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WO2017005945A1 - Corrección de errores sistemáticos en el alineamiento de aerogeneradores - Google Patents

Corrección de errores sistemáticos en el alineamiento de aerogeneradores Download PDF

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WO2017005945A1
WO2017005945A1 PCT/ES2016/000073 ES2016000073W WO2017005945A1 WO 2017005945 A1 WO2017005945 A1 WO 2017005945A1 ES 2016000073 W ES2016000073 W ES 2016000073W WO 2017005945 A1 WO2017005945 A1 WO 2017005945A1
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WO
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wind turbine
gondola
wind
deviation
power
Prior art date
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Ceased
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PCT/ES2016/000073
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English (en)
French (fr)
Inventor
Pablo Vital Amuchastegui
Octavio Hernandez Mascarell
Alberto Moreno Robles
Carlos PIZZARRO DE LA FUENTE
Jaime Suarez Aizpun
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Gamesa Renewable Energy Innovation and Technology SL
Original Assignee
Gamesa Innovation and Technology SL
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to MX2018000083A priority patent/MX380382B/es
Priority to BR112018000096-5A priority patent/BR112018000096B1/pt
Priority to DK16820883.3T priority patent/DK3321504T3/da
Priority to US15/741,418 priority patent/US10527024B2/en
Priority to EP16820883.3A priority patent/EP3321504B1/en
Priority to CN201680039456.6A priority patent/CN107709763B/zh
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a control method for correcting any type of wind turbine alignment error using mathematical algorithms enhanced in the wind turbine controller based on operational variables to minimize the annual energy production losses (AEP) of the wind turbine.
  • AEP annual energy production losses
  • Horizontal axis wind turbines consist of a fixed tower that raises a gondola on the ground that carries an electric generator connected to a rotor by mechanical means.
  • the rotor is made up of a hub that connects at least one blade that is responsible for transforming the kinetic energy of the wind into rotational movement of the rotor.
  • the optimum operating point of a horizontal axis wind turbine is obtained when the rotor axis is parallel to the wind direction, stating that the energy produced is maximized and loads are minimized.
  • the optimum production and maximum perpendicularity to the wind do not coincide in general, due to any wind condition that generates asymmetries of speed in the rotor plane. This is wind dependent and different in each wind turbine.
  • the gondola is capable of having movement with respect to the tower that supports it, so that it allows the rotor to orient itself in the direction of the wind by means of a mechanical system that moves it to a desired orientation (yaw system) in order to take full advantage of the wind and produce maximum power.
  • This yaw system rotates the wind turbine gondola around a vertical yaw axis, coinciding with the vertical axis of the tower, until the axis of rotation of the blades is approximately aligned with the wind direction.
  • the wind turbine has a yaw error determined by the angle of deviation from said Optimal position.
  • the yaw system has a wind direction measurement system composed of sensors, usually located in the upper part of the wind turbine gondola, behind the rotor.
  • Document US2015086357A1 describes a yaw scanning procedure identifying the possible misalignment and measurement of wind turbine output power during operation under operating conditions. This process is difficult to automate, requiring a manual subsequent process. Solutions are found in the state of the art that address the misalignment problem by positioning the sensors in front of the wind turbine rotor, such as those described in EP2626549A1.
  • Document US2013114067A1 describes an optical control system for a wind turbine comprising the incorporation of sensors, in front of the wind turbine rotor, which provide measurements based on those, in combination with those obtained in the sensors of the wind turbine gondola , try to position the wind turbine in the optimal position.
  • the present invention aims to overcome the drawbacks of the state of the art using only basic variables such as power, wind speed, wind direction or motor rotation speed for the correct measurement of yaw error by means of a system of systematic error control in the alignment of the gondola of a wind turbine with respect to the wind direction that optimizes the production, being general and automatic, so that it can be applied to any type of horizontal axis wind turbine installed in any location of a wind farm and that does not involve adding additional measuring devices to existing ones (speed and wind direction, power and rotor rotation measurement sensors).
  • the objective of the invention is to detect the systematic deviation of the existing orientation device with respect to the point that maximizes energy efficiency.
  • the present invention entails, an automation of the alignment method without the need for additional sensors to those conventionally existing in horizontal axis wind turbines, a numerical method that directs the search for the optimal result by drastically reducing the time needed to obtain stable results, and a low frequency filtering procedure and automatic statistical convergence criteria.
  • control system determines the need to perform yaw angle measurements, as well as that the control system quantifies the value of the misalignment, not only by direct wind direction measurement, but also through a set of values that are a function of wind speed.
  • the invention also mitigates the effects of misalignment by means of corrective measures that apply the values obtained in the measurements, either in the PLC or in the data acquisition hardware.
  • the gondola is oscillated at a constant rate in which there are no influences of the meteorological variations (bursts, turbulence, shear changes, diurnal and seasonal oscillations) or of machine variations (tower resonance, rotor rotation or vibration modes). These oscillations have frequency ranges lower than any mode of operation of the machine and greater than any variation of meteorological type.
  • the object of the invention lies in the association of the numerical analysis method with the variations in efficiency caused by the gondola oscillations.
  • the efficiency being the power produced at each moment with respect to the wind.
  • optimization numerical analysis algorithms allow the search for an optimal condition (alignment angle ⁇ *) : without prior knowledge of the plant, and require only as input information the cost function to optimize.
  • This optimization numerical analysis algorithm must have a low and high frequency filtering stage of the wind turbine components and can be an algorithm of the following type: ESC algorithm: Extremum Seeking Control (IEEE control systems. 26 (1): 70 - 79.).
  • the object of the invention is also that the control system be able to anticipate any failure that may occur in the measurement sensors, for this the control system makes redundant measurements of the wind direction.
  • Figure 1 shows a perspective view of a conventional wind turbine.
  • Figure 2 shows a curve of the relationship between the power generated and the yaw angle of the wind turbine according to the prior art.
  • Figures 3a and 3b show respectively a plan view of a wind turbine whose gondola deviated from the wind direction and a wind turbine with its gondola aligned with the wind direction.
  • Figure 4A shows a scheme of the control system implemented in the wind turbine according to the invention.
  • Figure 4B shows a schematic of the algorithm implemented in the control system.
  • Figure 5 shows a flow chart of the operation of the control system.
  • Embodiments of the invention Figure 1 is a profile view showing a wind turbine (1) of according to a preferred embodiment of the invention.
  • the wind turbine (1) includes a tower (2) that rises vertically on a foundation (3), a gondola (4) mounted on top of the tower (2), and a rotor (5) mounted on the front end of the gondola (4) so that it is rotatably supported with respect to a substantially horizontal axis X1-X1.
  • the rotor (5) has at least one blade (6), as shown in Figure 1, mounted in a radial pattern with respect to its axis of rotation. Therefore, the wind energy when blowing against the blades (6) of the wind turbine from the direction of the rotation axis of the rotor (5) is converted into motion energy that rotates the rotor (5) with respect to the axis of rotation .
  • An anemometer (7) measures the wind speed in the vicinity and an anemoscope (7) measures the wind direction, and for this purpose they are arranged in suitable locations of the peripheral outer surface (for example, at the top) of the gondola (4) of the wind turbine.
  • Wind turbine misalignment is understood as the condition in which the wind turbine gondola is offset by an angle (a) with respect to the real direction (v) of the wind at specific moments, see figure 3a.
  • the control system of the invention makes the gondola oscillate by performing periodic movements in the yaw of the gondola (4) with respect to the wind direction, at a constant rate in which there are no influences of variations weather conditions such as gusts, turbulence or changes in cuts, among others.
  • the oscillations have frequency ranges preferably less than any mode of operation of the machine, therefore less than 0.1 Hz and preferably greater than any variation of the meteorological type, therefore greater than 0.0005Hz.
  • the gondola is swinging, there should be no Interferences of machine operation such as tower resonance, rotor rotation or other vibration modes.
  • Power variation data is extracted with known modulation and filtering techniques, which is combined with a numerical power optimization analysis algorithm (Figure 4B) that is based on obtaining the optimum value of an efficiency function f obtained of the aerodynamic power model of each wind turbine (1) and which must have a filtering stage attenuating low (k / s filter) and high frequencies (s / s + h) of the wind turbine components.
  • Figure 4B numerical power optimization analysis algorithm
  • ⁇ * is the optimal alignment value of the gondola that maximizes f ( ⁇ ), so f ( ⁇ *) will be f *.
  • k / s is the filter that attenuates low frequencies and s / s + h the filter that attenuates high frequencies.
  • the value ⁇ * corresponds to the maximum power measured in the forced oscillation of the gondola caused by the algorithm.
  • the objective is to find an optimal value ⁇ * that maximizes the efficiency function f *.
  • This efficiency optimization numerical analysis algorithm can be of the type: the so-called ESC (Extremum Seeking Control), the so-called HOO (Hierarchical Optimistic Optimization) algorithm based on guillada sweeps or the Modified Secant algorithm, based on the method of Brent.
  • This efficiency function y f ( ⁇ ) is the ratio between the power measured by the wind turbine sensors and the power available in the wind.
  • the yaw of the gondola (4) is progressively oriented towards the positions that maximize that efficiency melt, until maximum f * is reached and remains stable at a predetermined deviation value.
  • the optimization algorithm is implemented in a modular composition, so that it does not affect the controller.
  • Figure 4A shows how the algorithm is integrated into the existing software in the wind turbine.
  • the algorithm is compatible with the normal operation of the wind turbine, including maintenance actions, alarms among others.
  • the wind direction sensor misalignment signal is sent to the alignment logic unit that subsequently orients the wind turbine gondola.
  • the output signal of the optimization algorithm is also sent to the alignment logic unit to calculate the error and the modulation signal.
  • the control system (20) of the invention as shown in Figure 4A comprises a unit of acquisition (8) of parameters that relate the wind direction (v) with the deviation (a) of the gondola (4) of the wind turbine, a calculation unit (9) of the wind turbine efficiency function (1) and a comparison unit (10) of deviation of the gondola (4) and that by means of a power optimization algorithm progressively orients the gondola (4) of the wind turbine towards positions that maximize the efficiency function.
  • control system follows the following steps:
  • the yaw orientation system move the gondola (4) following the reference that has accumulated the sum of the orientation and the external deviation.
  • the control system (20) will impose an oscillatory movement to the yaw system in addition to the movement of the previous step, provided that the wind conditions are within the predetermined safety limits.

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Abstract

Sistema de control para corregir errores sistemáticos en el alineamiento del aerogenerador mediante algoritmos matemáticos implementados en el controlador del aerogenerador. Se han analizado diversos algoritmos de optimización obteniendo resultados que orientan la góndola del aerogenerador hacia posiciones que maximizan la eficiencia. El sistema de control comprende una unidad de adquisición (8) de parámetros que relacionan la dirección del viento con la desviación de la góndola del aerogenerador, una unidad de cálculo (9) de la función de eficiencia del aerogenerador y una unidad de comparación (10) de desviación de la góndola (4).

Description

CORRECCIÓN DE ERRORES SISTEMÁTICOS EN EL ALINEAMIENTO DE AEROGENERADORES
Obleto de la Invención.
La presente invención se refiere a un método de control para corregir cualquier tipo de error en el alineamiento en aerogeneradores mediante algoritmos matemáticos imptementados en el controlador del aerogenerador basado en variables operacionaies para minimizar las pérdidas de producción de energía anual (AEP) del aerogenerador.
Antecedentes de la invención.
Los aerogeneradores de eje horizontal constan de una torre fija que eleva sobre el suelo una góndola que porte un generador eléctrico conectado a un rotor por medios mecánicos. El rotor está conformado por un buje que une al menos una pala que se encarga de transformar la energía cinética del viento en movimiento de rotación del rotor. Es conocido en el estado de lá técnica que el punto de funcionamiento óptimo de un aerogenerador de eje horizontal se obtiene cuando el eje del rotor es paralelo a la dirección del viento, afirmando que se maximiza la energía producida y se minimizan las cargas. Sin embargo, el óptimo de producción y la máxima perpendicularidad al viento no coinciden en general, debido cualquier condición de viento que genere asimetrías de velocidad en el plano del rotor. Esto es dependiente del viento y diferente en cada aerogenerador.
La góndola es capaz de tener movimiento respecto a la torre que la sustenta, de modo que permite al rotor orientarse en la dirección del viento mediante un sistema mecánico que lo mueve a una orientación deseada (sistema de guiñada) con objeto de aprovechar al máximo el viento y producir el máximo de potencia. Este sistema de guiñada gira la góndola del aerogenerador alrededor de un eje vertical de guiñada, coincidente con el eje vertical de la torre, hasta que el eje de rotación de las palas queda aproximadamente alineado con la dirección del viento. Cuando esta posición óptima no se alcanza, el aerogenerador tiene un error de guiñada determinado por el ángulo de desviación con respecto a dicha posición Óptima.
Sin embargo, dada la variabilidad natural de la dirección del viento se hacen necesarios sistemas que constantemente detecten la dirección del viento y en consecuencia, ajusten la posición del aerogenerador de cara a un máximo aprovechamiento del viento que permita producir el máximo de potencia. Por otro lado, un desalineamiento importante respecto a la dirección del viento provoca también el aumento de cargas en los componentes del aerogenerador que deriva en un deterioro de los mismos.
En este sentido, el sistema de guiñada dispone de un sistema de medición de la dirección del viento compuesto por sensores, ubicados habitualmente en la parte superior de la góndola del aerogenerador, detrás del rotor.
Sin embargo, hay varios factores a tener en cuenta en la medición de la dirección del viento que hacen que no se obtenga un valor correcto de las mediciones; la influencia del rotor sobre las corrientes de aire descendentes, el funcionamiento deficiente de los sensores por una instalación y/o configuración errónea, el flujo ascendente derivado de la ubicación de cada aerogenerador y por último, la evolución de los diseños de las secciones interiores de las palas que han evolucionado hacia una mayor efectividad aerodinámica y que producen una mayor deflexión de la corriente. Todo ello provoca que el aerogenerador no opere en las condiciones deseadas.
El documento US2015086357A1 describe un procedimiento de barrido de la guiñada identificando el posible desalineamiento y la medición de potencia de salida del aerogenerador durante el funcionamiento en condiciones de funcionamiento. Este proceso es difícilmente automatizable, requiriendo un proceso posterior manual. Se encuentran soluciones en el estado de la técnica que abordan la problemática del desalineamiento posicionando los sensores delante del rotor del aerogenerador, como las que se describen en el documento EP2626549A1. El documento US2013114067A1 describe un sistema de control óptico para un aerogenerador que comprende la incorporación de unos sensores, por delante del rotor del aerogenerador, que proporcionan unas mediciones en base a las que, en combinación con las obtenidas en los sensores de la góndola del aerogenerador, se intenta posicionar el aerogenerador en la posición óptima.
Se conocen del Estado de la técnica otras soluciones como las expuestas en la patente EP2267301B1 que describe un sistema de control de la guiñada de un aerogenerador que incorpora un canal de viento que pasa a través del buje del aerogenerador y que comprende un dispositivo de medición del flujo de aire pasante para, mediante un sistema de control, determinar el error de guiñada. Sin embargo esta solución no puede aplicarse a aerogeneradores ya instalados. Las soluciones existentes en el Estado de la Técnica están basadas en la misma idea: medir el viento en el rotor y su comparación con la medida del sensor en la góndola. Esto requiere el uso de sensores adicionales a los existentes en un aerogenerador (sensores de medición de velocidad, de medición de dirección de viento, de medición de potencia y medición de giro del rotor) con el coste que conlleva, ademas de la instalación, retirada y calibración de cada dispositivo de medida de cada aerogenerador que necesita ser ajustado.
A la vista de los inconvenientes de las soluciones anteriores, se prevé la necesidad de implementar una solución que no necesite la instalación de sensores adicionales para una correcta medición del error de guiñada y permita posicionar la góndola del aerogenerador en el punto óptimo de funcionamiento para maximizar la eficiencia. Las características del algoritmo de optimización permiten la automatización completa del proceso, lo que supone una ventaja técnica frente a numerosos procedimientos manuales del estado de la técnica.
Descripción de la Invención La presente invención tiene por objeto superar los inconvenientes del estado de la técnica utilizando únicamente variables básicas como potencia, velocidad de viento, dirección del viento o velocidad de giro del motor para la correcta medición del error de guiñada mediante un sistema de control del error sistemático en el alineamiento de la góndola de un aerogenerador con respecto a la dirección del viento que optimiza la producción, siendo general y automático, de forma que pueda ser aplicado a cualquier tipo de aerogenerador de eje horizontal instalado en cualquier localización de un parque eóiico y que no implica añadir dispositivos de medición adicionales a los ya existentes (sensores de medición de velocidad y, dirección de viento, potencia y giro del rotor). El objetivo de la invención es detectar la desviación sistemática del dispositivo existente de orientación con respecto al punto que maximiza la eficiencia energética.
Por lo tanto la presente invención conlleva, una automatización del método de alineamiento sin necesidad de sensores adicionales a los convencionalmente existentes en los aerogeneradores de eje horizontal, un método numérico que dirige la búsqueda del resultado óptimo reduciendo drásticamente el tiempo necesario para obtener resultados estables, y un procedimiento de filtrado de bajas frecuencias y criterio estadístico automático de convergencia.
Se conoce del Estado de la Técnica que la pérdida de potencia generada por el aerogenerador, derivada de un error de guiñada, sigue una curva basada en la ley del eos2 (ver figura 2), pudiendo estimarse las pérdidas de potencia partiendo de diferentes ángulos de desalineamiento.
En este sentido, es objeto de la invención que el sistema de control determine la necesidad de realizar mediciones del ángulo de guiñada, así como que el sistema de control cuantrftque el valor del desalineamiento, no solo mediante la directa medición de la dirección del viento, sino también mediante un conjunto de valores que sean función de la velocidad del viento. La invención también mitiga los efectos del desalineamiento mediante medidas correctivas que apliquen los valores obtenidos en las mediciones, bien en el PLC o bien en el hardware de adquisición de datos.
Para ello se hace oscilar la góndola a un ritmo constante en el que no haya influencias de las variaciones meteorológicas (ráfagas, turbulencia, cambios de cortadura, oscilaciones diurnas y estacionales) ni de variaciones de la máquina (resonancia de la torre, giro del rotor o modos de vibración). Dichas oscilaciones tienen unos rangos de frecuencia inferiores a cualquier modo de operación de la máquina y superiores a cualquier variación de tipo meteorológico.
Adicionalmente se asocia un algoritmo de análisis numérico de entre los algoritmos de optimización de eficiencia que tiene como objetivo encontrar una función y =f(θ) que maximice la eficiencia del aerogenerador donde Θ* es el alineamiento óptimo, la solución en cada instante es proporcional al cambio o derivada de la función analizada f y que incorpora una etapa de filtrado para atenuar bajas frecuencias de los componentes que generan las características de viento y meteorológicas y altas frecuencias de los componentes del aerogenerador.
El objeto de la invención radica en la asociación del método de análisis numérico a las variaciones de la eficiencia provocadas por las oscilaciones de la góndola. Siendo la eficiencia la potencia producida en cada instante con respecto al viento.
Para ello se prevé la impiementación de un algoritmo de análisis numérico de optimización de eficiencia (Fig 4B), basado en la influencia del desalineamiento en la curva de potencia del aerogenerador (Fig 2) y que comprende una etapa de filtrado donde se atenúan las altas y las bajas frecuencias de los componentes. Este tipo de algoritmos puede implementarse en cualquier tipo de aerogenerador convencional actual. Las ventajas del sistema de control respecto a las existentes en el Estado de la Técnica son:
- el algoritmo de optimización permite la automatización completa del proceso
- no necesita sensores adicionales a los existentes en el aerogenerador (sensor de medición del viento, sensor de medición de la velocidad del viento, sensor de velocidad de giro del rotor y sensor de medición de potencia)
- utilización de variables básicas como son potencia, velocidad de viento, velocidad de giro del rotor
- tiempos mfnimos de convergencia del algoritmo y baja incertidumbre de los resultados.
Estos algoritmos de análisis numéricos de optimización permiten la búsqueda de una condición óptima (ángulo de alineamiento Θ*) : sin un conocimiento a priori de la planta, y requieren tan solo como información de entrada la función de coste para optimizar. Este algoritmo de análisis numérico de optimización debe de llevar una etapa de filtrado de bajas y altas frecuencias de los componentes del aerogenerador y puede ser un algoritmo del siguiente tipo: algoritmo ESC: Extremum Seeking Control (IEEE control systems. 26(1):70 - 79.).
algoritmo HOO .Hierarchical Optimistic Optimization (Bubeck.S et al. "Online Optimization in x-armed bandits". OPT 2008 Optimization for Machine Learning.https://opt
2008.kyb.tuebingen.mpg.de/papere/bubeck.pdf basado en barridos de guiñada.
algoritmo de la Secante Modificada, basado en el método de Brent (International Conference on Mechatronics & Automation, 2005, pp 248-253)
La invención también tiene como objeto que el sistema de control sea capaz de anticiparse a cualquier fallo que pueda ocasionarse en los sensores de medición, para ello el sistema de control realiza mediciones redundantes de la dirección del viento.
Estos y otros aspectos de la invención se describirán de una forma más detallada con ayuda de los dibujos que se describen a continuación.
Breve descripción de los dibujos.
La invención y su modo de operación se entenderán de manera más completa a partir de la siguiente descripción detallada junto con las siguientes figuras esquemáticas:
La figura 1 muestra una vista en perspectiva de un aerogenerador convencional.
Las figura 2 muestra una curva de la relación existente entre la potencia generada y el ángulo de guiñada del aerogenerador según el Estado de la Técnica. Las figuras 3a y 3b muestran respectivamente una vista en planta de un aerogenerador cuya góndola desviada de la dirección del viento y un aerogenerador con su góndola alineada con la dirección del viento.
La figura 4A muestra un esquema del sistema de control implementado en el aerogenerador según la invención.
La figura 4B muestra un esquema del algoritmo implementado en el sistema de control. La figura 5 muestra un diagrama de flujo del funcionamiento del sistema de control.
Modos de realización de la invención La figura 1 es una vista en perfil que muestra un aerogenerador (1 ) de acuerdo con una realización preferente de la invención. El aerogenerador (1) incluye una torre (2) que se eleva verticalmente sobre una cimentación (3), una góndola (4) montada en la parte superior de la torre (2), y un rotor (5) montado en el final frontal de la góndola (4) de forma que se soporta de forma rotativa con respecto a un eje sustancialmente horizontal X1-X1.
El rotor (5) tiene al menos una pala (6), como se muestra en la figura 1 , montada en un patrón radial con respecto a su eje de rotación. Por lo tanto, la energía del viento al soplar contra las palas (6) del aerogenerador desde la dirección del eje de rotación del rotor (5) se convierte en energía de movimiento que hace girar el rotor (5) con respecto al eje de rotación. Un anemómetro (7) mide la velocidad del viento en la vecindad y un anemoscopio (7) mide la dirección del viento, y para ello se disponen en localizaciones adecuadas de la superficie externa periférica (por ejemplo, en la parte superior) de la góndola (4) del aerogenerador.
El flujo de viento que pasa por el rotor (5) adquiere un momento rotacional en la dirección opuesta al giro del rotor (5). La corriente de viento medida por el sensor de dirección de viento (7) que está colocado en la góndola es desviada de su dirección original contracorriente del aerogenerador. Este efecto depende del perfil de la raíz de pala, de la forma de la góndola y del posicionamiento del sensor en la góndola (4). Este fenómeno se puede ver en la figura 3a. Se entiende como desalineamiento del aerogenerador, la condición en la que la góndola del aerogenerador se encuentra desviada un ángulo (a) con respecto a la dirección real (v) del viento en instantes puntuales, ver figura 3a. Esta desviación (a) de la góndola (4) con respecto a la dirección (Y) del viento puede sospecharse por diferentes motivos; por la obtención de una curva de potencia generada menor de la estimada para condiciones Óptimas de funcionamiento, mediante una comparación de la posición real (a) de la góndola (4) y de la posición que debería de tener en función de los datos de la dirección real (v) del viento obtenidos del anemoscopio (7) o visualmente al observar una alineación diferente a la que determinan los aerogeneradores de alrededor. La figura 3a muestra un aerogenerador cuya góndola (4) muestra una desviación (a) con respecto a la dirección del viento (Y), de forma que el viento no incide en las palas de forma correcta disminuyendo la producción de potencia, mientras que la figura 3b, muestra un aerogenerador correctamente orientado respecto a la dirección del viento (v). En la Figura 3b, el sensor está desalineado respecto a la viento incidente en el rotor, pero la referencia mandada a la lógica de alineación incluye una corrección y por tanto la góndola es alineada correctamente.
Por otro lado, se conoce del Estado de la Técnica que la pérdida de potencia generada por el aerogenerador, derivada de un error de guiñada, sigue una curva basada en la ley del eos2 (ver figura 2), pudiendo estimarse las pérdidas de potencia partiendo de diferentes ángulos (a¡) de desalineamiento.
En este sentido, resulta imperativo conocer el valor real de la desviación de la góndola (4) del aerogenerador (1) con respecto de la dirección del viento (v) de manera que ésta pueda ser corregida. Sin embargo, se sabe que debido al ruido, las turbulencias, la oscilación de la góndola (4) y otros factores, la medida de la dirección del viento (v) por parte del anemómetro (7) puede verse afectada, por lo que se precisa relacionar el desvio en el ángulo (a) de guiñada con respecto a otra variable, como la velocidad del viento.
Para ello, el sistema de control de la invención (Figura 4A) hace oscilar la góndola realizando movimientos periódicos en la guiñada de la góndola (4) con respecto a la dirección del viento, a un ritmo constante en el que no haya influencias de variaciones meteorológicas como pueden ser ráfagas, turbulencias o cambios de cortaduras entre otros. Las oscilaciones tienen unos rangos de frecuencia preferiblemente inferiores a cualquier modo de operación de la máquina, por tanto inferiores a 0.1 Hz y preferiblemente superiores a cualquier variación del tipo meteorológico, por tanto superiores a 0.0005Hz. Cuando se hace oscilar la góndola tampoco debe haber interferencias del funcionamiento de la máquina como resonancia de la torre, giro del rotor u otros modos de vibración. Se extrae los datos de variación de potencia con técnicas de modulación y filtrado conocidas, lo cual se combina con un algoritmo de análisis numérico de optimización de potencia (figura 4B) que se basa en la obtención del valor óptimo de una función de eficiencia f obtenida del modelo de potencia aerodinámica de cada aerogenerador (1) y que debe de llevar una etapa de filtrado atenuando bajas (filtro k/s) y altas frecuencias (s/s+h) de los componentes del aerogenerador.
El algoritmo mostrado en la fig 4B fuerza oscilaciones sinusoidales de baja frecuencia y alta amplitud en la góndola. Estas oscilaciones deben de ser invisibles frente al resto de control del aerogenerador para evitar que el cóntrol de guiñada intente contrarrestarlas. Siendo f(θ) la eficiencia, k la ganancia del algoritmo, h el parámetro característico del filtro, s la variable de Laplace, a y w la amplitud y la frecuencia respectivamente, Θ* es el valor óptimo de alineamiento de la góndola que maximiza la f(θ), por lo que f(θ*)será f*. k/s es el filtro que atenúa frecuencias bajas y s/s+h el filtro que atenúa frecuencias altas.
El valor Θ* es el correspondiente a la máxima potencia medida en la oscilación forzada de la góndola causada por el algoritmo.
El objetico es encontrar un valor óptimo Θ* que haga máxima la función de eficiencia f*.
El algoritmo de optimización asegura estabilidad y convergencia del resultado. Este algoritmo de análisis numérico de optimización de eficiencia puede ser del tipo: el denominado ESC (Extremum Seeking Control), el denominado algoritmo HOO (Hierarchical Optimistic Optimization ) basado en barridos de guillada o el algoritmo de la Secante Modificada, basado en el método de Brent. Esta función de eficiencia y = f(θ) es el ratio entre la potencia medida por los sensores del aerogenerador y la potencia disponible en el viento. La guiñada de la góndola (4) se orienta progresivamente hacia las posiciones que maximizan esa fundón de eficiencia, hasta que se alcanza el máximo f* y se mantiene estable en un valor de desviación predeterminado.
El algoritmo de optimización es implementado en una composición modular, de tal modo que no afecte al controlador. La figura 4A muestra cómo se integra el algoritmo en el software existente en el aerogenerador. El algoritmo es compatible con el funcionamiento normal del aerogenerador, incluyendo las acciones de mantenimiento, alarmas entre otros. La señal de desalineamiento del sensor de dirección del viento es mandada a la unidad de lógica de alineación que posteriormente orienta la góndola del aerogenerador. La señal de salida del algoritmo de optimización también se manda a la unidad de lógica de alineación para calcular el error y la señal de modulación El sistema de control (20) de la invención, tal y como se muestra en la figura 4A comprende una unidad de adquisición (8) de parámetros que relacionan la dirección del viento (v) con la desviación (a) de la góndola (4) del aerogenerador, una unidad de cálculo (9) de la función de eficiencia del aerogenerador (1) y una unidad de comparación (10) de desviación de la góndola (4) y que mediante un algoritmo de optimización de potencia orienta progresivamente la góndola (4) del aerogenerador hacia posiciones que maximizan la función de eficiencia.
Tal y como se muestra en el diagrama de flujo de la figura 5 el sistema de control sigue los siguientes pasos:
- Obtención de valores de diferentes parámetros mediante el hardware (21 ) existente en el aerogenerador, pudiendo ser estos parámetros la dirección de viento, la velocidad de viento, la posición de góndola, la potencia producida, las condición de desenrolle del cableado entre la torre y la góndola, la condición de orientación de la góndola y/o el estado de operación del aerogenerador, siendo estos estados de operación; emergencia, stop, pausa y producción
- Comprobación del estado de operación del aerogenerador, verificando la producción de energía en funcionamiento normal, es decir en producción, dentro de los rangos de viento predefinidos y sin que se detecten alarmas. a) Si el estado de operación no es el adecuado, se vuelve a comprobar hasta que el aerogenerador se encuentre en estado producción.
b) Si el estado de operación es el adecuado, se comprueba que las condiciones de orientación y/o de desenrolle están activadas. - Si las condiciones de orientación y/o de desenrolle estén activadas se inhiben las oscilaciones de la guiñada de cálculo de la función de eficiencia., por lo que no se hace oscilar la góndola.
- Si las condiciones de orientación y/o de desenrolle están desactivadas se lanza el algoritmo de optimización de potencia (Fig
4B) del cual se obtiene una señal denominada desviación externa que hace oscilar la góndola.
En el algoritmo de optimización (Fig 4B), se siguen los siguientes pasos; a. Adecuación de la integridad de las variables de entrada, comprobación de que se encuentran dentro límites mediante un filtrado que atenúa altas y bajas frecuencias, siendo los limites de estos parámetros determinados en función de las características particulares del aerogenerador (1 ). b. Obtención de una función de eficiencia y=f(θ) mediante el cálculo de ratio entre la potencia generada obtenida por los sensores correspondientes y la potencia teóricamente producible, que se obtiene a partir de la multiplicación de un parámetro configurable que es función de las constantes propias que dependen de cada aerogenerador (1), incluyendo el diámetro del rótor y el coeficiente de potencia máximo y de la velocidad viento. Dicho parámetro es el producto de la densidad de aire (kg/m3), la superficie del rotor (m2) y el coeficiente de potencia máximo (Cpmáx). (Para condiciones atmosféricas: parámetro_= 0.5· 1.225 π· (diámetro /2)2· Cpmáx)
c. Filtrado de la función de eficiencia y obtenida del paso anterior mediante (s/s+h).
d. Demodulación de la señal obtenida en el paso anterior, multiplicándola por el valor actual que tenga la señal de la oscilación de la guiñada {sin wt), obteniendo ξ.
e. Filtrado de la señal obtenida mediante k/s y obtención de una señal denominada gradiente, Θ
f. Acumulación de todos los valores obtenidos de la señal gradiente desde que se iniciaron tos cálculos e integración obteniéndose una señal denominada desviación externo Θ.
2. Envió de la señal desviación externo Θ al sistema de control de guiñada (11 ).
3. Comparación entre el valor de desviación externo calculado y el valor de desviación (a) determinado por los sensores de viento (7).
-Si el valor obtenido excede de unos valores predeterminados dependientes de las particulares características del aerogenerador (1 ), el sistema de orientación de guiñada moverá la góndola (4) siguiendo la referencia que hayan acumulado la suma de la orientación y la desviación externa. - Si el valor obtenido no excede los valores predeterminados, el sistema de control (20) impondrá un movimiento oscilatorio al sistema de guiñada adicional al movimiento del paso anterior, siempre que las condiciones de viento estén dentro de los límites de seguridad prefijados.
La suma de los movimientos de guiñada descritos, junto con las variaciones propias del viento determinará un nuevo estado de operación y funcionamiento del aerogenerador (1 ) que será registrado por el hardware (21 ) del mismo, y con estos datos se comenzará un nuevo ciclo.
Aunque la presente invención se ha descrito enteramente en conexión con realizaciones preferidas, es evidente que se pueden introducir aquellas modificaciones dentro de su alcance, no considerando éste como limitado por las anteriores realizaciones, sino por el contenido de las reivindicaciones siguientes.

Claims

Reivindicaciones
1.- Sistema de control para corregir errores sistemáticos en el alineamiento del aerogenerador (1) de eje horizontal provisto de
un sistema de orientación de guiñada de la góndola (4) con respecto a la dirección del viento que comprende una unidad de adquisición (8) que adquiere valores de parámetros que relacionan la dirección del viento (v) con una desviación real (o) de la góndola (4) del aerogenerador utilizando el hardware existente en el propio aerogenerador (1), una unidad de cálculo (9) de una función de eficiencia del aerogenerador y=f(θ) y una unidad de comparación (10) de desviación de la góndola (4)
caracterizado porque siendo
general,
automático,
instalado en cualquier localización y
que no implica añadir dispositivos adicionales de medida a los ya existentes en el aerogenerador (sensor de medición del viento, sensor de medición de la velocidad del viento, sensor de velocidad de giro del rotor y sensor de medición de potencia),
el sistema de control está caracterizado porque puede detectar y evitar situaciones de desalineamiento de la góndola en aerogeneradores mediante la implementación de un algoritmo de análisis numérico de optimización de la función de eficiencia que tiene como objetivo encontrar una función y -f(9) que maximice la eficiencia del aerogenerador, donde θ* es el alineamiento óptimo, incorporando dicho algoritmo una etapa de filtrado para atenuar bajas frecuencias (k/s) de los componentes que generan las características de viento y meteorológicas y altas frecuencias (s/s+h) de los componentes del aerogenerador y porque mediante dicho algoritmo se generan comandos que permiten al sistema de orientación de guiñada orientar la góndola (4) del aerogenerador (1 ) hacia posiciones que maximizan la función de eficiencia f(θ*).
2 - Sistema de control según la reivindicación 1 caracterizado porque la unidad de cálculo (9) calcula la función de eficiencia mediante un ratio entre una potencia generada obtenida por tos sensores y una potencia teóricamente producible, incluyendo el diámetro del rótor y el coeficiente de potencia máximo y de la velocidad viento.
3. - Sistema de control, según la reivindicación 2, caracterizado porque la potencia teórica se calcula mediante la multiplicación de un parámetro configurable, que es función de las constantes propias de cada aerogenerador (1 ), incluyendo el diámetro del rótor y el coeficiente de potencia máximo, y de la velocidad del viento, siendo dicho parámetro configurable el producto de la densidad de aire, la superficie del rotor y el coeficiente de potencia máximo (Cpmáx)
4. - Sistema de control, según la reivindicación 1 , caracterizado porque la unidad de comparación (10) de desviación de la góndola (4) calcula la desviación entre el valor de desviación calculado por el algoritmo de optimización Θ y el valor de desviación (α) determinado por al marras un sensor de viento (7), de forma que cuando este valor de desviación exceda valores configurados (desorientación entre 5 y 10°), el sistema de orientación de la guiñada moverá la góndola siguiendo la referencia que han acumulado la suma de la orientación y la desviación externo.
5. - Sistema de control para corregir errores sistemáticos en el alineamiento del aerogenerador, caracterizado porque, empleando la disposición de control de la reivindicación 1, se realizan las siguientes etapas;
- obtención de valores de los parámetros a través del hardware (21) existente en el aerogenerador (1 ), estando los valores de los parámetros seleccionados en parámetros de la dirección de viento, la velocidad de viento, la posición de góndola, la potencia producida, las condición de desenrolle del cableado entre la torre y la góndola, la condición de orientación de la góndola y/o el estado de operación del aerogenerador;
- comprobación del estado de operación del aerogenerador (1 ) en funcionamiento normal de producción;
- comprobación de activación de las condiciones de orientación y/o desenrolle de la góndola (4);
- lanzamiento de un algoritmo de optimización de potencia; - obtención de la desviación real de la góndola (4) con respecto a la dirección del viento;
- comparación del valor desviación real obtenido con valores de desviación predeterminados en fundón de las características particulares del aerogenerador (1);
- orientación de la góndola (4) hacia una posición que maximice la función de eficiencia.
6. - Sistema de control, según la reivindicación 5, caracterizado porque la la etapa de comprobación del estado del aerogenerador (1 ) es iterativa hasta obtener como resultado un funcionamiento normal de producción de energía definido en función del punto de operación del aerogenerador (1): en producción, y en ausencia de alarmas.
7. - Método de control, según la reivindicación 5, caracterizado porque la etapa de comprobación es iterativa hasta que las funciones de orientación y/o desenrolle de góndola (4) estén verificadas.
8.- Método de control, según la reivindicación 5, caracterizado porque si las funciones de orientación y/o desenrolle de góndola (4) están activadas, el sistema de control (20) inhibe oscilaciones de la góndola (4) para el cálculo de la fundón de eficiencia f(6).
9 - Método de control, según la reivindicación 1 , caracterizado porque el algoritmo de optimización de potencia comprende una etapa de filtrado que atenúa las bajas y altas frecuencias de los componentes del aerogenerador.
10.- Método de control, según la reivindicación 5, caracterizado porque el algoritmo de optimización de potencia basado en la obtención del valor óptimo de una función de eficiencia f(9*) obtenida del modelo de potencia aerodinámica de cada aerogenerador comprende las siguientes etapas:
- comprobación y adecuación mediante un filtrado paso bajo de la integridad de los parámetros obtenidos del hardware (21 ) del aerogenerador (1 ) con respecto a unos rangos predeterminados en función de sus características particulares.
- obtención de la función de eficiencia del aerogenerador (1 ) mediante el cálculo del ratio entre la potencia generada obtenida y la potencia teórica obtenible calculada a partir de las características particulares del aerogenerador (1).
- filtrado paso alto de la función de eficiencia y demodulación de la señal obtenida
- obtención de la señal de gradiente mediante la multiplicación de la señal obtenida del paso anterior por el valor actual de la desviación de la góndola (4) y filtrado de paso bajo de la señal obtenida
- acumulación del valor de la señal de gradiente en una variable que integra los pasos anteriores hasta obtener un valor estabilizado de la desviación con respecto a un valor predeterminado
- obtención de la desviación real de la góndola (4) con respecto a la dirección del viento.
11. - Método de control, según una cualquiera de las reivindicaciones 5 y 9, caracterizado porque el algoritmo de cálculo numérico de optimización de potencia es un algoritmo ESC (Extremum Seeking Control).
12. - Método de control, según una cualquiera de las reivindicaciones 5 y 9, caracterizado porque el algoritmo de optimización de potencia es un algoritmo HOO (Hierarchical Optimistic Optimization) basado en barridos de guiñada.
13. - Método de control, según una cualquiera de las reivindicaciones 5 y 9, caracterizado porque el algoritmo de optimización de potencia es un algoritmo de la Secante Modificada, basado en el método de Brent.
14. - Método de control, según la reivindicación 5, caracterizado porque en la etapa de comparación del valor desviación real obtenido con unos valores de desviación predeterminados en función de las características particulares del aerogenerador (1), en el caso de que dicho valor no exceda los valores predeterminados, el sistema de control (20) activará el sistema de oscilación de la góndola (4).
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