Brevet FR2496774A1 — publié le 19820625

La présente invention concerne un système de réglage de pas de pales pour des générateurs de turbines éoliennes à axe horizontal et elle concerne plus parti- culièrement des générateurs de turbines de ce type com- portant plusieurs grandes pales à surface portante et à pas variable montées sur un rotor qui entraîne un géné- rateur synchrone via une bo5te d'engrenages. Les générateurs de turbines éoliennes de con- ception moderne, de grandes dimensions et à axe horizon- tal comportent généralement plusieurs pales à pas varia- ble montées sur un rotor qui entraîne un générateur syn- chrone via une boite d'engrenages. Cette boîte d'engre- nages amène l'arbre principal de la turbine à la vitesse de rotation requise pour assurer le fonctionnement syn- chrone du générateur. Les pales, la bo5te d'engrenages et le généra- teur ne peuvent accepter qu'une entrée de puissance ou un couple limité. C'est ainsi que, dans le système de réglage de ces générateurs de turbines éoliennes de con- ception moderne et de grandes dimensions (comme décrit, par exemple, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 4.193.005 aux noms de Kos et al) pour protéger les pales de la turbine, leurs montures, les jeux d'engrenages, le générateur et d'autres éléments du système, l'énergie ou la puissance éolienne captée par les pales, de même que le couple qui en résulte et qui est appliqué à l'ar- bre principal du générateur de la turbine,sont limités à des valeurs de sécurité en réglant l'angle de pas des pa- les formant les surfaces portantes de la turbine. Afin de limiter de la sorte la transmission de puissance et de couple à l'intérieur du générateur d'une turbine éo- lienne, le système de réglage du pas des pales doit recevoir ou émettre lui-même un signal indiquant la capa- cité maximale de traitement de puissance ou de couple des éléments précités du générateur de la turbine. Dans le brevet précité de Kos et al, ce signal de couple désiré (également connu sous le nom de "signal de réfé- rence de couple") est émis par un générateur de couple ou de fonctions (144) dans lequel des valeurs numériques correspondant à un couple nominal sont mémorisées en fonction de la vitesse du vent, si bien qu'un signal d'entrée relatif à la vitesse du vent dans le programme donne lieu à l'émission, par ce dernier, d'un signal correspondant de référence de sortie de couple. Jusqu'à présent, les valeurs de couple de réfé- rence mémorisées dans un générateur de signaux 144 ont été déterminées sur la base des valeurs nominales des pales de la turbine, du générateur et de la boîte d'en- grenages, la détermination de ces valeurs nominales étant basée sur le fonctionnement de ces éléments sous une charge électrique et dans des conditions climatiques gé- néralement néfastes pour la transmission de puissance ou de couple maximum. Dès lors, le générateur de fonctions 144 limite le signal de puissance ou de couple de réfé- rence et, partant, la sortie du générateur, à une valeur qui est une valeur de sécurité dans des conditions de fonctionnement relativement néfastes, même lorsque les conditions de fonctionnement réelles sont favorables à la transmission maximale de puissance ou de couple par les pales, la boîte d'engrenages et le générateur, ces conditions étant ipso facto favorables à la sortie élec- trique maximale du générateur. En ce qui concerne les pales des turbines éo- liennes, il a été déterminé que les contraintes qu'elles subissent, sont à leur maximum à la vitesse "nominale" du vent (vitesse du vent la plus faible à laquelle la puissance nominale est produite), vitesse à laquelle le pas des pales est réglé pour capter le maximum d'énergie. Au-delà de cette vitesse nominale, on règle le pas des pales afin de réduire la poussée exercée sur ces derniè- res, laissant ainsi "déborder" d'importantes quantités de vent des pales. Ce réglage du pas a pour effet de ré- duire les contraintes exercées sur les pales par rapport à celles existant à la vitesse nominale. La sortie électrique maximale permise d'un générateur synchrone dépend de facteurs tels que le facteur de puissance de charge et la capacité de refroi- dissement du générateur, laquelle dépend,à son tour, de la température ambiante et de la densité de l'air (alti- tude). La sortie du générateur est une fonction de la charge et de l'entrée de couple dans le générateur. La sortie électrique maximale permise du générateur augmen- te selon que le facteur de puissance de charge s'élève et que la capacité de refroidissement s'accentue. Dès lors, pour un site (altitude) donné du générateur, à des fac- teurs de puissance de charge élevés et/ou à de faibles températures ambiantes, le générateur peut fonctionner à une entrée de couple dans le rotor supérieure à l'entrée de couple nominale et, partant, supérieure à la sortie de puissance électrique nominale allant vers la charge. En règle générale, la boite d'engrenages uti- lisée dans le générateur d'une turbine éolienne est éga- lement réglée à une capacité de traitement de puissance ou à une entrée de couple nominale. L'entrée de couple de la boite d'engrenages est, à son tour, déterminée par la sortie de couple du rotor de la turbine éolienne à la fois en régime constant et en cas de rafale. Il a été de pratique courantEid'établir la valeur nominale de ces boîtes d'engrenages à une certaine entrée de couple en régime constant, cette boite d'engrenages étant conçue pour résister à des couples transitoires approximatifs plus élevés résultant des rafales. On admet généralement que ces couples transitoires se situent aux environs de 140% du couple nominal. Il a été déterminé que, lorsque les rafales réellementrencontrées avaient une amplitude, une fréquence et une durée moins importantes que celles présumées, la boite d'engrenages pouvait forctionner en régime constant en recevant une entrée de couple supérieu- re à l'entrée de couple nominale, si bien que la sortie électrique du générateur est supérieure à la sortie élec- trique nominale. D'après l'exposé ci-dessus, on comprendra que, dans certaines conditions, c'est-à-dire en présence d'une basse température ambiante, d'un haut facteur de puissan- ce et d'un faible facteur de turbulence du vent, de même qu'avec un vent soufflant à une vitesse moyenne supérieu- re à la vitesse nominale, le générateur d'une turbine éolienne pouvait fonctionner dans des conditions de sécu- rité à des valeurs supérieures aux valeurs de puissance ou de couple nominal calculées pour les pales de la tur- bine, la boite d'engrenages ou le générateur, valeurs qui sont fournies par un programme de -signaux de réfé- rence selon la technique antérieure. Bien entendu, un fonctionnement à ces valeurs supérieures aux valeurs nominales de puissance ou de couple a pour effet d'accroî- tre la sortie électrique du générateur de la turbine, réduisant ainsi le colt unitaire de l'énergie électrique produite de la sorte. La présente invention a pour objet d'établir un signal de référence de puissance ou de couple optimum pour un système de réglage du générateur d'une turbine éolienne en se basant sur les conditions de fonctionne- ment réelles de ce générateur. Suivant la présente invention, on compare l'un avec l'autre des signaux indiquant des capacités maxima- les de traitement de puissance ou de couple d'un généra- teur, de pales et d'une boîte d'engrenages dans des condi- tions de fonctionnement relatives au vent, à la tempéra- ture et au facteur de puissance, ainsi qu'un signal de commande indiquant la puissance de sortie désirée du géné- rateur, le signal de puissance ou de couple de l'amplitu- de la plus faible étant choisi comme signal de référence de puissance ou de couple. Ce signal de référence est en- suite acheminé à un système de réglage de pas de pales afin d'établir des positions de pas auxquelles la sortie du générateur de la turbine correspond au signal de réfé- rence. Dans une forme de réalisation de la présente in- vention, un ou plusieurs signaux de capacité maximale de traitement de puissance par le générateur, les pales et la boîte d'engrenages sont acheminés à un circuit de compensation de retard qui comprend un élément de compen- sationd'intégrale destiné à filtrer le signal et en amé- liorer ainsi la précision. Le circuit de compensation de retard comporte également un élément limitant l'erreur entre la sortie de l'élément de compensation d'intégrale et le signal de référence de la sortie du système à une valeur qui empêche un fonctionnement excessif de l'élé- ment de compensationd'intégrale lorsque le signal de ré- férence est limité par un signal de capacité de traite- ment de puissance autre que celui auquel est associé le circuit de compensation de retard. Les objets, caractéristiques et avantages ci- dessus de la présente invention, ainsi que d'autres ap- paraîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée en se référant à l'unique dessin annexé qui est un schéma d'une forme de réalisation préférée d'un système de réglage du pas des pales d'un générateur de turbine éolienne suivant la présente invention. En se référant à ce dessin, le système de ré- glage 10 de la présente invention comprend des éléments tels que des générateurs de fonctions analogiques ou des mémoires de recherche de données numériques 15, 20, 25 des- tinés à émettre des signaux indiquant les capacités de traitement de puissance de la boîte d'engrenages des pales et du générateur d'une turbine éolienne en fonction des conditions dans lesquelles fonctionne ce générateur. Bien que ce système de réglage soit décrit en se référant à des mémoires de ce type, il est entendu que des mémoires cor- respondantes de fonction de couple peuvent également être utilisées sans pour autant se départir de la présente in- vention, des valeurs numériques de couple pouvant être aisément converties en puissance et vice versa. En consé- quence, lorsque, dans la description ci-après, il est fait référence à un signal de puissance, il est entendu que cette référence s'adresse soit à un signal de puissance, soit à un signal de couple. La mémoire 15 du générateur mémorise la capa- cité de traitement de puissance de ce générateur en fonction à la fois de signaux d'entrée relatifs au fac- teur de puissance de charge (P.F.) et à la température ambiante TAMB pour une altitude donnée, étant cependant entendu que, comme on le décrira en détail ci-après, la capacité de traitement de puissance du générateur augmen- te selon que le facteur de puissance s'élève et que la température ambiante diminue. Les signaux de facteur de puissance et de température sont acheminés à la mémoire par des transducteurs appropriés tels qu'un thermocou- ple 27 et un dispositif de mesure de facteur de puissance 28, de même que par une entrée via des lignes 30 et 35 respectivement. La mémoire 20 émet un signal indiquant la capacité de traitement de puissance des pales (limi- tée par la contrainte tolérée pour les pales) en fonc- tion d'un signal de vitesse moyenne du vent émis par un transducteur 37 tel qu'un anémomètre, ainsi que par une entrée vers la mémoire précitée via une ligne 40. Une mémoire ou un générateur de fonctions 25 émet un signal de sortie indiquant la capacité de traitement de puissan- ce de la boite d'engrenages en fonction à la fois de si- gnaux d'entrée relatifs à la vitesse moyenne du vent (Va) et du facteur de turbulence du vent (T.F.). Le si- gnal relatif à la vitesse du vent peut être acheminé à la mémoire 25 par une ligne 40 et une entrée via une ligne 45. Le signal relatif au facteur de turbulence et indiquant l'amplitude de la turbulence du vent (rafale) est émis par un appareil approprié 47 qui relève à plu- sieurs reprises la vitesse du vent et qui calcule un facteur de turbulence basé sur des rafales mesurées et des vitesses moyennes calculées du vent. Ce signal est introduit dans la mémoire 20 via une ligne 50. Ainsi qu'on l'a décrit ci-dessus, les contraintes exercées sur les pales diminuent lorsque le vent peut en "déborder", réduisant ainsi la poussée exercée sur ces pales. Dès lors, lorsque le vent souffle à des vitesses supérieures à la vitesse nominale, les contraintes exercées sur les pales sont inférieures à celles exercées à la vitesse nominale et, partant, les pales peuvent capter de plus grandes quantités de puissance éolienne sans pour autant créer une tension interne excessive. Selon les indica- tions fournies par la mémoire 25, lorsque la turbulence diminue, la capacité de traitement de couple ou de puis- sance en régime constant de la bofte d'engrenages aug- mente. Dès lors, il est à noter que, dans certaines con- ditions favorables relatives au vent, à la température et au facteur de puissance, les mémoires 15, 20 et 25 émettent des signaux de puissance indiquant une capacité de traitement de puissance nettement supérieure à celle de l'une ou l'autre des valeurs nominales relatives aux pales, à la boîte d'engrenages ou au générateur. Les signaux de sortie des mémoires 15, 20 et sont appliqués à des lignes 55, 60 et 65 respective- ment. De temps à autre, par exemple, au cours du démar- rage du générateur de la turbine éolienne, lorsque la vitesse de cette dernière doit être élevée progressive- ment, un signal de référence d'une valeur inférieure à la valeur maximale est nécessaire. Pour réaliser ce ré- glage, un signal de puissance de commande est introduit dans le système de la présente invention via une ligne 70. Si, pour clarifier la description, on suppose que le circuit encadré par la ligne en traits discontinus ne fait pas partie de la présente invention, les si- gnaux de sortie émis par les mémoires 15, 20 et 25, de même que le signal de puissance de commande sont achemi- nés à un circuit sélecteur de minimum 80 qui choisit le plus faible de ces quatre signaux et qui laisse passer ce signal minimum comme signal de référence de sortie 85. Ainsi qu'on l'a décrit ci-dessus, ce signal indique un angle de pas auquel les pales de la turbine éolienne doi- vent être réglées pour donner une puissance de sortie correspondant à ce signal de référence. Cet élément sélecteur de minimum peut comporter n'importe quel élé- ment ou circuit approprié tel qu'un premier groupe de comparateurs qui comparent la valeur d'un des signaux avec les valeurs des autres signaux, de même qu'un deu- xième groupe de comparateurs qui comparent les sorties du premier groupe de comparateurs, conjointement avec des portes dont une est actionnée par les comparateurs pour laisser passer le signal de valeur minimale comme sortie du circuit sélecteur de minimum. Lors du fonctionnement, en supposant que l'on désire obtenir la sortie maximale possible du générateur de la turbine éolienne, le signal de commande aura une valeur supérieure à celle des signaux de puissance ou de couple maximum permis émis par les mémoires 15, 20 et 25. En supposant que la vitesse moyenne du vent soit modéré- ment élevée et que l'on ait affaire à un haut facteur de puissance de charge et à un facteur de turbulence du vent relativement faible, on constatera que les pales de la turbine et le générateur peuvent recevoir des entrées de puissance largement supérieures aux valeurs minimales établies pour ces éléments. De même, le faible facteur de turbulence permet, à la boite d'engrenages, de rece- voir une entrée de puissance supérieure à la puissance d'entrée nominale. Dès lors, le générateur de la turbine éolienne peut fonctionner dans des conditions de sécuri- té et alors même que les pales, la boite d'engrenages et le générateur reçoivent des entrées de puissance supérieu- res aux entrées de puissance nominale, ce générateur pou- vant ainsi fonctionner avec une sortie de puissance élec- trique supérieure à la sortie de puissance électrique nominale. En supposant que le vent souffle dans des condi- tions telles que la limite d'entrée de puissance de la boite d'engrenages soit atteinte avant l'une ou l'autre des limites d'entrée de puissance ou de couple pour les autres éléments, le signal émis par la mémoire 25 prévue pour la boite d'engrenages sera inférieur aux signaux de sortie des autres éléments, ainsi qu'au signal de com- mande. En conséquence, l'élément sélecteur de minimum choisit le signal pour la boîte d'engrenages et il laisse passer ce signal comme signal de référence de sortie. Ce signal de référence est acheminé à la partie du système de réglage (non représenté) du générateur de la turbine éolienne, qui fixe le pas des pales dans une position correspondant à une puissance de sortie réelle du géné- rateur de la turbine éolienne, laquelle est pratiquement égale à celle exigée par le signal de référence. Dès lors, il est à noter que, dans certaines conditions favo- rables relatives au vent, à la température et au facteur de puissance, lorsqu'il y est fait appel, le système de réglage de la présente invention peut établir un signal de référence de puissance nettement supérieur à l'une ou l'autre des valeurs nominales des pales, de la boute d'engrenages ou du générateur, portant ainsi, au maximum, l'énergie électrique produite par le générateur de la turbine. Les signaux de sortie de la mémoire 15 peuvent être acheminés à un circuit de compensation d'intégrale ou de retard 75, étant entendu que des circuits analogues de compensation de retard peuvent être raccordés de la même manière aux sorties des mémoires 20 et 25. Le cir- cuit de compensation de retard comprend une première jonction de sommation ou circuit différentiel go qui établit la différence entre le signal de référence de sortie 85 du sélecteur de minimum 80 et la sortie du cir- cuit de compensation de retard (ligne 95), émettant ainsi un signal de sortie sur la ligne 100, c'est-à-dire un premier signal d'erreur proportionnel à cette différence. Ce signal de sortie de la jonction de sommation 90 est acheminé à un circuit limiteur 105 qui limite la valeur du premier signal d'erreur. Comme l'indique le graphique du signal du circuit limiteur, dans une bande morte, en deçà d'une erreur prédéterminée (dans la forme de réali- sation préférée, un pourcentage établi tel que 5% de la puissance de sortie nominale du générateur de la turbine éolienne), la sortie du circuit limiteur est de zéro. Au-delà de cette bande morte, la sortie du circuit limi- teur est une fractio l établie de la valeur du premier signal d'erreur, laquelle est déterminée par le gain du circuit limiteur. Le signal de sortie du circuit limiteur 105 est acheminé à une deuxième jonction de sommation 110 qui établit la différence entre la somme du signal de sortie du circuit limiteur 105 plus le signal de référence de sortie 85 et la sortie de la mémoire associée (dans ce cas: la mémoire 15). Le signal de sortie de la deuxième jonction de sommation 110 est acheminé à un intégrateur , lequel établit une compensationd'intégrale afin de filtrer et d'améliorer la précision du signal de sortie de la mémoire. Le circuit de compensationd'intégrale ou de re- tard fonctionne comme décrit ci-après. Lorsque le signal de référence de sortie 85 est déterminé par un signal venant d'un élément autre que le générateur de fonctiom 15, la jonction de sommation 90 émet un signal d'erreur proportionnel à la différence entre le signal de sortie de l'intégrateur 115 et le signal de référence de sortie 85. Sans le circuit limiteur 105, une importante diffé- rence entre le signal de sortie de référence 85 et le signal de sortie de l'intégrateur 115 (ou lors d'une ap- plication à la seconde jonction de sommation 110) pour- rait, avec le signal de sortie de la mémoire 15 et lé signal de référence 85, définir un deuxième signal d'er- reur d'une importante valeur déclenchant l'intégrateur 115 et provoquant une intégration continue et, partant, superflue par cet élément, ce qui aurait, à son tour, pour effet de continuer à amplifier davantage les signaux d'erreur. Le circuit limiteur 105 limite l'erreur entre le signal de sortie de l'intégrateur et le signal de ré- férence 85 de la manière décrite ci-dessus, compensant ainsi toute différence éventuelle existant entre le signal de sortie de la mémoire 15 et le signal de référence de 1 1 sortie 85, ce qui réduit le signal de sortie de la jonction de sommation 110 à zéro ou à une valeur limi- tant, de manière appropriée, le fonctionnement et, par- tant, la sortie de l'intégrateur 115. Ainsi qu'on l'a exposé ci-dessus, bien que le circuitde compensation de retard ait été illustré en rela- tion avec le générateur de fonctions 85 déterminant la capacité de traitement de puissance du générateur de la turbine, on comprendra qu'un circuit de compensation de retard analogue peut également être utilisé de la même manière à la fois pour les mémoires 20 et 25 des pales et de la bofte d'engrenages. L'invention décrite ci-dessus peut être mise en oeuvre avec un appareil analogique et/ou un appareil numérique dans lesquels on peut envisager une conversion de signaux analogiques en signaux numériques et vice versa. De plus, bien que les signaux de sortie des géné- rateurs de fonctions ou des mémoires 15, 20, 25 aient été décrits comme étant des fonctions de température, de fac- teur de puissance, de facteur de turbulence et de vitesse du vent, on comprendra que les sorties de ces éléments peuvent être déterminées comme des fonctions d'autres paramètres tels que des paramètres par lesquels on peut calculer les paramètres précités de température, de fac- teur de puissance, de facteur de turbulence et de vitesse du vent. Bien que la présente invention ait été illus- trée et décrite en se référant à certaines de ses formes de réalisation détaillées, il est entendu que l'homme de métier reconnaîtra différentes modifications tant dans la forme que dans les détails et il est également entendu que les revendications ci-après couvrent ces modifications rentrant dans le cadre et l'esprit réels de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système de réglage de l'angle de pas des pales d'un générateur d'une turbine éolienne comportant des éléments de puissance, notamment un rotor à pales à pas variable entraînant un générateur électrique par l'intermédiaire d'un jeu d'engrenages, ce système de réglage comprenant un élément émettant un signal indi- quant la vitesse réelle moyenne du vent, ainsi qu'un élément de traitement de signaux réagissant à ce signal de vitesse du vent pour émettre un signal de référence de puissance indiquant l'angle de pas que les pales doi- vent avoir pour que ce générateur de la turbine éolienne résiste au vent à la vitesse indiquée par ce signal de vitesse du vent,caractérisé en ce qu'il comprend: un élément émettant un signal de facteur de turbulence indiquant le degré auquel la vitesse instan- tanée réelle du vent peut dépasser la vitesse moyenne réelle du vent; et l'élément de traitement de signaux réagissant à ce signal de facteur de turbulence pour émettre un si- gnal de capacité du jeu d'engrenages en fonction du signal de vitesse du vent, ce signal de facteur de turbulence indiquant l'angle de pas des pales souhaitable pour que le rotor entraine le jeu d'engrenages dans des conditions de sécurité en réponse aux vitesses maximales possibles du vent indiquées par le signal de vitesse du vent et ce signal de facteur de turbulence, cet élément de traite- ment de signaux réagissant également à ce signal de vites- se du vent pour émettre un signal de capacité des pales en fonction de ce signal de vitesse du vent pour indiquer l'angle de pas des pales souhaitable pour que le rotor puisse accepter, dans des conditions de sécurité, les vitesses du vent indiquées par le signal de vitesse du vent et le signal de facteur de turbulence, cet élément de traitement de signaux émettant le signal de référence de puissance indiquant l'angle de pas désiré des pales en fonction d'un signal choisi parmi le signal de capacité des pales et le signal de capacité du jeu d'engrenages pour émettre un signal de référence de puissance indi- quant l'angle de pas des pales maximum permis pour assu- rer le fonctionnement du rotor et de la boite d'engrena- ges dans des conditions de sécurité. 2. Système de réglage suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend également: un élément de condition pour le générateur émettant un signal de condition indiquant l'amplitude réelle d'un paramètre variable influençant la capacité de traitement de charge de ce générateur électrique; et l'élément de traitement de signaux réagissant à ce signal de condition pour émettre un signal de capa- cité du générateur indiquant l'angle de pas des pales désiré pour que le rotor entraîne le générateur dans des conditions de sécurité, de même que pour émettre le signal de référence de puissance en fonction d'un signal choisi parmi le signal de capacité des pales, le signal de capacité du jeu d'engrenages et le signal de capacité du générateur, afin d'émettre un signal de référence de puissance indiquant l'angle maximum de pas des pales per- mis pour que le rotor, la boite d'engrenages et le géné- rateur fonctionnent dans des conditions de sécurité. 3. Système de réglage suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de condition pour le géné- rateur émet le signal de condition indiquant la tempéra- ture ambiante du générateur. 4. Système de réglage suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de condition pour le générateur émet le signal de condition indiquant le fac- teur de puissance de sortie du générateur. 5. Système de réglage suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément de condition pour le générateur émet un deuxième signal de condition indiquant la température ambiante du générateur, tandis que l'élé- ment de traitement de signaux comprend également un élé- ment émettant le signal de capacité du générateur en réponse aux signaux de condition combinés. 6. Système de réglage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément de traitement de signaux émet le signal de référence de puissance comme signal choisi parmi: (A) un signal d'intégrale en fonction de l'inté- grale de temps de la différence entre un des signaux de capacité et le signal de référence de puissance et (B) un autre signal de capacité. 7. Système de réglage suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'élément de traitement de signaux émet le si- gnal d'intégrale comme intégrale de temps de la différence entre (1) un des signaux de capacité et (2) la somme (a) du signal de référence de puissance et (b) d'une partie limitée au-delà de la valeur seuil de la différence entre (i) le signal d'intégrale et (ii) le signal de référence de puissance.