ES2920139T3 - Control de un aerogenerador - Google Patents

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Anders Steen Nielsen
Tobias Gybel Hovgaard
Jacob Deleuran Grunnet
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Vestas Wind Systems AS
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Abstract

Se revela un sistema de control y un método de control. Un modelo de control predictivo del modelo, MPC, la unidad está configurada para determinar una señal de control para controlar una operación de la turbina eólica basada al menos en parte en una función de costo que comprende un costo de desgaste relacionado con uno o más tipos de desgaste de la turbina sinuosa, y Una ponderación de costo correspondiente, que define una ponderación relativa del costo de desgaste en la función de costo. Se configura una unidad de determinación de ponderación para recibir una señal de referencia que comprende un desgaste objetivo, recibir una señal de retroalimentación que comprende una medida de desgaste de la turbina eólica y determinar, al menos en parte en una diferencia entre el desgaste objetivo y la medida de desgaste, una medida de desgaste, una Ajuste de ponderación para al menos parte de la ponderación de costos de la función de costo. La unidad MPC luego establece la ponderación de costos basada al menos en parte en el ajuste de la ponderación. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Control de un aerogenerador
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un sistema de control y a un método de control para un aerogenerador.
Antecedentes de la invención
En general, un aerogenerador o un parque de aerogeneradores se opera con el objetivo de obtener el máximo rendimiento del capital invertido en él y, en consecuencia, los sistemas de control de aerogenerador se configuran para maximizar la potencia de salida, es decir, para operar el aerogenerador para capturar la potencia máxima que está disponible en el viento, con la debida consideración a mantener el aerogenerador dentro de los límites operativos.
Durante su operación, un aerogenerador experimenta condiciones climáticas variables y el sistema de control del aerogenerador está diseñado para tener en cuenta estas variaciones. Esta constante adaptación a las condiciones actuales impone un cierto y variable nivel de fatiga a los componentes del aerogenerador.
Los aerogeneradores existentes pueden incluir un sistema de monitorización que monitoriza la operación y determina una serie de medidas de fatiga de diversos componentes en base a de las señales monitorizadas, tales como las señales de vibración de los sensores. Si se determina un nivel de fatiga demasiado alto de un componente dado, el aerogenerador se puede apagar u operar en un modo reducido hasta que se pueda reparar el componente.
Los inventores de la presente invención se han dado cuenta de que existe la necesidad de formas adicionales de operar un aerogenerador que tengan en cuenta la exposición a la fatiga durante la operación del aerogenerador.
Compendio de la invención
Un primer aspecto de la invención proporciona un sistema de control según la reivindicación 1 para un aerogenerador, el sistema de control que comprende: una unidad de control predictivo modelo, MPC, configurada para determinar una señal de control para controlar una operación del aerogenerador, en donde la unidad de MPC está configurada para determinar la señal de control en base, al menos en parte, a una función de costes que comprende un coste de desgaste con relación a uno o más tipos de desgaste del aerogenerador, y una ponderación de costes correspondiente, en donde la ponderación de costes define una ponderación relativa del coste de desgaste en la función de costes; y una unidad de determinación de ponderación configurada para: recibir una señal de referencia que comprende un desgaste objetivo; recibir una señal de realimentación que comprende una medida de desgaste del aerogenerador; y determinar, en base, al menos en parte, a una diferencia entre el desgaste objetivo y la medida de desgaste, un ajuste de ponderación para al menos parte de la ponderación de costes de la función de costes; en donde la unidad de MPC está configurada para establecer la ponderación de costes en base, al menos en parte, al ajuste de ponderación.
Determinando el ajuste de ponderación en base a la diferencia entre el desgaste objetivo y la medida de desgaste, y luego estableciendo la ponderación de costes en el MPC en base al ajuste de ponderación, el control del aerogenerador se puede ajustar para aumentar o disminuir el desgaste durante la vida útil del aerogenerador, o durante la vida útil de las piezas/componentes del aerogenerador (por ejemplo, aumentar o disminuir la tasa de desgaste a partir de ese momento en adelante). De esta forma, se puede controlar el fallo para que tenga lugar más cerca del final de la vida útil del diseño, lo que debería reducir el tiempo y los costes de mantenimiento y reducir el potencial de períodos de inactividad del aerogenerador causados por fallos tempranos. Además, se puede mejorar la salida de potencia durante la vida útil del aerogenerador, dado que el aerogenerador se puede accionar con más fuerza para aumentar la tasa de desgaste cuando se ha identificado un desgaste por debajo de lo normal.
La unidad de determinación de ponderación se puede configurar para determinar el ajuste de ponderación en base, al menos en parte, a una magnitud y/o signo de la diferencia entre el desgaste objetivo y la medida de desgaste.
La medida de desgaste puede comprender una primera medida de desgaste del aerogenerador y el desgaste objetivo puede comprender un primer desgaste objetivo correspondiente.
La unidad de determinación de ponderación se puede configurar para determinar el ajuste de ponderación en base, al menos en parte, a una diferencia entre la primera medida de desgaste y el primer desgaste objetivo.
La medida de desgaste puede comprender además una segunda medida de desgaste del aerogenerador y el desgaste objetivo puede comprender además un segundo desgaste objetivo correspondiente.
La unidad de determinación de ponderación se puede configurar para determinar el ajuste de ponderación en base, al menos en parte, a una diferencia entre la segunda medida de desgaste y el segundo desgaste objetivo.
La unidad de determinación de ponderación se puede configurar para determinar el ajuste de ponderación en base, al menos en parte, a una diferencia entre: una relación de la primera medida de desgaste y la segunda medida de desgaste; y una relación del primer desgaste objetivo y el segundo desgaste objetivo.
La unidad de determinación de ponderación comprende al menos un controlador PI configurado para determinar el ajuste de ponderación en base, al menos en parte, a una diferencia entre el desgaste objetivo y la medida de desgaste.
La medida de desgaste se puede basar, al menos en parte, en un estado operativo del aerogenerador.
La medida de desgaste puede comprender al menos un desgaste estimado del aerogenerador, en donde el sistema de control puede comprender además: un estimador de desgaste configurado para: recibir un estado operativo actual del aerogenerador; y generar la medida de desgaste en base, al menos en parte, al estado operativo actual.
La medida de desgaste puede comprender una medida acumulativa de desgaste de al menos parte del aerogenerador.
La unidad de MPC se puede configurar para determinar la señal de control optimizando la función de costes.
La función de costes puede comprender una o más restricciones para la ponderación de costes y/o para una salida de potencia del aerogenerador.
El sistema de control se puede configurar además para emitir una notificación de restricción a una entidad de monitorización, en donde la notificación de restricción es indicativa de que se está alcanzando al menos una de la una o más restricciones.
La función de costes puede comprender una pluralidad de costes de desgaste, cada uno con relación a uno o más tipos de desgaste del aerogenerador, y una pluralidad correspondiente de ponderaciones de costes. El ajuste de ponderación puede comprender una pluralidad de valores correspondientes a al menos alguna de la pluralidad de ponderaciones de costes en la función de costes.
El desgaste objetivo puede cambiar con respecto al tiempo.
Un segundo aspecto de la invención proporciona un aerogenerador que comprende el sistema de control del primer aspecto.
Un tercer aspecto de la invención proporciona un método según la reivindicación 18 de control de una operación de un aerogenerador, el método que comprende: recibir una señal de referencia que comprende un desgaste objetivo; recibir una señal de realimentación que comprende una medida de desgaste del aerogenerador; determinar, en base, al menos en parte, a una diferencia entre el desgaste objetivo y la medida de desgaste, un ajuste de ponderación para al menos parte de una ponderación de costes de una función de costes de una rutina de control predictivo modelo, MPC; establecer la ponderación de costes en la función de costes de la rutina de MPC en base, al menos en parte, al ajuste de ponderación; y determinar, usando la rutina de MPC, una señal de control para controlar la operación del aerogenerador, en donde la rutina de MPC está configurada para determinar la señal de control en base, al menos en parte, a la función de costes que comprende la ponderación de costes y un coste de desgaste correspondiente con relación a uno o más tipos de desgaste del aerogenerador, en donde la ponderación de costes define una ponderación relativa del coste de desgaste en la función de costes.
Un cuarto aspecto de la invención proporciona un programa informático configurado para realizar el método del tercer aspecto, cuando se ejecuta en un procesador de un dispositivo electrónico.
Breve descripción de los dibujos
Ahora se describirán realizaciones de la invención, a modo de ejemplo solamente, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:
la Figura 1 ilustra un ejemplo de un aerogenerador;
la Figura 2 ilustra una realización de un sistema de control junto con elementos de un aerogenerador;
la Figura 3 ilustra detalles de un controlador en el sistema de control de la Figura 2;
la Figura 4 ilustra un diagrama de ejemplo que muestra que el controlador de la Figura 3 puede establecer la ponderación de costes para ajustar el desgaste de una pieza/componente de aerogenerador con el tiempo;
la Figura 5 ilustra detalles de una primera implementación de ejemplo de una unidad de determinación de ponderación;
la Figura 6 ilustra detalles de una segunda implementación de ejemplo de una unidad de determinación de ponderación; y
la Figura 7 ilustra un diagrama de flujo de elementos de la presente descripción.
Descripción detallada de la realización o realizaciones
Los aerogeneradores y las piezas/componentes de los aerogeneradores experimentan desgaste durante su vida útil. Un aerogenerador y al menos algunas de sus piezas/componentes tienen vidas útiles de diseño, al final de las cuales se espera que se desgasten y fallen. Los inventores han reconocido que es beneficioso que el fallo tenga lugar tan cerca como sea posible de la vida útil de diseño. Un fallo temprano puede ser muy costoso, tanto debido al tiempo de inactividad del aerogenerador causado por el fallo y por el mantenimiento no programado de emergencia que se requiere. El fallo tardío puede significar que el aerogenerador podría haber sido accionado potencialmente con más fuerza durante su vida útil para generar más energía eléctrica. En la presente descripción, al menos una vez durante la vida útil del aerogenerador, una medida de desgaste del aerogenerador o de una pieza/componente del aerogenerador se compara con un desgaste objetivo para el aerogenerador o una pieza/componente. Esta comparación puede revelar si ha tenido lugar un desgaste por debajo de lo normal o un desgaste por encima de lo normal durante la vida útil hasta el momento del aerogenerador o de la pieza/componente. Las ponderaciones de costes dentro de un controlador predictivo modelo (MPC) se establecen luego en base a la comparación. El MPC controla al menos parte de la operación del aerogenerador, por lo que cualquier cambio en las ponderaciones de costes debería cambiar la forma en que se controla el aerogenerador a partir de ese momento en adelante. En consecuencia, si se identifica un desgaste por encima predictivo de lo normal, las ponderaciones de costes en el MPC se pueden establecer de manera que el aerogenerador se accione con menos fuerza con el fin de reducir la tasa de desgaste a partir de ese momento y asegurar que no tenga lugar un fallo temprano. Si se identifica un desgaste por debajo de lo normal, las ponderaciones de costes en el MPC se pueden establecer de manera que el aerogenerador se pueda accionar con más fuerza para aumentar la salida de potencia. Como tal, el aerogenerador se puede utilizar de manera más eficaz, con un menor coste de vida útil.
El 'desgaste objetivo' es indicativo de un diseño o cantidad objetivo de desgaste para el aerogenerador o una pieza/componente del aerogenerador. Puede ser indicativo de la cantidad acumulada de desgaste que se diseñó que debía de haber experimentado el aerogenerador o la pieza/componente durante un período de tiempo definido (por ejemplo, durante el transcurso de su vida hasta el momento, o durante el mes o año anterior, etc.). El desgaste objetivo puede adoptar cualquier forma numérica adecuada dependiendo de la naturaleza del desgaste al que se refiere y/o la pieza/componente al que se refiere. Por ejemplo, puede ser un número dimensional o adimensional indicativo de la cantidad de desgaste que debería haber experimentado el aerogenerador o la pieza/componente, según su diseño.
La 'medida de desgaste' es indicativa del desgaste del aerogenerador, o de un componente/pieza del aerogenerador. Puede ser indicativo del desgaste acumulado que ha experimentado el aerogenerador o la pieza/componente durante un período de tiempo definido (por ejemplo, durante el transcurso de su vida hasta el momento, o durante el último mes, durante el último año, etc.). De nuevo, puede adoptar cualquier forma numérica adecuada dependiendo de la naturaleza del desgaste al que se refiere y/o la pieza/componente al que se refiere. Por ejemplo, puede ser un número dimensional o adimensional indicativo de la cantidad de la cantidad de desgaste, o una estimación de la cantidad de desgaste, que el aerogenerador o la pieza/componente ha experimentado realmente. La medida de desgaste se puede determinar de cualquier forma adecuada, por ejemplo, a partir de mediciones directas de sensor de desgaste y/o en base a mediciones de carga de fatiga y/o estimaciones de carga de fatiga y/o distancia de recorrido de paso (por ejemplo, cuántos grados de paso ha recorrido una pala) y/o el número de veces que se ha activado un contactor eléctrico (que puede ser particularmente relevante para los componentes del sistema de guiñada y/o generador), etc.
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 ápice de la torre y un rotor 4 acoplado operativamente a un generador alojado en el interior 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 la turbina y conectar comunicativamente.
El aerogenerador 1 puede estar incluido entre una colección de otros aerogeneradores pertenecientes a una planta de energía eólica, a la que también se hace referencia como granja eólica o parque eólico, que sirven como una planta de generación de energía conectada por líneas de transmisión con una red eléctrica. La red eléctrica generalmente consta de una red de centrales eléctricas, 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 las empresas de servicios públicos eléctricos.
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 cambios 23. 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. Además, no necesita estar presente una caja de cambios.
El sistema de control comprende una serie de elementos, incluyendo 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 de aerogenerador 200 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 20 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 mediante 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 un paso individual de las palas del rotor.
La Figura 3 ilustra esquemáticamente detalles del controlador 200 de acuerdo con una realización. El controlador 200 comprende una unidad de control predictivo modelo, MPC, 310, una unidad de determinación de ponderación 320 y un estimador de desgaste 330. El estimador de desgaste 330 está configurado para recibir una señal de realimentación desde el aerogenerador, la señal de realimentación que comprende un estado operativo del aerogenerador. El estado operativo es uno o más parámetros operativos, por ejemplo, una colección de parámetros operativos, a menudo expresados como un vector. Un estado de aerogenerador de ejemplo es:
Figure imgf000005_0001
que comprende el valor de paso, 0, la velocidad angular del rotor, u>, y la posición superior de la torre, s, así como las derivadas temporales de esos parámetros. Se pueden usar otros y más parámetros para definir el estado del aerogenerador, x*.
Los valores de estado del estado operativo actual del aerogenerador se pueden basar en lecturas de sensor medidas de sensores dispuestos para medir datos de sensor con relación a los valores de estado físico del aerogenerador. Además, o alternativamente, también se pueden usar valores estimados o valores calculados. En una realización, el estado se puede determinar por 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.
El estimador de desgaste 330 está configurado para generar una medida de desgaste 335 en base, al menos en parte, al estado operativo actual recibido. La medida de desgaste 335 es indicativa del desgaste del aerogenerador, o de un componente/pieza del aerogenerador, por ejemplo el desgaste de la torre, el desgaste de una pala de turbina, el desgaste de un cojinete de rotor, el desgaste de un cojinete de pala, etc. Puede ser, por ejemplo, indicativo del desgaste acumulativo experimentado durante la vida útil hasta el momento del aerogenerador o la pieza/componente, o indicativo del desgaste acumulativo experimentado durante un período de tiempo particular (por ejemplo, durante el último mes, durante el último año, etc.), o indicativo de cualquier otra medida de desgaste. Puede adoptar cualquier forma adecuada (por ejemplo, en base a la naturaleza del desgaste y/o la pieza/componente a la que se refiere), por ejemplo, puede ser un número adimensional indicativo del progreso actual hacia el fallo del aerogenerador o la pieza/componente, tal como un número entre 0-1, donde 0 es indicativo de que no hay desgaste al comienzo de la vida útil y 1 es indicativo de fallo del aerogenerador o la pieza/componente. En este ejemplo, una medida de desgaste de 0,8 sería indicativa de que el desgaste alcanza un punto del 80 % hacia el fallo durante la vida útil hasta el momento del aerogenerador o la pieza/componente.
La estimación de desgaste se puede determinar de muchas formas diferentes. Por ejemplo, se puede basar en una medición de la carga de fatiga y/o una estimación de la carga de fatiga y/o la distancia de recorrido de paso (por ejemplo, cuántos grados de paso ha recorrido una pala) y/o el número de veces que se ha activado un contactor eléctrico (que puede ser particularmente relevante para los componentes del sistema de guiñada y/o generador).
Cuando se usa una estimación de la carga de fatiga para determinar la medida de desgaste, los expertos en la técnica apreciarán fácilmente las diferentes formas en que el estimador de carga 330 puede determinar la estimación de la medida de carga de fatiga 335 en base al estado operativo actual recibido. Por ejemplo, existe cualquiera de una serie de rutinas de aproximación de fatiga, tales como las rutinas basadas en la determinación de la varianza de una señal oscilante. También, existen métodos de análisis espectral. En una realización, el estimador de desgaste 330 puede usar un algoritmo de recuento de flujo de lluvia para estimar la carga de fatiga. Esto se puede implementar como un algoritmo de recuento de flujo de lluvia en línea que puede calcular continuamente una estimación de la carga de fatiga en base al recuento de flujo de lluvia. En la solicitud de patente internacional WO 2016/188532 A1, en particular entre la línea 29, página 9, y la línea 20, página 11, se describen detalles adicionales de formas de ejemplo en las que se puede determinar una estimación de la carga de fatiga, la cual se incorpora por este medio en su totalidad por referencia.
La unidad de determinación de ponderación 320 también está configurada para recibir una señal de referencia que comprende un desgaste objetivo. El desgaste objetivo es indicativo de un diseño o una cantidad objetivo de desgaste del aerogenerador o una pieza/componente del aerogenerador. Por ejemplo, puede ser indicativo de una cantidad objetivo de desgaste acumulativo para la edad del aerogenerador o la pieza/componente, o indicativo de una cantidad objetivo de desgaste acumulativo durante un período de tiempo particular (por ejemplo, durante el último mes, durante el último año, etc.), o indicativo de cualquier otra medida de desgaste objetivo. El desgaste objetivo puede adoptar cualquier forma adecuada, por ejemplo, un número entre 0-1, donde 0 es representativo de ningún desgaste y 1 es representativo de fallo. Por ejemplo, una pieza/componente particular del aerogenerador, tal como un cojinete de pala, puede tener una vida útil diseñada de 10 años (es decir, en el tiempo de diseño del aerogenerador, se prevé que el fallo de la pieza ocurra a los 10 años de servicio). Por lo tanto, cuando la pieza/componente tiene 10 años, su desgaste objetivo sería indicativo de fallo (por ejemplo, '1'). Cuando su antigüedad es inferior a 10 años, por ejemplo, 3 años, o 6 años, u 8 años, etc., el desgaste objetivo estará en alguna parte entre 0-1. El desgaste objetivo puede cambiar con el tiempo, por ejemplo, aumentar con el tiempo, dado que la pieza/componente debería experimentar más desgaste acumulado a medida que se hace mayor y envejece hacia el final de su esperanza de vida objetivo. El desgaste objetivo puede cambiar con el tiempo según cualquier relación de diseño, que puede ser dependiente del tipo de pieza/componente y/o el tipo de desgaste esperado. Por ejemplo, el desgaste objetivo puede cambiar lineal o exponencialmente con el tiempo.
El desgaste objetivo se puede recibir por el controlador 200 desde cualquier otro módulo o unidad, o bien dentro o bien fuera del sistema de control 20, o se puede almacenar dentro del controlador 200, por ejemplo en una unidad de memoria del controlador 200.
La unidad de determinación de ponderación 320 está configurada para determinar un ajuste de ponderación 325 en base, al menos en parte, a una diferencia entre el desgaste objetivo y la medida de desgaste 335. Más adelante se explican detalles adicionales del ajuste de ponderación 325 con referencia a la unidad de MPC 310.
Comparando el desgaste objetivo con la medida de desgaste 335, se puede determinar cómo el desgaste experimentado por el aerogenerador o la pieza/componente se compara con el desgaste objetivo. Si el desgaste real experimentado es menor que el objetivo, entonces el aerogenerador o la pieza/componente se están desgastando por debajo de lo normal con relación al objetivo de diseño. Esto significa que si el desgaste continúa al mismo ritmo en el futuro, el aerogenerador o la pieza/componente fallará más tarde de su vida útil diseñada.
Si el desgaste real experimentado es mayor que el objetivo, entonces el aerogenerador o la pieza/componente se está desgastando por encima de lo normal en relación con el objetivo de diseño. Esto significa que si el desgaste continúa al mismo ritmo en el futuro, el aerogenerador o la pieza/componente fallarán antes de su vida útil diseñada.
La unidad de MPC 310 está configurada para determinar una señal de control, tal como las señales 26 y 28, para controlar una operación del aerogenerador, tal como el paso de pala y/o la extracción de energía del convertidor. La unidad de MPC 310 determina la señal de control en base, al menos en parte, a una función de costes que comprende un coste de desgaste con relación a uno o más tipos de desgaste del aerogenerador (por ejemplo, el desgaste de una o más piezas/componentes diferentes del aerogenerador), y una ponderación de costes correspondiente, en donde la ponderación de costes define una ponderación relativa del coste de desgaste en la función de costes. La ponderación de costes puede comprender uno o más valores, cada uno que define una ponderación de cada tipo de desgaste en el coste de desgaste.
Los expertos en la técnica apreciarán fácilmente cómo se pueden usar las rutinas de MPC para determinar la señal de control. No obstante, a modo de breve explicación, MPC es un algoritmo de control de múltiples variables que usa una función de costes de optimización J sobre el horizonte de predicción de retroceso, para calcular los movimientos de control óptimos.
La función de costes de optimización se puede dar por:
J = min(Ái* Desgaste - Potencia)
En este ejemplo, 'Desgaste' es el coste de desgaste con relación a uno o más tipos de desgaste del aerogenerador, por ejemplo, desgaste de la torre y/o desgaste de un cojinete de pala y/o desgaste de una pala, etc. Cuando hay dos o más tipos de desgaste en 'Desgaste', entonces 'Desgaste' puede ser un vector o matriz de valores. A1 es la ponderación de costes correspondientes a 'Desgaste'. Cuando hay dos o más tipos de desgaste en 'Desgaste, entonces A1 puede ser una matriz o vector de valores de manera que cada tipo diferente de desgaste en 'Desgaste' tenga un valor de ponderación correspondiente en la ponderación de costes. 'Potencia' es la salida de potencia eléctrica del aerogenerador. Por lo tanto, minimizando Ai * Desgate - Potencia, la función de costes se optimiza para lograr la mejor salida de potencia para niveles particulares de desgaste en el aerogenerador.
Se apreciará fácilmente que en una implementación equivalente, se puede usar una función de beneficio de optimización para obtener exactamente el mismo resultado. Una función de beneficio de optimización equivalente se puede dar por
8 = max(Potencia - \ i * Desgaste)
Por lo tanto, se entenderá que el término 'función de costes' como se usa a lo largo de esta descripción abarca la 'función de beneficio' equivalente.
Los expertos en la técnica comprenderán que la función de costes puede incluir opcionalmente términos adicionales, por ejemplo, términos con relación al Ruido, la Tasa de Paso, etc., no obstante, estos no se describen en la presente memoria por el bien de la brevedad de la descripción.
La unidad de MPC 310 está configurada para establecer la ponderación de costes, Ai, en base, al menos en parte, al ajuste de ponderación 325. Los cambios en la ponderación de costes cambiarán la ponderación del coste de desgaste en la función de costes, lo que debería cambiar las señales de control determinadas por la unidad de MPC 310. Por ejemplo, si el desgaste real experimentado por una pieza/componente en particular durante su vida útil hasta el momento es menor que el desgaste objetivo para esa etapa de su vida útil, entonces hasta ahora esa pieza/componente se ha desgastado por debajo de lo normal con relación al objetivo de diseño. El ajuste de ponderación 325 determinado por la unidad de determinación de ponderación 320 reflejará esto y la ponderación de costes establecida posteriormente por la unidad de MPC 310 puede dar como resultado que las señales de control a partir de ese momento en adelante causen que el aerogenerador se accione con más fuerza, aumentando por ello la tasa de desgaste adicional en la pieza/componente. Por el contrario, si el desgaste real experimentado por una pieza/componente en particular durante su vida hasta el momento es mayor que el desgaste objetivo para esa etapa de su de vida, entonces hasta ahora esa pieza/componente se ha desgastado por encima de lo normal con relación al objetivo de diseño. El ajuste de ponderación 325 determinado por la unidad de determinación de ponderación 320 reflejará esto y la ponderación de costes establecida posteriormente por la unidad de MPC 310 puede dar como resultado que las señales de control a partir de ese momento en adelante causen que el aerogenerador se accione con menos fuerza, reduciendo por ello la tasa de desgaste adicional de la pieza/componente.
El ajuste de ponderación se puede determinar en base, al menos en parte, a una magnitud y/o signo (es decir, positivo o negativo) de la diferencia entre el desgaste objetivo y la medida de desgaste. Por ejemplo, el signo puede ser indicativo de si tiene lugar un desgaste por debajo de lo normal o un desgaste por encima de lo normal. La magnitud de la diferencia puede ser indicativa de cómo sirve el desgaste por debajo o por encima de lo normal. Determinando el ajuste de ponderación en consideración de la magnitud de la diferencia, se puede lograr una cierta proporcionalidad de los cambios en el ajuste de ponderación, tal como que servir por debajo o por encima del desgaste normal puede dar como resultado grandes cambios, mientras que pequeñas cantidades de desgaste por debajo o por encima de lo normal pueden dar como resultado solamente pequeños cambios.
La Figura 4 muestra un diagrama de ejemplo para ayudar a comprender cómo establecer la ponderación de costes de acuerdo con la presente descripción se puede usar para ajustar el desgaste de una pieza/componente con el tiempo. En este ejemplo particular, un desgaste de '1' representa un fallo de la pieza/componente. La 'envolvente de desgaste' es el nivel de desgaste en el que se espera un fallo del diseño de la pieza/componente, y corresponde en este ejemplo a un desgaste de '1'. El desgaste objetivo aumenta linealmente con el tiempo (aunque alternativamente puede cambiar con el tiempo según cualquier otra relación adecuada), de manera que se alcance una envolvente de desgaste (desgaste de '1', en este ejemplo) al final de la vida útil de diseño, tiempo tF (por ejemplo, 20 años). La medida de desgaste en el momento ti (por ejemplo, 5 años) es menor que el desgaste objetivo en ti, por lo que la pieza/componente se ha desgastado por debajo de lo normal hasta el momento. En consecuencia, el ajuste de ponderación se establece de tal forma que la unidad de MPC 310 cambie la ponderación de costes, lo que hace que el aerogenerador se accione con más fuerza y vaya hacia arriba la tasa de aumento en el desgaste de la pieza/componente. La medida de desgaste en el tiempo t2 (por ejemplo, 12 años) ahora es mayor que el desgaste objetivo en t2, por lo que la pieza/componente se ha desgastado ahora por encima de lo normal. En consecuencia, el ajuste de ponderación se establece de tal forma que la unidad de MPC 310 cambie la ponderación de costes, lo que hace que el aerogenerador se accione con menos fuerza y vaya hacia abajo la tasa de aumento en el desgaste de la pieza/componente.
La determinación de la medida de desgaste y la comparación de la medida de desgaste frente al desgaste objetivo se pueden acometer de manera continua o periódica (por ejemplo, cada mes, o cada seis meses o cada año), o de manera intermitente, de manera que el ajuste de ponderación se pueda ajustar y refinar regularmente con el fin de lograr el desgaste óptimo.
Los inventores han reconocido que el fallo después de la vida útil diseñada puede ser inconveniente, dado que el fallo puede no coincidir entonces con un mantenimiento programado del aerogenerador. Además, también se han dado cuenta de que accionar los aerogeneradores con más fuerza para generar más energía eléctrica durante su vida útil típicamente puede aumentar el desgaste de algunas piezas. Por lo tanto, el fallo después de la vida útil diseñada significa que se pueden haber perdido oportunidades para un aumento de la generación de energía durante la vida útil del aerogenerador. En consecuencia, reconociendo que el aerogenerador o la pieza/componente se está desgastando por debajo de lo normal, el control del aerogenerador se puede ajustar para acercar el nivel de desgaste a la tasa de desgaste diseñada, y también para lograr una mayor salida de potencia durante la vida útil del aerogenerador.
Los inventores también han reconocido que el fallo antes de la vida útil diseñada es indeseable, dado que puede causar el apagado del aerogenerador antes de un mantenimiento programado, dando como resultado muchas horas, días, semanas o meses sin generación de energía. También puede dar como resultado un mantenimiento de aerogenerador de emergencia costoso y no programado. En consecuencia, reconociendo que el aerogenerador o la pieza/componente se está desgastando por encima de lo normal, el control del aerogenerador se puede ajustar para acercar el nivel de desgaste a la tasa de desgaste diseñada, evitando por ello costosas paradas y/o mantenimiento no programado.
La Figura 5 ilustra esquemáticamente los detalles de una implementación de ejemplo de la unidad de determinación de ponderación 320. La unidad de determinación de ponderación 320 comprende un controlador PI configurado para determinar el ajuste de ponderación en base, al menos en parte, a una diferencia entre la señal de referencia (desgaste objetivo) y la señal de realimentación (la medida de desgaste 335).
Se apreciará que las funciones de costes de MPC típicamente son muy complejas, con una serie de términos diferentes interrelacionados, donde los ajustes a parte de la función con el fin de lograr el efecto deseado sobre el desgaste de un componente pueden tener consecuencias (potencialmente indeseables) sobre el desgaste de uno o más de otros componentes. En consecuencia, en algunas implementaciones, se pueden tomar en consideración dos o más medidas de desgaste cuando se determina el ajuste de ponderación.
En una primera implementación tal, la unidad de determinación de ponderación 320 se puede configurar para determinar el ajuste de ponderación en base, al menos en parte, a una diferencia entre una relación de una primera medida de desgaste (indicativa de desgaste de una primera pieza/componente, tal como la torre) y una segunda medida de desgaste (indicativa del desgaste de una segunda pieza/componente, tal como los cojinetes de pala) y una relación de un primer desgaste objetivo (correspondiente a la primera pieza/componente) y un segundo desgaste objetivo (correspondiente a la segunda pieza/componente). Considerando las relaciones de esta forma, la interrelación entre el desgaste de las dos piezas/componentes se puede tener en cuenta cuando se determina el ajuste de ponderación, lo que a su vez afecta a la forma en que se puede establecer la ponderación de costes en el MPC. Las relaciones se pueden determinar dentro de la unidad de determinación de ponderación 320, o la señal de referencia puede comprender una relación de dos desgastes objetivo y/o la medida de desgaste puede comprender una relación de dos medidas de desgaste.
La Figura 6 ilustra esquemáticamente detalles de una segunda implementación de una unidad de determinación de ponderación 620 que tiene en consideración dos medidas de desgaste. La unidad de determinación de ponderación 620 recibe una primera medida de desgaste 6351 y una segunda medida de desgaste 6352 del estimador de desgaste 630. Cada una de estas se relaciona con una pieza/componente diferente del aerogenerador. La unidad de determinación de ponderación 620 también recibe una primera señal de referencia, Señal de Ref.1, que comprende un primer desgaste objetivo (que se relaciona con la misma pieza/componente que la primera medida de desgaste 6351) y una segunda señal de referencia, Señal de Ref.2, que comprende un segundo desgaste objetivo (que se refiere a la misma pieza/componente que la segunda medida de desgaste 6352). La unidad de determinación de ponderación 620 comprende dos controladores PI, uno para cada una de las medidas de desgaste. El ajuste de ponderación comprende dos partes, 6251 y 6252, y la unidad de MPC 610 está configurada para establecer la ponderación de costes en base al menos a ambas de estas dos partes. De esta forma, los ajustes de ponderación con relación a dos piezas/componentes diferentes se pueden considerar por la unidad de MPC 610 cuando se establece la ponderación de costes. Esto significa que si existen objetivos que compiten entre el desgaste de los dos componentes (por ejemplo, se puede desear aumentar la tasa de desgaste de ambos componentes, pero debido a la naturaleza de los componentes, un aumento en la tasa de desgaste de uno dará como resultado una disminución en la tasa de desgaste del otros), esos objetivos competitivos se puede tener en consideración por la unidad de MPC 310 y la ponderación de costes se puede establecer de manera óptima en vista de eso.
Se apreciará que mientras que la Figura 6 muestra solamente dos medidas de desgaste diferentes y los desgastes objetivo correspondientes, se puede considerar cualquier número de medidas de desgaste y los desgastes objetivo correspondientes (tal como tres, cuatro, etc.) aumentando el número de controladores PI.
En una implementación de ejemplo, la función de costes de la unidad de MPC puede comprender una o más restricciones para la ponderación de costes y/o la salida de potencia del aerogenerador. Por ejemplo, puede tener una salida de potencia máxima y/o mínima permitida del aerogenerador. Además o alternativamente, puede tener valores máximos y/o mínimos permitidos para al menos uno de los valores de ponderación en la ponderación de costes. De esta forma, la operación del aerogenerador se puede mantener dentro de límites aceptables, por ejemplo, asegurando que siempre se mantenga un nivel mínimo aceptable de salida de potencia, o que no se exceda un nivel máximo seguro de salida de potencia, etc. La unidad de MPC se puede configurar no para exceder esas restricciones cuando se establece la ponderación de costes. Opcionalmente, cuando se alcanza una restricción durante el establecimiento de la ponderación de costes, la unidad de MPC se puede configurar para emitir una notificación de restricción a una entidad de monitorización, en donde la notificación de restricción es indicativa de que se está alcanzando al menos una de la una o más restricciones. La entidad de monitorización puede ser, por ejemplo, un propietario u operador del aerogenerador, que puede tener la opción de ajustar una o más de las restricciones, o ajustar la vida útil de diseño de una o más piezas/componentes del aerogenerador (moviendo eficazmente la envolvente de desgaste hacia la izquierda o hacia la derecha en el diagrama representado en la Figura 4, de manera que esté diseñada para ser alcanzada antes o después). Por ejemplo, con el fin de reducir la tasa de desgaste de un componente en particular, puede ser necesario reducir la salida de potencia a un nivel que estaría por debajo de la restricción de salida de potencia mínima. Recibiendo una notificación de restricción, la entidad de monitorización puede aceptar que necesitará sustituir esa pieza/componente antes de lo esperado con el fin de aumentar la salida de potencia a niveles más deseables. En consecuencia, pueden elegir acortar la vida útil del diseño de esa pieza/componente, lo que a su vez cambiará el desgaste objetivo para esa pieza/componente y, por lo tanto, también cambiará el ajuste de ponderación determinado por la unidad de determinación de ponderación. De este modo, se puede ver que el uso de una notificación de restricción puede aumentar la flexibilidad de control y operación del aerogenerador para ayudar a lograr metas operativas complejas.
La Figura 7 ilustra elementos de un método de control de un aerogenerador para realizar diversas realizaciones de la presente descripción. Los elementos del método se pueden implementar mediante software como un producto de programa informático, hardware o una combinación de software y hardware. El software puede comprender un código legible por ordenador, que cuando se ejecuta en el procesador de cualquier dispositivo electrónico, realiza la funcionalidad de los elementos representados en la Figura 7. El software se puede almacenar en cualquier medio legible por ordenador adecuado, por ejemplo, un medio legible por ordenador no transitorio, tal como una memoria de solo lectura, memoria de acceso aleatorio, CD-ROM, DVD, Blue-ray, cinta magnética, unidades de disco duro, unidades de estado sólido y unidades ópticas. Típicamente, el software se almacena y ejecuta por un sistema de control de aerogenerador.
En el paso S710, se recibe una señal de referencia que comprende un desgaste objetivo y en el paso S720, se recibe una señal de realimentación que comprende una medida de desgaste (por ejemplo, la medida de desgaste 335 emitida desde el estimador de desgaste 330).
En el paso 730, se determina el ajuste de ponderación, en base, al menos en parte, a una diferencia entre el desgaste objetivo y la medida de desgaste.
En el paso S740, la ponderación de costes en la función de costes de la rutina de MPC se establece en base, al menos en parte, al ajuste de ponderación.
En el Paso 750, se determina una señal de control para controlar una operación del aerogenerador usando la rutina de MPC. La señal de control se puede usar en el control, por ejemplo, del paso de pala y/o la extracción de energía del convertidor, y/o cualquier otra función o actuadores del aerogenerador. Luego, el método vuelve al inicio y se puede ejecutar de nuevo, o bien en un bucle continuo o bien de manera intermitente (por ejemplo, el método se puede volver a ejecutar periódicamente, tal como cada mes, o cada 6 meses, o cada año, etc.).
Aunque la invención se ha descrito anteriormente con referencia a una o más realizaciones preferidas, se apreciará que se pueden hacer diversos cambios o modificaciones sin apartarse del alcance de la invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Por ejemplo, la medida de desgaste puede no ser una estimación del desgaste determinada por el estimador de desgaste. Alternativamente, puede ser cualquier otra medida de desgaste, por ejemplo, una medición directa de desgaste hecha por uno o más sensores en el aerogenerador.
Además, mientras que en lo anterior, el desgaste objetivo típicamente aumenta con el tiempo (dado que a medida que envejece el aerogenerador o la pieza/componente, se espera que experimente más desgaste acumulativo), en una alternativa el desgaste objetivo puede disminuir. Por ejemplo, el desgaste objetivo puede ser indicativo de la vida útil de diseño restante, en cuyo caso disminuiría con el tiempo. En este ejemplo, la medida de desgaste puede ser indicativa de la cantidad de vida restante para el aerogenerador o la pieza/componente dada la cantidad de desgaste ya experimentada, de manera que una comparación de la vida útil de diseño restante y la vida útil restante real estimada sea indicativa de si el aerogenerador o la pieza/componente se ha desgastado por debajo de lo normal o desgastado por encima de lo normal hasta ahora.

Claims (19)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de control (20) para un aerogenerador (1), el sistema de control que comprende:
una unidad de control predictivo modelo, MPC, (310) configurada para determinar una señal de control (26, 28) para controlar una operación del aerogenerador, en donde la unidad de MPC está configurada para determinar la señal de control en base, al menos en parte, a una función de costes que comprende un coste de desgaste con relación a uno o más tipos de desgaste del aerogenerador, y una ponderación de costes correspondiente, en donde la ponderación de costes define una ponderación relativa del coste de desgaste en la función de costes; y una unidad de determinación de ponderación (320) configurada para:
recibir una señal de referencia que comprende un desgaste objetivo;
recibir una señal de realimentación que comprende una medida de desgaste (335) del aerogenerador; y determinar, usando al menos un controlador PI, un ajuste de ponderación (325) en base, al menos en parte, a una diferencia entre el desgaste objetivo y la medida de desgaste, para al menos parte de la ponderación de costes de la función de costes; en donde
la unidad de MPC (310) está configurada para establecer la ponderación de costes en base, al menos en parte, al ajuste de ponderación.
2. El sistema de control de la reivindicación 1, en donde la unidad de determinación de ponderación está configurada para determinar el ajuste de ponderación en base, al menos en parte, a una magnitud y/o signo de la diferencia entre el desgaste objetivo y la medida de desgaste.
3. El sistema de control de cualquier reivindicación anterior, en donde
la medida de desgaste comprende una primera medida de desgaste del aerogenerador y el desgaste objetivo comprende un primer desgaste objetivo correspondiente.
4. El sistema de control de la reivindicación 3, en donde
la unidad de determinación de ponderación está configurada para determinar el ajuste de ponderación en base, al menos en parte, a una diferencia entre la primera medida de desgaste y el primer desgaste objetivo.
5. El sistema de control de la reivindicación 3 o la reivindicación 4, en donde
la medida de desgaste comprende además una segunda medida de desgaste del aerogenerador y el desgaste objetivo comprende además un segundo desgaste objetivo correspondiente.
6. El sistema de control de la reivindicación 5, en donde la unidad de determinación de ponderación está configurada para determinar el ajuste de ponderación en base, al menos en parte, a:
una diferencia entre la segunda medida de desgaste y el segundo desgaste objetivo.
7. El sistema de control de la reivindicación 5 o la reivindicación 6, en donde la unidad de determinación de ponderación está configurada para determinar el ajuste de ponderación en base, al menos en parte, a:
una diferencia entre:
una relación de la primera medida de desgaste y la segunda medida de desgaste; y
una relación del primer desgaste objetivo y el segundo desgaste objetivo.
8. El sistema de control de cualquier reivindicación anterior, en donde la medida de desgaste se basa, al menos en parte, en un estado operativo del aerogenerador.
9. El sistema de control de la reivindicación 8, en donde la medida de desgaste se basa, al menos en parte, en al menos una medida de desgaste estimada del aerogenerador, y en donde el sistema de control comprende además: un estimador de desgaste (330, 630) configurado para:
recibir un estado operativo actual del aerogenerador; y
generar la medida de desgaste en base, al menos en parte, al estado operativo actual.
10. El sistema de control de cualquier reivindicación anterior, en donde la medida de desgaste comprende una medida acumulativa de desgaste de al menos parte del aerogenerador.
11. El sistema de control de cualquier reivindicación anterior, en donde la unidad de MPC está configurada para determinar la señal de control optimizando la función de costes.
12. El sistema de control de la reivindicación 11, en donde la función de costes comprende una o más restricciones para la ponderación de costes y/o para la salida de potencia del aerogenerador.
13. El sistema de control de la reivindicación 12, configurado además para:
emitir una notificación de restricción a una entidad de monitorización, en donde la notificación de restricción es indicativa de que se está alcanzando al menos una de la una o más restricciones.
14. El sistema de control de cualquier reivindicación anterior, en donde la función de costes comprende una pluralidad de costes de desgaste, cada uno con relación a uno o más tipos de desgaste del aerogenerador, y una pluralidad correspondiente de ponderaciones de costes.
15. El sistema de control de la reivindicación 14, en donde el ajuste de ponderación comprende una pluralidad de valores correspondientes a al menos algunas de la pluralidad de ponderaciones de costes en la función de costes.
16. El sistema de control de cualquier reivindicación anterior, en donde el desgaste objetivo cambia con respecto al tiempo.
17. Un aerogenerador (1) que comprende el sistema de control de cualquiera de las reivindicaciones 1-16.
18. Un método de control de una operación de un aerogenerador, el método que comprende:
recibir una señal de referencia (S710) que comprende un desgaste objetivo;
recibir una señal de realimentación (S720) que comprende una medida de desgaste del aerogenerador; determinar (S730), usando al menos un controlador PI, un ajuste de ponderación en base, al menos en parte, a una diferencia entre el desgaste objetivo y la medida de desgaste, para al menos parte de una ponderación de costes de una función de costes de una rutina de control predictivo modelo, MPC;
establecer (S740) la ponderación de costes en la función de costes de la rutina de MPC en base, al menos en parte, al ajuste de ponderación; y
determinar (S750), usando la rutina de MPC, una señal de control para controlar la operación del aerogenerador, en donde la rutina de MPC está configurada para determinar la señal de control en base, al menos en parte, a la función de costes que comprende la ponderación de costes y un coste de desgaste correspondiente con relación a uno o más tipos de desgaste del aerogenerador, en donde la ponderación de costes define una ponderación relativa del coste de desgaste en la función de costes.
19. Un programa informático configurado para realizar el método de la reivindicación 18, cuando se ejecuta en un procesador de un dispositivo electrónico.
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