Mejora de la eficiencia de las turbinas eólicas con un sistema de medida y control inteligente

Niels Anker Olesen, Vestas Technology

"Hemos elegido los productos de National Instruments porque necesitábamos una plataforma versátil, potente y bastante robusta para nuestro desafiante sistema de medida y control."

- Niels Anker Olesen, Vestas Technology

El Reto:

La construcción de un sistema para medir y controlar el comportamiento de las palas de las turbinas eólicas con el fin de mejorar su eficiencia. El principal reto fue desarrollar un sistema de medida y control avanzado que trabajase en una cantidad de espacio limitada dentro del duro entorno de las palas de los aerogeneradores. Se necesitaba adquirir datos de las tres palas y comunicarlos entre sí a 100 Hz para realizar el ajuste fino del control de cada pala. Los datos también necesitaban ser almacenados y visualizados en un servidor en tierra. Por último, el sistema tenía que ser escalable y versátil como para manejar el cambio especificaciones a medida que avanzase el proyecto.

La Solución:

Utilización de NI CompactRIO, NI EtherCAT, controladores industriales de NI y el software de diseño de sistemas NI LabVIEW para construir un sistema de medida y control inteligente que nos ayudase a optimizar la eficiencia de los aerogeneradores.

Autor(es):

Niels Anker Olesen - Vestas Technology
Bjarke Dahl-Madsen - CIM Industrial Systems A/S

 

 

Desarrollo de Energía Eólica

En tanto que el consumo de energía se dispara, ¿dónde están los combustibles que van a hacer frente a la demanda? Los combustibles fósiles son un recurso finito. El sustituto natural está circulando libremente alrededor de la Tierra, el viento. El viento es renovable, predecible, rápido de instalar, limpio y comercialmente viable. Tenemos datos que soportan nuestra predicción de que, en 2020, hasta un 10 por ciento del consumo mundial de electricidad será satisfecho por la energía eólica. Además, tenemos confianza en decir que la energía eólica es una industria a la par del petróleo y el gas.

 

Vestas se dedica exclusivamente a la energía eólica y es uno de los líderes indiscutibles de su desarrollo. Hemos descubierto muchas innovaciones de energía eólica y esta vez estudiamos el comportamiento de las palas de los aerogeneradores. Queríamos medir y controlar las palas para optimizar nuestras turbinas de viento. Esto fue un reto porque se trataba de múltiples tareas de medida y control en tiempo real. El ambiente era también un reto, porque teníamos que adaptar el sistema al interior de una pala del aerogenerador y era necesario cumplir con los requisitos ambientales de una máquina que trabaja en condiciones climáticas adversas.

 

 

Requisitos del sistema

Queríamos un sistema versátil que fuese fácil de modificar y mantener. En el caso del sistema actual, algunas partes de medida necesitaban ser instaladas de una manera que requeriría una gran cantidad de trabajo volver a configurarlas más adelante, si los requisitos cambiasen. Imaginemos el reto que supone el mantenimiento de un aerogenerador. Realmente, no se desea subir a la cima de la torre sólo para modificar el código del sistema una vez instalado. Además, el sistema fue construido en el interior de la pala del aerogenerador, por lo que se estaría obligado a detener el sistema antes de poder acceder al hardware. Es por eso que necesitábamos un sistema que pudiésemos programar desde cero. La plataforma de hardware definida por el software ofrecido por NI CompactRIO fue una buena opción para esto.

 

El sistema necesitaba medir diferentes tipos de sensores y ejecutar algoritmos avanzados sobre los datos de medida en tiempo real y controlar las palas en base a los resultados. Para hacerlo aún más difícil, queríamos reutilizar los datos de las tres palas al mismo tiempo.

 

Arquitectura del Sistema

Utilizamos hardware de NI CompactRIO y el software de diseño de sistemas NI LabVIEWpara crear este extremadamente difícil sistema de medida y control. Debido a la desafiante arquitectura del proyecto, decidimos trabajar con National Instruments Gold Alliance Partner CIM Industrial Systems A/S  para diseñar la arquitectura y proporcionar la solución. Hemos trabajado con la CIM en proyectos similares y estábamos seguros de poder hacer frente a nuestro reto.

 

 

CIM diseñó la arquitectura de hardware con múltiples controladores embebidos de tiempo real NI cRIO-9025, chasis de expansión NI 9144 EtherCAT y sistemas de  NI 3110 industrial controller  con múltiples canales de medida (Figura 3). Dispusimos de un controlador maestro que podía manejar todas las comunicaciones entre los diferentes controladores dentro de las palas y el controlador Vestas HUB. Los datos se adquirieron utilizando la tecnología NI Scan Engine para que pudiésemos acceder a los datos del chasis con seis EtherCAT a 100 Hz. Los datos se filtraron, escalaron y se enviaron a las otras dos palas y al controlador maestro a la misma velocidad usando el bus CAN (Controller Area Network) y NI-XNET. Al recibir información similar de las palas vecinas, el controlador de la pala podía controlarla usando una combinación de realimentación directa y control PID (Proportional Integral Derivitive).

 

Para hacer frente a la perspectiva de la evolución y al cambio de las especificaciones, CIM ha optado por un código modular basado en eventos para que cada componente de software dentro del blanco pudiese funcionar de forma independiente. Esto redujo considerablemente el tiempo de prueba y proporcionó flexibilidad para cambiar, quitar, habilitar o deshabilitar los módulos y así hacer frente a las modificaciones y a los cambios en curso del hardware del bus CAN o del protocolo TCP/IP o simplemente para ignorar la temida fractura de la flecha de ejecución (Run).

 

Ventajas

Nuestros requisitos eran exigentes y el programa con tiempo escaso para este complejo sistema de medida y control y al final, conseguimos superar algunos de esos requisitos. La plataforma de hardware NI CompactRIO definida por software fue una buena opción para nuestras necesidades. Creamos un sistema flexible y versátil que podía ser reconfigurado a medida que surgieran nuevas demandas. Las medidas que hicimos fueron valiosas. La cantidad de datos y la velocidad de su adquisición nos ayudaron a observar fenómenos elusivos como los armónicos de segundo y tercer orden. El determinismo y el sincronismo del sistema permitieron crear el rápido lazo de control necesario para la ejecución del proyecto. Las lecciones aprendidas de este proyecto nos ayudarán a optimizar la eficiencia de los aerogeneradores.

 

Se eligió la plataforma NI CompactRIO con LabVIEW por ser robusta y versátil y por ello, seguirá siendo utilizada. La flexibilidad de los sistemas hacen que la plataforma se muy adecuada para los proyectos de medida y control, en los que la dimensión final no está siempre completamente definida desde el inicio del proyecto.

 

Información del Autor:

Niels Anker Olesen
Vestas Technology
Denmark
naand@vestas.com

Figura 1. Aerogenerador Vestas
Figura 2. Sistema instalado en el interior de una pala del aerogenerador.
Figura 3. Arquitectura de un sistema de medida y control de alto nivel.