Las excursiones de la máquina fuera del equilibrio pueden provocar fuerzas y cargas adiciones, siendo importante asegurar que no tienen un impacto crítico en el estado de los componentes y en la vida útil de la máquina. Las inestabilidades se producen cuando el sistema sometido a perturbaciones se aleja cada vez más del equilibrio, dando lugar a movimientos y deformaciones que provocan cargas significativas, pudiendo dar lugar incluso a fallos en los componentes. Las causas más importantes que dan lugar a las inestabilidades son o bien el amortiguamiento negativo de algún modo de vibración, o bien la coincidencia de la frecuencia natural de un modo con la de otro modo o con la frecuencia de operación de la máquina.
Por lo tanto, lo más importante para estudiar la estabilidad de una máquina es obtener los valores de frecuencias naturales y amortiguamientos de sus modos de vibración en cualquier condición de operación, con lo que se podrá predecir:
– Puntos de trabajo donde pueda producirse alguna inestabilidad
– Puntos de trabajo estables, pero muy cercanos a la inestabilidad, que pueden desembocar en una inestabilidad en determinadas situaciones debido a las incertidumbres del estudio
– La frontera entre la estabilidad y la inestabilidad de los diferentes componentes de la máquina para diferentes condiciones de operación
– Fuentes de autoexcitación que puedan producirse en el aerogenerador
La metodología de trabajo utilizada en este proyecto se ha construido sobre los programas OpenFAST y Bladed (para la modelización de aerogeneradores), a través de cuatro técnicas de análisis de estabilidad:
– Análisis clásico del sistema linealizado
– Teoría de Floquet (ha presentado dificultades y se ha estudiado a nivel teórico y en un desarrollo preliminar)
– Análisis modal operacional (OMA)
– Análisis de las señales no lineales
El análisis clásico se ha llevado a cabo tanto con OpenFAST como con Bladed, para ver las diferencias que pueda haber en las herramientas de modelización, y los análisis OMA y de señales no lineales se han desarrollado solamente con los resultados entregados por OpenFAST.
El análisis práctico se ha realizado empleando dos aerogeneradores diferentes (AVATAR de 10 MW y NREL de 5 MW) empleando las tres técnicas descritas arriba.
Se han lanzado una serie de casos con las máquinas en diferentes condiciones de operación (standstill, idling y producción), para diferentes velocidades de viento y ángulos de yaw (desalineamiento de la máquina con el viento). La técnica de análisis clásico basada en el sistema linealizado a partir de los resultados de OpenFAST se ha usado como base, habiéndose lanzado y analizado más de 500 casos en total. El resto de técnicas se han empleado solamente sobre un grupo de casos reducido, que constan de un pequeño grupo de casos representativos y casos donde se ha visto con la técnica base que podría haber problemas de estabilidad.
Para cada uno de los casos, se han calculado las frecuencias naturales y amortiguamientos de los modos de vibración más relevantes del sistema. Una vez calculados estos valores, se han comparado entre sí los valores dados por el análisis clásico empleando OpenFAST y Bladed, y los valores dados por las diferentes técnicas de análisis (a partir de los resultados de OpenFAST).
Los resultados han sido satisfactorios, ya que, en general, para todos los casos, las frecuencias naturales de los dos softwares y las tres técnicas de análisis son muy parecidas. Los amortiguamientos, a pesar de presentar mayores diferencias, tienen valores del mismo orden y son unánimes cuando se produce alguna inestabilidad. Por ello, se puede decir que todas las técnicas han sido correctamente validadas.
Una vez llevado a cabo el análisis y la comparación de todos los resultados, se ha propuesto una metodología de análisis de estabilidad que emplea las tres técnicas de análisis estudiadas (además de las dos herramientas de simulación).Con todo ello, se puede concluir que se han probado con éxito diferentes técnicas para analizar la estabilidad de un aerogenerador, además de haberse desarrollado y validado una metodología para el análisis de estabilidad, la cual es fiable y robusta.
Considerando que los objetivos marcados al inicio del proyecto se han cumplido con éxito, la metodología se considera madura para transferir el servicio al entorno industrial y apoyar el análisis de estabilidad de los aerogeneradores en procedimientos de diseño o evaluación.
