Sergio Dominguez. MLS

Una nueva aproximación al
control de cargas estructurales
Indice
Introducción a MLS
Control individual de pala
Aislando la dinámica de la pala
Control de momento en la pala
Conclusiones
Wind PowerExpo, 22-24 September 2009
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Introducción a MLS
Tecnología de
Control de Turbinas
Actuadores de Pitch
y Yaw
MLS
Motores, reductoras,
sensores.
July 2009
Diseño, producción y
soporte local
Confidential
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Introducción a MLS
Linear Electric
Pitch
July 2009
Confidential
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Introducción a MLS
July 2009
Ventas
Investigación y Desarrollo
Producción
Servicio Técnico
Confidential
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Control individual de pala
¿Por qué?
• Las cargas de la pala tienen una gran dependencia
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
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Control colectivo de pala
-
ωd
G(s)/s
βd -
Controlador
central
actuator
controller
actuator
dynamics
βa
Dinámica
de la
turbina
ωγ
Actuador de
pitch
• 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.
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Control colectivo de pala
Referencia
18/03/2009
Controlador βd
Central
actuador
βd
actuador
βd
actuador
βd
EWEC 2009
Dinámica
de la
turbina
Velocidad
del rotor
ωg
Control colectivo de pala
• El control colectivo regula la velocidad del
generador especificando el mismo angulo
de paso para las tres palas
• Las diferencias de viento en las tres palas
crean desequilibrios en el rotor
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Control individual de pala
Individual pitch control - tradicional
• 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
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Control individual de pala
Individual pitch control – IA
• Usado a velocidades de viento superiores a la nominal
• Ha mostrado un gran potencial para reducir las cargas
asimétricas en el rotor
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Control individual de pala
• El ángulo de paso de pala tiene una relación directa con el momento
en la pala. Esa relación depende de la velocidad del viento.
-
ωd
G(s)/s
Μd -
Controlador
central
actuator
controller
Actuador+blade
dynamics
Μa
Dinámica
de la
turbina
ωa
Actuador de
momento
• 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.
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Control individual de pala
actuador
+ control
Referencia
Controlador βd
Central
actuador
+ control
actuador
+ control
M1
β1
M2
β2
M3
Dinámica
de la
turbina
Velocidad
del rotor
ωg
β3
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Control individual de pala
• 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
local
• Estructuralmente simple,
implementación sencilla y ajuste
fácil
• La misma referencia de momento
es dada a las tres palas
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Control individual de pala
Lazo externo
Lazo interno
-
ωd
G(s)/s
Μd -
controlador+
actuador+dinám
+
ica de pala
Μa
Perturbaciones al
momento
Dinámica
de la
turbina
+
ωa
Perturbaciones
a la velocidad
del rotor
• El lazo de control interno controla el momento
• El lazo de control externo controla la velocidad del rotor
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Control individual de pala
No hay conflicto entre el lazo interno y el externo si hay:
Separación de frecuencias
• Lazo interno tiene una frecuencia más alta
• Lazo externo tiene un ancho de banda más
reducido
No hay interacción entre
• Dinámica que controla el lazo interno
• Dinámica que controla el lazo externo
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Control individual de pala
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.
El lazo externo pretende regular
• Velocidad del rotor ~1rad/s.
• Componentes en la dinámica de la torre cercanas
a la frecuencia natural de la torre ~2rad/s.
La dinámica de la pala interacciona con la dinámica
del resto de la turbina
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Aislando la dinámica de la pala
Principio usado para desacoplar la dinámica de la torre de la del
resto de la turbina:
• La dinámica de un sistema en un sistema de referencia noinercial es igual a la dinámica del sistema en un sistema de
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
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Aislando la dinámica de la pala
Del
controlador
central
galgas/fibras ópticas
Referencia controlador
& 
&y&R  Ω
zR
&z&  ;  & 
 R  ΩyR 
Acelerómetros para
estimación de las fuerzas
ficticias
actuador+pala
+dinámica de la Momentos en
turbina
la pala +
Estimación de
las fuerzas
ficticias
Actuador+dinámica de la pala
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Control de momento de pala
Control no-lineal;
switching
Controlador de
paso de pala
Compensación de las
no-linealidades del
controlador central
Dinámica del accionador
y la pala compensado
con las fuerzas ficticias
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Control de momento de pala
Resultado de la compensación de fuerzas
ficticias: aceleración fore-aft de la torre
Collective Pitch
CB1 active
w/o CB1
PSD (2/rad)
Frecuencia de
rotación 1P:
reducción de
la aceleración
en el rango
de 1P
Frecuencia natural
de la torre: no hay
ninguna influencia
de IA con la
compensación
adecuada
Frequency (rad/s)
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
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
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Control de momento de pala
Resultado de reducción de cargas del IA
PSD(Nm2/rad)
Cumulative PSD (Nm2)
PSD (Nm2/rad)
Cumulative PSD (Nm2)
Cargas en la pala
Cargas en el eje central
Frequency (rad/s)
Frequency (rad/s)
Reducción de fatiga 24%
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Reducción de fatiga 18%
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Conclusiones
Control
colectivo
Control de pala
individual
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Conclusiones
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
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
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Conclusiones
• Ventajas
– Reducción completa de 1P y 2P
– El diseño depende solo de la
dinámica de la pala
– Fácil de ajustar
– Invisible para el controlador
central
– Localizado en el buje
– Independiente del actuador de
pitch
– Posibilidad de incorporar en
instalaciones existentes
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Wind PowerExpo, 22-24 September 2009
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