CN113167240A - 用于风能设备的调节器结构和调节方法 - Google Patents

用于风能设备的调节器结构和调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于具有空气动力学的转子(106)的风能设备(100)的调节器结构(300)，所述空气动力学的转子具有至少一个转子叶片(108)，其中调节器结构(300)构成用于，调节风能设备(100)的转子(106)的转速(n)，其中调节器结构(300)构成为级联式调节装置并且具有外部的调节回路(310)和内部的调节回路(350)，其中内部的调节回路(350)获得输入信号(340)，所述输入信号包括转速变化、转速加速度、所述转速变化的函数和/或所述转速加速度的函数。

Description

用于风能设备的调节器结构和调节方法
技术领域
本发明涉及一种用于具有空气动力学的转子的风能设备的调节器结构，所述空气动力学的转子具有至少一个转子叶片，一种相关的调节方法以及一种风能设备和一种风电场。
背景技术
用于运行风能设备的调节器结构是已知的。所谓的变桨控制的风能设备是最普遍的，其中设施风能设备的转子的转子叶片可围绕其纵轴线，即所谓的变桨轴线进行调节。通过改变桨距角来改变转子叶片的空气动力学功率，因此实现在达到额定风力时将功率限制为额定功率。为此已知的是，设有所谓的转速调节器，如在图2中示意性地示出的，以便能够大致遵循期望转速Nsoll。转速调节器200构成为用于，尽可能将期望转速Nsoll调节为参考变量，其中反馈由风能设备100测量到的实际转速Nist，并且将偏差借助于P调节器210和D调节器220转换为要设定的变桨率。所述变桨率以通过变桨率限制器230限制的方式设定为期望变桨率240，然后将所述期望变桨率用于运行所述风能设备100。
转速调节的质量直接影响风能设备的重要部件例如塔和转子叶片的剪切负荷。
德国专利商标局在关于本申请的优先权申请中检索到以下现有技术：DE10062025 C1、DE 2903819 A1、DE 10213792 A1、DE 102017105165 A1、US 2014/0246855A1、US 2015/0130187 A1、EP 2933477 B1。
发明内容
在该现有技术的背景下，本发明的目的是，提供一种转速调节的调节器结构，所述调节器结构实现减小风能设备的负荷。
根据第一方面，所述目的通过用于具有空气动力学转子的风能设备的调节器结构来实现，所述空气动力学的转子至少一个转子叶片，其中所述调节器结构构成为用于，调节所述风能设备的转子的转速。所述调节器结构构成为级联式调节装置并且具有外部的调节回路和内部的调节回路。所述内部的调节回路获得输入信号，所述输入信号包括转速变化、转速加速度、转速变化的函数和/或转速加速度的函数。
将转速调节装置构成为级联式调节装置能够实现：通过设置内部的调节回路来实现缓慢的、外部的转速调节，从而实现更快速的调节，所述内部的调节回路具有可快速调节的参考变量。因此实现下述基础：有效地降低了作用到风能设备上的负荷。换言之，外部的调节回路的滞后的参考变量得以保留，但是调节器的速度通过内部的调节回路的快速变化的参考变量来补偿。
在一个实施形式中，设置外部的调节回路的调节变量作为内部的调节回路的参考变量。所述外部调节回路的操纵变量因此是转速变化、转速加速度、转速变化的函数和/或转速加速度的函数。
在一个实施形式中，外部的调节回路构成用于，限制内部的调节回路的期望值，尤其转速变化、转速加速度、转速变化的函数和/或转速加速度的函数。因此以有利的方式限制作用到转子上的最大加速度以及与其相关的负荷是可行的。
在一个实施形式中，所述内部的调节回路的输入信号包括转子加速功率或转子加速力矩，其中转子加速功率或转子加速力矩描述由风能设备的转子接收的功率或力矩的一部分，该部分转换为转子的加速度。
在此和在下文中，术语“功率”和“力矩”可互换使用，因为它们可以通过利用转速进行的最简单的换算而相互转换。因此，示例性地关于功率阐述的说明和优点对于相关的力矩同样是有效的，并且反之亦然。
在一个实施形式中，内部的调节回路的输入信号包括由转子接收的空气动力学的功率，其中由转子接收的空气动力学的功率包括转子加速功率和由风能设备的另一部件接收的至少一个功率的总和，该至少一个功率尤其是风能设备的发电机的发电机功率，其中所述转子加速功率描述由风能设备的转子接收的功率的一部分，该部分被转换为转子的加速度。
在一个实施形式中，外部的调节回路将转子的实际转速与转子的期望转速的偏差确定为调节偏差。
因此，外部的调节回路根据风能设备的常规的转速调节起作用，其中通过根据本发明的作为级联式调节装置的设计方案能够实现：明显更快地调节期望的变量。
在一个实施形式中，所述外部的调节回路产生功率或力矩的期望值作为操纵变量。优选地，所述功率是转子的加速功率或所接收的空气动力学功率。类似地，如上文提及的，考虑相关的力矩，而不是功率是可行的。
外部的调节回路优选始终产生如下物理变量作为期望值，所述物理变量用作为内部的调节回路的输入信号。所述物理输入信号通常包括转速变化、转速加速度、转速变化的函数、转速加速度的函数、转子加速功率、转子加速力矩和/或空气动力学的功率。
在一个实施形式中，功率的期望值有上限和下限。因此避免了通过内部的调节回路进行的过度调节，所述过度调节例如又会引起高的负荷。
在一个实施形式中，所述功率的期望值的上限和下限不对称。因此，例如能够将加速功率限制为与制动功率不同的值，这又引起可能出现的最大负荷的减小。
在一个实施形式中，所述功率包括转子加速功率，其中所述转子加速功率限制为风能设备的额定功率，尤其限制为风能设备的额定功率的至多20％。通过限制转子加速功率避免了过度的通过加速度起作用的负荷。
在一个实施形式中，所述功率包括空气动力学的转子功率，其中所述空气动力学的转子功率被限制为风能设备的额定功率的两倍，尤其限制为风能设备的额定功率的至多120％。所述空气动力学的转子功率尤其包括发电机功率和转子加速功率的总和。
在一个实施形式中，内部的调节回路产生转子的至少一个转子叶片的桨距角或桨距角的变化率作为操纵变量。所述桨距角或桨距角变化率能够个体地提供给每个转子叶片或者也能够共同地提供给所有转子叶片共同作为操纵变量。
在一个实施形式中，限制桨距角的变化率的期望值，尤其将其限制为在-18°/s至18°/s之间的值，并且特别优选将其限制为在-5°/s至+5°/s之间的值。
在一个实施形式中，外部的调节回路和/或内部的调节回路具有P调节器。
尤其地，当将桨距角作为期望值输出时，所述内部的调节回路能够替选地或附加地具有I调节器。尤其地，所述调节器也能够构成为PI调节器，当所述输出是叶片角而非变桨率时是特别有利的。
在一个实施形式中，所述调节器结构还具有计算部件，所述计算部件设立用于，利用转子惯性从所测量到的风能设备的实际转速的变化中确定转子加速功率。
在一个实施形式中，所述调节器结构还具有用于前馈控制至少一个转子叶片的桨距角的前馈控制装置，所述前馈控制装置设立用于，与内部的调节回路平行地预设桨距角和/或桨距角的变化率。
空气动力学的期望功率或期望转子加速度实现：从中确定期望叶片角或期望桨距角，例如以便能够在强烈的、即将来临的阵风之前进行前馈控制，所述期望叶片角或期望桨距角与实际叶片角或实际桨距角一起计算前馈控制变桨率。
优选地，这两个变桨率，也就是说由于内部的调节回路引起的桨距角的变化率以及由于前馈控制引起的桨距角的变化率，平行地运行，使得所述变化率被叠加。然后需确定所述风能设备的设计方案的情况：所述设备以何种方式实施这两个预设的速率中的哪个。通过在这方面所提出的前馈控制，可行的是，至少部分地拦截极端负荷，如尤其在阵风时发生的极端负荷。
根据另一方面，所述目的根据本发明通过一种用于运行具有空气动力学的转子的风能设备的方法来实现，所述空气动力学的转子具有至少一个转子叶片，其中所述方法构成用于，调节风能设备的转子的转速。所述方法构成为级联式调节装置并且具有外部的调节回路和内部的调节回路，其中所述方法具有以下步骤：通过内部的调节回路获取输入信号，所述输入信号包括转速变化、转速加速度、转速变化的函数和/或转速加速度的函数。
根据本发明的方法能够实现与对于根据本发明的调节器结构所描述的相同的优点。同样地，所述方法可类似地并且具有与此相关的优点地与根据本发明描述为优选的设计方案组合。
根据另一方面，所述目的根据本发明通过具有根据本发明的调节器结构的风能设备来实现。
根据另一方面，所述目的根据本发明通过具有多个根据本发明的风能设备的风电场来实现。
附图说明
下面参照附图描述其它优点和示例性的实施方案。在此示出：
图1示意性和示例性地示出风能设备；
图2示意性和示例性地示出风能设备的转速调节器的调节器结构；
图3示意性和示例性地示出根据本发明的调节器结构。
具体实施方式
图1示出根据本发明的风能设备的示意图。风能设备100具有塔102和在塔102上的吊舱104。在吊舱104上设置有具有三个转子叶片108和导流罩110的空气动力学的转子106。空气动力学的转子106在风能设备运行时通过风进入转动运动从而也使发电机的与空气动力学的转子106直接或间接耦合的电动转子或发电机转子转动。发电机设置在吊舱104中并且产生电能。转子叶片108的桨距角能够通过在相应的转子叶片108的转子叶片根部处的变桨马达来改变。
图3示意性和示例性地示出根据本发明的用于风能设备100的调节器结构300，如例如在图1中所示出的那样。调节器结构300构成为级联式调节装置并且具有外部的调节回路310和内部的调节回路350。调节器结构300将风能设备中的转速调节为期望值Nsoll。为此，外部的调节回路310将实际转速Nist与要调节的期望转速Nsoll进行比较，并且借助于P调节器320的通过限制器330限制的信号产生转子加速功率PBeschleu_soll的期望值340。
内部的调节回路350现在调节转子加速功率PBeschleu，进而尝试操纵风能设备100的转子叶片，使得转子106尽可能少地加速。为此，借助于计算单元380例如根据转子转速随时间的变化dNist/dt通过计算单元380确定实际的加速功率PBeschleu。借助P调节器360将加速功率PBeschleu_soll的期望值340和所确定的实际值PBeschleu之间的差转换为要设定的变桨率或转子叶片108的要设定的叶片角。要设定的变桨率或要设定的桨距角通过限制器370限制，然后将其作为期望值390传送给风能设备100的控制装置。
在该实例中，计算单元380采用在对于转子已知的惯性矩J、转矩M和转速或从中推导出的角速度ω之间的已知的物理关系，以便从转速的变化中计算实际加速功率PBeschleu。
代替如在实施例中描述的那样的转子加速功率，也可行的是，使用由转子接收的全部空气动力学的功率，也就是说，在附加地考虑由发电机接收的功率的情况下。在许多情况下，转子加速功率的一个优点是，所述变量通常已经可用于风能设备100的控制装置中使用的风力估算器，也就是说，不需要进一步调整风能设备100的控制装置。因此，仅用根据本发明的调节器结构300就足以替代已知的转速调节器。风力估算器例如从德国专利公开文献DE 10 2017 105 165 A1中已知。
替选于功率，示例性示出的调节器结构300也能够通过力矩或根据时间推导出的转速来实现。除了将当前的转速一并纳入加速功率中以外，所述解决方案是相同的。但是充分已知的是，如何将功率换算为力矩，并且反之亦然。
内部的调节回路350本身可能随着时间引起严重的转速误差，使得明显更慢和更滞后地反应的外部的调节回路310生成加速功率的与0kW不同的期望值。如果例如存在超速情况，也就是说，实际转速Nist大于期望转速Nsoll，那么期望值340例如为-200kW。在这种情况下，内部的调节回路350将调节约-200kW的转子加速功率，使得转子106因此降低转速。
通过限制器330或370限制转速调节器的输出能够实现：限制最大加速功率，这同样起到减小负荷的作用。
在图3中示意性示出的调节器结构300能够特别有利地以平行于内部的调节回路350设置的前馈控制装置来补充。所述前馈控制装置例如能够对即将来临的阵风进行前馈控制，进而以补充调节的方式主动地干预桨距角操控。因此能够特别有效地避免所出现的极端负荷，如由于强的阵风所产生的极端负荷。
总之，根据本发明的调节器结构因此表示用于将转速调节为转速期望值Nsoll的调节器结构300。内部的调节回路350获得由转子106接收的空气动力学的功率或加速功率，或者也简化地仅将转子加速度作为调节变量，其中将变桨率或替选地还有期望转子叶片角用作为操纵变量。外部的调节回路310将转子转速N作为调节变量来调节，其中将空气动力学的功率的、加速功率的或者还有期望转子加速度的期望值生成为内部的调节回路350的操纵变量。

Claims (19)

1.一种用于具有空气动力学的转子(106)的风能设备(100)的调节器结构(300)，所述空气动力学的转子具有至少一个转子叶片(108)，其中所述调节器结构(300)构成用于调节所述风能设备(100)的所述转子(106)的转速(n)，
其中
所述调节器结构(300)构成为级联式调节装置并且具有外部的调节回路(310)和内部的调节回路(350)，其中
所述内部的调节回路(350)获得输入信号(340)，所述输入信号包括转速变化、转速加速度、所述转速变化的函数和/或所述转速加速度的函数。
2.根据权利要求1所述的调节器结构(300)，其中
所述外部的调节回路(310)的调节变量设置作为所述内部的调节回路(350)的参考变量。
3.根据权利要求2所述的调节器结构(300)，其中
所述外部的调节回路(310)构成用于，限制所述内部的调节回路的期望值，尤其所述转速变化、所述转速加速度、所述转速变化的函数和/或所述转速加速度的函数的期望值。
4.根据上述权利要求中任一项所述的调节器结构(300)，其中
所述内部的调节回路(350)的所述输入信号包括转子加速功率或转子加速力矩，其中
所述转子加速功率或所述转子加速力矩描述由所述风能设备(100)的所述转子(106)接收的功率或转矩的被转换为所述转子(106)的加速度的部分。
5.根据上述权利要求中任一项所述的调节器结构(300)，其中
所述内部的调节回路(350)的所述输入信号包括由所述转子(106)接收的空气动力学的功率，其中
由所述转子(106)接收的空气动力学的功率包括转子加速功率和由所述风能设备(100)的另一部件接收的至少一个功率的总和，所述至少一个功率尤其是所述风能设备(100)的发电机的发电机功率，其中
所述转子加速功率描述由所述风能设备(100)的所述转子(106)接收的功率的被转换为所述转子(106)的加速度的部分。
6.根据上述权利要求中任一项所述的调节器结构(300)，其中
所述外部的调节回路(310)将所述转子(106)的实际转速与所述转子(106)的期望转速的偏差确定为调节偏差。
7.根据上述权利要求中任一项所述的调节器结构(300)，其中
所述外部的调节回路(310)产生功率或力矩的期望值作为操纵变量。
8.根据权利要求7所述的调节器结构(300)，其中所述功率的期望值(340)有上限和下限。
9.根据权利要求8所述的调节器结构(300)，其中所述功率的期望值(340)的上限和下限不对称。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的调节器结构(300)，其中所述功率包括转子加速功率，
其中所述转子加速功率被限制为所述风能设备(100)的额定功率，尤其被限制为所述风能设备(100)的额定功率的至多20％。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的调节器结构(300)，其中所述功率包括空气动力学的转子功率，
其中所述空气动力学的转子功率被限制为所述风能设备(100)的额定功率的两倍，尤其被限制为所述风能设备(100)的额定功率的至多120％。
12.根据上述权利要求中任一项所述的调节器结构(300)，其中
所述内部的调节回路(350)产生所述转子(106)的所述转子叶片(108)中的至少一个转子叶片的桨距角或桨距角的变化率作为操纵变量。
13.根据权利要求12所述的调节器结构(300)，其中所述桨距角的变化率的期望值(340)被限制，尤其被限制为在-18°/s至18°/s之间的值，并且特别优选被限制为在-5°/s至+5°/s之间的值。
14.根据上述权利要求中任一项所述的调节器结构(300)，其中
所述外部的调节回路(310)和/或所述内部的调节回路(350)具有P调节器(320)和/或PI调节器。
15.根据上述权利要求中任一项所述的调节器结构(300)，其中
所述调节器结构(300)还具有计算部件，所述计算部件设立用于，能够利用转子惯性从所测量到的所述风能设备的实际转速的变化中确定转子加速功率。
16.根据上述权利要求中任一项所述的调节器结构(300)，其中
所述调节器结构(300)还具有用于前馈控制至少一个转子叶片(108)的桨距角的前馈控制装置，所述前馈控制装置设立用于，与所述内部的调节回路(350)平行地预设桨距角和/或所述桨距角的变化率。
17.一种用于运行具有空气动力学的转子(106)的风能设备(100)的方法，所述空气动力学的转子具有至少一个转子叶片(108)，其中所述方法构成用于，调节所述风能设备(100)的所述转子(106)的转速，其中
所述方法构成为级联式调节并且具有外部的调节回路(310)和内部的调节回路(350)，其中所述方法具有以下步骤：
通过所述内部的调节回路(350)获取输入信号，所述输入信号包括转速变化、转速加速度、转速变化的函数和/或转速加速度的函数。
18.一种风能设备(100)，所述风能设备具有根据权利要求1至16中任一项所述的调节器结构(300)。
19.一种风电场，所述风电场具有多个根据权利要求18所述的风能设备(100)。
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