ES2963541T3 - Aumento de potencia para una turbina eólica - Google Patents

Abstract

Un método para controlar una turbina eólica (1) comprende la etapa de aumentar la potencia de salida de la turbina eólica por encima de la potencia nominal (Pw) de la turbina eólica, de acuerdo con una función operativa de impulso (110, 120, 130) que representa un impulso. nivel para el aerogenerador (1). La función operativa de impulso (110, 120, 130) es una función creciente de una variable operativa al menos entre un primer valor de umbral (Tv1, Tv1', Tv1'') y un segundo valor de umbral (Tv2, Tv2') de la variable operativa. variable. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Aumento de potencia para una turbina eólica

Campo de la invención

La presente invención se refiere al control de una turbina eólica para aumentar la potencia o aumentar la potencia operativa por encima de la potencia nominal de la turbina eólica.

Antecedentes de la técnica

Las turbinas eólicas pueden proporcionar aumento de potencia, es decir, la posibilidad de aumentar la potencia por encima del valor de potencia nominal. La velocidad de rotación se incrementa junto con la potencia. El aumento es configurable y puede establecerse de forma predeterminada a un 5 % de la potencia nominal. Si la capacidad del generador y del convertidor lo permiten, el aumento de potencia se puede incrementar hasta un número mayor, por ejemplo, un 10 % de la potencia nominal. Esta sobrecapacidad puede utilizarse, por ejemplo, para aumentar la potencia bajo fuertes vientos.

Según una posible implementación conocida, el aumento del cobijo es un aumento gradual en la producción de energía cuando el ángulo de paso y la velocidad del viento sobrepasen un umbral predefinido. Esto se hace para asegurarse de que la potencia no se aumente en los vientos nominales, donde las cargas más extremas accionan el diseño del componente. Al aumentar primero no en los vientos nominales, sino justo por encima de donde las cargas ya han bajado, las cargas extremas no se incrementarán por encima de sus niveles de diseño por la velocidad adicional y la producción de potencia. El salto discreto en la salida de potencia determina dos problemas principales:

si el porcentaje de aumento cambia, el ángulo de paso donde se aplica el aumento también debe adaptarse. Por ejemplo, si se puede habilitar un aumento de potencia del 5 % a 6 grados del paso óptimo, un aumento del 10 % solo puede aplicarse en un ángulo de paso a 12 grados del paso óptimo. Al retrasar el umbral de aumento, se pierde mucha potencia;

cuando se aplica el aumento, las palas de la turbina se orientan ligeramente hacia el viento para equilibrar el incremento de la energía eléctrica extraída respecto a la energía eólica extraída. Este recorrido de paso adicional no es necesario, y debido a la alta carga, añade mucho al daño estructural acumulativo en los componentes de la turbina eólica, tales como los cojinetes de paso.

Un ejemplo de una turbina eólica que puede controlarse de manera que produzca más potencia que la potencia nominal, se describe en el documento WO 2016/058617 A1.

Resumen de la invención

Un alcance de la presente invención es proporcionar un método y circuito de control para controlar una turbina eólica, a fin de optimizar la potencia aumentada, lo que da como resultado un incremento de producción de energía anual (AEP), independientemente de las distribuciones de viento y sin exceder la capacidad estructural extrema de las palas, la torre y otros componentes estructurales de la turbina eólica.

Este alcance se cumple mediante la materia objeto según las reivindicaciones independientes. Las realizaciones ventajosas de la presente invención se describen en las reivindicaciones dependientes.

Según un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un método para controlar una turbina eólica, que comprende el paso de aumentar la potencia de salida de la turbina eólica por encima de la potencia nominal de la turbina eólica, según una función operativa de aumento que representa un nivel de aumento para la turbina eólica, siendo la función operativa de aumento una función lineal creciente de una velocidad del viento o una intensidad de turbulencia al menos entre un primer valor umbral y un segundo valor umbral de la velocidad del viento o la intensidad de turbulencia, en donde la función operativa de aumento se define a un paso constante entre el primer valor umbral y el segundo valor umbral.

Según un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona un controlador para una turbina eólica, que incluye un circuito de aumento para aumentar la potencia de salida de la turbina eólica por encima de la potencia nominal de la turbina eólica, según una función operativa de aumento que representa un nivel de aumento para la turbina eólica. La función operativa de aumento es una función lineal creciente de una velocidad del viento o una intensidad de turbulencia al menos entre un primer valor umbral y un segundo valor umbral de la velocidad del viento o la intensidad de la turbulencia, el circuito de aumento configurado para recibir como entrada:

un comando de criterios de habilitación,

un ángulo de paso deseado, siendo el ángulo de paso constante entre el primer valor umbral y el segundo valor umbral, y

una referencia de potencia deseada, el circuito de aumento configurado para producir como salida:

una referencia de paso, y

una referencia de potencia aumentada que representa el nivel de aumento para la turbina eólica.

En el contexto de la presente invención, un “ circuito de aumento” puede implementarse como circuito de hardware y/o circuito lógico programable, configurado y dispuesto para implementar las operaciones/actividades especificadas. En posibles realizaciones, un circuito programable puede incluir uno o más circuitos informáticos programados para ejecutar un conjunto (o conjuntos) de instrucciones (y/o datos de configuración). Las instrucciones (y/o datos de configuración) pueden estar en forma de firmware o software almacenado en y accesibles desde una memoria. El “ circuito de aumento” puede ser parte del controlador de la turbina eólica.

La función operativa de aumento puede ser constante entre el segundo valor umbral y un tercer valor umbral de la velocidad del viento o la intensidad de turbulencia. La función operativa de aumento puede ser decreciente entre el tercer valor umbral y un cuarto valor umbral de la velocidad del viento o la intensidad de turbulencia.

Según la presente invención, entre el primer valor umbral y el segundo valor umbral de la velocidad del viento, la función operativa de aumento se define a un paso constante. Mantener constante el ángulo de paso cuando la velocidad y la potencia se aumentan reduce el daño del cojinete de paso.

Según otra realización de la presente invención, el ángulo de paso se mantiene constante entre el primer valor umbral y el segundo valor umbral, y se incrementa, por ejemplo, linealmente, entre el segundo valor umbral y el tercer valor umbral, es decir, el aumento dinámico incrementa la potencia al mantener constante el ángulo de paso hasta que se logre la máxima salida de potencia y, cuando se logra la máxima, entonces las palas aumentan su inclinación si los vientos incrementan. Esto mantiene la potencia y velocidad contantes, siguiendo de este modo al viento. Ventajosamente, al proporcionar un aumento dinámico, en lugar del aumento discreto de la técnica anterior, la presente invención permite incrementar significativamente la AEP.

Hay que señalar que las realizaciones de la invención se han descrito con referencia a diferentes materias objeto. En particular, algunas realizaciones se han descrito con referencia a reivindicaciones de tipo de aparato, mientras que otras realizaciones se han descrito con referencia a reivindicaciones de tipo de método. Sin embargo, un experto en la técnica deducirá a partir de lo anterior y de la siguiente descripción que, a menos que se especifique lo contrario, además de cualquier combinación de características que pertenezcan a un tipo de materia objeto, también se considera descrita con esta solicitud cualquier combinación entre características relativas a diferentes materias objeto, en concreto, entre características de las reivindicaciones de tipo de aparato y características de las reivindicaciones de tipo de método.

Breve descripción de los dibujos

Los aspectos definidos anteriormente y otros aspectos de la presente invención se infieren de los ejemplos de realización que se describirán a continuación y se explican con referencia a los ejemplos de realización. La invención se describirá con más detalle a continuación en la memoria haciendo referencia a ejemplos de realización, no estando la invención limitada a los mismos.

La Figura 1 muestra una sección esquemática de una turbina eólica a la que se le puede aplicar el método y circuito de control de la presente invención, para controlar el aumento de potencia.

La Figura 2 muestra un gráfico que ilustra cómo se opera el aumento de potencia según la presente invención. La Figura 3 muestra un diagrama esquemático que representa un circuito para controlar el aumento de potencia.Descripción detallada

Las ilustraciones de los dibujos son esquemáticas. Se señala que en diferentes figuras, los elementos similares o idénticos están provistos de los mismos signos de referencia.

LaFigura 1muestra una turbina eólica 1 según la invención. La turbina eólica 1 incluye una torre 2, que está montada en una cimentación no representada. Una góndola 3 está dispuesta en la parte superior de la torre 2. La turbina eólica 1 comprende, además, un rotor eólico 5 con al menos una pala 4 (en la realización de la Figura 1, el rotor eólico comprende tres palas 4, de las cuales solo dos palas 4 son visibles). El rotor eólico 5 es giratorio alrededor de un eje Y de rotación. Las palas 4 se extienden sustancialmente de manera radial con respecto al eje Y de rotación, y a lo largo de un eje longitudinal X respectivo.

La turbina eólica 1 comprende un generador eléctrico 11, que incluye un estator 20 y un rotor 30. El rotor 30 es giratorio con respecto al estator 20 alrededor del eje Y de rotación. El rotor eólico 5 se acopla de manera giratoria al generador eléctrico 11, ya sea directamente, p. ej., por accionamiento directo, o por medio de un eje 9 principal giratorio y/o a través de una caja de engranajes (no mostrada en la Figura 1). Se proporciona un conjunto 8 de cojinetes, representado esquemáticamente, con el fin de sujetar el eje principal 9 y el rotor 5. El eje 9 principal giratorio se extiende a lo largo del eje Y de rotación.

El rotor eólico 5 comprende tres bridas 15 para conectar una pala 4 respectiva al rotor eólico 5. Un cojinete de paso está interpuesto entre cada brida 15 de pala y la pala 4 respectiva. Un circuito hidráulico de accionamiento de paso está asociado a los cojinetes de paso de las palas 4 para regular el ángulo de paso de cada pala, es decir, la posición angular de cada pala alrededor del eje longitudinal X de pala respectivo. El circuito hidráulico de accionamiento de paso puede ajustar todos los ángulos de paso en todas las palas 4 del rotor al mismo tiempo y/o puede estar disponible un ajuste de paso individual de las palas 4 de rotor. En un lado trasero del lado trasero de la góndola 3, opuesto al rotor eólico 5, se proporciona un convertidor 21. El transformador 21 está conectado eléctricamente al generador eléctrico 11 para transformar la salida eléctrica del generador 11 en una cierta salida de potencia predeterminada en un nivel de tensión predeterminado para proporcionarlo a una red eléctrica, que está conectada eléctricamente al transformador 21.

La turbina eólica 1 comprende un controlador (no mostrado) con un procesador y una memoria. El procesador ejecuta tareas informáticas basadas en instrucciones almacenadas en la memoria. Según dichas tareas, la turbina eólica en funcionamiento genera un nivel de salida de potencia solicitado. En particular, el nivel de potencia de salida puede ser una potencia de aumento, es decir, que tiene un valor mayor que una potencia nominal Pw de salida de la turbina eólica 1. Esto puede obtenerse ajustando el ángulo de paso operando en consecuencia el circuito hidráulico de accionamiento de paso asociado a los cojinetes de paso de las palas 4. Alternativamente, el nivel de potencia de salida solicitado puede obtenerse ajustando la potencia de salida del convertidor 21.

LaFigura 2muestra tres funciones 110, 120, 130 operativas de aumento, que pueden ser generadas por el controlador para operar la turbina eólica 1 por encima de la potencia nominal Pw de salida. Las tres funciones 110, 120, 130 operativas de aumento se muestran en un gráfico cartesiano que tiene un eje de abscisas que representa valores de una variable operativa, y un eje de ordenadas que representa valores de potencia de salida (como porcentaje de la salida de potencia nominal Pw de la turbina eólica 1). La variable operativa puede ser diferente según las diferentes realizaciones de la presente invención, como mejor se aclara en lo siguiente.

Según una primera realización de la invención, se genera una potencia de aumento según una primera función 110 operativa de aumento. La primera función 110 operativa de aumento es una función lineal creciente de la variable operativa entre un primer valor umbral Tv1 y un segundo valor umbral Tv2 de la variable operativa. La variable operativa es una velocidad del viento, que puede ser un valor medido o estimado de la velocidad del viento. En el segundo valor umbral Tv2, la salida de potencia alcanza un nivel de aumento de potencia predefinido, que puede que exceda la potencia nominal Pw en un 10 % (la salida de potencia es del 110 % de la potencia nominal Pw). La primera función 110 operativa de aumento es una función constante de la velocidad del viento entre el segundo valor umbral Tv2 y un tercer valor umbral Tv3 de la velocidad del viento, y una función decreciente de la velocidad del viento entre el tercer valor umbral Tv3 y un cuarto valor umbral Tv4 de la velocidad del viento. En particular, la función 110 operativa de aumento es una función lineal decreciente de la velocidad del viento entre el tercer valor umbral Tv3 y el cuarto valor umbral Tv4. La primera función 110 operativa de aumento se obtiene a un paso constante, ajustando solo la salida de potencia del convertidor 21 según una tabla de consulta dependiente de la velocidad del viento.

Según otras realizaciones de la presente invención, la variable operativa puede ser una intensidad de turbulencia.

Según una segunda realización, no parte de la invención, se genera una potencia de aumento según una segunda función 120 operativa de aumento. La segunda función 120 operativa de aumento es una función creciente de un ángulo de paso entre un primer umbral Tv1' y un segundo valor umbral Tv2' del ángulo de paso. En particular, la segunda función 120 operativa de aumento es una función lineal creciente del ángulo de paso. En el segundo valor umbral Tv2', la salida de potencia alcanza un nivel de aumento de potencia predefinido, que puede que exceda la potencia nominal Pw en un 5 % (potencia de potencia es 1050 de la potencia nominal Pw). La segunda función 120 operativa de aumento es una función constante del ángulo de paso entre el segundo valor umbral Tv2' y un tercer valor umbral Tv3' del ángulo de paso, y una función decreciente del ángulo de paso entre el tercer valor umbral Tv3' y un cuarto valor umbral Tv4' del ángulo de paso. En particular, la segunda función 120 operativa de aumento es una función lineal decreciente del ángulo de paso entre el tercer valor umbral Tv3' y el cuarto valor umbral Tv4'. La segunda función 120 operativa de aumento se obtiene a paso variable, operando en consecuencia el circuito hidráulico de accionamiento de paso para generar un paso predefinido que oscila entre un mínimo de paso, en el primer umbral Tv1', y un máximo de paso, en el segundo umbral Tv2'.

Según una tercera realización, no parte de la invención, se genera una potencia de aumento según una tercera función 130 operativa de aumento. La tercera función 130 operativa de aumento es una función creciente de un ángulo de paso entre un primer valor umbral Tv1" y un segundo valor umbral Tv2 del ángulo de paso. En particular, la tercera función 130 operativa de aumento es una función lineal creciente del ángulo de paso. En el segundo valor umbral Tv2, la salida de potencia alcanza un nivel de aumento de potencia predefinido, que puede que exceda la potencia nominal Pw en un 10 % (la salida de potencia es del 110 % de la potencia nominal Pw). La tercera función 130 operativa de aumento es una función constante del ángulo de paso entre el segundo valor umbral Tv2 y un tercer valor umbral Tv3 del ángulo de paso, y una función decreciente del ángulo de paso entre el tercer valor umbral Tv3 y un cuarto valor umbral Tv4' del ángulo de paso. En particular, la tercera función 130 operativa de aumento es una función lineal decreciente del ángulo de paso entre el tercer valor umbral Tv3 y el cuarto valor umbral Tv4'. De manera similar a la segunda función 120 operativa de aumento, la tercera función 130 operativa de aumento se obtiene a paso variable, operando en consecuencia el circuito hidráulico de accionamiento de paso para generar un paso predefinido que varía entre un mínimo de paso, en el primer umbral Tv1", y un máximo de paso, en el segundo umbral Tv2.

El primer umbral Tv1, Tv1', Tv1" se elige suficientemente alto como para no iniciar el aumento en un empuje pico, donde se producen las cargas extremas más altas y la mayoría de las cargas de fatiga.

La segunda y la tercera funciones 120, 130 operativas de aumento pueden obtenerse a través de un circuito 200 de aumento, representado en laFigura 3. El circuito 200 de aumento puede implementarse como circuito de hardware y/o circuito lógico programable, configurado y dispuesto para implementar las operaciones/actividades especificadas. El circuito 200 de aumento puede incluirse en el controlador de la turbina eólica 1. El circuito 200 de aumento recibe como entrada un comando 210 de criterios de habilitación (por ejemplo, dependiendo de la velocidad del viento, de modo que la velocidad del viento durante las operaciones de aumento se elija suficientemente alta como para no iniciar el aumento en un empuje pico, donde se producen las cargas extremas más altas y la mayoría de las cargas de fatiga), un ángulo 220 de paso deseado y una referencia 230 de potencia deseada. El circuito 200 de aumento genera como salida una referencia 240 de paso y una referencia 250 de potencia aumentada. El circuito 200 de aumento comprende un bloque 260 de aumento de potencia dinámica, que recibe como entrada el comando 210 de criterios de habilitación y el ángulo 220 de paso deseado, y genera como salida una señal 265 de aumento de potencia dinámica, que representa el porcentaje del aumento deseado y la señal 290 de referencia de velocidad aumentada. El circuito 200 de aumento comprende un controlador 270 de velocidad-paso, que recibe como entrada la señal 290 de referencia de velocidad aumentada, y genera como salida la referencia 240 de paso. El circuito 200 de aumento comprende, además, un controlador 280 de velocidad-potencia, que recibe como entrada la suma de la referencia 230 de potencia deseada y la señal 265 de aumento de potencia dinámica, y genera como salida la referencia 250 de potencia aumentada. Las salidas del circuito 200 de aumento son, entonces, una referencia de potencia incrementada enviada al convertidor 21, y un ángulo de paso que representa el incremento en velocidad deseada que se envía al circuito hidráulico de accionamiento de paso.

Claims (6)

REIVINDICACIONES

1. Un método para controlar una turbina eólica (1), que comprende el paso de aumentar la potencia de salida de la turbina eólica por encima de la potencia nominal (Pw) de la turbina eólica, según una función (110, 120, 130) operativa de aumento que representa un nivel de aumento para la turbina eólica (1), siendo la función (110, 120, 130) operativa de aumento una función lineal creciente de una velocidad del viento o una intensidad de turbulencia al menos entre un primer valor umbral (Tv1, Tv1', Tv1") y un segundo valor umbral (Tv2, Tv2') de la velocidad del viento o la intensidad de turbulencia, la función operativa (110, 120, 130) de aumento se define a un paso constante entre el primer valor umbral (Tv1, Tv1', Tv1") y el segundo valor umbral (Tv2, Tv2').

2. El método según la reivindicación 1, en donde la función (110, 120, 130) operativa de aumento es constante entre el segundo valor umbral (Tv2, Tv2') y un tercer valor umbral (Tv3, Tv3') de la variable operativa.

3. El método según la reivindicación 2, en donde la función (110, 120, 130) operativa de aumento es linealmente decreciente entre el tercer valor umbral (Tv3, Tv3') y un cuarto valor umbral (Tv4, Tv4', Tv4") de la variable operativa.

4. El método según la reivindicación 2 o la reivindicación 3, en donde el ángulo de paso se incrementa entre el segundo valor umbral (Tv2, Tv2') y el tercer valor umbral (Tv3, Tv3').

5. El método según la reivindicación 1, en donde la primera función (110) operativa de aumento se obtiene a un paso constante, ajustando la potencia de salida según una tabla de consulta dependiente de la velocidad del viento.

6. Un controlador, para una turbina eólica (1), que incluye un circuito (200) de aumento para aumentar la potencia de salida de la turbina eólica por encima de la potencia nominal (Pw) de la turbina eólica, según una función (110, 120, 130) operativa de aumento que representa un nivel de aumento para la turbina eólica (1), siendo la función operativa de aumento una función lineal creciente de una velocidad del viento o una intensidad de turbulencia al menos entre un primer valor umbral (Tv1, Tv1', Tv1") y un segundo valor umbral (Tv2, Tv2') de la variable operativa, el circuito (200) de aumento configurado para recibir como entrada:

un comando (210) de criterios de habilitación,

un ángulo (220) de paso deseado, siendo el ángulo (220) de paso constante entre el primer valor umbral (Tv1, Tv1', Tv1") y el segundo valor umbral (Tv2, Tv2'), y

una referencia (230) de potencia deseada, el circuito (200) de aumento configurado para producir como salida:

una referencia (240) de paso, y

una referencia (250) de potencia aumentada que representa el nivel de aumento para la turbina eólica (1).