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ES2228121T3 - Procedimiento de control de la operacion de una turbina electrica y turbina electrica para usarse en dicho procedimiento. - Google Patents

Procedimiento de control de la operacion de una turbina electrica y turbina electrica para usarse en dicho procedimiento.

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ES2228121T3
ES2228121T3 ES99953725T ES99953725T ES2228121T3 ES 2228121 T3 ES2228121 T3 ES 2228121T3 ES 99953725 T ES99953725 T ES 99953725T ES 99953725 T ES99953725 T ES 99953725T ES 2228121 T3 ES2228121 T3 ES 2228121T3
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Abstract

Un procedimiento (4) para controlar el funcionamiento de una turbina eólica (1) que comprende un rotor (2) con varias aspas montado rotativamente sobre un eje (3) principalmente horizontal, cuyo procedimiento consiste en: a) controlar (4) el paso de las aspas de la turbina eólica (1) en función de los parámetros medidos con objeto de optimizar el funcionamiento de la turbina eólica (1) en cuanto a la energía producida en condiciones variables del tiempo y del viento, y b) medir (7, 8) las cargas mecánicas sobre las aspas, caracterizado porque consiste además en: utilizar las cargas mecánicas medidas (7, 8) para calcular la posición de la punta de las aspas y ajustar el control (4) de la turbina eólica (1) con objeto de mantener una cierta distancia de seguridad entre las aspas y la torre (5).

Description

Procedimiento de control de la operación de una turbina eléctrica y turbina eléctrica para usarse en dicho procedimiento.
Campo de la técnica
La presente invención está relacionada con un procedimiento para controlar el funcionamiento de una turbina eólica, y con una turbina eólica utilizable con dicho procedimiento, según se establece en las reivindicaciones 1 y 7 respectivamente.
Técnica anterior
En las turbinas eólicas de este tipo, es sabido cómo controlar el paso de las aspas de la turbina eólica en función de unos parámetros medidos tales como la velocidad del viento, la turbulencia del viento, es decir, la velocidad variable del viento, etc., con el fin de optimizar el funcionamiento de la turbina eólica en cuanto a producir toda la energía posible en condiciones variables del tiempo y del viento. El procedimiento convencional para dimensionar las aspas de las turbinas eólicas consiste en dimensionar el aspa para que soporte las cargas mecánicas a las que será sometida durante el funcionamiento normal, teniendo en cuenta los necesarios márgenes de seguridad. A muy altas velocidades del viento, es normal parar las turbinas eólicas para evitar las sobrecargas mecánicas. Durante estos periodos de parada, el control de guiñada sigue estando activo, manteniendo el plano del rotor perpendicularmente a la dirección del viento, pero se interrumpe la rotación y se giran las aspas para sacarlas del viento. Cuando la velocidad del viento disminuye de nuevo por debajo de un cierto límite, la turbina eólica es arrancada de nuevo.
Por el documento US-4.339.666 se conoce el control del paso de las aspas de una turbina eólica de tal modo que el funcionamiento sea completamente seguro, es decir, esté controlado para que las cargas máximas sobre el rotor, el reductor y el generador se mantengan por debajo de los valores máximos admisibles. Esta patente describe el uso de la velocidad media del viento y del factor de turbulencia como parámetros principales del control. Esto tiene el inconveniente de no tomar en consideración las variaciones de la velocidad del viento sobre la superficie del rotor (cortante del viento).
Por el documento DE 197 31 918 se sabe también como controlar el paso de las aspas de la turbina eólica en función de las cargas mecánicas medidas sobre las aspas, controlando el paso de tal modo que durante el funcionamiento las cargas mecánicas se mantengan por debajo de ciertos límites.
Sin embargo, ninguno de estos documentos indica la posibilidad de usar las cargas mecánicas medidas para deducir una información sobre la posición de la punta de las aspas y utilizar esta información para influir sobre el control de la turbina eólica con objeto de mantener una cierta distancia de seguridad entre el aspa y la torre.
Descripción de la invención
El objetivo de la presente invención es proporcionar un procedimiento para controlar el funcionamiento de una turbina eólica, y una turbina eólica para utilizar con el tipo de procedimiento citado anteriormente, con el cual el posible efectuar el control de la turbina eólica de tal modo que se mantenga una cierta distancia de seguridad entre la punta de las aspas y la torre, y este objetivo se alcanza con un procedimiento de este tipo que, según la presente invención, incluye además las características establecidas en la cláusula caracterizadora de la reivindicación 1, y con una turbina eólica de dicho tipo que, según la presente invención, incluye además las características establecidas en la cláusula caracterizadora de la reivindicación 7. Con este dispositivo, la función de control de la turbina eólica tiene acceso a las cargas mecánicas instantáneas ejercidas sobre las aspas, y puede controlar la turbina eólica de tal modo que se tenga en cuenta la posición de la punta de las aspas deducida de las cargas mecánicas medidas para fijar los parámetros de control, permitiendo así mantener una cierta distancia de seguridad durante el funcionamiento. Debido a que el controlador tiene acceso a las cargas mecánicas medidas sobre las aspas, el controlador puede controlar la turbina eólica cerca de los límites de las cargas mecánicas de las aspas sin riesgo alguno de sobrepasar estos límites, con lo cual puede optimizarse el control para maximizar la energía producida hasta un grado mayor que en una situación en la que la optimización esté limitada por la posible variación estadística desconocida del campo del viento durante el funcionamiento, que puede depender en gran medida de las condiciones meteorológicas y del viento, y que es variable entre las posiciones superior e inferior del aspa (cortante del viento). Este control de la turbina eólica cerca de los límites de las cargas mecánicas se denomina en la siguiente descripción control agresivo.
Breve descripción de los dibujos
En la siguiente parte detallada de la presente invención se explicará la invención con mayor detalle, haciendo referencia a la realización ejemplar de una turbina eólica para utilizar con el procedimiento según la invención que se muestra en los dibujos, en los cuales:
la Figura 1 muestra un croquis de una turbina eólica que incluye unos sensores de carga mecánica montados para medir las cargas mecánicas sobre las aspas, y
la Figura 2 muestra esquemáticamente diferentes curvas de potencia para turbinas eólicas controladas de diferentes modos, y
la Figura 3 muestra esquemáticamente la carga mecánica sobre las aspas en función de la velocidad del viento, correspondiendo a las diferentes curvas de potencia representadas en la Figura 2.
Descripción de la realización preferida
La turbina eólica 1 representada en la Figura 1 comprende un rotor 2 con varias aspas que giran sobre un eje 3 principalmente horizontal arrastrando un generador eléctrico 6, todo ello montado en lo alto de una torre 5. Con el fin de situar el plano del rotor 2 contra el viento (control de guiñada), la parte superior de la torre gira sobre un eje vertical. La turbina eólica es del tipo en el cual la rotación del rotor 2 se controla controlando individualmente el paso de cada una de las aspas del rotor en función de unos parámetros medidos. La unidad de control 4 que controla el paso de las aspas y posiblemente la posición del rotor con relación a la dirección del viento y otros parámetros de control está situada en un lugar adecuado de la turbina eólica 1 para que reciba la información sobre los parámetros medidos, tales como velocidad del viento, turbulencia del viento, potencia producida por el generador 6, dirección del viento, etc. La unidad de control 4 está conectada también para que reciba las medidas de sensores tales como unos medidores 7, 8 de deformación situados sobre las aspas del rotor 2 con objeto de medir las cargas mecánicas sobre dichas aspas mediante los sensores 7, tipo medidor de deformación por fibra óptica, y el momento motor de cada aspa en la raíz de la misma mediante el medidor 8 de deformación por fibra óptica. La turbina eólica puede incluir unas unidades de control que funcionen junto con la unidad de control 8 en un sistema de controladores múltiples.
Cuando se dimensionan las aspas con el fin de evitar sobrecargas mecánicas, existen esencialmente dos posibilidades, de las cuales una consiste en dimensionar las aspas para que sean más rígidas y la otra en controlar la turbina eólica menos agresivamente para reducir la curvatura del aspa. Sin embargo, la primera posibilidad incrementará el precio de la construcción y la segunda posibilidad reducirá la cantidad de energía producida, según se ilustra en la Figura 2 y se explica a continuación.
Mediante la medición de las cargas mecánicas sobre las aspas y la deducción de la información sobre la posición de la punta de las aspas, y utilizando esta información para controlar la turbina eólica, es posible controlar la turbina eólica de tal modo que pueda utilizarse una construcción del aspa menos rígida y pueda emplearse durante la mayor parte del tiempo un control de la turbina eólica relativamente agresivo, ya que se dispone de una información que indica cuando deberá utilizarse un control menos agresivo en la turbina eólica. Naturalmente, las mediciones individuales de las cargas se utilizan para el control individual del paso de cada aspa.
Mediante la medición de las cargas mecánicas sobre las aspas, el control puede deducir la curvatura de las aspas y con ello la posición de la punta de las aspas, con lo cual puede variarse la distancia de seguridad entre la torre y la punta de las aspas siempre que se conozca la característica instantánea del viento. Puede obtenerse una variación de la distancia de seguridad mediante el uso de diferentes algoritmos de control.
La Figura 2 muestra una curva de potencia típica A para una turbina eólica controlada para optimizar la producción de energía. Con vientos flojos, la turbina eólica no produce ninguna energía y a una cierta velocidad mínima del viento comienza la producción de energía, y según aumenta la velocidad del viento, la producción de energía aumenta hasta alcanzar la potencia nominal P_{N}. Con vientos más fuertes, la turbina eólica produce energía al nivel de P_{N} y el paso de las aspas se controla para mantener una producción de potencia constante. A una cierta velocidad del viento (típicamente 25 m/s), se para la turbina según se describió anteriormente, con el fin de evitar sobrecargas mecánicas de las aspas y de otras piezas constructivas de la turbina eólica. (El límite típico para el nuevo arranque, según se describió anteriormente, es una velocidad del viento de 20 m/s).
La Figura 3 muestra la carga mecánica típica sobre las aspas del rotor, es decir, el par de curvatura en una dirección perpendicular al plano del rotor, y muestra que la carga aumenta con el aumento de la velocidad del viento hasta el punto en el que se genera la potencia nominal, después del cual se disminuye el paso de las aspas con respecto al viento y correspondientemente se reduce la carga mecánica. Si la turbina eólica está produciendo energía cerca del punto en el cual se empieza a reducir el paso de las aspas, unas condiciones de viento racheado producirán una carga mecánica que será superior al máximo de la curva A, según indica la línea de trazos E.
La turbina eólica puede estar provista además de unos sensores de carga mecánica que detecten el par motriz de cada aspa. El par motriz medido en cada aspa individual será la suma del par gravitatorio sobre cada aspa, que varía según la posición del aspa durante cada rotación, es decir según una curva senoidal, y el par del viento sobre cada aspa, que es una función del viento real que incide sobre el aspa. La parte senoidal de la curva de par de cada aspa puede utilizarse para calcular la posición angular del aspa, y la parte de par dependiente del viento sobre cada aspa puede utilizarse para detectar condiciones de error en la turbina eólica cuando no se obtenga la correspondencia esperada entre la velocidad del viento y el par del aspa. Tales errores pueden ser debidos a la formación de hielo, al polvo depositado sobre las aspas, a un control del paso que no funcione correctamente, a errores en los distintos sensores del sistema de control, etc.
Puede recogerse una información estadística sobre las cargas mecánicas medidas en las aspas con el fin de obtener una base para evaluar el emplazamiento en el cual se encuentra la turbina eólica y así optimizar mediante esta información las funciones de control de la turbina eólica, o puede utilizarse la información para planificar nuevas turbinas eólicas. Además, puede utilizarse esta información estadística para planificar el trabajo de mantenimiento sobre la turbina eólica.
Con la presente invención, puesto que se miden las cargas mecánicas sobre las aspas, puede elegirse el control de la producción de energía de la turbina eólica según las características instantáneas del viento y los correspondientes márgenes de seguridad para las aspas, operando de un modo más o menos agresivo, según indican las curvas B y C de la Figura 2. Las cargas mecánicas resultantes sobre las aspas son las indicadas por las curvas B y C de la Figura 2. En condiciones de viento estable y laminar, es posible conseguir un control más agresivo según indica la curva B, y en condiciones menos favorables, con turbulencias y velocidades variables del viento, puede que sea necesario controlar la turbina eólica según una curva sustancialmente menos agresiva, como la curva C de la Figura 2. De este modo, se obtiene la optimización para una determinada turbina eólica, ya que la turbina eólica será controlada de un modo menos agresivo sólo durante una parte limitada del tiempo, pero podrá ser controlada de un modo más agresivo durante la mayor parte del tiempo.
Otra posibilidad es dejar que la turbina eólica produzca una energía reducida a las velocidades del viento superiores a la velocidad máxima V_{M} usual, según indica la curva D de la Figura 2. Se asume que será posible un funcionamiento seguro y optimizado dentro de este margen de viento fuerte cuando se controle el paso de las aspas según las cargas mecánicas medidas sobre las aspas.

Claims (9)

1. Un procedimiento (4) para controlar el funcionamiento de una turbina eólica (1) que comprende un rotor (2) con varias aspas montado rotativamente sobre un eje (3) principalmente horizontal, cuyo procedimiento consiste en:
a)
controlar (4) el paso de las aspas de la turbina eólica (1) en función de los parámetros medidos con objeto de optimizar el funcionamiento de la turbina eólica (1) en cuanto a la energía producida en condiciones variables del tiempo y del viento, y
b)
medir (7, 8) las cargas mecánicas sobre las aspas,
caracterizado porque consiste además en:
utilizar las cargas mecánicas medidas (7, 8) para calcular la posición de la punta de las aspas y ajustar el control (4) de la turbina eólica (1) con objeto de mantener una cierta distancia de seguridad entre las aspas y la torre (5).
2. Un procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque consiste además en:
controlar (4) el paso de las aspas de la turbina eólica (1) de tal modo que durante el funcionamiento las cargas mecánicas medidas se mantengan por debajo de ciertos límites.
3. Un procedimiento según las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque consiste además en:
utilizar las cargas mecánicas medidas (7, 8) para deducir información sobre el carácter del campo de viento y adaptar el control (4) de la turbina eólica (1) en función del mismo.
4. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque consiste además en:
controlar (4) individualmente el paso de las aspas de la turbina eólica (1) en función de las cargas mecánicas medidas (7, 8) sobre las aspas.
5. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque consiste además en:
utilizar las cargas mecánicas medidas (7, 8) para conseguir un funcionamiento seguro de la turbina eólica (1) con una reducción de la energía producida con vientos más fuertes (D), con los cuales se paran normalmente las turbinas eólicas (1).
6. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque consiste además en:
recoger información estadística sobre las cargas mecánicas medidas (7, 8) en las aspas.
7. Una turbina eólica (1) para utilizar con un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, la cual comprende:
un rotor (2) con varias aspas montado rotativamente sobre un eje (3) principalmente horizontal,
un medio (4) para controlar el paso de las aspas en función de los parámetros medidos
unos sensores (7, 8) de carga mecánica montados para medir las cargas mecánicas sobre las aspas y conectados para influir sobre el medio (4) para controlar el paso de las aspas,
caracterizada porque los sensores (7, 8) de carga mecánica están conectados a un controlador (4) que incluye unos medios para calcular la posición de la punta de las aspas e influir sobre el control (4) del ángulo de paso de cada aspa individual para mantener una cierta distancia de seguridad entre las aspas y la torre (5).
8. Una turbina eólica (1) según la reivindicación 7, caracterizada porque el controlador (4) incluye además unos medios para controlar (4) el paso de las aspas de la turbina eólica (1) de tal modo que durante el funcionamiento las cargas mecánicas medidas se mantengan por debajo de ciertos límites.
9. Una turbina eólica (1) según las reivindicaciones 7 u 8, caracterizada porque el controlador (4) incluye además unos medios para deducir información sobre el carácter del campo del viento e influir sobre el control (4) de la turbina eólica (1) en función del mismo.
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