ES2829201T3

ES2829201T3 - Wind turbine

Info

Publication number: ES2829201T3
Application number: ES10162102T
Authority: ES
Inventors: Poul Brandt Christensen
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2009-05-07
Filing date: 2010-05-06
Publication date: 2021-05-31
Anticipated expiration: 2030-05-06

Abstract

Un método de control de una turbina eólica que tiene un rotor y un generador para producir potencia, estando diseñada la turbina eólica para una pluralidad de cargas nominales, estando asociada cada una de la pluralidad de cargas nominales a un componente diferente de la turbina eólica, comprendiendo el método las etapas de: determinar una pluralidad de cargas actuales que actúan sobre los diferentes componentes de la turbina eólica asociados a una carga nominal; calcular un error de carga para cada de la pluralidad de cargas actuales, representando cada error de carga una diferencia entre la carga nominal y la carga actual asociada; controlar la turbina eólica basándose en la pluralidad de errores de carga para optimizar la producción de potencia garantizando al mismo tiempo que ninguna de las cargas actuales esté por encima de las cargas nominales, en el que la etapa de controlar la turbina eólica comprende alterar un parámetro seleccionado de la turbina eólica usado para controlar la turbina eólica de modo que se altere la potencia o par de fuerzas producido por el generador, y en el que el parámetro seleccionado de la turbina eólica que va a alterarse se selecciona como al menos uno de: un ángulo de paso de una pala de rotor; la velocidad de revolución del rotor; y una referencia de potencia del generador, seleccionándose el parámetro basándose en el error de carga para minimizar la pérdida de producción de potencia cuando las cargas actuales están por encima de las cargas nominales, o para maximizar la ganancia de producción de potencia cuando las cargas actuales están por debajo de las cargas nominales.A method of controlling a wind turbine having a rotor and a generator to produce power, the wind turbine being designed for a plurality of nominal loads, each of the plurality of nominal loads being associated with a different component of the wind turbine, the method comprising the steps of: determining a plurality of current loads that act on the different components of the wind turbine associated with a nominal load; calculating a load error for each of the plurality of current loads, each load error representing a difference between the nominal load and the associated current load; controlling the wind turbine based on the plurality of load errors to optimize power production while ensuring that none of the current loads are above nominal loads, wherein the step of controlling the wind turbine comprises altering a parameter selected wind turbine used to control the wind turbine so as to alter the power or torque produced by the generator, and wherein the selected wind turbine parameter to be altered is selected as at least one of: a pitch angle of a rotor blade; the speed of revolution of the rotor; and a generator power reference, the parameter being selected based on load error to minimize power production loss when current loads are above rated loads, or to maximize power production gain when current loads are below rated loads.

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Turbina eólicaWind turbine

La presente invención se refiere a un método de control de una turbina eólica que está diseñada para una carga nominal específica, es decir, una carga de diseño. La invención se refiere además a un sistema de control según el método y a una turbina eólica que incluye un sistema de control de este tipo.The present invention relates to a method of controlling a wind turbine that is designed for a specific nominal load, that is, a design load. The invention further relates to a control system according to the method and to a wind turbine including such a control system.

Una turbina eólica obtiene potencia convirtiendo la fuerza del viento en par de fuerzas que actúa sobre el tren de accionamiento, es decir, sobre las palas de rotor y por tanto sobre el árbol principal y por lo tanto normalmente sobre un generador eléctrico rotado por el árbol principal directamente o a través de una caja de engranajes. La potencia que recibe la turbina eólica y que, por lo tanto, puede transferirse potencialmente al tren de accionamiento depende de varias condiciones, incluyendo la velocidad del viento y la densidad del aire, es decir, las condiciones del emplazamiento.A wind turbine obtains power by converting the wind force into a couple of forces that acts on the drive train, that is, on the rotor blades and therefore on the main shaft and therefore normally on an electric generator rotated by the shaft. main directly or through a gearbox. The power that the wind turbine receives and therefore can potentially be transferred to the drive train depends on several conditions, including wind speed and air density, i.e. site conditions.

A pesar de que el deseo de aumentar la productividad requiere la conversión de la mayor cantidad posible de energía eólica en energía eléctrica, las limitaciones estructurales de la turbina eólica, es decir, las cargas de diseño, definen límites de seguridad para la carga permitida sobre la turbina eólica. En la práctica, la carga del viento depende de diversas condiciones climáticas, incluyendo la velocidad del viento promedio, picos del viento, la densidad del aire, la turbulencia, cizalladura del viento y el cambio del viento, y el impacto de la carga del viento sobre la turbina eólica y por lo tanto la carga sobre la turbina eólica puede ajustarse para una condición del viento actual cambiando diversos ajustes en la turbina eólica.Although the desire to increase productivity requires the conversion of as much wind energy as possible into electrical energy, the structural limitations of the wind turbine, that is, the design loads, define safety limits for the load allowed on the wind turbine. In practice, wind load is dependent on various weather conditions, including average wind speed, wind peaks, air density, turbulence, wind shear and wind change, and the impact of wind load. on the wind turbine and therefore the load on the wind turbine can be adjusted for a current wind condition by changing various settings on the wind turbine.

A pesar de que la carga de una turbina eólica se determina por un número de condiciones meteorológicas y ajustes en la turbina eólica, las turbinas eólicas de hoy en día se controlan normalmente según una estrategia de control relativamente simple y fiable según la cual la turbina se apaga completamente a velocidades del viento por encima de un determinado valor de seguridad.Although the load on a wind turbine is determined by a number of weather conditions and settings on the wind turbine, today's wind turbines are typically controlled according to a relatively simple and reliable control strategy whereby the turbine is shuts off completely at wind speeds above a certain safety value.

El documento US2007/057517 da a conocer un método para limitar cargas en una turbina eólica usando cargas o velocidad del viento medidas para aumentar el ángulo de paso mínimo durante períodos prolongados. Se permitirá que el ángulo de paso mínimo se reduzca al valor predeterminado cuando disminuyan los desplazamientos de carga. US2007 / 057517 discloses a method of limiting loads on a wind turbine using measured wind speeds or loads to increase the minimum pitch angle for extended periods. The minimum pitch angle will be allowed to decrease to the predetermined value as load displacements decrease.

El documento US6619918 da a conocer una turbina con regulación de paso de pala controlada dependiendo de parámetros medidos para optimizar el funcionamiento con respecto a la energía producida en condiciones climáticas y eólicas variables. Se miden cargas mecánicas sobre las palas y el paso se controla de tal manera que las cargas mecánicas medidas se mantienen por debajo de determinados límites durante el funcionamiento.Document US6619918 discloses a turbine with controlled blade pitch regulation depending on measured parameters to optimize performance with respect to energy produced in variable weather and wind conditions. Mechanical loads on the blades are measured and the pitch is controlled in such a way that the measured mechanical loads are kept below certain limits during operation.

El documento US2007/018457 describe un método de funcionamiento de una turbina eólica donde la velocidad de rotor y/o la potencia de generador se reducen en respuesta a variables que superan valores predeterminados. Las variables podrían ser la dirección del viento en relación con la dirección horizontal del árbol principal de la turbina, la turbulencia del viento o cualquier otra variable detectada por uno o más sensores montados en componentes de turbina.Document US2007 / 018457 describes a method of operating a wind turbine where the rotor speed and / or the generator power are reduced in response to variables that exceed predetermined values. The variables could be the wind direction relative to the horizontal direction of the turbine main shaft, wind turbulence, or any other variable detected by one or more sensors mounted on turbine components.

Aunque representa una forma potencialmente muy segura de hacer funcionar una turbina eólica, el apagado completo representa inconvenientes, por ejemplo, debido al hecho de que cualquier cambio importante en la producción de potencia puede influir en la red de potencia suministrada de una manera negativa.Although it represents a potentially very safe way to operate a wind turbine, complete shutdown is inconvenient, for example due to the fact that any major change in power production can influence the supplied power network in a negative way.

Según un primer aspecto de la presente invención se proporciona un método de control de una turbina eólica según la reivindicación 1.According to a first aspect of the present invention there is provided a method of controlling a wind turbine according to claim 1.

Según la invención, las cargas de viento que actúan sobre la turbina, o diferentes componentes de la turbina se monitorizan y la turbina se controla en dependencia de esas cargas de viento actuales. Esto permite que la turbina eólica maximice su producción de potencia y reduzca las cargas a las que se somete, aumentando de ese modo la vida útil de la turbina eólica. Cuando se altera la potencia o par de fuerzas producido por el generador, esto significa que se altera la potencia instantánea o par de fuerzas producido por el generador.According to the invention, the wind loads acting on the turbine, or different components of the turbine, are monitored and the turbine is controlled depending on those current wind loads. This allows the wind turbine to maximize its power output and reduce the loads it is subjected to, thereby increasing the life of the wind turbine. When the power or torque produced by the generator is altered, this means that the instantaneous power or torque produced by the generator is altered.

Por carga nominal o carga de diseño, se entiende la carga para la que están diseñadas la turbina eólica, o las partes de componentes individuales. Una turbina individual puede tener una carga nominal para un primer emplazamiento y una segunda carga nominal para un segundo emplazamiento; por ejemplo, la turbina en el primer emplazamiento puede tener una vida útil de diseño de 20 años y en el segundo emplazamiento una vida útil de diseño de 25 años. La turbina en la segunda ubicación es la misma que la turbina en la primera ubicación, pero como se espera que tenga una vida útil de 5 años más, la carga nominal de la segunda turbina será diferente a la carga nominal de la primera turbina.By nominal load or design load, we mean the load for which the wind turbine, or the individual component parts, are designed. A single turbine can have a nominal load for a first site and a second nominal load for a second site; for example, the turbine at the first site may have a design life of 20 years and at the second site a design life of 25 years. The turbine at the second location is the same as the turbine at the first location, but as it is expected to have a useful life of 5 more years, the rated load of the second turbine will be different than the rated load of the first turbine.

La determinación de una carga actual que actúa sobre al menos una parte de la turbina eólica puede comprender el cálculo de un recuento de flujo de lluvia o una desviación estándar de una carga o señal medida desde un sensor durante un período de tiempo predeterminado, al controlar la turbina eólica para tener en cuenta las cargas de funcionamiento.Determining a current load acting on at least a portion of the wind turbine may comprise calculating a rain flow count or a standard deviation of a load or signal measured from a sensor for a predetermined period of time, when controlling the wind turbine to account for operating loads.

Por “representar” en el presente documento se entiende que el error de carga es la diferencia o al menos representa la diferencia de una u otra manera.By "represent" herein it is meant that the loading error is the difference or at least represents the difference one way or another.

Si la carga actual es mayor que la carga nominal, la potencia o par de fuerzas producido por el generador puede disminuirse de manera que la carga actual es igual o inferior a la carga nominal. Esta es la potencia o par de fuerzas instantánea producida por el generador que se reduce. La turbina eólica se hace funcionar de manera menos agresiva de modo que la potencia de salida es menor y las cargas son consecuentemente inferiores a todas las velocidades del viento, prolongando de ese modo la vida útil de la turbina eólica garantizando que las cargas que actúan sobre la turbina eólica estén siempre dentro de las cargas de diseño.If the current load is greater than the rated load, the power or torque produced by the generator can be decreased so that the current load is equal to or less than the rated load. This is the instantaneous power or torque produced by the generator that is reduced. The wind turbine is operated less aggressively so that the power output is lower and the loads are consequently lower at all wind speeds, thereby prolonging the life of the wind turbine by ensuring that the loads acting on the wind turbine are always within the design loads.

Si la carga actual es menor que la carga nominal, la potencia producida por el generador puede aumentarse. Esta es la potencia o par de fuerzas instantánea producida por el generador que se aumenta. Esto podría hacerse permitiendo que la turbina eólica funcione de manera menos agresiva, es decir, producir más potencia a todas las velocidades del viento cuando las condiciones del viento son favorables, ya que las cargas que actúan sobre la turbina eólica durante condiciones de viento favorables son menores que las cargas de diseño. La potencia producida por el generador puede aumentarse hasta que la carga actual sea igual a la carga nominal.If the current load is less than the rated load, the power produced by the generator can be increased. This is the instantaneous power or torque produced by the generator that is increased. This could be done by allowing the wind turbine to run less aggressively, that is, to produce more power at all wind speeds when wind conditions are favorable, as the loads acting on the wind turbine during favorable wind conditions are less than design loads. The power produced by the generator can be increased until the actual load equals the rated load.

El parámetro de la turbina eólica que va a alterarse es al menos uno de: un ángulo de paso de al menos una de las palas de rotor; la velocidad de revolución del rotor; o una referencia de potencia del generador.The parameter of the wind turbine to be altered is at least one of: a pitch angle of at least one of the rotor blades; the speed of revolution of the rotor; or a generator power reference.

El parámetro de la turbina eólica que va a alterarse se selecciona basándose en el error de carga. Cada parámetro que va a alterarse tendrá un efecto diferente sobre la producción de potencia y el aumento/reducción de las cargas a las que está sometida la turbina eólica. Al seleccionar el parámetro que va a alterarse basándose en el error de carga real, cualquier pérdida de producción puede minimizarse cuando las cargas están por encima de las cargas nominales; o la ganancia de producción se maximiza cuando las cargas están por debajo de las cargas nominales.The wind turbine parameter to be altered is selected based on the load error. Each parameter to be altered will have a different effect on the power production and the increase / decrease of the loads to which the wind turbine is subjected. By selecting the parameter to be altered based on the actual load error, any loss of production can be minimized when the loads are above the rated loads; or the production gain is maximized when the loads are below the nominal loads.

La turbina eólica se diseña para una pluralidad de cargas nominales, estando asociada cada una de la pluralidad de cargas nominales con un componente diferente de la turbina eólica; y el método puede comprender además las etapas de:The wind turbine is designed for a plurality of nominal loads, each of the plurality of nominal loads being associated with a different component of the wind turbine; and the method may further comprise the steps of:

determinar una pluralidad de cargas actuales, cada una de la pluralidad de cargas actuales que actúan sobre los diferentes componentes de la turbina eólica que están asociados con al menos una de las cargas nominales; determining a plurality of current loads, each of the plurality of current loads acting on the different components of the wind turbine that are associated with at least one of the nominal loads;

calcular una pluralidad de errores de carga para cada una de la pluralidad de cargas actuales, representando cada error de carga la diferencia entre la carga nominal y la carga actual asociada;calculating a plurality of load errors for each of the plurality of current loads, each load error representing the difference between the nominal load and the associated current load;

controlar la turbina eólica basándose en la pluralidad de errores de carga;controlling the wind turbine based on the plurality of load errors;

en el que la etapa de controlar la turbina eólica comprende alterar un parámetro de la turbina eólica de modo que se altera la potencia o par de fuerzas producido por el generador.wherein the step of controlling the wind turbine comprises altering a parameter of the wind turbine so that the power or torque produced by the generator is altered.

Preferiblemente, la turbina eólica se erige sobre una ubicación, y el método puede comprender además las etapas de: definir una pluralidad de sectores que especifican cada uno un intervalo de direcciones del viento hacia la turbina eólica, definir, para cada sector, una carga de viento esperada a partir de las direcciones especificadas y una estrategia de control por sector que se basa en una comparación predeterminada entre la carga de viento esperada y la carga nominal; determinar una dirección del viento actual; antes de controlar la turbina eólica basándose en el error de carga, controlar la turbina eólica según la estrategia de control por sector definida para el sector al que corresponde la dirección del viento actual; y entonces controlar la turbina eólica basándose en el error de carga.Preferably, the wind turbine is erected on a location, and the method may further comprise the steps of: defining a plurality of sectors each specifying a range of directions of the wind towards the wind turbine, defining, for each sector, a load of expected wind from specified directions and a sector control strategy based on a predetermined comparison between expected wind load and nominal load; determine a current wind direction; before controlling the wind turbine based on the load error, controlling the wind turbine according to the sector control strategy defined for the sector to which the current wind direction corresponds; and then control the wind turbine based on the load error.

Al controlar en primer lugar la turbina eólica en dependencia de a qué sector está orientándose la turbina eólica, antes de que el control basado en el error de carga, permite que se maximice la producción de potencia y que se minimicen las cargas. Esto se debe a que la turbina eólica tiene conocimiento de las cargas de viento esperadas desde cada sector por lo que puede reaccionar rápidamente, si el control basado en el error de carga no es lo suficientemente rápido como para reaccionar. Las cargas de viento esperadas pueden conocerse a partir de un estudio del emplazamiento, como un mástil meteorológico, o pueden haberse acumulado durante un período de tiempo por la propia turbina eólica.By first controlling the wind turbine based on which sector the wind turbine is targeting, before control based on load error, allows power output to be maximized and loads to be minimized. This is because the wind turbine is aware of the expected wind loads from each sector so it can react quickly, if the load error based control is not fast enough to react. Expected wind loads may be known from a site survey, such as a weather mast, or may have been accumulated over a period of time by the wind turbine itself.

Sin embargo, el método puede comprender además las etapas de definir una pluralidad de sectores que especifican cada uno un intervalo de direcciones del viento hacia la turbina eólica; definir, para cada sector, una carga de viento esperada desde las direcciones especificadas y una estrategia de control por sector que se basa en una comparación predeterminada entre la carga de viento esperada y la carga nominal; determinar una dirección del viento actual; y después de la etapa de controlar la turbina eólica basándose en el error de carga, controlar la turbina eólica según la estrategia de control por sector definida para el sector al que corresponde la dirección del viento actual. However, the method may further comprise the steps of defining a plurality of sectors each specifying a range of directions of the wind towards the wind turbine; define, for each sector, an expected wind load from the specified directions and a control strategy per sector that is based on a predetermined comparison between the expected wind load and the nominal load; determine a current wind direction; and after the step of controlling the wind turbine based on the load error, controlling the wind turbine according to the sector control strategy defined for the sector to which the current wind direction corresponds.

Al controlar en primer lugar la turbina eólica basándose en el error de carga y luego controlar la turbina eólica basándose en la estrategia de control por sector permite más control de la turbina. Por ejemplo, el control basado en el error de carga puede alterar las cargas de modo que estén dentro de una determinada cantidad de las cargas de diseño, y luego el control basado en la estrategia de control por sector puede alterar las cargas de modo que estén aún más cerca de las cargas de diseño.By first controlling the wind turbine based on the load error and then controlling the wind turbine based on the sector control strategy allows more control of the turbine. For example, control based on load error can alter the loads so that they are within a certain amount of the design loads, and then control based on the sector control strategy can alter the loads so that they are even closer to design loads.

La etapa de definir para cada sector una carga de viento esperada puede comprenden la etapa de: determinar las cargas actuales que actúan sobre al menos una parte de la turbina eólica durante un período de tiempo para cada sector, y calcular la carga de viento esperada para cada sector basándose en valores acumulados de las cargas actuales durante el período de tiempo. De esta manera, las cargas de viento esperadas se calculan realmente en la turbina durante un período de tiempo, en lugar de estar almacenadas previamente en el controlador de turbina. La etapa de controlar la turbina eólica según la estrategia de control por sector definida para el sector al que corresponde la dirección del viento actual puede comprender la etapa de: seleccionar una estrategia de control a partir de una pluralidad de estrategias de control definidas para cada sector, en el que la selección se basa en la carga de viento esperada. En efecto, la selección de la estrategia de control por sector se realiza en la turbina eólica durante el funcionamiento, en lugar de estar almacenadas previamente en el controlador de turbina.The stage of defining for each sector an expected wind load can comprise the stage of: determining the current loads acting on at least a part of the wind turbine during a period of time for each sector, and calculating the expected wind load for each sector based on cumulative values of current loads over the time period. In this way, the expected wind loads are actually calculated on the turbine over a period of time, rather than being previously stored in the turbine controller. The stage of controlling the wind turbine according to the control strategy by sector defined for the sector to which the current wind direction corresponds may comprise the stage of: selecting a control strategy from a plurality of control strategies defined for each sector , where the selection is based on the expected wind load. In effect, the selection of the control strategy by sector is made in the wind turbine during operation, instead of being previously stored in the turbine controller.

Cada estrategia de control por sector puede definirse basándose en una carga de viento esperada a partir del viento del sector correspondiente de direcciones del viento hacia la turbina para una ubicación geográfica específica.Each sector control strategy can be defined based on an expected wind load from the corresponding sector wind of wind directions towards the turbine for a specific geographic location.

Una salida de potencia dada de la turbina eólica en función de la velocidad del viento puede definirse para un intervalo de velocidades del viento, siendo la salida de potencia dada en función de la velocidad del viento la misma para todos los sectores; y la estrategia de control por sector para cada sector controla la turbina eólica de manera que la salida de potencia de la turbina eólica está o bien: debajo de la salida de potencia dada para una velocidad de viento dada; o bien igual a la salida de potencia dada para una velocidad de viento dada; o bien por encima de la salida de potencia dada para una velocidad de viento dada. Por “salida de potencia dada de la turbina eólica en función de la velocidad del viento” se entiende la curva de potencia de la turbina eólica.A given power output of the wind turbine as a function of the wind speed can be defined for a range of wind speeds, the power output given as a function of the wind speed being the same for all sectors; and the sector control strategy for each sector controls the wind turbine such that the power output of the wind turbine is either: below the given power output for a given wind speed; or equal to the given power output for a given wind speed; or above the given power output for a given wind speed. By "given power output of the wind turbine as a function of wind speed" is meant the power curve of the wind turbine.

Según un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona un sistema de control para una turbina eólica que tiene un rotor y un generador para producir potencia, estando diseñada la turbina eólica para una carga nominal, el sistema de control que tiene una estructura de control adaptada para:According to a second aspect of the present invention, there is provided a control system for a wind turbine having a rotor and a generator to produce power, the wind turbine being designed for a nominal load, the control system having a control structure adapted for:

determinar una carga actual que actúa sobre al menos una parte de la turbina eólica;determining a current load acting on at least a part of the wind turbine;

calcular un error de carga, representando el error de carga la diferencia entre la carga nominal y la carga actual; controlar la turbina eólica basándose en el error de carga alterando un parámetro de la turbina eólica de modo que se altera la potencia o par de fuerzas producido por el generador.calculating a load error, the load error representing the difference between the nominal load and the actual load; controlling the wind turbine based on the load error by altering a parameter of the wind turbine so that the power or torque produced by the generator is altered.

El sistema de control puede adaptarse para llevar a cabo las actividades tal como se describe anteriormente en relación con el primer aspecto de la invención.The control system can be adapted to carry out the activities as described above in relation to the first aspect of the invention.

Según un tercer aspecto de la invención, se proporciona una turbina eólica, en particular una turbina eólica de tipo horizontal, que incluye un sistema de control según el segundo aspecto de la invención o que se controla de cualquier manera según el método del primer aspecto de la invención.According to a third aspect of the invention, there is provided a wind turbine, in particular a horizontal type wind turbine, which includes a control system according to the second aspect of the invention or which is controlled in any way according to the method of the first aspect of the invention.

La invención se describirá ahora a modo de ejemplo con referencia a las siguientes figuras en las que:The invention will now be described by way of example with reference to the following figures in which:

la figura 1 ilustra de manera esquemática un rotor de turbina eólica y un controlador;Figure 1 schematically illustrates a wind turbine rotor and controller;

la figura 2 ilustra una curva de potencia típica de una turbina eólica de la técnica anterior;Figure 2 illustrates a typical power curve for a prior art wind turbine;

la figura 3 ilustra una curva de potencia de una turbina eólica según la invención; yFigure 3 illustrates a power curve of a wind turbine according to the invention; Y

la figura 4 ilustra un esquema del control de la turbina eólica.Figure 4 illustrates a diagram of the wind turbine control.

El alcance de aplicabilidad adicional de la presente invención se volverá evidente a partir de la siguiente descripción detallada y ejemplos específicos. Sin embargo, debe entenderse que la descripción detallada y ejemplos específicos, a la vez que indican realizaciones preferidas de la invención, se dan solo a modo de ilustración, dado que diversos cambios y modificaciones dentro del alcance de la invención se volverán evidentes para aquellos expertos en la técnica a partir de esta descripción detallada.The further scope of applicability of the present invention will become apparent from the following detailed description and specific examples. However, it should be understood that the detailed description and specific examples, while indicating preferred embodiments of the invention, are given by way of illustration only, as various changes and modifications within the scope of the invention will become apparent to those skilled in the art. in the art from this detailed description.

La figura 1 ilustra de manera esquemática un rotor de turbina eólica 10 conectado a un controlador 11. En una turbina eólica de eje horizontal típica, un rotor de turbina eólica comprende tres palas de rotor y un buje. El buje está conectado a una góndola que se encuentra en la parte superior de una torre. La góndola aloja el tren de accionamiento (es decir, los árboles rotatorios, la caja de engranajes y el generador) y los sistemas de control para hacer funcionar la turbina eólica.Figure 1 schematically illustrates a wind turbine rotor 10 connected to a controller 11. In a typical horizontal axis wind turbine, a wind turbine rotor comprises three rotor blades and a hub. The hub is connected to a gondola that sits on top of a tower. The nacelle houses the drive train (that is, the rotating shafts, the gearbox, and the generator) and the control systems to power the wind turbine.

El controlador 11 recibe datos de diversos sensores en la turbina eólica y estos sensores se ilustran de manera esquemática como 12.Controller 11 receives data from various sensors in the wind turbine and these sensors are schematically illustrated as 12.

La figura 2 ilustra una curva de potencia de una turbina eólica convencional que representa gráficamente la velocidad del viento en el eje x frente a potencia en el eje y. La curva 20 es la curva de potencia nominal para la turbina eólica y define la salida de potencia por el generador de turbina eólica en función de la velocidad del viento. Como bien se conoce en la técnica, la turbina eólica comienza a generar potencia a una velocidad del viento de conexión Vmín. La turbina entonces se hace funcionar bajo condiciones de parte de carga (también conocida como carga parcial) hasta que se alcanza la velocidad nominal del viento en el punto Vr. A la velocidad nominal del viento en el punto Vr se alcanza la potencia de generador nominal. La velocidad del viento de conexión en una turbina eólica típica es de 3 m/s y la velocidad del viento nominal es de 12 m/s. El punto Vmáx es la velocidad del viento de corte, esta es la velocidad del viento más alta a la que la turbina eólica puede hacerse funcionar mientras entrega potencia. A velocidades de viento iguales a y por encima de la velocidad del viento de corte la turbina eólica se apaga por razones de seguridad, en particular, para reducir las cargas que actúan sobre la turbina eólica.Figure 2 illustrates a conventional wind turbine power curve graphing wind speed on the x-axis versus power on the y-axis. Curve 20 is the nominal power curve for the wind turbine and defines the power output by the wind turbine generator as a function of the wind speed. As is well known in the art, the wind turbine begins to generate power at a connecting wind speed Vmin. The turbine is then operated under part load conditions (also known as part load) until nominal wind speed is reached at point Vr. At nominal wind speed at point Vr the nominal generator power is reached. The connection wind speed in a typical wind turbine is 3 m / s and the nominal wind speed is 12 m / s. The point Vmax is the cut-off wind speed, this is the highest wind speed at which the wind turbine can be operated while delivering power. At wind speeds equal to and above the cut-off wind speed the wind turbine shuts down for safety reasons, in particular to reduce the loads acting on the wind turbine.

La figura 3 ilustra una curva de potencia de una turbina eólica que se hace funcionar según la presente invención. Como se mencionó anteriormente, la curva de potencia 20 es la curva de potencia nominal. Una turbina eólica está diseñada convencionalmente para soportar determinadas cargas, como el momento de flexión de pestaña de raíz de pala de rotor, el momento de flexión de base de torre y la carga de diseño de árbol principal. Estas son las “cargas de diseño o nominales” que no deben superarse, por lo que la turbina tiene una curva de potencia nominal, en la que se hará funcionar la turbina cuando se experimenten condiciones de viento de diseño.Figure 3 illustrates a power curve of a wind turbine operated in accordance with the present invention. As mentioned above, the power curve 20 is the nominal power curve. A wind turbine is conventionally designed to withstand certain loads, such as rotor blade root flange bending moment, tower base bending moment, and main shaft design load. These are the “design or nominal loads” that should not be exceeded, so the turbine has a nominal power curve, in which the turbine will run when design wind conditions are experienced.

Como se muestra en la figura 3, la turbina está controlada de manera que puede producir más o menos potencia que la curva de potencia normal tanto en las regiones de carga parcial como en las regiones de carga completa. Se entiende que el término “hacer funcionar por encima del régimen nominal” significa producir más de la potencia nominal durante el funcionamiento a carga completa. Se entiende que el término “hacer funcionar por debajo del régimen nominal” significa producir menos de la potencia nominal durante el funcionamiento a carga completa. En la invención, la turbina puede producir más o menos potencia tanto en las regiones de carga completa como en las regiones de carga parcial. Por tanto, el término “sobreproducción” se usa para referirse a un aumento en la producción de potencia tanto en la región de carga parcial como en la región de carga completa en comparación con la curva de potencia normal; y el término “subproducción” se usa para referirse a una disminución en la producción de potencia tanto en la región de carga parcial como en la región de carga completa en comparación con la curva de potencia normal. Cuando la turbina está sobreproduciendo, la turbina se hace funcionar de manera más agresiva de lo normal y el generador tiene una salida de potencia que es superior a la potencia nominal para una velocidad de viento dada. La sobreproducción se muestra en la figura 3 como el área 21. Cuando la turbina está sobreproduciendo, la turbina se hace funcionar de forma menos agresiva de lo normal y el generador de turbina tiene una salida de potencia inferior a la potencia nominal para una velocidad de viento dada. La subproducción se muestra en la figura 3 como el área 22. Debe indicarse que las áreas 21 y 22 se extienden en la región de carga parcial, así como a la región de carga completa. Cuando la turbina está sobreproduciendo, se incrementan las cargas que actúan sobre la turbina y cuando la turbina está subproduciendo, disminuyen las cargas que actúan sobre la turbina.As shown in Figure 3, the turbine is controlled so that it can produce more or less power than the normal power curve in both part load and full load regions. The term "operating above rated speed" is understood to mean producing more than rated power during full load operation. The term "running below rated speed" is understood to mean producing less than rated power during full load operation. In the invention, the turbine can produce more or less power in both the full load and partial load regions. Therefore, the term "overproduction" is used to refer to an increase in power production in both the part load region and the full load region compared to the normal power curve; and the term "underproduction" is used to refer to a decrease in power production in both the part load region and the full load region compared to the normal power curve. When the turbine is overproducing, the turbine is run more aggressively than normal and the generator has a power output that is higher than the rated power for a given wind speed. Overproduction is shown in Figure 3 as area 21. When the turbine is overproducing, the turbine is operated less aggressively than normal and the turbine generator has a power output less than the rated power for a speed of given wind. The underproduction is shown in Figure 3 as area 22. It should be noted that areas 21 and 22 extend into the part load region as well as the full load region. When the turbine is overproducing, the loads acting on the turbine increase and when the turbine is underproducing, the loads acting on the turbine decrease.

El método de control y cómo se altera la potencia de la turbina se explican detalladamente con referencia a la figura 4. La figura 4 muestra una turbina eólica 1 que tiene un rotor 10. El controlador 11 incluye un estimador de carga 30, una unidad de cálculo de error de carga 31, una unidad de control de carga y potencia 32 y un elemento de supervisión de carga 33.The control method and how the turbine power is altered are explained in detail with reference to Figure 4. Figure 4 shows a wind turbine 1 having a rotor 10. The controller 11 includes a load estimator 30, a unit of load error calculation 31, a load and power control unit 32 and a load monitoring element 33.

Cuando la turbina está en funcionamiento, los sensores 12 monitorizan las cargas a las que están sometidos los diferentes componentes de la turbina. Estas cargas monitorizadas son cargas que no deben superarse cuando la turbina está en funcionamiento e incluyen el momento de flexión de pestaña de raíz de pala, el momento de flexión de base de torre y la carga de árbol principal. Los sensores 12, como indicadores de tensión, acelerómetros y mediciones de velocidad, registran datos sobre el rotor, la torre y el árbol principal, como bien se conoce en la técnica, en particular mediante la medición de variables importantes en la turbina (velocidad, paso de pala de rotor, velocidad del viento, momento de pestaña de pala, acelerómetro de torre, etc.). Los datos de los sensores se introducen en el estimador de carga 30 que deriva la carga actual a la que está sometido cada componente.When the turbine is in operation, the sensors 12 monitor the loads to which the different components of the turbine are subjected. These monitored loads are loads that should not be exceeded when the turbine is running and include blade root flange bending moment, tower base bending moment, and mainshaft load. Sensors 12, such as strain gauges, accelerometers, and speed measurements, record data about the rotor, tower, and main shaft, as is well known in the art, in particular by measuring important variables in the turbine (speed, rotor blade pitch, wind speed, blade flange moment, tower accelerometer, etc.). Data from the sensors is input to load estimator 30 which derives the actual load to which each component is subjected.

Una memoria 34, como una tabla de consulta, contiene datos relacionados con la carga de diseño de cada componente. Esta es la carga nominal que cada componente está diseñado para soportar durante el funcionamiento normal de la turbina eólica y normalmente no debe superarse.A memory 34, like a look-up table, contains data related to the design load of each component. This is the rated load that each component is designed to withstand during normal wind turbine operation and should not normally be exceeded.

La unidad de cálculo de error de carga 31 calcula una diferencia entre la carga de diseño y la carga actual de cada componente. Este cálculo se basa en la salida de carga del estimador de carga 30 y las cargas de diseño almacenadas en la memoria 34. The load error calculating unit 31 calculates a difference between the design load and the actual load of each component. This calculation is based on the load output from load estimator 30 and the design loads stored in memory 34.

Los errores de carga se introducen entonces en la unidad de control de carga y potencia 32, que contiene algoritmos para la optimización de la producción de potencia, al tiempo que garantiza que ninguna de las cargas esté por encima de las cargas de diseño. La unidad de control de carga y potencia 32 controla un número de parámetros que, cuando se alteran, tienen el efecto de cambiar la potencia o par de fuerzas del generador. Esto afecta en consecuencia a las cargas bajo las que se hace funcionar la turbina. Estos parámetros pueden incluir:The load errors are then input to the load and power control unit 32, which contains algorithms for optimizing power production, while ensuring that none of the loads are above design loads. The load and power control unit 32 controls a number of parameters which, when altered, have the effect of changing the power or torque of the generator. This consequently affects the loads under which the turbine is operated. These parameters can include:

• control de paso de las palas de rotor sobre un punto de ajuste de paso, en funcionamiento de carga parcial y carga completa; o• pitch control of the rotor blades over a pitch set point, in part load and full load operation; or

• control de velocidad del rotor sobre un punto de ajuste de velocidad, que es controlar la velocidad de rotor sobre una velocidad de rotor de referencia. Por ejemplo, en el funcionamiento de carga parcial se calcula una relación de velocidad de punta de las palas de rotor. La relación de velocidad de punta es la relación de la velocidad de la punta de las palas en relación con la velocidad del viento que se aproxima. En la región de carga parcial, la potencia generada por la turbina puede regularse mediante la relación de velocidad de punta, por lo que si el rotor se acelera abajo se frena, la potencia de salida cambia; o• rotor speed control over a speed set point, which is controlling the rotor speed over a reference rotor speed. For example, in part load operation a tip speed ratio of the rotor blades is calculated. The tip speed ratio is the ratio of the speed of the tip of the blades in relation to the speed of the approaching wind. In the partial load region, the power generated by the turbine can be regulated by the tip speed ratio, so if the rotor accelerates down it brakes, the power output changes; or

• establecer una referencia de potencia sobre un punto de ajuste de potencia en un convertidor de la turbina eólica que la turbina eólica puede seguir, y establecer un ángulo de paso de las palas de rotor; es decir, la salida de potencia puede cambiarse dinámicamente cambiando la referencia de potencia cuando hay un convertidor.• establish a power reference on a power set point in a wind turbine converter that the wind turbine can follow, and establish a pitch angle of the rotor blades; that is, the power output can be dynamically changed by changing the power reference when there is a converter.

Los parámetros ajustados que se controlan por la unidad de control de carga y potencia 32 se aplican a la turbina eólica 1 que tiene el efecto de que la turbina se someterá a cargas nuevas y diferentes. En uso, las señales de la unidad de control de carga y potencia se envían a un controlador de turbina eólica convencional (no mostrado en la figura 4) que contiene los algoritmos de control convencionales para controlar la turbina eólica. Estas nuevas cargas se miden entonces por los sensores 12 y el estimador de carga 30 y el proceso se repite por sí mismo.The adjusted parameters that are controlled by the load and power control unit 32 are applied to the wind turbine 1 which has the effect that the turbine will be subjected to new and different loads. In use, the signals from the load and power control unit are sent to a conventional wind turbine controller (not shown in Figure 4) that contains the conventional control algorithms for controlling the wind turbine. These new charges are then measured by sensors 12 and charge estimator 30 and the process repeats itself.

El controlador de carga y potencia 32 controla la turbina de manera que si la carga actual es mayor que la carga de diseño para un componente particular, la potencia producida por el generador se disminuye de manera que la carga actual sea igual o inferior a la carga de diseño para ese componente. Además, si la carga actual es menor que la carga de diseño para un componente particular, se aumenta la potencia producida por el generador. Esto permite la optimización de la producción de potencia porque cuando la turbina está sometida a cargas por debajo de las cargas de diseño, por ejemplo en condiciones de viento favorables, la turbina puede sobreproducir para aumentar la producción de potencia. A pesar de que la turbina sobreproduce, las cargas de diseño no pueden superarse porque las cargas a las que actualmente está sometida la turbina se monitorizan constantemente. Del mismo modo, cuando las cargas actuales superan las cargas de diseño, la turbina subproduce de modo que el generador produce menos potencia, aunque la turbina subproduce, las cargas a las que está sometida la turbina son menores de modo que la turbina puede continuar produciendo potencia sin apagarse completamente. Por consiguiente, la turbina se controla dependiendo de las cargas que actúan sobre la turbina. El controlador 11 controla el funcionamiento basándose en las cargas medidas, en lugar de la velocidad del viento.The load and power controller 32 controls the turbine so that if the current load is greater than the design load for a particular component, the power produced by the generator is decreased so that the current load is equal to or less than the load. layout for that component. Also, if the current load is less than the design load for a particular component, the power produced by the generator is increased. This allows optimization of power production because when the turbine is subjected to loads below design loads, for example in favorable wind conditions, the turbine can overproduce to increase power production. Despite the turbine overproducing, the design loads cannot be exceeded because the loads the turbine is currently subjected to are constantly monitored. Similarly, when current loads exceed design loads, the turbine under-produces so the generator produces less power, although the turbine under-produces, the loads the turbine is subjected to are less so that the turbine can continue to produce. power without turning off completely. Consequently, the turbine is controlled depending on the loads acting on the turbine. Controller 11 controls operation based on measured loads, rather than wind speed.

Una turbina eólica convencional tendrá normalmente una velocidad del viento de corte Vmáx de 25 m/s (con referencia a la figura 2). Sin embargo, con el controlador 11, las cargas pueden monitorizarse y si se determina que a 25 m/s las cargas que actúan sobre la turbina no están por encima de las cargas de diseño, no es necesario apagar la turbina. En cambio, la turbina puede continuar produciendo potencia hasta que las cargas actuales alcancen las cargas de diseño. El elemento de supervisión de carga 33 garantiza que si un error de carga es demasiado alto durante demasiado tiempo, la turbina eólica se apaga completamente para mitigar las cargas que actúan sobre la turbina. A conventional wind turbine will typically have a cut-off wind speed Vmax of 25 m / s (with reference to Figure 2). However, with the controller 11, the loads can be monitored and if it is determined that at 25 m / s the loads acting on the turbine are not above the design loads, it is not necessary to turn off the turbine. Instead, the turbine can continue to produce power until current loads reach design loads. The load monitoring element 33 ensures that if a load error is too high for too long, the wind turbine shuts down completely to mitigate the loads acting on the turbine.

El estimador de carga 30 también estima cargas extremas y de fatiga que actúan sobre los componentes de turbina eólica. Estas deben compararse con las cargas de diseño 34 para calcular el error de carga en la unidad de cálculo de error de carga 31.Load estimator 30 also estimates extreme and fatigue loads acting on wind turbine components. These must be compared with the design loads 34 to calculate the load error in the load error calculating unit 31.

En una implementación, el estimador de carga 30 calcula un recuento de flujo de lluvia o una desviación estándar de una carga o señal medida desde un sensor durante un período de tiempo predeterminado, al controlar la turbina eólica para tener en cuenta las cargas de fatiga. El estimador de carga 30 también puede calcular el riesgo de que ocurra una carga extrema en el futuro. Las cargas de fatiga y el “riesgo de cargas extremas” se incluyen en las cargas actuales enviadas a la unidad de cálculo de error de carga 31. Un ejemplo de los riesgos de cargas extremas es el siguiente: se mide una carga de inclinación de 100 (cantidad adimensional) y el estimador de carga 30 calcula (basándose en el comportamiento/estadísticas de la señal de carga o las condiciones del viento) por seguridad de que es el 99% seguro que la carga de inclinación no superará 150. No tiene valor conocer lo que ha sucedido en el pasado para una carga extrema, por ejemplo, no tiene valor conocer que hace 10 segundos se superó una carga extrema de diseño. No es posible estimar las cargas extremas, ya que pueden ocurrir repentinamente, por ejemplo, si un pala de rotor choca con la torre es demasiado tarde para alterar el control de la turbina eólica; en cambio, es necesario conocer el riesgo de que una pala de rotor golpee la torre.In one implementation, the load estimator 30 calculates a rain flow count or a standard deviation of a load or signal measured from a sensor over a predetermined period of time, by controlling the wind turbine to account for fatigue loads. Load estimator 30 can also calculate the risk of extreme loading occurring in the future. Fatigue loads and “extreme load risk” are included in the actual loads sent to load error calculating unit 31. An example of extreme load risks is as follows: a tilt load of 100 is measured (dimensionless quantity) and the load estimator 30 calculates (based on the behavior / statistics of the load signal or wind conditions) for assurance that it is 99% certain that the tilt load will not exceed 150. It has no value Knowing what has happened in the past for an extreme load, for example, is of no value knowing that an extreme design load was exceeded 10 seconds ago. It is not possible to estimate extreme loads as they can occur suddenly, for example if a rotor blade collides with the tower it is too late to alter the control of the wind turbine; instead, it is necessary to know the risk of a rotor blade hitting the tower.

Las cargas de fatiga y las cargas extremas forman parte de la entrada de cargas actuales a la unidad de cálculo de error de carga.Fatigue loads and extreme loads are part of the actual loads input to the calculation unit of charging error.

Como se mencionó anteriormente, los parámetros que pueden usarse para controlar la turbina eólica son el punto de ajuste de velocidad del rotor, el punto de ajuste de potencia del generador y el punto de ajuste de paso de las palas de rotor. La unidad de control de carga y potencia 32 necesita conocer qué parámetro debe cambiarse para una condición de carga actual dada.As mentioned above, the parameters that can be used to control the wind turbine are the rotor speed set point, the generator power set point and the pitch set point of the rotor blades. The load and power control unit 32 needs to know what parameter should be changed for a given current load condition.

Todos los parámetros que pueden cambiarse para controlar la turbina tienen una firma asociada a los mismos que identifica exactamente cómo y cuándo se cambia el parámetro, cuál será el efecto sobre la potencia generada por la turbina eólica, y las cargas que actúan sobre la turbina eólica. Por ejemplo, la unidad de control de carga y potencia 32 conocerá que si las palas de rotor experimentan regulación de paso en cierta cantidad, cuál será el efecto consecuente sobre la potencia generada y las cargas que actúan sobre los componentes de la turbina eólica. Por consiguiente, si las cargas que actúan sobre la turbina eólica son altas y es deseable hacer funcionar por debajo del régimen nominal a la turbina eólica para reducir las cargas que actúan sobre la turbina eólica, el parámetro seleccionado por la unidad de control de carga y potencia 32 para hacer funcionar por debajo del régimen nominal a la turbina se elige basándose en ese parámetro que reducirá las cargas con el menor coste; donde coste se refiere a la pérdida en la producción de potencia.All the parameters that can be changed to control the turbine have a signature associated with them that identifies exactly how and when the parameter is changed, what the effect will be on the power generated by the wind turbine, and the loads acting on the wind turbine. . For example, the load and power control unit 32 will know that if the rotor blades undergo pitch regulation by a certain amount, what will be the consequent effect on the power generated and the loads acting on the components of the wind turbine. Consequently, if the loads acting on the wind turbine are high and it is desirable to operate the wind turbine below the rated speed to reduce the loads acting on the wind turbine, the parameter selected by the load control unit and power 32 to run the turbine below rated speed is chosen based on that parameter that will reduce loads at the lowest cost; where cost refers to the loss in power production.

Por ejemplo, si la turbina eólica experimenta una carga de inclinación alta de la cizalladura del viento sobre el rotor, indicando un 15% por encima de la carga de diseño, y se conoce que la reducción de velocidad (cambiando la velocidad del rotor) cambiará esta carga de inclinación en un 10% por cada 100 rpm de reducción de velocidad de generador (hay una razón de engranaje fija entre las rpm de rotor y las rpm de generador); la unidad de control de carga y potencia seleccionaría este valor ajustable y ajustaría la referencia de velocidad de generador en 150 rpm. For example, if the wind turbine experiences a high tilt load from the wind shear on the rotor, indicating 15% above the design load, and it is known that the speed reduction (changing the rotor speed) will change this tilt load by 10% for every 100 rpm of generator speed reduction (there is a fixed gear ratio between rotor rpm and generator rpm); the load and power control unit would select this adjustable value and set the generator speed reference to 150 rpm.

También puede usarse una combinación de parámetros que van a cambiarse. Por ejemplo, si la reducción de potencia (cambiando el punto de ajuste de potencia) disminuye la carga de inclinación sobre la turbina en un 10% y disminuye la producción de potencia en un 5% y hay otro parámetro (tal como cambiar la velocidad de rotor) que puede cambiarse que también disminuye la carga de inclinación en un 10% pero solo disminuye la producción de potencia en un 4%, el parámetro que va a seleccionarse para controlar la turbina será el que disminuya la producción de potencia en un 4% porque la carga relevante se disminuye por debajo de las cargas de diseño manteniendo al mismo tiempo la menor pérdida de producción.A combination of parameters to be changed can also be used. For example, if reducing power (changing the power set point) decreases the tilt load on the turbine by 10% and decreases power output by 5% and there is another parameter (such as changing the turbine speed). rotor) that can be changed that also decreases the tilt load by 10% but only decreases the power production by 4%, the parameter to be selected to control the turbine will be the one that decreases the power production by 4% because the relevant load is decreased below the design loads while maintaining the least loss of production.

Además, si la turbina experimenta cargas de diseño que se superan sobre varios componentes principales, el controlador 11 puede necesitar hacer varias cosas (es decir, reducción de velocidad y reducción de potencia), pero el concepto básico sigue siendo seleccionar el/los parámetro(s) que resuelva(n) el problema de la carga con el coste total más bajo (pérdida de producción). Siempre que la turbina esté experimentando cargas por debajo de las cargas de diseño sobre varios componentes, el controlador 11 puede hacer varias cosas (por ejemplo, aumento de potencia y aumento de velocidad) para maximizar la producción manteniendo al mismo tiempo las cargas dentro de las cargas de diseño.Also, if the turbine experiences design loads that are exceeded on several major components, the controller 11 may need to do several things (i.e. speed reduction and power reduction), but the basic concept remains to select the parameter (s) ( s) that solves (s) the cargo problem with the lowest total cost (lost production). Whenever the turbine is experiencing loads below the design loads on various components, the controller 11 can do several things (e.g. increase power and increase speed) to maximize production while keeping the loads within the limits. design loads.

Estas firmas se definen antes de que la turbina eólica se erija y se almacenan en la unidad de control de carga y potencia 32. Se calculan usando simulaciones informáticas de una turbina eólica sobreproduciendo y subproduciendo y observando lo que sucede con las cargas a las que está sometida la turbina eólica.These signatures are defined before the wind turbine is erected and stored in the load and power control unit 32. They are calculated using computer simulations of a wind turbine overproducing and underproducing and observing what happens to the loads it is under. subjected the wind turbine.

Sin embargo, también es posible que se asigne una firma genérica a cada parámetro y durante el transcurso del funcionamiento de la turbina, las firmas pueden adaptarse por inteligencia artificial.However, it is also possible that a generic signature is assigned to each parameter and during the course of the turbine operation, the signatures can be adapted by artificial intelligence.

En una implementación adicional, el controlador de carga y potencia 32 puede determinar cómo se controla la turbina basándose en la dirección a la que se orienta la turbina. El área alrededor de la turbina se divide en un número de sectores, por ejemplo, doce sectores cada uno de 30 grados. El controlador de carga y potencia 32 puede almacenar conocimientos sobre cada sector en relación con las anteriores cargas actuales que la turbina ha experimentado en ese sector. Por ejemplo, debido a las condiciones geográficas locales, cuando el viento proviene de un primer sector, A, las cargas sobre la turbina son generalmente bajas, ya que las cargas de viento son favorables porque la turbulencia es baja. Sin embargo, cuando los vientos provienen de un segundo sector, B, las cargas sobre la turbina son generalmente altas ya que las cargas de viento son altas porque la turbulencia es alta o ese sector es propenso a ráfagas.In a further implementation, the load and power controller 32 can determine how the turbine is controlled based on the direction in which the turbine is oriented. The area around the turbine is divided into a number of sectors, for example twelve sectors each of 30 degrees. The load and power controller 32 can store knowledge about each sector in relation to previous current loads that the turbine has experienced in that sector. For example, due to local geographical conditions, when the wind comes from a first sector, A, the loads on the turbine are generally low, since the wind loads are favorable because the turbulence is low. However, when the winds come from a second sector, B, the loads on the turbine are generally high since the wind loads are high because the turbulence is high or that sector is prone to gusts.

Un ejemplo específico del control de sector es tal como sigue: el controlador 11 se hace funcionar durante un mes y durante este tiempo el controlador 11 identifica que el sector A es un sector muy favorable y por lo tanto la salida de potencia del generador se hace funcionar por encima del régimen nominal al 110% de la salida de potencia nominal a una velocidad del viento dada. El controlador 11 también identifica que en el sector B las cargas de viento son altas debido a ráfagas regulares y el generador de turbina se hace funcionar por debajo del régimen nominal al 50% de la salida de potencia nominal para una velocidad del viento dada para evitar aumentar las cargas que actúan sobre la turbina. Los algoritmos de control en el controlador de carga y potencia 32 pueden ser muy lentos porque necesitan una gran cantidad de datos a lo largo del tiempo a partir de los sensores 12 para poder controlar la turbina, por lo que moverse de un sector a otro llevará mucho tiempo para que la turbina eólica se adapte al nuevo sector con el resultado de que la turbina eólica puede exponerse a cargas críticas si se mueve al sector B o la producción de potencia no se optimizará si se mueve al sector A. Pero, para evitar este problema de retardo temporal, si el viento cambia del sector A al sector B, la unidad de control de carga y potencia 32 reanudará los algoritmos desde donde dejó la última vez que la turbina estuviese funcionando en el sector B, es decir, a un 50% de funcionamiento por debajo del régimen nominal; y cuando el viento cambia del sector B al sector A, los algoritmos “se reanudarán” desde el último ajuste cuando la turbina eólica estuvo funcionando en el sector A, es decir, un 110% de funcionamiento por encima del régimen nominal. Esta dependencia de sector también puede incluir la posibilidad de dependencia de “estación”, es decir, el controlador 11 sabe qué hora del día o qué momento del año es, y cuáles serán las cargas de viento esperadas de cada sector en función del tiempo. En una implementación adicional, se conectan una pluralidad de turbinas eólicas adyacentes en un parque eólico. Los controladores 11 de cada turbina eólica están conectados entre sí y reciben datos sobre cuáles de las cargas de viento esperadas están en cada sector. Con una pluralidad de turbinas eólicas, el conocimiento de la carga de viento esperada de cada sector se generará más rápido que con una turbina eólica que funciona sola; por ejemplo, en lugar de tardar un mes en identificar que el sector A es un sector favorable, solo llevará uno o dos días identificar que es un sector favorable. A specific example of sector control is as follows: controller 11 is operated for one month and during this time controller 11 identifies that sector A is a very favorable sector and therefore the generator power output becomes operate above rated speed at 110% of rated power output at a given wind speed. Controller 11 also identifies that in sector B wind loads are high due to regular gusts and the turbine generator is operated below rated speed at 50% of rated power output for a given wind speed to avoid increase the loads acting on the turbine. The control algorithms in the load and power controller 32 can be very slow because they need a large amount of data over time from the sensors 12 to be able to control the turbine, so moving from one sector to another will take long time for the wind turbine to adapt to the new sector with the result that the wind turbine can be exposed to critical loads if it moves to sector B or the power output will not be optimized if it moves to sector A. But, to avoid this time lag problem, if the wind changes from sector A to sector B, the load and power control unit 32 will resume the algorithms from where it left off the last time the turbine was operating in sector B, that is, at 50% operation below the nominal speed; and when the wind shifts from sector B to sector A, the algorithms will "resume" from the last adjustment when the wind turbine was operating in sector A, that is, 110% operation above rated speed. This sector dependence may also include the possibility of "station" dependence, that is, the controller 11 knows what time of day or what time of year it is, and what the expected wind loads will be for each sector as a function of time. In a further implementation, a plurality of adjacent wind turbines are connected in a wind farm. The controllers 11 of each wind turbine are connected to each other and receive data on which of the expected wind loads are in each sector. With a plurality of wind turbines, the knowledge of the expected wind load of each sector will be generated faster than with a wind turbine that works alone; For example, instead of taking a month to identify that Sector A is a favorable sector, it will only take a day or two to identify that it is a favorable sector.

Claims

REIVINDICACIONES

i. A method of controlling a wind turbine having a rotor and a generator to produce power, the wind turbine being designed for a plurality of nominal loads, each of the plurality of nominal loads being associated with a different component of the wind turbine, the method comprising the stages of:

determining a plurality of current loads acting on the different components of the wind turbine associated with a nominal load;

calculating a load error for each of the plurality of current loads, each load error representing a difference between the nominal load and the associated current load;

controlling the wind turbine based on the plurality of load errors to optimize power production while ensuring that none of the current loads are above nominal loads, wherein the step of controlling the wind turbine comprises altering a parameter selected from the wind turbine used to control the wind turbine so that the power or torque produced by the generator is altered, and

wherein the selected wind turbine parameter to be altered is selected as at least one of:

a pitch angle of a rotor blade;

the speed of revolution of the rotor; Y

a generator power reference,

the parameter being selected based on the load error to minimize power production loss when current loads are above rated loads, or to maximize power output gain when current loads are below rated loads.

2. A method of controlling a wind turbine according to claim 1, wherein if the current load is greater than the rated load, the power produced by the generator is reduced such that the current load is equal to or less than the load. nominal.

A method of controlling a wind turbine according to claim 1 or 2, wherein if the current load is less than the rated load, the power produced by the generator is increased.

A method according to claim 3, wherein the power produced by the generator is increased until the current load equals the rated load.

A method of controlling a wind turbine according to any preceding claim, wherein the wind turbine is erected at a location, the method further comprising the steps of:

defining a plurality of sectors each specifying a range of directions of the wind towards the wind turbine;

define, for each sector, an expected wind load from the specified directions and a control strategy per sector that is based on a predetermined comparison between the expected wind load and the nominal load;

determine a current wind direction;

before controlling the wind turbine based on the load error, controlling the wind turbine according to the sector control strategy defined for the sector to which the current wind direction corresponds; and then

control the wind turbine based on the load error.

A wind turbine control method according to any one of claims 1 to 4, wherein the wind turbine is erected on a location, the method further comprising the steps of:

determine a current wind direction; Y

After the step of controlling the wind turbine based on the load error, controlling the wind turbine according to the sector control strategy defined for the sector to which the current wind direction corresponds.

A method according to claim 5 or claim 6, wherein the step of defining for each sector an expected wind load comprises the step of:

determining the current loads acting on at least a part of the wind turbine during a period of time for each sector, and calculating the expected wind load for each sector based on accumulated values of the current loads during the period of time.

A method according to claims 5 to 7, in which the wind turbine control stage according to the sector control strategy defined for the sector to which the current wind direction corresponds comprises the stage of:

selecting a control strategy from a plurality of control strategies defined for each sector, wherein the selection is based on the expected wind load.

A method according to any one of claims 5 to 8, wherein each sector control strategy is defined based on an expected wind load from the corresponding sector of wind directions towards the turbine for a specific geographic location.

A method according to any one of claims 5 to 9, in which a nominal power output of the wind turbine is defined as a function of wind speed for a range of wind speeds, the nominal power output being at wind speed function the same for all sectors; and the sector control strategy for each sector controls the wind turbine so that the power output of the wind turbine either:

is below the rated power output for a given wind speed; O well

is equal to the nominal power output for a given wind speed; O well

is above the rated power output for a given wind speed.

11. A control system for a wind turbine having a rotor and a generator for producing power, the wind turbine being designed for a plurality of nominal loads, each of the plurality of nominal loads being associated with a different component of the turbine wind power, the control system having a control structure adapted to carry out the method according to any of claims 1 to 10.

12. A wind turbine for the conversion between wind energy and electrical energy, the wind turbine comprising a control system according to claim 11.