DE102007058054A1 - Verfahren zur Regelung der elektrischen Last einer Windenergieanlage - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der elektrischen Last einer Windenergieanlage, wobei die Windenergieanlage wenigstens ein wenigstens einen Lastsensor aufweisendes Rotorblatt, welches über einen Stellantrieb an eine Nabe gekoppelt ist, und einen an die Nabe gekoppelten Leistungsstrang, wobei der Leistungsstrang wenigstens ein Getriebe und/oder ein Generator-Konvertersystem mit einer entsprechenden elektrischen Last aufweist, aufweist, wobei das Verfahren eine Bestimmung der Last am Rotorblatt mittels des Lastsensors eine Bestimmung einer Stellgröße und eine Nachführung des Rotorblatts mittels des Stellantriebs anhand der bestimmten Stellgröße umfasst.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der elektrischen Last einer Windenergieanlage, wobei die Windenergieanlage wenigstens ein wenigstens einen Lastsensor aufweisendes Rotorblatt, welches über einen Stellantrieb an eine Nabe gekoppelt ist, und einen an die Nabe gekoppelten Leistungsstrang, wobei der Leistungsstrang wenigstens ein Getriebe und/oder ein Generator-Konvertersystem mit einer entsprechenden elektrischen Last aufweist, aufweist, wobei das Verfahren eine Bestimmung der Last am Rotorblatt mittels des Lastsensors, eine Bestimmung einer Stellgröße und eine Nachführung des Rotorblatts mittels des Stellantriebs anhand der bestimmten Stellgröße umfasst.
- Moderne Windenergieanlagen passen sich den gegebenen Windparametern an. Insbesondere erfolgt dies durch einen Stellantrieb der Rotorblätter, welcher auch Pitch-Antrieb genannt wird, der insbesondere bei Überlast die Rotorblätter aus dem Wind dreht, und dem geregelten Konverter, welcher die im Generator induzierte Spannung für das Stromnetz aufbereitet. Die Regelung des Konverters und des Stellantriebs der Rotorblätter erfolgt mittels eines Windenergieanlagencontrollers, welcher konverterseitig, d. h. dass der Windenergieanlagencontroller im stehenden Teil der Windenergieanlage und nicht im drehenden Teil (Z. B. Nabe), verortet ist, damit eine möglichst schnelle Regelung des Konverters und somit der elektrischen Last im Generator-Konvertersystem erfolgt. Die Kommunikation mit dem Stellantrieb bzw. den Stellantrieben der Rotorblätter erfolgt über einen Schleifring, über den die Daten ausgetauscht werden. Die Kommunikation ist dabei über den Schleifring(lauf-)zeitverzögert.
- Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Regelung der elektrischen Last zu realisieren.
- Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur elektrischen Lastregelung einer Windenergieanlage, wobei die Windenergieanlage wenigstens ein wenigstens einen Lastsensor aufweisendes Rotorblatt, welches über einen Stellantrieb an eine Nabe gekoppelt ist, und einen an die Nabe gekoppelten Leistungsstrang, wobei der Leistungsstrang wenigstens ein Getriebe und/oder ein Generator-Konvertersystem mit einer entsprechenden elektrischen Last aufweist, aufweist, wobei das Verfahren eine Bestimmung der Last am Rotorblatt mittels des Lastsensors, eine Bestimmung einer Stellgröße und eine Nachführung des Rotorblatts mittels des Stellantriebs anhand der bestimmten Stellgröße umfasst.
- Insbesondere sind bei dem erfinderischen Verfahren ein, zwei, drei oder mehr Rotorblätter umfasst. Weiterhin kann der Stellantrieb so realisiert sein, dass zwischen dem Rotorblatt und der Nabe ein Lager angebracht ist. Weiterhin kann ein Hohlrad am Rotorblatt angebracht sein, in das ein Zahnrad, welches an einen Stellmotor gekoppelt ist, rotierend eingreifen kann. Dabei kann der Stellmotor fest an die Nabe gekoppelt sein, womit eine Rotation des Rotorblatts in Bezug zur Nabe ermöglicht wird.
- In einer besonderen Ausführungsform kann der Leistungsstrang einen Generator umfassen. In einer solchen Ausgestaltungsform wird dann von einem Ringgenerator gesprochen. In einer äußerst bevorzugten Ausführungsform kann der Leistungsstrang zusätzlich ein Getriebe aufweisen und kann die Nabe an das Getriebe gekoppelt sein, wobei das Getriebe die Drehzahl der Nabe, welche durch das Einwirken des Windes auf die Rotorblätter der Nabe aufgeprägt wurde, in eine zumeist höhere Drehzahl transformiert. Diese höhere Drehzahl kann von dem Generator in eine Spannung transformiert werden. Die Aufbereitung dieser Spannung für das Stromnetz kann über einen Konverter und in einer weiteren Ausführungsform zusätzlich mittels eines Transformators erfolgen.
- Durch die Drehzahl am Generator und die daraus resultierende Spannung liegt am Generator und dem zugeordneten Konverter/Netz eine elektrische Last an. Für das erfinderische Verfahren zur Steuerung dieser elektrischen Last kann eine Bestimmung der mechanischen Last durch mehrere Lastsensoren, insbesondere mechanische und/oder faseroptische Dehnungsmessstreifen, erfolgen. Diese Dehnungsmessstreifen sind elektronisch auslesbar und können somit einer Regelungseinheit zugeführt werden.
- In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform sind wenigstens zwei Lastsensoren im Wesentlichen orthogonal bzw. in einem Winkel ungleich Null zueinander ausgerichtet. Somit kann vorteilhafter Weise sowohl die mechanische Last in Richtung Blattspitze des Rotors als auch die senkrecht dazu auftretenden mechanischen Lasten elektronisch ermittelt werden. Insbesondere können mehrere solche Sensoren über das Rotorblatt verteilt sein, um eine Torsion des Rotorblatts zu bestimmen.
- In einer weiteren ganz besonders bevorzugten Ausführungsform kann das Rotorblatt mittels Stellantrieb solange nachgeführt werden, bis eine bzw. mehrere Stellgrößen erreicht sind. Solche Stellgrößen können zuvor in Testläufen bestimmt werden, bei denen die elektrische Last in Abhängigkeit der Lastverteilung am Rotorblatt bestimmt wurde. Diese Stellgrößen können in Tabellen abgelegt sein, auf die die Regeleinheit zugreift.
- In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform kann eine Regelung mittels PID-Regelung erfolgen. Eine solche Regelung kann mittels Steuergerät und/oder FPGAs erfolgen.
- Weiterhin kann eine Regelung anhand eines Kennfeldes erfolgen. Dieses Kennfeld kann diverse Stellwerte für die Regelung definieren. Die Aufzeichnung dieses Kennfelds kann wieder vorab mittels Testlauf bzw. Testläufen erfolgen. Bei diesen Testläufen werden unterschiedliche Lastfälle, wie Rotorblattstellungen bei entsprechenden Rotationen der Nabe, abgebildet und die entsprechende Last am Rotorblatt der elektrischen Last zugeordnet.
- In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung kann wenigstens ein Signalwert für die Bestimmung der Rotation der Nabe und/oder einer schnellen Welle bestimmt und in die Regelung integriert werden. Dieser Signalwert bzw. Stellwert kann die Regelung beeinflussen und somit die Schrittweite des Stellantriebs bestimmen.
- In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform kann die Regelung nabenseitig erfolgen. Dies kann insbesondere den Vorteil haben, dass die Regelung schnell erfolgt, da eine Datenübertragung von rotierenden Teilen (Nabe) zu stehenden Teilen (Maschinenhaus bzw. Windenergieanlagencontroller) entfällt.
- In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform kann leistungsstrangseitig ein Windenergieanlagencontroller direkt oder indirekt über einen Konverter die elektrische Last im Generator-Konvertersystem regeln. Dies kann insbesondere den Vorteil haben, dass die Regelung des Stellantriebs unabhängig von der Regelung des Konverters erfolgt. Somit können schnelle Regelungen mittels Konverterregelung und langsamere Regelungen mittels Rotorblattverstellung erfolgen. Direkt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Konverter unabhängig von der Information der mechanischen Last am Rotorblatt durch den Windenergieanlagencontroller geregelt wird. Indirekt bedeutet, dass die Informationen und Signale der mechanischen Last mit in die Regelung des Konverters einfließen.
- In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform kann eine Kommunikation zwischen der nabenseitigen Regelung der Rotorblätter und der leistungsstrangseitigen Regelung des Generators erfolgen. Dabei kann vorteilhafter Weise die Regelung des Stellgliedes auf die Konverterparameter bzw. die Konverterregelung auf die Lastparamter der Rotorblätter angepasst werden.
- In einer äußerst bevorzugten Ausgestaltungsform kann die nabenseitige Regelung als Master und die leistungsstrangseitige Regelung als Slave realisiert sein. Dabei kann vorteilhafter Weise zuerst nabenseitig eine Regelung erfolgen.
- In den folgenden Figuren werden verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung offenbart.
- Dabei stellt
-
1a ein Rotorblatt mit einem faseroptischen Dehnungsmessstreifen in Explosionsdarstellung, -
1b ein Rotorblatt mit orthogonal zueinander ausgerichteten Dehnungsmessstreifen, -
2 zeigt ein Rotorblatt unter Belastung, -
3 zeigt ein Rotorblatt mit Torsionsbelastung und -
4 stellt die beteiligten Komponenten am erfinderischen Verfahren dar. - In
1a ist ein Rotorblatt100 mit eingearbeitetem faseroptischen Dehnungsmessstreifen103 dargestellt. Solche faseroptischen Dehnungsmessstreifen basieren auf in Lichtwellenleiter eingeschriebene optische Interferenzfilter (faseroptisches Bragg-Gitter). An die Blattwurzel102 ist ein Lager angeflanscht (hier in Explosionsdarstellung dargestellt). Dieses Lager kann beispielsweise als Wälz- oder Gleitlager ausgestaltet sein. Zudem ist ein Teil des Lagers an der Nabe107 angeflanscht (hier in Explosionsdarstellung dargestellt). In der Nabe107 ist der Stellantrieb109 (Pitch-Motor) verortet. Dieser Stellantrieb ist fest mit der Nabe107 verbunden und greift mit seinem Zahnkranz (hier nicht dargestellt) so in das Hohlrad (nicht dargestellt) des Rotorblatts100 ein, dass bei einer Betätigung des Stellantriebs das Rotorblatt100 in Bezug auf die Nabe107 verdreht wird. Somit können die Strömungsbedingungen am Rotorblatt100 beeinflusst werden. - In
1b ist ebenfalls ein Rotorblatt100 dargestellt, wobei auf bzw. in dem Rotorblatt Dehnungsmesstreifen104 angebracht sind, welche im Wesentlichen orthogonal zu dem Dehnungsmessstreifen103 ausgerichtet sind. Die orthogonalen Dehnungsmessstreifen104 können als mechanische oder auch als faseroptische Dehnungsmessstreifen ausgestaltet sein. Weiterhin können die orthogonalen Dehnungsmessstreifen104 in einem Winkel zwischen 1° und 90° in Bezug auf den Dehnungsmessstreifen103 ausgestaltet sein, da durch die Orthogonalität eine flächige Verteilung der Kräfte bestimmt wird. Zudem kann durch das Anbringen mehrerer zueinander stehender Dehnungsmessstreifen die Kraftverteilung entlang des Rotorblatts100 bestimmt werden. - In
2 ist der Einfluss des Windes200 auf das Rotorblatt100 dargestellt. Insbesondere in Richtung der Spitze des Rotorblatts100 erfährt das Rotorblatt100 eine Deformation. Die Stärke dieser Deformation kann mit Hilfe der Dehnungsmessstreifensysteme (201 ,203 ,205 ,207 jeweils mit103 ) bestimmt werden. - In
3 ist eine Torsionsdeformation des Rotorblatts100 dargestellt. Die Torsion kann insbesondere mit den Dehnungsmessstreifensystemen (201 ,203 ,205 ,207 jeweils mit103 ) bestimmt werden. - Somit kann die mechanische Last, welche aufgrund der Deformation am Rotorblatt
100 anliegt, mit Hilfe der Dehnungsmessstreifensysteme bzw. Dehnungsmessstreifen, welche im Weiteren auch als Lastsensoren bezeichnet werden, bestimmt werden. - In
4 ist ein Teil einer Windenergieanlage, mit Turm409 , Maschinenhaus407 und an die Nabe107 gekoppelte Rotorblätter101 mit gelagerter401 langsamer Welle (nicht dargestellt), dargestellt, anhand dessen das erfinderische Verfahren erläutert wird. Weiterhin ist die Nabe107 an das Getriebe423 gekoppelt. Das Getriebe423 bewirkt eine Drehmomenttransformation bzw. eine Drehzahländerung, welche durch den Generator411 in eine Spannung überführt wird. Diese Spannung wird von dem Konverter419 gleichgerichtet und in eine Wechselspannung überführt. Diese Wechselspannung wird anschließend vom Transformator421 für das Netz aufbereitet. - Das Rotorblatt
100 ist mit Dehnungsmessstreifen103 (entsprechend der1a , b) ausgestaltet. Tritt nun einer der Lastfälle wie in den2 und3 dargestellt auf, wird das Signal der Dehnungsmessstreifen103 mit der elektronischen Einheit404 ausgewertet und mittels Signalkonditionierung aufbereitet. Die ermittelten Lasten werden mittels Steuergerät405 und entsprechendem Regelalgorithmus in ein Stellsignal für die Stellglieder/Stellmotoren umgewandelt, welche das Rotorblatt100 entsprechend den Windverhältnissen ausrichten. - Dazu kann unabhängig davon ein Steuergerät
417 über den Konverter419 die elektrische Last am Generator411 bzw. Generator-Konvertersystem regeln. Dies ist unter anderem im WIND ENERGY HANDBOOK von Burton, Sharpe, Jenkins und Bossanyi 2001 (John Wiley & Sons, LTD) im Kapitel 8.2.3 beschrieben, dessen diesbezüglicher Inhalt Bestandteil dieser Schrift ist. - Auch kann eine Kommunikation zwischen dem nabenseitig verorteten Steuergerät
405 und dem Konverter419 erfolgen. Dabei ist das Steuergerät405 als Master ausgestaltet, welcher der Steuereinrichtung417 , welche als Slave ausgestaltet ist, Signale über den Schleifring415 und der Signalaufbereitungseinheit415 zusendet. Somit können Stellsignale zwischen den Steuergeräten ausgetauscht und die Regelung des Konverters/Generators und der Stelleinrichtungen optimiert werden. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - WIND ENERGY HANDBOOK von Burton, Sharpe, Jenkins und Bossanyi 2001 (John Wiley & Sons, LTD) im Kapitel 8.2.3 [0031]
Claims (12)
- Verfahren zur Regelung der elektrischen Last einer Windenergieanlage, wobei die Windenergieanlage wenigstens ein wenigstens einen Lastsensor aufweisendes Rotorblatt, welches über einen Stellantrieb an eine Nabe gekoppelt ist, und einen an die Nabe gekoppelten Leistungsstrang, wobei der Leistungsstrang wenigstens ein Getriebe und/oder ein Generator-Konvertersystem mit einer entsprechenden elektrischen Last aufweist, aufweist, wobei das Verfahren eine Bestimmung der Last am Rotorblatt mittels des Lastsensors, eine Bestimmung einer Stellgröße und eine Nachführung des Rotorblatts mittels des Stellantriebs anhand der bestimmten Stellgröße umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Last durch mehrere Lastsensoren, insbesondere mechanische und/oder faseroptische Dehnungsmessstreifen, erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Lastsensoren einen Winkel zueinander aufweisen.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblatt mittels Stellantrieb solange nachgeführt wird, bis die Stellgröße erreicht ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung mittels PID-Regelung erfolgt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung anhand eines Kennfeldes erfolgt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Signalwert für die Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit der Nabe und/oder einer schnellen Welle bestimmt wird und in die Regelung integriert wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung nabenseitig erfolgt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass leistungsstrangseitig ein Windenergieanlagencontroller direkt oder indirekt über einen Konverter die elektrische Last am Generator regelt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kommunikation zwischen der nabenseitigen Regelung der Rotorblätter und der leistungsstrangseitigen Regelung des Generators/Konverters erfolgt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nabenseitige Regelung als Master und die leistungsstrangseitige Regelung als Slave realisiert ist.
- Windenergieanlage welche so ausgestaltet ist, dass wenigstens ein Verfahren der Ansprüche 1 bis 11 realisiert wird.
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