IDENTIFICACIóN DE AEROGENERADORES EN LAZO CERRADO

Sector de la técnica

La presente invención está relacionada con el control funcional de los aerogeneradores, proponiendo un sistema de identificación en lazo cerrado para dicha aplicación.

Estado de la técnica

Numerosos y diversos estudios teóricos existen a propósito de la fisica que envuelve un aerogenerador.

Estos estudios han hecho que se desarrollen modelos no lineales teóricos del comportamiento de los aerogeneradores con diferentes grados de acierto.

El desarrollo de estos modelos no lineales y su implementación en simuladores, unido a la complejidad creciente de los aerogeneradores ha hecho necesario el crecimiento en complejidad del control de los mismos. Para poder diseñar controladores, se requiere disponer de modelos lineales que describan de la mejor forma posible el comportamiento del aerogenerador, para diferentes condiciones de viento.

El desarrollo de simuladores basados en complejos modelos no lineales, junto con las necesidades de los diseñadores de control, han llevado a que se utilicen los simuladores no lineales con el fin de obtener modelos lineales, mediante diferentes técnicas de linealización, obteniendo resultados cuya idoneidad es en algunos casos discutible.

Un hecho cierto en todos los ámbitos de la

ciencia, y la descripción de ésta, es la necesidad de contar con datos experimentales que de alguna forma permitan dar valores numéricos a las diferentes constantes que intervienen en un modelo. Este es un problema complejo y en muchos ámbitos no resuelto en su totalidad.

Un aerogenerador es un mecanismo muy complejo, que incluye gran número de elementos mecánicos, actuadores, elementos aerodinámicos, etc. Además, un aerogenerador es un mecanismo sumamente complejo de analizar de forma independiente, lo que hace tremendamente complejo conseguir ajustar de forma correcta toda la cantidad de parámetros que junto con las ecuaciones de la dinámica, describen el comportamiento del aerogenerador.

Estos problemas relativos a la cuantificación de ciertos parámetros del modelo no lineal, junto con las técnicas numéricas de linealización poco correctas, llevan en ocasiones a la obtención de modelos lineales poco acertados, o poco ajustados a la realidad. Dichos modelos son dificilmente evaluables hasta que el control que se diseña no se prueba en la máquina real, y se analiza si el comportamiento simulado se asemeja al real. Se ha comprobado con cierta frecuencia que un diseño de control basado en modelos lineales obtenidos a partir de dichos simuladores no lineales, no funciona en el sistema real, lo que obliga a la realización de ajustes manuales y poco precisos en el control diseñado.

Esto pone de manifiesto que los modelos obtenidos de dicha forma no son del todo correctos y que es aconsejable una experimentación sobre el sistema real (o sobre su modelo no lineal teórico) para la obtención

de modelos adecuados.

La forma más habitual para obtener valores de ciertas propiedades fisicas de una máquina real a identificar, es operar experimentalmente con la máquina de una forma concreta. La experimentación para la identificación en el ámbito del control se lleva a cabo sobre el sistema real, operando tradicionalmente en lazo abierto. Esto es, aplicando una señal excitante al sistema y leyendo las variables de salida. Este proceso es posible hacerlo cuando se tiene acceso a la fuente de energía que gobierna el comportamiento del mecanismo.

Este método tiene fundamentalmente dos limitaciones o contraindicaciones. La primera de las limitaciones es que no es recomendable hacer este tipo de identificación en lazo abierto cuando la integridad de la máquina se puede ver comprometida por operar en dicho modo. La segunda de las limitaciones viene por el hecho de no tener acceso a la fuente de energía que gobierna el comportamiento de la máquina. En el caso de un aerogenerador, nos encontramos por lo tanto ante dos limitaciones que las técnicas de identificación en lazo abierto presentan.

Por todos estos motivos expuestos anteriormente se ve imprescindible utilizar técnicas de identificación en lazo cerrado en el ámbito del control de aerogeneradores .

La identificación en lazo abierto es una técnica conocida y utilizada ampliamente en el ámbito del control y otras áreas científicas o financieras.

El concepto de la identificación en el ámbito del control, se refiere a un método para obtener de forma experimental modelos de entrada-salida de un mecanismo o máquina. El concepto de lazo abierto se refiere por su parte a que el sistema se desarrolla sin que esté activo el control del mecanismo o máquina de aplicación, lo cual hace que el sistema opere libremente.

Dicha técnica de identificación en lazo abierto, se desarrolla de forma experimental, partiendo de una configuración concreta en relación con el sistema para el que va destinada la aplicación.

En el caso de los aerogeneradores, el proceso convencional de diseño de controladores se desarrolla mediante modelos lineales obtenidos a partir de simuladores no lineales. Los protocolos y algoritmos de linealización son diversos, pero tienen en común que son métodos numéricos y que están basados en exclusiva en las ecuaciones teóricas que describen el comportamiento de un aerogenerador . Dicho protocolo consiste en aplicar un impulso diferencial a las distintas entradas a los modelos no lineales. éstas pueden ser velocidad de viento, ángulo de pitch y par del generador, etc. Tras estas pequeñas perturbaciones, se deja evolucionar libremente al aerogenerador. Asi se estiman las derivadas de todos los estados definidos por el simulador no lineal y a partir de estos valores que se obtienen, se determinan modelos lineales de la máquina a controlar, con los que se diseñan los controladores y que luego son implementados en las máquinas reales.

Debido a la variabilidad de los factores que

influyen en el comportamiento de los aerogeneradores, los controladores que se obtienen de la forma indicada, basados en modelos obtenidos tras la linealización de simuladores no lineales, en ocasiones no funcionan como era de esperar sobre la máquina real. Esto puede ser critico, ya que el diseño de los componentes de un aerogenerador se hace en función de los controladores diseñados frente a los modelos lineales.

Es conocido, por otro lado, el concepto de lazo cerrado, que hace referencia al hecho de que los lazos de control que gobiernan de forma automática el comportamiento de un mecanismo, están activos durante el funcionamiento normal de la máquina.

El concepto de identificación en lazo cerrado, fue no obstante rechazado en sus comienzos por los investigadores, al considerar que no era aplicable por motivos técnicos. Sin embargo estudios realizados recientemente evidencian que esta tecnología es posible, haciendo una correcta formulación del problema y de los algoritmos usados en el proceso.

Objeto de la invención

De acuerdo con la invención se propone un sistema de identificación de los aerogeneradores en lazo cerrado, mediante el cual se logra la obtención de modelos lineales que representan de forma precisa el comportamiento dinámico del aerogenerador de aplicación, pudiendo utilizarse dichos modelos para diversos fines, como diseño de controladores, utilización como parte de un algoritmo de control, identificación de parámetros, análisis de componentes, etc.

El sistema se basa en el desarrollo de un proceso que se lleva a cabo a través de un software, mediante el cual se efectúan una serie de pasos, obteniendo y almacenándose datos, los cuales son posteriormente analizados y tratados con el fin de obtener modelos de entrada y salida que puedan ser posteriormente utilizados para cualquiera de las funciones indicadas anteriormente .

Como se ha comentado, el objetivo de este protocolo de experimentación es obtener modelos de entrada/salida para el aerogenerador . Cuando a lo largo del texto se haga referencia a entrada, debe suponerse que puede ser cualquiera de las siguientes variables de entrada:

Relacionadas con el viento: Velocidad del viento, a cualquier altura desde el suelo o a cualquier distancia del aerogenerador, ya sean medidas o inferidas.

Relacionadas con el generador: Par del generador, real o demandado, par en el entrehierro del generador, potencia del generador, real o demandada, potencia activa, real o demandada, potencia reactiva, real o demandada, corrientes y tensiones de cada una de las lineas del sistema trifásico, reales o demandadas, tensiones y corrientes d y q, reales o demandadas, del sistema de control del generador, etc.

Relacionadas con el actuador de pitch: ángulo de pitch, real o demandado, velocidad de pitch, real o demandada, aceleración de pitch, real o demandada, potencias, tensiones y corrientes,

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reales o demandadas del motor de pitch. Presiones, flujos, posiciones, velocidades y aceleraciones del actuador, en caso de ser hidráulico, etc.

- Relacionadas con el actuador del yaw: ángulo de yaw, real o demandado, velocidad de yaw, real o demandada, aceleración de yaw, real o demandada, potencias, tensiones y corrientes, reales o demandadas del motor de yaw. Presiones, flujos, posiciones, velocidades y aceleraciones del actuador, en caso de ser hidráulico, etc

Relacionadas con la geometria de la pala: Variación en geometria de la sección de la pala y de la longitud de la pala, posición, velocidad, aceleración de elementos o partes de elementos, utilizadas para el control aerodinámico, móviles en las palas del aerogenerador, asi como tensiones, corrientes, presiones, flujos, etc., de los actuadores que modificasen las propiedades geométricas de las palas

Por otro lado, cuando el texto hace referencia a salidas dentro del proceso de identificación, se estará refiriendo a cualquiera de las siguientes variables, sensables o inferidas, de un aerogenerador:

Velocidad del generador, velocidad del rotor en el lado de alta, velocidad del rotor en lado de baja, potencia activa real y demandada al generador, potencia reactiva real y demandada al generador, corrientes y tensiones reales y demandadas de cada una de las lineas del sistema trifásico, tensiones y corrientes reales y demandadas d y q del sistema de control del generador, deformaciones, posiciones, velocidades, aceleraciones,

lineales y angulares, fuerzas y momentos en el buje, a lo largo del tren de potencia, a lo largo de cada una de las palas, a lo largo de la torre, a lo largo de la nacelle, etc.

Todas las variables citadas como variables de entrada, pueden ser también consideradas como variables de salida.

El proceso comprende un protocolo de experimentación, una recolección de datos, unas rutinas de identificación, y la obtención de modelos lineales para la aplicación que se desee.

El protocolo de experimentación se desarrolla durante el funcionamiento normal del aerogenerador, con el control del mismo activo. Este control consiste en la introducción de una señal de referencia como valor deseado para la variable que se quiere controlar. La señal que se quiere controlar, la salida, se realimenta para compararla con la señal de referencia. Esta diferencia, llamada error, alimenta al controlador que será el responsable de aplicar una señal que hará que mediante el actuador, la señal de salida se aproxime a su valor de referencia, intentando asi rechazar perturbaciones externas e incontrolables al sistema como puedan ser ráfagas de viento etc.

Por su parte el protocolo de experimentación en lazo cerrado para la identificación de aerogeneradores, se lleva a cabo mediante la introducción de una señal que puede ser sumada bien a la señal de referencia del lazo de control o bien puede ser sumada al valor que el controlador haya calculado.

La recolección y almacenamiento de datos, se debe hacer por software, para luego ser analizados mediante las rutinas de identificación.

Las rutinas de identificación deben constar de una copia del controlador y un modelo ajustable del modelo salida/entrada en lazo cerrado, de cualquier combinación de las variables de entrada y salida citadas anteriormente. La salida correspondiente del aerogenerador real es comparada con la salida del lazo cerrado predicha por el algoritmo de identificación. El error es procesado mediante otro algoritmo, que variará los valores de los parámetros en la forma adecuada, con el fin de minimizar la diferencia entre la medida real de la variable de salida del aerogenerador y la variable de salida predicha por el algoritmo de identificación.

Una vez el modelo es obtenido, éste puede ser validado por métodos estadísticos, frecuenciales y temporales. Si estas condiciones de validación se cumplen, los modelos son dados por correctos y se pueden entonces emplear para todas las actividades expuestas.

Se obtiene asi un sistema con el que se logran las ventajas siguientes:

1. Obtención de modelos fiables. La experiencia en el trabajo con modelos lineales obtenidos mediante técnicas de linealización a partir de simuladores no lineales, demuestra que éstos proporcionan en ocasiones modelos poco fiables; de modo que se pueden encontrar modelos de una misma máquina que presentan propiedades muy diferentes e incluso

contradictorias. Esto hace que el diseño de controladores frente a dichos modelos plantee dudas razonables sobre la validez de los mismos. Por el contrario los modelos que se obtienen en lazo cerrado son más próximos a la realidad y por lo tanto más fiables, obteniéndose mejores resultados a partir de ellos .

2. Reducción de errores numéricos en los modelos. Una de las posibles consecuencias de las técnicas usadas actualmente para la estimación de los modelos, es la obtención de modelos mal condicionados. Esto da lugar a limitaciones en el trato de los mismos y en su correcta transformación de un sistema de representación de modelos lineales (espacios de estado) , a otros métodos de representación de modelos lineales de entrada-salida (funciones de transferencia) . Por el contrario el sistema propuesto elimina el problema de la obtención de modelos mal condicionados.

3. Modelos teórico-prácticos.

El hecho de utilizarse una técnica experimental, permite la utilización del sistema tanto en el ámbito de la simulación, como en el ámbito de la experimentación en máquinas reales.

4. Modelos "ad-hoc" para cada máquina y emplazamiento . El hecho de poder obtener un modelo para cada máquina, hace que se pueda diseñar un controlador apropiado para cada una de ellas, en relación con sus propias especificidades debidas a la construcción, montaje, emplazamiento, etc.

5. Obtención de modelos temporales de una misma máquina .

El hecho de que se pueda experimentar sobre máquinas reales, hace que se puedan obtener modelos que describan su comportamiento cuando se considere oportuno, de forma que se puede estudiar la degradación entre el modelo teórico y la máquina real con el paso del tiempo.

6. Mantenimiento aplicado a los algoritmos de control .

Dado que se pueden obtener modelos reales de la máquina en cualquier instante de tiempo, se pueden hacer las modificaciones que se consideren oportunas dentro de los algoritmos de control, que tengan en cuenta los cambios que sufre la máquina con el paso del tiempo y que se detectan con el modelo identificador .

7. Utilización de los modelos identificados dentro de las rutinas de control.

Existen distintas técnicas y estrategias de control que usan de forma explícita el modelo de la planta y el modelo de las perturbaciones que se pueden obtener mediante la identificación, por lo que al estar disponibles los modelos identificados mencionados, estas técnicas son susceptibles de ser usadas.

Descripción de las figuras

La figura 1 muestra un diagrama en bloques del proceso de desarrollo del sistema de la invención.

La figura 2 es un esquema de la aplicación de la señal de excitación en el protocolo de experimentación del sistema, según un modo de realización.

La figura 3 es un esquema de la aplicación de la señal de excitación en el protocolo de experimentación, según otro modo de realización.

Descripción detallada de la invención

El objeto de la invención se refiere a un sistema de identificación de aerogeneradores en lazo cerrado, el cual tiene como objetivo la obtención de modelos lineales que representen de forma precisa el comportamiento dinámico del aerogenerador de aplicación, para diseñar los algoritmos que rijan el comportamiento del aerogenerador en el funcionamiento real del mismo.

El sistema consiste en la realización de un proceso de generación, almacenamiento y análisis de datos, mediante una secuencia como la representada en la figura 1, que incluye un protocolo de experimentación (1) , una recogida de datos (2) , unas rutinas de identificación (3), la obtención (4) de modelos lineales de entrada-salida, y la aplicación (5) de los modelos lineales identificados para el diseño e implementación de controladores para aerogeneradores.

De acuerdo con el sistema propuesto, el protocolo de experimentación (1) se desarrolla de la manera siguiente:

Durante el funcionamiento normal del aerogenerador (6), según la representación de las figuras 2 y 3, el control de éste permanece siempre activo, aplicándose una señal de referencia (7) en relación con la señal que se quiere controlar, con realimentación (8) de la salida de dicha señal hacia la entrada, de manera que

en un momento de operación del aerogenerador (6) se introduce una señal de excitación (9) en el algoritmo de control (10) que gobierna el sistema.

Dicha señal de excitación (9) debe tener un alto contenido frecuencial, particularmente entre 0 y 1000 Hz, así como una longitud determinada y limitada dependiendo del aerogenerador (β) de aplicación, pudiendo ser aplicada esa señal de excitación (9) en la entrada de la señal de referencia (7), como representa la figura 2, o en una parte intermedia respecto de uno o varios de los actuadores que gobiernan el comportamiento del aerogenerador (6) , como representa la figura 3.

Es decir que, en relación con un aerogenerador (6), se puede marcar, por ejemplo, una velocidad de giro de las palas de dicho aerogenerador (6), con lo que éste trata de alcanzar dicha velocidad de giro de las palas adaptándose a cada velocidad del viento, para lo cual la señal de salida de la velocidad de las palas se introduce de nuevo en la máquina después de compararla con la señal de entrada, con lo cual se le está indicando al aerogenerador (6) una aceleración mayor o menor en la velocidad de giro, evitando que el funcionamiento del aerogenerador (6) se salga de los rangos lógicos de funcionamiento.

Por otra parte, la introducción de una señal de excitación (9), que se acopla a la señal de referencia (7) de entrada, permite, mediante el estudio de la salida y del efecto de las perturbaciones, diseñar los algoritmos que rijan el funcionamiento del aerogenerador (6) en una situación real.

El protocolo de experimentación (1) mencionado se puede realizar igualmente, en las mismas condiciones, sobre un simulador en lugar del aerogenerador real (6), consiguiéndose un idéntico resultado.

Mediante la recolección de datos (2) el experimento se puede repetir tantas veces como se desee, pudiendo aplicarse el procedimiento a todos los lazos de control que estén activos en el aerogenerador o simulador (6), con posibilidad de medir todas las variables oportunas para obtener los modelos que se deseen.

Durante la experimentación se guardan los datos correspondientes a todos los sensores que tenga el aerogenerador o simulador (6), asi como las secuencias de todas las señales involucradas en el lazo de control del aerogenerador, asi como • la señal de excitación, tanto si es introducida como una suma a la referencia, como si es introducida como suma a la acción calculada por el controlador.

Las rutinas de identificación (3) del proceso se desarrollan sometiendo los datos obtenidos a algoritmos de identificación de parámetros convencionales, de modo que estas rutinas de identificación (3) tienen por objeto encontrar la relación existente entre colecciones temporales de datos, siendo los resultados que se obtienen en dichas rutinas de identificación (3), modelos empíricos lineales.

El resultado de aplicar el protocolo de experimentación (1) , asi como la recolección de los datos (2) y el posterior tratamiento de éstos con las rutinas de identificación (3), son modelos lineales que

describen el comportamiento del sistema, de manera que una vez que se obtienen (4) estos modelos, se pueden aplicar (5) para actividades como: diseño de componentes, puesta en marcha de aerogeneradores, certificación, control adaptativo, control predictivo, mantenimiento de control, sintonización de control, monitorización de funcionamiento dinámico, etc.