DE102010026244A1 - Method for controlling e.g. rotor rotation of wind turbine in large wind farm, involves programming appropriate control system such that renouncement of yielding potential is performed as function of wind direction and position of turbine - Google Patents

Abstract

The method involves programming appropriate control system such that renouncement of yielding potential is performed as a function of a wind direction and a position of a wind turbine and/or in varying degrees. A location-dependent operation is activated as a special operation of a system control for alternating wind direction and for suppression of sound emissions. A pitch angle is changed with slight rotation of a rotor of the wind turbine toward a tab position and with unchanged rotor speed (2).

Description

Stand der TechnikState of the art

Windturbinen mit ihren Regelungssystemen werden heute grundsätzlich als Serienanlagen produziert. Die Regelung von Windturbinen erfolgt u. a. mit Hilfe einer Änderung der Rotordrehzahl und des Anstellwinkels der Rotorblätter in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit. Die Regelungen basiert im wesentlichen auf der Zielstellung, die Energiegewinnung einer Windenergieanlage bei gegebenen Windverhältnissen zu maximieren. Beispielsweise ergibt dies einen unterschiedlichen Blattanstellwinkel je nach Windgeschwindigkeit. Außerdem dient die Regelung einer Begrenzung der Lasten an der Anlage und einer Minderung der Schallemissionen. Bei starker Windgeschwindigkeit wird daher der Blatteinstellwinkel so eingestellt, dass die Nennleistung der Anlage genau eingehalten wird, die u. a. von Getriebe und Generator bestimmt wird.Wind turbines with their control systems are today basically produced as standard systems. The regulation of wind turbines takes place u. a. with the aid of a change in the rotor speed and the angle of attack of the rotor blades as a function of the wind speed. The regulations are based essentially on the objective of maximizing the energy production of a wind turbine with given wind conditions. For example, this results in a different Blattanstellwinkel depending on wind speed. In addition, the regulation serves to limit the loads on the system and to reduce the noise emissions. At high wind speeds, therefore, the blade pitch is adjusted so that the nominal capacity of the system is maintained exactly, the u. a. determined by gearbox and generator.

Im Grundsatz wird jede WEA für sich betrachtet optimiert.In principle, every wind turbine is optimized on its own.

Bei gegebenem Blattanstellwinkel je nach Windgeschwindigkeit ergibt sich dann auch die Schubkennlinie (Thrust-curve) in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit. Auf Grundlage der Schubkennlinie werden die Kräfte auf die Anlage, aber auch die Abschattungsverluste in nachfolgenden Anlagenreihen ermittelt.Given the blade pitch angle, depending on the wind speed, the thrust curve (thrust curve) then also results as a function of the wind speed. Based on the shear characteristic, the forces on the system as well as the shading losses in subsequent plant series are determined.

WEA verursachen aber nachteilige Effekte an benachbarten WEA, insbesondere Ertragseinbußen durch die Abbremsung des Windes und erhöhte Materialbelastungen durch erhöhte Turbulenzen.However, wind turbines cause adverse effects on neighboring wind turbines, in particular yield losses due to the deceleration of the wind and increased material loads due to increased turbulence.

Beides nimmt mit dem Verhältnis zwischen dem Abstand zwischen den Anlagen und dem Rotordurchmesser ab, weswegen ein Abstand des fünffachen Rotordurchmessers in Hauptwindrichtung nur ungern unterschritten wird. Die Standortwahl eines einheitlich geplanten Windparks zielt auf eine Optimierung in der Gesamtsicht. Eine günstigere Ausnutzung eines Standortes ergibt sich u. a. durch die Verminderung des Abstands am Rand eines Windparks.Both decreases with the ratio between the distance between the turbines and the rotor diameter, which is why a distance of five times the rotor diameter in the main wind direction is not allowed to fall below. The site selection of a uniformly planned wind farm aims to optimize the overall view. A more favorable utilization of a location results u. a. by reducing the distance at the edge of a wind farm.

Ein Trick zur weiteren Optimierung der Standortausnutzung in der Gesamtsicht auf mehrere Anlagen ist die Errichtung von Anlagen mit größerem Rotordurchmesser in der letzen Reihe in Hauptwindrichtung bzw. in der letzten Anlage, wobei sich der Abstand dann an dem Vielfachen der übrigen (kleineren) Anlagen orientiert. Damit ist dann allerdings bei entgegengesetzten Windrichtungen das Verhältnis von Abstand zu Rotordurchmesser entsprechend kleiner, so dass ggf. zu große Belastungen an den weniger großen Anlagen entstehen.A trick to further optimize the utilization of the site in the overall view of several plants is the construction of plants with a larger rotor diameter in the last row in the main wind direction or in the last system, the distance is then based on the multiple of the other (smaller) systems. Thus, however, the ratio of distance to rotor diameter is correspondingly smaller in opposite wind directions, so that, if necessary, too great a load on the less large systems arise.

Auch bei einheitlichen Windturbinen kann es windrichtungsabhängig zu unzulässigen Belastungen kommen, insbesondere wenn die Anlagen in eng bestückten Reihen quer zur Hauptwindrichtung aufgestellt wurden, wenn der Wind ausnahmsweise ungefähr parallel zu den Reihen weht. In solchen Situation ist es Stand der Technik, eine windrichtungsabhängige Abschaltung von Anlagen vorzunehmen, wenn es andernfalls zu einer Überschreitung zulässiger Turbulenzwerte kommen würde, welche zu hohe Materialbelastungen an der nachfolgenden Anlage bewirken würden. In einer besonderen Ausprägung der Erfindung werden daher auch Turbulenzerscheinungen begrenzt.Even with uniform wind turbines, depending on the wind direction, unacceptable loads can occur, in particular if the systems were installed in tightly packed rows transversely to the main wind direction, when the wind exceptionally blows approximately parallel to the rows. In such a situation, it is prior art to make a wind direction-dependent shutdown of systems, if it would otherwise lead to exceeding admissible turbulence values, which would cause excessive material loads on the subsequent system. In a particular embodiment of the invention, turbulence phenomena are therefore also limited.

Bei vielen Windturbinen werden außerdem Regelungszustände zur Begrenzung des Lärmverhaltens oder der Leistungsabgabe standardmäßig vorgesehen. Diese kommen dann z. B. nachts von 22 bis 6 Uhr oder je nach den Verhältnissen im Stromnetz zum Einsatz. Dabei kann z. B. bei näher an Wohngebäuden gelegenen Anlagen ein stärkere Reduzierung der Lärmemissionen vorgenommen, um damit den Immissionswert so weit zu reduzieren, dass an den entfernteren Anlagen keine oder nur weniger einschneidende Einschränkungen erforderlich werden. Auf diese Weise wird durch ein festgelegte Differenzierung der Regelungen mehrerer Windturbinen eine Optimierung in der Gesamtsicht erreicht.Many wind turbines also provide control states to limit noise behavior or power output as standard. These come then z. B. at night from 22 to 6 clock or depending on the conditions in the power grid for use. It can be z. For example, in the case of installations located closer to residential buildings, a greater reduction in noise emissions is made in order to reduce the immission value to such an extent that no restrictions or less drastic restrictions are required at the more remote facilities. In this way, an optimization in the overall view is achieved by a specified differentiation of the regulations of several wind turbines.

Lösungsansatzapproach

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung der Rotordrehung und Flügelblattverstellung von Windturbinen. Die Windturbinen einer Bauart sollen nicht einheitlich programmiert und dabei vor allem in Abhängigkeit von der aktuellen Windgeschwindigkeit am Standort geregelt werden, sondern die Regelung der einzelnen Windturbinen wird davon abhängig gemacht, an welcher Stelle im Windpark sich die jeweilige Windturbine befindet. Im allgemeinen soll bei der jeweiligen Windturbine auf einen Teil des zu diesen Zeitpunkt möglichen Ertragspotentials verzichtet werden, um nachteilige Wirkungen auf in Windrichtung nachfolgende Windturbine(n) zu mindern, sofern das bei der jeweiligen Windrichtung der Fall ist.The invention describes a method for controlling or regulating the rotor rotation and blade pitch of wind turbines. The wind turbines of a type should not be programmed uniformly and regulated mainly depending on the current wind speed at the site, but the regulation of the individual wind turbines is made dependent on where in the wind farm is the respective wind turbine. In general, in the respective wind turbine to be dispensed with a part of the possible at this time income potential to mitigate adverse effects on downstream wind turbine (s), if that is the case with the respective wind direction.

Während Windturbinen heute generell mit einer Anlagenregelung ausgestattet werden, könnte eine erfindungsgemäße Funktion prinzipiell auch als reine Steuerung ausgeführt oder als reine Steuerung mit der übrigen Anlagenregelung verknüpft werden.While wind turbines are generally equipped today with a system control, a function according to the invention could in principle also be executed as pure control or be linked as pure control with the rest of the system control.

Minderung AbschattungseffekteReduction shadowing effects

Erfindungsgemäß soll die Regelung einer Windturbine durch entsprechende Stellung der Rotorblätter auf einen Teil der potentiell möglichen Leistung verzichten, um damit die Abbremsung bzw. Verwirbelung des Windes durch die Anlage zu vermindern, und damit bei windabwärts gelegenen Anlagen eine höhere verbleibende Windgeschwindigkeit zu erhalten und somit insgesamt, in der Summe aller Anlagen eines Windparks, einen höheren Ertrag zu bewirken. Ein teilweiser Leistungsverzicht erfolgt also auch bei Windgeschwindigkeiten in dem Bereich der Leistungskennlinie, in dem die Nennleistung wegen unzureichender Windstärke auch bei leistungs-maximierender Regelung nicht erreicht werden kann.According to the invention, the control of a wind turbine by appropriate position of the rotor blades to dispense with a part of the potential power possible, so as to slow down or To reduce turbulence of the wind by the system, and thus to obtain a higher remaining wind speed in wind turbines and thus to bring about a total, in the sum of all plants of a wind farm, a higher yield. A partial performance waiver is therefore also at wind speeds in the range of the performance curve in which the rated power can not be achieved due to insufficient wind strength even with power-maximizing control.

Insbesondere bei einer Veränderung des Pitch-Winkels mit geringfügiger Verdrehung in Richtung Fahnenstellung ist (auch bei unveränderter Rotordrehzahl) eine geminderte Schubwirkung und damit weniger Abbremsung des Windflusses und somit eine geringerer Wake-Effekt mit weniger Ertragseinbußen bei nachfolgenden Anlagen zu erwarten.Especially with a change in the pitch angle with slight rotation in the direction of feathering is (even with unchanged rotor speed) to expect a reduced thrust and thus less deceleration of the wind flow and thus a lesser wake effect with less loss of yield in subsequent investments.

Die Anlagen im mittleren Teil eines größeren Windparks verursachen bei jeder Windrichtung Abschattungseffekte auf benachbarte Anlagen. Bei den in Hauptwindrichtung vorne stehenden Anlagen, also beispielsweise am Westrand eines Windparks, ist dies ebenfalls häufig der Fall. In einer einfachen Bauweise einer solchen Regelung würde man daher die Anlagen im mittleren Bereich und in Hauptwindrichtung vorne so programmieren, dass sie auf die nachfolgenden Anlagen in stärkerem Maße „Rücksicht” nehmen. Die bei Hauptwindrichtung am hinteren Rand des Windparks (in Lee) liegenden Anlagen, die bei dann im Windpark keinen „Schaden” mehr durch die Abbremsung des Windes verursachen, würden so programmiert werden, dass sie ihren Ertrag maximieren bzw. ihren Betrieb ohne Rücksicht auf andere Anlagen optimieren.The plants in the middle part of a larger wind park cause shading effects on neighboring plants in every wind direction. This is also often the case in the wind turbines in the main wind direction, for example on the western edge of a wind farm. In a simple construction of such a scheme, therefore, the mid-range and main-wind systems would be programmed at the front so as to take greater account of subsequent installations. The plants lying in the main wind direction at the rear edge of the wind farm (in leeward), which in the wind farm no longer cause any "damage" by the deceleration of the wind, would be programmed so that they maximize their yield or their operation without regard to others Optimize systems.

Eine weitere Verbesserung kann erreicht werden, wenn die Leistungseinbuße an der jeweiligen Anlage nur dann in Kauf genommen wird, wenn der Wind auch tatsächlich in Richtung anderer Anlagen mit geringem Abstand weht. Die Anlagenregelung wird also so programmiert, dass die Anlage bei Wind in Richtung einer nachfolgenden Anlage ihre eigene Leistung zu Gunsten der nachfolgenden zurücknimmt, während bei anderen Windrichtungen eine rein anlagenbezogen optimierte Regelung stattfindet. Dazu wird vorzugsweise ein Lageplan des Windparks bzw. eine je nach Windrichtung unterschiedliche Vorgabe in der Regelung abgespeichert. Die Regelung kann auch weitere Einflussgrößen berücksichtigten (neben Richtung und Abstand zur nachfolgenden Anlage z. B. den Betriebsstatus dieser Anlage – dann erfolgt keine Einschränkung der ersten Anlage während einer Betriebsunterbrechung an der nachfolgenden Anlage).A further improvement can be achieved if the loss of performance at the respective plant is only accepted if the wind actually blows in the direction of other plants with a small distance. The system control is thus programmed so that the system with wind in the direction of a subsequent system their own performance in favor of the subsequent decreases, while in other wind directions purely purely system-related optimized regulation takes place. For this purpose, preferably a map of the wind farm or a different depending on the wind direction specification is stored in the scheme. The control can also take other influencing factors into consideration (in addition to the direction and distance to the following system, for example, the operating status of this system - then no restriction of the first system during a service interruption occurs on the following system).

Klarstellend wird angemerkt, das die ertragssteigernden Effekte nicht allzu groß sein werden. Allerdings führt, ausgehend von einem optimalen Betriebspunkt, eine geringfügige Änderung. der Anlagenregelung meist zu anfangs sehr geringen Leistungseinbußen, die erst mit zunehmender Abweichung vom Optimum progressiv zunehmen. Wenn nun beispielsweise eine Änderung der Anlagenregelung durch geänderten Rotoranstellwinkel vorgenommen werden kann, die eine gerade schon spürbare Veränderung der Schubkennlinie mit sich bringt, und dafür eine Reduzierung der Leistung um beispielsweise ein Prozent in Kauf genommen werden muss, dadurch aber ein Ertragsgewinn um zwei Prozent bei der Nachbaranlage erzielt würde, wäre der Nettoeffekt bereits positiv. Wäre der Vorteil bei der Nachbaranlage niedriger als die Einbuße bei der reduzierten Anlage, könnte versucht werden, mit einer weniger starken Änderung der Anlagenregelung bei der Anlage im Luv einen ebenfalls schwächeren Effekt bei der Nachbaranlage zu erzielen, und zu ermitteln, ob der Nutzen weniger stark abgenommen hat als der Nachteil, so dass sich dann per saldo ein positiver Effekt ergibt.To clarify, it should be noted that the yield-increasing effects will not be too great. However, starting from an optimal operating point, a slight change occurs. The plant control usually at first very low power losses, which increase progressively with increasing deviation from the optimum. If, for example, a change in the system control can be made by changing the rotor pitch, which brings about an already noticeable change in the thrust characteristic, and for a reduction in performance by, for example, one percent must be taken, but this results in a yield gain of two percent the neighboring facility, the net effect would already be positive. If the benefit to the neighboring facility were lower than the reduction in the reduced facility, an attempt could be made to also have a weaker effect on the neighboring facility with less change in plant control in the windward system and to see if the benefit was less has diminished as the disadvantage, so that then on balance results in a positive effect.

Bei großen Windparks wird durch eine standortbezogene Einschränkung leichter ein positiver Effekt per saldo zu erreichen sein. Wenigstens bei Anlagen in der Mitte eines großen Windparks kann fast zu jedem Zeitpunkt immer ein positiver Effekt auf einen Teil der Nachbaranlagen erreicht werden, und zwar auf eine unterschiedliche Nachbaranlage je nach Windrichtung. Dagegen wird es bei nur wenigen Anlagen in einem Windpark noch wichtiger sein, eine solche Einschränkung nur von der Windrichtung abhängig vorzunehmen.For large wind farms, a location-based restriction will make it easier to achieve a positive effect on balance. At least for plants in the middle of a large wind farm, a positive effect can always be achieved on some of the neighboring facilities almost at any time, namely on a different neighboring facility depending on the wind direction. In contrast, with only a few plants in a wind farm, it will be even more important to make such a restriction dependent only on the wind direction.

Besitzen mehrere Betreiber jeweils mehrere Anlagen in einer Nachbarschaft, so würden bei individueller, wirtschaftlicher Optimierung jeweils nur die Effekte auf die „eigenen” Anlagen berücksichtigt werden. Bei der Lizenzvergabe für diese Erfindung könnte daher darauf geachtet werden, dass jeweils sämtliche Anlagen mit entsprechender Regelung wechselseitig berücksichtigt werden, unabhängig von den jeweiligen Besitzverhältnissen.If several operators each have several plants in a neighborhood, then only the effects on the "own" plants would be taken into account for individual, economic optimization. When granting the license for this invention, care could therefore be taken to ensure that in each case all systems with the appropriate regulation are taken into account alternately, regardless of the respective ownership.

Als günstiger Nebeneffekt ist bei derartiger Regelung eine Reduzierung der auf die eingeschränkte Anlage wirkenden Kräfte bzw. Ermüdungslasten zu erwarten.As a favorable side effect is to be expected in such a scheme, a reduction in the forces acting on the limited system forces or fatigue loads.

*Turbulenz*Turbulence

Die im Lee einer Anlage erhöhte Umgebungsturbulenz kann zu hohe bzw. unzulässige Werte erreichen, für welche die nachfolgende Anlage nicht ausgelegt ist. Diese Auswirkung kann durch windrichtungsabhängige Abschaltung einer der beiden Anlagen umgangen werden. Für einen konkreten Fall hat der Erfinder den Nachweis erbracht, dass die Verwendung einer schallreduzierten Betriebsweise, wie sie in der Anlagenregelung einer Serienanlage programmiert wurde und aktiviert werden kann, ebenfalls zu einer Minderung der Turbulenzen führt, genaugenommen zu einer weniger starken Erhöhung der natürlichen Umgebungsturbulenzen als im „normalen” Anlagenbetrieb. Diese schallreduzierte Betriebsweise ist an sich für den Nachtbetrieb vorgesehen. Wenn erfindungsgemäß die schallreduzierte Betriebsweise stattdessen windrichtungsabhängig zum Einsatz kommt, kann also eine sonst erforderliche windrichtungsabhängige Abschaltung vermieden werden.The increased environmental turbulence in the lee of a system can reach too high or impermissible values for which the following system is not designed. This effect can be circumvented by wind direction-dependent shutdown of one of the two systems. For a specific case, the inventor has provided proof that the use of a sound-reduced mode of operation, as in the plant control of a standard system has been programmed and can be activated, also leads to a reduction in turbulence, more precisely, to a less pronounced increase in natural ambient turbulence than in "normal" plant operation. This sound-reduced mode of operation is intended for night operation. If, according to the invention, the sound-reduced mode of operation is instead used as a function of the wind direction, an otherwise required wind direction-dependent shutdown can thus be avoided.

Die windrichtungsabhängige Verwendung einer „standardmäßig” für den schallreduzierten Betrieb entwickelten Betriebsweise (bzw. einer Betriebsweise für die Leistungsbegrenzung) kann zwar im Einzelfall zu der Einhaltung zulässiger Turbulenzwerte führen, ist aber als nicht optimal anzusehen. Vielmehr ist davon auszugehen, dass eine auf die Turbulenzreduzierung optimierte Betriebsweise noch bessere Ergebnisse bringen kann.Although the wind direction-dependent use of a mode of operation (or a mode of operation for power limitation) developed by default for noise-reduced operation can in individual cases lead to compliance with permissible turbulence values, it can not be regarded as optimal. Rather, it can be assumed that an operation optimized for reducing the turbulence can bring even better results.

Wenn die Schallreduzierung in starker Maße auf einer Minderung der Rotorgeschwindigkeit beruht, wird es bei gleicher Energieproduktion meist zu weniger Turbulenzen führen, wenn eine höhere Rotordrehzahl verwendet wird. Selbst eine Erhöhung der Rotordrehzahl gegenüber dem (nicht lärmreduzierten) Normalbetrieb kann zu niedrigeren Turbulenzen führen. Dies ergibt sich anschaulich dadurch, dass ein schneller drehender Rotor auch die bewegte Luft häufiger durchschneidet. In der Darstellung eines mit dem Wind mitbewegten Beobachters ist der räumliche Abstand zwischen den Luftvolumina, die von aufeinanderfolgenden Rotorblättern knapp „getroffen” werden, geringer, so dass sich diese Ungleichmäßigkeiten auch schneller wieder ausgleichen können, was ebenfalls zu niedrigeren Turbulenzen führt. Außerdem ändert sich bei größerer Rotordrehzahl der Blattanstellwinkel und (bei gleicher Energieabgabe und damit geringerem Drehmoment) die Kraftwinkung je Rotorblatt: Das Rotorblatt nimmt bei jedem Durchlauf weniger Energie auf, was zu weniger Turbulenzentstehung je Umlauf führt.If noise reduction relies heavily on rotor speed reduction, it will usually result in less turbulence with the same energy production if a higher rotor speed is used. Even an increase in the rotor speed compared to the (not noise-reduced) normal operation can lead to lower turbulence. This is clearly demonstrated by the fact that a faster rotating rotor also cuts through the moving air more frequently. In the representation of a moving with the wind observer, the spatial distance between the air volumes that are just "hit" by successive rotor blades, lower, so that these irregularities can also compensate faster, which also leads to lower turbulence. In addition, the blade pitch changes with larger rotor speed and (with the same energy output and thus lower torque), the force swing per rotor blade: The rotor blade takes less energy with each pass, resulting in less turbulence per revolution.

Drehzahl und zeitliche AbfolgeSpeed and time sequence

In bevorzugter Ausführung einer erfindungsgemäßen Regelung werden neben dem Blattanstellwinkel auch die anderen Funktionen angepasst, wie beispielsweise die Drehzahl und die Variation der Drehzahl.In a preferred embodiment of a control according to the invention, the other functions are adapted in addition to the Blattanstellwinkel, such as the speed and the variation of the speed.

Eine erhöhte Rotordrehzahl der ersten Anlage ist bei gleicher Leistungsabgabe und entsprechendem Rotoranstellwinkel vermutlich mit einer günstigeren Schubkurve und damit auch geringeren Einbußen bei der nachfolgenden Anlage verbunden; der Zusammenhang ist jedoch nicht so intuitiv wie bei den Turbulenzen.An increased rotor speed of the first system is probably associated with the same power output and corresponding Rotoranstellwinkel with a better thrust curve and thus lower losses in the subsequent system; However, the connection is not as intuitive as in turbulence.

Bei der Optimierung des Zusammenwirkens von zwei oder mehr Windturbinen kann auch die Speicherung und Abgabe von Bewegungsenergie durch den Rotor bei variierender Drehzahl ausgenutzt werden, und somit auch die zeitliche Abfolge von Zuständen und von kurzzeitigen Schwankungen der Windgeschwindigkeit besser berücksichtigt werden.When optimizing the interaction of two or more wind turbines, the storage and release of kinetic energy by the rotor at varying speeds can also be exploited, and thus the time sequence of states and short-term fluctuations of the wind speed can also be better taken into account.

Wenn beispielsweise die Windgeschwindigkeit zunächst knapp unter dem Wert liegt, der für einen Betrieb mit Nennleistung ausreicht, so liegt die Leistung einer im Nachlauf befindlichen Windturbine meist noch stärker unter der Nennleistung. Wenn nun eine Böe die erste Windturbine erreicht, und die Aufnahme von mehr Windenergie ermöglicht, als für den Betrieb mit Nennleistung benötigt, würde bei einer rein anlagenbezogenen optimierten Regelung diese zusätzliche Windenergie zunächst in eine zunehmende Drehzahl dieser ersten Anlage umgesetzt und so zwischengespeichert werden, um nach Ende der Böe etwas länger einen Betrieb mit voller Nennleistung zu ermöglichen, bis die Drehzahl wieder zurückgegangen ist.If, for example, the wind speed is initially just below the value that is sufficient for operation with nominal power, then the power of a trailing wind turbine is usually even lower than the nominal power. Now, if a gust reaches the first wind turbine, and allows the inclusion of more wind energy, as needed for the operation with rated power, in a pure plant-related optimized control, this additional wind energy would first be converted into an increasing speed of this first system and cached so after the gust has ended, allow operation at full capacity for a little while longer until the speed drops again.

In einer vorteilhaften Ausprägung der Erfindung würde stattdessen die erste Windturbine die zusätzliche Energie zu Beginn der Böe teilweise „durchlaufen” lassen, spätestens nachdem sie selbst ihre Nennleistung erreicht hat. Damit kann eine Mehrleistung bei der nachfolgenden Anlage und möglichst auch dort schneller die Nennleistung erreicht werden, während in diesem Zeitraum bei der ersten Anlage kein Minderertrag auf der Stromseite anfällt. Bei vorteilhaftem Ablauf mit genügender Dauer der Böe würde als nächstes eine maximale „Aufladung” der zweiten Windturbine durch gesteigerte Rotordrehzahl erfolgen, erst dann eine maximale „Aufladung” der ersten Windturbine. Bei wieder abflauender Windstärke würde bei der zweiten Anlage zuerst die Nennwindgeschwindigkeit wieder unterschritten werden, jedoch die Nennleistung kurzzeitig noch durch Entnahme der gespeicherten Bewegungsenergie aufrechterhalten. Wenn gegen Ende der Böe die Windgeschwindigkeit bei der ersten Windturbine ebenfalls nicht mehr für die Nennleistung ausreicht, würde auch dort eine Entnahme der gespeicherten Bewegungsenergie erfolgen. Insgesamt würde also bei der zweiten Anlage ein Mehrertrag zu Beginn der Böe erreicht werden, während bei der ersten Anlage zu keinem Zeitpunkt eine Einbuße der Energieproduktion erfolgt ist. Dort ist vielmehr die Anlagenbelastung durch die später ansteigende Drehzahl etwas gemindert.In an advantageous embodiment of the invention, instead, the first wind turbine would allow the additional energy at the beginning of the gust to "pass through" in part, at the latest after it has reached its nominal power itself. Thus, an additional power in the subsequent system and possibly also faster there the rated power can be achieved, while in this period at the first plant no loss on the electricity side is incurred. In the case of an advantageous sequence with a sufficient duration of the gust, a maximum "charging" of the second wind turbine would be effected by an increased rotor speed, and then a maximum "charge" of the first wind turbine. When the wind speed drops again, the nominal wind speed would again fall below the nominal wind speed, but the rated power will be maintained for a short time by removing the stored kinetic energy. If, at the end of the gust, the wind speed in the first wind turbine is no longer sufficient for the nominal power, there would also be a removal of the stored kinetic energy there. Overall, therefore, in the second system, a surplus at the beginning of the gust would be achieved, while at the first plant at no time a loss of energy production has occurred. There, rather, the system load is somewhat reduced by the later increasing speed.

Es könnte auch versucht werden, die Phasenverschiebung der Drehbewegung beider Anlagen so zu gestalten, dass der Rotor der nachfolgenden Anlage günstige Stellen der „vorbelasteten” Luftströmung durchschneidet.It could also be attempted to make the phase shift of the rotational movement of both systems so that the rotor of the following system cuts through favorable locations of the "pre-loaded" air flow.

Eigenfrequenzen natural frequencies

Die Konstruktion und die Regelung einer Windturbine sind regelmäßig so ausgelegt, dass Rotordrehzahlen vermieden wird, bei denen es in relevantem Ausmaß zur Anregung von Eigenfrequenzen bei der Anlage kommt. Insbesondere dürfen die Drehzahl und die dreifache Drehzahl des Rotors nicht einer der Eigenfrequenzen des Turms oder der Rotorblätter entsprechen. Entsprechend dem Durchlauf der Rotorblätter weist auch die Turbulenz im Nachlauf der Windturbine eine regelmäßige Komponente auf, die sich mit dem dreifachen der Rotordrehzahl wiederholt. Sofern die im Nachlauf nachfolgende Windturbine vom selben Typ ist, wird auch sie nicht zu stark durch diese Komponente und Frequenz angeregt. Außerdem werden gleiche Windturbinen bei gleicher Windgeschwindigkeit auch mit etwa gleicher Rotordrehzahl betrieben, womit auch die Differenz eine sehr niedrige Frequenz ergibt, üblicherweise außerhalb der relevanten Eigenfrequenzen.The design and control of a wind turbine are routinely designed to avoid rotor speeds that are relevant to stimulating natural frequencies in the plant. In particular, the speed and the triple speed of the rotor must not correspond to one of the natural frequencies of the tower or the rotor blades. According to the passage of the rotor blades, the turbulence in the wake of the wind turbine has a regular component, which is repeated at three times the rotor speed. If the wind turbine following in the wake of the same type, it is not too strong excited by this component and frequency. In addition, the same wind turbines are operated at the same wind speed with approximately the same rotor speed, whereby the difference results in a very low frequency, usually outside the relevant natural frequencies.

Bei unterschiedlichen Anlagentypen ist der Ausschluss von Eigenfrequenzen der Anlage im Nachlauf jedoch nicht mehr a priori gewährleistet. Die den Nachlauf verursachende Anlage ist daher ggf. so zu programmieren, dass die Anregung von Eigenfrequenzen der Anlage im Nachlauf vermieden wird, insbesondere durch Ausschluss bestimmter Frequenzbereiche. Diese Regelung wird vorzugsweise nur bei einer mit der Position der Nachbaranlage korrespondieren Windrichtung aktiviert, und in bevorzugten Ausprägung auch nur dann, wenn diese in Betrieb ist und wenn weitere Betriebseigenschaften, wie etwa die aktuelle Windstärke, einen nachteiligen Einfluss ergeben würden.For different plant types, however, the exclusion of natural frequencies of the plant in the wake is no longer guaranteed a priori. The system causing the overrun must therefore be programmed so that the excitation of natural frequencies of the system in the wake is avoided, in particular by excluding certain frequency ranges. This regulation is preferably activated only in the case of a wind direction corresponding to the position of the neighboring installation, and in a preferred embodiment only if it is in operation and if further operating characteristics, such as the current wind strength, would result in a disadvantageous influence.

Ebenfalls zu vermeiden ist, dass die Anregung durch die Differenz der beiden Rotordrehzahlen der jeweiligen Windturbinen, bzw. einer Differenz gegenüber dem dreifachen einer Rotordrehzahl, in der Nähe von Eigenfrequenzen der Windturbine im Nachlauf liegt.It should also be avoided that the excitation by the difference between the two rotor speeds of the respective wind turbines, or a difference compared to three times a rotor speed, in the vicinity of natural frequencies of the wind turbine in the wake.

Modifizierte Regelung der Anlage im LeeModified system of the system in the lee

In umgekehrter Vorgehensweise kann es ein eingeschränkter Betrieb an einer im Lee stehenden Anlage B ermöglichen, andernfalls erforderliche Einschränkungen bei einer in Windrichtung vor der Anlage B liegenden anderen Anlage A zu vermeiden. Dies kommt in Frage, wenn bei „normaler” Regelung die Turbulenzwerte an der Anlage B zu groß würden, so das die Anlage A im Luv abgeschaltet werden müsste, oder jedenfalls sehr stark eingeschränkt, um Anlage B nicht zu überlasten. Dann kann es günstiger sein, die Anlage B im Betrieb einzuschränken, und somit ihre „Resistenz” gegen hohe, von Anlage A stammende Turbulenzen zu erhöhen.Conversely, limited operation at a leeward B facility may allow for otherwise required restrictions on an alternative facility A downstream of the B facility. This comes into question, if with "normal" regulation the turbulence values at the plant B would become too large, so that the plant A would have to be switched off in the windward, or at least very much restricted, in order not to overload plant B. Then it may be cheaper to restrict the plant B in operation, and thus to increase their "resistance" to high, originating from Appendix A turbulence.

Insbesondere wäre dies von Vorteil, wenn andernfalls bei der Anlage A im Luv stärkere Einschränkungen erforderlich wären, um der Anlage B im Lee einen uneingeschränkten Betrieb zu ermöglichen, oder wenn die Alternative eine (Lasten-)Reduzierung bei der Anlage B durch vollständige Abschaltung wäre. Insbesondere bei unterschiedlich großen Anlagen, wenn bei Hauptwindrichtung die größere Anlage A im Lee steht und dann keine Einschränkungen erforderlich sind, würde bei umgekehrter Windrichtung eine Reduzierung bei der kleineren Anlage B im Lee (statt bei der größeren Anlage A im Luv) oft geringere absolute Ertragseinbußen nach sich ziehen. Noch günstiger könnte eine Aufteilung der „Reduzierungslast” zwischen beiden benachbarten Anlagen sein; eine solche Optimierung würde allerdings den Berechnungsaufwand vergrößern. Bei größeren Windparks mit mehreren aufeinanderfolgenden Anlagen bzw. Anlagenreihen könnte wiederum, bei entsprechender Windrichtung, ein Ertragsverzicht bei Anlage B in der zweiten Reihe (statt bei Anlage A in der ersten Reihe) durch einen relativen Mehrertrag bei Anlage C in der dritten Reihe relativiert wird.In particular, this would be advantageous if, otherwise, installation A in the luff would require more restrictions to allow unrestricted operation of plant B in the lee, or if the alternative would be a (load) reduction in plant B through complete shutdown. In particular, in different sized systems, if in the main wind direction, the larger plant A is in the lee and then no restrictions are required in reverse wind direction, a reduction in the smaller plant B in the lee (instead of the larger plant A in the windward) often lower absolute yield losses entail. Even more favorable could be a division of the "reduction burden" between the two neighboring plants; however, such an optimization would increase the computational effort. For larger wind farms with several successive plants or rows of plants could turn, with appropriate wind direction, a yield waiver at Annex B in the second row (instead of Appendix A in the first row) is relativized by a relative surplus yield in Appendix C in the third row.

AbbildungIllustration

1 zeigt als Prinzipdarstellung bei gegebener Windgeschwindigkeit die maximal erzielbare Leistung 1 (vertikale Achse) in Abhängigkeit von der Rotordrehzahl 2 (horizontale Achse), wobei insbesondere der jeweilige Pitchwinkel so gewählt würde, dass sich die maximale Leistung gemäß der Kurve 3 ergibt. Bei einer bestimmten Rotordrehzahl ergibt sich ein Maximum im Punkt 4. Zur Reduzierung der Schallemissionen wird man vorzugsweise eine Reduzierung der Rotordrehzahl 2 vornehmen, so dass man zu einem Betrieb in Nähe des Punktes 5 kommen würde, bei dem die erzielbare Leistung 6 geringer ist als im Maximum 3. Diese Betriebsweise kann dann auch zu einer genügenden Senkung der Turbulenzbelastung führen, wenn sie bei entsprechenden Windrichtungen eingesetzt wird. Es ist jedoch zu davon auszugehen, dass ein Betrieb mit gleicher Leistungsabgabe, aber höherer Drehzahl im Betriebspunkt 7 eine geringere Turbulenzbelastung der Umgebung mit sich bringt. Dies ergibt sich anschaulich schon dadurch, dass der schneller bewegte Rotor in kürzerem zeitlichen Abstand den Rotorkreis durchschneidet, mithin auch das bewegte Luftvolumen in geringerem Abstand, so dass sich diese, in geringerem räumlichen Abstand im Luftvolumen eingeprägten Unregelmäßigkeiten auch leichter wieder ausgleichen. Wenn bereits im Punkt 5 eine genügende Reduzierung der Turbulenzen erreicht worden ist, kann dann auch ein Punkt 8 mit höherer Energieproduktion gewählt werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, von der dargestellten Kennlinie abzuweichen, und damit in einem weiteren Punkt eine noch höhere Leistung bei nach wie vor hinreichend niedrigen Turbulenzen zu erreichen. Ob das Optimum wie im Punkt 9 bei niedrigerer Drehzahl oder wie im Punkt 10 bei höherer Drehzahl als im absoluten Maximum gemäß Punkt 4 erreicht wird, lässt sich nicht ohne weiteres angeben. Nebenbei ist anzumerken, dass auch heutige Regelungen auch gewisse Abweichungen von der maximalen Leistungskurve 3 vorsehen können, um andere Aspekte (z. B. Materialbelastung) zu verbessern oder die Schallminderung zu verbessern; dies erfolgt bislang jedoch unabhängig von der Windrichtung und der Lage relativ zu benachbarten Anlagen. 1 shows a schematic representation of the maximum achievable power at a given wind speed 1 (vertical axis) depending on the rotor speed 2 (horizontal axis), in particular, the respective pitch angle would be chosen so that the maximum power according to the curve 3 results. At a certain rotor speed results in a maximum in the point 4 , To reduce the noise emissions, it is preferable to reduce the rotor speed 2 make it so that you get to a farm near the point 5 would come at which the achievable performance 6 less than the maximum 3 , This mode of operation can then also lead to a sufficient reduction of the turbulence load, if it is used in corresponding wind directions. However, it is to be assumed that an operation with the same power output, but higher speed at the operating point 7 a lower turbulence load of the environment brings with it. This can be clearly seen in the fact that the faster moving rotor cuts through the rotor circuit in a shorter time interval, thus also the moving air volume at a smaller distance, so that these, in a smaller spatial distance in the air volume impressed irregularities also easier to compensate again. If already in the point 5 a sufficient reduction of turbulence has been achieved, then can also be a point 8th be selected with higher energy production. Furthermore, it is possible to deviate from the characteristic curve shown, and thus to achieve an even higher performance at still sufficiently low turbulence in another point. Whether the optimum as in the point 9 at lower speed or as in point 10 at higher speed than in the absolute maximum according to point 4 can not be stated without further ado. Incidentally, it should be noted that even today's regulations also some deviations from the maximum power curve 3 to improve other aspects (eg material loading) or to improve noise abatement; However, this has so far been independent of the wind direction and the location relative to adjacent facilities.

Claims (9)

Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung einer Windturbine, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Windturbine auf einen Teil des zu diesen Zeitpunkt möglichen Ertragspotentials verzichtet wird, um nachteilige Wirkungen auf wenigstens eine in Richtung der Windes nachfolgende Windturbine zu mindern oder um andernfalls erforderliche Einschränkungen bei einer in Windrichtung vor der Anlage liegenden anderen Anlage zu vermeiden.Method for controlling or regulating a wind turbine, characterized in that the wind turbine dispenses with a part of the potential output potential at that time in order to reduce disadvantageous effects on at least one wind turbine following in the direction of the wind or otherwise necessary limitations in a wind turbine Wind direction in front of the plant lying other plant to avoid. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die entsprechende Anlagenregelung so programmiert wird, dass der Verzicht auf Ertragspotential in Abhängigkeit von der Windrichtung und der Lage anderer Windturbinen erfolgt bzw. in unterschiedlichem Maße erfolgt, und davon abhängt, ob bzw. mit welcher Intensität bei der jeweiligen Windrichtung im Lee durch den Verzicht nachteilige Effekte bei weiteren Anlagen vermieden werden.A method according to claim 1, characterized in that the corresponding system control is programmed so that the waiver of yield potential depending on the wind direction and the location of other wind turbines takes place or takes place to varying degrees, and depends on whether or with what intensity at the respective wind direction in the lee by avoiding adverse effects in other investments are avoided. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch eine geänderte Regelung der Rotordrehung und Flügelblattverstellung einer im Luv stehenden Anlage an einer im Lee stehenden Anlage geringere Ertragseinbußen durch Abschattungseffekte oder geringere Materialbelastungen durch Turbulenzen ergeben als bei einer Anlagenregelung der im Luv stehenden Anlage, die auf die bestmögliche Nutzung des Ertragspotentials dieser Anlage ausgerichtet ist.The method of claim 1 or 2, characterized in that by changing the control of the rotor rotation and blade adjustment of a standing in wind system on a leeward plant lower yield losses by shading effects or lower material loads resulting from turbulence than in a system control of standing in the wind system aimed at making the best possible use of the yield potential of this facility. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Minderung nachteiliger Effekte bei weiteren Anlagen der Anstellwinkel der Rotorblätter ein Stück in Richtung Fahnenstellung verändert (gepitcht) eingestellt wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that to reduce adverse effects in other systems, the angle of attack of the rotor blades a piece in the direction of the flag position changed (pitched) is set. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alternierend mit wenigstens einer anderen Betriebsweise eine besondere Betriebsweise der Anlagenregelung windrichtungs- und standortabhängig aktiviert wird, die in anderen Anwendungsfällen für die Begrenzung der Schallemissionen vorgesehen wurde.Method according to one of the preceding claims, characterized in that alternately with at least one other mode of operation, a particular mode of operation of the system control is activated wind direction and location dependent, which was provided in other applications for the limitation of the noise emissions. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Vergleich zu einer Betriebsweise mit bestmöglicher Nutzung des Ertragspotentials dieser Anlage die Rotordrehzahl erhöht wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that compared to a mode of operation with the best possible use of the yield potential of this system, the rotor speed is increased. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Vergleich zu einer ursprünglich auf eine Begrenzung der Schallemissionen orientierten Betriebsweise die Rotordrehzahl erhöht wird.A method according to claim 1 to 4 or 6, characterized in that compared to an originally oriented to a limitation of the noise emissions mode of operation, the rotor speed is increased. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Betriebsweisen bzw. Rotordrehzahlen vermieden wird, bei denen es in deutlichem Ausmaß zur Anregung von Eigenfrequenzen bei eine in Windrichtung nachfolgenden Anlage kommen würde.Method according to one of the preceding claims, characterized in that operations or rotor speeds is avoided, in which it would come to a significant extent to excite natural frequencies at a downstream wind installation. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche zur Begrenzung nachteiliger Wirkungen einer Windturbine im Luv auf eine in Richtung des Windes nachfolgende Windturbinen im Lee, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Anlage in Lee mittels veränderter Regelung der Rotordrehung und Flügelblattverstellung auf Ertragspotential verzichtet wird.Method according to one of the preceding claims for limiting adverse effects of a wind turbine in the windward on a wind turbines following in the direction of the wind in the lee, characterized in that is dispensed with the system in Lee by means of modified control of the rotor rotation and blade adjustment on yield potential.

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