una nueva aproximación al control de cargas estructurales · 2019-05-23 · referencia inercial...

Una nueva aproximación al

control de cargas estructurales

Indice

Introducción a MLS

Control individual de pala

Aislando la dinámica de la palaAislando la dinámica de la pala

Control de momento en la pala

Conclusiones

Wind PowerExpo, 22-24 September 2009 2

Introducción a MLS

Tecnología de Control de Turbinas

Actuadores de Pitch y Yaw

MLS

July 2009 Confidential 3

Motores, reductoras, sensores.

Diseño, producción y soporte local

MLS

Introducción a MLS

July 2009 Confidential 4

Linear Electric

Pitch

Introducción a MLS

Ventas

Producción

Investigación y Desarrollo

July 2009 5Confidential

Servicio Técnico

• Las cargas de la pala tienen una gran dependenciacon el ángulo de azimuth


¿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

turbinaωγ

G(s)/sβd

Actuador de

pitch

actuator

controller

actuator

dynamics

- βa-

ωd

• El actuador de pitch lleva el ángulo de la pala, βa, al ángulo

requerido por el controlador central, βd.

• El integrador (1/s) en el controlador central lleva el error de

velocidad (ωd – ωg) a cero: la velocidad del rotor , ωg, sigue la

referencia , ωd.

pitch


ω

actuador

βd

βd

βd

Velocidad

del rotorReferenciaControlador

CentralDinámica

de la


actuador

18/03/2009

ωg

EWEC 2009

βd

de la

turbina

actuador

• El control colectivo regula la velocidad del generador especificando el mismo angulode paso para las tres palas


de paso para las tres palas

• Las diferencias de viento en las tres palascrean desequilibrios en el rotor



• Usado a velocidades de viento superiores a la nominal

Individual pitch control - tradicional



• Ha mostrado un gran potencial para reducir las cargasasimétricas en el rotor

• Incluido en el controlador central

• Específico a cada turbina y dificil de ajustar

• Emplea la transformación d-q



Individual pitch control – IA



• Ha mostrado un gran potencial para reducir las cargasasimétricas en el rotor


Dinámica

de la ωG(s)/sΜd actuator

controllerActuador+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 (ωd – ωa) a cero.

de la

turbinaωa

G(s)/s

Actuador de

momento

controller dynamicsωd


Controlador

central


Controlador

CentralDinámica

de la

β1

β2

M1

M2

ω

Velocidad

del rotorReferencia

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


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



Dinámica

de la

turbinaωa

G(s)/sΜd

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

turbinaica de pala

Perturbaciones

a la velocidad

del rotor

Perturbaciones al

momento


No hay conflicto entre el lazo interno y el externo si hay:


• Lazo interno tiene una frecuencia más alta

• Lazo externo tiene un ancho de banda másreducido

Separación de frecuencias

Wind PowerExpo, 22-24 September 2009

• Lazo externo tiene un ancho de banda másreducido

• Dinámica que controla el lazo interno

• Dinámica que controla el lazo externo

No hay interacción entre

16

Este no es el caso


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 cercanasa la frecuencia natural de la torre ~2rad/s.

El lazo externo pretende regular

La dinámica de la pala interacciona con la dinámicadel resto de la turbina

17

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


Referenciacontrolador

actuador+pala

+dinámica de la

turbina

-

+

Momentos en

la pala

Del

controlador

central galgas/fibras ópticas

Aislando la dinámica de la pala

ΩΩ

R

R

R

R;

y

z

z

y

&

&

&&

&& Estimación de

las fuerzas

ficticias

controladorturbina +la pala

Actuador+dinámica de la pala


Acelerómetros para

estimación de las fuerzas

ficticias

19

Control 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



Collective Pitch

CB1 activew/o CB1

Frecuencia natural

de la torre: no hay

ninguna influencia

de IA con la

compensación

adecuada

Frecuencia de

rotación 1P:

reducción de

la aceleración

Resultado de la compensación de fuerzas

ficticias: aceleración fore-aft de la torre

Frequency (rad/s)

PS

D (

2 /rad

)

adecuadala aceleración

en el rango

de 1P


Caracteristicas del diseño

Regulación del momento out-of-plane hasta unafrecuencia de 2Ωo rad/s.

La dinámica del actuador no debe cambiar frente al


La dinámica del actuador no debe cambiar frente al controlador central

La ganancia aerodinámica no-lineal es compensada porun control no-lineal global

La transición de encendido/apagado del controladordebe ser suave y sin saltos discretos

Cargas en el eje central Cargas en la pala


Resultado de reducción de cargas del IA

Frequency (rad/s)

PS

D(N

m2 /r

ad)

Cum

ulat

ive

PS

D (

Nm

2 )

Reducción de fatiga 18%Reducción de fatiga 24%

Frequency (rad/s)

PS

D (

Nm

2 /rad

)

Cum

ulat

ive

PS

D (

Nm

2 )


Conclusiones

Control

colectivo


Control de pala

individual

24

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


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