Observabilidad de las dinámicas de la multiplicadora de un aerogenerador basado en un generador de inducción doblemente alimentado

Abstract

En los aerogeneradores basados en generadores de inducción doblemente alimentados, la turbina eólica y el generador de inducción están acoplados mecánicamente mediante una multiplicadora. La turbina eólica gira típicamente entre 10 y 40 revoluciones por minuto mientras que el rotor del generador de inducción gira alrededor de 1500 revoluciones por minuto.

La caja multiplicadora es uno de los componentes mecánicos del aerogenerador más vulnerables y más sujetos a fallos. El fallo de una caja multiplicadora tiene gran impacto en la disponibilidad de un aerogenerador debido a la complejidad de su substitución.

La detección incipiente del fallo en una caja multiplicadora es de gran relevancia económica. Y se realiza en la actualidad por medida de vibraciones mecánicas con sensores mecánicos apropiados. La instalación de sensores mecánicos de vibraciones es costosa.

Una alternativa a la medida mecánica de vibraciones es analizar las corrientes del rotor tal y como son utilizadas por el control de los convertidores electrónicos.

Este proyecto investiga la factibilidad de la monitorización de las vibraciones de las cajas multiplicadoras de los aerogeneradores basados en generadores de inducción doblemente alimentados analizando las corrientes del rotor utilizadas por el control de los convertidores electrónicos.

Las dinámicas asociadas a la caja multiplicadora estarán caracterizadas por uno o varios modos de oscilación (autovalores del modelo lineal). La observabilidad de las dinámicas de la caja multiplicadora se estudiará mediante la respuesta en el dominio del tiempo y los residuos (producto de los factores de controlabilidad y observabilidad modal) de dichos autovalores desde las corrientes de rotor.

In wind generators based on doubly fed induction generators, the wind turbine and the induction generator are mecanically coupled through a gear box. The rotation speed of the wind turbine is between 10 and 40 revolutions per minute whereas the rotation speed of the induction generators isa round 1500 revolutions per minute.

The gear box is one of the most vulnerable mechanical components. The failure of the gear box has great impact on the availability of wind generators due to the complexity of the repair and even substitution process.

The early detection of the failure of a gear box is economically very relevant. Currently, the early detection of the failure of gear box is addressed by measurement of mechanical vibrations with appropriate sensors. The installation of vibration sensors is very costly.

An alternative to the use of vibration sensors is analyzing the rotor currents using in the converters control system.

This project investigates the feasibility of monitoring vibrations in gear boxes of wind generators based on doubly fed induction generators by analyzing the rotor currents as they are used by the control systems of the power electrónico converters.

The dynamics of the gear box are characterized by one or several modes (eigenvalues of the linear model). The observability of the gear box dynamics will be studied using the time response and the residues (expressed as the producto of the modal observability and modal controllability factors) of such modes from the rotor currents.