inclui um sistema de passo de emergência empregando baterias e contatores de modo a defletir, ou mudar o passo, das pás de hélice para uma posição característica.
[0015] Em algumas configurações e com referência à figura 1, uma turbina eólica 100 em algumas configurações compreende uma nacela 102 que aloja um gerador (não mostrado na figura 1). A nacela 102 é montada no topo de uma alta torre 104, somente uma parte da qual sendo mostrada na figura 1. A turbina eólica 100 também compreende um rotor 106 o qual inclui uma pluralidade de pás de rotor 108 fixadas em um cubo rotatório 110. Apesar
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5/9 da turbina eólica 100 ilustrada na figura 1 incluir três pás de rotor, não existe um limite específico no número de pás de rotor 108 necessárias pela presente invenção.
[0016] Em algumas configurações e com referência à figura 2, vários componentes estão alojados na nacela 102 no topo da torre 104 da turbina eólica 100. A altura da torre 104 é selecionada com base em fatores e em condições conhecidas na arte. Em algumas configurações, um ou mais microcontroladores dentro do painel de controle 112 compreendem um sistema de controle os quais são empregados para a monitoração e controle geral do sistema incluindo a regulagem do passo e da velocidade, o eixo de alta velocidade e a aplicação do freio de direcionamento (yaw break), a aplicação do motor da bomba e do direcionamento e a monitoração de falhas. Em algumas configurações são empregadas arquiteturas de controle de tipo distribuída ou centralizada.
[0017] Em algumas configurações, o sistema de controle fornece sinais de controle para um comando de passo da pá variável (114) para controlar o passo das pás de hélice 108 (não mostradas na figura 2) que comanda o cubo como resultado do vento. Na configuração ilustrada, o cubo 110 recebe três pás 108, mas outras configurações podem utilizar qualquer número de pás. Em algumas configurações, os passos das pás 108 são individualmente controlados por meio do comando de passo da pá 114. O cubo 110 e as pás 108, juntos, compreendem o rotor 106 da turbina eólica.
[0018] O trem de comando da turbina eólica inclui um eixo principal do rotor 116 (também referido como o “eixo de baixa velocidade”) conectado ao cubo 110 e suportado por meio de um mancal principal 130 e, na extremidade oposta do eixo 116, conectado a uma caixa de engrenagens 118. A caixa de engrenagens (ou de redução) 118, em algumas configurações, emprega uma geometria de caminho duplo para comandar um eixo de alta
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6/9 velocidade envolvido dentro da caixa de engrenagens 118. O eixo de alta velocidade (não mostrado na figura 2) é empregado para comandar o gerador 120, o qual é suportado pelo quadro principal 132. Em algumas configurações, o torque do rotor é transmitido através do acoplamento 122. O gerador 120 pode ser de qualquer tipo apropriado, por exemplo, e sem limitação, um gerador de indução com rotor por enrolamento.
[0019] O comando do direcionamento 124 e a plataforma de direcionamento 126 fornecem um sistema de orientação do direcionamento para a turbina eólica 100. O difusor eólico 128 fornece informações para o sistema de orientação do direcionamento, incluindo a direção do vento medida instantaneamente e a velocidade do vento na turbina eólica. Em algumas configurações, o sistema de direcionamento é montado sobre uma flange provida no topo da torre 104.
[0020] Em algumas configurações e com referência à figura 3, um sistema de controle 300 para uma turbina eólica 100 inclui um barramento 302 ou outro dispositivo de comunicação para transmitir informações. O(s) processador(es) 304 é acoplado ao barramento 302 para processar informações, incluindo as informações dos sensores configurados para medir os deslocamentos ou os momentos. O sistema de controle 300 ainda inclui uma memória de acesso aleatório (RAM) 306 e/ou outro(s) dispositivo(s) de armazenagem 308. A memória RAM 306 e os dispositivos de armazenagem 308 são acoplados ao barramento 302 para armazenar e transferir as informações e as instruções a serem executadas pelo(s) processador(es) 304. A memória RAM 306 (e também o(s) dispositivo(s) de armazenagem 308, se necessário) também pode ser empregada para armazenar variáveis temporárias ou outras informações temporárias durante a execução das instruções pelo processador(es) 304. O sistema de controle 300 também pode incluir uma memória de tipo somente leitura (ROM) e/ou outro dispositivo
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7/9 estático de armazenagem 310, o qual é acoplado ao barramento 302 para armazenar e fornecer informações e instruções estáticas (isto é, que não mudam) para o processador(es) 304. O(s) dispositivo(s) de entrada/saída 312 (I/O) pode incluir qualquer dispositivo conhecido na arte para fornecer os dados de entrada para o sistema de controle 300 e fornecer as saídas para o controle de direcionamento e para o controle do passo. As instruções são fornecidas para a memória pelo dispositivo de armazenagem, tal como um disco magnético, um circuito integrado de memória tipo somente leitura (ROM), um CD-ROM, um DVD, através de uma conexão remota, que tanto pode ser via cabo quanto sem fio, fornecendo acesso a uma ou mais mídias eletronicamente acessíveis, etc. Em algumas formas de realização, uma placa pode ser usada no lugar de ou em combinação com as instruções de software. Assim, a execução das seqüências de instruções não está limitada a qualquer combinação específica de circuito/equipamento e de instruções de software. A interface do sensor 314 é uma interface que permite ao sistema de controle 300 se comunicar com um ou mais sensores. A interface com sensor 314 é uma interface pode ser ou pode compreender, por exemplo, um ou mais conversores analógico(s) digital(is), o qual converte os sinais analógicos em digitais, os quais podem ser usados pelo(s) processador(es) 304.
[0021] Em algumas configurações da presente invenção e com referência à figura 4, no caso de uma perda da energia de alimentação AC fornecida por uma fonte 400, e de modo a evitar a sobre velocidade da turbina, as pás de hélice são defletidas empregando um MOSFET 402 baseado em um conversor de energia 404. O conversor de energia 404 compreende parte do sistema de controle do passo 406. Por uma questão de conveniência de notação, e como ora empregada, a fonte de alimentação AC 400 se refere a uma ponte de retificação ou a uma ponte IGBT ou MOSFET. Deve ser entendido que esta ponte deve ser alimentada eletricamente por um gerador,
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8/9 por uma linha de energia, por uma grade de energia, ou por meio de qualquer outra fonte de energia AC, a qual pode ou não compreender o gerador 120.) é fornecida uma bateria de reserva 408 de modo a permitir a mudança no passo das pás de hélice 108 (mostradas na figura 1) no caso de uma perda na energia de alimentação AC ou de uma redução da energia. A bateria 408 (a qual pode compreender uma ou mais células elétricas ou uma pluralidade de baterias tipo multicelulares, ou qualquer combinação destas) é ligada ao link DC 410 através de um diodo 412 e de um fusível 414. Nas condições normais, o diodo 412 está polarizado de forma inversa e nenhuma corrente flui desde a bateria até a link DC 410. Nesta condição, a bateria 408 é carregada e a sua condição é monitorada, mas esta não fornece energia para o link DC.
[0022] Quando a tensão no link DC 410 cai abaixo da tensão da bateria 408, a corrente flui para fora da bateria e através do diodo 412 e do fusível 414 de modo a manter a carga no capacitor 416 do link DC. O diodo 412 evita a carga descontrolada da bateria 408 quando a tensão do link DC é maior que a tensão da bateria. O fusível 414 evita danos à bateria 408 no caso de um curto circuito no link DC 410. A bateria de reserva 408 do link DC 410 permite que o sistema de controle do passo 406 mantenha o controle ativo da posição das pás de hélice 108 durante um evento de perda ou de queda na energia DC.
[0023] Em algumas configurações da presente invenção, e com referência às figuras 5A e 5B, é fornecido um sistema de controle do passo de uma turbina eólica multi comandada. Uma fonte não regenerável 400 de energia AC pode alimentar vários sistemas de controle do passo 406 empregando um link DC 510 comum. O link DC 510 comum é suportado pelo uso de uma bateria 408. Em algumas configurações, os sistemas de controle do passo 406 no link DC 510 comum trocam a energia real durante a operação e reduzem a demanda de energia da bateria 408 no caso de uma perda ou
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9/9 queda da energia AC. Além disto, em algumas configurações e com referência às figuras 6A e 6B, os sistemas de controle do passo 406 com link DC 510 comum é alimentado por uma fonte 600 totalmente regenerável e controlada por um IBGT ou MOSFET 602. A bateria 4-8 é empregada nesta configuração de modo a suportar o link DC 510 comum no caso de perda de energia.
[0024] Poderá ser percebido que as configurações da presente invenção estão aptas a prover a uma operação do comando do motor de controle do passo suportada por uma bateria, o que aumenta a capacidade da turbina eólica em permitindo a sua operação durante os distúrbios da grade.
[0025] As configurações da presente invenção não estão limitadas às turbinas eólicas que apresentam um número determinado de pás de hélice. Por exemplo, as turbinas com uma, duas ou três pás de hélice (ou mais) podem empregar as configurações da presente invenção de modo a controlar o ângulo das pás de hélice no caso de uma perda da energia AC, assim aumentando a disponibilidade da turbina em relação às turbinas que não apresentam a capacidade de controlar o passo pelo link DC.
[0026] Apesar da invenção ter sido descrita em termos de várias formas específicas de realização, os peritos na arte irão perceber que a invenção pode ser praticada com modificações dentro do escopo das reivindicações.
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1/4

Claims (8)

  1. Reivindicações
    1. DISPOSITIVO PARA CONTROLAR O PASSO DE UMA PÁ DE HÉLICE (108) DE UMA TURBINA EÓLICA (100) compreendendo:
    um sistema de controle de passo (406) compreendendo um MOSFET (402) baseado em um conversor de energia (404);
    um link DC (410) apresentando um capacitor (416) do link DC e sendo configurado para fornecer energia ao sistema de controle do passo através do MOSFET (402) baseado em um conversor de energia (404);
    uma fonte (400) de alimentação de energia AC para fornecer energia ao link DC (410); e uma bateria de reserva (408) configurada de modo a fornecer energia para o link DC quando a totalidade da energia de alimentação AC não está disponível;
    o dispositivo ainda sendo configurado para:
    usar a energia armazenada no capacitor (416) do link DC para fornecer energia ao sistema de controle do passo (406) através do MOSFET (402) baseado em um conversor de energia (404) durante uma queda ou uma redução da energia de alimentação AC; e manter a carga no capacitor do link DC empregando a bateria de reserva como uma tensão contra as quedas do capacitor (416) do link DC durante a operação de fornecimento de energia ao sistema de controle do passo (406), a fonte AC (400) sendo uma fonte não regenerável, o dispositivo sendo caracterizado pelo fato de que o link DC é comum a uma pluralidade de sistemas de controle do passo (406); e sendo ainda que a manutenção da carga no capacitor (416) do link DC empregando a bateria de reserva (408) ainda compreende fornecer uma corrente da bateria de reserva para o link DC comum.
  2. 2. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1,
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    2/4 caracterizado pelo fato de ainda compreender um diodo (412), sendo que o diodo é polarizado de forma inversa e está em série com a bateria de reserva (408) de tal forma que, quando a totalidade da energia AC está disponível, a bateria de reserva não fornece energia para o link DC (410).
  3. 3. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ainda compreender um diodo polarizado avançado (412) em um fusível (414), sendo que para manter a carga no capacitor (416) do link DC, o dispositivo é ainda configurado para descarregar a bateria de reserva (408) através do diodo avançado polarizado e do fusível.
  4. 4. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser ainda configurado para trocar a energia real entre a pluralidade de sistemas de controle do passo (406) durante a operação com a totalidade da energia de alimentação AC.
  5. 5. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de controlar um sistema de controle do passo multi comandado de uma turbina eólica (100), sendo que o dispositivo compreende uma pluralidade de sistemas de controle do passo (406), o link DC (510) sendo comum a pluralidade de sistemas de controle do passo, e sendo ainda que, para manter a carga no capacitor (416) do link DC empregando a bateria de reserva (408), o dispositivo é ainda configurado de modo a fornecer corrente da bateria de reserva para o link DC comum.
  6. 6. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de ser ainda configurado para trocar a energia real entre a pluralidade de sistemas de controle do passo (406) durante a operação com a totalidade da energia de alimentação AC.
  7. 7. TURBINA EÓLICA (100) compreendendo:
    ao menos uma pá de hélice (108) e um gerador (120) acoplado à pá de hélice e sendo configurado para gerar energia AC;
    Petição 870180044593, de 25/05/2018, pág. 22/25
    3/4 um sistema de controle do passo (406) configurado de modo a controlar o passo da ao menos uma pá de hélice ao redor de um eixo, o sistema de controle de passo (406) compreendendo um MOSFET (402) baseado em um conversor de energia (404);
    um link DC (410) apresentando um capacitor (416) do link DC e sendo configurado para fornecer energia ao sistema de controle do passo através do MOSFET (402) baseado em um conversor de energia (404);
    uma fonte (400) de energia de alimentação AC para fornecer energia ao link DC, a fonte de energia AC não necessariamente compreendendo o gerador; e uma bateria de reserva (408) configurada de modo não fornecer energia para o link DC quando a totalidade da energia de alimentação AC está disponível;
    a turbina eólica (100) ainda sendo configurada para:
    usar a energia armazenada no capacitor (416) do link DC para fornecer energia ao sistema de controle do passo através do MOSFET (402) baseado em um conversor de energia (404) durante uma queda ou uma redução da energia de alimentação AC; e manter a carga no capacitor do link DC empregando a bateria de reserva como uma tensão contra as quedas do capacitor (416) do link DC durante a operação de fornecimento de energia ao sistema de controle do passo (406), a fonte AC (400) sendo uma fonte não regenerável, a turbina eólica (100) sendo caracterizada pelo fato de que o link DC é comum a uma pluralidade de sistemas de controle do passo; e sendo ainda que a manutenção da carga no capacitor (416) do link DC empregando a bateria de reserva (408) ainda compreende fornecer uma corrente desde a bateria de reserva para o link DC comum.
  8. 8. TURBINA EÓLICA (100), de acordo com a reivindicação
    Petição 870180044593, de 25/05/2018, pág. 23/25
    4/4
    7, caracterizada pelo fato de ainda compreender um diodo (412), sendo que o diodo é polarizado de forma inversa e está em série com a bateria de reserva (408) quando a bateria de reserva está carregada e quando a totalidade da energia de alimentação AC está disponível, de tal forma que, quando a totalidade da energia AC está disponível, a bateria de reserva não fornece energia para o link DC (410), e ainda compreendendo um fusível (414), sendo que para manter a carga no capacitor (416) do link DC, a turbina eólica é ainda configurada para avançar a polarização do diodo (412) e para descarregar a bateria de reserva através do diodo avançado polarizado e do fusível.
    Petição 870180044593, de 25/05/2018, pág. 24/25
    1/8
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    V
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