SE536174C2 - Metod för att styra ett vindkraftverk - Google Patents

Abstract

Anläggning som omfattar en bärare som bär upp åtminstone ett vindkraftverkomfattande en rotor, lagrad på bäraren, med åtminstone två rotorblad och varvidnämnda vindkraftverk är anordnat for att kunna leverera elkraft till anläggningen, varvidanläggningen innefattar mätmedel för att fastställa ett värde på den belastning sombäraren utsätts for av vinden då vindkraftverket är i drift, samt ett styrsystem kopplat tillnänmda mätmedel, vilket styrsystem är anslutet till vindkraftverket för att styravindkraftverket som en funktion av den fastställda belastningen och därigenom påverka den belastning som bäraren utsätts for.

Description

536 174 Ett sätt att försöka minska behovet av ständig tillsyn som beskrivs ovan är att förse anläggningen med en iömyelsebar energikälla, såsom exempelvis ett vindkraftverk.

Sådana tekniker visas till exempel genom US7,l38,96l (Sievert) eller US2004/0232703 (Michael), där vindkraftverket integreras med själva masten så att en kombinationsanläggning uppnås. Detta har den stora fördelen att anläggningen kan göras självförsörjande på energi, eller åtminstone väsentligt minska beroendet av andra energislag såsom diesel, men en väsentlig nackdel är att närvaron av kraftverket innebär att de krafier som anläggningen utsätts för på grund av vindens påverkan avsevärt ökas så att en ännu mer avanceras staganordning än vanligt krävs. Detta ökar ytterligare det markområde som behöver avsättas för anläggningen, och tillsammans med de förankringsanordningar och stag som behövs för att säkerställa att masten hålls stabil, blir lösningen både kostsam och materialkrävande.

Det finns därför ett tydligt behov av att finna en lösning på ovan beskrivna problem.

KORT BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Det är ett ändamål med föreliggande uppfinning att eliminera eller åtminstone minimera ovan nämnda problem, vilket åstadkommes genom en anläggning i enlighet med ingressen till patentkrav l, varvid anläggningen innefattar mätrnedel för att fastställa ett värde på den belastning som bäraren utsätts för av vinden då vindkraftverket är i drift, samt ett styrsystem kopplat till nämnda mätmedel, vilket styrsystem är anslutet till vindkraftverket för att styra vindkraftverket som en funktion av den fastställda belastningen och därigenom påverka den belastning som bäraren utsätts för. Härigenom kan driften av vindkraftverket anpassas så att så hög effekt som möjligt kan uppnås utan att riskera att skada eller destabilisera bäraren.

Enligt en annan aspekt av uppfinningen omfattar anläggningen vidare åtminstone en lagringsenhet för att lagra överskottsenergi från vindkraftverket. Härigenom kan förändringar i vindtillgång kompenseras och tillräcklig mängd elektrisk energi behållas i systemet för att driva anläggningen även vid stiltje eller storm, där en drifi av kraftverket kanske allvarligt skulle skada bäraren.

Enligt en aspekt av uppfinningen kan den lagrade energin återföras till vindkrafiverket för att aktivt styra egenskaper hos nämnda vindkraftverk. Härigenom kan snabba förändringar i driften, såsom varvtalsändringar eller förändringar av tlöjlingsvinkel, åstadkommas, så att den resulterande kraften på anläggningen kan användas för att motverka den momentana påverkan som väder och vind har på anläggningen. 10 20 25 30 35 536 174 Enligt ytterligare en aspekt av uppfinningen innefattar nämnda mätmedel åtminstone en positionsgivare anordnad för att kommunicera med styrsystemet. Härigenom blir det möjligt att följa förflyttningen hos en specifik punkt på bäraren och upptäcka svajning eller andra rörelser.

Enligt en annan aspekt för uppfinningen innefattar nämnda mätmedel åtminstone en accelerationsgivare anordnad för att kommunicera med styrsystemet. Härigenom kan styrkan hos en rörelse snabbt upptäckas och förändringar hos rörelser följas och analyseras.

Enligt ytterligare en aspekt för uppfinningen innefattar styrsystemet vidare medel för styrning av varvtal hos vindkraftverket. Härigenom kan den resulterande kraften från vindkraftverket på masten snabbt förändras och anpassas.

Enligt en annan aspekt för uppfinningen innefattar styrsystemet vidare flöjlingsmedel för att styra flöjling hos rotorbladen. Härigenom kan också kraften från vinkraftverket på bäraren snabbt förändras och anpassas.

Enligt ytterligare en aspekt för uppfinningen innefattar styrsystemet vidare girmedel för att vrida åtminstone rotorbladen hos vindkraftverket i förhållande till bäraren.

Härigenom kan vindkraftverket anpassas för att fånga upp vinden när den ändrar riktning så att en högre uteffekt kan erhållas, eller minska vindmotståndet och därigenom kraften på bäraren för att undvika överbelastning, beroende på anläggningens behov.

Enligt en annan aspekt av uppfinningen används data gällande aktuell eller prognostiserad vindstyrka för att modifiera stymingen av vindkrafiverket. Härigenom kan den styming som påverkar vindkraftverket förändras beroende på den väntade mängden vind eller arman väderpåverkan, så att kraftverkets drifi påverkas på olika sätt vid olika tillfällen.

Enligt ytterligare en aspekt av uppfinningen är bäraren ett tom eller en mast med åtminstone en kommunikationsenhet för att sända och/eller ta emot signaler.

KORT FIGURBESKRIVNING/BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS 10 15 20 25 30 35 535 174 Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas i mer detalj med hänvisning till de bifogare ritningsfigurema, i vilka: Fig. 1 visar en översiktsvy av en föredragen utfóringsforrn av en anläggning enligt uppfimiingen, F ig. 2 visar en översiktlig vy av anläggningens övre del, och F lg. 3 visar en schematisk vy av ett styrsystem för anläggningen.

DETALJERAD FIGURBESKRIVNING I Fig. l visas en översiktlig vy av en föredragen utföringsforrn av en anläggning 1 enligt uppfinningen, omfattande en bärare 2 som kan vara ett tom eller en mast för trådlös kommunikation, försedd med kommunikationsenheter i form av komponenter 4 och antenner 6 för att ta emot och sända signaler av olika slag, såsom exempelvis för mobiltelefoni, TV-sändningar, eller radio. Bäraren 2 innefattar även ett vindkraftverk 5 som bland annat tjänar som strömkälla för de elektroniska komponenterna 4, 6.

Styrningen av anläggningen utförs med hjälp av en styrenhet 7, som kan vara placerad i eller i anslutning till bäraren 2 och som står i förbindelse med vindkraftverket 5 och vid behov också vid andra komponenter, såsom den elektroniska utrustningen 4, 6. För att tillhandahålla ytterligare energi i de fall detta behövs, kan en separat strömkälla såsom en dieselgenerator 82, vars drift också kan styras genom styrenheten 7 så att den önskade elkraften kan tillhandahållas när behovet finns.

En lagringsenhet 81 såsom ett batteri eller en elektrolysör kopplad till en bränslecell, finns också anordnad i anslutning till bäraren 2 för lagring av överskottsenergi från vindkraftverket 5.

Vid behov kan även bäraren 2 vara förankrad i marken med hjälp av en staganordning 3.

Fig. 2 visar en översiktlig vy av den övre delen av anläggningen 1, där några av anordningarna vid bäraren 2 visas mer i detalj. Vindkrattverket 5 innefattar ett antal rotorblad 51 som är kopplade till en generator 52 för att generera elkraft. Genom ett konventionellt arrangemang, såsom med rotor och stator, omvandlas rörelseenergi från rotorbladens 51 rotation till elektrisk energi, som via elektriska förbindelser kan användas vid de kommunikationskomponenter 4 och/eller antenner 6 som finns anordnade vid bäraren 2. Den elektriska energin som sålunda genererats kan också lagras i någon lämplig lagringsenhet 81, såsom visas i Fig. 1. 10 15 20 25 30 35 536 174 Vindkraftverket 5 innefattar också flöjlingsmedel 53 for att styra flöj lingen hos rotorbladen 51. Detta, tillsammans med andra driftsparametrar för vindkraftverket, kan styras och kontrolleras av styrenheten 7 eller av ett separat styrsystem.

Anordnade vid bäraren 2 finns en serie givare såsom en positionsgivare 91 och/eller en accelerationsgivare 92 for att mäta position resp. acceleration hos en given punkt längs bäraren. Andra givare kan också tänkas, som uppmäter andra egenskaper hos bäraren.

Fig. 3 visar en schematisk vy av styrenheten 7 med en processenhet 71 som tar emot indata från en serie datakällor 721 , 722, 723, 724, och utformar styrsignaler utifrån dessa, som sedan vidarebefordras till lämpliga enheter 731, 732, 721, 724. Genom att en del av dessa enheter 721, 724 också utgör datakällor for indata till processenheten 71 har ett återkopplingssystem skapats som möjliggör en effektiv styrning av anläggningen 1.

Användningen av anläggningen l skall nu beskrivas mer i detalj med hänvisning till de ovan beskrivna figurerna 1-3.

Den elektriska ström som behövs for driften av anläggningen 1 produceras huvudsakligen av vindkraftverket 5, men for att styra detta på ett optimalt sätt som bidrar till bärarens 2 stabilitet insamlas en mängd indata 721, 722, 723, 724 till processenheten 71, som i sin tur kontrollerar egenskaperna hos vindkraftverket 5 och energifördelningen hos anläggningen 1.

Med hjälp av positionsgivaren 91 och accelerationsgivaren 92 kan data gällande position och acceleration hos givna punkter längs bäraren 2 beräknas. Genom att nyttja flera sådana givare som fimis placerade på olika höjd över marken kan dessutom data gällande bärarens böjning i vinden insamlas. Detta används som indata 722 och 723 till processenheten 71, tillsammans med data gällande varvtal hos vindkraftverket 5 samt graden av flöj ling hos rotorbladen 51, i form av indata 7 21 resp. 724. Även andra typer av indata kan samlas och användas för dessa analyser, såsom till exempel den aktuella vindstyrkan eller data från väderprognoser. Insarnlad data kan också användas for att förändra styrningen av systemet, så att korrigerande åtgärder snabbare sätts in om kraftig vind väntas eller så att driften av vindkraftverket går ner till ett minimum eller helt stängs av under perioder där man kan förutspå att den möjliga uteffekten blir låg. lO 15 20 25 30 35 535 174 Vindmätning och/eller prognosdata kan också användas för att avgöra hur stor effekt som kan tas ut från kraftverket 5, och detta kan utgöra índata till processenheten 71 eller användas som modifikationer till beräkningar som utförs för att tolka indata.

För att på ett korrekt sätt bestämma positionen hos en given punkt längs bäraren kan positionsgivaren innefatta en ljuskälla som används för att belysa en reflektor (ej visad) som är placerad på marken nedanför bäraren. Genom att fånga upp reflexen från reflektom kan man avgöra hur mycket den nuvarande positionen skiljer sig från ett utgångsläge, och därigenom få ett värde för den absoluta positionen hos punkten.

Med hjälp av insamlad data beräknas den belastning, eller last, som påverkar bäraren 2 av processenheten 71, och resultatet järnfórs med tillåtna värden, baserat på data såsom hållfastheten hos bäraren, för att säkerställa att denna klarar den aktuella påfrestningen.

Utifrån dessa beräkningar styrs sedan vindkrañverket genom utdata från processenheten 71 för att minimera lasten och utgöra så liten påverkan som möjligt på bäraren 2.

Genom utdata 721 och 724 kan flöjlingen resp. varvtalet därigenom påverkas, så att effektuttaget och lasten från vindkraftverket 5 hålls inom lämpliga gränser. I dessa avseenden bildas alltså en återkopplingskrets, där varvtal och flöj ling dynamiskt kan styras för att optimera driften av vindkraftverket 5.

Med belastning avses här den påverkan som bäraren utsätts för av sin omgivning, alltså den kraft varmed vinden trycker mot bäraren, den utböjning som sker till följd av en sådan krafi, den hastighet varmed en svajrörelse äger rum, eller liknande. Denna belastning kan uppmätas genom de beskrivna instrumenten eller på något annat sätt, och de därigenom uppmätta värdena kan kombineras eller modifieras genom beräkningar av olika slag.

Annan utdata 731, 732 används for att styra lagringen i lagringsenheten 81 och energiuttaget hos dieselgeneratorn 82, så att energianvändningen hos anläggningen l kan optimeras och anpassas för det rådande behovet. Andra egenskaper hos anläggningen kan också styras genom utdata från processenheten 71.

Tack vare uppfinningen blir det alltså möjligt att lagra och använda energi på ett gynnsamt sätt, så att lasten från vindkraftverket 5 på bäraren aldrig överskrider den kapacitet som bäraren 2 och skador på anläggningen därigenom skulle riskeras.

Samtidigt kan man erhålla ett energiuttag som är så stort som möjligt inom dessa gränser, så att energiförsöijningen hos anläggningen l blir så gynnsam som möjligt och l0 l5 20 25 30 35 536 174 man därigenom kan minimera behovet av andra energikällor, såsom diesel i dieselgeneratom.

Genom att alltså kärma av position och rörelse hos bäraren 2 själv kan man kontrollera lasten så att rörelser genom dynamiska ändringar av varvtalet hos víndkrafiverket 5 kan minimeras eller rentav motverkas. En påbörjad svajningsrörelse skulle därigenom kunna minskas så att risken för resonanssvängning eller annan okontrollerad svängningsökning kan minimeras eller helt undvikas. Kombinationen av varvtalsförändringar och flöjling av rotorbladen gör också att det återkopplade systemet blir särskilt känsligt och kan reagera snabbt och inkännande även på mycket små förändringar. Den kraft som därigenom skapas vid rotom kan användas för att motverka de yttre krafter som påverkar anläggningen 1.

För att motverka en sådan svängning kan energi behöva tillföras kraftverket 5 för att därigenom snabbt kunna ändra varvtal och/eller flöj ling hos rotorbladen 5 l. Denna energi kan tas från lagringsenheten 81 och innebär då att den uteffekt som vindkrafiverket en gång lämnat kan användas som ineffekt för att öka rotorns varvtal, snabbt vrida om rotorbladen 51 eller genomföra någon arman förändring som krävs för att förändra den belastning som bäraren utsätts för. Altemativt kan energin härröra från en yttre krafrkälla såsom dieselgeneratom 82.

Genom girmedel som finns integrerade med vindkraftverket 5 kan man också vrida åtminstone någon del av nämnda vindkraftverk 5 så att man kan välja vilken vinkel man vill ha till vindriktningen. För att öka uteffekten kan man då gira så att man möter vinden bättre och får en större krafi mot rotorbladen, och omvänt kan man minska belastningen genom att gira bort från vinden. Girrnedlen blir därigenom ett komplement till de andra beskrivna sätten att förändra belastningen mot bäraren 2 från vindkraftverket 5.

Vad som räknas som godkända värden för belastning på bäraren kan avgöras av en rad faktorer, såsom uppmätta och mottagna värden för omgivningens rådande eller framtida påverkan, liksom materialegenskaper eller andra faktorer hos bäraren själv. Dessa tillåtna belastningsvärden kan förändras under drift så att det som räknas som tillåtna värden under vissa omständigheter kan falla utanför det tillåtna intervallet när andra omständigheter råder. Under gynnsamma förhållanden kan man exempelvis ta ut en högre effekt från vindkrafiverket än vad som annars vore möjligt. 10 536 174 Uppfinningen begränsas inte av vad som ovan beskrivits, utan kan varieras inom ramarna för de efterföljande patentkraven. Det inses exempelvis att många olika typer av data kan användas för att styra driften av ett vindkraftverk, och att den faktiska uppbyggnaden av systemet kan varieras. Bäraren kan vara ett tom eller en mast såsom ovan beskrivits i samband med den föredragna utfóringsforrnen, men kan också vara en hög byggnad eller liknande. Placeringen av de olika komponentema i förhållande till varandra kan givetvis varieras, så att exempelvis mätinstrumenten kan vara placerade längs bäraren, inuti ett maskinhus vid vindkraftverket, eller på någon annan lämplig plats. Många andra variationsmöjligheter kan också rymmas inom kravens ramar.

Claims (1)

1. l0 20 25 30 35 535 '174 PATENTKRAV b) d) Metod för att förhindra skada på en bärare (2) i form av ett tom eller en mast för trådlös kommunikation, vilken bärare (2) bär upp ett vindkraftverk (5) vilket har en rotor (52), med åtminstone två rotorblad (51), och vilket är anordnat för att kunna leverera elkraft, och där bäraren (2) vid drifi utsätts för en belastning av vinden, varvid vindkraftverket (5) är elektriskt ansluten till en lagringsenhet (81) för lagring av överskottsenergi från vindkraftverket, vilken metod innefattande stegen att kontinuerligt genom mätning erhålla ett värde för momentan belastning på bäraren (2) utifrån åtminstone en av följande faktorer: utböjning hos bäraren och rörelse hos bäraren, samt därutöver åtminstone ytterligare en av följande faktorer: styrka hos vinden och riktning hos vinden, ta emot data från väderprognoser gällande kommande väderförhållanden, använda nämnda data från väderprognoser för att fastställa en tillåten belastning på bäraren (2), anpassa driften av vindkraftverket (5) som en funktion av belastningen så att den tillåtna belastningen ej överskrids genom åtminstone en av följande åtgärder: - anpassning av en anfallsvinkel hos ett rotorblad (51) hos vindkraftverket i förhållande till vinden, - ändring av ett varvtal hos en generator hos vindkraftverket (5), där nämnda belastning påverkas genom förändring av ett varvtal hos en rotor (52) eller flöj ling av rotorbladen (51) hos vindkraftverket (5), varvid nämnda ändring av varvtal eller flöjling av åtminstone ett rotorblad (51) utförs medelst tillförsel av den lagrade överskottsenergin för att svara mot kommande förhållanden på ett sådant vis att belastningen på bäraren (2) ej överskrider den tillåtna belastningen. Metod enligt patentkrav 1, där data gällande förflyttning av åtminstone en punkt i anslutning till bäraren (2) används för att uppmäta belastningen på bäraren (2). Metod enligt något av patentkrav l-2, där data gällande rörelseíörändring hos åtminstone en punkt i anslutning till bäraren (2) används för att uppmäta belastningen på bäraren (2). 4. 536 174 10 Metod enligt något av patentkrav l-3, där driften av vindkrafiverket (5) styrs åtminstone delvis genom återkoppling genom att åtminstone en datakälla (721, 724) som används för att ge indata till en styrenhet (7) även kan ta emot styrsignaler från nämnda styrenhet (7). Metod enligt patentkrav 4, där styrenheten (7) vidare innefattar girmedel för att vrida åtminstone rotorbladen (51) hos vindkraftverket (5) i förhållande till bäraren (2).