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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Veränderung der Winkelstellung von Rotorblättern einer Windenergieanlage, bei der den Rotorblättern jeweils individuell zugeordnete Antriebseinheiten und den Antriebseinheiten jeweils individuell zugeordnete Regeleinrichtungen vorgesehen sind.
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Stand der Technik
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Moderne Windenergieanlagen arbeiten nach dem Auftriebsprinzip, wobei die einzelnen Rotorblätter ähnlich einem Flugzeugflügel bei Windeinwirkung eine Auftriebskraft erzeugen. Die Anlagen sind üblicherweise als sogenannte Schnellläufer ausgeführt und verfügen in der Regel über wenige (z. B. zwei oder drei) Rotorblätter.
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In derartigen Windenergieanlagen sind Blattverstellmechanismen (sogenannte Pitch-Systeme) vorgesehen, durch welche eine Winkelstellung (Pitch) der Rotorblätter veränderbar ist. Die primäre Aufgabe der Winkelverstellung ist die Leistungs- und Drehzahlregelung des Rotors durch Beeinflussung des jeweils erzeugten Auftriebs. Ferner kann der Rotor zum Stillstand gebracht werden, indem die Rotorblätter in die sogenannte Fahnenstellung verfahrren werden, bei der kein Drehmoment auf die Rotorachse mehr einwirkt. Der Leistungsbeiwert und somit die Anlagenleistung sind direkt mit der Rotorblattstellung zur Windrichtung bzw. zur Rotationsebene der Anlage verknüpft. Durch eine Verstellung der Rotorblätter um ihre Längsachse wird direkt ein Einfluss auf die Abgabeleistung der Anlage genommen.
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Durch Verringern bzw. Eliminieren des Auftriebs ist es möglich, eine Windenergieanlage vor Überlastung bei übermäßig starkem Wind zu schützen.
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Im Allgemeinen werden die Rotorblätter durch diesen jeweils individuell zugeordnete Antriebseinheiten mit entsprechenden Regeleinrichtungen unabhängig voneinander verstellt. Mit anderen Worten ist für jedes Rotorblatt eine eigene Regeleinrichtung vorgesehen, die unabhängig von den Regeleinrichtungen für die anderen Rotorblätter arbeitet. Die Sollwerte für die einzelnen Regeleinrichtungen werden von einer übergeordneten Leitstelle, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit, festgelegt.
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Bei verstellbaren Rotorblättern ist eine möglichst synchrone Verstellung aller Blätter erforderlich. Unterschiedliche Stellungen einzelner Rotorblätter führen zu einer ungleichmäßigen Luftkraftverteilung am Rotor und damit zu aerodynamischen Unwuchten, die eine übermäßige mechanische Belastung der Anlage zur Folge haben. In entsprechenden Verstellsystemen üblicherweise verwendete Antriebe sind beispielsweise auf Grundlage bürstenloser Elektromotoren realisiert. Diese sind jedoch, unter anderem aufgrund der für ihren Betrieb erforderlichen komplexen Regelsysteme, nur bedingt ausfallsicher. Es müssen daher Maßnahmen getroffen werden, die bei Ausfall oder Fehlfunktion einen sicheren Weiterbetrieb bzw. ein Abschalten der Anlage ermöglichen.
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Bei herkömmlichen Windenergieanlagen erfolgt bei einem Fehler im Regelsystem einer Antriebseinheit eine sofortige Abschaltung der Anlage, um eine Überlastung durch unsymmetrische Blattwinkelstellungen zu vermeiden. Diese sofortige Abschaltung führt jedoch zu Ertragseinbußen, da bei jedem Ausfall vor dem Weiterbetrieb eine Wartung erforderlich ist.
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In der
DE 10 2007 006 966 A1 wird vorgeschlagen, bei Ausfall einer Regeleinrichtung den Motor, dessen Regeleinrichtung ausgefallen ist, durch die Regeleinrichtung eines anderen Motors abwechselnd mit diesem anderen Motor anzusteuern. Hierzu ist jedoch ein ständiges Umschalten erforderlich, was die Belastung entsprechend vorzusehender Leistungsschalter (Schütze) erhöht, durch die asynchrone Verstellung zu Unsymmetrien in den Blattstellungen führen kann, und eine geringe Verstelldynamik zur Folge hat. Ein ähnliches System, das jedoch die gleichen Nachteile aufweist, ist in der
EP 1 664 527 B1 beschrieben.
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Vor diesem Hintergrund besteht also der Bedarf nach einer ausfalltoleranten Auslegung von Systemen zur Veränderung der Winkelstellung von Rotorblättern von Windenergienanlagen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein System und ein Verfahren zur Veränderung der Winkelstellung von Rotorblättern einer Windenergieanlage, bei der den Rotorblättern jeweils individuell zugeordnete Antriebseinheiten und den Antriebseinheiten jeweils individuell zugeordnete Regeleinrichtungen vorgesehen sind, mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäßen Maßnahmen beinhalten, bei einem Ausfall oder bei einer Fehlfunktion der Regeleinrichtung der Antriebseinheit für ein Rotorblatt die Regelung dieser Antriebseinheit durch eine Regeleinrichtung eines anderen Rotorblatts vorzunehmen. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden hierbei zwei Antriebseinheiten parallel und gleichzeitig durch eine einzige Regeleinrichtung (zum Beispiel einen entsprechend geregelten Umrichter) angesteuert. Die Erfindung schlägt also eine direkte Parallelschaltung der Antriebseinheiten im Fehlerfall vor. Hierdurch wird das ständige Umschalten, das gemäß Stand der Technik bei der redundanten Ansteuerung erforderlich ist, verringert, und damit die Belastung entsprechend vorzusehender Schütze vermieden. Aufgrund des Wegfalls der Umschaltzeiten werden Unsymmetrien in den Blattstellungen vermindert und die Verstelldynamik wird erhöht.
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Die Erfindung bietet also gegenüber dem Stand der Technik den großen Vorteil, dass, nachdem die Umschaltung erfolgt ist, sowohl der erste als auch der zweite Antrieb gleichzeitig angesteuert werden. Während bei dieser gleichzeitigen Ansteuerung nur einmal bei Auftritt eines Fehlers umgeschaltet wird und das System dann im entsprechenden Zustand verbleibt, ist gemäß Stand der Technik bei alternierender Ansteuerung ein ständiges Umschalten erforderlich. Die Lebensdauer der verwendeten Schütze kann damit erhöht werden und es ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Anzahl an Schaltspielen. Ferner sind die Totzeiten der verwendeten Schütze und Bremsen nur einmal zu beachten. Da die Antriebe nicht regelmäßig gebremst werden, was bei alternierender Ansteuerung bei jedem Umschaltvorgang der Fall ist, ist ein Nachfahren des Winkelstellungs-Sollwertes besser möglich.
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Wenngleich in Rahmen der vorliegenden Anmeldung von der parallelen Ansteuerung zweier Antriebe durch eine Regeleinrichtung die Rede ist, sei betont, dass auch bei Ausfall von zwei oder mehreren Regeleinrichtungen die diesen zugeordneten Antriebe durch eine andere (intakte) Regeleinrichtung angesteuert werden können, wenn die entsprechenden Leistungsmerkmale gegeben sind.
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Eine (annähernd) gleiche Winkellage der Rotorblätter wird dadurch erzielt, dass, beispielsweise durch eine U/f-Steuerung, die Frequenz (und dementsprechend die Drehzahl der Motoren) vorgegeben wird.
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Bei der Parallelschaltung der Motoren treten, sofern durch die Parallelschaltung der Maximalstrom des jeweiligen Umrichters in einer Regeleinrichtung, die die Ansteuerung übernimmt, nicht überschritten wird, keine wesentlichen Einbußen in der Verstelldynamik auf. Weist ein entsprechender Umrichter entsprechende Leistungsreserven nicht auf, kann gegebenenfalls eine Verstelldynamik entsprechend reduziert werden.
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Die vorgeschlagenen Systeme können sowohl unter Verwendung von Asynchronmotoren als auch von Synchronmotoren realisiert werden.
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Bei Synchronmotoren kann die möglicherweise vorhandene Gefahr des Überschreitens eines Polradwinkels von 90°, wenn das Lastmoment das durch die Spannung und Frequenz am Motor erreichbare Kippmoment überschreitet (der Motor also ”wegkippt”), vorteilhafter weise dadurch vermieden werden, dass eine Polradwinkelüberwachung unter Verwendung eines Motormodells eingesetzt wird. Wird hierbei ein zu großer Polradwinkel erkannt, kann die Dynamik des Systems bzw. der Antriebe derart verringert werden, dass sich das von einem Motor zu liefernde Moment und damit der Polradwinkel wieder reduziert.
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Bei Asynchronmotoren tritt anstelle des Polradwinkels eine Differenz der Drehzahlen von mechanischem Läufer und elektrischem Feld auf. Durch diese als ”Schlupf” bezeichnete Differenz liefern zwei Asynchronmotoren bei unterschiedlichen Lastmomenten trotz identischer Spannung und Frequenz unterschiedliche Momente, ohne dass jedoch die Gefahr des ”Wegkippens” bestünde. Es ergibt sich jedoch ein geringfügiger Drehzahlunterschied zwischen den Motoren.
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Bei Anliegen einer Last können daher über die Zeit zunehmende Abweichungen in den Rotorblatt-Winkelstellungen beobachtet werden (die Winkelstellungen ”laufen auseinander”). Die Ursache hierfür liegt in den unterschiedlichen Lastmomenten der Motoren der jeweiligen Antriebseinheiten. In Abhängigkeit vom Lastmoment und von einer erfassten Winkelstellung einer ersten Achse wird in einer Regeleinrichtung, die im Fehlerfall beide Antriebe ansteuert, der Drehzahlsollwert auch der zweiten Achse gebildet. Da die beiden Antriebe jedoch unterschiedliche Lastmomente erfahren, werden sie entsprechend unterschiedliche Winkelgeschwindigkeiten aufweisen.
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Sich insbesondere daraus ergebende Winkeldifferenzen den Motoren zugeordneter Rotorblätter können vorteilhafterweise dadurch reduziert werden, dass bei Erreichen einer bestimmten Schwellwert-Winkeldifferenz eine Winkelsynchronisation erfolgt. Vorteilhafterweise wird hierzu der ”vorauseilende” Motor durch eine Bremseinrichtung angehalten (”festgebremst”), der ”nachlaufende” Motor wird so lange weiter verfahren, bis beide Motoren wieder den gleichen Winkel aufweisen (oder ein entsprechend vorzusehender Schwellwert unterschritten ist). Anschließend erfolgt wieder ein paralleles Verfahren beider Motoren. Vorteilhafterweise wird dazu die Winkellage beider Motoren durch Geber bestimmt.
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Bei der verwendeten Bremseinrichtung handelt es sich vorteilhafterweise um eine elektromechanische Bremse, die im stromlosen Zustand (bei geöffnetem Bremsenkreis) den Motor abbremst. Gleichzeitig werden hierbei vorteilhafterweise die Motorphasen geöffnet, so dass eine Überlastung des abgebremsten Motors vermieden wird. Es sind also vorteilhafterweise entsprechende Schaltmittel (beispielsweise in Form von Schützschaltungen) in den Motor- und Bremsenkreisen vorzusehen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt ein Rotorblatt mit einer dieser zugeordneten Winkelverstelleinrichtung gemäß dem Stand der Technik in schematischer Darstellung.
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2a zeigt ein System mit zwei dargestellten Winkelverstelleinrichtungen für Rotorblätter gemäß dem Stand der Technik in schematischer Darstellung.
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2b zeigt ein System mit zwei dargestellten Winkelverstelleinrichtungen für Rotorblätter gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt den Ablauf eines Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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In den nachfolgenden Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert.
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In 1 ist ein Rotorblatt mit einer zugehörigen Winkelverstelleinrichtung gemäß dem Stand der Technik schematisch dargestellt. Die Anordnung ist insgesamt mit 10 bezeichnet, Die Anordnung weist als wesentliche Komponenten ein Rotorblatt 1 in Form eines Hohlkörpers, eine Antriebseinheit 2 in Form eines Elektromotors, und eine der Antriebseinheit 2 zugeordnete Regeleinrichtung 3 auf. Über ein Getriebe 4 ist die Antriebseinheit 2 mit einem Stirnrad 5 verbunden, das im Zahneingriff mit einem Zahnelement 6 an der Innenseite des Rotorblatts 1 steht. Über die Antriebseinheit 2 und das Getriebe 4 ist mittels des Stirnrads 5 nach Maßgabe der Regeleinrichtung 3 ein Drehmoment in das Rotorblatt 1 einleitbar. Das Rotorblatt 1 ist in einem Blattlager 7 gelagert, das eine Verstellung des Rotorblatts 1 um seine Achse durch das Stirnrad 5 gewährleistet. Ebenfalls vorgesehen ist eine übergeordnete Steuerung 9 in Form einer Betriebsführung, die über eine Ansteuerverbindung 8 mit der Regeleinrichtung 3 in Verbindung steht und gewährleistet, dass sämtliche Verstelleinrichtungen eine identische Rotorblattstellung liefern. Die übergeordnete Steuerung 9 kann mit weiteren übergeordneten Elementen verbunden sein, die, beispielsweise auf Grundlage einer Windstärke, Vorgaben für die Rotorstellung liefern.
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In 2a ist ein System mit zwei Verstelleinrichtungen zur Veränderungen der Winkelstellung von Rotorblättern 1 dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Das System 100 weist zwei Antriebseinheiten 21, 22 auf, die jeweils entsprechenden Rotorblättern 1 zugeordnet sind. Wenngleich in der Figur nur zwei Verstelleinrichtungen dargestellt sind, versteht sich, dass das System in gleicher Weise auch in Anlagen mit mehr als zwei Rotorblättern eingesetzt werden kann. Die Antriebseinheiten 21, 22 weisen einen Motor M und eine dem Motor M zugeordnete Bremse B auf. Durch die Bremse B kann beispielsweise, wie oben erläutert, ein Motor abgebremst werden, wodurch eine Festlegung der Blattstellung und eine Synchronisierung von asynchronen Rotorblattstellungen ermöglicht werden kann.
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Den Antriebseinheiten 21, 22 sind jeweils Regeleinrichtungen 31, 32 zugeordnet und mit diesen über Ansteuerverbindungen 311, 312, 321, 322 in Form von Ansteuerleitungen verbunden. Die Anstduerverbindungen 311, 321 liefern dabei jeweils die von einem Umrichter bereitgestellten Betriebsspannungen an die Motoren M. Die Ansteuerung der Bremsen B erfolgt über die Ansteuerverbindungen 312 und 322. Zur Schaltung der Bremsen B können entsprechende Schaltelemente vorgesehen sein. Wie bereits im Zusammenhang mit 1 erläutert, stehen die einzelnen Verstelleinrichtungen mit einer übergeordneten Steuerung 9 über Ansteuerverbindung 8 in Kontakt.
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Aus 2a ist ersichtlich, dass bei einem Ausfall einer der Regeleinrichtungen 31, 32 gemäß dem Stand der Technik eine Verstellung eines entsprechenden Blattwinkels nicht mehr möglich ist, da eine Ansteuerung des entsprechenden Motors M und/oder der entsprechenden Bremse B nicht mehr erfolgen kann. Wie erläutert, ist aus dem Stand der Technik jedoch bekannt, Mittel vorzusehen, die es bei Ausfall einer der Regeleinrichtungen 31, 32 ermöglichen, die jeweils anderen Motoren M alternierend zu dem eigentlich zugeordneten Motor M anzusteuern. Wie erläutert, ergeben sich hieraus jedoch signifikante Nachteile, durch die Umschaltvorgänge und/oder durch die durch die Umschaltvorgänge bewirkten Totzeiten.
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In 2b ist ein entsprechend der vorliegenden Erfindung realisiertes System dargestellt. In dem mit 200 bezeichneten System sind die gleichen Elemente wie in 2a vorgesehen, in 2b ist jedoch auf eine Darstellung der Ansteuerverbindungen 311, 312 sowie der Regeleinrichtung 31 der Übersichtlichkeit halber verzichtet worden. Die in 2b dargestellte Regeleinrichtung 32 steht zunächst über eine Ansteuerverbindung 321 mit dem Motor M und über eine Ansteuerverbindung 322 mit der Bremse B (jeweils der Antriebseinheit 22) in Verbindung. Zusätzlich sind jedoch erfindungsgemäß weitere Ansteuerverbindungen 331 und 332 mit diesen zugeordneten Schaltmitteln S, beispielsweise in Form von Schützschaltungen, vorgesehen. Die Schaltmittel S können beispielsweise als Leistungsschalter realisiert sein. Durch die Schaltmittel S kann eine Verbindung zwischen der Regeleinrichtung 32 und der Antriebseinheit 21 bewirkt werden, so dass durch die Regeleinrichtung 32 parallel eine Ansteuerung der Antriebseinheiten 21 und 22 vorgenommen werden kann. Hierzu ist eine weitere Ansteuerverbindung 340 vorgesehen, die ein synchrones Schalten der Motorphasen und des Bremsenkreises ermöglicht. Das Schalten der Schaltmittel S kann dabei entweder nach Maßgabe einer übergeordneten Steuerung, die einen Fehler in einer Regeleinrichtung 31 detektiert und/oder durch eine wechselseitige Überwachung der Regeleinrichtungen vorgenommen werden.
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In 3 ist der Ablauf eines Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in Form eines Ablaufplans dargestellt und insgesamt mit 300 bezeichnet. Das Verfahren kommt dann zum Tragen, wenn in einem Schritt 301 eine Fehlfunktion einer Regeleinrichtung 31, 32 erkannt wird. Die Erkennung erfolgt beispielsweise aufgrund von durch die Regeleinrichtungen 31, 32 bereitgestellter Signale 310, 320 oder auf Grundlage eines Signals 90 einer übergeordneten und mit den Regeleinrichtungen 31, 32 in über Verbindungen 8 in Verbindung stehenden übergeordneten Einheit 9.
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Nach der Erkennung einer Fehlfunktion in Schritt 301 erfolgt in Schritt 302 eine Ansteuerung S' von Schaltmitteln S, wodurch, wie oben erläutert, Antriebseinheiten 21, 22 parallel durch eine einzelne Regeleinrichtung 31, 32 angesteuert werden können.
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Nach Abarbeitung von Schritt 302 erfolgt somit eine parallele, gleichzeitige Ansteuerung von Ansteuereinheiten 21, 22. Werden beispielsweise in den Ansteuereinheiten 21, 22 Asynchronmotoren M verwendet, kann vorteilhaft sein, eine Winkellage M' der Motoren M in einem Schritt 303 permanent zu überwachen und gegebenenfalls einen Synchronisationsschritt 304, wie oben erläutert, einzuleiten. Falls andere Mittel zur Sicherstellung der Symmetrie der Winkellagen zur Verfügung stehen, kann zur Vereinfachung auch auf die Schritte 303 und 304 verzichtet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren verbleibt so lange bei der parallelen Ansteuerung, bis in einem Schritt 305, beispielsweise aufgrund einer Wartung, der ordnungsgemäße Betrieb der zuvor ausgefallenen oder fehlfunktionierenden Regeleinrichtung 31, 32 wieder sichergestellt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007006966 A1 [0008]
- EP 1664527 B1 [0008]
