EP3908746A1 - Verfahren und system zum steuern einer windenergieanlage - Google Patents

Verfahren und system zum steuern einer windenergieanlage

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EP3908746A1
EP3908746A1 EP19832965.8A EP19832965A EP3908746A1 EP 3908746 A1 EP3908746 A1 EP 3908746A1 EP 19832965 A EP19832965 A EP 19832965A EP 3908746 A1 EP3908746 A1 EP 3908746A1
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EP
European Patent Office
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wind
rotor
wind turbine
load range
operating
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19832965.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Svenja Wortmann
Timo GOSCH-PLESS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Gamesa Renewable Energy Service GmbH
Original Assignee
Siemens Gamesa Renewable Energy Service GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Gamesa Renewable Energy Service GmbH filed Critical Siemens Gamesa Renewable Energy Service GmbH
Publication of EP3908746A1 publication Critical patent/EP3908746A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/022—Adjusting aerodynamic properties of the blades
    • F03D7/024—Adjusting aerodynamic properties of the blades of individual blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/022—Adjusting aerodynamic properties of the blades
    • F03D7/0224—Adjusting blade pitch
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    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for controlling a
  • Wind power plant and a computer program product for performing the method Wind power plant and a computer program product for performing the method.
  • the object of the present invention is to improve the operation of a wind energy installation, in particular its performance and / or load or service life.
  • Claims 8, 9 provide protection for a system or computer program product for carrying out a method described here.
  • the subclaims relate to advantageous further developments.
  • a wind turbine has
  • a rotor with at least two, preferably three or more rotor blades
  • Blade adjustment at least two, preferably all, rotor blades (each) individually adjusted cyclically about their respective longitudinal axis with a first rotor arrangement, or set up or used for this purpose, in particular corresponding ones
  • Blade angle adjustment or setting signals
  • the rotor in particular a rotor shaft, is rotatably mounted about a rotational axis in a nacelle, which, in one embodiment, is rotatable about a yaw axis, in particular adjustable by means of at least one actuator, on a tower
  • Wind turbine is arranged.
  • the rotational or longitudinal axis of the rotor or the rotor shaft forms an angle with the direction of gravity that is at least 70 ° and / or at most 110 °, with the yaw axis in one embodiment an angle that is at least 75 ° and / or at most 105 °.
  • the rotor is a horizontal rotor and / or the nacelle is rotatable or (actively) adjustable about the vertical.
  • the present invention can be used with particular advantage in such wind energy plants.
  • the partial load range extends from one
  • Switch-on wind speed or power which in one embodiment is greater than zero, up to the nominal operating point, in particular a nominal wind speed or power, the full load range correspondingly in one embodiment from the nominal operating point to a shut-off wind speed or power.
  • the nominal operating point is defined by a nominal wind speed and / or a nominal speed, nominal power or a nominal torque of the wind energy installation or of the rotor.
  • the nominal operating point or the nominal speed or power or the nominal torque of the wind energy installation is the operating point or the speed or
  • One embodiment of a first rotor order corresponds to the, in particular current
  • the rotor blades are adjusted cyclically by one revolution, preferably in accordance with a sine or cosine function or the like.
  • Coordinates system with the rotor speed or first rotor order occur, advantageously at least partially compensated and so in particular the load on the
  • Wind turbine reduced or their lifespan extended.
  • this 1 P single sheet control is activated if (it is detected that) a value of one, in particular
  • first operating variable of the wind power installation exceeds a predetermined lower threshold value, which this first operating variable on a has the first operating point of the wind energy installation, which is in the partial load range or the full load range or is the nominal operating point, in one embodiment by gradually increasing the 1 P single-blade control.
  • the 1 P single sheet control is deactivated according to an embodiment of the present invention if (it is detected that) a value of this first
  • Full load range is in one version by slidingly reducing the 1 P single sheet control.
  • the 1 P single sheet control is only activated from a first or
  • bearings and / or drives can be loaded in one embodiment
  • the wind energy installation has an nP single-blade control, which at least two, preferably all, rotor blades (each) are individually adjusted cyclically about their respective longitudinal axis with an n-th rotor arrangement or are set up for this purpose or is used, in particular corresponding
  • nP single-blade control in one version, in particular in the case of a three-bladed rotor, is a so-called 2P single-blade control as it is
  • the nth rotor order thus corresponds to n times the, in particular current, rotational speed of the rotor about its axis of rotation.
  • the rotor blades are within one
  • loads in particular loads, which are brought about or reinforced by the plurality N of the rotor blades, can be used in one embodiment, and accordingly in one
  • Rotor blades or in a co-rotating (rotor or coordinate) system with the (N-1) -th rotor order or (Nl) -fold the rotor speed advantageously at least partially compensated and so in particular the load on the wind turbine (more) reduced or their lifespan (further) extended.
  • this additional nP single-blade control is activated if (it is detected that) a value of an operating variable of the wind energy installation, in particular the first, second or a third one different therefrom, in particular
  • wind speed-dependent, operating variable exceeds a predetermined lower limit value, in one version by gradually increasing this nP single sheet control.
  • the additional nP single sheet regulation is deactivated according to an embodiment of the present invention if (it is detected that) a value of the first, second, third or a fourth, in particular different from this
  • the nP single sheet control is only activated from an operating point at which the corresponding operating variable exceeds the lower limit value and / or already (again) deactivated from an operating point at which the corresponding operating variable exceeds the upper limit value, in particular thus only in part of the (electrical energy supplying) operating area between input and
  • Switch-off wind speed or power which in one version has the nominal operating point.
  • bearings and / or drives can be loaded in one embodiment
  • Rotor blades or (individual) rotor blade adjustment advantageously (further) reduced and so
  • the first, second, third and / or fourth operational variable depends (respectively) on
  • a rotor thrust in particular a thrust in the direction of the axis of rotation, specifies this (s) in one embodiment.
  • the first and second operating variables are different
  • the first operating variable depends on a torque and the second operating variable depends on or limits a collective blade angle, it can specify it in particular.
  • the activation and deactivation can be implemented in a particularly precise and / or reliable manner.
  • the first, second, third and / or fourth operating variable (in each case) depend on, in particular one of, a setpoint determined in operation in one embodiment, in particular a controller or a controller-internal setpoint.
  • nP single sheet control can be easily (er), precisely (er) and / or reliably (er) (de) activated.
  • the corresponding operating variable can (in each case) be from an integral part of a controller of the wind power installation, in particular one
  • Torque or blade angle speed controller depend, in particular be one. As a result, an advantageous filter effect of the corresponding operating variable can be used in one embodiment.
  • the first operating point lies in a load range in which the
  • the lower threshold value corresponds to an operating state below or in the range of the nominal wind speed or speed, in particular between 80% and 99% of the nominal speed, and / or an operating state of the
  • Wind turbine at 55% - 85% of its thrust in the axis of rotation or
  • the 1 P single-sheet control is carried out in a particularly advantageous, in particular advantageously advantageously identifiable, part-load operation or on
  • the second operating point is in one
  • (Full) load range in which the rotor blades have a blade angle, in particular a collective or maximum blade angle - between 0 ° and 10 °, in particular between 1 ° and 8 °, or
  • the wind turbine at least 45% and / or at most 75% of its thrust in
  • the upper threshold corresponds to an operating state with a blade angle in the range of, at least substantially, 1 ° - 8 ° or 15 ° - 35 ° and / or an operating state at 50% - 70% of a thrust in the axis of rotation or longitudinal direction of the rotor shaft when the nominal power is reached.
  • Deactivating when an (upper threshold) blade angle between 0 ° and 10 °, in particular between 1 ° and 8 °, can particularly advantageously reduce extreme loads, deactivating when an (upper threshold) blade angle between 13 ° and 37 ° is reached, especially between 15 ° and 35 °, particularly advantageous fatigue loads.
  • the blade angles mentioned are defined in one embodiment in relation to a position in which the rotor converts the wind energy to the maximum.
  • nP single sheet control understood from zero to a maximum or final value or from a maximum or initial value to zero over a predetermined interval.
  • the corresponding single-blade control can be gently faded in or out, and in particular a jerky load or a jerky intervention in the operation of the wind energy installation can be avoided or reduced.
  • a gliding increase in the 1 P single sheet control includes, in particular a steady, in one embodiment linear or proportional increase in the 1 P single sheet control, in particular an amplitude of the 1 P single sheet control
  • increasing value of the first operating variable from a, in particular minimum, start-up value, which can in particular be zero, when the lower threshold value (s) is exceeded or exceeded, except for an, in particular maximum, end value at the end of the predetermined interval.
  • one embodiment includes a sliding reduction of the 1 P single-sheet control, in particular a steady, in one embodiment linear or proportional, reduction of the 1 P single sheet control, in particular an amplitude of the 1 P single sheet control, with (increasing value) the first or second operating variable from an, in particular maximum, initial value to an, in particular minimum, run-out value, which can in particular be zero, within the predetermined interval for this.
  • a gradual increase in the nP single sheet control includes, in particular a steady, in one embodiment linear or proportional increase in the nP single sheet control, in particular an amplitude of the nP single sheet control
  • the minimum, start-up value of the nP single sheet control which can in particular be zero, when the lower limit value (s) is exceeded or exceeded, up to an, in particular maximum, final value within the interval specified for this and / or a sliding reduction in the nP single sheet control a, in particular continuous, linear or proportional reduction of the nP single sheet control,
  • the sliding increase and / or the sliding reduction of the 1 P single sheet control and / or the nP single sheet control takes place over an interval of at least 5% and / or at most 45% of a or the nominal torque of the
  • Wind turbine and / or at least 2 ° of the (collective) blade angle Wind turbine and / or at least 2 ° of the (collective) blade angle.
  • the sliding increase and / or decrease of the 1 P and / or nP single sheet control can take place over a predetermined time interval, in particular, therefore, the 1 P single sheet control within a predetermined time period,
  • the 1 P single sheet control can be reduced within a specified period of time, especially continuously, linearly if the value of the first or the second operating variable exceeds the upper threshold value, the nP single sheet control is increased linearly within a period of time specified for this, in particular continuously, in one embodiment if the value of the first, second or third operating variable exceeds the lower limit value, and / or the nP Single sheet regulation within a specified period, in particular steadily, linearly in one embodiment, if the value of the first, second, third or fourth operating variable exceeds the upper limit value.
  • the corresponding single-sheet control can be shown or hidden particularly advantageously in one embodiment, in particular equally gently as well as quickly.
  • the lower limit value corresponds to a lower wind speed or an operating point of the wind energy installation at a lower wind speed than the lower threshold value.
  • the upper limit value corresponds to a lower wind speed or an operating point of the wind energy installation at a lower wind speed than the upper threshold value.
  • the nP single sheet control is activated earlier and / or (again) deactivated when the wind is fresh than the 1 P single sheet control.
  • the lower limit value corresponds to a lower wind speed or an operating point of the wind energy plant at a lower wind speed than the upper limit value and / or the lower threshold value corresponds to a lower wind speed or an operating point of the wind energy plant at a lower wind speed than the upper threshold value .
  • the 1 P or nP single-sheet control is first activated when the wind is fresh and then deactivated.
  • an operating range interval is in one embodiment
  • Wind turbine in particular a corresponding wind speed interval, between the lower and upper limit value, in one embodiment by at least 20%, in particular by at least 30%, in one embodiment by at least 40%, less than an operating range interval of the wind turbine, in particular a corresponding one
  • Wind speed interval between the lower and upper threshold.
  • the nP single sheet control is only carried out over a narrower operating range or wind speed interval than that
  • Wind turbine in particular hardware and / or software, in particular
  • system or its (e) means has an additional nP single-blade control for the individual cyclical adjustment of the rotor blades about their respective longitudinal axis with an n-th rotor order and
  • a means in the sense of the present invention can be designed in terms of hardware and / or software technology, in particular one, preferably with a memory and / or bus system data or signal linked, in particular digital, processing, in particular
  • Microprocessor unit CPU
  • graphics card GPU
  • the processing unit can be designed to process commands that are implemented as a program stored in a memory system, to acquire input signals from a data bus and / or to output signals to a data bus.
  • a storage system can have one or more, in particular different, storage media, in particular optical, magnetic, solid-state and / or other non-volatile media.
  • the program can be designed in such a way that it embodies the methods described here or
  • a computing unit is capable of executing, so that the processing unit can carry out the steps of such methods and thus can control the wind turbine in particular.
  • the computer program product can have, in particular a non-volatile, storage medium for storing a program or with a program stored thereon, an execution of this program prompting a system or a controller, in particular a computer, to do so perform the described method or one or more of its steps.
  • one or more, in particular all, steps of the method are carried out completely or partially automatically, in particular by the controller or its means.
  • the system has the wind turbine.
  • Controlling in the sense of the present invention can include, in particular, regulating or determining and / or outputting signals, in particular actuating variables, as a function of actual variables and / or predetermined target variables, in particular measured by measurement technology.
  • Embodiments. Here shows, partly schematically:
  • Fig. 4 a partial load range, full load range and the nominal operating point
  • FIG. 1 shows a wind energy installation with a tower 110, on which a nacelle 120 can be rotated about a vertical yaw axis G by an actuator 20 and can thus be tracked by a wind.
  • a rotor 130 is mounted in the nacelle 120 so as to be rotatable about a horizontal axis of rotation R.
  • the rotor 130 has three rotor blades distributed equidistantly over the circumference, of which two rotor blades 30, 31 can be seen in the side view of FIG. 1. It is coupled to a generator 40, which feeds electrical power into a power grid 150.
  • An operating management system 200 uses an anemometer 10 combined with a wind vane 11 to determine a wind speed and controls the actuator 20 in order to track the gondola 120 to the wind.
  • a controller integrated in the operational management system regulates a generator torque of the generator 40 and blade angle actuators 131 of the rotor 130 in order to adjust the blade angle ⁇ of the rotor blades about their respective longitudinal axis, as shown in FIG.
  • the operational management system or controller here control or regulate the wind tracking, blade angle adjustment or the generator torque in one embodiment on the basis of a detected rotor and / or generator speed, the detected wind speed, in particular its amount and / or its direction, and / or other input variables, for example recorded loads, in particular leaf loads,
  • Fig. 3 shows a blade angle adjustment signal ßi P a 1 P single blade control (bold in Fig. 1) and a blade angle adjustment signal ß 2P a 2P single blade control (thin dashed line in Fig. 1) over a full revolution of the rotor or a rotor angle p of 0 ° to 360 °.
  • Both blade angle adjustment signals ß 1P, ß 2P are sinusoidal, phase-shifted from each other and have different (maximum) amplitudes, the blade angle adjustment signal of the 1 P single-blade control and the
  • the 2P single sheet control can also have the same phase and / or (maximum) amplitudes or a non-sinusoidal curve.
  • the blade angle adjustment signal ⁇ 1 P is from a 1 P single blade control 210 of the
  • Operations management system 200 determines the blade angle adjustment signal ⁇ 2p from one
  • a collective blade control 230 of the operational management system 200 determines a collective blade angle — constant in FIG. 3 or by one revolution of the rotor.
  • the operational management system 200 superposes this and the two
  • Blade angle actuators 131 accordingly.
  • this (total) blade angle of the rotor blade 30 is initially reduced.
  • the (total) blade angle of the other rotor blade 31 changes accordingly, so that the rotor blades are (then) the same
  • Blade angle adjustment signal ßi P or ß 2P for example measured accordingly
  • Wind and / or leaf loads or the like Wind and / or leaf loads or the like.
  • Fig. 4 shows a thrust force F on or in the rotor ("rotor thrust"), the collective blade angle ß koM , the torque M of the rotor or generator, its speed w and the electrical power P ei over a wind speed, with their specified values are only exemplary.
  • FIG. 4 is connected to V nominal, a nominal operating point of the wind power plant or a corresponding rated wind speed and a partial load range T, which extends from a
  • Nominal wind speed v nenn extends, and a full load range drawn in, which extends from the nominal operating point or the nominal wind speed v nenn to one
  • the collective blade angle ⁇ k0 n is increased from reaching the nominal operating point or the nominal wind speed in order to keep the electrical power as constant as possible and not to overload the system.
  • the thrust force on the rotor has a maximum in the range of the nominal operating point or the nominal wind speed.
  • FIG. 2 shows a method for controlling the wind turbine according to an embodiment of the present invention.
  • a current value of a first operating variable for example a current torque
  • step S20 the operational management system 200 checks whether the value of the first operational variable exceeds a predetermined lower threshold value. If this is the case (S20: “Y”), it activates the 1 P single-sheet control 210 in a step S25, by doing so
  • Predefined blade angle adjustment signal ⁇ i P is gradually increased to the full amplitude.
  • the blade angle adjustment signal is increased within a predetermined interval of the first operating variable with increasing value of the first operating variable from zero when the predetermined lower threshold value is reached to the full amplitude at the end of the interval.
  • the operations management system then proceeds to step S30.
  • the value of the first operating variable does not exceed the predetermined lower threshold value (S20: “N”), the operating management system returns to step S10 after step S20.
  • step S30 a current value of a second operating variable, for example a current collective blade angle, is determined.
  • step S40 the operations management system 200 checks whether the value of the second one
  • Operating variable exceeds a predetermined upper threshold. If this is the case (S40: “Y”), it deactivates the 1 P single-sheet control 210 in a step S45, whereby the blade angle adjustment signals ⁇ 1 P which are predetermined by this analog sliding from the full
  • a current value of a third operating variable for example a current wind speed or speed, is determined in a step S50.
  • step S60 the operational management system 200 checks whether the value of the third operational variable exceeds a predetermined lower limit value. If this is the case (S50: “Y”), it activates the 2P single-sheet control 220 in a step S65, and it does so as specified by the latter Blade angle adjustment signals ß 2 p analog sliding up to full amplitude, and then continues to step S70, otherwise (S60: "N”), it returns to step S50.
  • step S70 the value of the third operation variable is updated.
  • step S80 the operational management system 200 checks whether the value of the third operational variable exceeds a predetermined upper limit value. If this is the case (S80: “Y”), it deactivates the 2P single-sheet control 220 in a step S85, this being done by this
  • Predefined blade angle adjustment signal ⁇ 2 p analogously reduced from full amplitude to zero, and then returns to step S50, otherwise (S80: “N”), it returns to step S70.
  • the activation and deactivation of the 1P single sheet control and 2P single sheet control can take place independently and / or in parallel.
  • both activations and deactivations can also be linked to one another.
  • an exceeding of the lower threshold value see S60 only needs to be checked as long as the lower limit value is exceeded is, the upper threshold value (see S80) is only exceeded as long as the upper limit value is exceeded.

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Abstract

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern einer Windenergieanlage, die einen Rotor (130) mit wenigstens zwei Rotorblättern (30, 31), eine 1P-Einzelblattregelung (210) zur individuellen zyklischen Verstellung der Rotorblätter um ihre jeweilige Längsachse mit einer ersten Rotorordnung sowie einen Teillastbereich (T) und einen Volllastbereich (V), die in einem Nennbetriebspunkt aneinander angrenzen, aufweist, umfasst wenigstens einen der Schritte: - Aktivieren (S25) der 1P-Einzelblattregelung, falls ein Wert einer ersten Betriebsvariable der Windenergieanlage einen vorgegebenen unteren Schwellwert überschreitet, den dieser Betriebsvariable an einem ersten Betriebspunkt der Windenergieanlage aufweist, der in dem Teillastbereich oder dem Volllastbereich liegt oder der Nennbetriebspunkt ist, insbesondere durch gleitendes Erhöhen der 1P-Einzelblattregelung; und/oder - Deaktivieren (S45) der 1P-Einzelblattregelung, falls ein Wert der ersten oder einer zweiten Betriebsvariable der Windenergieanlage einen vorgegebenen oberen Schwellwert überschreitet, den diese Betriebsvariable unterhalb einer Abschaltwindgeschwindigkeit der Windenergieanlage, insbesondere an einem zweiten Betriebspunkt der Windenergieanlage, der in dem Volllastbereich liegt, aufweist, insbesondere durch gleitendes Reduzieren der 1P-Einzelblattregelung.

Description

Verfahren und System zum Steuern einer Windenergieanlage
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Steuern einer
Windenergieanlage sowie ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der EP 2 500 562 A2 ist eine kombinierte 1 P- und 2P-Einzelblattregelung bekannt, bei der die Rotorblätter eines Rotors einer Windenergieanlage zusätzlich zu einer kollektiven Verstellung individuell zyklisch um ihre jeweilige Längsachse verstellt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Betrieb einer Windenergieanlage, insbesondere deren Leistung und/oder Belastung bzw. Lebensdauer, zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ansprüche 8, 9 stellen ein System bzw. Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist eine Windenergieanlage
- einen Rotor mit wenigstens zwei, vorzugsweise drei oder mehr Rotorblättern,
- einen Teillastbereich und einen Volllastbereich, die in einem Nennbetriebspunkt
aneinander angrenzen, sowie
- eine 1 P-Einzelblattregelung auf, die, insbesondere zusätzlich zu einer kollektiven
Blattverstellung, wenigstens zwei, vorzugsweise alle, Rotorblätter (jeweils) individuell um ihre jeweilige Längsachse zyklisch mit einer ersten Rotorordnung verstellt bzw. hierzu eingerichtet ist bzw. verwendet wird, insbesondere entsprechende
Blattwinkelver- bzw. -einstellsignale ausgibt.
In einer Ausführung ist der Rotor, insbesondere eine Rotorwelle, um eine Rotationsachse drehbar in einer Gondel gelagert, die, in einer Ausführung um eine Gierachse dreh-, insbesondere mittels wenigstens eines Aktuators verstellbar, an einem Turm der
Windenergieanlage angeordnet ist. Die Rotations- bzw. Längsachse des Rotors bzw. der Rotorwelle bildet in einer Ausführung mit der Gravitationsrichtung einen Winkel, der wenigstens 70° und/oder höchstens 1 10° beträgt, mit der Gierachse in einer Ausführung einen Winkel, der wenigstens 75° und/oder höchstens 105° beträgt. Mit anderen Worten ist der Rotor in einer Ausführung ein horizontaler Rotor und/oder die Gondel um die Vertikale dreh- bzw. (aktiv) verstellbar.
Bei solchen Windenergieanlagen kann die vorliegende Erfindung mit besonderem Vorteil verwendet werden.
Der Teillastbereich erstreckt sich in einer Ausführung von einer
Einschaltwindgeschwindigkeit bzw. -leistung, welche in einer Ausführung größer als Null ist, bis zum Nennbetriebspunkt, insbesondere einer Nennwindgeschwindigkeit bzw. -leistung, der Volllastbereich entsprechend in einer Ausführung von dem Nennbetriebspunkt bis zu einer Abschaltwindgeschwindigkeit bzw. -leistung. Der Nennbetriebspunkt ist in einer Ausführung durch eine Nennwindgeschwindigkeit und/oder eine Nenndrehzahl, Nennleistung bzw. ein Nenndrehmoment der Windenergieanlage bzw. des Rotors definiert. Der
Nennbetriebspunkt bzw. die Nenndrehzahl bzw. -leistung bzw. das Nenndrehmoment der Windenergieanlage ist in einer Ausführung der Betriebspunkt bzw. die Drehzahl bzw.
Leistung bzw. das Drehmoment, den, die bzw. das die Windenergieanlage für wenigstens 1 Stunde maximal realisieren kann und/oder an dem Teil- und Volllastbereich aneinander angrenzen.
Eine erste Rotorordnung entspricht in einer Ausführung der, insbesondere aktuellen,
Drehzahl des Rotors um seine Rotationsachse.
Durch eine 1 P-Einzelblattregelung werden die Rotorblätter zyklisch über eine Umdrehung, vorzugsweise entsprechend einer Sinus- bzw. Cosinusfunktion oder dergleichen, verstellt.
Hierdurch können in einer Ausführung Lasten, die in einem umgebungs- bzw. turmfesten (Inertial- bzw. Koordinatensystem konstant sind und entsprechend für die mit der
Rotordrehzahl rotierenden Rotorblätter bzw. in einem mitrotierenden (Rotor- bzw.
Koordinaten)System mit der Rotordrehzahl bzw. ersten Rotorordnung auftreten, vorteilhaft wenigstens teilweise kompensiert und so insbesondere die Belastung der
Windenergieanlage reduziert bzw. deren Lebensdauer verlängert werden.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird diese 1 P-Einzelblattregelung aktiviert, falls (erfasst wird, dass) ein Wert einer, insbesondere
windgeschwindigkeitsabhängigen, ersten Betriebsvariable der Windenergieanlage einen vorgegebenen unteren Schwellwert überschreitet, den diese erste Betriebsvariable an einem ersten Betriebspunkt der Windenergieanlage aufweist, der in dem Teillastbereich oder dem Volllastbereich liegt oder der Nennbetriebspunkt ist, in einer Ausführung durch gleitendes Erhöhen der 1 P-Einzelblattregelung.
Zusätzlich oder alternativ wird die 1 P-Einzelblattregelung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung deaktiviert, falls (erfasst wird, dass) ein Wert dieser ersten
Betriebsvariable oder einer hiervon verschiedenen zweiten, insbesondere
windgeschwindigkeitsabhängigen, Betriebsvariable der Windenergieanlage einen
vorgegebenen oberen Schwellwert überschreitet, den diese (erste bzw. zweite)
Betriebsvariable unterhalb einer Abschaltwindgeschwindigkeit der Windenergieanlage, in einer Ausführung an einem zweiten Betriebspunkt der Windenergieanlage, der in dem
Volllastbereich liegt, aufweist, in einer Ausführung durch gleitendes Reduzieren der 1 P- Einzelblattregelung.
Somit wird in einer Ausführung die 1 P-Einzelblattregelung erst ab einem ersten bzw.
Teillastbetriebspunkt im Teillastbereich oder am Nennbetriebspunkt, der Teil- und
Volllastbereich trennt, aktiviert und/oder bereits unterhalb der Abschaltwindgeschwindigkeit der Windenergieanlage, insbesondere ab einem zweiten bzw. Volllastbetriebspunkt im Volllastbereich (wieder) deaktiviert, insbesondere also nur in einem Teil des (elektrische Energie liefernden) Betriebsbereichs zwischen Ein- und Abschaltwindgeschwindigkeit bzw. - leistung, der in einer Ausführung den Nennbetriebspunkt aufweist.
Dadurch kann in einer Ausführung eine Belastung der Lager und/oder Antriebe der
Rotorblätter bzw. (Einzel)Rotorblattverstellung jeweils, insbesondere in Kombination, vorteilhaft reduziert und so insbesondere die Belastung der Windenergieanlage reduziert bzw. deren Lebensdauer verlängert werden.
In einer Ausführung weist die Windenergieanlage zusätzlich zu der 1 P-Einzelblattregelung eine nP-Einzelblattregelung auf, die wenigstens zwei, vorzugsweise alle, Rotorblätter (jeweils) individuell um ihre jeweilige Längsachse zyklisch mit einer n-ten Rotorordnung verstellt bzw. hierzu eingerichtet ist bzw. verwendet wird, insbesondere entsprechende
Blattwinkelver- bzw. -einstellsignale ausgibt, wobei n eine ganze Zahl größer 1 und in einer bevorzugten Ausführung gleich 2 und/oder gleich der (Gesamt)Anzahl der Rotorblätter des Rotors minus 1 ist. Somit ist die nP-Einzelblattregelung in einer Ausführung, insbesondere bei einem dreiblättrigen Rotor, eine sogenannte 2P-Einzelblattregelung, wie sie
beispielsweise aus der der EP 2 500 562 A2 grundsätzlich bekannt ist, auf die ergänzend Bezug genommen und deren Inhalt vollständig in die vorliegende Offenbarung aufgenommen wird.
Die n-te Rotorordnung entspricht in einer Ausführung somit dem n-fachen der, insbesondere aktuellen, Drehzahl des Rotors um seine Rotationsachse.
Durch eine solche nP-Einzelblattregelung werden die Rotorblätter innerhalb einer
Umdrehung, vorzugsweise entsprechend einer Sinus- bzw. Cosinusfunktion oder
dergleichen, mit mehreren bzw. n Zyklen verstellt.
Hierdurch können in einer Ausführung Lasten, insbesondere Lasten, die durch die Mehrzahl N der Rotorblätter bewirkt oder verstärkt werden, und entsprechend in einem
umgebungs- bzw. turmfesten (Inertial- bzw. Koordinatensystem mit der N-ten Rotorordnung bzw. dem N-fachen der Rotordrehzahl und für die mit der Rotordrehzahl rotierenden
Rotorblätter bzw. in einem mitrotierenden (Rotor- bzw. Koordinaten)System mit der (N-1 )-ten Rotorordnung bzw. dem (N-l )-fachen der Rotordrehzahl auftreten, vorteilhaft wenigstens teilweise kompensiert und so insbesondere die Belastung der Windenergieanlage (weiter) reduziert bzw. deren Lebensdauer (weiter) verlängert werden.
In einer Ausführung wird diese zusätzliche nP-Einzelblattregelung aktiviert, falls (erfasst wird, dass) ein Wert einer Betriebsvariable der Windenergieanlage, insbesondere der ersten, zweiten oder einer hiervon verschiedenen dritten, insbesondere
windgeschwindigkeitsabhängigen, Betriebsvariable, einen vorgegebenen unteren Grenzwert überschreitet, in einer Ausführung durch gleitendes Erhöhen dieser nP-Einzelblattregelung.
Zusätzlich oder alternativ wird die zusätzliche nP-Einzelblattregelung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung deaktiviert, falls (erfasst wird, dass) ein Wert der ersten, zweiten, dritten oder einer hiervon verschiedenen vierten, insbesondere
windgeschwindigkeitsabhängigen, Betriebsvariable der Windenergieanlage einen
vorgegebenen oberen Grenzwert überschreitet, in einer Ausführung durch gleitendes Reduzieren dieser nP-Einzelblattregelung.
Somit wird in einer Ausführung die nP-Einzelblattregelung erst ab einem Betriebspunkt, an dem die entsprechende Betriebsvariable den unteren Grenzwert überschreitet, aktiviert und/oder bereits ab einem Betriebspunkt, an dem die entsprechende Betriebsvariable den oberen Grenzwert überschreitet, (wieder) deaktiviert, insbesondere also nur in einem Teil des (elektrische Energie liefernden) Betriebsbereichs zwischen Ein- und
Abschaltwindgeschwindigkeit bzw. -leistung, der in einer Ausführung den Nennbetriebspunkt aufweist.
Dadurch kann in einer Ausführung eine Belastung der Lager und/oder Antriebe der
Rotorblätter bzw. (Einzel)Rotorblattverstellung vorteilhaft (weiter) reduziert und so
insbesondere die Belastung der Windenergieanlage (weiter) reduziert bzw. deren
Lebensdauer (weiter) verlängert werden.
In einer Ausführung hängt die erste, zweite, dritte und/oder vierte Betriebsvariable (jeweils) von
- einem Generatormoment,
- einer Drehzahl,
- einer Leistung,
- einer kollektiven Verstellung bzw. einem kollektiven Blattwinkel der Rotorblätter um ihre jeweilige Längsachse,
- einer, insbesondere über einen vorgegebenen Zeitraum, der in einer Ausführung
wenigstens 10 Sekunden und/oder höchstens 60 Sekunden, vorzugsweise, wenigstens im Wesentlichen, 30 Sekunden beträgt, gemittelten, Windgeschwindigkeit,
- einem Blattbiegemoment und/oder
- einer Rotorschubkraft, insbesondere einer Schubkraft in Richtung der Rotationsachse, ab, gibt diese(s) in einer Ausführung an.
Diese Betriebsvariablen haben sich als besonders geeignet für eine, insbesondere einfache, präzise und/oder zuverlässige, (De)Aktivierung der 1 P- bzw. nP-Einzelblattregelung erwiesen.
In einer Ausführung sind die erste und zweite Betriebsvariable verschieden(artig)e
Betriebsvariablen bzw. wird die 1 P-Einzelblattregelung aufgrund unterschiedlicher
Betriebsvariablen aktiviert und deaktiviert. In einer bevorzugten Ausführung hängt die erste Betriebsvariable von einem Drehmoment und die zweite Betriebsvariable von einem kollektiven Blattwinkel ab bzw. begrenzt dieses bzw. diesen, kann es bzw. ihn insbesondere angeben.
Hierdurch kann die Aktivierung und Deaktivierung in einer Ausführung besonders präzise und/oder zuverlässig realisiert werden. Zusätzlich oder alternativ kann in einer Ausführung die erste, zweite, dritte und/oder vierte Betriebsvariable (jeweils) von einem, in einer Ausführung im Betrieb ermittelten, Sollwert, insbesondere eines Reglers bzw. einem reglerinternen Sollwert, abhängen, insbesondere ein solcher sein.
Hierdurch kann in einer Ausführung, insbesondere im Vergleich zur Verwendung von mit Messfehlern, Verzögerungen und dergleichen erfassten Ist-Werten, die 1 P- bzw.
nP-Einzelblattregelung einfach(er), präzise(er) und/oder zuverlässig(er) (de)aktiviert werden. In einer bevorzugten Ausführung kann die entsprechende Betriebsvariable (jeweils) von einem Integral-Anteil eines Reglers der Windenergieanlage, insbesondere eines
Drehmoment- oder Blattwinkel-Drehzahl-Reglers, abhängen, insbesondere ein solcher sein. Hierdurch kann in einer Ausführung eine vorteilhafte Filterwirkung der entsprechenden Betriebsvariable genutzt werden.
In einer Ausführung liegt der erste Betriebspunkt in einem Lastbereich, bei dem die
Windenergieanlage
- wenigstens 65%, insbesondere wenigstens 80%, und/oder
- höchstens 1 10%, insbesondere höchstens 99%, in einer Ausführung höchstens 95% ihrer Nenndrehzahl und/oder
- wenigstens 35% und/oder höchstens 65% ihres Nenndrehmoments; und/oder
- wenigstens 55% und/oder höchstens 85% ihres Schubs in Rotationsachsen- bzw.
Rotorwellenlängsrichtung bei Erreichen ihrer Nennleistung
aufweist, in einer Ausführung entspricht der untere Schwellwert einem Betriebszustand unterhalb oder im Bereich der Nennwindgeschwindigkeit bzw. -drehzahl, insbesondere zwischen 80% und 99% der Nenndrehzahl, und/oder einem Betriebszustand der
Windenergieanlage bei 55% - 85% ihres Schubs in Rotationsachsen- bzw.
Rotorwellenlängsrichtung bei Erreichen ihrer Nennleistung und/oder einem Betriebszustand der Windenergieanlage bei etwa 50% ihres Nenndrehmoments.
Somit wird in einer Ausführung die 1 P-Einzelblattregelung in einem hierzu besonders vorteilhaften, insbesondere vorteilhaft identifizierbaren, Teillastbetrieb oder am
Nennbetriebspunkt aktiviert.
Zusätzlich oder alternativ liegt in einer Ausführung der zweite Betriebspunkt in einem
(Voll)Lastbereich, bei dem die Rotorblätter einen, insbesondere kollektiven oder maximalen, Blattwinkel - zwischen 0° und 10°, insbesondere zwischen 1 ° und 8°, oder
- zwischen 13° und 37°, insbesondere zwischen 15° und 35°,
aufweisen und/oder
- die Windenergieanlage wenigstens 45% und/oder höchstens 75% ihres Schubs in
Rotationsachsen- bzw. Rotorwellenlängsrichtung bei Erreichen ihrer Nennleistung aufweist, in einer Ausführung entspricht der obere Schwellwert einem Betriebszustand mit einem Blattwinkel im Bereich von, wenigstens im Wesentlichen, 1 ° - 8° oder 15° - 35° und/oder einem Betriebszustand bei 50% - 70% eines Schubs in Rotationsachsen- bzw. Rotorwellenlängsrichtung bei Erreichen der Nennleistung.
Eine Deaktivierung bei Erreichen eines (oberen Schwell-)Blattwinkels zwischen 0° und 10°, insbesondere zwischen 1 ° und 8°, kann besonders vorteilhaft Extremlasten reduzieren, eine Deaktivierung bei Erreichen eines (oberen Schwell-)Blattwinkels zwischen 13° und 37°, insbesondere zwischen 15° und 35°, besonders vorteilhaft Ermüdungslasten. Die genannten Blattwinkel sind in einer Ausführung gegenüber einer Stellung definiert, in der der Rotor die Windenergie maximal umsetzt.
Unter einem gleitenden Erhöhen bzw. Reduzieren wird vorliegend insbesondere eine
Erhöhung bzw. Reduzierung einer, insbesondere maximalen, Amplitude der 1 P- bzw.
nP-Einzelblattregelung von Null auf einen maximalen bzw. Endwert bzw. von einem maximalen bzw. Anfangswert auf Null über ein vorgegebenes Intervall verstanden.
Hierdurch kann in einer Ausführung die entsprechende Einzelblattregelung sanft(er) ein- bzw. ausgeblendet und so insbesondere eine ruckartige Belastung bzw. ein ruckartiger Eingriff in den Betrieb der Windenergieanlage vermieden bzw. reduziert werden.
In einer Ausführung umfasst ein gleitendes Erhöhen der 1 P-Einzelblattregelung ein, insbesondere stetiges, in einer Ausführung lineares bzw. proportionales, Erhöhen der 1 P- Einzelblattregelung, insbesondere einer Amplitude der 1 P-Einzelblattregelung, mit
(wachsendem Wert) der ersten Betriebsvariable von einem, insbesondere minimalen, Anlaufwert, der insbesondere gleich Null sein kann, bei dem bzw. Überschreiten des unteren Schwellwert(s) bis auf einen, insbesondere maximalen, Endwert am Ende des vorgegebenen Intervalls.
Analog umfasst in einer Ausführung ein gleitendes Reduzieren der 1 P-Einzelblattregelung ein, insbesondere stetiges, in einer Ausführung lineares bzw. proportionales, Reduzieren der 1 P-Einzelblattregelung, insbesondere einer Amplitude der 1 P-Einzelblattregelung, mit (wachsendem Wert) der ersten bzw. zweiten Betriebsvariable von einem, insbesondere maximalen, Anfangswert bis auf einen, insbesondere minimalen, Auslaufwert, der insbesondere gleich Null sein kann, innerhalb des hierfür vorgegebenen Intervalls.
Analog umfasst in einer Ausführung ein gleitendes Erhöhen der nP-Einzelblattregelung ein, insbesondere stetiges, in einer Ausführung lineares bzw. proportionales, Erhöhen der nP- Einzelblattregelung, insbesondere einer Amplitude der nP-Einzelblattregelung, mit
(wachsendem Wert) der ersten, zweiten bzw. dritten Betriebsvariable von einem,
insbesondere minimalen, Anlaufwert der nP-Einzelblattregelung, der insbesondere gleich Null sein kann, bei dem bzw. Überschreiten des unteren Grenzwert(s) bis auf einen, insbesondere maximalen, Endwert innerhalb des hierfür vorgegebenen Intervalls und/oder ein gleitendes Reduzieren der nP-Einzelblattregelung ein, insbesondere stetiges, in einer Ausführung lineares bzw. proportionales, Reduzieren der nP-Einzelblattregelung,
insbesondere einer Amplitude der nP-Einzelblattregelung, mit (wachsendem Wert) der ersten, zweiten, dritten bzw. vierten Betriebsvariable von einem, insbesondere maximalen,
Anfangswert der nP-Einzelblattregelung bis auf einen, insbesondere minimalen, Auslaufwert, der insbesondere gleich Null sein kann, innerhalb des hierfür vorgegebenen Intervalls.
In einer Ausführung erfolgt das gleitende Erhöhen und/oder das gleitende Reduzieren der 1 P-Einzelblattregelung und/oder der nP-Einzelblattregelung (jeweils) über ein Intervall von wenigstens 5% und/oder höchstens 45% eines bzw. des Nenndrehmoments der
Windenergieanlage und/oder von wenigstens 2° des (kollektiven) Blattwinkels.
Gleichermaßen kann das gleitende Erhöhen und/oder Reduzieren der 1 P- und/oder nP-Einzelblattregelung jeweils über ein vorgegebenes Zeitintervall erfolgen, insbesondere also die 1 P-Einzelblattregelung innerhalb eines hierfür vorgegebenen Zeitraums,
insbesondere stetig, in einer Ausführung linear, erhöht werden, falls der Wert der ersten Betriebsvariable den unteren Schwellwert überschreitet, die 1 P-Einzelblattregelung innerhalb eines hierfür vorgegebenen Zeitraums, insbesondere stetig, in einer Ausführung linear, reduziert werden, falls der Wert der ersten bzw. zweiten Betriebsvariable den oberen Schwellwert überschreitet, die nP-Einzelblattregelung innerhalb eines hierfür vorgegebenen Zeitraums, insbesondere stetig, in einer Ausführung linear, erhöht werden, falls der Wert der ersten, zweiten bzw. dritten Betriebsvariable den unteren Grenzwert überschreitet, und/oder die nP-Einzelblattregelung innerhalb eines hierfür vorgegebenen Zeitraums, insbesondere stetig, in einer Ausführung linear, reduziert werden, falls der Wert der ersten, zweiten, dritten bzw. vierten Betriebsvariable den oberen Grenzwert überschreitet.
Hierdurch kann in einer Ausführung die entsprechende Einzelblattregelung jeweils besonders vorteilhaft ein- bzw. ausgeblendet werden, insbesondere gleichermaßen sanft wie auch zügig.
In einer Ausführung entspricht der untere Grenzwert einer geringeren Windgeschwindigkeit bzw. einem Betriebspunkt der Windenergieanlage bei einer geringeren Windgeschwindigkeit als der untere Schwellwert.
Zusätzlich oder alternativ entspricht in einer Ausführung der obere Grenzwert einer geringeren Windgeschwindigkeit bzw. einem Betriebspunkt der Windenergieanlage bei einer geringeren Windgeschwindigkeit als der obere Schwellwert.
Mit anderen Worten wird in einer Ausführung die nP-Einzelblattregelung bei auffrischendem Wind früher aktiviert und/oder (wieder) deaktiviert als die 1 P-Einzelblattregelung.
Zusätzlich oder alternativ entspricht in einer Ausführung der untere Grenzwert einer geringeren Windgeschwindigkeit bzw. einem Betriebspunkt der Windenergieanlage bei einer geringeren Windgeschwindigkeit als der obere Grenzwert und/oder der untere Schwellwert einer geringeren Windgeschwindigkeit bzw. einem Betriebspunkt der Windenergieanlage bei einer geringeren Windgeschwindigkeit als der obere Schwellwert.
Mit anderen Worten wird in einer Ausführung die 1 P- bzw. nP-Einzelblattregelung bei auffrischendem Wind zunächst aktiviert und anschließend deaktiviert.
Zusätzlich oder alternativ ist in einer Ausführung ein Betriebsbereichsintervall der
Windenergieanlage, insbesondere ein entsprechendes Windgeschwindigkeitsintervall, zwischen dem unteren und oberen Grenzwert, in einer Ausführung um wenigstens 20%, insbesondere um wenigstens 30%, in einer Ausführung um wenigstens 40%, kleiner als ein Betriebsbereichsintervall der Windenergieanlage, insbesondere ein entsprechendes
Windgeschwindigkeitsintervall, zwischen dem unteren und oberen Schwellwert. Mit anderen Worten wird in einer Ausführung die nP-Einzelblattregelung nur über einem engeren Betriebsbereichs- bzw. Windgeschwindigkeitsintervall durchgeführt als die
1 P-Einzelblattregelung.
Es hat sich überraschend herausgestellt, dass insbesondere durch eine solche differenzierte 1 P- und nP-Einzelblattregelung jeweils, insbesondere in Kombination, besonders vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden können.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Steuern der
Windenergieanlage, insbesondere hard- und/oder Software-, insbesondere
programmtechnisch, zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet und/oder weist auf:
Mittel zum Aktivieren der 1 P-Einzelblattregelung, falls ein Wert einer ersten Betriebsvariable der Windenergieanlage einen vorgegebenen unteren Schwellwert überschreitet, den diese Betriebsvariable an einem ersten Betriebspunkt der Windenergieanlage aufweist, der in dem Teillastbereich oder dem Volllastbereich liegt oder der Nennbetriebspunkt ist, insbesondere durch gleitendes Erhöhen der 1 P-Einzelblattregelung; und/oder
Mittel zum Deaktivieren der 1 P-Einzelblattregelung, falls ein Wert der ersten oder einer zweiten Betriebsvariable der Windenergieanlage einen vorgegebenen oberen Schwellwert überschreitet, den diese Betriebsvariable unterhalb einer Abschaltwindgeschwindigkeit der Windenergieanlage, insbesondere an einem zweiten Betriebspunkt der Windenergieanlage, der in dem Volllastbereich liegt, aufweist, insbesondere durch gleitendes Reduzieren der 1 P- Einzelblattregelung.
In einer Ausführung weist das System bzw. sein(e) Mittel eine zusätzliche nP- Einzelblattregelung zur individuellen zyklischen Verstellung der Rotorblätter um ihre jeweilige Längsachse mit einer n-ten Rotorordnung sowie
Mittel zum Aktivieren der nP-Einzelblattregelung, falls ein Wert einer Betriebsvariable der Windenergieanlage einen vorgegebenen unteren Grenzwert überschreitet, insbesondere durch gleitendes Erhöhen der nP-Einzelblattregelung; und/oder
Mittel zum Deaktivieren der nP-Einzelblattregelung, falls ein Wert einer Betriebsvariable der Windenergieanlage einen vorgegebenen oberen Grenzwert überschreitet, insbesondere durch gleitendes Reduzieren der nP-Einzelblattregelung, auf.
Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere
Mikroprozessoreinheit (CPU), Graphikkarte (GPU) oder dergleichen, und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die Verarbeitungseinheit kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper- und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw.
auszuführen imstande ist, sodass die Verarbeitungseinheit die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere die Windenergieanlage steuern kann. Ein
Computerprogrammprodukt kann in einer Ausführung ein, insbesondere nicht-flüchtiges, Speichermedium zum Speichern eines Programms bzw. mit einem darauf gespeicherten Programm aufweisen, insbesondere sein, wobei ein Ausführen dieses Programms ein System bzw. eine Steuerung, insbesondere einen Computer, dazu veranlasst, ein hier beschriebenes Verfahren bzw. einen oder mehrere seiner Schritte auszuführen.
In einer Ausführung werden ein oder mehrere, insbesondere alle, Schritte des Verfahrens vollständig oder teilweise automatisiert durchgeführt, insbesondere durch die Steuerung bzw. ihr(e) Mittel.
In einer Ausführung weist das System die Windenergieanlage auf.
Ein Steuern im Sinne der vorliegenden Erfindung kann insbesondere ein Regeln bzw. das Ermitteln und/oder Ausgeben von Signalen, insbesondere Stell-Größen, in Abhängigkeit von, insbesondere messtechnisch erfassten, Ist-Größen und/oder vorgegebenen Soll-Größen umfassen, insbesondere sein.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den
Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
Fig. 1 : ein System zum Steuern einer Windenergieanlage nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2: ein Verfahren zum Steuern der Windenergieanlage nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; Fig. 3: ein Blattwinkelverstellsignal einer 1 P- und 2P-Einzelblattregelung; und
Fig. 4: einen Teillastbereich, Volllastbereich und Nennbetriebspunkt der
Windenergieanlage.
Fig. 1 zeigt eine Windenergieanlage mit einem Turm 1 10, auf dem eine Gondel 120 durch einen Aktuator 20 um eine vertikale Gierachse G verdreh- und so einem Wind nachführbar ist. In der Gondel 120 ist ein Rotor 130 um eine horizontale Rotationsachse R drehbar gelagert.
Der Rotor 130 weist drei äquidistant über den Umfang verteilte Rotorblätter auf, von denen in der Seitansicht der Fig. 1 zwei Rotorblätter 30, 31 erkennbar sind. Er ist mit einem Generator 40 gekoppelt, der elektrische Leistung in ein Stromnetz 150 einspeist.
Ein Betriebsführungssystem 200 ermittelt mittels eines mit einer Windfahne 1 1 kombinierten Anemometers 10 eine Windgeschwindigkeit und steuert den Aktuator 20, um die Gondel 120 dem Wind nachzuführen. Ein im Betriebsführungssystem integrierter Regler regelt ein Generatormoment des Generators 40 sowie Blattwinkel-Stellantriebe 131 des Rotors 130, um die Blattwinkel ß der Rotorblätter um ihre jeweilige Längsachse zu verstellen , wie in Fig.
1 durch ß30 und ß31 angedeutet. Betriebsführungssystem bzw. Regler steuern bzw. regeln hierbei die Windnachführung, Blattwinkelverstellung bzw. das Generatormoment in einer Ausführung auf Basis einer erfassten Rotor- und/oder Generatordrehzahl, der erfassten Windgeschwindigkeit, insbesondere ihres Betrags und/oder ihrer Richtung, und/oder anderer Eingangsgrößen, beispielsweise erfasster Lasten, insbesondere Blattlasten,
Beschleunigungen oder dergleichen.
Fig. 3 zeigt ein Blattwinkelverstellsignal ßiP einer 1 P-Einzelblattregelung (fett ausgezogen in Fig. 1 ) und ein Blattwinkelverstellsignal ß2P einer 2P-Einzelblattregelung (dünn gestrichelt in Fig. 1 ) über einer vollen Umdrehung des Rotors bzw. einem Rotorwinkel p von 0° bis 360°. Beide Blattwinkelverstellsignale ß1P, ß2P sind sinusartig, gegeneinander phasenverschoben und weisen unterschiedliche (maximale) Amplituden auf, wobei in einer nicht dargestellten Abwandlung das Blattwinkelverstellsignal der 1 P-Einzelblattregelung und der
2P-Einzelblattregelung auch die gleiche Phase und/oder (maximale) Amplituden oder auch einen nicht-sinusartigen Verlauf aufweisen können. Das Blattwinkelverstellsignal ß1 P wird von einer 1 P-Einzelblattregelung 210 des
Betriebsführungssystems 200 ermittelt, das Blattwinkelverstellsignal ß2p von einer
2P-Einzelblattregelung 220 des Betriebsführungssystems 200. Zusätzlich ermittelt eine kollektive Blattregelung 230 des Betriebsführungssystems 200 einen - in Fig. 3 bzw. über eine Umdrehung des Rotors konstanten - kollektiven Blattwinkel.
Das Betriebsführungssystem 200 superponiert diesen und die beiden
Blattwinkelverstellsignalen ß1 P, ß2P und steuert die einzelnen Rotorblätter bzw. deren
Blattwinkel-Stellantriebe 131 entsprechend an.
Auf diese Weise weist beispielsweise das Rotorblatt 30 in seiner in Fig. 1 gezeigten Stellung den kollektiven Blattwinkel zuzüglich der entsprechenden Blattwinkelverstellsignale ß1 P(p=0°) und ß2P(p=0°) auf. Bei Weiterdrehen (p->p>0°) reduziert sich dieser (Gesamt)Blattwinkel des Rotorblatts 30 zunächst. Umgekehrt ändert sich der (Gesamt) Blattwinkel des anderen Rotorblatts 31 entsprechend, so dass die Rotorblätter jeweils (dann) denselben
(Gesamt) Blattwinkel aufweisen (würden), wenn sie relativ zur Gondel (nacheinander) dieselbe Winkelstellung um die Rotationsachse R einnehmen (würden). Dabei ändern die Einzelblattregelungen 210, 220 die Amplitude und/oder Phase des jeweiligen
Blattwinkelverstellsignals ßiP bzw. ß2P, beispielsweise entsprechend gemessener
Wind- und/oder Blattlasten oder dergleichen.
Fig. 4 zeigt eine Schubkraft F auf den bzw. in dem Rotor („Rotorschubkraft“), den kollektiven Blattwinkel ßkoM, das Drehmoment M des Rotors bzw. Generators, dessen Drehzahl w und die elektrische Leistung Pei über einer Windgeschwindigkeit, wobei deren angegebene Werte lediglich exemplarisch sind.
In Fig. 4 ist mit vnenn ein Nennbetriebspunkt der Windenergieanlage bzw. eine entsprechende Nennwindgeschwindigkeit sowie ein Teillastbereich T, der sich von einer
Einschaltwindgeschwindigkeit von bis zum Nennbetriebspunkt bzw. zur
Nennwindgeschwindigkeit vnenn erstreckt, sowie ein Volllastbereich eingezeichnet, der sich vom Nennbetriebspunkt bzw. der Nennwindgeschwindigkeit vnenn bis zu einer
Abschaltwindgeschwindigkeit voff erstreckt.
Man erkennt insbesondere, dass in an sich bekannter Weise der kollektive Blattwinkel ßk0n ab Erreichen des Nennbetriebspunkts bzw. der Nennwindgeschwindigkeit vergrößert wird, um die elektrische Leistung möglichst konstant zu halten und die Anlage nicht zu überlasten. Gut erkennbar ist auch, dass die Schubkraft auf den Rotor im Bereich des Nennbetriebspunkts bzw. der Nennwindgeschwindigkeit ein Maximum aufweist.
Fig. 2 zeigt ein Verfahren zum Steuern der Windenergieanlage nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
In einem Schritt S10 wird ein aktueller Wert einer ersten Betriebsvariable, beispielsweise ein aktuelles Drehmoment, ermittelt.
In Schritt S20 prüft das Betriebsführungssystem 200, ob der Wert der ersten Betriebsvariable einen vorgegebenen unteren Schwellwert überschreitet. Ist dies der Fall (S20:„Y“), aktiviert es in einem Schritt S25 die 1 P-Einzelblattregelung 210, wobei es das durch diese
vorgegebene Blattwinkelverstellsignal ßiP gleitend bis zur vollen Amplitude erhöht. Dabei wird das Blattwinkelverstellsignal innerhalb eines hierfür vorgegebenen Intervalls der ersten Betriebsvariable mit steigendem Wert der ersten Betriebsvariable von Null bei Erreichen des vorgegebenen unteren Schwellwert bis zur vollen Amplitude am Ende des Intervalls erhöht. Anschließend fährt das Betriebsführungssystem mit Schritt S30 fort. Falls der Wert der ersten Betriebsvariable den vorgegebenen unteren Schwellwert nicht überschreitet (S20:„N“) kehrt das Betriebsführungssystem hingegen nach Schritt S20 zu Schritt S10 zurück.
In Schritt S30 wird ein aktueller Wert einer zweiten Betriebsvariable, beispielsweise ein aktueller kollektiver Blattwinkel, ermittelt.
In Schritt S40 prüft das Betriebsführungssystem 200, ob der Wert der zweiten
Betriebsvariable einen vorgegebenen oberen Schwellwert überschreitet. Ist dies der Fall (S40:„Y“), deaktiviert es in einem Schritt S45 die 1 P-Einzelblattregelung 210, wobei es das durch diese vorgegebene Blattwinkelverstellsignale ß1 P analog gleitend von der vollen
Amplitude auf Null reduziert, und kehrt anschließend zu Schritt S10 zurück, andernfalls (S40: „N“) kehrt er zu Schritt S30 zurück.
Parallel hierzu wird in einem Schritt S50 ein aktueller Wert einer dritten Betriebsvariable, beispielsweise eine aktuelle Windgeschwindigkeit oder Drehzahl, ermittelt.
In Schritt S60 prüft das Betriebsführungssystem 200, ob der Wert der dritten Betriebsvariable einen vorgegebenen unteren Grenzwert überschreitet. Ist dies der Fall (S50:„Y“), aktiviert es in einem Schritt S65 die 2P-Einzelblattregelung 220, wobei es das durch diese vorgegebene Blattwinkelverstellsignale ß2p analog gleitend bis zur vollen Amplitude erhöht, und fährt anschließend mit Schritt S70 fort, andernfalls (S60:„N“) kehrt er zu Schritt S50 zurück.
In Schritt S70 wird der Wert der dritten Betriebsvariable aktualisiert.
In Schritt S80 prüft das Betriebsführungssystem 200, ob der Wert der dritten Betriebsvariable einen vorgegebenen oberen Grenzwert überschreitet. Ist dies der Fall (S80:„Y“), deaktiviert es in einem Schritt S85 die 2P-Einzelblattregelung 220, wobei es das durch diese
vorgegebene Blattwinkelverstellsignal ß2p analog gleitend von der vollen Amplitude auf Null reduziert, und kehrt anschließend zu Schritt S50 zurück, andernfalls (S80:„N“) kehrt er zu Schritt S70 zurück.
Wie in Fig. 2 angedeutet, können die Aktivierung und Deaktivierung der 1 P- Einzelblattregelung und 2P-Einzelblattregelung unabhängig und/oder parallel erfolgen.
Gleichermaßen können beide Aktivierungen und Deaktivierungen auch miteinander verknüpft sein bzw. werden. So braucht beispielsweise in einer Ausführung, in der die 2P- Einzelblattregelung bei auffrischendem Wind (vT) früher aktiviert und deaktiviert wird als die 1 P-Einzelblattregelung, eine Überschreitung des unteren Schwellwertes (vgl. S60) nur geprüft werden, solange der untere Grenzwert überschritten ist, eine Überschreitung des oberen Schwellwertes (vgl. S80) nur, solange der obere Grenzwert überschritten ist.
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um
Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten
Merkmalskombinationen ergibt. Bezuaszeichenliste
10 Anemometer
1 1 Windfahne
20 Windnachführ-Aktuator
30, 31 Rotorblätter
40 Generator
1 10 Turm
120 Gondel
130 Rotor
131 Blattwinkel-Stellantriebe
150 Stromnetz
200 Betriebsführungssystem mit Blattwinkel-Regler
210 1 P-Einzelblattregelung
220 2P-Einzelblattregelung
230 kollektive Blattregelung
F Schubkraft
G Gierachse
M Drehmoment
Pei elektrische Leistung
R Rotationsachse
T Teillastbereich
V Volllastbereich ß30/3i Blattwinkel
ßiP Blattwinkelverstellsignal (von) der 1 P-Einzelblattregelung ß p Blattwinkelverstellsignal (von) der 2P-Einzelblattregelung ßkoi, kollektiver Blattwinkel (von) der kollektiven Blattregelung w Drehzahl

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Steuern einer Windenergieanlage, die
- einen Rotor (130) mit wenigstens zwei Rotorblättern (30, 31 );
- eine 1 P-Einzelblattregelung (210) zur individuellen zyklischen Verstellung der
Rotorblätter um ihre jeweilige Längsachse mit einer ersten Rotorordnung; sowie
- einen Teillastbereich (T) und einen Volllastbereich (V), die in einem
Nennbetriebspunkt aneinander angrenzen,
aufweist, mit wenigstens einem der Schritte:
- Aktivieren (S25) der 1 P-Einzelblattregelung, falls ein Wert einer ersten
Betriebsvariable der Windenergieanlage einen vorgegebenen unteren Schwellwert überschreitet, den diese Betriebsvariable an einem ersten Betriebspunkt der Windenergieanlage aufweist, der in dem Teillastbereich oder dem Volllastbereich liegt oder der Nennbetriebspunkt ist, insbesondere durch gleitendes Erhöhen der
1 P-Einzelblattregelung; und/oder
- Deaktivieren (S45) der 1 P-Einzelblattregelung, falls ein Wert der ersten oder einer zweiten Betriebsvariable der Windenergieanlage einen vorgegebenen oberen Schwellwert überschreitet, den diese Betriebsvariable unterhalb einer
Abschaltwindgeschwindigkeit der Windenergieanlage, insbesondere an einem zweiten Betriebspunkt der Windenergieanlage, der in dem Volllastbereich liegt, aufweist, insbesondere durch gleitendes Reduzieren der 1 P-Einzelblattregelung.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Betriebsvariable von einem Generatormoment, einer Drehzahl (w), Leistung (Pei), einer kollektiven Verstellung (ßkoN) der Rotorblätter um ihre jeweilige Längsachse, einer, insbesondere über einen vorgegebenen Zeitraum gemittelten, Windgeschwindigkeit, einem Blattbiegemoment, einer Rotorschubkraft (F) und/oder von einem Sollwert abhängt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Betriebspunkt in einem Lastbereich liegt, bei dem die Windenergieanlage wenigstens 65% und/oder höchstens 1 10%, insbesondere höchstens 99%, ihrer Nenndrehzahl und/oder wenigstens 35% und/oder höchstens 65% ihres
Nenndrehmoments und/oder wenigstens 55% und/oder höchstens 85% ihres Schubs bei Erreichen ihrer Nennleistung aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Betriebspunkt in einem Lastbereich liegt, bei dem die Rotorblätter einen Blattwinkel zwischen 0° und 10° oder zwischen 13° und 37° aufweisen und/oder die Windenergieanlage wenigstens 45% und/oder höchstens 75% ihres Schubs bei Erreichen ihrer Nennleistung aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gleitende Erhöhen und/oder Reduzieren der 1 P-Einzelblattregelung über ein Intervall von wenigstens 5% und/oder höchstens 45% eines Nenndrehmoments der Windenergieanlage und/oder von wenigstens 2° eines, insbesondere kollektiven, Blattwinkels erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windenergieanlage zusätzlich eine nP-Einzelblattregelung (220) zur individuellen zyklischen Verstellung der Rotorblätter um ihre jeweilige Längsachse mit einer n-ten Rotorordnung und das Verfahren wenigstens einen der Schritte aufweist:
- Aktivieren (S65) der nP-Einzelblattregelung, falls ein Wert einer Betriebsvariable der Windenergieanlage einen vorgegebenen unteren Grenzwert überschreitet, insbesondere durch gleitendes Erhöhen der nP-Einzelblattregelung; und/oder
- Deaktivieren (S85) der nP-Einzelblattregelung, falls ein Wert einer Betriebsvariable der Windenergieanlage einen vorgegebenen oberen Grenzwert überschreitet, insbesondere durch gleitendes Reduzieren der nP-Einzelblattregelung.
7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Grenzwert einer geringeren Windgeschwindigkeit entspricht als der untere Schwellwert und/oder dass der obere Grenzwert einer geringeren
Windgeschwindigkeit entspricht als der obere Schwellwert und/oder dass ein
Betriebsbereichsintervall der Windenergieanlage, insbesondere ein
Windgeschwindigkeitsintervall, zwischen dem unteren und oberen Grenzwert, insbesondere um wenigstens 20%, kleiner ist als ein Betriebsbereichsintervall der Windenergieanlage, insbesondere ein Windgeschwindigkeitsintervall, zwischen dem unteren und oberen Schwellwert.
8. System zum Steuern einer Windenergieanlage, die
- einen Rotor (130) mit wenigstens zwei Rotorblättern (30, 31 ); - eine 1 P-Einzelblattregelung (210) zur individuellen zyklischen Verstellung der Rotorblätter um ihre jeweilige Längsachse mit einer ersten Rotorordnung; sowie
- einen Teillastbereich (T) und einen Volllastbereich (V), die in einem
Nennbetriebspunkt aneinander angrenzen,
aufweist, wobei das System zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist und/oder aufweist:
- Mittel zum Aktivieren der 1 P-Einzelblattregelung, falls ein Wert einer ersten
Betriebsvariable der Windenergieanlage einen vorgegebenen unteren Schwellwert überschreitet, den diese Betriebsvariable an einem ersten Betriebspunkt der Windenergieanlage aufweist, der in dem Teillastbereich oder dem Volllastbereich liegt oder der Nennbetriebspunkt ist, insbesondere durch gleitendes Erhöhen der 1 P-Einzelblattregelung; und/oder
- Mittel zum Deaktivieren der 1 P-Einzelblattregelung, falls ein Wert der ersten oder einer zweiten Betriebsvariable der Windenergieanlage einen vorgegebenen oberen Schwellwert überschreitet, den diese Betriebsvariable unterhalb einer
Abschaltwindgeschwindigkeit der Windenergieanlage, insbesondere an einem zweiten Betriebspunkt der Windenergieanlage, der in dem Volllastbereich liegt, aufweist, insbesondere durch gleitendes Reduzieren der 1 P-Einzelblattregelung.
9. Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem von einem
Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
EP19832965.8A 2019-01-10 2019-12-23 Verfahren und system zum steuern einer windenergieanlage Withdrawn EP3908746A1 (de)

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