Una nueva aproximación al
control de cargas estructurales
Indice
Introducción a MLS
Control individual de pala
Aislando la dinámica de la pala
Aislando la dinámica de la pala
Control de momento en la pala
Conclusiones
Introducción a MLS
Tecnología de
Control de Turbinas
Actuadores de Pitch
y Yaw
MLS
Motores, reductoras,
sensores.
Diseño, producción y
soporte local
MLS
Introducción a MLS
July 2009 Confidential 4
Linear Electric
Introducción a MLS
Ventas
Producción
Investigación y Desarrollo Servicio Técnico
• Las cargas de la pala tienen una gran dependencia con el ángulo de azimuth
Control individual de pala
¿Por qué?
con el ángulo de azimuth • Causas:
– Muestreado del campo de viento • Componentes determinísticos
Sombre de la torre, wind shear • Componentes estocásticos
Turbulencias
• Energía concentrada en múltiplos de la velocidad de rotación Ω0
Control colectivo de pala
Controlador central Dinámica de la turbina ωγ G(s)/s βd Actuador de pitch actuator controller actuator dynamics - βa -ωd• El actuador de pitch lleva el ángulo de la pala,
β
a, al ángulorequerido por el controlador central,
β
d.• El integrador (1/s) en el controlador central lleva el error de
velocidad (
ω
d –ω
g) a cero: la velocidad del rotor ,ω
g, sigue lareferencia ,
ω
d.ω actuador βd βd βd Velocidad del rotor Referencia Controlador Central Dinámicade la
Control colectivo de pala
actuador 18/03/2009 ωg EWEC 2009 βd de la turbina actuador
• El control colectivo regula la velocidad del generador especificando el mismo angulo de paso para las tres palas
Control colectivo de pala
de paso para las tres palas
• Las diferencias de viento en las tres palas crean desequilibrios en el rotor
Control individual de pala
• Usado a velocidades de viento superiores a la nominal Individual pitch control - tradicional
Wind PowerExpo, 22-24 September 2009 10
• Usado a velocidades de viento superiores a la nominal • Ha mostrado un gran potencial para reducir las cargas
asimétricas en el rotor
• Incluido en el controlador central
• Específico a cada turbina y dificil de ajustar • Emplea la transformación d-q
Control individual de pala
• Usado a velocidades de viento superiores a la nominal Individual pitch control – IA
• Usado a velocidades de viento superiores a la nominal • Ha mostrado un gran potencial para reducir las cargas
Control individual de pala
Dinámica de la
ω
G(s)/s Μd controlleractuator Actuador+blade
dynamics
- Μa
-ω
• El ángulo de paso de pala tiene una relación directa con el momento
en la pala. Esa relación depende de la velocidad del viento.
• El actuador de pitch lleva el momento de la pala, Μa, al
momento requerido, Μd.
• El integrador del controlador central todavía lleva el error de
velocidad (
ω
d –ω
a) a cero. de la turbina ωa G(s)/s Actuador de momento controller dynamics ωdWind PowerExpo, 22-24 September 2009 12
Controlador central
Control individual de pala
Controlador Central Dinámicade la β1 β2 M1 M2 ω Velocidad del rotor Referencia actuador + control actuador + control βd de la turbina β3 M3 ωg + control actuador + control• Cada pala tiene su propio
controlador independiente del controlador central
• La demanda del ángulo de pala del controlador central es ajustada por el IA en función de la información
Control individual de pala
el IA en función de la información local
• Estructuralmente simple,
implementación sencilla y ajuste fácil
• La misma referencia de momento es dada a las tres palas
Control individual de pala
Dinámica de la turbina ωa G(s)/s Μd Lazo interno controlador+ actuador+dinám ica de pala - Μa -ωd + + Lazo externo• El lazo de control interno controla el momento
• El lazo de control externo controla la velocidad del rotor
turbina ica de pala Perturbaciones a la velocidad del rotor Perturbaciones al momento
No hay conflicto entre el lazo interno y el externo si hay:
Control individual de pala
• Lazo interno tiene una frecuencia más alta • Lazo externo tiene un ancho de banda más
reducido
Separación de frecuencias
Wind PowerExpo, 22-24 September 2009
• Lazo externo tiene un ancho de banda más reducido
• Dinámica que controla el lazo interno • Dinámica que controla el lazo externo
No hay interacción entre
Este
no
es el caso
Control individual de pala
Las limitaciones del actuador imponen restriciones en el ancho de banda del lazo interno
El lazo interno pretende regular componentes del momento hasta 1W0 or 2W0 siendo W0 ~2rad/s.
• Velocidad del rotor ~1rad/s.
• Componentes en la dinámica de la torre cercanas a la frecuencia natural de la torre ~2rad/s.
El lazo externo pretende regular
La dinámica de la pala interacciona con la dinámica del resto de la turbina
Principio usado para desacoplar la dinámica de la torre de la del resto de la turbina:
Aislando la dinámica de la pala
• La dinámica de un sistema en un sistema de referencia
no-inercial es igual a la dinámica del sistema en un sistema de
referencia inercial más unas fuerzas ficticias proporcionales a
referencia inercial más unas fuerzas ficticias proporcionales a
la aceleracion relativa de un sistema de referencia respecto al otro
• Ejemplo común de fuerzas ficticias
– Fuerza centrífuga
Referencia controlador actuador+pala +dinámica de la turbina -+ Momentos en la pala Del controlador
central galgas/fibras ópticas
Aislando la dinámica de la pala
Ω
Ω
R R R R;
y zz
y
&
&
&
&
&
&
Estimación de las fuerzas ficticias controlador turbina la pala + Actuador+dinámica de la pala Acelerómetros para estimación de las fuerzasControl no-lineal; switching
Control de momento de pala
Dinámica del accionador y la pala compensado con las fuerzas ficticias
Compensación de las no-linealidades del controlador central Controlador de
paso de pala
Control de momento de pala
Collective Pitch CB1 active w/o CB1 Frecuencia natural de la torre: no hay ninguna influencia de IA con la compensación adecuada Frecuencia de rotación 1P: reducción de la aceleraciónResultado de la compensación de fuerzas ficticias: aceleración fore-aft de la torre
P S D ( 2/r a d ) adecuada la aceleración en el rango de 1P
Control de momento de pala
Caracteristicas del diseño
Regulación del momento out-of-plane hasta una
frecuencia de 2Ωo rad/s.
La dinámica del actuador no debe cambiar frente al
Wind PowerExpo, 22-24 September 2009 22
La dinámica del actuador no debe cambiar frente al controlador central
La ganancia aerodinámica no-lineal es compensada por un control no-lineal global
La transición de encendido/apagado del controlador debe ser suave y sin saltos discretos
Cargas en el eje central Cargas en la pala
Control de momento de pala
Resultado de reducción de cargas del IA
Frequency (rad/s) P S D (N m 2/r a d ) C u m u la ti v e P S D ( N m 2) Reducción de fatiga 18% Reducción de fatiga 24% Frequency (rad/s) P S D ( N m 2/r a d ) C u m u la ti v e P S D ( N m 2)
Conclusiones
Control
colectivo
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Control de pala
individual
IA está basado en un lazo interno de control para regular las cargas en la pala
El lazo externo de control se usa para regular la velocidad del generador
Conclusiones
generador
La dinámica de la pala se puede aislar mediante la medida de las aceleraciones
Reducción de los desequilibrios de las cargas en el rotor y cancelación de los efectos de nP
• Ventajas
– Reducción completa de 1P y 2P
– El diseño depende solo de la
dinámica de la pala
– Fácil de ajustar
– Invisible para el controlador
Conclusiones
– Invisible para el controlador
central
– Localizado en el buje
– Independiente del actuador de
pitch
– Posibilidad de incorporar en
instalaciones existentes
