BR102019001282B1

BR102019001282B1 - METHOD FOR CONTROLLING A WIND TURBINE, METHOD FOR GENERATING AN AERODYNAMIC PERFORMANCE MAP AND SYSTEM FOR CONTROLLING A WIND TURBINE

Info

Publication number: BR102019001282B1
Application number: BR102019001282-0A
Authority: BR
Inventors: Ameet Shridhar Deshpande; Arne Koerber; Sara Simonne Delport
Original assignee: General Electric Renovables España, S.L.
Priority date: 2018-01-23
Filing date: 2019-01-22
Publication date: 2024-08-06

Abstract

MÉTODO PARA CONTROLAR UMA TURBINA EÓLICA, MÉTODO PARA GERAR UM MAPA DE DESEMPENHO AERODINÂMICO E SISTEMA PARA CONTROLAR UMA TURBINA EÓLICA. Um método (100) para controlar uma turbina eólica (10) com base em mapas de desempenho aerodinâmico (72) que consideram a torção da pá inclui o controle da turbina eólica (10) com base em pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico (70). Ainda, o método (100) inclui a determinação de pelo menos um parâmetro de velocidade da turbina eólica (10). Além disso, o método (100) inclui a determinação de um fator de rigidez torcional da pá. Assim, o método (100) inclui ainda a determinação, através do processador (58), de um fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico (70) como uma função do pelo menos um parâmetro de velocidade e do fator de rigidez torcional da pá. O método (100) então inclui aplicar o fator de correção de torção ao pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico (70) para obter um mapa de desempenho aerodinâmico ajustado (72). Além disso, o método (100) inclui o controle da turbina eólica (10) com base no mapa de desempenho aerodinâmico ajustado (72).METHOD FOR CONTROLLING A WIND TURBINE, METHOD FOR GENERATING AN AERODYNAMIC PERFORMANCE MAP AND SYSTEM FOR CONTROLLING A WIND TURBINE. A method (100) for controlling a wind turbine (10) based on aerodynamic performance maps (72) that consider blade twist includes controlling the wind turbine (10) based on at least one aerodynamic performance map (70). Further, the method (100) includes determining at least one speed parameter of the wind turbine (10). Furthermore, the method (100) includes determining a blade torsional stiffness factor. Thus, the method (100) further includes determining, through the processor (58), a torsional correction factor for the aerodynamic performance map (70) as a function of the at least one speed parameter and the blade torsional stiffness factor. The method (100) then includes applying the twist correction factor to the at least one aerodynamic performance map (70) to obtain an adjusted aerodynamic performance map (72). Further, the method (100) includes controlling the wind turbine (10) based on the adjusted aerodynamic performance map (72).

Description

FIELD OF INVENTION

[001] A presente invenção se refere, de modo geral, a turbinas eólicas e, mais particularmente, a fatores de correção de torção para mapas de desempenho aerodinâmico usados em controladores de turbinas eólicas que consideram a torção da pá e/ou rigidez torcional.[001] The present invention relates generally to wind turbines and more particularly to torsion correction factors for aerodynamic performance maps used in wind turbine controllers that consider blade twist and/or torsional stiffness.

BACKGROUND OF THE INVENTION

[002] A energia eólica é considerada uma das fontes de energia mais limpas e ambientalmente corretas atualmente disponíveis, e as turbinas eólicas ganharam maior atenção a esse respeito. Uma turbina eólica moderna inclui normalmente uma torre, um gerador, uma caixa de engrenagens, uma nacela e um rotor. O rotor inclui normalmente um cubo rotativo que tem uma ou mais pás de rotor ligadas a ele. Um rolamento de passo é normalmente configurado operacionalmente entre o cubo e a pá de rotor para permitir a rotação em torno de um eixo de passo. As pás do rotor captam a energia cinética do vento usando princípios de aerofólio conhecidos. As pás do rotor transmitem a energia cinética na forma de energia rotacional, de modo a girar um eixo acoplando as pás do rotor a uma caixa de engrenagens ou, se uma caixa de engrenagens não for usada, diretamente ao gerador. O gerador então converte a energia mecânica em energia elétrica que pode ser implantada em uma rede elétrica.[002] Wind power is considered one of the cleanest and most environmentally friendly energy sources currently available, and wind turbines have gained increased attention in this regard. A modern wind turbine typically includes a tower, a generator, a gearbox, a nacelle, and a rotor. The rotor typically includes a rotating hub that has one or more rotor blades attached to it. A pitch bearing is typically operatively arranged between the hub and the rotor blade to allow rotation about a pitch axis. The rotor blades capture the kinetic energy of the wind using known airfoil principles. The rotor blades transmit the kinetic energy in the form of rotational energy so as to rotate a shaft by coupling the rotor blades to a gearbox or, if a gearbox is not used, directly to the generator. The generator then converts the mechanical energy into electrical energy that can be deployed to a power grid.

[003] As mudanças nas condições atmosféricas, por exemplo, velocidade do vento, turbulência do vento, rajadas de vento, direção do vento e densidade podem influenciar significativamente a energia produzida pelo gerador. A potência de saída do gerador aumenta com a velocidade do vento até que a velocidade do vento atinja uma velocidade nominal do vento para a turbina. Na velocidade nominal do vento e acima da mesma, o gerador opera com uma potência nominal. A potência nominal é uma potência de saída na qual o gerador pode operar com um nível de fadiga ou carga extrema para os componentes da turbina que é predeterminado como aceitável. Em velocidades de vento superiores a uma determinada velocidade, normalmente referidas como um limite de viagem, a turbina eólica pode implementar uma ação de controle, como desligar ou reduzir o nível da turbina eólica para proteger os componentes da turbina eólica contra danos. Além disso, pode haver certas velocidades do vento e/ou pontos de ajuste operacionais (como velocidade ou potência do gerador) que levam a uma ação corretiva (como uma ação de controle de passo) abaixo da potência nominal.[003] Changes in atmospheric conditions, e.g. wind speed, wind turbulence, wind gusts, wind direction and density, can significantly influence the power produced by the generator. The generator output power increases with wind speed until the wind speed reaches a rated wind speed for the turbine. At and above rated wind speed, the generator operates at rated power. Rated power is an output power at which the generator can operate with a level of fatigue or extreme load on the turbine components that is predetermined as acceptable. At wind speeds above a certain speed, typically referred to as a trip limit, the wind turbine may implement a control action such as shutting down or de-rating the wind turbine to protect the wind turbine components from damage. Additionally, there may be certain wind speeds and/or operational set points (such as generator speed or power) that prompt a corrective action (such as a pitch control action) below rated power.

[004] Em certos sistemas de controle, como o sistema descrito na Patente US no. 9.605.558, depositada em 20 de agosto de 2013, intitulada “System and Method for Preventing Excessive Loading on a Wind Turbine”, que é aqui incorporada por referência em sua totalidade, uma condição de vento é estimada usando dados de operação de turbinas eólicas, uma série de equações e um ou mais mapas de desempenho aerodinâmico. O(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico são tabelas ou gráficos dimensionais ou não dimensionais que descrevem a carga e o desempenho do rotor (por exemplo, potência, impulso, torque, momento de flexão ou similar) sob determinadas condições (por exemplo, densidade, velocidade do vento, velocidade do rotor, ângulos de passo, ou similar). Como tal, o(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico pode(m) incluir coeficientes de potência, coeficientes de impulso, coeficientes de torque e/ou derivadas parciais em relação ao ângulo de passo, velocidade do rotor ou razão de velocidade periférica. Alternativamente, os mapas de desempenho aerodinâmico podem ser valores dimensionais de potência, impulso e/ou torque em vez de coeficientes. Uma vez conhecidos os coeficientes desejados, o controlador pode controlar a turbina eólica com base neles.[004] In certain control systems, such as the system described in U.S. Patent No. 9,605,558, filed August 20, 2013, entitled “System and Method for Preventing Excessive Loading on a Wind Turbine,” which is hereby incorporated by reference in its entirety, a wind condition is estimated using wind turbine operating data, a series of equations, and one or more aerodynamic performance maps. The aerodynamic performance map(s) are dimensional or non-dimensional tables or graphs that describe rotor loading and performance (e.g., power, thrust, torque, bending moment, or the like) under given conditions (e.g., density, wind speed, rotor speed, pitch angles, or the like). As such, the aerodynamic performance map(s) may include power coefficients, thrust coefficients, torque coefficients, and/or partial derivatives with respect to pitch angle, rotor speed, or peripheral speed ratio. Alternatively, the aerodynamic performance maps may be dimensional values of power, thrust, and/or torque instead of coefficients. Once the desired coefficients are known, the controller can control the wind turbine based on them.

[005] O(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico mencionado(s) acima é(são) estático(s) e é(são) normalmente determinado(s) durante um estágio de projeto da turbina eólica. Portanto, o(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico não depende(m) da alteração das condições de vento que possam estar presentes durante a operação da turbina eólica, como velocidade do vento, intensidade de turbulência, cisalhamento do vento ou rajadas de vento repentinas. Além disso, o(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico não leva(m) em consideração a torção da pá.[005] The aerodynamic performance map(s) mentioned above are static and are typically determined during a wind turbine design stage. Therefore, the aerodynamic performance map(s) do not depend on changing wind conditions that may be present during wind turbine operation, such as wind speed, turbulence intensity, wind shear or sudden wind gusts. Furthermore, the aerodynamic performance map(s) do not take blade twist into account.

[006] Por conseguinte, um sistema e método para controlar uma turbina eólica que inclui fatores de correção de torção para os mapas de desempenho aerodinâmico para considerar a torção da pá seriam desejados na técnica.[006] Accordingly, a system and method for controlling a wind turbine that includes twist correction factors for the aerodynamic performance maps to account for blade twist would be desired in the art.

DESCRIPTION OF THE INVENTION

[007] Os aspectos e vantagens da invenção serão apresentados em parte na descrição seguinte, ou podem ser óbvios a partir da descrição, ou podem ser aprendidos através da prática da invenção.[007] Aspects and advantages of the invention will be set forth in part in the following description, or may be obvious from the description, or may be learned through practice of the invention.

[008] Em um aspecto, a presente invenção é direcionada a um método para controlar uma turbina eólica. O método inclui controlar, através de um processador, a turbina eólica com base em pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico. Além disso, o método inclui a determinação de pelo menos um parâmetro de velocidade da turbina eólica. Além disso, o método inclui a determinação de um fator de rigidez torcional da pá. Assim, o método inclui ainda a determinação, através do processador, de um fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico como uma função do pelo menos um parâmetro de velocidade e do fator de rigidez torcional da pá. O método inclui então aplicar o fator de correção de torção ao pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico para obter um mapa de desempenho aerodinâmico ajustado. Além disso, o método inclui o controle da turbina eólica com base no mapa de desempenho aerodinâmico ajustado.[008] In one aspect, the present invention is directed to a method for controlling a wind turbine. The method includes controlling, via a processor, the wind turbine based on at least one aerodynamic performance map. Further, the method includes determining at least one speed parameter of the wind turbine. Further, the method includes determining a blade torsional stiffness factor. Thus, the method further includes determining, via the processor, a torsional correction factor for the aerodynamic performance map as a function of the at least one speed parameter and the blade torsional stiffness factor. The method then includes applying the torsional correction factor to the at least one aerodynamic performance map to obtain an adjusted aerodynamic performance map. Further, the method includes controlling the wind turbine based on the adjusted aerodynamic performance map.

[009] Em uma forma de realização, o parâmetro de velocidade pode incluir velocidade do vento, velocidade do rotor, velocidade do gerador, ou qualquer outro parâmetro de velocidade da turbina eólica.[009] In one embodiment, the speed parameter may include wind speed, rotor speed, generator speed, or any other wind turbine speed parameter.

[010] Em outra forma de realização, o método pode ainda incluir a determinação do fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico como uma função da densidade do ar, do parâmetro de velocidade e do fator de rigidez torcional da pá. Por exemplo, em uma forma de realização, a etapa de determinar o fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico pode incluir quadrar o parâmetro de velocidade, multiplicar a densidade do ar pelo parâmetro de velocidade ao quadrado para obter um valor multiplicado e dividir o valor multiplicado pelo fator de rigidez torcional da pá.[010] In another embodiment, the method may further include determining the twist correction factor for the aerodynamic performance map as a function of the air density, the velocity parameter, and the blade torsional stiffness factor. For example, in one embodiment, the step of determining the twist correction factor for the aerodynamic performance map may include squaring the velocity parameter, multiplying the air density by the velocity parameter squared to obtain a multiplied value, and dividing the multiplied value by the blade torsional stiffness factor.

[011] Em outras formas de realização, a etapa de determinação do fator de correção de torção para o(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico pode incluir a utilização de uma ou mais tabelas de consulta, uma ou mais equações ou um modelo de simulação.[011] In other embodiments, the step of determining the twist correction factor for the aerodynamic performance map(s) may include using one or more lookup tables, one or more equations, or a simulation model.

[012] Em várias formas de realização, a etapa de determinação do fator de rigidez torcional da pá pode incluir a determinação de um fator de escala entre uma rigidez torcional de projeto e uma rigidez torcional real da pá de rotor.[012] In various embodiments, the step of determining the blade torsional stiffness factor may include determining a scaling factor between a design torsional stiffness and an actual torsional stiffness of the rotor blade.

[013] Em formas de realização específicas, a etapa de aplicar o fator de correção de torção ao(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico para obter o mapa de desempenho aerodinâmico ajustado pode incluir a multiplicação do coeficiente de potência, um coeficiente de torque ou coeficiente de impulso obtidos a partir do(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico pelo fator de correção de torção.[013] In specific embodiments, the step of applying the twist correction factor to the aerodynamic performance map(s) to obtain the adjusted aerodynamic performance map may include multiplying the power coefficient, a torque coefficient, or thrust coefficient obtained from the aerodynamic performance map(s) by the twist correction factor.

[014] Em certas formas de realização, o método pode ainda incluir a determinação automática de um alvo de razão de velocidade periférica revisada e um alvo de ângulo de passo revisado como uma função do fator de correção de torção e/ou outras entradas tradicionais para mapas de desempenho aerodinâmico.[014] In certain embodiments, the method may further include automatically determining a revised peripheral speed ratio target and a revised pitch angle target as a function of the twist correction factor and/or other traditional inputs to aerodynamic performance maps.

[015] Em formas de realização adicionais, a etapa de controle da turbina eólica com base no mapa de desempenho aerodinâmico ajustado pode incluir a implementação de uma ação de controle compreendendo pelo menos um dentre alterar o ângulo de passo de uma pá de rotor, modificar um torque do gerador, modificar a velocidade do gerador, modificar a potência de saída, guinar uma nacela da turbina eólica, frear um ou mais componentes da turbina eólica ou ativar um elemento modificador do fluxo de ar em uma pá de rotor.[015] In additional embodiments, the step of controlling the wind turbine based on the adjusted aerodynamic performance map may include implementing a control action comprising at least one of changing a pitch angle of a rotor blade, modifying a generator torque, modifying a generator speed, modifying a power output, yawing a nacelle of the wind turbine, braking one or more components of the wind turbine, or activating an airflow modifying element on a rotor blade.

[016] Em outro aspecto, a presente invenção é direcionada a um método para gerar um mapa de desempenho aerodinâmico para uso por um controlador de turbina eólica durante a operação da turbina eólica. O método inclui a determinação de pelo menos um parâmetro de velocidade da turbina eólica. O método também inclui a determinação, através do controlador de turbina eólica, de um fator de rigidez torcional da pá. Além disso, o método inclui determinar, através do controlador de turbina eólica, um fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico como uma função do pelo menos um parâmetro de velocidade e do fator de rigidez torcional da pá. O método inclui ainda a geração do mapa de desempenho aerodinâmico com base no fator de correção de torção, nos valores da razão de velocidade periférica e nos ângulos de passo da pá de rotor. Deve ser entendido que o método pode ainda incluir qualquer uma das características e/ou etapas adicionais como descrito aqui.[016] In another aspect, the present invention is directed to a method for generating an aerodynamic performance map for use by a wind turbine controller during operation of the wind turbine. The method includes determining at least one speed parameter of the wind turbine. The method also includes determining, via the wind turbine controller, a blade torsional stiffness factor. Furthermore, the method includes determining, via the wind turbine controller, a torsional correction factor for the aerodynamic performance map as a function of the at least one speed parameter and the blade torsional stiffness factor. The method further includes generating the aerodynamic performance map based on the torsional correction factor, peripheral speed ratio values, and rotor blade pitch angles. It should be understood that the method may further include any of the additional features and/or steps as described herein.

[017] Ainda em um outro aspecto, a presente invenção é direcionada a um sistema para controlar uma turbina eólica possuindo um rotor com pelo menos uma pá de rotor. O sistema inclui um ou mais sensores configurados para monitorar pelo menos um parâmetro de velocidade da turbina eólica e um controlador de turbina eólica tendo pelo menos um processador. O processador está comunicativamente acoplado ao um ou mais sensores. Além disso, o processador é configurado para realizar uma ou mais operações, incluindo, mas não limitado a, controlar a turbina eólica com base em pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico, determinar pelo menos um parâmetro de velocidade da turbina eólica, determinar um fator de rigidez torcional da pá, determinar um fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico como uma função do pelo menos um parâmetro de velocidade e do fator de rigidez torcional da pá, aplicar o fator de correção de torção ao pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico para obter um mapa de desempenho aerodinâmico ajustado e controlar o turbina eólica com base no mapa de desempenho aerodinâmico ajustado. Deve ser entendido que o sistema pode ainda incluir qualquer uma das características e/ou etapas adicionais como descrito aqui.[017] In yet another aspect, the present invention is directed to a system for controlling a wind turbine having a rotor with at least one rotor blade. The system includes one or more sensors configured to monitor at least one speed parameter of the wind turbine and a wind turbine controller having at least one processor. The processor is communicatively coupled to the one or more sensors. Further, the processor is configured to perform one or more operations, including, but not limited to, controlling the wind turbine based on at least one aerodynamic performance map, determining at least one speed parameter of the wind turbine, determining a blade torsional stiffness factor, determining a torsional correction factor for the aerodynamic performance map as a function of the at least one speed parameter and the blade torsional stiffness factor, applying the torsional correction factor to the at least one aerodynamic performance map to obtain an adjusted aerodynamic performance map, and controlling the wind turbine based on the adjusted aerodynamic performance map. It should be understood that the system may further include any of the additional features and/or steps as described herein.

[018] Estas e outras características, aspectos e vantagens da presente invenção serão melhor compreendidos com referência à seguinte descrição e reivindicações anexas. As figuras anexas, que são incorporadas e fazem parte deste relatório descritivo, ilustram as formas de realização da invenção e, juntamente com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção.[018] These and other features, aspects and advantages of the present invention will be better understood with reference to the following description and appended claims. The appended figures, which are incorporated into and form a part of this specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.

BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

[019] Uma divulgação completa e capacitante da presente invenção, incluindo o melhor modo da mesma, direcionada a um técnico no assunto, é apresentada no relatório descritivo, o qual faz referência às figuras anexas, nas quais:[019] A complete and enabling disclosure of the present invention, including the best mode thereof, directed to a person skilled in the art, is presented in the descriptive report, which makes reference to the attached figures, in which:

[020] A Figura 1 ilustra uma vista em perspectiva de uma forma de realização de uma turbina eólica de acordo com a presente invenção;[020] Figure 1 illustrates a perspective view of an embodiment of a wind turbine in accordance with the present invention;

[021] A Figura 2 ilustra uma vista interna simplificada de uma forma de realização de uma nacela de uma turbina eólica de acordo com a presente invenção;[021] Figure 2 illustrates a simplified internal view of an embodiment of a nacelle of a wind turbine in accordance with the present invention;

[022] A Figura 3 ilustra um diagrama de blocos de uma forma de realização de componentes adequados que podem ser incluídos em um controlador de uma turbina eólica de acordo com a presente invenção;[022] Figure 3 illustrates a block diagram of one embodiment of suitable components that may be included in a wind turbine controller in accordance with the present invention;

[023] A Figura 4 ilustra um fluxograma de uma forma de realização de um método para controlar uma turbina eólica com base em um mapa de desempenho aerodinâmico ajustado de acordo com a presente invenção;[023] Figure 4 illustrates a flowchart of one embodiment of a method for controlling a wind turbine based on an aerodynamic performance map adjusted in accordance with the present invention;

[024] A Figura 5 ilustra um diagrama esquemático de uma forma de realização de um mapa de desempenho aerodinâmico de acordo com a construção convencional;[024] Figure 5 illustrates a schematic diagram of an embodiment of an aerodynamic performance map according to conventional construction;

[025] A Figura 6 ilustra um diagrama esquemático de uma forma de realização de um mapa de desempenho aerodinâmico de acordo com a presente invenção; e[025] Figure 6 illustrates a schematic diagram of one embodiment of an aerodynamic performance map in accordance with the present invention; and

[026] A Figura 7 ilustra um fluxograma de uma forma de realização de um método para gerar um controlador aerodinâmico para utilização por um controlador de turbina eólica de acordo com a presente invenção.[026] Figure 7 illustrates a flowchart of one embodiment of a method for generating an aerodynamic controller for use by a wind turbine controller in accordance with the present invention.

DESCRIPTION OF EMBODIMENTS OF THE INVENTION

[027] Será feita agora referência em detalhe para formas de realização da invenção, um ou mais exemplos das quais são ilustrados nas figuras. Cada exemplo é fornecido a título de explicação da invenção, não limitando a invenção. De fato, será evidente para um técnico no assunto que podem ser feitas várias modificações e variações na presente invenção sem se afastar do escopo ou sentido da invenção. Por exemplo, características ilustradas ou descritas como parte de uma forma de realização podem ser utilizadas com outra forma de realização para produzir ainda uma outra forma de realização. Assim, pretende-se que a presente invenção abranja tais modificações e variações como estando dentro do escopo das reivindicações anexas e seus equivalentes.[027] Reference will now be made in detail to embodiments of the invention, one or more examples of which are illustrated in the figures. Each example is provided by way of explanation of the invention and is not intended to limit the invention. Indeed, it will be apparent to one skilled in the art that various modifications and variations may be made to the present invention without departing from the scope or sense of the invention. For example, features illustrated or described as part of one embodiment may be used with another embodiment to produce yet another embodiment. Accordingly, it is intended that the present invention encompass such modifications and variations as are within the scope of the appended claims and their equivalents.

[028] De modo geral, a presente matéria objeto é direcionada a um fator de correção de torção para um mapa de desempenho aerodinâmico usado em sistemas de controle de turbina eólica e métodos de determinar o mesmo. Mapas de desempenho aerodinâmico são geralmente formas estáticas para condições de influxo uniformes. No entanto, na operação real da turbina eólica, sabe-se que a forma da pá do rotor e as condições do vento de influxo variam a partir das condições originais de projeto que assumem condições idealizadas. Para considerar tais variações, a presente invenção inclui um fator de correção de torção que pode ser usado para gerar e/ou modificar o(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico dentro do sistema de controle da turbina eólica. Mais especificamente, os fatores de correção de torção aqui descritos são configurados para considerar a deflexão e torção da pá.[028] In general, the present subject matter is directed to a twist correction factor for an aerodynamic performance map used in wind turbine control systems and methods of determining the same. Aerodynamic performance maps are generally static shapes for uniform inflow conditions. However, in actual wind turbine operation, it is known that the rotor blade shape and inflow wind conditions vary from the original design conditions that assume idealized conditions. To account for such variations, the present invention includes a twist correction factor that can be used to generate and/or modify the aerodynamic performance map(s) within the wind turbine control system. More specifically, the twist correction factors described herein are configured to account for blade deflection and twist.

[029] Como tal, o(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico aqui descrito(s) corrige(m) a torção da pá para evitar erros nas estimativas de impulso e velocidade do vento. Assim, se a turbina eólica for limitada à impulso, a correção da torção da pá permite a operação em um maior impulso de projeto para obter mais energia na curva da curva de potência. Além disso, o(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico aqui descrito(s) dita(m) automaticamente como a razão de velocidade periférica ideal (TSR) e o ângulo de passo mudam como uma função da torção da pá, permitindo assim que o controlador lance a pá mais para potências em instâncias onde a ponta da pá está torcendo para meter em bandeira (feather). Além disso, o controlador pode recuperar a perda de energia ficando mais próximo do ângulo ideal de ataque próximo à ponta da pá. Assim, o(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico da presente invenção proporciona(m) estimativas mais precisas da velocidade do vento e impulso e melhor recuperação da perda de energia devido à torção da pá.[029] As such, the aerodynamic performance map(s) described herein correct for blade twist to avoid errors in thrust and wind speed estimates. Thus, if the wind turbine is thrust limited, correcting for blade twist allows operation at higher design thrust to obtain more energy at the tip of the power curve. In addition, the aerodynamic performance map(s) described herein automatically dictate how the optimal trough speed ratio (TSR) and pitch angle change as a function of blade twist, thereby allowing the controller to pitch the blade higher for power in instances where the blade tip is twisting to feather. In addition, the controller can recover energy loss by staying closer to the optimal angle of attack near the blade tip. Thus, the aerodynamic performance map(s) of the present invention provide more accurate estimates of wind speed and thrust and better recovery of energy loss due to blade twist.

[030] Com referência agora às figuras, a Figura 1 ilustra uma turbina eólica (10) de acordo com aspectos da presente invenção. Como mostrado, a turbina eólica (10) compreende um rotor (12) tendo uma pluralidade de pás de rotor (14) montadas em um cubo (20). A turbina eólica (10) também inclui uma nacela (22) que é montada no topo de uma torre (16). O rotor (12) está acoplado operacionalmente a um gerador elétrico (24) (Figura 2) alojado dentro da nacela (22). A torre (16) expõe as pás de rotor (14) ao vento (representado direcionalmente pela seta (26)), o que faz com que as pás de rotor (14) rodem em torno de um eixo (28). Como tal, as pás de rotor (14) transformam a energia cinética do vento em um torque rotacional, que é posteriormente transformado em energia elétrica através do gerador elétrico (24).[030] Referring now to the figures, Figure 1 illustrates a wind turbine (10) in accordance with aspects of the present invention. As shown, the wind turbine (10) comprises a rotor (12) having a plurality of rotor blades (14) mounted on a hub (20). The wind turbine (10) also includes a nacelle (22) that is mounted on top of a tower (16). The rotor (12) is operatively coupled to an electric generator (24) (Figure 2) housed within the nacelle (22). The tower (16) exposes the rotor blades (14) to the wind (represented directionally by arrow (26)), which causes the rotor blades (14) to rotate about an axis (28). As such, the rotor blades (14) transform the kinetic energy of the wind into a rotational torque, which is subsequently transformed into electrical energy via the electric generator (24).

[031] Referindo-se agora à Figura 2, uma vista interna simplificada de uma forma de realização da nacela (22) da turbina eólica (10) mostrada na Figura 1 é ilustrada. Como mostrado, o gerador (24) pode ser disposto dentro da nacela (22). Em geral, o gerador (24) pode ser acoplado ao rotor (12) para produzir energia elétrica a partir da energia rotacional gerada pelo rotor (12). Por exemplo, como mostrado na forma de realização ilustrada, o rotor (12) pode incluir um eixo de rotor (34) acoplado ao cubo (20) para rotação com o mesmo. O eixo do rotor (34) pode, por sua vez, ser acoplado rotativamente a um eixo de gerador (36) do gerador (24) através de uma caixa de engrenagens (38). Como é geralmente entendido, o eixo do rotor (34) pode fornecer uma entrada de baixa velocidade e alto torque para a caixa de engrenagens (38) em resposta a rotação das pás de rotor (14) e do cubo (20). A caixa de engrenagens (38) pode então ser configurada para converter a entrada de baixa velocidade e alto torque em uma saída de alta velocidade e baixo torque para acionar o eixo de gerador (36) e, assim, o gerador (24).[031] Referring now to Figure 2, a simplified internal view of one embodiment of the nacelle (22) of the wind turbine (10) shown in Figure 1 is illustrated. As shown, the generator (24) may be disposed within the nacelle (22). In general, the generator (24) may be coupled to the rotor (12) to produce electrical energy from rotational energy generated by the rotor (12). For example, as shown in the illustrated embodiment, the rotor (12) may include a rotor shaft (34) coupled to the hub (20) for rotation therewith. The rotor shaft (34) may in turn be rotatably coupled to a generator shaft (36) of the generator (24) through a gearbox (38). As is generally understood, the rotor shaft (34) may provide a low-speed, high-torque input to the gearbox (38) in response to rotation of the rotor blades (14) and the hub (20). The gearbox (38) can then be configured to convert the low speed, high torque input into a high speed, low torque output to drive the generator shaft (36) and thus the generator (24).

[032] A turbina eólica (10) também pode incluir um controlador (30) centralizado dentro da nacela (22). Alternativamente, o controlador (30) pode estar localizado dentro de qualquer outro componente da turbina eólica (10) ou em um local fora da turbina eólica (10). Além disso, o controlador (30) pode ser comunicativamente acoplado a qualquer número dos componentes da turbina eólica (10), a fim de controlar o funcionamento de tais componentes e/ou implementar várias ações de correção, como aqui descrito. Como tal, o controlador (30) pode incluir um computador ou outra unidade de processamento adequada. Assim, em várias formas de realização, o controlador (30) pode incluir instruções legíveis por computador adequadas que, quando implementadas, configuram o controlador (30) para executar várias funções diferentes, tais como receber, transmitir e/ou executar sinais de controle de turbina eólica. Em conformidade, o controlador (30) pode ser, de modo geral, configurado para controlar os vários modos de operação (por exemplo, sequências de inicialização ou desligamento), reduzir o nível da turbina eólica e/ou controlar vários componentes da turbina eólica (10), como será discutido em mais detalhes abaixo.[032] The wind turbine (10) may also include a controller (30) centralized within the nacelle (22). Alternatively, the controller (30) may be located within any other component of the wind turbine (10) or at a location outside of the wind turbine (10). Furthermore, the controller (30) may be communicatively coupled to any number of the components of the wind turbine (10) in order to control the operation of such components and/or implement various corrective actions, as described herein. As such, the controller (30) may include a computer or other suitable processing unit. Thus, in various embodiments, the controller (30) may include suitable computer-readable instructions that, when implemented, configure the controller (30) to perform various different functions, such as receiving, transmitting, and/or executing wind turbine control signals. Accordingly, the controller (30) may generally be configured to control various modes of operation (e.g., startup or shutdown sequences), reduce the wind turbine level, and/or control various components of the wind turbine (10), as will be discussed in more detail below.

[033] Ainda referente à Figura 2, cada pá de rotor (14) pode também incluir um mecanismo de ajuste de passo (32) configurado para rodar cada pá de rotor (14) em torno do seu eixo de passo (33). Além disso, cada mecanismo de ajuste de passo (32) pode incluir um motor de acionamento de passo (40) (por exemplo, qualquer motor elétrico, hidráulico ou pneumático adequado), uma caixa de engrenagens de acionamento de passo (42) e um pinhão de acionamento de passo (44). Em tais formas de realização, o motor de acionamento de passo (40) pode ser acoplado à caixa de engrenagens de acionamento de passo (42) de modo que o motor de acionamento de passo (40) confere força mecânica à caixa de engrenagens de acionamento de passo (42). De modo semelhante, a caixa de engrenagens de acionamento de passo (42) pode ser acoplada ao pinhão de acionamento de passo (44) para rotação com o mesmo. O pinhão de acionamento de passo (44) pode, por sua vez, estar em engate rotacional com um rolamento de passo (46) acoplado entre o cubo (20) e uma pá de rotor correspondente (14) de modo que a rotação do pinhão de acionamento de passo (44) provoca a rotação do rolamento de passo (46). Assim, em tais formas de realização, a rotação do motor de acionamento de passo (40) aciona a caixa de engrenagens de acionamento de passo (42) e o pinhão de acionamento de passo (44), rodando assim o rolamento de passo (46) e a pá de rotor (14) em torno do eixo de passo (33). De modo semelhante, a turbina eólica (10) pode incluir um ou mais mecanismos de acionamento de guinada (66) comunicativamente acoplados ao controlador (30), sendo cada mecanismo de acionamento de guinada (66) configurado para alterar o ângulo da nacela (22) em relação ao vento (por exemplo, engatando um rolamento de guinada (68) da turbina eólica (10)).[033] Still referring to Figure 2, each rotor blade (14) may also include a pitch adjustment mechanism (32) configured to rotate each rotor blade (14) about its pitch axis (33). Additionally, each pitch adjustment mechanism (32) may include a pitch drive motor (40) (e.g., any suitable electric, hydraulic, or pneumatic motor), a pitch drive gearbox (42), and a pitch drive pinion (44). In such embodiments, the pitch drive motor (40) may be coupled to the pitch drive gearbox (42) such that the pitch drive motor (40) imparts mechanical power to the pitch drive gearbox (42). Similarly, the pitch drive gearbox (42) may be coupled to the pitch drive pinion (44) for rotation therewith. The pitch drive pinion (44) may in turn be in rotational engagement with a pitch bearing (46) coupled between the hub (20) and a corresponding rotor blade (14) such that rotation of the pitch drive pinion (44) causes rotation of the pitch bearing (46). Thus, in such embodiments, rotation of the pitch drive motor (40) drives the pitch drive gearbox (42) and the pitch drive pinion (44), thereby rotating the pitch bearing (46) and the rotor blade (14) about the pitch axis (33). Similarly, the wind turbine (10) may include one or more yaw drive mechanisms (66) communicatively coupled to the controller (30), each yaw drive mechanism (66) configured to change the angle of the nacelle (22) relative to the wind (e.g., by engaging a yaw bearing (68) of the wind turbine (10)).

[034] Referindo-se, de modo geral, às Figuras 1 a 3, a turbina eólica (10) pode incluir um ou mais sensores (48, 50, 52, 54) para medir vários parâmetros de vento da turbina eólica (10). Por exemplo, como mostrado na Figura 1, o sensor (48) está localizado no cubo (20) de modo a medir um parâmetro de vento real em direção contrária à do vento a partir da turbina eólica (10). O parâmetro de vento real pode ser qualquer um dos seguintes: uma rajada de vento, uma velocidade de vento, uma direção de vento, uma aceleração de vento, turbulência do vento, um cisalhamento do vento, uma mudança do vento, uma interferência de rastro ou similar. Além disso, o(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54) pode(m) incluir pelo menos um sensor LIDAR para medir os parâmetros em direção contrária à do vento. Por exemplo, como mostrado na Figura 1, o sensor LIDAR (48) é um radar de medição configurado para varrer uma região anular em torno da turbina eólica (10) e medir a velocidade do vento com base na reflexão e/ou dispersão da luz transmitida pelo sensor LIDAR a partir do aerossol. O ângulo de cone (θ) e o alcance (R) do sensor LIDAR (48) podem ser adequadamente selecionados para fornecer uma precisão de medição desejada, bem como uma sensibilidade aceitável.[034] Referring generally to Figures 1-3, the wind turbine (10) may include one or more sensors (48, 50, 52, 54) for measuring various wind parameters from the wind turbine (10). For example, as shown in Figure 1, the sensor (48) is located on the hub (20) so as to measure a true wind parameter in an upwind direction from the wind turbine (10). The true wind parameter may be any of the following: a wind gust, a wind speed, a wind direction, a wind acceleration, wind turbulence, a wind shear, a wind shift, a wake interference, or the like. Additionally, the sensor(s) (48, 50, 52, 54) may include at least one LIDAR sensor for measuring the upwind parameters. For example, as shown in Figure 1, the LIDAR sensor (48) is a measuring radar configured to scan an annular region around the wind turbine (10) and measure wind speed based on the reflection and/or scattering of light transmitted by the LIDAR sensor from the aerosol. The cone angle (θ) and range (R) of the LIDAR sensor (48) can be appropriately selected to provide a desired measurement accuracy as well as an acceptable sensitivity.

[035] Na forma de realização ilustrada, os sensores (48, 50, 52, 54) estão localizados no cubo (20), após o que as pás de rotor (14) são montadas. Em outras formas de realização, o(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54) também pode(m) estar localizado(s) perto da base da torre de turbina eólica (16), em uma ou mais das pás de rotor (14), na nacela (22), em um mastro meteorológico da turbina eólica (10), ou em qualquer outro local adequado. Ainda em outras formas de realização, o(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54) pode(m) estar localizado(s) em qualquer local adequado na turbina eólica (10) ou próximo dela. Além disso, o(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54) podem ser configurados para medir um parâmetro de vento à frente de pelo menos uma porção específica, normalmente as seções mais significativas das pás de rotor (14) em termos de contribuições dessas seções para o torque aerodinâmico nas pás de rotor (14), por exemplo, seções próximas das pontas das pás de rotor (14). Os pontos à frente das pás de rotor (14), nos quais a velocidade do vento é medida pelo(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54), são representados pelo plano (25), como mostrado na Figura 1.[035] In the illustrated embodiment, the sensors (48, 50, 52, 54) are located on the hub (20), after which the rotor blades (14) are mounted. In other embodiments, the sensor(s) (48, 50, 52, 54) may also be located near the base of the wind turbine tower (16), on one or more of the rotor blades (14), on the nacelle (22), on a weather mast of the wind turbine (10), or at any other suitable location. In still other embodiments, the sensor(s) (48, 50, 52, 54) may be located at any suitable location on or near the wind turbine (10). Furthermore, the sensor(s) (48, 50, 52, 54) may be configured to measure a wind parameter ahead of at least a specific portion, typically the most significant sections of the rotor blades (14) in terms of contributions of these sections to the aerodynamic torque on the rotor blades (14), for example, sections near the tips of the rotor blades (14). The points ahead of the rotor blades (14) at which the wind speed is measured by the sensor(s) (48, 50, 52, 54) are represented by the plane (25) as shown in Figure 1.

[036] Em formas de realização alternativas, o(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54) pode(m) ser quaisquer outros sensores adequados capazes de medir os parâmetros de vento em direção contrária à do vento da turbina eólica (10). Por exemplo, o(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54) pode(m) ser acelerômetros, sensores de pressão, sensores de ângulo de ataque, sensores de vibração, sensores MIMU, sistemas de câmeras, sistemas de fibra óptica, anemômetros, cata-ventos, sensores de detecção e alcance sônico (SODAR), infra lasers, radiômetros, tubos pitot, radiossondagem-radiovento (rawinsondes), outros sensores ópticos e/ou quaisquer outros sensores adequados. Deve ser apreciado que, como aqui usado, o termo “monitor” e suas variações indicam que os vários sensores da turbina eólica podem ser configurados para fornecer uma medição direta dos parâmetros sendo monitorados ou uma medição indireta de tais parâmetros. Assim, o(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54) pode(m), por exemplo, ser utilizado(s) para gerar sinais relativos ao parâmetro sendo monitorado, o qual pode então ser utilizado pelo controlador (30) para determinar a condição real.[036] In alternative embodiments, the sensor(s) (48, 50, 52, 54) may be any other suitable sensors capable of measuring wind parameters in the upwind direction of the wind turbine (10). For example, the sensor(s) (48, 50, 52, 54) may be accelerometers, pressure sensors, angle of attack sensors, vibration sensors, MIMU sensors, camera systems, fiber optic systems, anemometers, wind vanes, sonic detection and ranging (SODAR) sensors, infra lasers, radiometers, pitot tubes, radiosondes-radiowind (rawinsondes), other optical sensors, and/or any other suitable sensors. It should be appreciated that, as used herein, the term “monitor” and its variations indicate that the various sensors of the wind turbine may be configured to provide a direct measurement of the parameters being monitored or an indirect measurement of such parameters. Thus, the sensor(s) (48, 50, 52, 54) can, for example, be used to generate signals relating to the parameter being monitored, which can then be used by the controller (30) to determine the actual condition.

[037] Referindo-se especificamente à Figura 3, é ilustrado um diagrama de blocos de uma forma de realização do controlador (30) de acordo com a presente invenção. Como mostrado, o controlador (30) pode incluir um ou mais processadores (58), um avaliador de condição de turbina eólica (56), e dispositivo(s) de memória associado(s) (60) configurado(s) para executar uma variedade de funções implementadas por computador (por exemplo, executar os métodos, etapas, cálculos e similares e armazenar dados relevantes como divulgado aqui). Adicionalmente, o controlador (30) pode também incluir um módulo de comunicações (62) para facilitar as comunicações entre o controlador (30) e os vários componentes da turbina eólica (10). Além disso, o módulo de comunicações (62) pode incluir uma interface de sensor (64) (por exemplo, um ou mais conversores analógico-digitais) para permitir que os sinais transmitidos do(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54) seja(m) convertido(s) em sinais que possam ser compreendidos e processados pelos processadores (58). Deve ser apreciado que o(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54) podem ser acoplados de forma comunicativa ao módulo de comunicações (62) utilizando qualquer meio adequado. Por exemplo, como mostrado na Figura 3, o(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54) está(ão) acoplado(s) à interface de sensor (64) através de uma ligação com fio. Contudo, em outras formas de realização, o(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54) pode(m) ser acoplado à interface de sensor (64) através de uma ligação sem fio, tal como utilizando qualquer protocolo de comunicações sem fio adequado conhecido no estado da técnica. Como tal, o processador (58) pode ser configurado para receber um ou mais sinais a partir do(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54).[037] Referring specifically to Figure 3, there is illustrated a block diagram of one embodiment of the controller (30) in accordance with the present invention. As shown, the controller (30) may include one or more processors (58), a wind turbine condition evaluator (56), and associated memory device(s) (60) configured to perform a variety of computer-implemented functions (e.g., executing methods, steps, calculations, and the like and storing relevant data as disclosed herein). Additionally, the controller (30) may also include a communications module (62) to facilitate communications between the controller (30) and various components of the wind turbine (10). Additionally, the communications module (62) may include a sensor interface (64) (e.g., one or more analog-to-digital converters) to allow signals transmitted from the sensor(s) (48, 50, 52, 54) to be converted into signals that can be understood and processed by the processors (58). It should be appreciated that the sensor(s) (48, 50, 52, 54) may be communicatively coupled to the communications module (62) using any suitable means. For example, as shown in Figure 3, the sensor(s) (48, 50, 52, 54) are coupled to the sensor interface (64) via a wired connection. However, in other embodiments, the sensor(s) (48, 50, 52, 54) may be coupled to the sensor interface (64) via a wireless link, such as using any suitable wireless communications protocol known in the art. As such, the processor (58) may be configured to receive one or more signals from the sensor(s) (48, 50, 52, 54).

[038] O avaliador de condição de turbina eólica (56) pode ser considerado um software que utiliza dados operacionais para calcular, em tempo real, várias condições de turbinas eólicas. Além disso, o avaliador de condição de turbina eólica (56) pode compreender firmware que inclui o software, que pode ser executado pelo(s) processador(es) (58). Além disso, o avaliador de condição de turbina eólica (56) pode estar em comunicação com os vários sensores (48, 50, 52, 54) e dispositivos da turbina eólica (10), que podem fornecer os dados operacionais ao avaliador de condição de turbina eólica (56).[038] The wind turbine condition evaluator (56) can be considered as software that uses operational data to calculate, in real time, various wind turbine conditions. Furthermore, the wind turbine condition evaluator (56) can comprise firmware that includes the software, which can be executed by the processor(s) (58). Furthermore, the wind turbine condition evaluator (56) can be in communication with the various sensors (48, 50, 52, 54) and devices of the wind turbine (10), which can provide the operational data to the wind turbine condition evaluator (56).

[039] Como aqui utilizado, o termo “processador” se refere não apenas a circuitos integrados referidos no estado da técnica como sendo incluídos em um computador, mas também se refere a um controlador, um microcontrolador, um microcomputador, um controlador lógico programável (PLC), um circuito integrado específico de aplicação e outros circuitos programáveis. Adicionalmente, o(s) dispositivo(s) de memória (60) pode(m) compreender, de modo geral, elemento(s) de memória incluindo, mas não limitado a um meio legível por computador (por exemplo, memória de acesso aleatório (RAM)), meio não volátil legível por computador (por exemplo, uma memória flash), um disquete, um disco compacto - memória apenas para leitura (CD-ROM), um disco magneto-óptico (MOD), um disco versátil digital (DVD) e/ou outros elementos de memória adequados. Tal(ais) dispositivo(s) de memória (60) pode(m) ser, de modo geral, configurado(s) para armazenar instruções legíveis por computador adequadas que, quando implementadas pelo(s) processador(es) (58), configuram o controlador (30) para executar várias funções incluindo, mas não limitadas a, estimar um ou mais condições de vento da turbina eólica (10) com base nos dados operacionais, transmitindo sinais de controle adequados para implementar ações de controle em resposta à detecção de condições de vento transitórias, e/ou várias outras funções adequadas implementadas por computador.[039] As used herein, the term “processor” refers not only to integrated circuits referred to in the prior art as being included in a computer, but also refers to a controller, a microcontroller, a microcomputer, a programmable logic controller (PLC), an application-specific integrated circuit, and other programmable circuits. Additionally, the memory device(s) (60) may generally comprise memory element(s) including, but not limited to, a computer-readable medium (e.g., random access memory (RAM)), a computer-readable non-volatile medium (e.g., flash memory), a floppy disk, a compact disc-read-only memory (CD-ROM), a magneto-optical disc (MOD), a digital versatile disc (DVD), and/or other suitable memory elements. Such memory device(s) (60) may generally be configured to store suitable computer-readable instructions that, when implemented by the processor(s) (58), configure the controller (30) to perform various functions including, but not limited to, estimating one or more wind conditions of the wind turbine (10) based on the operational data, transmitting suitable control signals to implement control actions in response to detection of transient wind conditions, and/or various other suitable computer-implemented functions.

[040] Referindo-se agora à Figura 4, é ilustrado um fluxograma de um método (100) para controlar a turbina eólica (10) de acordo com a presente invenção. Por exemplo, como mostrado em (102), o método (100) inclui controlar a turbina eólica (10) com base em pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico. O(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico aqui descrito(s) se refere(m), de modo geral, a tabelas ou gráficos dimensionais ou não dimensionais que descrevem a carga e o desempenho do rotor (por exemplo, potência, impulso, torque ou momento de flexão ou similar) sob determinadas condições (por exemplo, densidade, velocidade do vento, velocidade do rotor, ângulos de passo, ou similar). Como tal, o(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico pode(m) incluir: coeficiente de potência, coeficiente de impulso, coeficiente de torque e/ou derivadas parciais em relação ao ângulo de passo, velocidade do rotor ou razão de velocidade periférica (TSR). Alternativamente, o(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico pode(m) ser valores dimensionais de potência, impulso e/ou torque em vez de coeficientes.[040] Referring now to Figure 4, there is illustrated a flowchart of a method (100) for controlling the wind turbine (10) in accordance with the present invention. For example, as shown in (102), the method (100) includes controlling the wind turbine (10) based on at least one aerodynamic performance map. The aerodynamic performance map(s) described herein generally refer to dimensional or non-dimensional tables or graphs that describe rotor load and performance (e.g., power, thrust, torque or bending moment or the like) under given conditions (e.g., density, wind speed, rotor speed, pitch angles, or the like). As such, the aerodynamic performance map(s) may include: power coefficient, thrust coefficient, torque coefficient and/or partial derivatives with respect to pitch angle, rotor speed or tip speed ratio (TSR). Alternatively, the aerodynamic performance map(s) may be dimensional values of power, thrust and/or torque rather than coefficients.

[041] Referindo-se ainda à Figura 4, como mostrado em (104), o método (100) inclui a determinação de pelo menos um parâmetro de velocidade da turbina eólica (10). Mais especificamente, o parâmetro de velocidade pode ser monitorado utilizando um ou mais dos sensores (48, 50, 52, 54) e/ou pode ser determinado ou estimado através do controlador (30). Por exemplo, em uma forma de realização, o parâmetro de velocidade pode incluir velocidade do vento, velocidade do rotor, velocidade do gerador ou qualquer outro parâmetro de velocidade da turbina eólica (10). Além disso, deve ser entendido que o parâmetro de velocidade, por exemplo, a velocidade do vento, pode ser uma velocidade do vento específica da pá que pode ser diferente devido ao cisalhamento do vento, sombra da torre etc.[041] Referring further to Figure 4, as shown at (104), the method (100) includes determining at least one speed parameter of the wind turbine (10). More specifically, the speed parameter may be monitored using one or more of the sensors (48, 50, 52, 54) and/or may be determined or estimated via the controller (30). For example, in one embodiment, the speed parameter may include wind speed, rotor speed, generator speed, or any other speed parameter of the wind turbine (10). Furthermore, it should be understood that the speed parameter, e.g., wind speed, may be a blade-specific wind speed that may be different due to wind shear, tower shadow, etc.

[042] Como mostrado em (106), o método (100) inclui a determinação de um fator de rigidez torcional da pá. Por exemplo, em uma forma de realização, o fator de rigidez torcional da pá pode ser igual a um fator de escala entre uma rigidez torcional de projeto e uma rigidez torcional real da pá de rotor.[042] As shown in (106), the method (100) includes determining a blade torsional stiffness factor. For example, in one embodiment, the blade torsional stiffness factor may be equal to a scaling factor between a design torsional stiffness and an actual torsional stiffness of the rotor blade.

[043] Como mostrado em (108), o método (100) inclui a determinação de um fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico como uma função do(s) parâmetro(s) de velocidade e do fator de rigidez torcional da pá. Por exemplo, em uma forma de realização, o(s) processador(es) (58) pode(m) ser configurado(s) para utilizar uma ou mais tabelas de consulta, uma ou mais equações, ou um modelo de simulação para determinar os fatores de correção de torção descritos aqui. Mais especificamente, em certas formas de realização, o método (100) pode incluir a determinação do fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico como uma função da densidade do ar, do parâmetro de velocidade e do fator de rigidez torcional da pá. Por exemplo, em uma forma de realização, o controlador (30) pode determinar o fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico com base na Equação (1) abaixo, em que o controlador (30) quadra o parâmetro de velocidade (u), multiplica o parâmetro de velocidade ao quadrado (u2) pela densidade do ar (p) para obter um valor multiplicado e, em seguida, divide o valor multiplicado (pu2) pelo fator de rigidez torcional da pá (P_AdjGJSt). [043] As shown in (108), the method (100) includes determining a twist correction factor for the aerodynamic performance map as a function of the velocity parameter(s) and the blade torsional stiffness factor. For example, in one embodiment, the processor(s) (58) may be configured to utilize one or more look-up tables, one or more equations, or a simulation model to determine the twist correction factors described herein. More specifically, in certain embodiments, the method (100) may include determining the twist correction factor for the aerodynamic performance map as a function of the air density, the velocity parameter, and the blade torsional stiffness factor. For example, in one embodiment, the controller (30) may determine the torsional correction factor for the aerodynamic performance map based on Equation (1) below, wherein the controller (30) squares the velocity parameter (u), multiplies the velocity parameter squared (u2) by the air density (p) to obtain a multiplied value, and then divides the multiplied value (pu2) by the blade torsional stiffness factor (P_AdjGJSt).

[044] Além disso, deve ser entendido que o controlador (30) pode determinar um fator de correção de torção específico da pá para cada uma das pás de rotor (14). Assim, para uma turbina eólica com três pás de rotor (14), como mostrado na Figura 1, isto levará a três fatores de correção de torção, levando assim a três coeficientes de potência, impulso ou torque ajustados, conforme descrito com relação às Equações (2) a (4) abaixo.[044] Furthermore, it should be understood that the controller (30) may determine a blade-specific twist correction factor for each of the rotor blades (14). Thus, for a wind turbine with three rotor blades (14) as shown in Figure 1, this will lead to three twist correction factors, thereby leading to three adjusted power, thrust or torque coefficients as described with respect to Equations (2) through (4) below.

[045] Referindo-se particularmente às Figuras 5 e 6, dois mapas de desempenho aerodinâmico (70, 72) são representados para ilustrar as vantagens do fator de correção de torção. Por exemplo, como mostrado, os mapas de desempenho aerodinâmico (70, 72) são gráficos de ângulo de passo versus TSR que fornecem um coeficiente de impulso correspondente (Ct). Além disso, como mostrado, cada um dos mapas (70, 72) inclui simulações de uma pá de rotor torcionalmente rígida (74) e uma pá de rotor flexível (76). O mapa (70) da Figura 5, no entanto, ilustra como os contornos do mapa e a linha de passo ideal começam a mudar quando apenas a densidade ou apenas a rigidez da pá ou apenas a velocidade do vento é variada. Em contraste, o mapa (72) da Figura 6 ilustra como a variação é grandemente reduzida quando certas combinações das variáveis acima, ou seja, o fator de correção de torção (pu2/ P_AdjGJSt) não mudam.[045] Referring particularly to Figures 5 and 6, two aerodynamic performance maps (70, 72) are plotted to illustrate the advantages of the twist correction factor. For example, as shown, the aerodynamic performance maps (70, 72) are plots of pitch angle versus TSR that provide a corresponding thrust coefficient (Ct). Furthermore, as shown, each of the maps (70, 72) includes simulations of a torsionally stiff rotor blade (74) and a flexible rotor blade (76). Map (70) of Figure 5, however, illustrates how the contours of the map and the ideal pitch line begin to change when only the density or only the stiffness of the blade or only the wind speed is varied. In contrast, map (72) of Figure 6 illustrates how the variation is greatly reduced when certain combinations of the above variables, i.e., the twist correction factor (pu2/P_AdjGJSt) are not changed.

[046] Com referência novamente à Figura 4, como mostrado em (110), o método (100) inclui aplicar o fator de correção de torção ao(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico para obter um mapa de desempenho aerodinâmico ajustado. Em formas de realização particulares, a etapa de aplicar o fator de correção de torção (por exemplo, FTORÇÃO_POTÊNCIA e FTORÇÃO _IMPULSO) ao(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico para obter o mapa de desempenho aerodinâmico ajustado pode incluir a multiplicação do fator de correção de torção por um coeficiente de potência, um coeficiente de torque ou coeficiente de impulso obtidos a partir do(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico. Os fatores de correção de torção podem ser uma função de um ou mais dos seguintes parâmetros: velocidade do vento, densidade, rigidez da pá, P_AdjGJSt, fator de correção de torção, velocidade do rotor e/ou velocidade do gerador.[046] Referring again to Figure 4, as shown at (110), the method (100) includes applying the twist correction factor to the aerodynamic performance map(s) to obtain an adjusted aerodynamic performance map. In particular embodiments, the step of applying the twist correction factor (e.g., FTORSION_POWER and FTORSION_THRUST) to the aerodynamic performance map(s) to obtain the adjusted aerodynamic performance map may include multiplying the twist correction factor by a power coefficient, a torque coefficient, or a thrust coefficient obtained from the aerodynamic performance map(s). The twist correction factors may be a function of one or more of the following parameters: wind speed, density, blade stiffness, P_AdjGJSt, twist correction factor, rotor speed, and/or generator speed.

[047] Por exemplo, onde o fator de correção de torção é baseado na velocidade do rotor, o fator de correção de torção, FTORÇÃO, pode ser usado para ajustar o mapa de desempenho aerodinâmico, por exemplo, através das Equações (2) e (3) abaixo: Cp = Cp AVALIADOR * FTORÇÃO_POTÊNCIA Equação (2) Cth = Cth AVALIADOR * FTORÇÃO_IMPULSO Equação (3) Cto = Cto AVALIADOR * FTORÇÃO_TORQUE Equação (4) Onde Cp é o coeficiente de potência ajustado, Cth é o coeficiente de impulso ajustado, Cto é o coeficiente de torque ajustado, Cp AVALIADOR é o coeficiente de potência do mapa de desempenho aerodinâmico, Cth AVALIADOR é o coeficiente de impulso do mapa de desempenho aerodinâmico, Cto AVALIADOR é o coeficiente de torque do mapa de desempenho aerodinâmico, FTORÇÃO_POTÊNCIA é o fator de correção de torção para o coeficiente de potência, FTORÇÃO_IMPULSO é o fator de correção de torção para o coeficiente de impulso, e FTORÇÃO_TORQUE é o fator de correção de torção para o coeficiente de torque.[047] For example, where the twist correction factor is based on rotor speed, the twist correction factor, FTORSION, can be used to adjust the aerodynamic performance map, for example, via Equations (2) and (3) below: Cp = Cp RATING * FTORSION_POWER Equation (2) Cth = Cth RATING * FTORSION_THROUGH Equation (3) Cto = Cto RATING * FTORSION_TORQUE Equation (4) Where Cp is the adjusted power coefficient, Cth is the adjusted thrust coefficient, Cto is the adjusted torque coefficient, Cp RATING is the power coefficient from the aerodynamic performance map, Cth RATING is the thrust coefficient from the aerodynamic performance map, Cto RATING is the torque coefficient from the aerodynamic performance map, FTORSION_POWER is the torque correction factor torque for the power coefficient, FTORSION_IMPULSE is the torque correction factor for the thrust coefficient, and FTORSION_TORQUE is the torque correction factor for the torque coefficient.

[048] Assim, em certas formas de realização, o método (100) pode incluir o ajuste de uma ou mais estimativas a jusante que dependem dos coeficientes ajustados. Por exemplo, tais estimativas a jusante podem incluir o momento base da torre, momento de desequilíbrio, momento de raiz da pá etc. Em certas formas de realização, o método (100) pode ainda incluir a determinação automática de uma razão de velocidade periférica revisada TSR e um ângulo de passo revisado como uma função de o fator de correção de torção usando o mapa de desempenho aerodinâmico ajustado.[048] Thus, in certain embodiments, the method (100) may include adjusting one or more downstream estimates that depend on the adjusted coefficients. For example, such downstream estimates may include tower base moment, imbalance moment, blade root moment, etc. In certain embodiments, the method (100) may further include automatically determining a revised peripheral speed ratio TSR and a revised pitch angle as a function of the twist correction factor using the adjusted aerodynamic performance map.

[049] Referindo-se novamente à Figura 4, como mostrado em (112), o método (100) inclui o controle da turbina eólica (10) com base no(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico ajustado(s). Por exemplo, em uma forma de realização, o avaliador de condição de turbina eólica (56) pode implementar um algoritmo de controle tendo uma série de equações para determinar uma condição de turbina eólica estimada como uma função do ângulo de passo, da velocidade do gerador, da potência de saída e da densidade do ar. Além disso, as equações podem ser resolvidas usando os dados operacionais e os mapas atualizados de desempenho aerodinâmico. Essa metodologia de controle fornece controle preciso da turbina eólica que maximiza a potência de saída e reduz o carregamento excessivo de turbinas eólicas. Em formas de realização alternativas, o método (100) também pode ser usado para aumentar o desempenho. Em tais formas de realização, as cargas podem aumentar.[049] Referring again to Figure 4, as shown at (112), the method (100) includes controlling the wind turbine (10) based on the adjusted aerodynamic performance map(s). For example, in one embodiment, the wind turbine condition evaluator (56) may implement a control algorithm having a series of equations to determine an estimated wind turbine condition as a function of pitch angle, generator speed, power output, and air density. Furthermore, the equations may be solved using the operational data and updated aerodynamic performance maps. This control methodology provides precise control of the wind turbine that maximizes power output and reduces excessive wind turbine loading. In alternative embodiments, the method (100) may also be used to increase performance. In such embodiments, loads may increase.

[050] Em formas de realização particulares, a etapa de controlar a turbina eólica com base no mapa de desempenho aerodinâmico ajustado pode incluir a implementação de uma ação de controle. A(s) ação(ões) de controle, como aqui descrita(s), pode(m) ser qualquer ação de controle adequada de modo a reduzir as cargas que atuam na turbina eólica (10). Por exemplo, em várias formas de realização, a ação de controle pode incluir reduzir o nível ou aumentar o nível, temporariamente, da turbina eólica para permitir que as cargas que atuam sobre um ou mais componentes da turbina eólica sejam reduzidas ou controladas de outra maneira. Aumentar o nível da turbina eólica, tal como pelo aumento do nível do torque, pode desacelerar temporariamente a turbina eólica e atuar como um freio para ajudar a reduzir as cargas. A redução do nível da turbina eólica pode incluir redução do nível de velocidade, redução do nível de torque ou uma combinação de ambos. Além disso, a turbina eólica pode ter o nível reduzido, reduzindo a velocidade e aumentando o torque, o que pode ser benéfico para manter a potência. Em outra forma de realização, a turbina eólica (10) pode ter o nível diminuído lançando uma ou mais das pás de rotor (14) em torno do seu eixo de passo (33). Mais especificamente, o controlador (30) pode controlar de modo geral cada mecanismo de ajuste de passo (32) para alterar o ângulo de passo de cada pá de rotor (14) entre -10 graus (isto é, uma posição de potência da pá de rotor (14)) e 90 graus (isto é, uma posição metida em bandeira da pá de rotor (14)). Ainda em outra forma de realização, a turbina eólica (10) pode ter o nível diminuído temporariamente modificando a demanda de torque no gerador (24). Em geral, a demanda de torque pode ser modificada usando qualquer método, processo, estrutura e/ou meio adequados conhecidos no estado da técnica. Por exemplo, em uma forma de realização, a demanda de torque no gerador (24) pode ser controlada usando o controlador (30) transmitindo um sinal/comando de controle adequado para o gerador (24) a fim de modular o fluxo magnético produzido dentro do gerador (24).[050] In particular embodiments, the step of controlling the wind turbine based on the adjusted aerodynamic performance map may include implementing a control action. The control action(s), as described herein, may be any suitable control action so as to reduce the loads acting on the wind turbine (10). For example, in various embodiments, the control action may include temporarily slowing down or increasing the level of the wind turbine to allow the loads acting on one or more components of the wind turbine to be reduced or otherwise controlled. Increasing the level of the wind turbine, such as by increasing the level of torque, may temporarily slow the wind turbine and act as a brake to help reduce the loads. Decreasing the level of the wind turbine may include reducing the level of speed, reducing the level of torque, or a combination of both. Furthermore, the wind turbine may be de-leveled by reducing the speed and increasing the torque, which may be beneficial for maintaining power. In another embodiment, the wind turbine (10) may be decreased in pitch by pitching one or more of the rotor blades (14) about its pitch axis (33). More specifically, the controller (30) may generally control each pitch adjustment mechanism (32) to change the pitch angle of each rotor blade (14) between -10 degrees (i.e., a power position of the rotor blade (14)) and 90 degrees (i.e., a feathered position of the rotor blade (14)). In yet another embodiment, the wind turbine (10) may be decreased in pitch temporarily by modifying the torque demand on the generator (24). In general, the torque demand may be modified using any suitable method, process, structure, and/or means known in the art. For example, in one embodiment, the torque demand on the generator (24) may be controlled using the controller (30) by transmitting a suitable control signal/command to the generator (24) in order to modulate the magnetic flux produced within the generator (24).

[051] A turbina eólica (10) pode também ter o nível diminuído temporariamente guinando a nacela (22) para alterar o ângulo da nacela (22) em relação à direção do vento. Em outras formas de realização, o controlador (30) pode ser configurado para acionar um ou mais freios mecânicos ou ativar um elemento modificador de fluxo de ar em uma pá de rotor, a fim de reduzir a velocidade de rotação e/ou carga das pás de rotor (14), reduzindo assim o carregamento de componente. Ainda em outras formas de realização, o controlador (30) pode ser configurado para realizar qualquer ação de controle apropriada conhecida no estado da técnica. Além disso, o controlador (30) pode implementar uma combinação de duas ou mais ações de controle.[051] The wind turbine (10) may also be temporarily lowered by yawing the nacelle (22) to change the angle of the nacelle (22) relative to the wind direction. In other embodiments, the controller (30) may be configured to actuate one or more mechanical brakes or activate an airflow modifying element on a rotor blade in order to reduce the rotational speed and/or load of the rotor blades (14), thereby reducing component loading. In still other embodiments, the controller (30) may be configured to perform any appropriate control action known in the art. Furthermore, the controller (30) may implement a combination of two or more control actions.

[052] Referindo-se agora à Figura 7, é ilustrado um fluxograma de uma forma de realização de um método (200) para gerar um mapa de desempenho aerodinâmico para utilização pelo controlador de turbina eólica (30) durante a operação de turbina eólica. Como mostrado em (202), o método (200) inclui a determinação de pelo menos um parâmetro de velocidade da turbina eólica (10). Como mostrado em (204), o método (200) inclui a obtenção, através do controlador de turbina eólica (30), de um fator de rigidez torcional da pá. Como mostrado em (206), o método (200) inclui a determinação, através do controlador de turbina eólica (30), de um fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico como uma função do(s) parâmetro(s) de velocidade, do fator de rigidez torcional da pá e da densidade do ar. Como mostrado em (208), o método (200) inclui a geração do mapa de desempenho aerodinâmico com base no fator de correção de torção, em um ou mais valores de razão de velocidade periférica e em ângulos de passo da pá de rotor (14).[052] Referring now to Figure 7, there is illustrated a flowchart of one embodiment of a method (200) for generating an aerodynamic performance map for use by the wind turbine controller (30) during wind turbine operation. As shown at (202), the method (200) includes determining at least one speed parameter of the wind turbine (10). As shown at (204), the method (200) includes obtaining, via the wind turbine controller (30), a blade torsional stiffness factor. As shown at (206), the method (200) includes determining, via the wind turbine controller (30), a torsional correction factor for the aerodynamic performance map as a function of the speed parameter(s), the blade torsional stiffness factor, and air density. As shown in (208), the method (200) includes generating the aerodynamic performance map based on the twist correction factor, one or more peripheral speed ratio values, and rotor blade pitch angles (14).

[053] Também deve ser apreciado que uma vantagem da presente invenção é que o sistema e o método podem ser implementados usando componentes existentes da turbina eólica (10). Como tal, um usuário não precisa comprar, instalar e manter novos equipamentos. Além disso, o controlador (30) pode ser integrado com um sistema de controle mais amplo, tal como, mas não limitando a um sistema de controle de turbina eólica, um sistema de controle de instalação, um sistema de monitoramento remoto ou combinações dos mesmos.[053] It should also be appreciated that an advantage of the present invention is that the system and method can be implemented using existing components of the wind turbine (10). As such, a user does not need to purchase, install, and maintain new equipment. Furthermore, the controller (30) can be integrated with a broader control system, such as, but not limited to, a wind turbine control system, an installation control system, a remote monitoring system, or combinations thereof.

[054] Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, incluindo o melhor modo, e também para permitir que qualquer técnico no assunto realize a invenção, incluindo a construção e utilização de quaisquer dispositivos ou sistemas e a execução de quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorram aos técnicos no assunto. Pretende-se que estes outros exemplos estejam dentro do escopo das reivindicações se incluírem membros estruturais que não diferem da linguagem literal das reivindicações ou se incluírem membros estruturais equivalentes com diferenças não substanciais das linguagens literais das reivindicações. [054] This written description uses examples to disclose the invention, including the best mode, and also to enable one skilled in the art to carry out the invention, including constructing and using any devices or systems and performing any methods incorporated therein. The patentable scope of the invention is defined by the claims and may include other examples that occur to those skilled in the art. These other examples are intended to be within the scope of the claims if they include structural members that do not differ from the literal language of the claims or if they include equivalent structural members with insubstantial differences from the literal language of the claims.

Claims

1. METHOD (100) FOR CONTROLLING A WIND TURBINE (10) having a rotor (12) with at least one rotor blade (14), characterized in that the method (100) comprises: controlling (102), via a processor (58), the wind turbine (10) based on at least one aerodynamic performance map (70); determining (104) at least one speed parameter of the wind turbine (10); determining (106) a torsional stiffness factor of the blade (14); determining (108), via the processor (58), a torsion correction factor for the aerodynamic performance map (70) as a function of the at least one velocity parameter, air density and the torsional stiffness factor of the blade (14), wherein determining the torsion correction factor for the aerodynamic performance map (70) further comprises utilizing one or more lookup tables, one or more equations, or one or more simulation models; applying (110) the torsion correction factor to the at least one aerodynamic performance map (70) to obtain an adjusted aerodynamic performance map by determining an adjusted power coefficient, or an adjusted torque thrust coefficient or an adjusted torque coefficient, by multiplying the torsion correction factor by at least one of a power coefficient, a torque coefficient or thrust coefficient obtained from the at least one aerodynamic performance map (70); and, control (112) the wind turbine (10) based on the adjusted aerodynamic performance map (72).

2. METHOD (100), according to claim 1, characterized in that the speed parameter comprises at least one of wind speed, rotor speed or wind turbine generator speed.

3. METHOD (100) according to any one of claims 1 to 2, characterized in that the determination (108) of the torsion correction factor for the aerodynamic performance map (70) further comprises: squaring the velocity parameter; multiplying the air density by the squared velocity parameter to obtain a multiplied value; and, dividing the multiplied value by the torsional stiffness factor of the blade (14).

4. METHOD (100) according to any one of claims 1 to 3, characterized in that determining (108) the torsional stiffness factor of the blade further comprises determining a scaling factor between a design torsional stiffness and an actual torsional stiffness of the rotor blade (14).

5. The method (100) of any one of claims 1 to 4, further comprising automatically determining a revised peripheral speed ratio and a revised pitch angle as a function of the twist correction factor using the adjusted aerodynamic performance map (72).

6. METHOD (100) according to any one of claims 1 to 5, characterized in that controlling the wind turbine based on the adjusted aerodynamic performance map (72) further comprises implementing a control action comprising at least one of changing the pitch angle of a rotor blade (14), modifying a generator torque, modifying the generator speed, modifying the output power, yawing a nacelle (22) of the wind turbine (10), braking one or more components of the wind turbine (10), or activating an airflow modifying element on a rotor blade (14).

7. SYSTEM FOR CONTROLLING A WIND TURBINE (10) having a rotor (12) with at least one rotor blade (14), characterized in that the system comprises: a wind turbine (10) controller (30) comprising at least one processor (58), the at least one processor (58) configured to perform the operations, the one or more operations as defined in any one of claims 1 to 6.