| WO/2009/153866 | DEVICE AND METHOD FOR MONITORING DYNAMIC CHARACTERISTICS OF WINDMILL |
| JP2004215345 | POWER GENERATION SYSTEM AND ITS CONTROLLING METHOD |
| JP2003206847 | WINDMILL HAVING SPAN-VARIABLE WING |
ESCALANTE ARROYO, Emilio (Polígono Industrial Los Agustinos, calle A s/n, Pamplona, E-31013, ES)
RODRIGUEZ PARRO, Gema (Polígono Industrial Los Agustinos, calle A s/n, Pamplona, E-31013, ES)
ECHARTE CASQUERO, Francisco Javier (ES)
OTAMENDI CLARAMUNT, Diego (Polígono Industrial Los Agustinos, calle A s/n, Pamplona, E-31013, ES)
ESCALANTE ARROYO, Emilio (Polígono Industrial Los Agustinos, calle A s/n, Pamplona, E-31013, ES)
RODRIGUEZ PARRO, Gema (Polígono Industrial Los Agustinos, calle A s/n, Pamplona, E-31013, ES)
ECHARTE CASQUERO, Francisco Javier (ES)
REIVINDICACIONES
1. Método para Ia reducción de cargas en un aerogenerador conectado a una red eléctrica, que está compuesto por al menos una pala, un sistema de cambio de paso de velocidad variable, un generador, una torre, un conjunto de sensores dispuestos en dichos elementos, un sistema de alimentación ininterrumpida y un sistema de control conectado a dichos sensores y al sistema de cambio de paso, caracterizado porque ante una desconexión de Ia red eléctrica en el transcurso de una ráfaga de viento, se realiza una parada de emergencia controlada que comprende una rápida puesta en bandera de las palas con una disminución progresiva de Ia velocidad de cambio de paso a medida que las palas se acercan a Ia posición de bandera, y una corrección dinámica en forma de onda sinusoidal de Ia velocidad de cambio de paso de Ia pala durante el recorrido de puesta en bandera.
2. Método para Ia reducción de cargas en un aerogenerador según reivindicación 1 caracterizado porque Ia disminución progresiva de Ia velocidad de cambio de paso se regula a partir de un lazo abierto que toma como referencia valores predeterminados de velocidades de cambio de paso medio de las palas, y Ia corrección dinámica en forma de onda sinusoidal se introduce a partir dos lazos realimentados que toman como referencia Ia oscilación de Ia torre y Ia velocidad del generador respectivamente.
3. Método para Ia reducción de cargas en un aerogenerador según reivindicación 2 caracterizado porque el lazo realimentado que toma como referencia Ia oscilación de Ia torre, acelera o decelera dinámicamente Ia puesta en bandera de las palas, de forma que el efecto aerodinámico de Ia variación de Ia velocidad de cambio de paso produce un empuje del viento en las palas que contrarresta las oscilaciones de Ia torre a Io largo del proceso de puesta en bandera.
4. Método para Ia reducción de cargas en un aerogenerador según reivindicación 3 caracterizado porque el lazo realimentado que toma como referencia Ia velocidad del generador evita ángulos negativos de ataque en las palas que producen un aumento en Ia velocidad de giro del generador por encima de unos límites de seguridad.
5. Método para Ia reducción de cargas en un aerogenerador según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque Ia parada de emergencia se emplea en cualquier emergencia que comprende Ia desconexión de Ia red de suministro sin Ia necesidad de combinarse con una ráfaga de viento.
6. Método para Ia reducción de cargas en un aerogenerador según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque Ia parada de emergencia se emplea ante cualquier ráfaga de viento, sin Ia necesidad de combinarse con una desconexión de Ia red de suministro.
7. Método de reducción de cargas en un aerogenerador según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende Ia utilización de cualquiera de los tres lazos de control por separado ó Ia combinación de dos de los tres lazos de control. |
MéTODO DE REDUCCIóN DE CARGAS EN UN AEROGENERADOR
OBJETO DE LA INVENCIóN
La presente invención se refiere a un método de reducción de cargas en un aerogenerador y especialmente, a un método de reducción de cargas en un aerogenerador durante una parada de emergencia controlada cuando se combina una desconexión de Ia red eléctrica durante Ia acción de una ráfaga de viento. El citado método de reducción de cargas está basado en Ia regulación de Ia velocidad de puesta en bandera de las palas del aerogenerador.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIóN
Los aerogeneradores de velocidad variable con medios de control para el cambio de paso de las palas, son ampliamente conocidos en el estado del arte.
Estos medios de control generalmente incluyen al menos un motor de cambio de paso y una transmisión, conectados a unos dispositivo de control que reciben datos de los componentes del aerogenerador y envían señales al motor de cambio de paso para girar Ia pala alrededor de su eje longitudinal de acuerdo a unas estrategias que permiten optimizar Ia potencia producida y a su vez proteger el propio aerogenerador en los casos de ráfagas de viento o situaciones de emergencia.
Ante las ráfagas extremas de viento y/ó las situaciones de emergencia como Ia desconexión del generador de Ia red eléctrica, el malfuncionamiento de alguno de sus componentes, etc., el estado de Ia técnica conocido contempla sistemas de control para detener el aerogenerador llevando las palas a posición de bandera Io más rápido posible, de forma que las paradas de emergencia, si bien en muchos casos son de corta duración, suelen ser incontroladas y lesivas para ciertos componentes del aerogenerador.
Los siguientes documentos muestran un amplio abanico de técnicas y medios empleados en el estado del arte para reducir las cargas o las vibraciones, ocurridas en algunos casos durante el funcionamiento en condiciones normales del aerogenerador, y en otros, durante paradas de emergencia:
La solicitud WO2005083266, contempla un método de aislamiento de las vibraciones en Ia góndola y Ia torre de un aerogenerador en condiciones normales de funcionamiento, basado en Ia medición de Ia aceleración de Ia góndola mediante acelerómetros fijados en ella, y el posterior procesado para el cálculo del ángulo de Ia pala con el que conseguir el empuje necesario del viento que anule dichas vibraciones.
La publicación WO06007838, se refiere a un sistema lineal de puesta en bandera de las palas del aerogenerador en dos velocidades durante una parada de emergencia producida por una ráfaga de viento. Mediante una primera alta velocidad del orden de 10°/s, se consigue orientar rápidamente las palas fuera de Ia dirección del viento para evitar una velocidad de giro en el eje del generador por encima de los márgenes de seguridad establecidos, y posteriormente, a través de otra velocidad de cambio de paso más lenta, del orden de 5°/s, se sitúan las palas en posición de bandera fuera del empuje del viento.
El documento WO05116445, describe un sistema de control del pitch que cuando detecta una velocidad del viento superior a cierto límite, el aerogenerador responde orientando las palas fuera de Ia dirección del viento y variando el ángulo azimutal de Ia góndola un rango predeterminado.
La publicación US04435647, se refiere a un método para Ia disminución de Ia primera frecuencia de oscilaciones de Ia torre de un aerogenerador al tiempo que mantiene constante Ia potencia del generador durante las
variaciones de Ia intensidad del viento a Io largo del funcionamiento en condiciones normales del aerogenerador.
Los documentos US6619918 y US20040057828, tratan sobre dos sistemas de control para mantener una distancia de seguridad entre Ia punta de Ia pala y Ia torre del aerogenerador a través del control instantáneo de las cargas mecánicas que afectan a las palas, deduciendo Ia posición de Ia punta de Ia pala y actuando sobre Ia orientación de Ia pala respecto al viento para mantener siempre dicha distancia de seguridad.
La diferencia principal entre las solicitudes encontradas en el estado del arte y Ia presente invención, radica en que en este caso se contempla una parada de emergencia controlada a Io largo de todo el proceso de puesta en bandera de las palas, cuando sucede una desconexión del aerogenerador de Ia red eléctrica coincidiendo con una ráfaga de viento: Uno de los peores supuestos a Ia hora de realizar Ia certificación de un aerogenerador.
DESCRIPCIóN DE LA INVENCIóN
El objetivo de Ia presente invención es Ia protección de Ia turbina eólica frente a cargas que generen esfuerzos y/o fatiga más allá de un nivel deseado sobre Ia estructura y los componentes mecánicos de un aerogenerador, y al mismo tiempo procurar un método operacional para una parada de emergencia en caso de combinarse Ia incidencia de una ráfaga de viento sobre el aerogenerador acompañada de Ia desconexión del mismo de Ia red eléctrica.
Conforme al método de Ia presente invención, ante un fallo que desconecte el aerogenerador de Ia red eléctrica durante Ia incidencia de una ráfaga de viento, se cumplen los objetivos arriba citados reduciendo en primer lugar Ia excesiva velocidad que alcanza el rotor del generador hasta unos márgenes de seguridad, y en segundo lugar, disminuyendo las vibraciones que
producen fatiga en Ia estructura y los componentes mecánicos del aerogenerador durante una parada de emergencia, a través de una rápida puesta en bandera de las palas, que de forma controlada en todo momento, varíe Ia velocidad de cambio de paso para aprovecha el empuje del viento en las palas de manera que se oponga resistencia a Ia vibración de Ia torre: Así se consigue principalmente minimizar las fuerzas y el momento generados sobre Ia raíz de las palas, el primer cojinete, Ia base y Ia parte superior de Ia torre.
El método de reducción de cargas en un aerogenerador ante una desconexión de Ia red eléctrica durante una ráfaga de viento se ha desarrollado con Ia intención de resolver uno de los casos de cargas más dañino para Ia actual certificación de los aerogeneradores, pero también es aplicable para el resto de estados normales de funcionamiento. De esta forma se consigue una reducción en las cargas y las vibraciones de todos los componentes del aerogenerador, una reducción de las cargas para Ia certificación de Ia máquina, se aumenta Ia vida a fatiga de todos los componentes no sólo para las cargas certificadas sino también para el resto de casos reales, se disminuyen las oscilaciones de Ia torre mejorando así su disponibilidad, y es posible optimizar tanto el espesor de las paredes de Ia torre como el del resto de los componentes del aerogenerador reduciendo el material empleado y por consiguiente abaratando también los costes, o bien se puede optar por aumentar en el margen de seguridad de Ia máquina en vez de cambiar el diseño de los elementos.
Las ráfagas de viento en forma de sombrero mejicano se caracterizan por un ligero descenso de Ia velocidad inicial del viento al comienzo del fenómeno, seguido de un incremento repentino de Ia velocidad, otra rápida disminución por debajo de Ia velocidad inicial, y una recuperación hasta el valor inicial de Ia velocidad del viento al final del fenómeno. Uno de los peores supuestos para Ia certificación de un aerogenerador ante cargas extremas se da cuando además de la acción de una ráfaga de viento en forma de sombrero mejicano, ocurre también una desconexión del aerogenerador de Ia red eléctrica durante dicha
ráfaga. La mayor parte de los componentes mecánicos del aerogenerador se dimensionan para este supuesto.
BREVE DESCRIPCIóN DE LAS FIGURAS
La Fig. 1 muestra el perfil del viento del caso de una ráfaga en forma de sombrero mejicano, en el que Ia desconexión de Ia red eléctrica sucede en el primer valle de Ia ráfaga.
La Fig. 2 representa un esquema simplificado de un aerogenerador y sus elementos internos, así como su comportamiento frente a Ia acción del viento.
La Fig. 3 enseña el esquema de control del método de reducción de cargas.
La Figura 4 desglosa las diferentes estrategias que se superponen en Ia evolución del giro de las palas alrededor de su eje longitudinal durante Ia parada de emergencia.
REALIZACIóN PREFERENTE DE LA INVENCIóN
Tal y como se aprecia en Ia Fig. 1 , los casos de cargas extremas en los que se combina Ia acción de una ráfaga de viento en forma de sombrero mejicano junto con Ia desconexión del aerogenerador de Ia red de suministro eléctrico, vienen definidos por las características de Ia ráfaga de viento y el momento de desconexión del aerogenerador de Ia red eléctrica. Un caso práctico de cargas extremas contemplado en las normas IEC, se refiere a una ráfaga de viento con una velocidad inicial de 12m/s seguida de una desconexión del aerogenerador que puede ser al inicio del fenómeno (1), con Ia mínima velocidad de viento (primer valle de viento) (2), en su momento de aceleración (3), con el viento máximo de Ia ráfaga (4). Asimismo, también se contemplan y
se definen los mismos puntos de desconexión del aerogenerador de Ia red eléctrica para una ráfaga con forma de sombrero mejicano pero con una velocidad inicial del viento de 25m/s.
Tal y como se muestra en Ia figura 2, una desconexión del aerogenerador
(14) de Ia red eléctrica o un fallo de ésta, independientemente de si simultáneamente incide una ráfaga de viento o no sobre Ia máquina, supone Ia pérdida de tensión en generador (5) que, en caso de no orientar las palas (6) rápidamente a Ia posición de bandera, conlleva una repentina aceleración del rotor del generador (5) por Ia desaparición el par eléctrico que se opone al giro. Por ende, el empuje del viento (7) produce un incremento en Ia velocidad de giro de las palas (6), que aumenta las cargas en Ia raíz de Ia pala, en el primer cojinete, en Ia torre (8) y puede llegar a poner en peligro Ia integridad del propio generador (5) debido a Ia fuerza centrífuga. Igualmente, durante el funcionamiento en condiciones normales del aerogenerador (14), el viento (7) incide sobre Ia superficie orientada al viento de las palas (6) de Ia máquina y éstas oponen resistencia al giro debido al par eléctrico del generador (5). Como consecuencia del empuje del viento (7) y Ia resistencia de las palas (6), Ia torre (8) adquiere cierta flexión en Ia misma dirección del viento; si en un momento dado se desconecta el aerogenerador (14) de Ia red eléctrica se pierde dicha resistencia, Io que produce que Ia torre (8) comience a pendular principalmente en su primer modo de oscilación, pudiendo llegar a producirse daños a fatiga en caso de repetirse a menudo este fenómeno.
Las cargas extremas en los componentes mecánicos del aerogenerador son aún más graves cuando dicha desconexión de Ia red de suministro se produce durante una ráfaga de viento. En este caso, el giro del rotor además de acelerarse por el aumento en Ia velocidad del viento, también se acelera por Ia pérdida del par eléctrico que se opone al giro del generador, de manera que las fuerzas y los momentos en Ia base y Ia parte superior de Ia torre (8) aumentan en gran medida, ídem para Ia raíz de Ia pala, Ia propia pala, el primer cojinete y los daños causados por Ia excesiva velocidad en el generador. Además, el
pendular de Ia torre puede ser aún más grave dependiendo en qué momento de Ia ráfaga suceda Ia desconexión, y por consiguiente los daños a fatiga deben tomarse muy en cuenta a Ia hora de dimensionar no sólo Ia torre sino también el resto de los componentes mecánicos del aerogenerador (14). Por Io tanto Ia presente invención propone un sistema de control a través del cual se reducen las cargas en los componentes mecánicos y estructurales del aerogenerador (14) al mismo tiempo que se atenúa Ia amplitud de Ia oscilación de Ia torre y permite optimizar el diseño de sus componentes ó incrementar los márgenes de seguridad.
La dificultad a Ia hora de afrontar el problema radica principalmente en que por un lado las ráfagas de viento no tienen efectos lineales, y por otro lado, en que no es posible predecir el momento en el que se producirá una desconexión del aerogenerador (14) de Ia red de suministro eléctrico en un caso real. Por Io tanto, Ia presente invención pretende abordar estos dos grados de libertad a través de un sistema de control tal y como se muestra en Ia figura 3, compuesto por tres lazos de control. El lazo de control abierto (9), fija los puntos operacionales larguen el rango de funcionamiento del aerogenerador (14) en condiciones normales como durante Ia puesta en bandera de las palas en los casos de emergencia, mientras que los otros dos lazos cerrados (10 y 11) se encargan de incorporar estrategias de control activo para corregir y asegurar el punto óptimo requerido en cada instante de su funcionamiento en condiciones normales y en Ia puesta en bandera de Ia pala, procurando así Ia consecución de los principales objetivos de controlar Ia velocidad del generador, equivalente a evitar valores extremos de Ia fuerza que produce el giro de las palas, y reducir los valores máximos de Ia flexión en Ia base de Ia torre debidos a las oscilaciones provocadas por el empuje de las palas. Desde el punto de vista del control, el primer lazo abierto (9) fija los valores de Ia respuesta estática del sistema, mientras que los lazos cerrados (10 y 11) mejoran el comportamiento del generador y de Ia torre actualizando los valores de forma dinámica y con respuestas no lineales.
En este sentido el lazo abierto (9) del sistema comprende el control de Ia orientación de las palas durante el funcionamiento en condiciones normales del aerogenerador (14) para regular Ia potencia y el giro del rotor del generador, y también incluye un proceso de parada controlada o puesta en bandera de las palas para los casos de emergencia. Tal y como se aprecia en Ia curva (12) de Ia figura 4, el caso de parada controlada que nos ocupa según el control en lazo abierto (9) se define por un inicio a alta velocidad de cambio de paso y una posterior deceleración suave hasta llegar a Ia posición de bandera final, en base a valores predeterminados de velocidades de cambio de paso medio de las palas. De esta forma se disminuye el riesgo de sobrepasar Ia velocidad del generador por encima de los límites de seguridad, al tiempo que también se reduce Ia amplitud de Ia vibración de Ia torre desde el primer momento de Ia emergencia.
Del mismo modo, tal y como se aprecia en Ia curva (13) de Ia figura 4, el primer lazo cerrado (10) de control trata de mitigar Ia amplitud de las vibraciones de Ia torre en cada instante. Para ello, combina un sistema que predice los efectos de las ráfagas de viento e incrementa el valor del ángulo de Ia orientación de las palas antes de una posible desconexión del aerogenerador (14) de Ia red eléctrica con Ia que se reducen las cargas sobre Ia torre, junto con Ia variación de forma dinámica y no lineal del rango de velocidades de Ia puesta en bandera de las palas, que contrarresta dichas vibraciones en Ia torre con el empuje del viento en las palas, en base a los valores de Ia flexión en Ia base de Ia torre ó de Ia aceleración en Ia punta de Ia torre. Esta estrategia superpone una curva no lineal de aspecto sinusoidal (13) sobre Ia curva del primer lazo abierto de control (12).
Y por último, el segundo lazo cerrado (11) delimita Ia curva (13) de Ia figura 4 para evitar ángulos negativos de ataque, ya que si bien los coeficientes de elevación negativos pueden ayudar a reducir las cargas y Ia oscilación de Ia torre en casos muy concretos, al mismo tiempo también aumentan Ia velocidad del rotor del generador pudiendo llegar a provocar daños en Ia multiplicadora,
las palas, Ia raíz de las palas, el generador, y en el primer cojinete del eje principal del aerogenerador. Este lazo cerrado (11) de control tendrá en cuenta los parámetros de los que depende el ángulo de ataque como pueden ser de Ia velocidad del rotor, Ia velocidad del viento y el ángulo de orientación de las palas para evitar ángulos de ataque que puedan producir velocidades de giro por encima del valor máximo determinado para el cual fueron diseñados dichos componentes.
La aplicación de el método arriba explicado, demuestra una mejora en Ia respuesta del aerogenerador respecto al estado del arte publicado hasta Ia fecha, en relación con Ia minimización de las cargas y las vibraciones en los componentes del aerogenerador, Ia reducción de las cargas extremas para Ia certificación del aerogenerador, el aumento de Ia vida a fatiga de todos los componentes, no sólo para las cargas certificadas sino también para el resto de casos reales, Ia disminución de Ia oscilación en Ia torre y como consecuencia mejora su disponibilidad y posibilita optimizar tanto el espesor de sus paredes como el del resto de los componentes del aerogenerador, reduciendo así el material empleado y por consiguiente el coste; o bien se logra un aumento en el margen de seguridad de Ia máquina.
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