ES2819124T3

ES2819124T3 - Aumento de potencia de un aerogenerador usando un control predictivo de modelo

Info

Publication number: ES2819124T3
Application number: ES16781668T
Authority: ES
Inventors: Tobias Gybel Hovgaard; Peter Odgaard
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2015-10-09
Filing date: 2016-10-04
Publication date: 2021-04-15
Anticipated expiration: 2036-10-04
Also published as: WO2017059862A1; US20180266392A1; CN108350862B; US10731632B2; EP3359811A1; EP3359811B1; CN108350862A

Abstract

Un método de control de un aerogenerador, que comprende: recibir un comando de aumento para solicitar un aumento de potencia para incrementar la producción de energía eléctrica, el comando de aumento comprende un nivel de aumento; recibir un estado operativo actual del aerogenerador; en base al estado operativo actual y al nivel de aumento, calcular una o más trayectorias operativas predichas usando una rutina de control predictivo de modelo (MPC), la una o más trayectorias operativas predichas incluyen una trayectoria de control predicha, donde una trayectoria comprende una serie de tiempo de al menos una variable; controlar el aerogenerador usando la trayectoria de control durante el aumento de potencia caracterizado por que el aumento de potencia comprende: un período de aumento donde se incrementa la producción de energía eléctrica y se desacelera el rotor del aerogenerador; un período de recuperación, que sigue al período de aumento, donde cae la energía eléctrica y se acelera el rotor del aerogenerador, en donde el método comprende: incrementar la producción de energía eléctrica que es imponiendo un primer valor mínimo de la potencia generada (Pg) solicitada como una restricción en la rutina de control predictivo de modelo durante el período de aumento, el primer valor mínimo que se define por el nivel de aumento; e imponer un segundo valor mínimo de la potencia generada (Pg) solicitada como una restricción en la rutina de control predictivo de modelo durante el período de recuperación, el segundo valor mínimo que se define por una potencia generada mínima permitida.

Description

DESCRIPCIÓN

Aumento de potencia de un aerogenerador usando un control predictivo de modelo

Campo de la invención

La invención se refiere al control de un aerogenerador, particularmente en conexión con el aumento de potencia o el rápido incremento de la producción de potencia activa.

Antecedentes de la invención

A medida que aumenta la penetración de la energía eólica en las redes eléctricas, puede haber una necesidad o deseo de que los aerogeneradores deberían contribuir a la estabilidad de las redes eléctricas. En algunas redes eléctricas puede haber incluso requisitos en forma de códigos de red sobre cómo los aerogeneradores deberían contribuir a estabilizar la red.

En un aerogenerador, la energía cinética almacenada en el sistema de rotación se puede usar para la estabilización de la red. Algunas veces se puede hacer referencia a esto como que el aerogenerador puede proporcionar una respuesta inercial. La energía cinética almacenada se puede usar para aumentar la potencia generada a partir de la producción normal durante un corto período de tiempo, es decir, la potencia entregada a la red eléctrica se incrementa mientras que disminuye la energía cinética almacenada, dando como resultado una ralentización del rotor.

Se puede proporcionar un aumento de diferentes formas, pero típicamente comprende un período de aumento donde la potencia generada se incrementa en comparación con el período previo al aumento (o período de producción normal) seguido de un período de recuperación, donde la energía cinética en el rotor se acumula de nuevo al nivel previo al aumento. El tamaño del aumento, la duración del aumento, así como las restricciones del período de recuperación se pueden formalizar en códigos de red u otros requisitos. Un ejemplo de requisitos de un aumento, puede ser que el aerogenerador ha de ser capaz de entregar un aumento de potencia del 5 - 10% de la potencia nominal durante un período de tiempo dado, por ejemplo, hasta 10 segundos, y que la turbina debe haber vuelto a la operación normal después de 2 minutos sin ir por debajo del 20% del nivel de potencia previo al aumento. Un artículo dirigido a una técnica de control basada en modelo para proporcionar la contribución de los generadores de energía eólica a la regulación de frecuencia primaria en los sistemas de energía eléctrica está publicado como: “An Optimal Model-Based Control Technique to Improve Wind Farm Participation to Frequency Regulation”, de Bacciono et al. en Actas del IEEE sobre energía sostenible vol. 6, n° 3, 1 de julio de 2015, páginas 993-1003. El artículo describe modelos de generadores de energía eólica individuales y parques eólicos (WF) en su conjunto, junto con una estrategia de control propuesta. La característica clave del planteamiento es que cada aerogenerador puede reaccionar a las perturbaciones de la red de una forma diferente, que depende de la velocidad del viento que se ve por el aerogenerador en sí mismo y sus condiciones dinámicas.

Es en este contexto que ha sido ideada la invención.

Compendio de la invención

Sería ventajoso proporcionar un control mejorado de un aerogenerador durante un incremento de la producción de energía durante un corto período de tiempo, es decir, durante un aumento. En particular, sería ventajoso proporcionar formas adicionales de controlar un aerogenerador durante todo el período de aumento, incluyendo tanto el período de aumento como el período de recuperación.

Por consiguiente, en un primer aspecto, se proporciona un método de control de un aerogenerador, que comprende: recibir un comando de aumento para solicitar un aumento de potencia para incrementar la producción de energía eléctrica, el comando de aumento comprende un nivel de aumento;

recibir un estado operativo actual del aerogenerador;

en base al estado operativo actual y al nivel de aumento, calcular una o más trayectorias operativas predichas usando una rutina de control predictivo de modelo (MPC), la una o más trayectorias operativas predichas incluyen una trayectoria de control predicha, donde una trayectoria comprende una serie de tiempo de al menos una variable;

controlar el aerogenerador usando la trayectoria de control durante el aumento de potencia.

En la presente invención, la operación de la turbina se basa en una trayectoria de control calculada. Una trayectoria es una serie de tiempo de una variable para un intervalo de tiempo dado, que incluye el siguiente valor de variable para el parámetro operativo relacionado con la variable, así como un número predicho o uno esperado de valores de variable futuros para el parámetro dado. Por ejemplo, la trayectoria de control puede ser una trayectoria de paso que incluye el siguiente comando de paso, así como un número esperado o predicho de comandos de paso futuros.

La una o más trayectorias operativas predichas se calculan usando una rutina de control de horizonte en retroceso en forma de una rutina de control predictivo de modelo (MPC). Es una ventaja calcular la trayectoria de control durante el aumento usando un algoritmo de MPC, dado que los algoritmos de MPC son muy adecuados para calcular una trayectoria operativa en base al estado real del aerogenerador. Los algoritmos de MPC tienen en cuenta las restricciones de las variables del sistema directamente y por ello se pueden usar ventajosamente para encontrar trayectorias operativas óptimas dentro de límites operativos seguros, no solo para los puntos de ajuste de control actuales sino también para los puntos de ajuste futuros.

En una situación de aumento, la turbina deja la operación normal y podría dejar la operación óptima en términos de operación para lograr la potencia de salida efectiva máxima correspondiente a las condiciones de viento respectivas. Es ventajoso controlar la turbina en base a un controlador de MPC en tal situación, dado que se puede asegurar una operación óptima bajo las condiciones de aumento dadas y se puede asegurar que el aerogenerador permanezca dentro de los límites de operación, no solo durante la instancia de tiempo actual, sino también a través de todo el horizonte de predicción.

El incremento en la producción de energía eléctrica durante el aumento puede basar en la energía cinética almacenada en el sistema de rotación, es decir, la energía cinética almacenada en la inercia del rotor.

En consecuencia, el rotor puede ralentizarse durante el período de aumento. Aumentar la producción de energía eléctrica en base a la energía cinética almacenada en el sistema de rotación, permite aumentar en situaciones donde no hay suficiente energía en el viento para generar la energía de aumento. El incremento de producción de energía en base a la inercia del rotor no aumenta las cargas de fatiga en el rotor y la torre, sino que solamente es posible durante un período de tiempo limitado.

La optimización hecha durante el período de aumento también tiene en cuenta el período de recuperación. Mientras que se controla la turbina durante el aumento de potencia, se asegura que la turbina atraviese el período de recuperación de una forma óptima con un impacto mínimo en la producción de energía.

Se describen realizaciones adicionales en conexión con la sección Descripción de realizaciones.

En otros aspectos, la invención también se refiere a un producto de programa de ordenador que comprende un código de software adaptado para controlar un aerogenerador cuando se ejecuta en un sistema de procesamiento de datos, a un sistema de control para un aerogenerador y a un aerogenerador que se controla según cualquiera de los diversos aspectos de la presente invención.

El producto de programa de ordenador se puede proporcionar en un medio de almacenamiento legible por ordenador que comprende instrucciones para hacer que un sistema de procesamiento de datos, por ejemplo, en forma de un controlador, lleve a cabo la instrucción cuando se carga en el sistema de procesamiento de datos. El sistema de control, el método de control y/o el producto de programa de ordenador se pueden implementar al menos parcialmente en el controlador del parque de aerogeneradores que se dispone para controlar al menos las turbinas seleccionadas del parque de aerogeneradores. También se puede hacer referencia a un controlador de parque de aerogeneradores como controlador de planta de energía PPC.

En general, los diversos aspectos de la invención se pueden combinar y acoplar de cualquier forma posible dentro del alcance de la invención. Estos y otros aspectos, características y/o ventajas de la invención serán evidentes a partir de y se dilucidarán con referencia a las realizaciones descritas en lo sucesivo.

Breve descripción de los dibujos

Se describirán realizaciones de la invención, solamente a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos, en los que La Fig. 1 ilustra, en una vista esquemática en perspectiva, un ejemplo de un aerogenerador;

La Fig. 2 ilustra una realización de un sistema de control junto con elementos de un aerogenerador;

La Fig. 3 muestra aspectos generales de una rutina de MPC en relación con una variable operativa medida y y una variable de control calculada de MPC u;

La Fig. 4 muestra un ejemplo de un aumento, incluyendo el período de aumento y el período de recuperación;

La Fig. 5 ilustra una visión general esquemática de una estructura de controlador según realizaciones de la presente invención; y

La Fig. 6 ilustra elementos de un diagrama de flujo que muestra los pasos usados para controlar un aerogenerador para realizar diversas realizaciones de la presente invención.

Descripción de realizaciones

La Figura 1 ilustra, en una vista esquemática en perspectiva, un ejemplo de un aerogenerador 1. El aerogenerador 1 incluye una torre 2, una góndola 3 dispuesta en el vértice de la torre y un rotor 4 acoplado operativamente a un generador alojado dentro de la góndola 3. Además del generador, la góndola aloja componentes diversos requeridos para convertir la energía eólica en energía eléctrica y diversos componentes necesarios para operar, controlar y optimizar el rendimiento del aerogenerador 1. El rotor 4 del aerogenerador incluye un buje central 5 y una pluralidad de palas 6 que se proyectan hacia fuera desde el buje central 5. En la realización ilustrada, el rotor 4 incluye tres palas 6, pero el número puede variar. Además, el aerogenerador comprende un sistema de control. El sistema de control se puede colocar dentro de la góndola o distribuir en una serie de ubicaciones dentro de (o externamente a) la turbina y conectar de manera comunicativa.

El aerogenerador 1 se puede incluir entre una colección de otros aerogeneradores que pertenecen a una planta de energía eólica, a la que también se hace referencia como planta eólica o parque eólico que sirve como planta generadora de energía conectada por líneas de transmisión con una red eléctrica. La red eléctrica en general consiste en una red de centrales de energía, circuitos de transmisión y subestaciones acopladas por una red de líneas de transmisión que transmiten la energía a las cargas en forma de usuarios finales y otros clientes de empresas de servicios públicos eléctricos. La planta de energía eólica puede comprender un controlador de planta de energía que puede estar a cargo de controlar ciertos aspectos de las turbinas individuales.

La Figura 2 ilustra esquemáticamente una realización de un sistema de control 20 junto con elementos de un aerogenerador. El aerogenerador comprende las palas de rotor 21 que están conectadas mecánicamente a un generador eléctrico 22 a través de la caja de engranajes 23. En los sistemas de accionamiento directo y otros sistemas, la caja de engranajes puede no estar presente. La energía eléctrica generada por el generador 22 se inyecta en una red eléctrica 24 a través de un convertidor eléctrico 25. El generador eléctrico 22 puede ser un generador de inducción doblemente alimentado, pero se pueden usar otros tipos de generadores.

El sistema de control 20 comprende una serie de elementos, que incluyen al menos un controlador 200 con un procesador y una memoria, de modo que el procesador sea capaz de ejecutar tareas informáticas en base a instrucciones almacenadas en la memoria. En general, el controlador del aerogenerador asegura que en operación el aerogenerador genera un nivel de salida de potencia solicitado. Esto se obtiene ajustando el ángulo de paso y/o la extracción de potencia del convertidor. Con este fin, el sistema de control comprende un sistema de paso que incluye un controlador de paso 27 que usa una referencia de paso 28, y un sistema de potencia que incluye un controlador de potencia 29 que usa una referencia de potencia 26. El rotor de aerogenerador comprende palas de rotor que se pueden inclinar por un mecanismo de paso. El rotor puede comprender un sistema de paso común que ajusta todos los ángulos de paso en todas las palas del rotor al mismo tiempo, así como además del mismo un sistema de paso individual que es capaz de inclinación individual de las palas del rotor. El sistema de control, o los elementos del sistema de control, se pueden colocar en un controlador de planta de energía (no mostrado) de modo que la turbina se pueda operar en base a instrucciones proporcionadas externamente.

En realizaciones de la invención, el sistema de control 200 implementa una rutina de control predictivo de modelo (MPC) que está programada para recibir un estado operativo actual del aerogenerador. En base al estado operativo actual, una o más trayectorias operativas predichas se calculan incluyendo al menos una trayectoria operativa predicha, que normalmente incluye al menos un punto de ajuste de paso 28 y un punto de ajuste de potencia 26. La Figura 3 muestra aspectos generales de una rutina de MPC en relación con una variable operacional medida y y una variable de control calculada de MPC u en una situación de aumento. La parte superior 30 de la figura muestra una trayectoria de estado para la variable y y la parte inferior 31 de la figura muestra una trayectoria de control para la variable de control u.

Las trayectorias operativas y las trayectorias de control pueden incluir, pero no se limitan, uno o más de los siguientes parámetros: valor de paso, incluyendo los valores de paso colectivos y los valores de paso individuales, velocidad del rotor, aceleración del rotor, movimiento de la torre, parámetros relacionados con la potencia, parámetros relacionados con el par y derivados de estos parámetros, así como parámetros tales como la potencia generada Pg, la potencia extraída del viento Pw, la potencia disponible en el viento Pav y la energía cinética en el sistema de rotación K.

En una realización, la trayectoria operativa es una trayectoria de estado operativo predicha. Un estado es una colección, a menudo expresada como un vector, de parámetros operativos. Un estado de aerogenerador de ejemplo es:

que comprende el valor de paso, 0, la velocidad angular del rotor, w, y la posición superior de la torre, s, así como las derivadas de tiempo de esos parámetros. Se pueden usar otros y más parámetros para definir el estado del aerogenerador, x*. En general, la trayectoria operativa incluye parámetros operativos que se usan para calcular la medida de carga de fatiga deseada.

Los valores de estado del estado operativo actual del aerogenerador se pueden basar en lecturas de sensores medidas a partir de sensores dispuestos para medir datos de sensores con relación a los valores de estado físico del aerogenerador. Además, también se pueden usar valores estimados o valores calculados. En una realización, el estado se puede determinar mediante un calculador de estado, por ejemplo, en forma de una unidad de cálculo dedicada a cargo de determinar el estado operativo actual, tal como un observador o un filtro de Kalman.

La trayectoria también se puede expresar como una trayectoria de control. Una trayectoria de control de ejemplo puede ser:

que comprende la señal de referencia de paso y la señal de referencia de potencia. Se pueden usar otros y más parámetros para definir la señal de control del aerogenerador, u¹*

La Figura 3 muestra una trayectoria 33 de una variable y medida para una serie de pasos de tiempo discretos. La figura muestra el tiempo actual, k, así como una serie de pasos de tiempo pasados 34 y una serie de pasos de tiempo futuros 35 (a los que también se hace referencia como el horizonte de predicción y el horizonte de control para la variable de estado y y la variable de control u, respectivamente). Los valores de variables conocidos, es decir, en base a los valores ya medidos, están marcados con un círculo sólido, mientras que los valores de variables predichos están marcados con un círculo abierto. Una trayectoria puede comprender una serie de tiempo de valores predichos, es decir, solamente los círculos abiertos. La trayectoria no necesita incluir los valores pasados y conocidos, pero puede hacerlo en ciertas realizaciones. En particular, el valor actual 32 se puede incluir para trayectorias de variables medidas. La trayectoria puede abarcar una serie de tiempo de unos pocos segundos, tal como 5-10 segundos. No obstante, la trayectoria puede ser más larga o más corta dependiendo de la implementación dada.

Como ejemplo, la trayectoria muestra la potencia generada Pg en una situación donde se da un comando de aumento en el tiempo t1, es decir, la muestra k, para incrementar la potencia de salida desde un nivel previo al aumento 38 hasta un nivel de aumento 39. La trayectoria muestra el nivel de potencia generado actual 32 junto con los niveles de potencia futuros predichos. Los valores máximo y mínimo permitidos también se muestran para la variable ilustrada.

La Figura 3 ilustra además un ejemplo de una trayectoria de control general 36 determinada mediante el uso de un algoritmo de MPC. La Figura 3 ilustra la relación entre una trayectoria de estado operativo 33 y una trayectoria de control general 36.

Mientras que el valor de orden k actual se conoce para las variables medidas 32, el valor actual 37 de la trayectoria de control se calcula mediante el uso de la rutina de MPC.

La figura también muestra los valores máximo y mínimo permitidos para los valores de trayectoria de control de u. Como ejemplo, la trayectoria muestra la trayectoria del ángulo de paso, es decir, u = 0. En el ejemplo, en base a un comando de aumento recibido, el algoritmo de MPC determina puntos de ajuste relevantes, tales como un punto de ajuste de potencia para que el convertidor aumente la potencia generada. Como consecuencia, se disminuye el ángulo de paso. La trayectoria muestra el siguiente ajuste de paso 37 junto con el ajuste de paso futuro predicho para cumplir con el nuevo ajuste del punto de ajuste.

El MPC se basa en la optimización de horizonte iterativa y finita. En el tiempo t, se muestrea el estado actual y se calcula una estrategia de control de minimización de costes para un horizonte de tiempo en el futuro: [t, t+T].

Solamente se usa el primer valor predicho para la muestra actual k en la señal de control, luego se muestrea de nuevo el estado de la turbina y los cálculos se repiten comenzando desde el nuevo estado actual, produciendo una nueva trayectoria de control y una nueva trayectoria de estado predicha. El horizonte de predicción sigue estando desplazado hacia delante y, por esta razón, el MPC es un controlador de horizonte en retroceso.

El Control Predictivo de Modelo (MPC) es un algoritmo de control de múltiples variables que usa una función de optimización de costes J sobre el horizonte de predicción en retroceso, para calcular los movimientos de control óptimos.

La función de coste de optimización se puede dar por:

N

¡ = X Wyí

i=1

Con referencia a la Fig. 3, n es el punto de ajuste para la variable de orden i, yi y ui que son las variables de trayectoria de orden i, y wyi que es la matriz de ponderación que define la importancia relativa de esta variable, y wui que es matriz de ponderación que define la penalización relacionada con los cambios en esta variable.

La Figura 4 muestra un ejemplo de un aumento. La figura muestra cuatro períodos, un período previo al aumento 40, correspondiente a la operación normal según las condiciones operacionales dadas. En el tiempo t i se recibe un comando de aumento, el comando de aumento solicita un aumento de potencia para incrementar la producción de energía eléctrica que da como resultado que la producción de energía eléctrica se incremente desde un nivel previo al aumento, P_previa al aumento, a un nivel de aumento específico, P_aumento, 39 durante un período de aumento 41. Durante el período de aumento, el aumento de potencia se basa en la energía cinética almacenada en la rotación. El período de aumento finaliza en t2, después de lo cual la turbina entra en un período de recuperación 42 donde se recupera la energía cinética perdida en la rotación. Durante el período de recuperación 42, la potencia generada se reduce 45 a un nivel de potencia al que se hace referencia como P_depresión. A menudo se hace referencia a esta reducción como la depresión de potencia. Después del período de recuperación, se reanuda la operación normal.

En una realización, un controlador de un aerogenerador recibe un comando de aumento, el comando de aumento que comprende un nivel de aumento (P_aumento). Junto con la recepción del comando de aumento, el controlador recibe o accede a un estado operativo actual del aerogenerador. En base al estado operativo actual y al nivel de aumento, se calculan una o más trayectorias operativas predichas usando una rutina de control predictivo de modelo (MPC), y el aerogenerador se controla usando la trayectoria de control durante el aumento de potencia.

El nivel de aumento se puede definir de diferentes formas, por ejemplo, como un valor dado, como un porcentaje de la potencia previa al aumento (o la potencia generada actual), como un porcentaje de la potencia disponible en el viento, o por cualquier otro medio adecuado.

La Figura 5 ilustra una visión general esquemática de elementos de un sistema de control 50 según realizaciones de la presente invención. Esta estructura de controlador se puede, por ejemplo, implementar en el controlador 200 mostrado en la Fig. 2.

El sistema de control 50 puede incluir una unidad de controlador en forma de un módulo de MPC 51 que recibe un estado operativo actual 52 del aerogenerador y, en base al estado operativo actual, calcular una o más trayectorias operativas predichas 53 usando una rutina de control predictivo de modelo (MPC), a continuación una trayectoria de control predicha que incluye la potencia generada Pg.

El sistema de control también puede comprender una unidad de controlador en forma de un módulo de aumento 54 que se implementa para recibir un comando de aumento 55 y reenviar este comando de aumento al controlador de MPC 51. El comando de aumento enviado 56 puede tener la forma de una potencia generada mínima solicitada. El comando de aumento 55 se puede solicitar en base a un cambio detectado de un parámetro operativo de sistema del sistema de distribución de energía. Por ejemplo, el comando de aumento se puede desencadenar por una disminución de frecuencia detectada en la red. El comando de aumento también se puede recibir de un sistema operativo externo, tal como un sistema de operador de red que implementa una rutina para estabilizar la red.

En una realización, la producción de energía eléctrica se incrementa (aumenta) imponiendo una o más restricciones en la rutina de control predictivo de modelo.

En una realización, la funcionalidad de aumento se implementa imponiendo un valor mínimo de la potencia generada (Pg) solicitada como una restricción en la rutina de control predictivo de modelo.

En una realización, un primer valor mínimo 39 de la potencia generada (Pg) solicitada se impone como restricción en la rutina de control predictivo de modelo durante el período de aumento 41, y el segundo valor mínimo 45 de la potencia generada (Pg) solicitada se impone como restricción en la rutina de control predictivo de modelo durante el período de recuperación 42. El primer valor mínimo se puede definir por el nivel de aumento y el segundo valor mínimo se puede definir por una potencia generada mínima permitida.

En el segundo valor mínimo, el nivel de potencia puede no ser definido directamente como un nivel de potencia mínimo, pero se puede establecer indirectamente a partir de un requisito de no caer más de un cierto porcentaje en relación con el nivel de potencia previo al aumento.

Además, la restricción de potencia mínima en el período de recuperación se puede elegir como el mínimo de no caer por debajo de un cierto nivel de potencia, Pgmin, y el nivel máximo de potencia del generador que todavía asegura la aceleración del rotor.

Por ejemplo:

Durante el período de aumento: Pgmin = P_previa al aumento P_aumento, y

Durante la recuperación: Pgmin = min (P_previa al aumento - P_depresión, Pg_acc)

donde Pg_acc es la Pg máxima permitida con el fin de asegurar una aceleración del rotor. Para una instancia de tiempo dada k, Pg_acc < a* (Pw [k] K [k+1] -K [k]), donde a es un parámetro más pequeño que 1, que se usa para controlar el tiempo de recuperación necesario, y Pw es la potencia extraída del viento.

Es una ventaja incrementar la producción de energía eléctrica mediante el uso de una restricción en forma de un valor mínimo, posiblemente también junto con basar el nivel de potencia durante el período de recuperación en una restricción en forma de un (segundo) valor mínimo. Esto es una ventaja dado que las restricciones son elementos integrales de una rutina de MPC y, por ello, el aumento se puede se puede manejar de una manera simple manejando las restricciones.

La serie de tiempo de la una o más trayectorias operativas predichas 33 puede abarcar al menos una parte de todo el período de aumento. Esto se puede usar ventajosamente para asegurar que la turbina pueda soportar un aumento continuo al menos durante el horizonte de predicción o una parte conocida de él. En una realización, un intervalo de tiempo de al menos una trayectoria operativa predicha se compara con un criterio de terminación. De esta manera, el período de aumento se puede terminar si al menos una trayectoria operativa predicha cumple el criterio de terminación en el intervalo de tiempo. Como ejemplo, se puede establecer un nivel mínimo de energía cinética Kmin, una velocidad mínima de rotación wmin u otros criterios de terminación. Como ejemplo, si la energía cinética disminuye por debajo del nivel mínimo para un número de muestras especificado previamente en el horizonte de predicción, se termina el período de aumento y se inicia el período de recuperación. De esta manera se puede asegurar que el período de aumento no se extienda más de lo que realmente puede recuperarse durante el período de recuperación.

En una realización, un período de aumento máximo se determina en base a la energía cinética predicha en el rotor. En esta realización, al menos una de las trayectorias operativas predichas es la energía cinética predicha en el rotor. En esta realización, un período de aumento máximo se puede determinar como el período de tiempo correspondiente a la duración de la serie de tiempo donde la energía cinética predicha en el rotor es mayor que un valor predeterminado. El período de aumento máximo se puede emitir desde el módulo de aumento 54 como una señal 57 para ser usada, por ejemplo, por un controlador de planta de energía o un operador del sistema.

El valor predeterminado que debería ser mayor que la energía cinética predicha se puede determinar en base a la potencia disponible en el viento como se predice por la rutina de control predictivo de modelo. De esta forma se puede asegurar que la potencia disponible en el viento sea igual o mayor que la potencia disponible necesaria para devolver el aerogenerador al nivel de producción de potencia previa al aumento.

Para calcular el período de aumento máximo restante (Trestante), dado el valor Pgmin y la velocidad del viento actual y velocidad del generador/energía cinética, se puede proporcionar un vector, Kpred, con la energía cinética predicha sobre el horizonte de predicción. Los números de elementos en el vector corresponden al paso de tiempo en la predicción, es decir, el tercer elemento es la predicción 3 pasos de tiempo por delante. En una realización, el período Trestante se puede calcular a partir del elemento en Kpred correspondiente a la predicción más larga para la cual K > Kmin * ^y, donde ^y, es un parámetro para ajusta las incertidumbres en la predicción y Kmin se calcula como el valor mínimo de K que cumple:

Pav(V, Kmin) - Ppérdida > P_previa al aumento - P_depresión,

Pav es una función (implementada en el MPC) que calcula la potencia disponible en función de la velocidad del viento y la energía cinética, K. El elemento Ppérdida se puede incluir para tener en cuenta las pérdidas de potencia eléctrica y mecánica en el tren motriz y el generador. Ppérdida también se puede predecir en las realizaciones por el MPC.

En una realización, una capacidad de aumento se puede calcular como 1-Tb/(Tb Trestante), donde Tb es el tiempo empleado actualmente en un aumento. La capacidad de aumento se puede sacar desde el módulo de aumento 54 como una señal 57 a ser usada, por ejemplo, por un controlador de planta de energía o un operador del sistema. Una capacidad de aumento baja corresponde a un alto riesgo de una velocidad del rotor demasiado baja. La capacidad de aumento se puede calcular de otras formas. Como ejemplo adicional, se puede dar como resultado de la función mínima min(1, Trestante/Taumento), donde Taumento es una longitud de aumento predefinida. En esta realización la salida indica que se puede proporcionar o bien toda la longitud de aumento predefinida o bien solamente una fracción de ella. En una realización, un criterio de terminación se puede definir como un valor umbral de la capacidad de aumento que se usa para terminar el período de aumento y entrar en la fase de recuperación. Debido a que la rutina de MPC es una rutina de horizonte de retroceso, cualquier parámetro que incluya el período mínimo y la capacidad de aumento se puede calcular repetidamente durante el período de aumento. Esto es ventajoso dado que de esta manera se puede asegurar que para el próximo período (el horizonte de predicción) la turbina no entre en un estado operativo del que no pueda recuperarse, por ello se puede obtener un mejor control del aumento.

En una realización de ejemplo, el problema de optimización usado para el período de aumento tiene la forma:

u*(t) = argmin J⁰(S(t), P(t), u(t)),

sujeto a un conjunto de restricciones.

Durante la operación normal/operación previa al aumento, se pueden dar restricciones de ejemplo en términos de tales parámetros que la velocidad nominal del rotor (^wr) debería estar por debajo de un valor límite dado T^wr, y que el ángulo de paso 0i (con derivada) debería estar dentro de valores límite dados para cada pala i. Además, se establece una restricción de que la potencia generada Pg debería estar por debajo de la potencia nominal Pr.

_{0, i € {1,2,3}}

20, i e {1,2,3}

p , < p r

Durante el aumento de potencia 41, la restricción de potencia cambia a:

P_previa al aumento P_aumento < Pg < Pr P_aumento

Mientras que durante el período de recuperación 42, la restricción de potencia se establece en:

P_previa al aumento - P_depresión < Pg < Pr

La función argmin es el operador matemático estándar que representa el argumento del mínimo, y encuentra puntos en el espacio de parámetros abarcado por S, P, u y t donde la función de coste J⁰alcanza su valor más pequeño. Aquí, la función de coste nominal J⁰proporciona un compromiso entre la potencia (P) y las cargas (S) usando la señal de control u(t), mientras que las restricciones limitan la velocidad del rotor, el ángulo de paso de la pala, la velocidad de paso de la pala y la potencia eléctrica. La señal de control consistiría típicamente en ángulos de paso de la pala y referencia de potencia para el convertidor:

La Figura 6 ilustra elementos de un diagrama de flujo que muestra los pasos usados para controlar un aerogenerador para realizar diversas realizaciones de la presente invención.

Los elementos se pueden implementar como un producto o código de programa de ordenador que se adapta para generar instrucciones a un controlador dispuesto para controlar la operación del aerogenerador o los componentes del aerogenerador. El programa de ordenador se puede proporcionar de cualquier manera adecuada. El producto de programa de ordenador típicamente se almacena y ejecuta por un sistema de control de aerogenerador o por un controlador externo tal como un controlador de planta de energía.

En un primer paso 61, se determina o recibe el estado operativo actual del aerogenerador. El estado operativo actual del aerogenerador normalmente se actualiza constantemente en conexión con el control general de la turbina. En una situación normal, en base al estado operativo actual, se calculan una o más trayectorias operativas predichas 62.

En realizaciones de la presente invención, se recibe un comando de aumento 63 para solicitar un aumento de potencia para incrementar la producción de energía eléctrica. Posteriormente, en base al estado operativo actual y al nivel de aumento, se calculan 64 una o más trayectorias de aumento operativo predichas. Las trayectorias operativas predichas incluyen al menos una trayectoria de control a ser usada para controlar el aerogenerador durante el aumento de potencia, es decir, para aumentar 65.

Aunque la presente invención se ha descrito en conexión con las realizaciones especificadas, no se debería interpretar como que está limitada de ninguna forma a los ejemplos presentados. La invención se puede implementar por cualquier medio adecuado; y el alcance de la presente invención se ha de interpretar a la luz del conjunto de reivindicaciones que se acompañan. Cualquier signo de referencia en las reivindicaciones no se debería interpretar como limitante del alcance.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método de control de un aerogenerador, que comprende:

recibir un comando de aumento para solicitar un aumento de potencia para incrementar la producción de energía eléctrica, el comando de aumento comprende un nivel de aumento;

recibir un estado operativo actual del aerogenerador;

controlar el aerogenerador usando la trayectoria de control durante el aumento de potencia

caracterizado por que el aumento de potencia comprende:

un período de aumento donde se incrementa la producción de energía eléctrica y se desacelera el rotor del aerogenerador;

un período de recuperación, que sigue al período de aumento, donde cae la energía eléctrica y se acelera el rotor del aerogenerador,

en donde el método comprende:

incrementar la producción de energía eléctrica que es imponiendo un primer valor mínimo de la potencia generada (Pg) solicitada como una restricción en la rutina de control predictivo de modelo durante el período de aumento, el primer valor mínimo que se define por el nivel de aumento; e

imponer un segundo valor mínimo de la potencia generada (Pg) solicitada como una restricción en la rutina de control predictivo de modelo durante el período de recuperación, el segundo valor mínimo que se define por una potencia generada mínima permitida.

2. El método según la reivindicación 1, en donde la producción de energía eléctrica se incrementa imponiendo una o más restricciones en la rutina de control predictivo de modelo.

3. El método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la producción de energía eléctrica se incrementa imponiendo un valor mínimo de la energía generada (Pg) solicitada como una restricción en la rutina de control predictivo de modelo.

4. El método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde durante el control de aumento de potencia, la una o más trayectorias operativas predichas se calculan repetidamente como trayectorias de horizonte de retroceso, y en donde el aerogenerador se controla usando la última trayectoria de control calculada.

5. El método según la reivindicación 4, en donde las serie de tiempo de una o más trayectorias operativas predichas abarcan al menos una parte de todo el período de aumento, y en donde un intervalo de tiempo de al menos una trayectoria operativa predicha se compara con un criterio de terminación y en donde el período de aumento se termina si la al menos una trayectoria operativa predicha cumple el criterio de terminación en el intervalo de tiempo.

6. El método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el incremento de la producción de energía eléctrica durante el aumento se basa en la energía cinética almacenada en el sistema de rotación.

7. El método según la reivindicación 4 o 6, en donde se determina un período de aumento máximo, en donde al menos una trayectoria operativa predicha es la energía cinética predicha en el rotor, y en donde el período de aumento máximo se determina como el período de tiempo correspondiente a la duración de las serie de tiempo donde la energía cinética predicha en el rotor es mayor que un valor predeterminado.

8. El método según la reivindicación 7, en donde el valor predeterminado se determina en base a la potencia disponible en el viento predicho por la rutina de control predictivo de modelo de modo que se asegure que la energía disponible en el viento sea igual o mayor que la energía disponible necesaria para devolver el aerogenerador al nivel de producción de potencia previa al aumento.

9. El método según la reivindicación 7 u 8, en donde el período de aumento se termina si el período de aumento máximo es más corto que un período mínimo.

10. El método según la reivindicación 9, en donde el período mínimo se calcula repetidamente durante el período de aumento.

11. El método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el comando de aumento se basa en un cambio detectado de un parámetro operativo de sistema del sistema de distribución de energía.

12. El método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el estado operativo actual del aerogenerador se obtiene en base a las lecturas del sensor de los sensores dispuestos para medir los datos del sensor relacionados con el estado físico del aerogenerador.

13. Un producto de programa de ordenador que comprende un código de software adaptado para controlar un aerogenerador cuando se ejecuta en un sistema de procesamiento de datos, el producto de programa de ordenador que está adaptado para realizar el método de cualquiera de las reivindicaciones 1-12.

14. Un sistema de control para un aerogenerador, que comprende:

una unidad de controlador dispuesta para recibir un comando de aumento, el comando de aumento que comprende instrucciones para solicitar un aumento de potencia para incrementar la producción de energía eléctrica, el comando de aumento comprende un nivel de aumento;

una unidad de controlador dispuesta para recibir un estado operativo actual del aerogenerador y, en base al estado operativo actual y al nivel de aumento, calcular una o más trayectorias operativas predichas usando una rutina de control predictivo de modelo (MPC), la una o más trayectorias operativas predichas incluyen una trayectoria de control predicha, donde una trayectoria comprende una serie de tiempo de al menos una variable; una unidad de controlador capaz de generar instrucciones para controlar el aerogenerador en base a la trayectoria de control

la unidad de controlador que está dispuesta para realizar el método de cualquiera de las reivindicaciones 1-12.

15. Un aerogenerador que comprende un sistema de control adaptado para realizar el método según cualquiera de las reivindicaciones 1-12.