ES2818807T3 - Sistema de control que incluye controladores local y central para un sistema de turbina eólica que tiene múltiples rotores - Google Patents
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Abstract
Un sistema de turbina eólica (2) que comprende una pluralidad de turbinas eólicas (6) montadas en una estructura de soporte común (4), en la que cada una de la pluralidad de turbinas eólicas incluye un rotor (22) y un sistema de generación de energía (32) accionado por el rotor, en el que el sistema de turbina eólica comprende además: medios de control locales (50) que incluyen una pluralidad de módulos de control local dispuestos para optimizar el rendimiento de una respectiva de entre la pluralidad de turbinas eólicas en línea con un conjunto de objetivos de control local, en el que cada uno de los módulos de control local es operativo para supervisar la operación de la respectiva de entre la pluralidad de turbinas eólicas y para enviar comandos de control local (60) a la misma para conseguir el conjunto de objetivos de control local; medios de control centralizados (52) configurados para supervisar la operación del sistema de turbina eólica y proporcionar comandos de control centralizados (54) a la pluralidad de turbinas eólicas para conseguir un conjunto de objetivos de control y supervisión asociados con al menos dos de la pluralidad de turbinas eólicas, caracterizado por que los medios de control centralizados se disponen además para determinar un conjunto de objetivos de control locales y proporcionar los objetivos de control locales a la pluralidad de turbinas eólicas.
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema de control que incluye controladores local y central para un sistema de turbina eólica que tiene múltiples rotores
Campo técnico
La invención se refiere a un sistema de control que comprende controladores locales y controladores centrales para el control de un sistema de turbina eólica que tiene múltiple rotores.
Antecedentes de la invención
El tipo más común de turbina eólica es la turbina eólica de tres palas a barlovento de eje horizontal (HAWT), en la que el rotor de la turbina está en el frente de la góndola y mirando al viento incidente en su torre de turbina de soporte.
Existen un cierto número de diseños de turbina eólica alternativos. Un ejemplo es la turbina eólica de tipo matriz de rotor múltiple.
El documento EP1483501B1 divulga una turbina eólica de tipo matriz de rotor múltiple en la que se montan una pluralidad de rotores coplanares en una estructura de soporte común. Dicha configuración consigue economías de escala que pueden obtenerse con turbinas de un único rotor muy grande, pero evita los inconvenientes asociados con dichas elevadas masas de pala, componentes electrónicos de potencia expandidos y otros similares. Sin embargo, aunque dicha turbina eólica de rotor múltiple coplanar tiene sus ventajas, presenta dificultades para implementar el concepto en la práctica, particularmente en cómo controlar múltiples rotores para conseguir una producción de energía óptima. El documento EP1483501B1 plantea la estrategia de control tratando cada turbina eólica del sistema como un elemento separado que es controlado individualmente.
El documento US2003/0168864 divulga un sistema de conversión de energía eólica optimizado para aplicación marina. Cada turbina eólica incluye un casco semi-sumergible con un peso de lastre que es móvil para incrementar la estabilidad del sistema. Cada turbina eólica tiene una matriz de rotores distribuidos en una torre para distribuir el peso y cargas y para mejorar el rendimiento en producción de potencia en donde el viento cortante es elevado. El documento GB2443886 divulga una disposición de turbina eólica que comprende una torre y al menos dos brazos que se proyectan hacia el exterior desde la misma. Fijándose una turbina eólica a un extremo de cada brazo. Se divulga un método de control que puede alinear las turbinas con el dirección del viento por medio de un ajuste del paso de palas.
El documento WO2010/021585 divulga una disposición soportada en agua que utiliza unidades de pontones, que comprenden turbinas para generar energía eléctrica a partir de una fuerza del viento predominante. Se divulgan unos medios para controlar el movimiento de rotación de la pala del impulsor durante su rotación. Los medios están adaptados para tener capacidad de asignar a la pala del propulsor diferentes posiciones de rotación durante una única revolución.
Es contra estos antecedentes como se ha concebido la invención.
Sumario de la invención
En un aspecto la invención proporciona un sistema de turbina eólica, de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende una pluralidad de turbinas eólicas montadas en una estructura de soporte común, en el que cada una de la pluralidad de turbinas eólicas incluye un rotor y un sistema de generación de energía accionado por el rotor, en el que el sistema de turbina eólica comprende además:
medios de control localizados que incluyen una pluralidad de módulos de control locales, en el que cada uno de los módulos de control local es operativo para supervisar la operación de una respectiva de la pluralidad de turbinas eólicas y para enviar comandos de control local a la misma para conseguir un conjunto de objetivos de control local; medios de control centralizados configurados para supervisar la operación del sistema de energía eólica y proporcionar comandos de control centralizados a la pluralidad de turbinas eólicas para conseguir un conjunto de objetivos de control y supervisión asociados con al menos dos de la pluralidad de turbinas eólicas.
Ventajosamente, el sistema de la invención permite que cada una de las turbinas eólicas optimice su propio rendimiento ajustándose a objetivos de control local, mientras también toma parte en objetivos de control centralizados para mejorar el rendimiento del sistema de turbina eólica como un conjunto. El tipo de sistema de la invención puede ser conocido también como un "sistema de turbina eólica o de generación eólica de rotor múltiple" y cada turbina eólica puede denominarse como un módulo de turbina eólica.
En una realización, los medios de control locales y los medios de control centralizados se implementan en un dispositivo de cálculo común. Así pues, en dicha configuración, pueden concentrarse los recursos de cálculo en una única localización física, lo que puede mejorar la fiabilidad dado que la detección de datos y la transmisión de datos se concentran en un único punto. El sistema puede ser también por lo tanto más efectivo en coste. En dicha configuración, los medios de control locales y los medios de control centralizados pueden implementarse en un dispositivo de cálculo común, aunque funcionalmente separados en adecuados módulos de software funcionalmente independientes. En realizaciones alternativas los medios de control locales y los medios de control centralizados pueden implementarse en dispositivos de cálculo separados.
Allí donde los medios de control locales y los medios de control centralizados se implementan en dispositivos de cálculo separados, cada uno de la pluralidad de módulos de control locales puede situarse en su módulo de turbina eólica respectivo y los medios de control centralizados pueden localizarse remotamente respecto a la pluralidad de turbinas eólicas, por ejemplo en una localización en la estructura de soporte.
En un aspecto adicional se proporciona un método de un sistema de turbina eólica de acuerdo con el primer aspecto de la invención.
En general los aspectos de la invención pueden combinarse y acoplarse de cualquier manera posible dentro del alcance de la invención.
Breve descripción de los dibujos
De modo que pueda ser comprendida más completamente, se describirá ahora la invención a modo de ejemplo solamente con los siguientes dibujos, en los que:
la Figura 1 es una vista frontal de un sistema de turbina eólica de rotor múltiple;
la Figura 2 es una vista superior del sistema de turbina eólica de rotor múltiple de la Figura 1;
la Figura 3 es una vista esquemática de una realización de un sistema de control para el sistema de turbina eólica de rotor múltiple de las Figuras 1 y 2;
la Figura 4 es una vista alternativa del sistema de control de la Figura 3; y
la Figura 5 es una vista esquemática de un sistema de control alternativo al mostrado en la Figura 4.
Descripción detallada de las realizaciones de la invención
Con referencia a las Figuras 1 y 2, un sistema de turbina eólica 2 incluye una estructura de soporte 4 sobre la que se monta una pluralidad de turbinas eólicas 6 o módulos de turbina eólica 6. En esta realización, la estructura de soporte 4 es una torre esbelta que se monta sobre una cimentación 8, como es típico con los sistemas de turbina eólica modernos, aunque debería apreciarse que son posibles otras estructuras de soporte, por ejemplo estructuras de tipo celosía. Obsérvese que la expresión "turbina eólica" se usa en este caso en el sentido industrialmente aceptado para referirse principalmente a los componentes de generación del sistema de turbina eólica y como separados de la estructura de soporte 4. Obsérvese también que la cimentación 8 puede ser una masa grande, por ejemplo de hormigón o acero, embebida en el terreno o puede estar en la forma de una estructura de mono-poste o revestimiento en una instalación de turbina eólica marina.
En esta realización, hay cuatro turbinas eólicas 6 y estas se montan en la estructura de soporte 4 en dos pares, incluyendo cada par dos turbinas eólicas 6 que se montan en la estructura de soporte 4 mediante una disposición de brazo de soporte 10.
La disposición de brazo de soporte 10 comprende una parte de montaje 12 y un primer y segundo brazos 13 que se extienden desde la parte de montaje y que soportan una turbina eólica respectiva 6. Como tal, cada uno de los brazos de soporte 13 incluye un extremo interior 16 conectado a la parte de montaje 12 y un extremo exterior 18 que se conecta a una turbina eólica 6.
La disposición de brazo de soporte 10 se monta en la estructura de soporte 4 en la parte de montaje 12 de modo que la disposición de brazo de soporte 10 sea capaz de orientarse alrededor del eje vertical de la estructura de soporte 4. Se proporciona para esta finalidad un engranaje de orientación (no mostrado). Este movimiento proporciona un primer grado de libertad para la turbina eólica 6 con respecto a la estructura de soporte, tal como se muestra en la Figura 2 como 'FT. Esta disposición puede denominarse como disposición de orientación central. Se concibe una realización alternativa en la que cada disposición de brazo de soporte 10 se monta en una parte de montaje de modo que las dos disposiciones de brazo de soporte 10 se orientan al mismo tiempo. Por ejemplo, la parte de montaje puede ser común a ambas disposiciones de brazo de soporte.
Asimismo, cada turbina eólica 6 puede disponerse para orientarse a izquierda y derecha con respecto al brazo de soporte 13 en el que se monta. Con este fin, las turbinas eólicas 6 se montan en sus brazos de soporte respectivos 13 mediante una unidad de orientación 20, por ejemplo denominada como unidad de orientación del módulo. El montaje de cada una de las turbinas eólicas 6 sobre una unidad de orientación del módulo 20 proporciona un segundo grado de libertad de las turbinas eólicas 6 con respecto a la estructura de soporte 2 , tal como se muestra en la Figura 2 por "F2". En las realizaciones solo se presenta una disposición de orientación central.
Cada turbina eólica 6 incluye un rotor 22 que se monta de modo giratorio en una góndola 23 de la forma usual. El rotor 22 tiene un conjunto de tres palas 24 en esta realización. Rotores de tres palas es la configuración de rotor más común, pero son conocidos también diferentes números de palas. Por lo tanto, las turbinas eólicas 6 tienen la capacidad de generar energía a partir del flujo de viento que pasa a través del área barrida o "disco de rotor" 26 asociado con la rotación de las palas.
Las Figuras 1 y 2 muestran los componentes estructurales principales del sistema de turbina eólica 2, aunque el experto en la materia entenderá que las realizaciones ilustradas se han simplificado para no ofuscar la invención con detalle innecesario. Se proporcionará ahora una explicación adicional sobre los componentes del sistema del sistema de turbina eólica 2 con referencia también a la Figura 3.
En un nivel de los sistemas, cada turbina eólica 6 puede incluir una caja de engranajes 30 que es accionada por el rotor 22 y un sistema de generación de energía que incluye un generador 32 conectado a la caja de engranajes 30 y que suministra la energía generada a un sistema convertidor 34. Se proporciona también un sistema de control de paso 36 para controlar el ángulo de ataque de las palas con relación al viento. La configuración precisa del generador 32 y del sistema convertidor 34 no es esencial para la invención y no se describirán en detalle. Sin embargo, para las presentes finalidades pueden considerarse como convencionales y, en una realización, pueden basarse en una arquitectura de convertidor a escala total (FSC) o una arquitectura de generador de inducción de doble alimentación (DFIG), aunque serían conocidas para el experto en la materia otras arquitecturas. Asimismo, en la realización ilustrada cada una de las turbinas eólicas puede considerarse que es sustancialmente idéntica, de modo que solo una se ha etiquetado completamente en la Figura 3 por claridad. En general, los diferentes módulos de turbina eólica no necesitan ser idénticos. Por ejemplo pueden usarse tamaños de rotor diferente, diferentes generadores, etc.
En la realización ilustrada, la salida de energía del convertidor 34 de cada turbina eólica 6 se suministra a una unidad de distribución 40 que tiene como función recibir las entradas de energía 42 desde las turbinas eólicas 6 a través de un cableado 44 adecuado para una transmisión hacia una carga 46, que se muestra en este caso como la red eléctrica. Aunque no se muestra en este caso debería apreciarse que la unidad de distribución 40 puede situarse en cualquier posición adecuada, por ejemplo dentro de la torre 4. El experto en la materia será consciente de que existen diferentes opciones de conversión y transmisión de la energía y estarían dentro de las capacidades del experto en la materia especificar un sistema adecuado. Por ello este aspecto no se describirá con detalle adicional en el presente documento.
Debería observarse en este punto que solo se describe en el presente documento un único sistema de turbina eólica 2 , pero que pueden agruparse diversos de dichos sistemas conjuntamente para formar una planta de generación eólica, también denominada como una granja eólica o "parque" eólico. En este caso, se proporcionaría una instalación (no mostrada) de control y distribución para la planta de generación eólica para coordinar y distribuir las salidas de potencia desde los sistemas de turbina eólica individuales a la red más amplia.
Dado que el sistema de turbina eólica 2 incluye una pluralidad de turbinas eólicas 6, cada una de las cuales es funcional para generar energía eléctrica cuando el rotor es accionado por el viento, el sistema incluye medios de control locales 50 que son operativos para supervisar la operación de la respectiva de la pluralidad de turbinas eólicas y para enviar a las mismas comandos para conseguir un conjunto de objetivos de control locales, como se explicará. En esta realización, los medios de control locales 50 se proporcionan en la forma de una pluralidad de módulos de control local 50 que se realizan como dispositivos de cálculo respectivos estando dedicado cada uno de ellos a una turbina eólica 6, 49 asociada.
La responsabilidad de los módulos de control local 50 es supervisar la operación de una turbina eólica 6, 49 específica y controlar la operación de sus diversos componentes para conseguir los objetivos de control locales. Por ejemplo, con referencia a una única turbina eólica 6, 49 por claridad, el módulo de control local puede: supervisar la velocidad del rotor y enviar comandos de control de paso al sistema de control de paso 36 para seguir la referencia de velocidad nominal, que puede determinarse localmente para cada turbina, pero que puede fijarse de modo que sea común a lo largo de un grupo de turbinas, durante las condiciones de operación de potencia por encima de la nominal;
envía comandos de control al generador 32 para seguir una velocidad de captura de energía del viento óptima durante condiciones de operación de potencia por debajo de la nominal;
envía comandos de orientación a una unidad de orientación 20 de la góndola para mantener la góndola en una orientación correcta con respecto al viento de modo que se optimice la extracción de energía;
envía comandos de control de paso y del generador para reducir las cargas sobre la pala y cojinete;
envía comandos de paso de pala individuales para reducir la inclinación de la góndola y pala local y las cargas de orientación;
protege a las turbinas locales contra cargas o una situación de operación inusual parando o reduciendo la potencia de las turbinas afectadas. Dichas condiciones podrían ser temperatura de componente alta, vibración excesiva, sobrevelocidad, fallos de sensores y actuadores del sistema, a modo de ejemplo.
En sumario, como un grupo, los módulos de control local 50 son responsables de controlar la funcionalidad de cada turbina eólica 6 individualmente de forma que ignoren la interacción entre la turbina eólica 6 y el resto del sistema de turbinas eólicas de rotor múltiple 2. Así pues, los módulos de control locales 50 están específicamente dirigidos a optimizar el rendimiento de una turbina eólica 6 respectiva en línea con un conjunto asociado de objetivos de control locales y para no tener en cuenta cómo la operación de las otras turbinas eólicas 6 o la estructura de soporte 2 puede influir en cómo deberían operarse las turbinas eólicas individuales como un grupo más amplio.
Para proporcionar una estrategia de control coordinada, el sistema de turbina eólica 2 incluye también medios de control centralizados 52 que se configuran para supervisar la operación del sistema de energía eólica, es decir las turbinas eólicas 6 y la estructura de soporte 4 para proporcionar comandos de control centralizados a la pluralidad de turbinas eólicas 6 para conseguir un conjunto de objetivos de control y supervisión para las turbinas eólicas como un grupo. En esta realización, los medios de control centralizados 52 se proporcionan mediante un módulo de control central que es un dispositivo de cálculo incorporado en la unidad de control y distribución central 40. En este caso, el módulo de control central 52 puede localizarse dentro de la estructura de soporte 4.
El módulo de control central 52 consigue el control sobre cada una de las turbinas eólicas 6 proporcionando comandos de control a las mismas. Tal como se muestra en la Figura 3, el módulo de control central 52 produce la salida de comandos de control 54 que son recibidos por cada una de las turbinas eólicas 6 y, más en particular, se reciben por los módulos de control local 50. Los comandos de control 54 pueden ser un tipo de comando de "difusión" en los que el mismo comando se envía a cada turbina eólica 6, o los comandos pueden ser un tipo de comando "dirigido" en los que se envía un comando de control específico a una o más seleccionadas, pero no a todas, de las turbinas 6.
Se observará que la Figura 3 es una vista esquemática, de modo que la forma en la que los comandos de control 54 se transfieren a las turbinas eólicas 6 no se representa explícitamente. Sin embargo, se apreciará que puede existir un cableado adecuado en el sistema de turbina eólica que interconecte la unidad de control central 52 a las turbinas eólicas 6 y, más específicamente, a los módulos de control local 50. Las interconexiones pueden ser conexiones directas o "punto a punto" o pueden ser parte de una red de área local (LAN) operada bajo un protocolo adecuado (CAN-bus o Ethernet por ejemplo). Además, debería apreciarse que en lugar de usar cableado, los comandos de control 54 pueden transmitirse de modo inalámbrico a través de una red inalámbrica adecuada, por ejemplo funcionando bajo las normas WiFi™ o ZigBee™ (IEEE802.11 y 802.15.4 respectivamente).
El objetivo del módulo de control central 52 es implementar una estrategia de control armoniosa por parte del grupo de turbinas eólicas 6 de modo que sus interacciones entre ellas y las interacciones entre las turbinas eólicas 6 y la estructura de soporte 4 se gestionen de la forma más efectiva. Expresado en otra forma, el módulo de control central 52 aplica una estrategia de control de nivel más elevado a la operación del sistema de turbina eólica 2, mientras que los módulos de control local 50 aplican una estrategia de control de nivel más bajo a cada turbina eólica 6 respectiva de modo individual. Sin embargo, ambos "niveles" de la estrategia de control funcionan conjuntamente de modo armonioso para optimizar el rendimiento del sistema de energía eólica 2 , tanto en términos de producción de energía absoluta, de eficiencia en la producción como de optimización de la fatiga.
De acuerdo con la invención, la unidad de control central se dispone además para determinar un conjunto de objetivos de control locales y proporcionar los objetivos de control locales a la pluralidad de turbinas eólicas. De esta forma puede asegurarse que las estrategias de control local no entran en conflicto entre sí o al menos si surgen circunstancias de conflicto, por ejemplo ciertas condiciones de operación, la unidad de control central tiene esto en cuenta y proporciona objetivos de control local adecuados para los controladores locales.
Las siguientes realizaciones se dan a modo de ejemplo para ilustrar cómo debería funcionar el módulo de control central 52 para controlar las turbinas eólicas 6.
En una realización, se plantea que se localizan cercanas entre sí un par de turbinas eólicas 6, por ejemplo dos de las turbinas eólicas 6 que están asociadas con una disposición de brazo de soporte común 10, interactúan aerodinámicamente de modo que sus velocidades de rotor quedan sincronizadas. Esto se denomina a veces como
"enervamiento". Puede no ser deseable dado que una o ambas de las turbinas eólicas 6 afectadas pueden comenzar a funcionar a una velocidad que no sea óptima para las condiciones del viento predominantes. En estas circunstancias, el módulo de control central 52 es operativo para supervisar las velocidades de rotación de las turbinas eólicas 6 y tomar acciones si se detecta o predice una situación de enclavamiento. Por ejemplo, el módulo de control central 52 puede enviar comandos de control 54 a los módulos de control local 50 de las turbinas eólicas asignadas para solucionar la situación, esto puede conseguirse ajustando las ganancias de la función de control de velocidad de las turbinas eólicas 6.
En otra realización, el módulo de control central 52 puede ser operativo para detectar condiciones peligrosas de hielo en las palas. Esto puede conseguirse supervisando la carga en las raíces de la pala e identificando cualquier cambio que sea indicativo de crecimiento del hielo. El experto en la materia apreciará que existen otras técnicas para supervisar la acumulación de hielo en las palas. Por ejemplo, el crecimiento de hielo puede determinarse a través de la detección de desequilibrios en el rotor o a través de la supervisión de la curva de potencia real en comparación con una curva de potencia teórica a una temperatura baja predeterminada.
En esta realización, el módulo de control central 52 podría configurarse para tomar la acción de detener todas las turbinas eólicas o parar unas seleccionadas de entre las turbinas eólicas, dependiendo de la gravedad del crecimiento de hielo. Esto reducirá el riesgo de que se lance el hielo fuera de la pala y produzca daños.
En una realización, el módulo de supervisión de carga puede usarse además en conexión con una situación de reducción de carga en la que la turbina eólica es instruida desde un operador externo para reducir su producción. El módulo de supervisión de carga puede determinar en cuáles de las turbinas eólicas reducir la carga. Por ejemplo puede reducirse la carga de un par de turbinas eólicas mientras se mantiene el otro par en producción nominal o, alternativamente, puede reducirse la carga de todas las turbinas eólicas, posiblemente a diferentes ritmos.
En las realizaciones anteriores, el módulo de control central 52 se configura para supervisar las turbinas eólicas 6, para evaluar si hay cualquier interacción no deseada entre las turbinas eólicas 6 y tomar entonces medidas para resolver esa interacción.
Sin embargo, además de gestionar la interacción entre las turbinas eólicas 6, el módulo de la unidad de control central 52 puede ser operativo también para supervisar la interacción entre las turbinas eólicas 6 y la estructura de soporte 4 y para enviar comandos de control central 54 a las turbinas eólicas 6 para gestionar esa interacción de modo que se eviten efectos indeseados.
En una realización, la unidad de control central puede disponerse para determinar un comando de control central para una turbina eólica teniendo en cuenta interacciones estructurales y/o aerodinámicas entre las turbinas eólicas o módulos de turbina eólica. De esta forma puede evitarse que la operación de una turbina afecte de modo adverso a la operación de otra turbina o a un componente estructural del sistema de turbina eólica.
A modo de ejemplo, el módulo de control central 52 puede configurarse para supervisar la carga impuesta sobre la estructura de soporte 4 recogida través de una serie de sensores 57 adecuados por las turbinas eólicas 6 y para tomar las medidas para reducir la carga o para contrarrestar oscilaciones de la torre creadas como resultado de la carga. En más detalle, durante la operación de las turbinas eólicas 6 la estructura de soporte 4 es excitada con cargas tanto estáticas como dinámicas. Un ejemplo de carga estática es el empuje producido por el rotor durante la operación que actúa en general en línea con el eje del rotor. También se produce un par por la rotación del rotor. Las cargas dinámicas pueden producirse por ejemplo por ráfagas de viento y efectos de estela desde los sistemas de turbina situados viento arriba, por resonancias que excitan la estructura de la turbina a ciertas velocidades del rotor o por inestabilidad aerodinámica de las palas que pueden generar vibraciones de pala en el sentido de la cuerda y de la longitud que se transmiten a la estructura de la turbina eólica.
En general las interferencias aerodinámicas pueden provocar cargas no deseadas. Dichas cargas indeseadas pueden manejarse por el controlador central. En una realización puede manejarse una carga asimétrica sobre los módulos de turbina eólica por el controlador central reduciendo la potencia del o de los módulos de turbina eólica que tienen la carga más alta. A modo de ejemplo, una ráfaga que incida en el sistema de turbina eólica de forma asimétrica puede manejarse reduciendo la potencia del o de los módulos de turbina eólica que están más afectados y permitiendo que el o los módulos de turbina eólica que están menos afectados incrementen la captación de potencia. De esta manera, la producción de potencia puede mantenerse constante durante la ráfaga sin carga excesiva en los módulos de turbina eólica.
Las diferencias de empuje entre dos de las turbinas eólicas asociadas con la misma disposición de brazo de soporte 10 son indeseables debido a que estas diferencias crean grandes cargas de orientación en el punto en el que se fija la parte de montaje 12 a la estructura de soporte 4. Una diferencia en el empuje entre dos turbinas eólicas emparejadas podría tener lugar debido a diferentes razones, por ejemplo debido a una diferencia relativa en la velocidad del viento o la dirección del viento experimentada por las turbinas eólicas, o a que las palas de una turbina están más contaminadas con hielo o suciedad lo que podría reducir la eficiencia aerodinámica de las palas. Dichas cargas de orientación pueden medirse de diferentes formas. Por ejemplo, el empuje sobre las turbinas eólicas 6
puede estimarse a partir de mediciones de la potencia, velocidad y aceleración del generador y ángulo de paso de palas. Dicha técnica se basa en cálculos numéricos a partir de los sensores incorporados en el buje del rotor y en la góndola. Como alternativa, la carga de orientación puede medirse interpretando datos de sensores de esfuerzo en el brazo de soporte próximos a la estructura de soporte 4. El movimiento físico de la estructura de soporte 4 y de las turbinas eólicas 6 puede medirse mediante acelerómetros adecuados fijados al sistema en posiciones adecuadas. Una vez que el módulo de control central 52 ha calculado la carga de orientación sobre la estructura de soporte, puede ser entonces operativo enviar comandos de control 54 a las turbinas eólicas 6 para contrarrestar la carga de orientación. Por ejemplo, los comandos de control 54 pueden hacer que el sistema de control de paso varíe los ajustes de paso de pala en una turbina eólica hasta un valor reducido para equilibrar las cargas de empuje aplicadas por un par de las turbinas eólicas 6 montadas sobre la misma disposición de brazo de soporte.
El módulo de control central 52 podría configurarse también para tomar acciones para ocuparse del ruido generado por las turbinas eólicas 6 y, para este fin, el módulo de control central 52 podría controlar todas las turbinas eólicas conjuntamente para reducir el ruido o podría controlar las turbinas eólicas de diferentes maneras para controlar el perfil de ruido así como conseguir una reducción global en la generación de ruido.
En un ejemplo adicional, una falta en el rotor puede compensarse por los otros módulos de rotor no en falta. Por ejemplo el control central puede disponerse para determinar que puede obtenerse un nivel de carga aceptado en una operación a carga reducida, incluso con uno o más módulos de turbina eólica no funcionando adecuadamente. En general, en el caso de cualquier desacuerdo o conflicto entre los comandos de control del sistema determinados por los módulos de control local y aquellos determinados por el módulo de control central, los comandos de control desde el módulo de control central prevalecerán. Sin embargo, se diseña que una excepción a esta regla será para funciones relacionadas con la seguridad que se implementa localmente en cada turbina eólica individual, por ejemplo funciones que actúan para limitar la velocidad máxima del rotor, supervisión de la vibración y errores de actuadores críticos.
La Figura 4 ilustra la estrategia de control jerárquico del sistema de turbina eólica de una forma alternativa. En este caso, puede verse que los medios de control centralizado 51 proporcionan una función de control y supervisión a los medios de control locales 49 y por lo tanto comunican con cada uno de los módulos de control local 52. Los módulos de control local 50 envían comandos de control local 60 a cada subsistema controlable dentro de la turbina eólica, por ejemplo el generador 32, el convertidor 34 y el sistema de control de paso 36. Por supuesto, debería observarse que esto se proporciona a modo de ejemplo y pueden incluirse otros subsistemas dentro de los límites de control de las unidades de control 50.
En un segundo nivel de jerarquía, la unidad de control centralizado 52 coordina diversas demandas de control y datos de sensores desde el sistema de turbina eólica 2 e implementa una estrategia de control y supervisión para gestionar la turbina eólica 6 de la forma más productiva. Aquí mostrado, el módulo de control central 52 recibe demandas de control desde un controlador del operador de la red 62 y datos de sensores 57 y produce la salida de comandos de control 54 a cada uno de los módulos de control local 50 de las turbinas eólicas 6. El módulo de control centralizado 52 puede considerarse en este caso como un controlador de supervisión del sistema de turbina eólica 2. Tal como se muestra en la Figura 3, los medios de control locales 49 se implementan como módulos de control local 50 que se localizan en cada una de las turbinas eólicas y los medios de control centralizado 52 se implementan como un módulo de control central localizado en la unidad de control y distribución 40. Por lo tanto, los medios de control locales y los medios de control centralizados se implementan en plataformas de cálculo separadas.
Sin embargo, aunque la realización ilustrada es una forma de configurar la arquitectura de control jerárquica de la invención, se conciben realizaciones en las que la arquitectura jerárquica se implementa de formas diferentes.
Por ejemplo, en una realización alternativa, como se ilustra en la Figura 5, los medios de control locales 49 y los medios de control centralizados 51 se proporcionan en una plataforma de cálculo común 64. En este caso los medios de control centralizado 51 reciben los mismos datos que en la realización anterior. Sin embargo, en lugar de comunicar comandos de control 54 a las unidades de control local 50 que se sitúan por separado en sus turbinas eólicas 6 respectivas, en este caso los comandos de control 54 se transfieren simplemente a diferentes módulos de procesamiento dentro de la misma plataforma de cálculo 64. Se apreciará que los módulos de procesamiento pueden implementarse en unidades de hardware separadas, pero también que los módulos de procesamiento pueden implementarse como módulos de software funcionalmente separados en un entorno de hardware común. El experto en la materia apreciará que pueden realizarse modificaciones a las realizaciones específicas anteriormente descritas sin apartarse del concepto inventivo tal como se define por las reivindicaciones.
Por ejemplo, aunque en la realización de la Figura 3 las unidades de control local 50 se muestran como localizadas dentro de las góndolas 23 de las turbinas eólicas 6, este no necesita ser el caso y se conciben realizaciones en las que las unidades de control local se montan en diferentes localizaciones, por ejemplo sobre los brazos de soporte 13
próximos a la estructura de soporte 4. Esto puede proporcionar a las unidades de control 50 en una posición más conveniente para acceso a mantenimiento.
Además, debería apreciarse que aunque la realización ilustrada incluye cuatro turbinas eólicas montadas en la estructura de soporte, esto es para ilustrar el principio del sistema de control jerárquico propuesto que puede aplicarse a sistemas de turbina eólica con más de cuatro turbinas eólicas. Más aún, se conciben realizaciones en las que las turbinas eólicas no están emparejadas en grupos de dos, como en la realización ilustrada, sino dispuestas de modo diferente y no teniendo necesariamente una relación coplanar.
Claims (12)
1. Un sistema de turbina eólica (2) que comprende una pluralidad de turbinas eólicas (6) montadas en una estructura de soporte común (4),
en la que cada una de la pluralidad de turbinas eólicas incluye un rotor (22) y un sistema de generación de energía (32) accionado por el rotor,
en el que el sistema de turbina eólica comprende además:
medios de control locales (50) que incluyen una pluralidad de módulos de control local dispuestos para optimizar el rendimiento de una respectiva de entre la pluralidad de turbinas eólicas en línea con un conjunto de objetivos de control local, en el que cada uno de los módulos de control local es operativo para supervisar la operación de la respectiva de entre la pluralidad de turbinas eólicas y para enviar comandos de control local (60) a la misma para conseguir el conjunto de objetivos de control local;
medios de control centralizados (52) configurados para supervisar la operación del sistema de turbina eólica y proporcionar comandos de control centralizados (54) a la pluralidad de turbinas eólicas para conseguir un conjunto de objetivos de control y supervisión asociados con al menos dos de la pluralidad de turbinas eólicas, caracterizado por que los medios de control centralizados se disponen además para determinar un conjunto de objetivos de control locales y proporcionar los objetivos de control locales a la pluralidad de turbinas eólicas.
2. El sistema de turbina eólica según la reivindicación 1, en el que los medios de control locales y los medios de control centralizados se implementan en un dispositivo de cálculo común (64).
3. El sistema de turbina eólica según la reivindicación 1, en el que los medios de control locales y los medios de control centralizados se implementan en dispositivos de cálculo separados.
4. El sistema de turbina eólica según la reivindicación 3, en el que cada uno de la pluralidad de módulos de control local se sitúa en su turbina eólica respectiva.
5. El sistema de turbina eólica según las reivindicaciones 1 a 4, en el que los medios de control centralizado se sitúan remotamente respecto a la pluralidad de turbinas eólicas.
6. El sistema de turbina eólica según la reivindicación 5, en el que los medios de control centralizado se sitúan sobre la estructura de soporte del sistema de turbina eólica.
7. El sistema de turbina eólica según cualquier reivindicación precedente, en el que los comandos de control centralizados enviados por los medios de control centralizados se imponen a los comandos de control local enviados por los medios de control local en el caso de conflicto.
8. El sistema de turbina eólica según cualquier reivindicación precedente, en el que los comandos de control local están dirigidos a optimizar la producción de energía de cada turbina eólica respectiva.
9. El sistema de turbina eólica según cualquier reivindicación precedente, en el que los medios de control centralizados se disponen para determinar un comando de control centralizado para una turbina eólica teniendo en cuenta interacciones estructurales y/o aerodinámicas entre las turbinas eólicas.
10. El sistema de turbina eólica según cualquier reivindicación precedente, en el que los comandos de control centralizados están dirigidos a gestionar la interacción entre la pluralidad de turbinas eólicas.
11. El sistema de turbina eólica según cualquier reivindicación precedente, en el que los comandos de control centralizados están dirigidos a gestionar la interacción entre la estructura de soporte y la pluralidad de turbinas eólicas
12. Un método para la operación de un sistema de turbina eólica que comprende una pluralidad de turbinas eólicas montadas en una estructura de soporte común, en el que cada una de la pluralidad de turbinas eólicas incluye un rotor y un sistema de generación de energía accionado por el rotor, en el que el método comprende:
para cada módulo de control local, supervisar la operación de una respectiva de la pluralidad de turbinas eólicas y optimizar el rendimiento de una respectiva de la pluralidad de turbinas eólicas en línea con un conjunto de objetivos de control local y enviar comandos de control local a la misma para conseguir el conjunto de objetivos de control local;
para al menos dos de la pluralidad de turbinas eólicas supervisar la operación del sistema de turbina eólica y
proporcionar comandos de control centralizados a las al menos dos de la pluralidad de turbinas eólicas para conseguir un conjunto de objetivos de control y supervisión asociados con la pluralidad de turbinas eólicas
caracterizado por que el sistema de turbina eólica comprende además medios de control centralizados y el método se dispone además para determinar el conjunto de objetivos de control local por los medios de control centralizados y proporcionar los objetivos de control local a la pluralidad de turbinas eólicas.
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