Experiencia ganada con el uso de un registrador de altas prestaciones para aerogeneradores

TECHWINGDRID09 Madrid, 20-21 Abril 2009 Jos San Leandro Ros

Director, Automated Computing Machinery SL, +34605876615 E-mail: Jose.sanleandro@acm-sl.com, www.acm-sl.com

Resumen Los datos de los SCADA de los parques elicos no son suficientes para descubrir el comportamiento interno de todos los subsistemas de un aerogenerador.

Esta comunicacin muestra lo que hemos aprendido en el diseo de un registrador de datos especfico para ser usando en aerogeneradores en produccin, por largos periodos de tiempo (meses) y su procesamiento posterior.

Los datos registrados tienen una resolucin temporal sufi-ciente para caracterizar las variaciones cortas del viento y su relacin con las revoluciones en el eje de palas y en el genera-dor, la energa instantnea producida, la evolucin del angulo de palas, etc.

La experiencia fue usada para encontrar parmetros fun-cionales reales para cada uno de los subsistemas (control de ngulo de palas (pitch), sistema de frenos, orientacin de la gndola, etc.) de un aerogenerador de control de pala variable con un generador de dos velocidades. Estos parmetros fueron claves para el desarrollo de un Simulador/Entrenador de Ope-radores para este tipo de aerogenerador.

Ha sido tambin un primer para en el diseo de un sistema complete hbrido de monitorizacin continua, especializado para aerogeneradores.

ndice de trminos aerogenerador, registrador, monitoriza-cin continua.

I. INTRODUCCIN

La evolucin detallada de las seales internas de un aero-generador es tomada en cuenta por el controlador (algunas veces un PLC) para satisfacer su principal cometido: produ-cir el mximo de energa elctrica a partir del viento dispo-nible. Con este objetivo, cada aerogenerador est diseado como un sistema autnomo, como una central elctrica in-dependiente. El sistema SCADA del parque elico tiene ms una misin de registro de las seales que le enva el controlador del aerogenerador, que realmente una herra-mienta de control interno de los aerogeneradores. El SCA-DA se utiliza para dar permiso de operacin, ya que la operacin fsica de conectarse a la red elctrica es misin del controlador del aerogenerador.

Por tanto es comprensible que estos controladores no transmitan toda la evolucin de sus seales internas al SCADA, ya que esta sera una tarea del mismo rango que el propio control de operacin del aerogenerador. El resultado final es que los datos que se registran en el SCADA del parquet no son fuente de informacin para po-der entender el comportamiento interno de un aerogenera-

dor. Nosotros necesitbamos conocer el comportamiento interno para poder crear un Simulador/Entrenador de Ope-radores del aerogenerador; este equipo es til en un conjun-to de tareas tanto en la fase de produccin del aerogenera-dor (pruebas funcionales de subsistemas), as como para aprender como el aerogenerador funciona, o para compro-bar la influencia de los (centenares) de parmetros del con-trolador.

II. LAS CONDICIONES

En el caso que estbamos estudiando (BONUS ahora SIEMENS 1300KW), el aerogenerador tiene controlador con dos CPUs (situadas al pi y en la gndola, separados unos 70 m), cada uno situado cerca de las Fuentes de las seales correspondientes. Estn conectados mediante fibra ptica.

III. LA PLATAFORMA USADA

A. Hardware para el registrador

Diseamos un registrador usando un ordenador industrial con una sola CPU, lo que garantizaba la solucin al pro-blema de tener una seal de reloj de referencia para la data-cin de todas las seales. Los datos se recogieron usando lneas RS485. Estas lneas sirven como troncales para un nmero de dispositivos de conversin de uso comercial en la industria. Finalmente, diseamos los circuitos de adapta-cin entre cada una de las seales y estos dispositivos, res-petando el espacio disponible (poco). Tambin diseamos un tacmetro industrial con dos caractersticas particulares, que no encontramos en el mercado: a) una alta resolucin (mejor que 0.1 rpm cuando se estn midiendo 1500.0 rpms, ya que en generador existe una gran diferencia de potencia generada entre, p.e., 1500.1 y 1500.4 rpms); b) una medida por cada vuelta del eje (es decir, funcionamiento no por integracin de pulsos), y c) que cupiera en el espacio dispo-nible.

La unin entre los dispositivos conversores situados en la gndola y en el pi del aerogenerador se hizo mediante un modem de fibra ptica, lo que solvent el problema de po-der colocarlos cerca de las fuentes de seal correspondien-tes, y el de la alta emisin electromagntica existente dentro de la torre.

Para la medida de los parmetros elctricos se utiliz un analizador de red trifsico de cuatro cuadrantes, calibrado.

Para el envo de alarmas se utiliz un modem GPRS que permite: a) enviar mensajes SMS y b) servir como canal de comunicacin de baja velocidad para configuracin remota del equipo (planes de muestreo y verificacin del estado general). B. Software del registrador

El registrador funciona sobre una versin de Linux, como una librera especfica para la gestin de threads. La confi-guracin se dise de forma que el proceso de registro co-mienza de forma automtica inmediatamente despus de que arranque el sistema operativo. El control del registrador se hace mediante un programa que se ejecuta en un PC porttil externo, usando una interfaz grfica.

Debido al ambiente de la instalacin (el aerogenerador est en un monte) y el hecho de que planificamos dejarlo funcionando por un largo periodo de tiempo (meses), nos vimos forzados a resolver un conjunto de problemas rela-cionados con: a) la deteccin de lneas RS485 rotas; b) de-teccin de convertidores de datos rotos; c) reconexin au-tomtica de lneas RS485 cuando vuelven a ser operativas; d) lo mismo con los convertidores.

Diseamos el software de forma que no necesita progra-macin por parte del usuario, solo especificacin del plan de toma de datos mediante un fichero simple, autoexplicati-vo, en XML. A travs de este fichero se pueden fijar la ve-locidad de las lneas RS485, el nombre lgico de las sea-les, el tipo de cada seal, su conexin en los convertidores, etc. Los datos se almacenan en disco. El algoritmo usado para almacenar esta informacin toma en cuenta varios te-mas: 1. Almacenamiento solo de los cambios

Esta tcnica es comn para reducir el tamao de los fi-cheros, especialmente para seales digitales, pero implica que cada muestra de cada seal, o grupo de seales, debe ser almacenada con su fecha. Esto potencialmente implica un incremento del tamao de cada muestra: para solucionar este inconveniente utilizamos un mtodo de codificacin de la fecha que permite resolucin mejor que decimas de mili-segundo (utilizando ao-mes-da hora:minuto:segundo. milesimas de segundo) en solo 4 bytes. 2. Divisin de los ficheros de datos

Debido a que planificamos dejar el registrador desatendi-do por un largo periodo de tiempo, se decidi trocear los datos en varios ficheros consecutivos, nombrados con su fecha de comienzo. De esta forma nos garantizamos que, en caso de problemas con el disco, es posible recuperar gran parte de la informacin. 3. Formato de datos

Los datos se guardan en formato XML, de forma que son de fcil lectura, incluso por humano.

4. Compresin de datos Un proceso que se ejecuta a menor prioridad monitoriza

cuando se cierra un fichero y procede a su compresin, usando un algoritmo estndar (bzip) para compensar la im-plicacin del uso del formato XML.

IV. LIMITACIONES

El objetivo fue registrar todas y cada una de las seales que llegaban o salan del Controlador del aerogenerador. Entre estas seales, las que controlan la puerta de los tiristo-res que se usan para la conexin con la red elctrica, son las ms rpidas. Habamos desarrollado previamente un regis-trador especfico para estas seales, a alta velocidad (una muestra cada 2 ms aprox), monitorizando tambin los volta-jes y corrientes en la red. En el caso del aerogenerador que estbamos estudiando estas seales (6) consisten en trenes de pulsos de aproximadamente 5 ms de ancho. Decidimos que estas seales no aadan informacin para los objetivos que tena nuestro estudio, de forma que no los registramos como tales: s registramos las seales derivadas correspon-dientes a los ngulos de conduccin de los tiristores.

En total eran 46 seales analgicas y 63 digitales. Hici-mos pruebas de velocidad de muestreo para probar la capa-cidad del registrador y decidir los periodos de muestreo ms adecuados para cada seal. El registrador, con la CPU ele-gida y con este nmero de seales, puede recoger datos con muestreos ms rpidos que 300 milisegundos. Despus de estudiar unas muestras a esta velocidad se lleg al compro-miso de muestrear con una resolucin alrededor de 1 se-gundo. Las seales digitales tienen una incertidumbre de fecha mejor que 50 milisegundos.

V. OPERACIN

Como se ha dicho ms arriba, el software para el regis-trador comienza a ejecutarse inmediatamente despus de que arranca el sistema operativo, usando el fichero de con-figuracin especificado. La descarga de los ficheros con los datos registrados se hace por ftp, sin parar el proceso de registro.

VI. EXPLOTACIN DE LOS DATOS

Con el objetivo de caracterizar los datos registrados, se decidi disear una herramienta que facilitara el uso de la presentacin grfica de grandes cantidades de datos, y que los presentara de forma que fuera fcil entenderlos, compa-rarlos y, en fin, fuera fcil estudiar cmo haba sido la evo-lucin de las seales. Para la explotacin se eligi pasar los datos a un base de datos estndar SQL. Tipicamente, para un periodo de un mes, los datos comprimidos en el registra-dor ocupan menos de 100 Mbytes (109 seales, con resolu-cin de 1 segundo para las analgicas y con resolucin de milisegundos), que se transforman en alrededor de 1 Gbyte en formato de base de datos, incluyendo indexacin de las fechas de cada muestra.

Figura 1

La figura 1 muestra la velocidad del viento, las rpms del generador, el ngulo de las palas, la potencia active, la ca-pacitiva y la inductiva por un periodo de 30 days.

Nota: en las figuras el nombre de cada seal est situado en la parte superior del canal correspondiente del oscilosco-pio. Los valores que se presenta cerca de estos nombres corresponden con los valores instantneos correspondientes al cursor vertical de tiempo (lnea roja). ANEMOMETRO : Velocidad del viento; PAveAct: Potencia total active (kW); PAveCap : Potencial capacitiva total (kW); PAveInd: Po-tencia Inductiva total (kW).

La figura 2 muestra la evolucin de las Corrientes gene-radas, comparadas con la evolucin del viento y del ngulo de pala.

Figura 2

La figura 3 muestra la rampa de subida hasta el momento de conexin con la red elctrica, despus que se liberan los frenos (lnea roja), y la evolucin del comando del ngulo de pala que controla esta rampa, hasta que llega a la co-nexin, donde se produce un pico de consumo de potencia inductiva seguida de la generacin de potencia capacitiva y activa. La velocidad del viento se mantiene alrededor de 12

m/s, y la operacin dura aproximadamente 100 segundos.

Figure 3

Un comportamiento importante se muestra en la figura 4, donde se aprecia que despus de que el generador llega aproximadamente a las 800 rpms (unos 60 segundos des-pus de que se inicie la rampa de subida), el controlador da orden de reducir el ngulo de pala con objeto de controlar la subida, que ha crecido exponencialmente, de forma que se aproxime al momento de la conexin con la red de una ma-nera lineal, ms controlada.

Figure 4

Al aproximarse al punto de conexin con la red (figura 5) el controlador reduce el ngulo de pala para una conexin suave. Se puede ver con ms detalle la evolucin del con-sume de inductive, el pico de generacin de capacitiva y el aumento progresivo de activa, inmediatamente despus del

enganche.

Figura 6

Otra operacin importante es la de cambio de la configu-racin del generador, de 4 a 6 polos. La figure 6 muestra la efectividad de la solucin adoptada por este controlador , que minimiza el tiempo de este cambio, para intentar obte-ner el major rendimiento energtico al viento disponible.

Primero el ngulo de pala se reduce, de forma que la ve-locidad del rotor se reduce controladamente hasta por deba-jo de la velocidad objetivo (1.000 rpms), y despus seguir con una operacin normal de aproximacin desde abajo hasta dicha velocidad.

El estudio de estas imgenes puede ser muy instructivo para determinar los parmetros que determinan las rampas de subida, bajada y aproximacin, de forma que se reduz-

can los tiempos, minimizando el esfuerzo al que se someten los distintos elementos del aerogenerador.

Figura 6

La figura 7 muestra la evolucin de potencias (active, ca-pacitiva e inductiva), el factor de potencia (centrado en 1, mayor que 1 para la capacitiva, menor que 1 para la induc-tiva), y como se controlan los bancos de condensadores.

Legenda: existen 5 bancos de condensadores nombrados BANCO CONDEN 1 to BANCO CONDEN 5. Lgica negativa.

VII. CONCLUSIONES

1. Para analizar el funcionamiento de los aerogene-radores, un periodo de muestreo del orden de 1 segundo es suficiente. Los datos de los SCADAs no son suficientes para el estudio del funcionamiento interno de los aerogeneradores.

2. En general, los instrumentos de laboratorio no son adecuados para el registro de seales en un aero-

generador, debido al nmero de seales, el espa-cio disponible, la topologa de las conexiones y las condiciones ambientales.

Figure 7

3. La alta emisin radioelctrica y la topologa fuer-

zan un diseo especial de como la unidades de medida se conectan a las Fuentes de seal (tan cerca como sea posible)

4. A pesar de estas condiciones adversas, se puede construir un registrador que registra todas las se-ales internas del aerogenerador, utilizando uni-dades de medida de bajo coste, instalables por el personal habitual de Mantenimiento y Operacin del parque elico.

5. Un anlisis detallado de los datos registrados muestra un nmero interesante de situaciones, ta-les como: a) cambios rpidos en la carga repre-sentada por la red elctrica que, muy probable-mente, crean altas fatigas mecnicas en el tren de potencia (multiplicadora y generador); b) la com-pleja poltica del controlador del aerogenerador para controlar los bancos de condensadores para

la compensacin de la potencia reactiva, que pue-de entrar en colisin con la poltica de un compen-sador a nivel de; c) el estudio de los parmetros que regulan las rampas de subida a conexin y ba-jada (cambio de configuracin del generador; etc.

6. Una aplicacin no prevista de este registrador es para la deteccin de averas intermitentes debidos a sensores con funcionamiento intermitente, co-nexiones no totalmente fijas, etc.