ES2398051B1 - Un método para la identificación de la frecuencia principal del tren de potencia de un aerogenerador. - Google Patents
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Abstract
Un método para la identificación de la frecuencia principal del tren de potencia de un aerogenerador. Comprende pasos en tiempo real de: a) obtener una señal de entrada (r) de la velocidad del generador ({og}); b) filtrar dicha señal de entrada (r) para obtener una señal de la velocidad del generador (r1) en una banda apropiada para representar la oscilación de la señal (o) comprendida en ella; c) extraer la frecuencia principal (f) del tren de potencia de dicha señal filtrada (r1). La invención también se refiere a un método de amortiguación de las vibraciones del tren de potencia de un aerogenerador que comprende etapas de fijación de la referencia del par del generador (Tr{sub,ref}) en función de la velocidad del generador ({og}) y de la frecuencia principal del tren de potencia unidad (f) identificada por dicho método ya un sistema de control de un aerogenerador implementándolo.
Description
- UN MÉTODO PARA LA IDENTIFICACIÓN DE LA FRECUENCIA
- PRINCIPAL DEL TREN DE POTENCIA DE UN AEROGENERADOR
- CAMPO DE LA INVENCIÓN
- 5
- La invención se refiere a la amortiguación de las vibraciones del tren de
- potencia de los aerogeneradores y, más en particular, a un método para la
- identificación de la frecuencia principal del tren de potencia de un aerogenerador.
- 10
- ANTECEDENTES
- Los aerogeneradores son dispositivos que convierten la energía
- mecánica del viento en energía eléctrica. Un aerogenerador típico incluye una
- 15
- góndola montada sobre una torre que alberga un tren de potencia para
- transmitir la rotación de un rotor a un generador eléctrico y otros componentes
- tales como los motores de orientación mediante los que se gira el
- aerogenerador, varios controladores y un freno. El rotor soporta varias palas que
- capturan la energía cinética del viento y causan un movimiento rotatorio del tren
- 2 o
- de potencia. Las palas del rotor tienen una forma aerodinámica de manera que
- cuando el viento pasa a través de la superficie de las palas se crea una fuerza
- ascensional que causa la rotación de un eje al que está conectado un generador
- eléctrico, directamente o a través de un dispositivo de multiplicación. La
- cantidad de energía producida por los aerogeneradores depende de la
- 2 5
- superficie de barrido del rotor de palas que recibe la energía del viento y,
- consecuentemente, el incremento de la longitud de las palas implica
- normalmente un incremento de la producción de energía del aerogenerador. Las
- palas están controladas para permanecer en un régimen de autorrotación
- durante una fase normal y su actitud depende de la intensidad del viento.
- 30
- El acoplamiento dinámico del primer modo simétrico en el plano de un
- rotor de 3 palas con la frecuencia principal del tren de potencia produce un
- modo acoplado que prácticamente no está amortiguado en la operación del
- aerogenerador. Este modo acoplado puede incluso ser excitado cuando se
- opera a potencia nominal para altas velocidades del viento lo que conduce a
- una carga inabordable para el tren de potencia. Un control operacional de un
- aerogenerador sin tener en cuenta esta dinámica puede conducir fácilmente a
- 5
- niveles dañinos de la carga de fatiga en la multiplicadora.
- La técnica anterior enseña el uso de la referencia del par del generador
- para amortiguar dichas vibraciones. Esta técnica es altamente dependiente de
- una buena identificación de la frecuencia principal de las vibraciones del tren de
- potencia.
- 10
- US 2006/0066111 describe una técnica de amortiguación de vibraciones
- para aerogeneradores de velocidad variable que no sólo ayuda a la
- amortiguación de las vibraciones del tren de potencia causadas por la variación
- en la velocidad del viento, sino que también reduce las cargas de la torre
- causadas por las oscilaciones laterales. Además, la técnica reduce
- 15
- ventajosamente las fluctuaciones de potencia del generador acoplado al rotor
- del aerogenerador. Dichas vibraciones se determinan en función de la velocidad
- del rotor usando transformadas de Fourier en una operación en tiempo real.
- Un inconveniente de dicha propuesta en relación sobre todo a la
- identificación de las vibraciones del tren de potencia es que las transformadas
- 2 o
- de Fourier requieren ventanas temporales de datos de un cierto tamaño que
- pueden causar retrasos importantes en el procesamiento de la señal de la
- velocidad del generador. La presente invención se centra en encontrar una
- solución a dicho inconveniente
- 2 5
- SUMARIO DE LA INVENCIÓN
- Un objeto de la presente invención es proporcionar una identificación en
- tiempo real de la frecuencia principal del tren de potencia de un aerogenerador
- para mejorar su amortiguación.
- 30
- En un aspecto, este y otros objetivos se cumplen mediante un método
- para la identificación de la frecuencia principal del tren de potencia de un
- aerogenerador en operación que comprende pasos en tiempo real de: a)
.O
Un aerogenerador típico 11 comprende una torre 13 soportando una
- góndola 18 que alberga un generador 19 para convertir la energía rotacional del
- rotor del aerogenerador en energía eléctrica. El rotor del aerogenerador
- comprende un buje de rotor 15 y, típicamente, tres palas 17. El buje del rotor 15
- 5
- está conectado bien directamente o a través de una multiplicadora al generador
- 19 para transferir el par generado por el rotor 15 al generador 19 incrementando
- la velocidad del eje a fin de alcanzar una velocidad rotacional apropiada del
- rotor del generador.
- La energía producida por un aerogenerador moderno está controlada
- 1 o
- normalmente por medio de un sistema de control para regular el ángulo de paso
- de las palas del rotor y el par motor del generador. La velocidad rotacional del
- rotor y la producción de energía de un aerogenerador pueden ser pues
- controladas inicialmente, es decir antes de su transferencia a una red de
- distribución a través de un convertidor.
- 15
- El objetivo básico de los métodos de operación de un aerogenerador de
- velocidad variable es alcanzar una operación con la producción
- aerodinámicamente ideal el mayor tiempo posible.
- Como es sabido, la energía cinética asociada con el viento incidente
- depende del área barrida por las palas del rotor, de la densidad del aire y del
- 2o
- cubo de la velocidad del viento y se considera que los aerogeneradores pueden
- extraer hasta el 59% de dicha energía. Por ello, se representa la capacidad de
- cada aerogenerador para aproximarse a dicho límite por el llamado coeficiente
- de potencia Cp que está determinado por sus características aerodinámicas,
- particularmente por el ratio 'A de su velocidad en la punta que se define como la
- 25
- relación entre la velocidad tangencial de la punta de la pala y la velocidad del
- viento incidente. Si se puede mantener ese ratio en su valor óptimo, de manera
- que la velocidad del rotor siga la velocidad del viento, se obtiene el máximo
- coeficiente de potencia Cp del aerogenerador, alcanzando una conversión de
- energía muy eficiente.
- 3o
- La estrategia de control seguida generalmente en los aerogeneradores
- de velocidad variable está basada en ajustar eléctricamente el par del
- generador para alcanzar la máxima producción lo que se lleva a cabo usando
- un controlador que recibe señales indicado la velocidad del generador y la
- potencia producida por el generador y que proporciona una señal de referencia
- del par al convertidor para obtener la potencia requerida.
- Consecuentemente, el controlador del aerogenerador usa una curva que
- 5
- define la relación funcional deseable entre potencia y velocidad para alcanzar la
- producción ideal.
- Para una mejor comprensión de la presente invención, se hace
- seguidamente una breve descripción de una típica curva Potencia vs. Velocidad
- del generador 21, mostrada en la Figura 2 y de la curva resultante Potencia vs.
- 1 o
- Velocidad del viento mostrada en la Figura 3.
- La curva Potencia vs. Velocidad del generador 21 mostrada en la Figura
- 2 comprende una primera zona sub-nominal 23 en la que la velocidad del viento
- alcanza el nivel mínimo para comenzar la operación del aerogenerador. En esta
- zona, el control del aerogenerador es muy limitado ya que el aerogenerador no
- 15
- puede capturar la máxima energía. La segunda zona sub-nominal 25
- corresponde a bajas velocidades del viento en la que la velocidad del generador
- se incrementa y el aerogenerador funciona con un óptimo coeficiente de
- potencia Cp. La tercera zona sub-nominal 27 corresponde a velocidades del
- viento en un cierto rango en el que se mantiene constante la velocidad del
- 2 o
- generador a la velocidad nominal fln mientras la potencia se incrementa hasta
- la potencia nominal Pwn. En esta zona el ángulo de paso de las palas es fijo y la
- velocidad del generador se controla a través del par. En la zona nominal 29,
- tiene lugar la operación del aerogenerador a plena carga a la potencia nominal
- Pwn bajo el control del ángulo de paso de las palas para evitar sobrecargas.
- 2 5
- En condiciones ideales la curva de potencia promedio resultante sería la
- curva 22 de la Figura 3 que muestra que la producción de energía P se
- incrementa desde una mínima velocidad del viento V2 hasta la velocidad
- nominal del viento Vn y entonces permanece constante en el valor nominal de
- producción de energía Pwn hasta la velocidad de corte del viento. Esta curva
- 3 o
- define la deseada relación funcional entre potencia y velocidad para alcanzar la
- producción ideal y por tanto el sistema de control del aerogenerador debe estar
- dispuesto en consonancia.
- Para implementar esa regulación una unidad de control recibe datos de
- entrada tales como la velocidad del viento V, la velocidad del generador n, el
- ángulo de paso de las palas e, la potencia Pw desde bien conocidos dispositivos
- de medida y envía datos de salida Bref. Tref a, respectivamente, el sistema
- 5
- actuador del ángulo de paso de las palas para cambiar la posición angular de
- las palas 17 y a una unidad de comando del generador para cambiar la
- referencia para la producción de energía.
- En referencia a la Figura 4, las entradas básicas a un controlador de par
- 33 que dispone de medios para amortiguar las vibraciones del tren de potencia
- 1 O
- son un par demandado Trdem de acuerdo con la curva Potencia vs. Velocidad del
- generador 21 y un par Trdam de acuerdo a las necesidades de amortiguación del
- tren de potencia determinado en el bloque 31 en función de la velocidad del
- generador n y de la frecuencia principal f del tren de potencia. La salida es una
- referencia de par Trrer para la unidad de comando del generador.
- 15
- Esta invención se centra en la identificación en tiempo real durante la
- operación del aerogenerador de la frecuencia principal f del tren de potencia y
- en una realización preferente, comprende las siguientes etapas (ver Figura 5).
- En una primera etapa, la señal original rO de la velocidad del generador
- proporcionada por el dispositivo antes mencionado de medición de la velocidad
- 2 o
- del generador n se filtra en el bloque 41 para obtener una señal de entrada r
- en un intervalo predeterminado de frecuencias, preferiblemente un intervalo de
- 1-2,5 Hz, para evitar perturbaciones de la señal.
- En una segunda etapa, se obtiene en el bloque 43 la mejor banda de
- frecuencias, definida por la variable P3 (entre un número predeterminado de
- 2 5
- bandas definido por la variable P2), que representa la señal oscilatoria o
- comprendida en la señal de entrada r de la velocidad del generador .0.
- La señal de entrada r puede ser representado en cada una de dichas
- bandas como una señal filtrada s más una señal oscilatoria o de amplitud y fase
- desconocidas y con una frecuencia conocida con una cierta incertidumbre (la
- 30
- frecuencia central de cada sub-banda más un desplazamiento). La señal filtrada
- se puede obtener restando la oscilación estimada a la señal de entrada:
r(kT) = s(kT) + a(kT) cos(2n(f + 11f)kT + tjJ(kT))
- s(kT) =r(kT)-a(kT)cos(2n(f + 11f)kT + tjJ(kT))
- Ec. 1
- Los valores de la amplitud estimada (rpm) y de la fase (radianes) pueden ser calculados paso a paso como sigue:
- 5
- ~(k+1) =~(k)+ f.la ·;(k)· co{2nf·k +~(k)) ~(k+1) =~(k)-J.l~ ;(k)· sen( 2nf·k +~(k)) Ec. 2 En esta expresión, f.la and J.l~ (adimensionales) son el tamaño de paso
- 1 o
- para definir el tiempo de convergencia y la estabilidad del algoritmo. Deben calcularse experimentalmente. Todos los parámetros necesarios para este paso están definidos en la variable P1. Las expresiones anteriores son válidas si y solo si 11-íj << 1 . Nótese que
- 11f pertenece a la estimación de fase por lo que un mayor error en 11f afectará
- a esa estimación y también a la estimación de la amplitud según la Ec. 2. Puede
- aproximarse el 11f calculando la pendiente de la estimación de fase.
- La banda en la que ocurre la oscilación se determina calculando el 11f en
- 15
- cada banda. El mínimo 11f determina la frecuencia principal f del tren de
- potencia. En una realización preferente dichas sub-bandas son las siguientes: -Banda 0: 1.45 -1.65 Hz
- 20
- -Banda 1: 1.55 -1.75 Hz -Banda 2: 1.65-1.85 Hz
- -Banda 3: 1.75-1.95 Hz
- -Banda 4: 1.85 -2.05 Hz
- con
- Aunque la presente invención ha sido descrita completamente en relación realizaciones preferentes, es evidente que se pueden introducir en ella
modificaciones dentro de su alcance, entendiendo que no está limitado a esas realizaciones sino por el contenido de las siguientes reivindicaciones.
Claims (5)
- REIVINDICACIONESREIVINDICACIONES
- 6.-Método según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que dicho número predeterminado de bandas es de cinco, abarcando en intervalos de dimensiones iguales un rango de frecuencias entre 1,45-2,05 Hz.
- 6.-Método según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que dicho número predeterminado de bandas es de cinco, abarcando en intervalos de dimensiones iguales un rango de frecuencias entre 1,45-2,05 Hz.
- REIVINDICACIONES
- 5 1o
- 1.-Método para la identificación de la frecuencia principal del tren de potencia de un aerogenerador en operación que comprende pasos en tiempo real de: a) obtener una señal de entrada (r) de la velocidad del generador (O); b) filtrar la señal de entrada (r) de la velocidad del generador (O) para obtener una señal de la velocidad del generador (r1) en una banda apropiada para representar la oscilación de la señal (o) comprendida en la señal de entrada (r) de la velocidad del generador (O); e) extraer la frecuencia principal (f) del tren de potencia de dicha señal filtrada (r1).
- 15
- 2.-Método según la reivindicación 1, en el que dicha banda apropiada en dicho paso b) es la mejor banda, entre un número predeterminado de bandas, para tener en cuenta la señal oscilatoria (o) comprendida en la señal de entrada (r) de la velocidad del generador (0).
- 2 o
- 3.-Método según la reivindicación 2, en el que dicha mejor banda es la banda que, representando dicha señal de entrada (r) como una señal filtrada (s) más una señal oscilatoria (o) de una frecuencia (fi + .t1fi) siendo (fi) la frecuencia central de cada banda, alcanza un valor mínimo de (.t1fi).
- 2 5
- 4.-Método según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que el método también incluye un primer paso en el que dicha señal de entrada (r) se obtiene como una señal filtrada de la señal original (rO) de la velocidad del generador en un intervalo de una frecuencia predeterminada.
- 30
- 5.-Método según frecuencia es 1-2,5 Hz. la reivindicación 4, en el que dicho intervalo de
- 6.-Método según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que dicho número predeterminado de bandas es de cinco, abarcando en intervalos de dimensiones iguales un rango de frecuencias entre 1,45-2,05 Hz.5 7.-Método de amortiguación de las vibraciones del tren de potencia de un aerogenerador que comprende etapas de fijación de la referencia del par del generador (Trret) en función de la velocidad del generador(D)y de la frecuencia principal del tren de potencia (f) identificada por un método según cualquiera de las reivindicaciones 1-6.10
- 8.-Sistema de control de un aerogenerador conectado a dispositivos demedida de, al menos, la velocidad del viento (V), la velocidad del generador (.Q), el ángulo de paso de cada pala({}), la potencia (P) y, por lo menos, actuadores de control del ángulo de paso de las palas y del par motor, estando dispuesto el15 sistema de control para llevar a cabo una regulación del aerogenerador de acuerdo con una curva de potencia predeterminada 25 para velocidades del viento por debajo de la velocidad de corte (VouJ; estando también dispuesto el sistema de control del aerogenerador para implementar un método de amortiguación según la reivindicación 7.20
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